JP4030151B2

JP4030151B2 - ロボット用複合材リンクの製造方法

Info

Publication number: JP4030151B2
Application number: JP12923997A
Authority: JP
Inventors: 正雄西川; 富男杉山; 勝雄綿貫; 明平山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1997-05-20
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2017-05-20
Also published as: JPH10315349A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材を使ったロボット用リンクの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複合材は軽い上に強度・剛性が高いものであり、繰り返し動作を伴う脚式ロボットの脚などに適用したときには、歩行エネルギーの消費量を低減することが可能であり、万一倒れたときの衝撃力も低くなるのでロボットを破損する可能性も少なくなるなど、利点が多い。さらにロボットの上体部に複合材を用いたときには、ロボット全体の重量が軽減されるので、脚などロボットを支える部分の関節モータを小型のものですませることができ、ロボットの軽量化に大きな貢献をするものであり、ロボットが小型・軽量になれば、必然的に歩行エネルギーも軽減されることになる。このような用途の複合材としては、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）に代表される繊維強化樹脂を主体としたものが有望である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
複合材から成るリンクがロボットに組み込まれて所期の性能を発揮するためには、リンクの関節部の寸法精度が充分に保証されていなければならない。この寸法が保証されていないと、脚式ロボットにおいては、うまく歩けないで倒れてしまうし、アームロボットにおいては対象物とハンドとの相対位置が狂ってうまく作業がこなせないことになる。
【０００４】
ロボットのリンクは、その両端に関節部を持つものが多いが、そのようなリンクでは、両関節部間の回転軸の平行度と軸間距離、回転軸部の真円度、関節部において相手のリンクと接しながら運動する部分の平坦度や平行度などの寸法が設計寸法に保証される必要がある。また関節部が、相互に間隔をあけて対をなす一対のヨークを含む構造のものであるときには、各ヨークの同芯度または倒れなどの位置関係が保証項目に追加される。
【０００５】
これらの寸法保証の必要がある箇所は、複合材のみでは高い寸法精度が得られないので、原則的には、複合材での成形が終了した時点で機械加工を施し、機械加工による精度保証を行うことになる。ここで「原則的には」としたのは、制御技術が進歩向上して多少の寸法誤差があっても所期の動作が得られるようになったときには、機械加工を省略できるからである。さて、複合材の成形時の変形が大きいほど、機械加工で削り取る削り代も予め大きく見積もらなければならない。一方、削り取る部分はできるだけ少なくしたいので、たとえばリンクの回転軸が収納される内部を機械加工するときには、その外部の加工は成形後には行いたくない。成形時の変形が大きいときで、削り代を大きく設定すると、外形寸法と削られ内形寸法との間に軸心ずれが起き、偏肉（一部の肉厚が設計寸法以下になってしまうこと）現象が起きる。したがって複合材のリンクを成形するとき、成形による歪みができるだけ少なくなる手法を採る必要があり、その際、上記のように関節部の寸法（当該関節部相互間の寸法も含むが）に着目して、その寸法誤差が最小となる手法を選ぶことが肝要である。その他の寸法は美観には影響を与えることはあってもロボット本来の機能にはそれほど大きな影響を与えることはない。
【０００６】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、複合材によるロボット用リンクの製造方法に関し、複合材によるリンク製造時の関節部の寸法精度を所期の範囲に収めるための新規な方法を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、一対の関節部間が、合成樹脂を主成分とする複合材を主要構成材とするとともに空洞を有する作動部で結ばれて成るロボット用複合材リンクを製造するにあたって、前記両関節部の一部を構成する関節部主体に嵌合する規制柱を有して両関節部主体相互の位置および方向を定める治具と、前記空洞の形状、位置および方向を定める成形用中子とを予め準備し、前記両関節部主体を作成する工程と、前記治具で前記両関節部主体相互の位置および方向を規制するとともに前記成形用中子を前記治具で支持した状態で前記複合材を前記両関節部主体に貼り付ける工程とを順次経過させる順次経過させることを特徴とする。
【０００８】
このような方法によれば、作成した関節部主体を治具で規制した状態で複合材の貼りつけを行なうことにより、将来的には省略し得る可能性もある最終的な機械加工を行なう前の状態で、関節部の形状寸法をほぼ最終製品の寸法形状に近いものとすることができ、機械加工の工数低減を図ることが可能となるとともに、機械加工による偏肉も生じ難くなり、完成品の剛性、強度を高く維持することができるとともに２つの関節部間の軸間距離の寸法精度を高めることができ、また成形用中子で空洞の寸法精度を高め、貼りつけるべき複合材の形状を容易にかつ正確に定め、複合材の貼りつけ操作を効率的に行なうことができる。
【０００９】
