JP5772875B2

JP5772875B2 - 接続部材、接続部材の製造方法、およびロボット

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Publication number: JP5772875B2
Application number: JP2013106499A
Authority: JP
Inventors: 慎治品部
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2033-05-20
Also published as: EP2808132A1; CN104175328A; CN203804993U; EP2808132B1; JP2014226738A; US20140338490A1

Description

開示の実施形態は、接続部材、接続部材の製造方法、およびロボットに関する。

従来、産業用ロボットなどのロボットアームは、複数のアーム体が関節機構を介して接続されて構成される。アーム体は、関節機構を支持する接続部材として機能するアームフレームにより構成されるが、かかるアームフレームには、先端に重量物を保持した状態での加減速運動による負荷や振動低減のために、十分な強度および剛性が求められる。

アームフレームには、鉄やアルミニウム合金の鋳造品、あるいは鋼板による成形加工品が用いられる。しかし、アームフレームの先端側に重量物が保持されていると、基端側の慣性モーメントが大きくなるため、ロボットの高速化を阻害する。ロボットの高速化のためには、アームフレームは軽量であることが望ましい。

このように、ロボットのアームフレームには、高い強度と剛性を有するとともに軽量化が望まれる。例えば、特許文献１には、アームフレームの材料に着目し、高強度で剛性も高くさらに比重が小さい繊維強化プラスチックをアームフレームに適用した技術が開示されている。

特開２０１０−１１５７３２号公報

しかしながら、強度、加工性、放熱性能、およびコスト面などからすれば、繊維強化プラスチックなどではなく、例えば、安価な鋼板などの金属材料を利用しながら強度面と軽量化とを両立させることが望まれる。そのためには、自動車などに用いられる高張力鋼板を適用することが考えられる。

しかし、関節機構を構成するモータや減速機などを、接続部材となるアームフレームにボルトを用いて強固に固定しようとすると、アームフレームには、少なくともボルトを連結する箇所を一定以上の厚みにする必要がある。かといって、アームフレームの厚みを増すことは軽量化の面で望ましくない。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、鋼板を用いながらも十分な強度および剛性を有し、かつ軽量化を図ることのできる接続部材、接続部材の製造方法、およびロボットを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る接続部材は、主部材と、当該主部材に接合される副部材とを備える。主部材は、一定の強度を有する板状の第１の材料で形成され、被接続体を装着するための孔部が設けられるとともに、所定の形状に折曲形成される。副部材は、前記第１の材料よりも比重が小さい第２の材料で、前記主部材よりも厚肉に形成されるとともに、前記主部材の前記孔部の周りに接合され、前記被接続体を締結するための締結部材を挿通する挿通孔が形成される。

実施形態の一態様によれば、鋼板を用いながらも十分な強度および剛性を有し、かつ軽量化を図ることのできる接続部材、接続部材の製造方法、およびロボットを提供することができる。

図１Ａは、実施形態に係るロボットを示す図である。図１Ｂは、同上のロボットへの実施形態に係る接続部材の配設状態を示す図である。図２は、同上の接続部材を示す図である。図３は、同上の接続部材の使用状態の１例を示す図である。図４は、同上の接続部材の展開図である。図５Ａは、同上の接続部材の挿通孔の１例を示す図である。図５Ｂは、同上の接続部材の挿通孔の１例を示す図である。図６は、同上の接続部材の挿通孔の変形例を示す図である。図７は、同上の接続部材の使用状態の変形例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する接続部材、接続部材の製造方法、およびロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

先ず、本実施形態に係るロボットの概要について、図１Ａおよび図１Ｂを用いて説明する。図１Ａは、実施形態に係るロボット１０を示す図、図１Ｂは、ロボット１０への実施形態に係る接続部材４の配設状態を示す図である。

図１Ａに示すように、本実施形態に係るロボット１０は、胴体部１００の上端部に設けられたロボットアーム２００を備える。なお、ロボット１０は単一のロボットアーム２００を備える構成としたが、左右のロボットアーム２００を備える双腕型ロボットとすることができる。

ロボットアーム２００は、複数のアーム体が、それぞれ、関節部２を介して回動自在に連結されて構成される。

そして、図１Ｂに示すように、各アーム体は、ロボットアーム２００の骨格を構成するフレーム部と、このフレーム部を適宜覆うカバー部とを備える。図示するように、関節部２のフレーム部は、アクチュエータ３を接続する接続部材４として機能する。なお、接続部材４によって接続されるアクチュエータ３は、減速機付きモータである。また、図１Ｂに示すように、接続部材４は、カバー体２１０で被覆されている。

