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技術 ロボットアーム

出願人 積水化成品工業株式会社
発明者 中村真章
出願日 2016年3月28日 (4年3ヶ月経過) 出願番号 2016-064060
公開日 2017年3月9日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2017-047522
状態 特許登録済
技術分野 マニプレータ 多孔性物品の製造および廃物の回収・処理
主要キーワード 凹入形状 カーボン繊維シート 部品トレー 作業スピード 支持点間 試験冶具 繻子織物 形成厚み
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (9)

課題

制振性軽量性とに優れたロボットアームを提供すること。

解決手段

アクリル樹脂発泡体で形成された芯材と、該芯材を覆う外皮とを備え、前記外皮がカーボン繊維樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成されているロボットアームを提供する。

概要

背景

従来、工業製品製造現場において種々の産業用ロボットが活躍している。
この種のロボットには、通常、実際の作業を行うロボットハンドと、該ロボットハンドを所定の位置まで案内するためのロボットアームとが備えられている。
なお、このような産業用ロボットとしては、例えば、特許文献1に示されているように、ロボットハンドが単なるチャックでロボットアームが単なる旋回アームであるような構造が比較的単純なものから、人間のような3次元的で複雑な動きをするものまで種々のものが知られている。

この種の産業用ロボットには、その動力負荷を軽減するためにロボットアームなどの構成部品を軽量化することが求められている。
一般的なロボットアームは、金属製の角パイプなどで形成されている。
しかし、前記のような要望から、樹脂発泡体で形成された芯材繊維強化樹脂材FRP)によって形成された外皮被覆した構造のロボットアームが金属製のものに代えて用いられたりしている。

概要

制振性軽量性とに優れたロボットアームを提供すること。アクリル樹脂発泡体で形成された芯材と、該芯材を覆う外皮とを備え、前記外皮がカーボン繊維樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成されているロボットアームを提供する。

目的

本発明は、このような問題点を解決することを課題としており、軽量性と制振性とに優れたロボットアームを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

芯材と、該芯材を覆う外皮とを備えたロボットアームであって、前記外皮がカーボン繊維樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成され、前記芯材がアクリル樹脂発泡体で形成されているロボットアーム。

請求項2

前記芯材を形成するアクリル樹脂発泡体が5MPa以上の曲げ弾性率を有する請求項1記載のロボットアーム。

請求項3

前記アクリル樹脂発泡体を形成するアクリル樹脂のモノマー単位は、必須成分としてメタクリル酸メチル、(メタアクリル酸、及び、スチレンを含み、任意成分として無水マレイン酸、及び、メタクリルアミドを含んでおり、且つ、前記モノマー単位を下記(A)〜(E)に示す割合で含む請求項1又は2記載のロボットアーム。(A)メタクリル酸メチル:35〜70質量%(B)(メタ)アクリル酸:14〜45質量%(C)スチレン:10〜20質量%(D)無水マレイン酸:0〜10質量%(E)メタクリルアミド:0〜10質量%

請求項4

回転軸取付けられる取付部が長手方向一端側に備えられ、ロボットハンドが装着されるハンド装着部長手方向他端側に備えられており、前記一端側には、前記外皮及び前記芯材を貫通する貫通孔と、該貫通孔に嵌着された金属リングが備えられ、該金属リングが前記外皮及び前記芯材に接着されており、前記芯材は、前記アクリル樹脂発泡体である第1発泡体と、該第1発泡体よりも高い曲げ弾性率を有する第2発泡体とで形成され、前記第1発泡体は、前記他端側から前記一端側へと延在し、前記第2発泡体を介して前記金属リングに接着されている請求項1乃至3の何れか1項に記載のロボットアーム。

請求項5

回転軸に取付けられる取付部が長手方向一端側に備えられ、ロボットハンドが装着されるハンド装着部が長手方向他端側に備えられており、前記一端側から前記他端側にかけて電線を配するための配線経路が備えられ、前記外皮が、前記一端側に電線挿入口を備え、前記他端側に電線引出口を備えており、前記電線挿入口から前記電線引出口までの間には、前記芯材と前記外皮とを離間させてなる電線配線溝が備えられている請求項1乃至4の何れか1項に記載のロボットアーム。

技術分野

0001

本発明は、ロボットアームに関する。

背景技術

0002

従来、工業製品製造現場において種々の産業用ロボットが活躍している。
この種のロボットには、通常、実際の作業を行うロボットハンドと、該ロボットハンドを所定の位置まで案内するためのロボットアームとが備えられている。
なお、このような産業用ロボットとしては、例えば、特許文献1に示されているように、ロボットハンドが単なるチャックでロボットアームが単なる旋回アームであるような構造が比較的単純なものから、人間のような3次元的で複雑な動きをするものまで種々のものが知られている。

0003

この種の産業用ロボットには、その動力負荷を軽減するためにロボットアームなどの構成部品を軽量化することが求められている。
一般的なロボットアームは、金属製の角パイプなどで形成されている。
しかし、前記のような要望から、樹脂発泡体で形成された芯材繊維強化樹脂材FRP)によって形成された外皮被覆した構造のロボットアームが金属製のものに代えて用いられたりしている。

