CN117042937A - 臂状结构体以及机器人 - Google Patents

Abstract

臂状结构体(1)具备：管状的主体部(2)；以及安装接口部(3)，其与主体部(2)的至少一方的端部接合，且能够固定于其他部件，主体部(2)以及安装接口部(3)的至少一部分由包含连续的增强纤维的树脂构成，主体部(2)与安装接口部(3)，通过设置于一方的凹部(8)与设置于另一方的凸部(10)的嵌合，从而接合为卡止主体部(2)的长轴方向以及围绕长轴的相对移动的状态。

Description

臂状结构体以及机器人

技术领域

本发明涉及臂状结构体以及机器人。

背景技术

作为工业用机器人的臂，已知一种如下结构：为了实现轻量化的同时保持强度，在树脂制的长条的臂主体的两端利用粘接剂接合安装接口部(例如，参照专利文献1。)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2020－15127号公报

发明内容

发明要解决的问题

只利用粘接剂接合臂主体与安装接口部，有时难以得到像工业用机器人的臂那样，针对要求强度、刚性的用途的足够的接合强度。从而，期望如下臂状结构体：以简单的方法，以高的接合强度接合，也能够适用于要求强度、刚性的用途。

用于解决问题的方案

本发明的一个方案是一种臂状结构体，所述臂状结构体具备：管状的主体部；以及安装接口部，其与该主体部的至少一方的端部接合，且能够固定于其他部件，所述主体部以及所述安装接口部的至少一部分由包含连续的增强纤维的树脂构成，所述主体部与所述安装接口部，通过设置于一方的凹部与设置于另一方的凸部的嵌合，从而接合为卡止所述主体部的长轴方向以及围绕该长轴的相对移动的状态。

在此的连续的增强纤维的定义是，一般而言增强纤维的长度为10mm以上，定义为在注塑成型法中难以成形的增强纤维。包含于注塑成型用的树脂颗粒的增强纤维的长度，一般而言作为短纤维为1mm左右，作为长纤维为2mm左右。若成为10mm以上的长度，则增强纤维缠绕于注塑成型机的螺杆，成为破坏注塑成型机的主要原因。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的臂状结构体的主视图。

图2是表示图1的臂状结构体的纵向剖视图。

图3是表示图1的臂状结构体的安装接口部的局部放大的纵向剖视图。

图4是表示构成图1的臂状结构体的主体部以及安装接口部的增强纤维的立体图。

图5是表示用于制造图1的臂状结构体的模具的一个例子的纵向剖视图。

图6是表示在图1的臂状结构体的制造过程中将树脂注入口压入预成形件的状态的放大纵向剖视图。

图7是表示在图1的臂状结构体的制造过程中从预成形件分离树脂注入口的状态的放大纵向剖视图。

图8是表示图1的臂状结构体的第一变形例的安装接口部的局部的纵向剖视图。

图9是表示图1的臂状结构体的第二变形例的安装接口部的局部的纵向剖视图。

图10是表示图1的臂状结构体的第三变形例的安装接口部的局部的纵向剖视图。

图11是表示图1的臂状结构体的第四变形例的安装接口部的局部的纵向剖视图。

图12是表示图1的臂状结构体的第五变形例的安装接口部的局部的纵向剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一个实施方式的臂状结构体1以及机器人进行说明。

本实施方式的臂状结构体1是例如机器人臂。

本实施方式的机器人具备至少一个臂状结构体1。

如图1以及图2所示，本实施方式的臂状结构体1具备：圆筒的管状的主体部2，其具有内孔2a；以及一对安装接口部3，其与主体部2的长轴方向的两方的端部接合。

主体部2例如至少一部分由包含连续的增强纤维30的碳纤维增强树脂(CFRP)构成。

安装接口部3的至少一部也由包含连续的增强纤维30的碳纤维增强树脂构成，并且具有与主体部2的内孔2a连接的中空部4。

另外，在安装接口部3设置有用于固定于构成机器人的其他部件、例如减速器的输出轴的圆环状的凸缘部5。一对安装接口部3的凸缘部5具备配置于与主体部2的长轴平行的同一平面上的凸缘面5a。

凸缘部5在中央具有使中空部4开口的中央孔6，在中央孔6的周围具备沿周向隔开间隔而配置的多个贯穿孔7。能够沿着经由一方的凸缘部5的中央孔6使电缆等线条体穿过主体部2的内孔2a，并且从另一方的凸缘部5的中央孔6取出的路径布线线条体。为了提高臂的外观，凸缘部5设置于中空部4内，并且开口11形成比较大的尺寸，以便工具、人的手进入内部。