また請求項２記載の発明によれば、前記関節部の一部を構成する関節部主体を軽合金で作成し、前記複合材を、前記関節部主体に接着可能な材料に選定することにより、貼りつけ作業の作業性を高めることができる。
【００１０】
さらに請求項３記載の発明によれば、前記関節部主体が相互に間隔をあけて対をなすヨークであることにより、２つの関節部の回転軸の平行度を高めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明するが、例示する具体的実施例は最適な実施形態として２足歩行ロボットの脚部構造をとり、そのうちの人間のモモに相当するリンクについて例示する。
【００１２】
図１ないし図８は本発明の第１実施例を示すものであり、図１は歩行ロボットの脚部を斜め後方側から見たスケルトン図、図２は図１のモモリンクを脚部の外側から見た図、図３は図１のモモリンクを脚部の内側から見た図、図４は図２の４−４線断面図、図５は図４の下部拡大図、図６は図４の６−６線断面図、図７はモモリンクの長手方向に沿う方向での金属材料および樹脂材料の体積分布を示す図、図８はモモリンクの製造工程での状態を示す縦断側面図である。
【００１３】
先ず図１において、このロボットの腰１１には、垂直軸１２，１２を介して左、右の脚Ｌ，Ｌが連結されており、両脚Ｌ，Ｌは、垂直軸１２に連結される上部クロスジョイント１３と、上部クロスジョイント１３の下部に連結されるモモリンク１４と、左右に延びる水平軸１５まわりの自由度を有してモモリンク１４の下端部に前後方向の自由度を有して連結されるスネリンク１６と、該スネリンク１６の下端部に下部クロスジョイント１７を介して連結される足平１８とでそれぞれ構成される。上部クロスジョイント１３は、前後方向に延びる水平軸１９と、左右方向に延びる水平軸２０とを、それらの軸１９，２０を相互に直交させた配置で備えるものであり、モモリンク１４の上端は、垂直軸線まわりの自由度、左右方向の自由度および前後方向の自由度を有して腰１１に連結されることになる。またスネリンク１６は水平軸１５の軸線まわりの自由度すなわち前後方向の自由度を有してモモリンク１４に連結される。さらに、下部クロスジョイント１７は、左右方向に延びる水平軸２１と、前後方向に延びる水平軸２２とを、それらの水平軸２１，２２を相互に直交させた配置で備えるものであり、足平１８は、前後方向の自由度および左右方向の自由度を有してスネリンク１６の下端部に連結されることになる。
【００１４】
かかる構成の歩行ロボットは、本出願人が先に提案した多くの出願明細書（たとえば特開平３−１８４７８２号等）に詳細に記述されているので、これ以上の説明を要しまい。
【００１５】
図２、図３および図４を併せて参照して、本発明のリンクとしてのモモリンク１４は、その上端の第１関節部２３と、下端の第２関節部２４と、両関節部２３，２４間を結ぶ作動部２５とで構成されるものである。
【００１６】
第１関節部２３は、同軸上で相互に間隔をあけて対をなす一対の関節部主体としての外側ヨーク２６および内側ヨーク２７を備え、図１で示した上部クロスジョイント１３における水平軸２０まわりの自由度すなわち前後方向の自由度を実現するための図示しないモータや減速機を受け入れるべく構成されるものであり、両ヨーク２６，２７の下部は、複合材たとえばＣＦＲＰのプリプレグ（ＣＦＲＰの原材料でシート状の形状をしており、低温で保管されていて柔らかいが、温度が高い状態では硬化することになり、焼成によりそれ自体で接着可能となる）から成る連結部２８で連結される。
【００１７】
外側ヨーク２６は、アルミニウム合金やチタン合金等の軽金属から成る外側スリーブ２９に、該外側スリーブ２９と同一の軽金属から成るお碗形の外側カップ３０が機械的に結合されて成り、また内側ヨーク２７は、アルミニウム合金やチタン合金等の軽金属から成る内側スリーブ３１に、該内側スリーブ３１と同一の軽金属から成るお碗形の内側カップ３２が機械的に結合されて成る。
【００１８】
外側スリーブ２９の軸方向中間部には外側方に張出す連結鍔部２９ａが一体に設けられており、また外側スリーブ２９の軸方向一側（図４の右側）端部には外側方に張出すフランジ部２９ｂが一体に設けられる。また内側スリーブ３１の軸方向他側（図４の左側）端部には外側方に張出す連結鍔部３１ａが一体に設けられる。外側カップ３０は、溶接またはロウ付けなどの公知の機械的結合構造により、外側スリーブ２９の軸方向他端部外面および連結鍔部２９ａに結合され、また内側カップ３２は、溶接またはロウ付けなどの公知の機械的結合構造により、内側スリーブ３１の軸方向一端部外面および連結鍔部３１ａに結合される。
【００１９】
第１関節部２３に収納されたモータの出力は、減速機で拡大されて外側スリーブ２９のフランジ部２９ｂに連結され、さらに外側スリーブ２９の連結鍔部２９ａから作動部２５に駆動力が伝達されるものであり、外側スリーブ２９と作動部２５との間で駆動力が実質的に受渡しされる。すなわち外側ヨーク２６は駆動力を実質的に受渡しする機能を果す。一方、内側ヨーク２７はモータおよび減速機を支えている軸受を単に収納するのみで、回転トルクは伝えない構造となっている。またフランジ部２９ｂには、前記減速機からの駆動力を伝達する部材を締結するための複数のねじ孔３３…が周方向に間隔をあけて設けられている。
【００２０】
図５を併せて参照して、第２関節部２４は、同軸上で相互に間隔をあけて対をなす一対の関節部主体としての外側ヨーク３４および内側ヨーク３５を備え、図１で示したスネリンク１６との間で水平軸１５の軸線まわりの回転自由度を実現すべく、減速機４１を受け入れ可能に構成されるものであり、両ヨーク３４，３５の上部は、複合材たとえばＣＦＲＰのプリプレグから成る連結部３６で連結される。
【００２１】