先行技術

0004

特開2005−161688号公報

発明が解決しようとする課題

0005

ロボットアームの軽量化が図られると、ロボットの運転に要するエネルギーが削減可能となるばかりでなく、ロボットハンドの移動が高速化されることで作業スピードの向上が期待できる。
また、繊維強化樹脂材によって形成された外皮を備えたロボットアームは、金属製のロボットアームに比べて制振性に優れる。
ロボットアームの制振性は、ロボットアームの高速化とともに産業用ロボットの作業スピードの向上に重要な要素となる。
即ち、産業用ロボットは、ロボットハンドを所定位置まで案内した後にロボットアームの振動が収まるのを待たなければロボットハンドの位置精度が十分なものにならないおそれがあるためロボットアームの制振性が作業スピードを向上させる上において重要である。
そのため、繊維強化樹脂材によって形成された外皮を備えたロボットアームに対しても制振性の改善が強く求められているが、このような要望を十分満足させることができていない。

0006

即ち、従来のロボットアームは、軽量性と制振性とに対する要望を十分満足させることが難しいという問題を有している。
本発明は、このような問題点を解決することを課題としており、軽量性と制振性とに優れたロボットアームを提供することを課題としている。

課題を解決するための手段

0007

本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を行ったところ、ロボットアームの芯材をアクリル樹脂発泡体で形成させるとともにカーボン繊維樹脂とを含む繊維強化樹脂材で外皮を形成させることで当該ロボットアームに優れた制振性と軽量性とを発揮させ得ることを見出して本発明を完成させるに至った。

0008

即ち、上記課題を解決するためのロボットアームに係る本発明は、芯材と、該芯材を覆う外皮とを備えたロボットアームであって、前記外皮がカーボン繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成され、前記芯材がアクリル樹脂発泡体で形成されている。

発明の効果

0009

本発明のロボットアームは、アクリル樹脂発泡体で形成された芯材と、該芯材を覆う外皮とを備え、前記外皮がカーボン繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成されている。
従って、本発明によれば、軽量性と制振性とに優れたロボットアームを提供し得る。

図面の簡単な説明

0010

本発明の一実施形態に係るロボットアームの模式的平面図である。
本発明の一実施形態に係るロボットアームの模式的正面図である。
図1のI−I線矢視断面図である。
第2の実施形態のロボットアームの模式的な一部切欠断面図である。
第3の実施形態のロボットアームの模式的平面図である。
図5のVI−VI線矢視断面図である。
第4の実施形態のロボットアームの模式的断面図である。
第5の実施形態のロボットアームの模式的断面図である。

実施例

0011

以下に本発明の第1の実施形態に係るロボットアームについて説明する。

0012

図1は、本実施形態に係るロボットアームの模式的平面図である。
図2は、本実施形態に係るロボットアームの模式的正面図である。
図3は、図1のI−I線矢視断面図である。

0013

図1、2に示すように、本実施形態に係るロボットアーム1は、産業用ロボットの駆動機器回転軸取付けられて用いられるロボットアームであり、前記回転軸に取付けられる取付部1aを長手方向一端側(以下、「基端側1s」ともいう)に備えている。
即ち、本実施形態のロボットアーム1は、長手方向一端部における回動中心軸回りに回動自在となるように駆動機器に装着されるものである。
該ロボットアーム1は、前記取付部1aから延びるアーム本体部1bを備え、前記取付部1aとは逆側となる長手方向他端側(以下、「先端側1t」ともいう)には、ロボットハンドが装着されるハンド装着部1cがさらに備えられている。

0014

ロボットアーム1は、図3に示すように、芯材11と、該芯材を覆う外皮12とを備えている。
即ち、前記芯材11は、外皮12に内側から接して外皮12を内側から支持するものである。

0015

前記取付部1aと前記ハンド装着部1cとは、前記外皮12を形成する繊維強化樹脂材のみによって形成されている。
一方で、前記アーム本体部1bは、図3に示したように外皮12の内側に樹脂発泡体で形成された芯材11を備えている。

0016

本実施形態のロボットアーム1は、前記芯材11がアクリル樹脂発泡体で形成されているとともに前記外皮12がカーボン繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材(CFRP)で形成されている。
そのため、ロボットアーム1は、軽量性に優れるとともに強度においても優れたものとなっている。

0017

なお、アーム本体部1bは、前記外皮12の形成厚みが略一定となっている。
即ち、本実施形態における前記芯材11は、アーム本体部1bよりも一回り薄いものとなっている。
前記芯材11を形成しているアクリル樹脂発泡体は、通常、ポリオレフィン系樹脂発泡体などに比べて硬質である。
このような比較的硬い発泡体を芯材とすることで、本実施形態のロボットアーム1は、優れた制振性を発揮する。
この点について、まず、振動の発生機構について説明する。
本実施形態のロボットアーム1は、例えば、ロボットハンドを装着するとともに当該ロボットアーム1を駆動機器に取り付けて作動させた場合、回動状態から停止状態となった時点などにおいて振動が生じる。
例えば、ロボットアーム1を、部品トレーに収められた部品をロボットハンドで取り出して製品の所定位置に組み付けるべく動作させると、ロボットハンドを部品トレーの所定位置や製品の所定位置に停止させるために発生する負の加速度に応じてロボットアーム1に僅かな曲げ歪みが生じ、停止後の歪みの回復に伴って振動が生じる。
そのため、ロボットアームは、軽量化されて高速運転が可能になっても、トレーからの部品の取り出し作業や製品への部品の組み付け作業を振動が収まるのを待って実施しなければならず、作業効率の向上に十分な効果が発揮されない場合がある。