另外，安装接口部3具备埋入于凸缘部5的平板状的金属板41。

如图1至图3所示，金属板41形成为具有中央孔42的环板状。在金属板41沿周向隔开间隔而设置有沿板厚方向贯穿的多个贯穿孔43。

金属板41以板厚方向的一面作为安装面41a，使安装面41a整体露出。另外，金属板41的板厚方向的另一面，在使若干贯穿孔43的周围局部露出于凸缘部5的贯穿孔7内的状态下，由构成凸缘部5的树脂局部覆盖。露出于贯穿孔43的周围的金属板41的表面，作为***于贯穿孔43的安装螺钉(省略图示)的接触面而发挥作用。

主体部2与一对安装接口部3通过以下结构而接合。

即，如图2以及图3所示，主体部2在从长轴方向的两方的端部离开预定距离的位置，具备沿径向贯穿的贯穿孔(凹部)8。贯穿孔8具有圆形的横截面形状，在各端部附近沿周向隔开间隔而各设置多个、例如四个。

在安装接口部3设置有：圆筒状的嵌合部9，其使主体部2的两方的端部的外周面嵌合；以及互补形状的凸部10，其从嵌合部9的内表面向径向内侧突出，并且与主体部2的贯穿孔8正好嵌合。

如图4所示，在构成主体部2以及安装接口部3的树脂内的增强纤维30的取向方向中，增强纤维30的至少一部分以与贯穿孔8以及凸部10的剪切方向垂直的方向取向。具体而言，增强纤维30的至少一部分，优选地以沿着贯穿孔8的内表面的中心轴方向以及沿着凸部10的外周面的中心轴方向取向。

以下对这样构成的本实施方式的臂状结构体1的制造方法进行说明。

本实施方式的臂状结构体1通过如下而制造：使用RTM(树脂传递模塑)法，利用图5所示的模具100，成形树脂。

模具100具备：上模110以及下模120，其沿上下方向开关；圆柱状的第一可动模125，其以能够沿竖直方向直线移动的方式被支撑；以及圆柱状的第二可动模130，其以能够贯穿第一可动模125并沿水平方向直线移动的方式被支撑。上模110具备设置有用于注入树脂的贯穿孔111的树脂注入部150。在第二可动模130的前端部具备能够与主体部2的内孔2a无间隙地嵌合的嵌合凸部131。

在本实施方式的制造方法中，首先，在主体部2的两方的端部附近形成贯穿孔8。另外，在模具100内部，作为中间基体材料配置有预成形件31。预成形件31是如下状态：预赋形为由连续的增强纤维30事先成形的产品形状。

预成形件31的增强纤维30，由于相对于所有的方向成为较强的强度，因此例如也可以将一个方向的预成形件31的增强纤维30的纤维的取向角度各偏移45度而配置并重叠成四层。另外，将角度切分地越小，越能相对于更多的方向加强。

而且，如图5所示，将主体部2的一方的端部，以从水平方向一个方向***的状态，容纳于通过封闭上模110与下模120而在之间形成的空间。与此同时，在第一可动模125的前端安装金属板41的状态下，从竖直上方***第一可动模125，并且从与主体部2相反方向向水平方向***第二可动模130，而且使嵌合凸部131与主体部2的内孔2a嵌合。

由此，相当于安装接口部3的型腔140由上模110、下模120、第一可动模125、第二可动模130以及主体部2的外表面形成。

然后，使上模110的树脂注入部150向模具100内部移动，在配置于模具100内部的还柔软的预成形件31抵靠树脂注入部150的前端面。而且，如图6所示，使树脂注入部150进一步向模具100内部移动，并将预成形件31压入于贯穿孔8内，从而使预成形件31变形。之后，如图7所示，通过从模具100内部稍微上拉树脂注入部150而使树脂注入部150与预成形件31分离，并且经由设置于树脂注入部150的贯穿孔111，在型腔140内注射熔融树脂P，从而能够在主体部2的一方的端部成形安装接口部3。

即，通过将主体部2作为嵌入部件，嵌入成形安装接口部3，从而制造臂状结构体1。

贯穿孔111的位置不限于图5的位置。考虑树脂内的增强纤维30的取向，配置于最佳的位置即可。

另外，金属板41也可以在安装于下模120的状态下成形安装接口部3。

若在该安装接口部3的成形过程中，熔融树脂P注射于型腔140内，则在包含贯穿孔8的长轴方向范围内包围主体部2的一端部的圆筒状的嵌合部9形成于与主体部2的外周面紧贴的位置。与此同时，嵌合部9的熔融树脂P的一部分，流入于贯穿孔8并从嵌合部9的内表面向径向内侧延伸，形成具有与贯穿孔8互补的形状的圆柱状的凸部10。