外側ヨーク３４は、アルミニウム合金やチタン合金等の軽金属から成る外側スリーブ３７に、該外側スリーブ３７と同一の軽金属から成るお碗形の外側カップ３８が機械的に結合されて成り、また内側ヨーク３５は、アルミニウム合金やチタン合金等の軽金属から成る内側スリーブ３９に、該内側スリーブ３９と同一の軽金属から成るお碗形の内側カップ４０が機械的に結合されて成る。
【００２２】
外側スリーブ３７の軸方向中間部には外側方に張出す連結鍔部３７ａが一体に設けられており、連結鍔部３７ａに連なるフランジ部３７ｂが、外側スリーブ３７の軸方向一端部で厚肉となるようにして外側スリーブ３７に一体に形成される。また内側スリーブ３９の軸方向他端側（外側スリーブ３７とは反対側）の端部には外側方に張出す連結鍔部３９ａが一体に設けられる。外側カップ３８は、溶接またはロウ付けなどの公知の機械的結合構造により、外側スリーブ３７の内側スリーブ３９側の端部外面および連結鍔部３７ａに結合され、内側カップ４０は、溶接またはロウ付けなどの公知の機械的結合構造により、内側スリーブ３９の軸方向一端側（外側スリーブ３７とは反対側）の端部外面に結合される。
【００２３】
モモリンク１４に対してスネリンク１６を駆動させるモータ４２は、図２に仮想線で示すように、作動部２５の中間部に組付られるものであり、該モータ４２の出力は仮想線で示すベルト４３により、第２関節部２４内に組み立てられる減速機４１に伝達され、トルクが増幅されてスネリンク１６に伝えられ、スネリンク１６を前後方向に加・減速することになる。スネリンク１６を駆動した反力はモモリンク１４が負担しなければならないので、外側スリーブ３７が備えるフランジ部３７ｂには複数のねじ孔４４…が設けられており、減速機４１はそれらのねじ孔４４…によりフランジ部３７ｂに締結される。すなわち外側ヨーク３４は、駆動力を実質的に受渡しする機能を果すものであり、内側ヨーク３５は回転トルクを伝えない構造となっている。またフランジ部３７ｂのねじ孔４４…には、階段の昇降時に非常に大きなトルクが加わるので第２関節部２４の強度、剛性はこのトルクを基準に設計されることになり、モモリンク１４全体にも、この大きなトルクが作用することになる。
【００２４】
第１および第２関節部２３，２４間を結ぶ作動部２５の下部は、スネリンク１６との干渉を避けつつ大きな回転角度を確保するために、該作動部２５の上部と比べて細くくびれて形成されるものであり、このような形状が伝達トルクを低い応力のもとで伝えるには不向きであることが良く理解できよう。
【００２５】
この作動部２５は、基本的には複合材としてのＣＦＲＰで構成されるものであるが、第１および第２関節部２３，２４間の位置関係を定めるために、アルミニウム合金やチタン合金等の軽金属から成る一対の連結板４５，４６をも含むものであり、一方の連結板４５は、第１関節部２３の外側スリーブ２９における連結鍔部２９ａと、第２関節部２４の外側スリーブ３７における連結鍔部３７ａとに、溶接またはロー付け等の機械的結合構造で結合され、また他方の連結板４６は、第１関節部２３の内側スリーブ３１における連結鍔部３１ａと、第２関節部２４の内側スリーブ３９における連結鍔部３９ａとに、溶接またはロー付け等の機械的結合構造で結合される。一方の連結板４５は、第１および第２関節部２３，２４に作用するトルクの軸線にほぼ直交する平面内で平板状に形成されて、第１および第２関節部２３，２４間を連結することになり、両連結板４５，４６は、作動部２５の外形線に対応した形状に形成される。
【００２６】
一方の前記連結板４５は、その周辺部と、モータ４２を収納すべく連結板４５に設けられた開口部４７とで略Ｌ字形に曲げられた断面形状を有しており、曲げに対する抵抗力を与えられる。このＬ字形断面は、後述するようにＣＦＲＰで周りを固められたとき、ＣＦＲＰの断面係数を飛躍的に高めることになり、モモリンク１４全体の剛性を非常に高くする。また連結板４５には、モータ４２を組み付けるためのねじ孔を備えるねじ部材４８…や、連結板４５の周縁部にあって図示しないベルトカバーを取り付けるためのねじ孔４９…が加工されるべき厚みのある小片（図示せず）等が予め溶接またはロウ付けなどの機械的結合構造で結合されている。
【００２７】
上記ねじ部材４８…はＣＦＲＰを結合して焼成する際の歪みを回避するために、該ねじ部材４８…の表面を連結板４５よりも幾分飛び出させた状態で結合されており、焼成後に機械加工されて各ねじ部材４８…の面が揃えられ、しかも第２関節部２４のフランジ３７ｂに対する高さが設計値に抑えられ、ベルトのアライメントが適正化される。
【００２８】
連結板４５には、上記の他にも、ロボット上体部から下部リンクに情報やエネルギーを伝達するための電線類を迎え入れるための孔５０や、電線を束ねたハーネスを固定するためのねじ孔５１…などが予め加工されている。また軽量化の観点から、連結板４５には随所に肉抜き孔５２，５３等が設けられる。これらの肉抜き孔５２，５３等は、重量軽減に寄与する以外にも連結板４５の表裏に張りつけられるプリプレグが肉抜き孔５２，５３等を通じて互いに強固に接着し、完成時の強度を一層高める働きも併せもつものである。
【００２９】
他方の連結板４６についても上記連結板４５と同様で、図４に明示する如く、周辺部がＬ字型に曲げられて強度・剛性を高めており、肉抜き孔５４が設けられ、必要に応じて電線を通すための孔５５が設けられる。
【００３０】
第２関節部２４における外側ヨーク３４および内側ヨーク３５の内側には、図３および図５で明示するように、各スリーブ３７，３９および各カップ３８，４０と同一の金属材料から成る金属板を曲げ加工して成る接合板部５６，５７が、溶接またはロー付け等の機械的結合構造により結合される。
【００３１】
