JP2019209406A - Displacement-force converter and gripper device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変位−力変換装置、および、それを利用したグリッパ装置に関する。 The present invention relates to a displacement-force conversion device and a gripper device using the same.
従来、鉄鋼等の磁性体へ吸着する際に、僅かなエネルギーで永久磁石の吸着と剥離とを切り替えるものとして、内部力補償型磁気吸着機構（Internally-Balanced Magnetic Unit）が提案されている（例えば、非特許文献１または２参照）。この機構は、永久磁石の吸着力Ｆｍが、吸着面に接近するほど急激に増大する非線形特性を有するため、この吸着力Ｆｍを、同等の特性を有する非線形バネの復元力Ｆｒで補償するものである。この機構では、永久磁石の内部力Ｆｉｎｔｅｒ（＝Ｆｍ−Ｆｒ）が変位によらず０となるため、永久磁石は常に平衡状態となり、永久磁石の移動には力を要さない。なお、この機構では、永久磁石を吸着面に接触させることにより、非線形バネの反力Ｆａが機構全体を対象面に押し付けるため、吸着状態にすることができる。また、永久磁石を吸着面から離すことにより、非線形バネの反力Ｆａが小さくなるため、吸着面から剥離することができる。このように、永久磁石を小さい力で移動させるだけで、永久磁石の吸着状態を切り替えることができる。 Conventionally, an internal force-compensated magnetic adsorption mechanism (Internally-Balanced Magnetic Unit) has been proposed as one that switches between adsorption and separation of a permanent magnet with little energy when adsorbing to a magnetic material such as steel (for example, Non-patent document 1 or 2). Since this mechanism has a non-linear characteristic in which the attracting force F m of the permanent magnet increases rapidly as it approaches the attracting surface, the attracting force F m is compensated by the restoring force F r of a nonlinear spring having equivalent characteristics. To do. In this mechanism, the internal force F inter (= F m −F r ) of the permanent magnet is zero regardless of the displacement, so that the permanent magnet is always in an equilibrium state, and no force is required to move the permanent magnet. In this mechanism, by contacting the permanent magnets on the attracting surface, since the reaction force F a nonlinear spring presses the target surface the whole mechanism may be adsorption state. Further, by separating the permanent magnet from the suction surface, since the reaction force F a nonlinear spring is reduced, it can be separated from the suction surface. Thus, the adsorption state of the permanent magnet can be switched only by moving the permanent magnet with a small force.
なお、非特許文献１および２では、永久磁石の吸着力を補償する復元力を得るために、その永久磁石の逆特性を有する非線形バネを用いているが、その他にも、線形バネの逆特性を得るための構成として、非円形プーリとバネや錘とを用いる方法や、定荷重バネの幅や剛性を変位毎に調整する方法、カムやリンクを用いる方法などが提案されている。具体的には、非円形プーリを利用するものとして、ロボットアームの自重補償（例えば、非特許文献３参照）や、筋肉トレーニングマシン用の定荷重バネ（例えば、特許文献１参照）がある。また、逆特性バネに近い構造として、弦を引ききると操作力が微小となるコンパウンドボウが提案されている（例えば、特許文献２参照）。 In Non-Patent Documents 1 and 2, a non-linear spring having a reverse characteristic of the permanent magnet is used to obtain a restoring force that compensates the attractive force of the permanent magnet. As a configuration for obtaining the above, there have been proposed a method using a non-circular pulley, a spring and a weight, a method of adjusting the width and rigidity of a constant load spring for each displacement, a method using a cam and a link, and the like. Specifically, there are robot arm self-weight compensation (for example, see Non-Patent Document 3) and a constant load spring for a muscle training machine (for example, see Patent Document 1) that use a non-circular pulley. Further, as a structure close to a reverse characteristic spring, a compound bow has been proposed in which an operating force becomes minute when a string is pulled (see, for example, Patent Document 2).
非特許文献１および２記載の内部力補償型磁気吸着機構は、永久磁石の吸着力を非線形バネの復元力で補償することにより、僅かなエネルギーで永久磁石を移動させて、その吸着と剥離とを切り替えるものであるが、永久磁石の変位（移動）を力に変換するものではなかった。また、非特許文献１および２以外にも、非常に小さいエネルギーによる変位を力に変換するものは存在しなかった。 The internal force compensation type magnetic attraction mechanism described in Non-Patent Documents 1 and 2 compensates the attraction force of the permanent magnet with the restoring force of the non-linear spring, thereby moving the permanent magnet with a small amount of energy. However, the displacement (movement) of the permanent magnet was not converted into force. In addition to Non-Patent Documents 1 and 2, there is no one that converts displacement due to very small energy into force.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、非常に小さいエネルギーによる変位を力に変換することができる変位−力変換装置、および、それを利用したグリッパ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and provides a displacement-force conversion device capable of converting displacement due to very small energy into force, and a gripper device using the displacement-force conversion device. Objective.
