JP2021133427A

JP2021133427A - Robot arm

Info

Publication number: JP2021133427A
Application number: JP2020028516A
Authority: JP
Inventors: 満雄安田; Mitsuo Yasuda; 勉小西; Tsutomu Konishi
Original assignee: Sanko Gosei Ltd
Current assignee: Sanko Gosei Ltd
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-09-13
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: JP7441674B2

Abstract

To provide a robot arm having a sufficiently light weight while securing required high twist strength, and highly safe as machinery of being operated with human beings or by assisting human beings among the human beings.SOLUTION: A metal ring having a compressive elasticity modulus equal or higher than that of an FRP-made cylindrical body 2 is mounted on the inside of the FRP-made cylindrical body 2 in a junction between the FRP-made cylindrical body 2 and metal flanges 3a, 3b. In the state, the outer periphery of the FRP-made cylindrical body 2 is tightened by the metal flanges 3a, 3b. With this, the FRP-made cylindrical body 2 and the metal flanges 3a, 3b are joined in such a manner that a lateral wall of the FRP-made cylindrical body 2 is held between the metal flanges 3a, 3b and the metal ring.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）製の筒体を金属製フランジと接合してなるロボットアームに関する。 The present invention relates to a robot arm formed by joining a cylinder made of FRP (fiber reinforced plastics) to a metal flange.

一般に例えばレーザー加工等に用いる工業用ロボットは１／１００ｍｍ程度の先端精度が必要であり、そのためには高い剛性が必要であった。これに対して近年、少子高齢化の進展と共に人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作する工業用ロボットの必要性が高まって来ている。この様な工業用ロボットには従来の工業用ロボットの様な高い剛性は必要ではなくむしろ省エネルギーの観点や地球環境保全の観点等から、軽量化が強く望まれている。その一つの手段としてロボットアームの本体部分をＦＲＰ製筒体に代替させることが検討されてきた。その際、使用する強化繊維にも種々あり、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が検討されているが、この中で特に、比強度、比弾性率の面で優れた炭素繊維を強化繊維とするＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチックス）が有力とされている。 In general, for example, an industrial robot used for laser processing or the like requires a tip accuracy of about 1/100 mm, and for that purpose, high rigidity is required. On the other hand, in recent years, with the progress of declining birthrate and aging population, there is an increasing need among human beings for industrial robots that operate together with or assisting human beings. Such industrial robots do not need high rigidity like conventional industrial robots, but rather weight reduction is strongly desired from the viewpoint of energy saving and global environmental protection. As one of the means, it has been studied to replace the main body of the robot arm with an FRP cylinder. At that time, there are various types of reinforcing fibers to be used. For example, carbon fibers, glass fibers, aramid fibers and the like have been studied. Among them, carbon fibers having excellent specific strength and specific elastic coefficient are particularly reinforced. CFRP (carbon fiber reinforced plastics), which is used as a fiber, is considered to be promising.

この本体部分をＦＲＰ製筒体としてなるロボットアームは本体部分に機能部分を装着して各種機能を果たすことが可能となるようにする必要がある。このＦＲＰ製筒体からなる本体部分への機能部分の装着には、ＦＲＰ製筒体の捩り強度とバランスが採れた接合法が必要とされている。 It is necessary for the robot arm whose main body portion is an FRP tubular body to be capable of performing various functions by attaching a functional portion to the main body portion. In order to attach the functional portion to the main body portion made of the FRP cylinder, a joining method that is well-balanced with the torsional strength of the FRP cylinder is required.

特許文献１にはＦＲＰ製円筒体の端部に金属製の継ぎ手が圧入される機械装置部品において、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、金属製継ぎ手の圧入接合操作に伴うＦＲＰ製円筒体端部からの損傷の発生を防止し、かつ、その部分の劣化進行も防止し得る構造を提供することを課題としてＦＲＰ製円筒体と、該ＦＲＰ製円筒体の端部に圧入された金属製継ぎ手との機械装置部品であって、ＦＲＰ製円筒体の端面から軸方向にスリット加工が施されていることを特徴とする機械装置部品が開示された。 Patent Document 1 describes an FRP cylinder that accompanies a press-fitting operation of a metal joint while ensuring the high torsional strength required for mechanical equipment parts in which a metal joint is press-fitted into the end of an FRP cylinder. An FRP cylindrical body and a metal press-fitted into the end portion of the FRP cylindrical body have an object of providing a structure capable of preventing the occurrence of damage from the body end portion and also preventing the deterioration progress of the portion. A mechanical device component with a joint is disclosed, which is characterized in that a slit is processed in the axial direction from the end face of the FRP cylindrical body.