また上記連結板４５，４６における第２関節部２４側の端部は接合板部４５ａ，４６ａとして機能するものであり、これらの接合板部４５ａ，４６ａおよび前記接合板部５６，５７への各スリーブ３７，３９への結合部において連結鍔部３７ａ，３９ａは、図５に詳しく描かれているように、接合板部４５ａ，４６ａ側を段階的に薄くするように形成されており、スリーブ３７から作動部２５へのトルクの伝達から見ると第２関節部２４の中心から離れるにつれて金属部分の板厚が次第に先細りになっている。
【００３２】
作動部２５は、複合材としてのＣＦＲＰから成るプリプレグ層が横断面矩形の筒状に形成されて成るものであり、連結板４５，４６の部分では、図５で明示するように、２枚のＣＦＲＰから成るプリプレグ層５８，５９が連結板４５，４６をサンドイッチ状に挟むようにして、連結板４５，４６に接着され、両連結板４５，４６の側縁間では両プリプレグ層５８，５９が相互に接着される。なお、図５ならびに後述の説明で参照する図６においては、発明の趣旨を良く理解してもらうために、ＣＦＲＰの厚みのみ誇張して描かれている。
【００３３】
而して各プリプレグ層５８，５９の外側ヨーク３４への貼りつけ部において、それらのプリプレグ層５８，５９は外側ヨーク３４に機械的に結合されている接合板部４５ａ，４６ａ，５６，５７に接着されるのであるが、スリーブ３７から各接合板部４５ａ，４６ａ，５６，５７側に向うにつれて金属部分の板厚が次第に先細りになっている。すなわちＣＦＲＰがスリーブ３７に結合された時点でみれば、金属の割合がスリーブ３７の中心では高く、ＣＦＲＰの割合がスリーブ３７の中心から遠ざかるにつれて高くなるように設定されたことになる。なお、例示された金属形状は段階的にその厚みが変化しているが、より大きな荷重に対しては連続的に厚みを変える方がより望ましいことは言うまでもない。
【００３４】
各プリプレグ層５８，５９は、１枚のプリプレグでも良いが、通常は繊維方向を異にする複数枚のプリプレグを積層して構成される。ところで、第２関節部２４でのトルクはフランジ部３７ｂへの減速機４１の締結部から外側スリーブ３７に伝わり、該外側スリーブ３７から図２の点線６０で示す箇所で、溶接等の機械的結合構造により前記トルクの多くの部分が連結板４５に伝達される。この歴史ある機械的結合構造は強度的な解明が充分に進んでおり、且つ品質管理も行いやすい。溶接ラインである点線６０の位置を決めるのは、伝達すべきトルクの大きさおよび連結板４５の厚みであり、この部分における計算応力が設計基準値以下になるように、点線の半径は決められる。
【００３５】
ＣＦＲＰのプリプレグは通常織られる繊維の方向が揃えられており、本実施例の場合には、外側スリーブ３７から作動部２５に回転力（トルク）の形で荷重がかかるため、プリプレグ層５８，５９は、たとえば相互に直交する方向に配向されて織られたプリプレグを少なくとも一層含み、当該プリプレグの繊維が図２の６１で示す方向、すなわち第２関節部２４に作用するトルクの軸線に前記２方向をほぼ同一角度で交差せしめるように配向される。この配向によってトルクは繊維の張力の形で負担され、少ない層で大きなトルクを伝達できることになる。
【００３６】
また前記プリプレグ層５８，５９は連結板４５の周辺では連結板４５の形状に合わせて曲げられ、図３に示すように、作動部２５の側壁を構成するごとく成形される。
【００３７】
外側カップ３８および内側カップ４０の外表面には前記プリプレグ層５８，５９に連なるプリプレグ層６５，６６が回り込んでおり、外側スリーブ３７に伝達されたトルクの一部が作動部２５に伝達されている。両プリプレグ層６５，６６のうち、プリプレグ層６５は望ましくは３層から成るものであり、その３層のうち少なくとも一層はトルクの伝達に最適なように、外側カップ３８の周方向（図５の６７で示す方向）に沿って炭素繊維が作動部２５の側面まで配向される。このプリプレグ層６５の存在により外側スリーブ３７に伝達されたトルクの一部は外側カップ３８に伝えられ、そのカップ３８から接着力によってプリプレグ層６５に伝えられるが、トルクは有効に繊維に張力として伝わり、少ない層数のプリプレグ層６５で大きなトルクの伝達を可能にする。これに対して内側カップ４０の表面に張られるプリプレグ層６６については、本実施例では内側スリーブ３９がトルク伝達に寄与しないので、繊維方向をトルク伝達を目的として決める必要はない。また外側スリーブ３７から作動部２５への力の伝達をより確実なものにする意味で、外側カップ３８および外側スリーブ３７の結合体のまわりをＣＦＲＰが包み込むようにして成形されている。
【００３８】
なお、第２関節部２４において外側ヨーク３４および内側ヨーク３５間を連結する連結部３６は、作動部２５のプリプレグ層５８，５９に連なるプリプレグにより形成されている。
【００３９】
このような第２関節部２４および作動部２５の連結構造は、第１関節部２３および作動部２５の連結部に適用されるものであり、第１関節部２３および作動部２５の連結構造についての説明を省略する。
【００４０】
図６を併せて参照して、モモリンク１４内に一旦迎え入れられた電線をスネリンク１６側に導くための孔６８が、一方の連結板４５の内方側に配置された幾分厚めの金属板６９に設けられており、この金属板６９は金属から成る添え板７０に溶接またはロウ付け等で結合される。しかも金属板６９には電線を固定するためのねじ孔７１…が穿設されている。この添え板７０の表裏は、前記プリプレグ層５８，５９に連なるようにして接合板部５６，５７に接着される２層のプリプレグ層７２，７３で挟まれている。
【００４１】