このように、本実施形態に係るロボット１０はロボットアーム２００を備えており、ロボットアーム２００は、アクチュエータ３が取付けられた接続部材４を介して複数のアーム体が連結されて構成される。

ここで、図２〜図４を参照して、接続部材４について具体的に説明する。図２は、接続部材４を示す図、図３は、接続部材４の使用状態の１例を示す図、図４は、接続部材４の展開図である。

図２および図３に示すように、接続部材４は、鉄を主成分とした一定の強度を有する第１の材料により板状に形成された主部材４Ａと、この主部材４Ａに形成された孔部の周りに接合されたリング状の副部材４Ｂとを備える。

主部材４Ａとしては、高張力鋼板が用いられ、副部材４Ｂとしてはアルミリングが用いられる。すなわち、副部材４Ｂとしては、第１の材料よりも比重が小さい第２の材料として、アルミニウムを主成分とするリング体が用いられている。

高張力鋼板からなる主部材４Ａは、所定の形状に折曲形成される。すなわち、主部材４Ａは、アクチュエータ３を装着するための孔部がそれぞれ設けられた第１主面部４１および第２主面部４２と、これら第１主面部４１および第２主面部４２を接続する折り返し部４３とを備える。

折り返し部４３は、図示するように、立ち上がり部４３１と水平部４３２とから形成される。立ち上がり部４３１は、第１主面部４１から略垂直に、第２主面部４２に対して略平行に延在する。一方、水平部４３２は、立ち上がり部４３１から直角に折曲され、第１主面部４１に対して略平行に延在する。換言すれば、水平部４３２は、第２主面部４２から略垂直に、第１主面部４１に対して略平行に延在する。

かかる折り返し部４３には、その中央近傍に、立ち上がり部４３１と水平部４３２とを跨いで形成される連結孔４４が略矩形形状に形成されている。そして、図３に示すように、連結孔４４に信号線などを含むケーブル３１が挿通される。

また、接続部材４は左右の連結部４５を備える。連結部４５は、第１主面部４１の左右側縁に略垂直に折曲されて、前端を第２主面部４２の裏面部に接続している。かかる連結部４５により、接続部材４は、一定の剛性を有するフレーム部として機能する。なお、さらなる強度アップを図るために、接続部材４に補強リブを適宜設けることもできる。

前述したように、ロボットアーム２００に設けられたアクチュエータ３は、減速機を備えた減速機一体型モータとしている。しかし、アクチュエータ３としては、特に限定されるものではない。また、モータとしても、必ずしも減速機一体型ではなく、モータ単独であってもよい。また、モータは別途配設し、接続部材４には、減速機のみをアクチュエータ３として取付ける構成とすることもできる。

アクチュエータ３を装着するための孔部として、図２に示すように、第１主面部４１に第１孔部４０１が形成され、第２主面部４２には第２孔部４０２が形成されている。ここでは、第２孔部４０２を、第１孔部４０１よりも相対的に大径としている。しかし、これらのサイズは、何ら限定されるものではなく、同径であっても、あるいは第１孔部４０１が相対的に大径であってもよい。

第１孔部４０１と第２孔部４０２の周りには、副部材４Ｂである第１リング体５１と第２リング体５２とが、第１、第２孔部４０１，４０２と同心円的に設けられている。すなわち、第１リング体５１は第１孔部４０１を、第２リング体５２は第２孔部４０２を、それぞれ囲うように接合される。

図３に示すように、第１リング体５１および第２リング体５２は、第１主面部４１および第２主面部４２に溶接されている。図中、符号７は溶接ビードを示す。また、副部材４Ｂである第１リング体５１および第２リング体５２は、アルミニウムを主成分とし、図示するように、主部材４Ａよりも厚肉に形成されている。そして、第１リング体５１および第２リング体５２は、アクチュエータ３を締結するための締結部材であるボルト６を挿通する挿通孔５００が形成されている。

図５Ａおよび図５Ｂは、それぞれ挿通孔５００の１例を示す図であり、図６は、接続部材４の挿通孔５００の変形例を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、挿通孔５００には雌ネジ部５０１が形成されている。かかる雌ネジ部５０１にボルト６がねじ込まれ、アクチュエータ３が接続部材４に確実に締結される。

なお、本実施形態に係る接続部材４は、挿通孔５００に対応する孔として、第１主面部４１には主部材側挿通孔４１０を形成しているが（図５Ａ）、第２主面部４２には形成していない（図５Ｂ）。しかし、第２主面部４２においても、第２リング体５２の挿通孔５００に対応する孔を形成しても構わない。