即，在本实施方式的臂状结构体1中，使在注射熔融树脂P时成形的凸部10与形成于主体部2的贯穿孔8嵌合。由此，能够以限制主体部2的轴向以及周向的相对移动、即卡止主体部2的长轴方向以及围绕长轴的相对移动的状态，将与主体部2的两方的端部接合的一对安装接口部3固定于主体部2。

也就是说，主体部2与安装接口部3通过使在成形安装接口部3时形成的凸部10与主体部2的贯穿孔(凹部)8嵌合，从而接合为卡止主体部2的长轴方向以及围绕长轴的相对移动的状态。

与只用粘接剂固定主体部2与安装接口部3的情况相比，能够通过贯穿孔8与凸部10的嵌合来提高剪切方向的接合强度。

而且，由于不由树脂一体成形主体部2以及安装接口部3，因此能够比较容易构成模具100。尤其，由于将长条的主体部2构成为金属制的管状，因此具有如下优点：在安装接口部3成形时无需在主体部2的全长范围内配置型芯，能够容易地制造。

另外，由于利用具有与主体部2的内孔2a嵌合的嵌合凸部131的第二可动模130，从内侧封闭主体部2的贯穿孔8，因此能够防止熔融树脂P漏出于主体部2内。

另外，设置了相对于沿上下方向开关的上模110以及下模120移动的第一可动模125以及第二可动模130。由此，能够在位于第一可动模125以及第二可动模130的路径的安装接口部3，形成与内侧的中空部4连通的作业用的开口11。

另外，根据本实施方式，由于安装接口部3由与构成主体部2的树脂相同的、碳纤维增强树脂构成，因此通过主体部2与安装接口部3的树脂彼此的熔合，能够提高接合强度。

而且，通过使至少一部分的增强纤维30，以与贯穿孔8以及凸部10的剪切方向垂直的方向取向，从而能够大幅度提高相对于剪切力的强度，所述剪切力沿主体部2的轴向或者周向作用于凸部10。

此外，在本实施方式中，将用RTM(树脂传递模塑)法成形安装接口部3的情况作为例子而进行了说明，但不限于此。

例如，也可以利用压热，利用称为在增强纤维30浸渍树脂的预成型料的片状的中间材料，通过加热、加压、抽真空的同时使树脂固化的压热法，成形安装接口部3。

另外，也可以利用如下VaRTM(真空辅助树脂传递模塑)法：不利用上模110而只利用下模120，上表面用薄膜密封件覆盖，不利用压力而是利用抽真空的力使树脂浸渍。

另外，也可以利用如下压力成形法：上模110以及下模120关闭，从而加压的同时，使预成型料、SMC(片状模塑料)基体材料固化。所谓作为压力成形的一种的SMC(片状模塑料)，是将重叠为片状的SMC基体材料配置于模具100内并利用压力机使加压流动的成形方法，也可以利用该成形方法。

无论在哪种情况下，只要在通过成形而成为凸部10的部分，以与施加于凸部10的剪切方向垂直的方向取向的方式配置并成形连续的增强纤维30即可。

另外，在本实施方式中，由碳纤维增强树脂构成主体部2，但不限于此。作为主体部2的材料，也可以采用铝合金、镁合金等金属。当然，也可以将主体部2由不包含增强纤维30的树脂构成。另外，也可以将安装接口部3由铝合金、镁合金等金属构成，作为金属嵌入部件而固定于模具100，将主体部2由碳纤维树脂成形。

另外，作为设置于主体部2的贯穿孔8，举例说明了横截面圆形的贯穿孔，但取而代之，也可以采用任意横截面形状的贯穿孔。另外，横截面形状的大小也任意即可。作为贯穿孔8以及凸部10的形状，为了避免应力集中，优选的是没有棱角的形状。

另外，设置于主体部2的贯穿孔8的数量为一个以上即可。期望对于主体部2，设置能够确保凸部10或者凹部12剪切破坏，而嵌合部9不会脱落或者旋转的足够强度的数量。为了确保较高的强度，也可以将多个贯穿孔8均等地配置于主体部2的圆周上。

另外，在本实施方式中，将设置于主体部2的凹部做成贯穿孔8，但不限于此，如图8所示，也可以采用从主体部2的外周面向径向内侧延伸的、未贯穿的凹部12。根据该结构，不需要利用第二可动模130封闭贯穿孔8，而能够使模具100成为更简单的结构。

凹部12既可以从主体部2的外周面向径向内侧凹下，也可以从主体部2的内周面向径向外侧凹下。在凹部12设置于内周面的情况下，如图9所示，安装接口部3的嵌合部9形成与主体部2的内周面嵌合的圆筒状即可。