0018

前記のようにアクリル樹脂発泡体が硬質で高強度であるため、本実施形態のロボットアーム1は、高速運転している状態から急停止させても曲げ歪みが生じ難い。
このような効果をロボットアーム1により確実に発揮させる上において、芯材11を形成する前記アクリル樹脂発泡体は、5MPa以上の曲げ弾性率を有することが好ましい。
なお、アクリル樹脂発泡体の曲げ弾性率は、JIS K7221−1記載の方法に準拠して算出することができる。
具体的には、曲げ弾性率は、芯材から縦25mm×横130mm×厚み20mmのサイズを有する直方体形状の試験片切り出し、該試験片を用いて測定することができる。
なお、曲げ弾性率は、芯材から前記サイズのものを切り出すのが無理であれば前記サイズのものと相似形となるできるだけ大きな直方体状の試験片を切り出して求めることができる。
なお、測定は、試験片を温度23±2℃、相対湿度50±5%の環境下に16時間以上に亘って保持した後、温度23±2℃、相対湿度50±5%の環境下にて実施する。
その際、支持点間隔は100mm、試験速度は10mm/分、試験冶具先端は5Rとする。
測定には、オリエンテック社からテンシロン万能試験機商品名「UCT−10T」)として市販されている試験機を用いることができる。
データ処理ソフトとしては、例えば、ソフトブレーン社から商品名「UTPS−237S」として市販されているものを用いることができる。

0019

アクリル樹脂発泡体は、製造方法などによっては曲げ弾性率が等方性を示さない場合がある。
その場合、前記芯材11を形成するアクリル樹脂発泡体は、少なくとも一方向において5MPa以上の曲げ弾性率を発揮することが好ましい。
前記アクリル樹脂発泡体は、前記アーム本体部1bが撓む方向(ロボットアーム1の長手方向)での曲げ弾性率が5MPa以上であることが好ましい。
即ち、前記試験片を、横方向がロボットアーム1の長手方向となるように採取して求められる曲げ弾性率が5MPa以上であることが好ましい。
また、アクリル樹脂発泡体は、前記アーム本体部1bが撓む方向と直交する方向(ロボットアーム1の幅方向)においても曲げ弾性率が5MPa以上であることが好ましい。
そして、アクリル樹脂発泡体は、全ての方向における曲げ弾性率が5MPa以上であることが好ましい。
なお、アクリル樹脂発泡体は、軽量性と曲げ弾性率との両立を図る上において、その曲げ弾性率の上限値が200MPaとされることが好ましい。
アクリル樹脂発泡体の曲げ弾性率は、より好ましくは10MPa以上150MPa以下であり、特に好ましくは10MPa以上130MPa以下である。

0020

このような特性を有するアクリル樹脂発泡体で芯材11が形成されることにより、本実施形態のロボットアーム1は、高速運転状態から急停止させても振動が生じ難くなる。
また、本実施形態のロボットアーム1は、芯材11がアクリル樹脂発泡体で形成されているため、振動が生じてもその振動エネルギーを芯材に素早く吸収させることができる。
ロボットアーム1の振動は、主として急停止時に外皮12に蓄えられる歪みエネルギーによって生じる。
本実施形態のロボットアーム1は、この振動が芯材全体にアクリル樹脂発泡体の気泡膜を通じて伝播される。
即ち、外皮12に蓄えられた歪みエネルギーは、外皮12を振動させるだけでなく芯材11の気泡膜をも振動させる。
そして、本実施形態のロボットアーム1は、振動エネルギーを気泡膜によって音波として外部に発散させることができるとともに気泡膜を構成しているアクリル樹脂の粘性項によって熱エネルギーなどに転換させることができる。
しかも、本実施形態のロボットアーム1は、芯材11が硬質なアクリル樹脂発泡体で形成されているため、外皮12の振動を芯材全体に素早く伝播させることができる。

0021

なお、ロボットアーム1は、通常、先端側1tの方が基端側1sよりも揺れ激しくなる。
そのため、揺れの激しい先端側から基端側へと素早く振動を伝播してロボットハンドの揺れを素早く収束させる上において、前記芯材の見掛け密度は、基端側よりも先端側の方が高くなっていることが好ましい。
また、芯材11は、外皮12の振動を内部に素早く伝播させる上において、外皮12との界面に近い部位の方が中心部よりも高い見掛け密度を有していることが好ましい。
さらに、芯材11は、外皮12の振動を内部に素早く伝播させる上において、外皮12との界面に近い部位の平均気泡径が中心部よりも小さいことが好ましい。

0022

具体的には、ロボットアームの軽量化を図る上において前記芯材11は全体平均としての見掛け密度が低いことが好ましく、該見掛け密度は、0.35g/cm3未満であることが好ましく、0.25g/cm3未満であることがより好ましい。
一方でロボットアームの高強度化を図る上において前記芯材全体での見掛け密度は、0.04g/cm3を超えることが好ましい。