特開２００６−１０３０３２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-103032

しかし特許文献１に開示された機械装置部品はＦＲＰ製円筒体の端部に金属製継ぎ手と一体な凸起リングを圧入してなるものであり、十分な接合強度が得られないという問題がある。また十分な接合強度を得るためにはＦＲＰ製円筒体に圧入される凸起リングの長さを大きくする必要がありその場合には金属製継ぎ手全体の重量が過大になり十分に軽量化できないという問題もある。
本発明は以上の従来技術における問題点に鑑み、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、本体部分をＦＲＰ製筒体としてなるロボットアームの本体部分に機能部分を装着して充分に軽量でしかも人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作するロボットアームとして安全性が高いロボットアームを提供することにある。 However, the mechanical device component disclosed in Patent Document 1 is formed by press-fitting a convex ring integrated with a metal joint into the end of an FRP cylindrical body, and there is a problem that sufficient joint strength cannot be obtained. .. Further, in order to obtain sufficient joint strength, it is necessary to increase the length of the convex ring press-fitted into the FRP cylinder, and in that case, the weight of the entire metal joint becomes excessive and the weight cannot be sufficiently reduced. There is also a problem.
In view of the above problems in the prior art, the present invention is sufficiently lightweight by attaching a functional part to the main body of the robot arm whose main body is an FRP cylinder while ensuring the required high torsional strength. Moreover, it is an object of the present invention to provide a highly safe robot arm as a robot arm that operates together with or assists human beings among human beings.

すなわち本発明に係るロボットアームは、ＦＲＰ製筒体と金属製フランジとの接合部の前記ＦＲＰ製筒体内側に、前記ＦＲＰ製筒体と圧縮弾性率が同等以上である金属製リングを装着し、金属製フランジで前記ＦＲＰ製筒体外周を締め付けて、前記ＦＲＰ製筒体と前記金属製フランジとが接合されてなることを特徴とする。
このように金属製フランジをＦＲＰ製筒体外周部で締結すると、金属製フランジのＦＲＰ製筒体軸方向の長さを小さくすることができ、軽量化することができる。 That is, in the robot arm according to the present invention, a metal ring having a compressive elastic modulus equal to or higher than that of the FRP cylinder is mounted inside the FRP cylinder at the joint between the FRP cylinder and the metal flange. The outer periphery of the FRP cylinder is tightened with a metal flange, and the FRP cylinder and the metal flange are joined to each other.
When the metal flange is fastened at the outer peripheral portion of the FRP cylinder in this way, the length of the metal flange in the FRP cylinder axial direction can be reduced, and the weight can be reduced.

前記金属製フランジと前記ＦＲＰ製筒体間に接着材を塗布して金属製フランジをＦＲＰ製筒体外周部で締結することによって相互の締結力を強化することができる。 By applying an adhesive between the metal flange and the FRP cylinder and fastening the metal flange at the outer peripheral portion of the FRP cylinder, the mutual fastening force can be strengthened.

前記金属製リングの常温における外径が前記ＦＲＰ製筒体内径より大であるようにすることによりＦＲＰ製筒体外周方向に作用する応力大きくすることができ結果としてＦＲＰ製筒体と金属製フランジとの締結力が大きくなる。 By making the outer diameter of the metal ring larger than the inner diameter of the FRP cylinder at room temperature, the stress acting in the outer peripheral direction of the FRP cylinder can be increased, and as a result, the FRP cylinder and the metal flange can be increased. The fastening force with is increased.

さらに前記金属製リングが冷却して装着されてなる様にすることによって大きな圧力で機械的に圧入する場合のようなＦＲＰ製筒体の損傷を防ぐことができる。 Further, by cooling the metal ring so that it is mounted, it is possible to prevent damage to the FRP cylinder as in the case of mechanically press-fitting with a large pressure.

前記ＦＲＰ製筒体と前記金属製フランジと前記金属製リングとが貫通ネジで締結されることにより捩り強度を大きくすることができる。 The torsional strength can be increased by fastening the FRP cylinder, the metal flange, and the metal ring with a through screw.