また、例えば、第１主面部４１に装着されたアクチュエータ３のように、アクチュエータ３側に雌ネジ部が形成されている場合、図６に示すように、挿通孔５００には雌ネジ部５０１を形成する必要はない。

そして、第１孔部４０１に取り付けられたアクチュエータ３と、第２孔部４０２に取り付けられたアクチュエータ３とは、互いの軸線３００，３００が直交するように配設される。すなわち、装着した際のアクチュエータ３，３の軸線３００，３００同士が直交するように、肉厚に形成された第１リング体５１および第２リング体５２の表面には、面出しのための下地処理が予め施される。

このように、第１リング体５１および第２リング体５２は、アクチュエータ３を固定する台座としての機能と、ロボットアーム２００に要求される高い直交精度（例えば、寸法公差０．０３ｍｍ以下）を保つための切削代を、予め付与しておく役割を担っている。

このように、接続部材４にボルト６を用いて強固に固定しようとする場合、ボルト６を連結するために一定以上の厚みが必要となる。本実施形態に係る接続部材４は、その部分に軽量なアルミリング（第１リング体５１および第２リング体５２）を用いているため、主部材４Ａに高張力鋼板を用いたことと相俟って、強度と軽量化とを両立させることができる。

ここで、接続部材４の製造方法について、具体的に説明する。

先ず、２ｍｍ以下の厚さ（例えば、１．４ｍｍ）の高張力鋼板を、例えばレーザ切断により所定の形状に切断するとともに、穴加工して、図４に示すように、所定形状の主部材４Ａを形成する。主部材４Ａには、第１主面部形成部４１ａおよび第２主面部形成部４２ａと、これら第１主面部形成部４１ａおよび第２主面部形成部４２ａを繋いでいる繋ぎ部４３ａと、左右の連結部４５が形成される。

なお、第１主面部形成部４１ａには第１孔部４０１が、第２主面部形成部４２ａには第２孔部４０２が形成されており、繋ぎ部４３ａは、後に折曲加工されて立ち上がり部４３１と水平部４３２とが形成されることになる。

次に、アルミリングとして、それぞれ厚さを２ｍｍ以上としたアルミ合金製の第１リング体５１と第２リング体５２とを形成する。そして、第１リング体５１および第２リング体５２の所定箇所に挿通孔５００を形成する。このとき、挿通孔５００にタップ加工を施し、雌ネジ部５０１を形成する。なお、図４においては、挿通孔５００を省略している。なお、アルミ合金としては、溶接可能なＡ６０６１材を用いることができる。

ところで、第１リング体５１および第２リング体５２の具体的な厚み寸法は、表面切削量と、雌ネジ部５０１（図５Ａおよび図５Ｂを参照）としての必要長さを勘案して適宜決定することができる。

次に、第１リング体５１と第２リング体５２とを、主部材４Ａの第１孔部４０１および第２孔部４０２と同心円的に配置して、例えばＭＩＧ溶接によって接合する。すなわち、第１リング体５１および第２リング体５２を、第１孔部４０１および第２孔部４０２を囲うようにして溶接する。

その後、図４に示した折り曲げ線４０３に沿って折曲加工するとともに、左右の連結部４５の先端を第２主面部４２の裏面に溶接し、図３に示す形状に組み立てる。

そして、第１主面部４１および第２主面部４２にアクチュエータ３を装着したときに、両アクチュエータ３，３の軸心同士が垂直な関係になるように、第１リング体５１および第２リング体５２の表面に、面出しのための下地処理を施す。また、接続部材４に所定の強度を付与するために、主部材４Ａ上に、適宜、リブなどを設けることもできる。

以上、説明してきた手順により、所定の接続部材４を得ることができる。すなわち、本実施形態に係る接続部材４の製造方法としては、次の各工程を含む。

（ａ）一定の強度を有する第１の材料である高張力鋼板を用いて、被接続体であるアクチュエータ３を装着するための孔部（第１孔部４０１および第２孔部４０２）を有する所定形状の主部材４Ａを形成する主部材形成工程。

（ｂ）第１の材料よりも比重が小さい第２の材料であるアルミ合金を用いて、主部材４Ａよりも厚肉の副部材４Ｂである第１リング体５１および第２リング体５２を形成する副部材形成工程。