本発明者等は、非特許文献１および２記載の内部力補償型磁気吸着機構の原理を拡張して一般化し、さらに検討を行った結果、本発明に想到した。すなわち、本発明に係る変位−力変換装置は、対象物に力を作用可能に設けられた作用手段と、前記作用手段を支持する支持手段とを有し、前記作用手段は、前記力の反力がかかると共に、前記反力の方向に沿って往復移動して、前記力の大きさを変更可能に設けられた操作部を有し、前記支持手段は、前記操作部の移動と共に変化する前記反力と釣り合う力を、前記操作部に作用させるよう前記操作部に接続されていることを特徴とする。 As a result of extending and generalizing the principle of the internal force compensation type magnetic adsorption mechanism described in Non-Patent Documents 1 and 2, the present inventors have arrived at the present invention. That is, the displacement-force conversion device according to the present invention includes an action means provided so as to be able to apply a force to an object, and a support means for supporting the action means. A force is applied, and there is an operation part that is reciprocated along the direction of the reaction force so that the magnitude of the force can be changed, and the support means changes with the movement of the operation part. It is connected to the said operation part so that the force which balances reaction force may act on the said operation part.
本発明に係る変位−力変換装置は、以下の原理により、変位を力に変換することができる。まず、図１に示すように、永久磁石に対応する要素「ｇ（ｘ）」と、その逆特性を有する非線形バネに対応する要素「−ｇ（ｘ）」とを直列に配置し、「ｇ（ｘ）」により対象物に力が作用しているとする。また、「−ｇ（ｘ）」は、「ｇ（ｘ）」とは反対側で、支持体に取り付けられ、常に「ｇ（ｘ）」と釣り合うようになっている。ここで、「ｇ（ｘ）」が作用手段に、「−ｇ（ｘ）」および支持体が支持手段に対応している。また、「ｇ（ｘ）」と「−ｇ（ｘ）」との釣り合い点が、操作部に対応している。また、「−ｇ（ｘ）」が「ｇ（ｘ）」の逆特性を有するとは、任意の操作部の位置に対して、「−ｇ（ｘ）」により操作部に作用する力が、「ｇ（ｘ）」により操作部に作用する力と同じ大きさで、向きが逆であることをいう。 The displacement-force conversion device according to the present invention can convert displacement into force according to the following principle. First, as shown in FIG. 1, an element “g (x)” corresponding to a permanent magnet and an element “−g (x)” corresponding to a non-linear spring having the opposite characteristics are arranged in series. It is assumed that force is acting on the object by (x) ". Further, “−g (x)” is attached to the support on the side opposite to “g (x)”, and is always balanced with “g (x)”. Here, “g (x)” corresponds to the action means, and “−g (x)” and the support correspond to the support means. A balance point between “g (x)” and “−g (x)” corresponds to the operation unit. Further, “−g (x)” has an inverse characteristic of “g (x)” means that the force acting on the operation unit by “−g (x)” with respect to the position of an arbitrary operation unit is “G (x)” means the same magnitude as the force acting on the operation unit and the opposite direction.
このとき、釣り合い点である操作部を、非常に小さいエネルギーで、「ｇ（ｘ）」と「−ｇ（ｘ）」との間を往復移動させることができるとともに、その操作部の変位（所定の位置からの移動距離）により、「ｇ（ｘ）」により対象物に作用する力を変化させることができる。このように、本発明に係る変位−力変換装置は、非常に小さいエネルギーによる操作部の変位を、対象物に作用する力に変換することができる。 At this time, the operation unit that is a balance point can be reciprocated between “g (x)” and “−g (x)” with very small energy, and the displacement of the operation unit (predetermined) The distance acting on the object can be changed by “g (x)”. Thus, the displacement-force conversion device according to the present invention can convert the displacement of the operation unit due to very small energy into a force acting on the object.