0023

なお、前記芯材11の見掛け密度は、以下の方法で測定することができる。
即ち、見掛け密度は、出来るだけ気泡形状などが変わらないように前記芯材を切断して試験片を切り出し、該試験片をJIS K7100:1999の記号23/50、2級環境下で16時間状態調節した後、該試験片の寸法、質量を測定し、次式により求めることができる。
なお、試験片の寸法測定には、Mitutoyo Corporation製「DIGIATIC」CD−15タイプを用いる。

見掛け密度(g/cm3)=103×試験片質量(g)/試験片体積(mm3)

0024

該見掛け密度(D:g/cm3)に対する前記曲げ弾性率(E:MPa)の比率(E/D)については、芯材11が軽量でありながら優れた強度を有することを示す指標として扱うことができる。
なお、以下においては、該指標を「比強度」などとも称する。
前記芯材11の比強度は、200以上であることが好ましく、250以上であることがより好ましく、350以上であることが特に好ましい。
なお、芯材11は、比強度に優れていることが好ましいものではあるが、過度に高い比強度を有する必要性はない。
また、比強度において特に優れた芯材11を得ようとすると、アクリル樹脂発泡体を作製する際に特殊なモノマー出発原料としたり、特殊な製造設備を用いたりする必要性が生じるおそれがある。
そのため、芯材11を製造容易なものとする上において、当該芯材11の比強度は、2000以下であることが好ましく、1500以下であることがより好ましく、1200以下であることが特に好ましい。

0025

前記芯材11を形成するアクリル樹脂発泡体は、平均気泡径が小さく、緻密な発泡状態である方が、前記アーム本体部1bに優れた強度を発揮させる上において有利である。
具体的には、前記芯材11の平均気泡径は、1.5mm未満であることが好ましく、1.0mm未満であることがより好ましい。

0026

芯材11の平均気泡径は、以下のようにして算出することができる。
すなわち、アクリル樹脂発泡体を出来るだけ気泡形状などが変わらないように切断して直方体形状の試験片を切り出し、この直方体形状の試験片の8つの角の中から無作為に1つの角を選択し、この角を構成している3つの面における平均気泡径を求め、この3つの面の平均気泡径を算術平均することによってアクリル樹脂発泡体の平均気泡径を求めることができる。
なお、各面の平均気泡径については以下のようにして求めることができる。
まず、各面の中央部を走査型電子顕微鏡日立製作所製「S−3000N」)を用いて18倍に拡大して撮影し、撮影した切断面の画像をA4用紙上に印刷する。
次に、各用紙につき任意の線分(長さ60mm)を6箇所に引き、この線分に重なる気泡の数から、各線分ごとの平均弦長を次式によって算出する。
ただし、線分は、できる限り気泡が接点のみで接しないように引き、気泡と接点のみで接してしまった場合には、気泡数に含めることとする。

平均弦長(t) = 線分の長さ/(気泡数×写真倍率

そして、次式により気泡径DLを算出する。

DL = t/0.616

そして、各線分ごとに求めた気泡径(DL)の算術平均値を求め、この算術平均値を各面の平均気泡径とする。

0027

なお、外皮12との界面に近い部位における芯材11の平均気泡径は、前記試験片として界面近傍から一辺10mm程度の立方体形状のものを切り出し、且つ、前記立方体において互いに対向している3対の面(2面)の内の一つが前記界面に略平行するようにして試験片を切り出して上記測定を実施して求めることができる。
但し、測定を行う3つの面の一つは、界面に略平行する界面に最も近い面とする。

0028

前記芯材11を構成するアクリル樹脂発泡体は、強度面から独立気泡性が高いことが好ましい。
また、前記アクリル樹脂発泡体の連続気泡率は、50%未満であることが好ましく、25%未満であることがより好ましく、15%未満であることが特に好ましい。

0029

前記アクリル樹脂発泡体の連続気泡率は、ASTMD−2856−87に準拠して1−1/2−1気圧法にて測定することができる。

0030

前記芯材11を形成するアクリル樹脂は、ロボットアーム1に高い制振性を発揮させる上において、損失係数(tanδ)が一定以上であることが好ましい。
具体的には、アクリル樹脂は、25℃で測定されるtanδが、0.05以上であることが好ましく、0.1以上であることがより好ましい。
なお、アクリル樹脂のtanδの上限は、通常、0.3程度である。

0031

アクリル樹脂の損失係数は、芯材11を形成しているアクリル樹脂発泡体を熱プレスするなどして厚み約0.5mmの非発泡シートとし、該シートから採取した長さ25mm、幅10mmの短冊状試料によって求めることができる。
具体的には、粘弾性スペクトロメータ(例えば、エスアイアイナノテクノロジー社製、型式:EXSTARDMS6100)に前記短冊状試料をセットし、周波数1Hz、チャック間隔10mm、歪振幅5μm、最小張力圧縮力50mN、張力/圧縮ゲイン1.8、力振幅初期値50mNの条件下で動的粘弾性測定を行ない、貯蔵弾性率(E’)及び損失弾性率(E”)を求め、これらの比(E”/E’)からtanδを算出することができる。