另外，如图10所示，代替凹部12，也可以采用在主体部2的外周面或者内周面沿径向延伸的凸部13。在该情况下，如图10所示，在安装接口部3形成有具有与凸部13互补的形状且容纳凸部13的凹部14。

另外，如图11所示，作为安装接口部3的嵌合部9，还可以采用具有如下两方的形状的嵌合部：内侧嵌合部15，其与主体部2的内周面嵌合；以及外侧嵌合部16，其与外周面嵌合。在该情况下，形成于主体部2的贯穿孔8内的凸部10，形成为连接内侧嵌合部15与外侧嵌合部16的柱状。由此，能够更牢固地接合安装接口部3与主体部2。

另外，如图12所示，也可以将与主体部2、安装接口部3不同的其他部件(金属、纤维增强树脂等)20作为嵌入部件，与主体部2一同固定于模具100之后，成形安装接口部3。

另外，虽然未图示，但也可以做成如下结构：在主体部2的内侧，将具备金属、纤维增强树脂制的贯穿孔的加强部件，与主体部2一起做成嵌入部件。

另外，在本实施方式中，举例说明了在主体部2的两方的端部具有安装接口部3的臂状结构体1，但取而代之，也可以采用只在一端具有安装接口部3的臂状结构体。另外，举例说明了具有与臂状结构体1的长轴平行的凸缘部5的情况，但也可以适用于如下情况：具有沿与臂状结构体1的长轴交叉的方向延伸的凸缘部5。另外，作为臂状结构体1举例说明了机器人臂，但取而代之，也可以适用于其他任意的臂状结构体。

另外，也可以在其他工序中预先成形两端部的安装接口部3，固定于主体部2侧的注塑成型模具之后，通过注塑成型主体部2，而使主体部2与安装接口部3成为一体化。

另外，主体部2不限于直线的圆管形状，既可以是直径朝向两端部变大的形状，或者，也可以是方管形状。

另外，也可以在由碳纤维增强树脂形成的主体部2或者安装接口部3，存在未包含增强纤维30的树脂部分。

另外，举例说明了碳纤维增强树脂，但作为增强纤维30，不仅可以采用碳纤维，而且也可以采用玻璃纤维或者芳香族聚酰胺纤维等任意材质的纤维。另外，母材的树脂材料也可以是热塑性树脂或者热固性树脂中的任一个。

另外，通过贯穿孔8与凸部10的嵌合而接合的机械强度，基本上是由剪切强度决定。若在贯穿孔8与凸部10之间产生间隙，则在使用中双方相对移动，使机器人臂的定位精度恶化。于是，也可以利用粘接剂填上贯穿孔8与凸部10的间隙。也可以并用通过加热而溶解后完全填上间隙的粘接剂等。

以上，说明了本发明的实施方式，但本领域技术人员能够理解：不脱离下述的权利要求的公开范围，而能够进行各种修正以及变更。另外，对适当组合上述所说明的几个实施方式、基于无记载的制造方法的实施，也包含于本发明的范围。

附图标记说明：

1：臂状结构体

2：主体部

2a：内孔

3：安装接口部

8：贯穿孔(凹部)

9：嵌合部

10：凸部

12：凹部

13：凸部

14：凹部

15：内侧嵌合部

16：外侧嵌合部

30：增强纤维

100：模具

125：第一可动模(内模)

130：第二可动模(内模)

140：型腔

Claims (7)

1.一种臂状结构体，其特征在于，具备：

管状的主体部；以及

安装接口部，其与该主体部的至少一方的端部接合，且能够固定于其他部件，

所述主体部以及所述安装接口部的至少一部分由包含连续的增强纤维的树脂构成，

所述主体部与所述安装接口部，通过设置于一方的凹部与设置于另一方的凸部的嵌合，从而接合为卡止所述主体部的长轴方向以及围绕该长轴的相对移动的状态。

2.根据权利要求1所述的臂状结构体，其特征在于，

所述凹部的周围以及所述凸部中至少一方由包含所述增强纤维的树脂构成。

3.根据权利要求2所述的臂状结构体，其特征在于，

所述增强纤维的至少一部分的纤维的方向，以与所述凹部以及所述凸部的剪切方向垂直的方向取向。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的臂状结构体，其特征在于，

所述安装接口部的至少一部分由树脂构成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的臂状结构体，其特征在于，

所述主体部的至少一部分由树脂构成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的臂状结构体，其特征在于，

将所述主体部作为嵌入部件而嵌入成形所述安装接口部。

7.一种机器人，其特征在于，

所述机器人具备至少一个权利要求1至6中任一项所述的臂状结构体。