（ｃ）副部材４Ｂである第１リング体５１および第２リング体５２を、主部材４Ａの第１孔部４０１および第２孔部４０２の周りに接合する接合工程。

（ｄ）主部材４Ａを折曲して所定の形状に組み立てる組立工程。

（ｅ）副部材４Ｂである第１リング体５１および第２リング体５２に、アクチュエータ３を締結するためのボルト６を挿通する挿通孔５００を形成する挿通孔形成工程。

（ｆ）第１リング体５１および第２リング体５２の表面を面出し加工する面出し工程。

（ｇ）挿通孔５００に雌ネジ部５０１を形成するタップ工程。

上述した工程を経て得られた接続部材４は、十分な強度および剛性を有しながら、例えば、ロボットアーム２００用としてアルミ鋳物で形成されたフレームと比べて大幅に（例えば約６０％）軽量化することができる。

なお、第１リング体５１および第２リング体５２に挿通孔５００を形成する挿通孔形成工程は、第１リング体５１および第２リング体５２を主部材４Ａに接合する接合工程の後でもよいし、その前であっても構わない。

なお、本実施形態に係る接続部材４は、２つのアクチュエータ３を装着可能な構成としたが、装着可能なアクチュエータ３の数は何ら限定されることはない。

また、接続部材４としては、単独に用いるだけに限らず、複数の接続部材４を組み合わせて用いることもできる。図７は、接続部材の使用状態の変形例を示す図である。なお、図７において、上述してきた実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その説明は省略する。

図示するように、第１の接続部材８と第２の接続部材９とを用意して、３つのアクチュエータ３を装着することもできる。すなわち、第１の接続部材８および第２の接続部材９の共用孔部８１，９１を利用して１つのアクチュエータ３を装着し、他の装着孔部８２，９１にそれぞれ他のアクチュエータ３を装着するのである。なお、当然ながら、この場合においても、共用孔部８１，９１および他の装着孔部８２，９２は、高張力鋼板に形成された孔部と、孔部を囲むように高張力鋼板に接合されたアルミ合金からなるリング体により形成される。

また、本実施形態では、接続部材４を、ロボットアーム２００の関節部２に採用した例を示した。しかし、接続部材４は、ロボット１０のみならず、たとえば一対のリンクを、モータなどのアクチュエータを用いて回動自在に連結する構造を備えるものであれば、適宜用いることができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

２関節部
３アクチュエータ（被接続体）
４接続部材
４Ａ主部材
４Ｂ副部材
６ボルト（締結部材）
１０ロボット
５１第１リング体（アルミリング）
５２第２リング体（アルミリング）
４０１第１孔部
４０２第２孔部
５００挿通孔
５０１雌ネジ部

Claims

一定の強度を有する第１の材料で板状に形成され、被接続体を装着するための孔部が設けられるとともに、所定の形状に折曲形成された主部材と、
前記第１の材料よりも比重が小さい第２の材料で、前記主部材よりも厚肉に形成されるとともに、前記主部材の前記孔部の周りに接合され、前記被接続体を締結するための締結部材を挿通する挿通孔が形成された副部材と、
を備えることを特徴とする接続部材。
前記主部材は、鉄を主成分とする前記第１の材料により形成された高張力鋼板であり、前記副部材は、アルミニウムを主成分とする前記第２の材料により形成されたリング体であり、前記副部材は、前記主部材に溶接される
ことを特徴とする請求項１に記載の接続部材。
前記リング体は、前記孔部を囲うように接合されることを特徴とする請求項２に記載の接続部材。
前記締結部材はボルトであり、前記副部材の前記挿通孔には雌ネジが形成されている
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の接続部材。
前記被接続体は、モータおよび減速機の両方またはいずれか一方を備えるアクチュエータである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の接続部材。
請求項５に記載の接続部材を備え、
前記接続部材を介して複数のアーム体が連結されている
ことを特徴とするロボット。
一定の強度を有する第１の材料を用いて、被接続体を装着するための孔部を有する所定形状の主部材を形成する主部材形成工程と、
前記第１の材料よりも比重が小さい第２の材料を用いて、前記主部材よりも厚肉の副部材を形成する副部材形成工程と、
前記副部材を、前記主部材の前記孔部の周りに接合する接合工程と、
前記主部材を折曲して所定の形状に組み立てる組立工程と、
前記副部材に、前記被接続体を締結するための締結部材を挿通する挿通孔を形成する挿通孔形成工程と、
前記副部材の表面を面出し加工する面出し工程と、
前記挿通孔に雌ネジを形成するタップ工程と、
を含むことを特徴とする接続部材の製造方法。
前記主部材は、鉄を主成分とする前記第１の材料により形成された高張力鋼板であり、前記副部材は、アルミニウムを主成分とする前記第２の材料により形成されたアルミリングであり、
前記接合工程では、前記アルミリングを前記高張力鋼板に溶接する
ことを特徴とする請求項７に記載の接続部材の製造方法。