0032

アクリル樹脂発泡体に上記のような好ましい特性を付与することが容易となる点において、当該アクリル樹脂発泡体を形成するアクリル樹脂は、アクリル系モノマー芳香族ビニルモノマーとの共重合体であることが好ましい。
前記アクリル系モノマーとしては、例えば、(メタアクリル酸、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸ブチル、(メタ)アクリル酸ラウリル、(メタ)アクリル酸2−エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸シクロヘキシル、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸ベンジル無水マレイン酸マレイン酸フマル酸イタコン酸無水イタコン酸クロトン酸マレイン酸アミドマレイン酸イミドなどが挙げられる。
前記芳香族ビニルモノマーとしては、例えば、スチレンメチルスチレンなどが挙げられる。

0033

なかでも、アクリル樹脂は、メタクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸、及び、スチレンをモノマー単位として含み、任意に無水マレイン酸、及び、メタクリルアミドの一方又は両方を前記モノマー単位として含み、且つ、該モノマー単位を下記割合で含むことが好ましい。

(A)メタクリル酸メチル:35〜70質量%
(B)(メタ)アクリル酸:14〜45質量%
(C)スチレン:10〜20質量%
(D)無水マレイン酸:0〜10質量%
(E)メタクリルアミド:0〜10質量%

0034

前記アクリル樹脂発泡体は、例えば、前記モノマーを前記のような割合で含む重合性溶液重合開始剤重合させて得られた重合体発泡剤で発泡させることで得ることができる。
なお、本明細書中における「(メタ)アクリル」との用語は、「アクリル」と「メタクリル」との両方を兼ねた意味として用いている。
従って、前記の「(メタ)アクリル酸:14〜45質量%」とは、「アクリル酸とメタクリル酸との両方を含みこれらの合計含有量が14〜45質量%である場合」、「メタクリル酸を含まず、アクリル酸の含有量が14〜45質量%である場合」、及び、「アクリル酸を含まず、メタクリル酸の含有量が14〜45質量%である場合」の3つの場合が含まれる。

0035

前記重合開始剤としては、例えば、t−ブチルハイドロパーオキサイドなどのレドックス系重合開始剤が挙げられる。
前記発泡剤としては、例えば、尿素などの熱分解型発泡剤が挙げられる。
また、アクリル樹脂発泡体の形成には、可塑剤脱水剤還元剤などを前記重合性溶液に適宜含有させうる。

0036

一方で前記外皮12は、シート状の繊維強化樹脂材で形成されており、樹脂と、該樹脂よりも引張破断強度が高い繊維(強化繊維)とを含んでいる。
前記外皮12を形成する繊維強化樹脂材は、強化繊維を短繊維の状態で含むものであってもよいが、連続繊維が織成されてなるシートとして強化繊維を含んでいることが好ましい。
該強化繊維からなるシートは、例えば、前記連続繊維からなる平織物綾織物繻子織物などとすることができる。
また、前記シートは、繊維を一方向に引き揃えたカーボンUD(Uni Directional)などと呼ばれるものであってもよい。

0037

ここで外皮12は、複数の繊維強化樹脂材で形成させても良いが、その場合、少なくとも、1以上の繊維強化樹脂材は、強化繊維がカーボン繊維であることがロボットアーム1に優れた強度と軽量性とを発揮させる上において重要であり、全ての強化繊維がカーボン繊維であることが好ましい。
なお、繊維強化樹脂材には、複数種類の強化繊維を含有させてもよい。
また、複数枚の繊維強化樹脂材を重ね合わせて外皮12を積層構造とする場合、カーボン繊維を強化用の繊維として含有する繊維強化樹脂材と、強化用の繊維がカーボン繊維以外の繊維である繊維強化樹脂材とを重ね合わせてもよい。
このカーボン繊維以外の繊維としては、ガラス繊維アラミド繊維ポリビニルアルコール繊維塩化ビニル繊維アクリル繊維ポリエステル繊維ポリウレタン繊維ポリエチレン繊維ポリプロピレン繊維ポリスチレン繊維アセテート繊維などを挙げることができる。

0038

強化繊維に含浸される樹脂(マトリクス樹脂)としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂ポリプロピレン樹脂ポリスチレン樹脂ポリブタジエン樹脂スチレンブタジエン樹脂、ポリアセタール樹脂ポリアミド樹脂ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂を挙げることができる。
熱硬化性樹脂の場合には、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂エポキシ樹脂ウレタン樹脂フェノール樹脂シリコン樹脂などを挙げることができる。

0039

前記外皮12は、前記芯材11に対して振動を効率良く伝播させる観点から、接着剤などによって芯材11に接着させるよりは、自身のマトリクス樹脂によって芯材11に接着させることが好ましい。
なお、外皮12と芯材11との間に優れた接着性を発揮させる上において、前記芯材11は、当該芯材11よりも大きなアクリル樹脂発泡体が切削加工されて作製されたものであることが好ましい。
アクリル樹脂発泡体は、通常、型内成形によって作製された状態においては、表面全体が気泡膜で覆われた状態になっている。
一方で、このようなアクリル樹脂発泡体を切削加工すると切削面において多数の気泡が開口した状態となる。
前記芯材11は、その表面に気泡が開口していることで、外皮12と接着させるのに際して優れたアンカー効果を発揮する。
即ち、前記芯材11は、例えば、前記外皮12を形成している繊維強化樹脂材のマトリックス樹脂接着力を利用して外皮12と接着させるのに際し、前記マトリックス樹脂を表面に開口した気泡中に流入させることができ、外皮12との間に優れた接着性が発揮され得る。
なお、このようなアンカー効果が発現することについては、繊維強化樹脂材のマトリックス樹脂を利用せずに芯材11と外皮12とを接着剤で接着させる際にも発揮され得るものである。