ところで、前記金属板６９には電線を取り付ける作業に際して外力が加わる他にはこれといった外力は働かない。したがってねじ孔７１…は小さく、かつ本数も少なくてすむ。また添え板７０の表面積も、この意味では少なくて良いのだが、ＣＦＲＰの板に剛性を持たせるために添え板７０は図示のように細長く伸びて、この両側でＣＦＲＰ層は互いに離反して焼成され、焼成後のこの部位の断面係数を高めるようになっている。さらに前記孔６８およびねじ孔７１…は、全体が組み立てられた後での加工がし難い奥深い位置にあるが、組み立て前にこれらの孔６８，７１…の機械加工を終了し、その後でプリプレグが焼成により貼りつけられる。
【００４２】
このようなモモリンク１４において、作動部２５の両端の第１および第２関節部２３，２４の構成要素であって駆動力を実質的に受渡しする外側ヨーク２６，３４が軽金属で形成され、作動部２５が複合材たとえばＣＦＲＰから成るプリプレグ層５８，５９と、軽金属製の連結板４５，４６とで構成されており、作動部２５は、図７で示すように、両関節部２３，２４から離れるにつれて、金属材料から成る部分の体積に対して、樹脂材料で構成される部分の体積の比が漸次大となるようにして形成される。したがって、金属材料が実質的に支配する領域と、樹脂材料が実質的に支配する領域との間に、金属材料および樹脂材料の占める体積が次第に変化する移行区間が設けられることになり、当該移行区間において、当該金属材料から当該樹脂材料との間に所要の駆動力の伝達に必要な結合力を確保することによって、必要な剛性を有して軽量化されたリンクとしてのモモリンク１４を得ることが可能となる。
【００４３】
しかも上記結合力を確保するにあたって、機械的な一体構造で外側ヨーク２６，３４に設けられた軽金属製の接合板部４５ａ，５６が、外側ヨーク２６，３４およびプリプレグ層５８，５９間での駆動力の伝達が可能な接着強度を確保し得る表面積を有するように形成され、それらの接合板部４５ａ，５６にプリプレグ層５８，５９が接着される。したがって、平準化された荷重の加わる部位に樹脂材料を主として用いることを可能とし、金属材料および樹脂材料の接合面積を重量の増加を抑えつつ拡大することで両者間の結合力を高めることが可能となる。すなわち重量が一定のときに表面積が最大となる形状は平板状であり、接着による結合力は接触面積に比例するから、重量を増やさずに結合力を高めるには接触部が板状であればよく、外側ヨーク２６，３４に機械的に一体化された接合板部４５ａ，５６にプリプレグ層５８，５９が接着されることにより、重量の増加を抑えつつ結合力を高めることができる。これにより、両関節部２３，２４からの大きな駆動力をプリプレグ層５８，５９に確実に伝達できるようになり、広範囲な自重・ペイロードの歩行ロボットの設計に対応することができる。
【００４４】
また接合板部４５ａは、作動部２５の一部を構成して、外側ヨーク２６，３４に機械的に結合される連結板４５の一部であり、連結板４５をたとえば圧延材のプレス成形品とすることにより、前記接触面積の確保が容易となる。
【００４５】
さらに接合板部４５ａを形成する連結板４５は、孔５３の存在により外側ヨーク３４からの距離が大となるのに応じて実質的な幅を狭くして形成されるものであり、金属材料および樹脂材料間で駆動力の受渡しが行なわれるにもかかわらず、接合部で応力の平準化を行うようにして応力集中発生による破損が生じることを防止することができ、軽量化を図ることも可能である。
【００４６】
作動部２５の一部を構成する連結板４５，４６は両外側ヨーク２６，３４間を連結するものであるので、モモリンク１４の形成前に両外側ヨーク２６，３４を予め連結しておくことができ、製造工程での物流管理を簡素化することができるとともに、ＣＦＲＰから成る部分を成形・焼成する際の製造工程を簡素化することができる。
【００４７】
前記連結板４５，４６の形状は自由に設計可能であり、モモリンク１４内に各種付属機器、たとえばモータ４２や図示しないエンコーダ、配線、カプラー等を収納するようにした、所謂「外骨格」ロボットの設計に向いている。
【００４８】
しかも連結板４５，４６は、第１および第２前記関節部２３，２４に作用するトルクの軸線にほぼ直交する平面内で平板状に形成されるものであり、軽量化を可能としつつ曲げモーメントによって連結板４５，４６が座屈することを防止してトルクの伝達が可能な構造を実現することができる。
【００４９】
それに加えて、連結板４５，４６が、作動部２５の外形線に対応して形成され、プリプレグ層５８，５９が連結板４５，４５に接着されるので、プリプレグ層５８，５９を接着する際の作業が容易となり、成形型も簡素なものですむ。
【００５０】
さらに、連結板４５，４６の表裏両面にプリプレグ層５８，５９が接着されており、プリプレグ層５８，５９の接着後の焼成に伴なって生じる樹脂材料および金属材料の熱膨張差に伴なう熱歪みが相互に打消されることになり、焼成時の熱歪みによる変形力が金属製の連結板４５，４６の表裏に同じ方向に作用して歪みが抑えられる上に、金属材料の表面と樹脂材料の表面とが接触する面積を倍増して結合力を高めることができる。
【００５１】
このようにして、作動部２５の主要構成材料たるＣＦＲＰから成るプリプレグ層５８，５９が、第１および第２関節部２３，２４に接着されてモモリンク１４が構成されるが、そのような接着による結合構造は、表面加工処理を不要として滑らかな表面を得ることができ、外観を優れたものとすることが可能であり、しかも型による焼成で接着可能であることから複雑な形状でも煩わしい作業を不要として結合可能である。
【００５２】