ＦＲＰ製筒体としては、とくに強化繊維が少なくとも比強度、比弾性率に優れた炭素繊維を含むものであることが、高い強度や捩りトルク伝達特性発現の点から好ましい。 As the FRP cylinder, it is particularly preferable that the reinforcing fibers contain carbon fibers having at least excellent specific strength and specific elastic modulus from the viewpoint of high strength and development of torsional torque transmission characteristics.

本発明のロボットアームによれば、必要とされる高い捩り強度を確保しつつ、充分に軽量でしかも人間の間で、人間と共にあるいは人間を補助して動作する機械装置として安全性が高いロボットアームとすることができる。 According to the robot arm of the present invention, a robot arm that is sufficiently lightweight and highly safe as a mechanical device that operates with or assists humans among humans while ensuring the required high torsional strength. Can be.

本発明の一実施の形態のロボットアームの斜視図である。It is a perspective view of the robot arm of one Embodiment of this invention. 図１のロボットアームの部分断面図である。It is a partial cross-sectional view of the robot arm of FIG. 図２の部分断面図におけるＡ−Ａ断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA in the partial cross-sectional view of FIG. 図１のロボットアームの部分分解斜視図である。It is a partial decomposition perspective view of the robot arm of FIG. 図１のロボットアームの他の部分分解斜視図である。It is another partial decomposition perspective view of the robot arm of FIG. 図１のロボットアームの別の部分分解斜視図である。It is another partial decomposition perspective view of the robot arm of FIG. 図１のロボットアームのさらに別の部分分解斜視図である。It is still another partial decomposition perspective view of the robot arm of FIG.

以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施の形態のロボットアーム１を示す。
ロボットアーム１はＦＲＰ製筒体の一態様であるＦＲＰ製円筒体２にアルミ合金よりなる金属製フランジ３ａ、３ｂを装着して成る。金属製フランジ３ａ、３ｂは例えば図示しない動作部、把持部、関節部等との継ぎ手として機能する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a robot arm 1 according to an embodiment of the present invention.
The robot arm 1 is formed by mounting metal flanges 3a and 3b made of an aluminum alloy on an FRP cylindrical body 2, which is an aspect of an FRP tubular body. The metal flanges 3a and 3b function as joints with, for example, an operating portion, a grip portion, a joint portion, etc. (not shown).

図２〜図７に示されるようにＦＲＰ製円筒体２と金属製フランジ３ａ、３ｂとの接合部のＦＲＰ製円筒体２内側には、ＦＲＰ製円筒体２と圧縮弾性率が同等以上である金属製リング４が装着される。その状態で金属製フランジ３ａ、３ｂでＦＲＰ製円筒体２外周を締め付ける。これによって、ＦＲＰ製円筒体２の側壁が金属製フランジ３ａ、３ｂと金属製リング４との間に挟持される態様でＦＲＰ製円筒体２と金属製フランジ３ａ、３ｂとが接合される。その際、予め金属製フランジ３ａ、３ｂとＦＲＰ製円筒体２外周間に市販の接着材を介在させて金属製フランジ３ａ、３ｂによってＦＲＰ製円筒体２外周部を締め付けて締結することによって相互の締結力を強化することができる。接着材を介在させる態様としては流動性のある接着剤を塗布する、あるいはシート状の接着剤を配置するなどが可能である。
このように金属製フランジ３ａ、３ｂをＦＲＰ製円筒体２外周部で締結すると、従来の特許文献１に示すＦＲＰ製円筒体２の端部に金属製継ぎ手と一体な凸起リングを圧入する接合態様に比し、金属製フランジ３ａ、３ｂのＦＲＰ製円筒体２軸方向の長さを小さくすることができ、軽量化することができる。 As shown in FIGS. 2 to 7, inside the FRP cylinder 2 at the joint between the FRP cylinder 2 and the metal flanges 3a and 3b, the compressive elastic modulus is equal to or higher than that of the FRP cylinder 2. A metal ring 4 is attached. In that state, the outer circumference of the FRP cylindrical body 2 is tightened with the metal flanges 3a and 3b. As a result, the FRP cylinder 2 and the metal flanges 3a and 3b are joined in such a manner that the side wall of the FRP cylinder 2 is sandwiched between the metal flanges 3a and 3b and the metal ring 4. At that time, a commercially available adhesive is interposed between the metal flanges 3a and 3b and the outer periphery of the FRP cylindrical body 2 in advance, and the outer peripheral portions of the FRP cylindrical body 2 are tightened and fastened by the metal flanges 3a and 3b to mutually fasten each other. The fastening force can be strengthened. As a mode in which the adhesive material is interposed, a fluid adhesive may be applied, or a sheet-like adhesive may be arranged.
When the metal flanges 3a and 3b are fastened at the outer peripheral portion of the FRP cylindrical body 2 in this way, a convex ring integrated with the metal joint is press-fitted into the end portion of the FRP cylindrical body 2 shown in the conventional patent document 1. Compared with the embodiment, the length of the metal flanges 3a and 3b in the biaxial direction of the FRP cylinder can be reduced, and the weight can be reduced.