0040

次いで、このようなロボットアーム1を製造する方法を説明する。
本実施形態では、ロボットアーム1の作製に先立って芯材11の形成材料となるアクリル樹脂発泡体を作製する。
ここでは、まず、アクリル系モノマー、重合開始剤、発泡剤(尿素)、還元剤などを含む重合性溶液を調製する。
より具体的には、メタクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸、及び、スチレンを含み、必要に応じて、無水マレイン酸とメタクリルアミドとの一方又は両方を含み、全てのモノマーに占める各モノマーの割合が下記(A)〜(E)となり、下記(A)〜(E)以外の重合性モノマーが実質的に含有されていない(例えば、1質量%未満)の重合性溶液を調製する。

(A)メタクリル酸メチル:35〜70質量%
(B)(メタ)アクリル酸:14〜45質量%
(C)スチレン:10〜20質量
(D)無水マレイン酸:0〜10質量%
(E)メタクリルアミド:0〜10質量%

0041

次いで、尿素の熱分解温度未満の温度で重合性溶液を加熱してモノマーを重合させて重合体を得る。
この重合体を尿素の熱分解温度以上の温度に加熱して発泡させ、アクリル樹脂発泡体を作製する。
このアクリル樹脂発泡体を成形するアクリル樹脂は、含有するモノマー単位に(A)〜(E)以外のものが実質的に含有されておらず、且つ、(A)〜(E)を上記割合で含有するため強度に優れたものとなる。
強度に優れたアクリル樹脂発泡体を作製する上において、前記アクリル樹脂は、(A)〜(E)以外のモノマー単位の含有量が10質量%以下であることが好ましく、5質量%以下であることがより好ましく、1質量%以下であることが特に好ましい。
そして、前記芯材11は、このアクリル樹脂発泡体に切削加工を施して作製することができる。

0042

その後、この切削した発泡体を用いてロボットアームを作製すべく、型閉時にロボットアームの形状に応じた内部空間が形成される一対の成形型を準備する。
まず、一対の成形型の成形面に液状またはゲル状の塗装材を塗布し、成形面に空気が入らないようにローラで伸ばす。
次に、一方側の成形型に外皮を成形する。
本実施形態では、その一例としてハンドレイアップ成形法で外皮を成形する。
具体的には、外皮を構成する繊維強化樹脂材を形成すべく、成形型内に強化繊維シートを配置し、この強化用の繊維シートにマトリクス樹脂となる熱硬化性樹脂を含浸する。
さらに、同様に繊維シートを配置して熱硬化性樹脂を含浸する工程を4回繰り返して複数の繊維強化樹脂材による積層構造を外皮の厚み方向に形成する。

0043

他方側の成形型に対しても、同様の作業を行う。
なお、このとき、マトリクス樹脂として熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いた繊維強化樹脂材を用いる場合は、前記成形型を適宜加熱すればよい。
前記マトリクス樹脂として常温硬化するタイプの反応硬化性樹脂を用いる場合であれば、特に成形型の加熱は要しない。
なお、本実施形態では、外皮は、強化用繊維シートを一層ずつ敷設するたびに、熱硬化性樹脂を含浸していたが、強化用繊維シートに空気が残存し難いのであれば、複数の強化用繊維シートを積層後、熱硬化性樹脂を一度に含浸してもよい。

0044

また、成形型に外皮の形成材料を収容した後、必要であれば、成形型内に配置した前記形成材料に対して厚み方向に加圧して外皮を形成させるようにしてもよい。
その場合、加圧によって余分な樹脂が排除でき、外皮を高強度なものとすることができる。
当該加圧を行って強度に優れた外皮を形成させる場合、例えば、成形型の凹入形状に対応した凸部を有する別の型を形成材料を収容した前記成形型に嵌め合せ、2つの型の間に形成材料を挟んで加圧すればよい。
また、前記加圧は、別の型を用いることなく、オートクレーブ法によっても実施することができる。
該オートクレーブ法としては、例えば、以下のような方法が挙げられる。