ところで、プリプレグ層５８，５９は高強度であるＣＦＲＰから成るものであるために薄く設計することが可能であるが、この特性故に却って剛性が心配される場合も生ずる。たとえば実質的に平坦な広い面積を有する構造体では強度は充分にあるものの、ペコペコした剛性の低い部分が生ずる。この低剛性の部位に予想外の荷重が加わるとき、座屈破壊を生ずる危険性がある。この欠点を除くには、当該平面に適切な筋交いを入れることが有効である。筋交いを入れた状態では、あたかも障子における桟のように、この筋交いと薄いＣＦＲＰの皮とが強調して全体を強くする。この筋交いを単にＦＲＰの肉厚を厚くする手法で達成すると、当該筋交いの形状や位置を正確に設定するために特別な治具や型が必要になる等、製造コストを押し上げることになる。しかるに、作動部２５において一方の前記連結板４５は、その周縁部および開口部４７の部分でＬ字形に曲げられた断面形状を有しており、また他方の連結板４６はその周縁部がＬ字型に曲げられており、そのようなＬ字形の筋交いの部分で、プリプレグ層５８，５９が相互に離反して焼成されることにより、当該部位の断面係数を増大させて剛性を高めることができ、前記連結板４５，４６をプレス加工によって曲げるだけで、両プリプレグ層５８，５９を離反させた筋交いの形状および設置位置を一層確実に安価に精度良く決めることができる。
【００５３】
ところで、ロボットの一部を構成するモモリンク１４として必要なことは、上端の第１関節部２３の回転軸線すなわち水平軸２０（図１参照）の軸線と、下端の第２関節部２４の回転軸線すなわち水平軸１５（図１参照）の軸線との間の軸間距離が正確に保証されており、両軸２０，１５の倒れ（平行度）が基準値以下にできていること、ならびにヨーク２６，２７；３４，３５同士の左右のズレ（たとえば図４において、上端側のヨーク２６，２７に対して下端側のヨーク３４，３５が右または左にずれていること）が基準値以下に納まっていることである。これらの条件が守られないときは、ロボットの歩行が著しく困難になり、最悪の場合には歩行ができなくなる。
【００５４】
このような精度保証は、樹脂を成形するときの歪みを考慮すれば、関節部に多少の削り代ろをつけておき、樹脂成形が終了したあとで機械加工を施して所要の精度に仕上げることが現在の制御技術レベルでは合理的である。各ヨーク２６，２７；３４，３５の内部を機械加工することで、水平軸１５，２１の軸間距離と平行度が保証され、各ヨーク２６，２７；３４，３５の軸方向両端面を機械加工することで、ヨーク２６，２７；３４，３５同士の左右のずれの精度、ならびに水平軸１５，２１に対する直角度が守られる。
【００５５】
ここで複合材を貼りつけてモモリンク１４を形成したときの形状寸法精度を高く維持することができたときは、機械加工を行った後も各ヨーク２６，２７；３４，３５の肉厚は均一に成形され、各ヨーク２６，２７；３４，３５の剛性・強度は設計値に納まることになるが、逆に複合材貼りつけ時の形状の狂いが大きいときは、機械加工を行ったときの肉厚が不均一になり、甚だしいときは一部の肉が欠損することも予想される。不均一な肉厚になっても強度・剛性値を設計値に抑えるためにはヨーク２６，２７；３４，３５の外側にも駄肉を付けることになるが、これでは高価なＣＦＲＰを使ってまで軽量化を行なう目的にそぐわない。これはヨーク内部の機械加工の話であるが、ヨーク端面についても同じことが言える。したがって複合材貼りつけ時の歪みを最小にする手法および安価に成形できる手法の開発が必要であり、本発明に従えば、図８で示すようにして、ＣＦＲＰの貼りつけが行なわれる。
【００５６】
図８において、治具７５₁には、第１関節部２３の関節部主体である外側および内側ヨーク２６，２７と、第２関節部２４の関節部主体である外側および内側ヨーク３４，３５とが、成形時の都合を考慮して横に寝かされた姿勢で取付けられる。すなわち外側ヨーク２６，３４が連結板４５を介して連結された状態で治具７５₁に取付けられ、内側ヨーク２７，３５は連結板４６を介して連結された状態で治具７５₁に取付けられる。
【００５７】
この際、第１関節部２３側の両ヨーク２６，２７におけるスリーブ２９，３１、ならびに第２関節部２４側の両ヨーク３４，３５におけるスリーブ３７，３９の内面側は、複合材の貼りつけにより連結部２８，３６および作動部２５を形成した後に、スリーブ２９，３１；３７，３９を同芯として必要な機械精度を保証するとともに、対をなすスリーブ２９，３１；３７，３９同士の平行度および軸間距離が設計値となるべくして必要な機械精度を保証するために機械加工が施されるものであり、機械加工を施すための駄肉を有するように形成されている。またスリーブ２９のフランジ部２９ｂ、ならびにスリーブ３７のフランジ部３７ｂは、複合材の貼りつけにより連結部２８，３６および作動部２５を形成した後に、ＣＦＲＰの焼成に起因した歪みを機械加工によって削り落として必要な精度に仕上げられるものであり、前記歪みが生じることを考慮して、幾分駄肉をつけて形成されている。
【００５８】
治具７５₁は、下部治具板７６₁と、該下部治具板７６₁の上方に配置される上部治具板７７と、ヨーク２６，２７に嵌合されて両治具板７６₁，７７間に設けられる規制柱７８と、ヨーク３４，３５に嵌合されて両治具板７６₁，７７間に設けられる規制柱７９と、規制柱７８を囲繞してヨーク２６および下部治具板７６₁間に配置されるスペーサ８０と、規制柱７８の中間部を囲繞してスペーサ２６，２７間に配置されるスペーサ８１と、規制柱７９を囲繞してヨーク３４および下部治具板７６₁間に配置されるスペーサ８２と、規制柱７９の中間部を囲繞してスペーサ３４，３５間に配置されるスペーサ８３とを備え、規制柱７８，７９の上部には、ヨーク２７，３５の上端に係合する環状の規制段部７８ａ，７９ａが設けられる。
【００５９】
また両ヨーク２６，２７間ならびに両ヨーク３４，３５間で規制柱７８，７９の中間部は、手を入れ易くして複合材の貼りつけを容易とするために、えぐられており、スペーサ８１，８３も規制柱７８，７９のえぐりに対応する部分がえぐられている。
【００６０】