金属製リング４の常温における外径はＦＲＰ製円筒体２内径より大であるようにする。これにより金属製リング４からＦＲＰ製円筒体２外周方向に作用する応力を大きくすることができ、結果としてＦＲＰ製円筒体２と金属製フランジ３ａ、３ｂとの締結力が大きくなる。 The outer diameter of the metal ring 4 at room temperature is made larger than the inner diameter of the FRP cylindrical body 2. As a result, the stress acting on the outer peripheral direction of the FRP cylindrical body 2 from the metal ring 4 can be increased, and as a result, the fastening force between the FRP cylindrical body 2 and the metal flanges 3a and 3b is increased.

また金属製リング４の常温における外径をＦＲＰ製円筒体２内径より大であるようにしても金属製リング４を冷却してＦＲＰ製円筒体２内側に装着する様にすることによって大きな圧力で機械的に圧入する場合に生じるＦＲＰ製円筒体２の損傷を防ぐことができる。 Even if the outer diameter of the metal ring 4 at room temperature is larger than the inner diameter of the FRP cylinder 2, the metal ring 4 is cooled and mounted inside the FRP cylinder 2 with a large pressure. It is possible to prevent damage to the FRP cylindrical body 2 that occurs when mechanically press-fitting.

ＦＲＰ製円筒体２と金属製フランジ３ａ、３ｂと記金属製リング４とは貫通ネジ５、５・・・で締結される。これにより捩り強度を大きくすることができる。 The FRP cylinder 2, the metal flanges 3a, 3b, and the metal ring 4 are fastened with through screws 5, 5, .... As a result, the torsional strength can be increased.

ＦＲＰ製円筒体２としては、とくに強化繊維が少なくとも比強度、比弾性率に優れた炭素繊維を含むものであることが、高い強度や捩りトルク伝達特性発現の点から好ましい。 As the FRP cylindrical body 2, it is particularly preferable that the reinforcing fibers contain carbon fibers having at least excellent specific strength and specific elastic modulus from the viewpoint of high strength and development of torsional torque transmission characteristics.

なお以上の実施の形態ではＦＲＰ製円筒体２を用いる場合を説明したが、ＦＲＰ製筒体は円筒体に限られず実施の態様によって楕円筒体、角筒の角頂部を面取りする態様等を採用することができる。 In the above embodiment, the case where the FRP cylinder 2 is used has been described, but the FRP cylinder is not limited to the cylinder, and an elliptical cylinder, a mode of chamfering the top of the square cylinder, and the like are adopted depending on the embodiment. can do.

１・・・ロボットアーム、２・・・ＦＲＰ製円筒体、３ａ、３ｂ・・・金属製フランジ、４・・・金属製リング。 1 ... Robot arm, 2 ... FRP cylinder, 3a, 3b ... Metal flange, 4 ... Metal ring.

Claims

A metal ring having a compressive elastic modulus equal to or higher than that of the FRP cylinder is mounted inside the FRP cylinder at the joint between the FRP cylinder and the metal flange, and the FRP cylinder is fitted with the metal flange. A robot arm characterized in that the outer periphery of the body is tightened and the FRP cylinder and the metal flange are joined.

The robot arm according to claim 1, wherein an adhesive is interposed between the metal flange and the FRP cylinder.

The robot arm according to claim 1 or 2, wherein the outer diameter of the metal ring at room temperature is larger than the inner diameter of the FRP cylinder.

The robot arm according to claim 3, wherein the metal ring is cooled and mounted.

The robot arm according to any one of claims 1 to 4, wherein the FRP cylinder, the metal flange, and the metal ring are fastened with a through screw.