0045

(オートクレーブ法による外皮作製方法
平織カーボン繊維シートを備えた繊維強化樹脂材を成形型の成形面に接するよう配置し、さらに、カーボンUDに樹脂を担持させた繊維強化樹脂材を複数枚(例えば、5層)積層し、成形面上に積層体を作製する。
ここでは、このような積層体を外皮形成材料として使用する。
この成形型を全面的に被覆するように、貫通孔を有するリリースフィルム(例えば、AIRTECH社製、商品名「WL5200B−P」)及びブリーザークロス(例えば、AIRTECH社製、商品名「AIRWEAVEN4」)を順に積層する。
前記リリースフィルムには、例えば、テトラフルオロエチレンエチレン共重合体フィルムから形成され、両面間に亘って貫通し且つ外皮形成材料から滲出する樹脂を通過させ得る貫通孔が多数、形成されているものを用いることができる。
前記ブリーザークロスは、例えば、ポリエステル樹脂繊維から構成された不織布によって形成され、前記樹脂を含浸させ得るものを用いることができる。
ブリーザークロス上にバギングフィルム(例えば、AIRTECH社製、商品名「WL7400」)を被せ、バギングフィルムの外周縁部とこれに対向する成形型との間を封止材としてシーラントテープ(例えば、AIRTECH社製 商品名「GS43MR」)を用いて気密的に接合して外皮形成材料をバギングフィルムによって密封する。
バギングフィルムは、例えば、ポリアミド樹脂フィルムで構成されたものを用いることができる。
また、バギングフィルムは、その一部にバックバルブ(例えば、AIRTECH社製、商品名「VAC VALVE 402A」)を配したものを用いることができる。

0046

次に、この成形型をオートクレーブ内に供給し、前記バックバルブを真空ラインと接続し、例えば、真空度0.10MPaに減圧する。
なお、この減圧はその後も継続して行う。
しかる後、外皮形成材料中に存在している空気を吸引、除去しながら、オートクレーブ内を、例えば、昇温速度4℃/分にて90℃となるまで昇温して、外皮形成材料が90℃となるように90分間に亘って加熱した(予備加熱工程)。

0047

その後、オートクレーブ内を、例えば、ゲージ圧力0.1MPaに加圧して外皮形成材料に押圧力を加えるとともに、オートクレーブ内を、例えば、昇温速度4℃/分にて130℃となるまで昇温して、外皮形成材料が130℃となるように60分間に亘って加熱する。
その後、オートクレーブ内を冷却して、例えば、オートクレーブ内が60℃となった時点でオートクレーブ内の加圧を解除して大気圧に戻し、外皮を取り出し、室温まで冷却する。
このような操作により、ロボットアームを半分に分割した形状を有する外皮を得ることができる。
これを同様にしてもう半分作製し、得られた2つを合体してロボットアームの外皮とすることができる。

0048

(ロボットアームの作製)
成形型に硬化させたロボットアームの外皮を置き、接着剤を入れた後に発泡体を設置する。
もう一方の成形型の外皮にも接着剤を貼り付けた後、2つの成形型を閉じて接着する。
このとき、外皮と芯材とを接着する接着剤には不飽和ポリエステル樹脂などを用いることが出来る。
強度に優れたロボットアームを作製する場合、前記不飽和ポリエステル樹脂は繊維シートに含浸させた状態で用いることが好ましく、例えば、坪量:380g/m2のガラスチョップマットに含浸させて外皮と芯材との接着に用いることができる。
これにより、図1に示すようなロボットアーム1を作製することができる。

0049

以上のように、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
例えば、本発明のロボットアームは、芯材として2種類の発泡体を採用し、図4に示すような実施形態(第2実施形態)とすることも可能である。
また、本発明のロボットアームは、電線配線するための溝を形成させ、図5、6に示すような実施形態(第3実施形態)とすることも可能である。
さらに、電線を配線するための溝を形成させる場合、本発明のロボットアームは、図7に示すような実施形態(第4実施形態)とすることも可能である。

0050

(第2実施形態)
図4に示すように、第2実施形態に係るロボットアーム1は、前述の第1実施形態に係るロボットアーム1と同様に“く”の字状に曲がった扁平板形状を有している。
なお、図4は、図中に示した仮想線BLを境にして片側をロボットアームの厚み方向(図4の奥行き方向)中央部において半割りにした様子を示した一部切欠断面図である。
この図4に示したロボットアーム1は、図1に示したロボットアームと同様に産業用ロボットの駆動機器の回転軸に取付けられて用いられるものであり、前記回転軸に取付けられる取付部1aを長手方向一端側(基端側1s)に備えている。
該ロボットアーム1は、前記取付部1aから延びるアーム本体部1bを備え、前記取付部1aとは逆側となる長手方向他端側(先端側1t)にロボットハンドが装着されるハンド装着部1cがさらに備えられている点においても第1実施形態に係るロボットアーム1と共通している。

0051

ロボットアーム1は、前記取付部1aにおいて当該ロボットアームを厚み方向に貫通する貫通孔1hを有している。
該貫通孔1hは、ロボットアーム1に扁平な円柱状の空洞部を形成させる形で設けられており、外皮12及び芯材11を貫通するように設けられている。
ロボットアーム1には、前記貫通孔1hの直径に相当する外径を有し、且つ、当該ロボットアームの厚みに相当する高さを有する円筒状の金属リング13が備えられており、該金属リング13は前記貫通孔1hに嵌着されている。
即ち、前記金属リング13は、ロボットアーム1の上面1x及び下面1yと面一となって前記貫通孔1hに嵌着されている。
金属リング13は、ロボットアーム1を上下に貫通する中空部13aを有し、該中空部に駆動機器の回転軸が挿通されるべく利用されるものである。
また、金属リング13は、その外周面13bが前記外皮12及び前記芯材11に接着されてこれらと一体化されている。
該金属リング13は、駆動機器の回転軸にロボットアーム1を固定するためのものであり、その中心Cを通る軸線が当該ロボットアーム1の回動中心軸CXとなるものである。