本発明に係る変位−力変換装置で、前記作用手段は、前記対象物に対して引く力を作用可能に設けられていることが好ましい。作用手段は、線形バネや、他の弾性体、磁石などであることが好ましい。例えば、前記作用手段は、長さに応じて両端に作用する力が変化する弾性体から成り、一端部が前記対象物に取り付けられ、他端部が前記操作部を成していてもよい。また、前記作用手段は、磁石から成り、一方の極を前記対象物側に向け、他方の極に前記操作部を有していてもよい。 In the displacement-force conversion device according to the present invention, it is preferable that the action means is provided so as to be able to act on the object to be pulled. The action means is preferably a linear spring, another elastic body, a magnet, or the like. For example, the action means may be formed of an elastic body in which a force acting on both ends changes according to the length, one end portion is attached to the object, and the other end portion constitutes the operation portion. Moreover, the said action means may consist of magnets, and may have the said operation part in the other pole, with one pole facing the said object side.
本発明に係るグリッパ装置は、本発明に係る変位−力変換装置と、１対の把持部材とを有し、一方の把持部材は、前記対象物から成り、前記作用手段から作用する前記力により所定の方向に付勢されており、他方の把持部材は、前記支持手段に取り付けられ、前記一方の把持部材との間に被把持物を把持可能に、前記一方の把持部材の付勢方向側で前記一方の把持部材に対向するよう配置されていることを特徴とする。 The gripper device according to the present invention includes the displacement-force conversion device according to the present invention and a pair of gripping members, and one gripping member is made of the object and is caused by the force acting from the action means. The other gripping member is urged in a predetermined direction, and the other gripping member is attached to the supporting means, and the gripping object can be gripped between the gripping member and the one gripping member. It is arrange | positioned so that it may oppose said one holding member.
本発明に係るグリッパ装置は、本発明に係る変位−力変換装置を利用しているため、非常に小さいエネルギーで操作部を移動させるだけで、１対の把持部材の間で、大きな把持力を得ることができる。 Since the gripper device according to the present invention uses the displacement-force conversion device according to the present invention, a large gripping force can be generated between a pair of gripping members only by moving the operation unit with very small energy. Can be obtained.
本発明によれば、非常に小さいエネルギーによる変位を力に変換することができる変位−力変換装置、および、それを利用したグリッパ装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the displacement-force conversion apparatus which can convert the displacement by very small energy into force, and a gripper apparatus using the same can be provided.
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図２および図３は、本発明の実施の形態の変位−力変換装置を示している。
図２に示すように、変位−力変換装置１０は、作用手段１１と支持手段１２とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
2 and 3 show a displacement-force conversion device according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, the displacement-force conversion device 10 includes an action unit 11 and a support unit 12.
作用手段１１は、長さに応じて両端に作用する力が変化する、線形バネから成っている。作用手段１１は、対象物１に対して引く力を作用可能に、一端が対象物１に取り付けられている。また、作用手段１１は、他端に操作部１１ａを有している。操作部１１ａは、対象物１に作用する力の反力がかかると共に、反力の方向に沿って往復移動することにより、対象物１に作用する力の大きさを変更可能になっている。 The action means 11 consists of a linear spring in which the force acting on both ends changes according to the length. The action means 11 is attached to the object 1 at one end so that a pulling force can be applied to the object 1. Moreover, the action means 11 has the operation part 11a in the other end. The operation unit 11a is subjected to a reaction force of a force acting on the object 1, and can reciprocate along the direction of the reaction force to change the magnitude of the force acting on the object 1.
支持手段１２は、作用手段１１を支持するよう設けられている。支持手段１２は、操作部１１ａに接続されており、操作部１１ａに作用する反力と釣り合う力を、操作部１１ａに作用させるようになっている。すなわち、支持手段１２は、作用手段１１の線形バネの逆特性を有しており、操作部１１ａの移動と共に変化する反力と釣り合う力を、操作部１１ａに作用させるようになっている。 The support means 12 is provided to support the action means 11. The support means 12 is connected to the operation unit 11a, and causes the operation unit 11a to act on a force that balances the reaction force acting on the operation unit 11a. That is, the support means 12 has the reverse characteristic of the linear spring of the action means 11, and makes the operation part 11a act with a force that balances the reaction force that changes as the operation part 11a moves.