ところで、モモリンク１４は、その内部にモータを受け入れるスペースや電線およびそのカプラーを収納するための空洞を有するものであり、その空洞空間の寸法を精度よく確保するために分解可能な成形用中子８５₁が、下部治具板７６₁に固着された治具台８６に載せられて、連結板４５に設けられている開口部４７に挿入される。この成形用中子８５₁は、リンク成形後に分解して取り除かれるものであり、石膏等で作られることによって破壊により分解可能なものであってもよく、また分解を想定した組み立て式のものであってもよい。
【００６１】
この成形用中子８５₁によって確保されるスペースは、モータや、電線およびそのカプラー等を収納するだけのスペースを確保するものであればよく、不必要なスペースまで確保するのは、成形用中子８５₁を複雑にして製造時のコストを押し上げるので、モモリンク１４の内部を、公知のように内部をハニカム構造体６２，６３，６４…、若しくはロハセル等の軽量材料で充填することが可能である。すなわち連結板４５の内側には、当該板４５の折り曲げ高さに相当する厚さのハニカム構造体６２が、図５で示すようにセルを向けて配置される。このハニカム構造体６２を使う理由はもう一つある。それは、前述のように連結板４５にはねじ部材４８…が結合されているので、そのねじ部材４８…が連結板４５から内方に飛び出ていることになる。もしハニカム構造体６２によって、前記雄型とのプリプレグ層５９との間の空隙が埋められていなければ、焼成後に成形用中子８５₁を取り除くことが著しく困難となるのであり、ハニカム構造体６２の厚みは当該ねじ部材４８…の長さと同じか、これよりやや厚い寸法が選ばれ、焼成後の型の抜き取りを容易にしている。また外側カップ３８と接合板部５６とで囲まれる空間にもハニカム構造体６３が設置され、成形用中子８５₁を必要以上に複雑な形状にする必要をなくしている。同じことは反対側の連結板４６についても言える。ここではかなりの広い範囲にわたってハニカム構造体６４が埋められ、成形用中子８５₁を簡潔な形状とすることに寄与している。これらのハニカム構造体６２，６３，６４は、成形されたリンクの剛性を高める役割も担うことは言うまでもない。また各ハニカム構造体６２〜６４の内面側にプリプレグ層６７が貼りつけられるようにしてもよい。
【００６２】
このようにして治具７５₁により、第２関節部２４における両ヨーク３４，３５に対する第１関節部２３における両ヨーク２６，２７の位置および方向が定められるとともに、第１関節部２３における両ヨーク２６，２７に対する第２関節部２４における両ヨーク３４，３５の位置および方向が定められ、さらにモモリンク１４が備える空洞の形状、位置および方向が成形用中子８５₁で規制されることになり、その状態で、治具７５₁および成形用中子８５₁で貼りつけるべき形状を定めたプリプレグを各ヨーク２６，２７，３４，３５に必要枚数だけ貼り付けてリンクの形状を作り上げる。
【００６３】
その後オーブンにより、温度管理をした上で高温焼成し、その後、放置冷却することによりモモリンク１４の機械加工前の形状が形成されることになる。この高温焼成時に空気の混入を避け、樹脂内部の接着が良好に保たれるためにリンク全体を樹脂などのフィルムで包み、外側から圧力を加えて強固に樹脂を押さえ込みながら焼成するのであるが、この手法は公知、公用に供されているので、当該分野の技術者にこれ以上の説明は要しまい。前述の通り、プリプレグは高温処理されて硬化するので、成形時の温度は高い。この高温のためにモモリンク１４を規制している治具７５₁も熱膨張係数に応じて伸びることになる。したがって治具７５₁の材質はリンクの熱膨張係数と概ね等しいものを選ぶ方がよく、下部および上部治具板７６₁，７７は望ましくはＣＦＲＰで作られたもの、または鉄などの比較的熱膨張係数の小さなものが選ばれる。また例示のモモリンク１４のように、第１および第２関節部２３，２４が軽金属から成る連結板４５，４６で連結されている場合には、軽合金の熱膨張係数とＣＦＲＰのそれとがかなり異なるので、プリプレグの選定は比較的低温で硬化するものが選ばれ、かつ焼成温度も低く設定する。現在低温焼成用のプリプレグとしては１２０℃の低温で焼成可能なものが既に市販されている。
【００６４】
このようにして、治具７５₁によりヨーク２６，２７；３４，３５を規制した状態でプリプレグの貼りつけを行なうようにしたことにより、最終的な機械加工を行なう前の状態で、関節部の形状寸法をほぼ最終製品の寸法形状に近いものとすることができ、機械加工の工数低減を図ることが可能となるとともに、機械加工による偏肉も生じ難くなり、完成品の剛性、強度を高く維持することができ、本実施例のように最終の組み立て形状が複雑であって最終工程での機械加工を著しく困難にする箇所がある場合に、特に有効である。
【００６５】
また複合材であるプリプレグが、高温焼成によりそれ自体で接着可能なものであるので、複合材の貼りつけにあたって接着剤を用いることが不要となり、貼りつけ作業の作業性を高めることができる。但し、強度をより高めたいときには接着剤を用いるようにしてもよく、高温焼成による接着と、接着剤を用いた接着とを併用するようにしてもよい。
【００６６】
しかもヨーク２６，２７；３４，３５の位置および方向が、それぞれ相手のヨーク３４，３５；２６，２７に対して規制されることになるので、対をなす２組のヨーク２６，２７；３４，３５の軸間距離および平行度等の寸法精度を高めることができる。
【００６７】
さらに貼りつけるべきプリプレグの形状は、治具７５₁および成形用中子８５₁で定まるので、貼りつけるべきプリプレグの形状を容易にかつ正確に定め、貼りつけ操作を効率的に行なうことができる。
【００６８】
また治具７５₁による規制時に、各ヨーク２６，２７，３４，３５におけるスリーブ２９，３１，３７，３９の内面側が幾分駄肉をつけて形成されるものであることにより、治具７５₁における両規制柱７８，７９を単純な形状とすることができる。すなわち機械加工後の形状に対応した削り代を設定したのでは、両規制柱７８，７９も複雑な形状に形成せざるを得ないが、単純な駄肉をつけて各スリーブ２９，３１，３７，３９の内面側が形成されることにより、両規制柱７８，７９を単純な形状とすることが可能となるのである。