0052

前記芯材は、前記のアクリル樹脂発泡体である第1発泡体11aと、該第1発泡体よりも高い曲げ弾性率を有する第2発泡体11bとで形成され、前記第1発泡体11aは、前記他端側(先端側1t)から前記一端側(基端側1s)へと延在し、前記第2発泡体11bを介して前記金属リングに接着されている。

0053

前記第2発泡体11bは、第1発泡体11aの2倍以上の曲げ弾性率を有することが好ましく、20MPa以上200MPa以下の曲げ弾性率を有することがより好ましく、40MPa以上150MPa以下の曲げ弾性率を有することがさらに好ましい。
この第2発泡体11bの曲げ弾性率は、アクリル樹脂発泡体の曲げ弾性率と同様の方法で求めることができる。

0054

本実施形態においては、第2発泡体11bが金属リング13とアクリル樹脂発泡体との間に介在することで、ロボットアームの駆動時に金属リングと芯材との間に高いずり応力が発生したとしても金属リングの外周面において芯材が凝集破壊したり界面剥離したりしてしまうことを抑制することができる。
なお、このような効果をより顕著に発揮させる上においては、金属リングの外周面を芯材や外皮との接着前に粗化処理しておくことが好ましい。

0055

(第3実施形態)
ロボットハンドに電力駆動機構センシング機能を発揮させる場合、ロボットアーム1は、基端側1sから先端側1tにかけて電力伝達信号伝達のための電線を配索可能であることが好ましい。
このような場合、図5、6に例示のロボットアーム1が好ましく用いられ得る。
図5に例示のロボットアーム1は、基端側1sから先端側1tに延在する配線経路20を有している。
本実施形態における配線経路20は、芯材11に形成させた溝である。
図5に例示のロボットアーム1は、回転軸に取付けられる取付部1aが基端側1sに備えられ、ロボットハンドが装着されるハンド装着部1cが先端側1tに備えられている点については、これまでに例示のロボットアーム1と同じである。

0056

一方で、図5に例示のロボットアーム1は、芯材11を覆っている外皮12に2つの開口を備える点においてこれまでに例示のロボットアーム1と異なっている。
前記外皮12の開口は、いずれもロボットアーム1の上面1xに開口している。
2つの開口の内の一方は、ロボットアーム1の基端側1sにおいて当該ロボットアーム内に電線を挿入するためのものであり、他方はロボットアーム内に挿入した電線をロボットアーム1の先端側1tにおいてロボットアーム外に引出すためのものである。
即ち、本実施形態のロボットアーム1は、基端側1sに電線挿入口21を備え、先端側1tに電線引出口22を備えている。
また、図6に示すように、本実施形態のロボットアーム1は、前記電線挿入口21から前記電線引出口22までの間に延びる電線配線溝23を有している。
即ち、本実施形態のロボットアーム1は、電線挿入口21から電線配線溝23を経由して電線引出口22へと至る配線経路20を備えている。
そして、本実施形態のロボットアーム1は、該配線経路20に沿って電線CBを配線し得るように形成されている。

0057

本実施形態における前記溝23は、前記芯材11と前記外皮12との間を離間させることによって形成されており、具体的には、前記芯材11を配線経路20に沿って凹入させることによって形成されている。
本実施形態のロボットアーム1は、電線CBが外皮12によって保護されることになるため、当該ロボットアーム1の駆動時に電線CBが周囲の機器類衝突して断線したり、電線被覆が傷付いて漏電したりするおそれを抑制することができる。

0058

(第4実施形態)
上記の第3実施形態においては、芯材11を外皮12に対して凹入させて電線CBを収容する溝23を形成させているが、電線CBを外皮12によって保護する観点からは、図7に示すように外皮12を芯材11との境界面に対して凹入させて溝23を形成させ、該溝23に電線CBを収容させてもよい。
また、溝23は、要すれば、芯材11と外皮12との両方を、互いに離間する方向に凹入させることによって形成させてもよい。

0059

(第5実施形態)
上記の第3、4実施形態においては、外皮12と芯材11との間に溝を形成させて配線経路20を設けていたが、配線経路20は、図8に示すように電線挿入口21から電線引出口22へと至る間に設けられた貫通路24を利用したものであってもよい。
即ち、電線CBを内部に配索する際は、芯材11と外皮12との間を通るようにしてもよく、芯材11の内部を通るようにしてもよい。
なお、前記貫通路24は、アルミニウムなどの金属パイプポリ塩化ビニルなどの樹脂パイプを芯材中に埋設して形成させてもよく、単に芯材内に空洞を形成させただけのものであってもよい。

0060

また、本発明は、上記例示以外に、ロボットアーム、繊維強化樹脂材、並びに、アクリル樹脂発泡体に係る従来公知の技術事項を採用して更なる変更を加えることが可能なものであることは説明するまでも無く当然の事柄である。

0061

1:ロボットアーム、1a:取付部、1b:アーム本体部、1c:ハンド装着部、11:芯材、12:外皮

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