【００６９】
図９は本発明の第２実施例を示すものであり、上記第１実施例に対応する部分には同一の参照符号を付す。
【００７０】
上記第１実施例では、第１および第２関節部２３，２４間を連結する軽金属製の連結板４５，４６が、焼成時に熱膨張によって伸変形をし、この変形をＣＦＲＰが押さえ込むために内部に残留応力ができてモモリンク１４の強度を低下させるおそれがあるので、この第２実施例は、連結板４５，４６を省くことによって問題を解消しようとするものである。
【００７１】
治具７５₂には、相互に分離した状態に在るヨーク２６，２７，３４，３５が取付けられ、ヨーク２６，３４間には、モータを収納・固定するための開口部４７を有する中間金属板４５′が両ヨーク２６，３４とは分離して配置される。また成形用中子８５₂が、治具７５₂の下部治具板７６₂に複数の規制ピン８４，８４…により固定的に位置決めされて前記中間金属板４５′を支持する下部中子８７と、前記中間金属板４５′の開口部４７に挿通される部分を有して前記下部中子８７上に配置されるとともに下部中子８７との相対位置が複数の位置決めピン８９，８９…で規制される上部中子８８とを有するように構成される。このような成形用中子８５₂を用いることにより、成形用中子８５₂自体および中間金属板４５′の位置と方向とが規制され、したがってモモリンク全体の中間部の形状が決まってくる。このように金属製の連結板４５，４６を省くことで、熱による変形または残留応力の発生を効果的に予防できる。この手法はロボットの体重が比較的重たくて、脚に発生する応力が高い場合に有効である。
【００７２】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【００７３】
たとえば、上記実施例では、複合材としてＣＦＲＰのプリプレグを用いたが、炭素の短繊維を混入した複合材にも本発明を適用できることは言うまでもなく、その際、接着剤を用いて複合材を貼りつけるようにしてもよい。また軽金属の使用箇所も、実施例に例示の関節部に限定されるべきではなく、たとえば体重の軽い軽荷重のロボットの場合にはねじ部材等の極く一部のみを金属とすればよく、残りの殆どの部位を同じ材料の半焼成品で置き換えることができる。ＣＦＲＰの技術に精通している技術者には、必要に応じて半焼成品で概略の形状を作り上げ、これらを組み合わせた後、本格的に高温焼成する製造方法は公知である。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、機械加工の工数低減を図ることが可能となるとともに、機械加工による偏肉も生じ難くなり、完成品の剛性、強度を高く維持することができるとともに２つの関節部間の軸間距離の寸法精度を高めることができ、また成形用中子で空洞の寸法精度を高め、貼りつけるべき複合材の形状を容易にかつ正確に定め、複合材の貼りつけ操作を効率的に行なうことができる。
【００７５】
また請求項２記載の発明によれば、貼りつけ作業の作業性を高めることができる。
【００７６】
さらに請求項３記載の発明によれば、２つの関節部の回転軸の平行度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】歩行ロボットの脚部を斜め後方側から見たスケルトン図である。
【図２】図１のモモリンクを脚部の外側から見た図である。
【図３】図１のモモリンクを脚部の内側から見た図である。
【図４】図２の４−４線断面図である。
【図５】図４の下部拡大図である。
【図６】図４の６−６線断面図である。
【図７】モモリンクの長手方向に沿う方向での金属材料および樹脂材料の体積分布を示す図である。
【図８】モモリンクの製造工程での状態を示す縦断側面図である。
【図９】第２実施例の図８に対応した図である。
【符号の説明】
１４・・・モモリンク
２３，２４・・・関節部
２５・・・作動部
２６，３４・・・関節部主体としての外側ヨーク
２７，３５・・・関節部主体としての内側ヨーク
７５₁，７５₂・・・治具
７８，７９・・・規制柱
８５₁，８５₂・・・成形用中子

Claims

一対の関節部（２３，２４）間が、合成樹脂を主成分とする複合材を主要構成材とするとともに空洞を有する作動部（２５）で結ばれて成るロボット用複合材リンク（１４）を製造するにあたって、前記両関節部（２３，２４）の一部を構成する関節部主体（２６，２７；３４，３５）に嵌合する規制柱（７８，７９）を有して両関節部主体（２６，２７；３４，３５）相互の位置および方向を定める治具（７５ ₁ ，７５ ₂ ）と、前記空洞の形状、位置および方向を定める成形用中子（８５ ₁ ，８５ ₂ ）とを予め準備し、前記両関節部主体（２６，２７；３４，３５）を作成する工程と、前記治具（７５ ₁ ，７５ ₂ ）で前記両関節部主体（２６，２７；３４，３５）相互の位置および方向を規制するとともに前記成形用中子（８５ ₁ ，８５ ₂ ）を前記治具（７５ ₁ ，７５ ₂ ）で支持した状態で前記複合材を前記両関節部主体（２６，２７；３４，３５）に貼り付ける工程とを順次経過させることを特徴とするロボット用複合材リンクの製造方法。
前記関節部主体（２６，２７，３４，３５）を軽合金で作成し、前記複合材を、前記関節部主体（２６，２７，３４，３５）に接着可能な材料に選定することを特徴とする請求項１項記載のロボット用複合材リンクの製造方法。
前記関節部主体（２６，２７；３４，３５）が同軸上で相互に間隔をあけて対をなすヨークであることを特徴とする請求項１または２項記載のロボット用複合材リンクの製造方法。