図２に示す具体的な一例では、支持手段１２は、作用手段１１の線形バネの逆特性を有し、長さに応じて両端に作用する力が変化する逆特性要素１２ａと、逆特性要素１２ａの一端が接続された支持体１２ｂとを有している。支持手段１２は、逆特性要素１２ａの他端が操作部１１ａに接続されており、操作部１１ａに作用する反力と釣り合う力を、操作部１１ａに作用可能になっている。 In the specific example shown in FIG. 2, the support means 12 has the reverse characteristic of the linear spring of the action means 11, and the reverse characteristic element 12a in which the force acting on both ends changes according to the length, and the reverse characteristic element. And a support 12b to which one end of 12a is connected. The support means 12 has the other end of the inverse characteristic element 12a connected to the operation portion 11a, and can apply a force that balances the reaction force acting on the operation portion 11a to the operation portion 11a.
なお、支持手段１２は、線形バネの逆特性を有していればいかなる構成であってもよく、例えば、非特許文献３や、特許文献１、２に記載のように、非円形プーリとバネや錘とを用いる構成や、定荷重バネの幅や剛性を変位毎に調整する構成、カムやリンクを用いる構成などであってもよい。 The support means 12 may have any configuration as long as it has the reverse characteristics of a linear spring. For example, as described in Non-Patent Document 3 and Patent Documents 1 and 2, a non-circular pulley and a spring Or a configuration using a weight, a configuration for adjusting the width and rigidity of a constant load spring for each displacement, a configuration using a cam or a link, and the like.
次に、作用について説明する。
図２に示すように、変位−力変換装置１０は、操作部１１ａを作用手段１１の側に移動させると、対象物１に作用する力が小さくなり、操作部１１ａを支持手段１２の側に移動させると、対象物１に作用する力が大きくなる。このとき、操作部１１ａは、作用手段１１の線形バネと支持手段１２の逆特性要素１２ａとの釣り合い点であるため、非常に小さい力で操作部１１ａを往復移動させることができる。また、作用手段１１として線形バネを利用しているため、対象物１に作用する力がゼロとなる位置からの操作部１１ａの変位と、対象物１に作用する力との間には線形の関係が得られる。このように、変位−力変換装置１０は、非常に小さいエネルギーによる操作部１１ａの変位を、対象物１に作用する力に変換することができる。
Next, the operation will be described.
As shown in FIG. 2, when the operation part 11 a is moved to the action means 11 side, the displacement-force conversion device 10 reduces the force acting on the object 1 and moves the operation part 11 a to the support means 12 side. When moved, the force acting on the object 1 increases. At this time, since the operation portion 11a is a balance point between the linear spring of the action means 11 and the inverse characteristic element 12a of the support means 12, the operation portion 11a can be reciprocated with a very small force. Further, since a linear spring is used as the action means 11, there is a linear distance between the displacement of the operation unit 11 a from the position where the force acting on the object 1 becomes zero and the force acting on the object 1. A relationship is obtained. As described above, the displacement-force conversion device 10 can convert the displacement of the operation unit 11a due to very small energy into a force acting on the object 1.
なお、図３に示すように、変位−力変換装置１０は、作用手段１１が永久磁石から成り、一方の極を対象物１の側に向け、他方の極側に操作部１１ａを有していてもよい。このとき、支持手段１２の逆特性要素１２ａは、作用手段１１の永久磁石の逆特性を有する非線形バネの特性を有している。この場合にも、非常に小さい力で操作部１１ａを往復移動させることができ、その操作部１１ａの変位を、対象物１に作用する力に変換することができる。 As shown in FIG. 3, in the displacement-force conversion device 10, the action means 11 is made of a permanent magnet, one pole is directed toward the object 1, and the operation portion 11 a is provided on the other pole side. May be. At this time, the reverse characteristic element 12 a of the support means 12 has a characteristic of a non-linear spring having the reverse characteristic of the permanent magnet of the action means 11. Also in this case, the operation part 11a can be reciprocated with a very small force, and the displacement of the operation part 11a can be converted into a force acting on the object 1.
図４は、本発明の実施の形態のグリッパ装置を示している。
図４に示すように、グリッパ装置２０は、図２に示す変位−力変換装置１０と、１対の把持部材２１，２２とを有している。
FIG. 4 shows a gripper device according to an embodiment of the present invention.
As illustrated in FIG. 4, the gripper device 20 includes the displacement-force conversion device 10 illustrated in FIG. 2 and a pair of gripping members 21 and 22.
変位−力変換装置１０は、支持体１２ｂがフレーム状を成し、内側に作用手段１１、操作部１１ａ、逆特性要素１２ａが配置されている。変位−力変換装置１０は、作用手段１１の一端が、フレーム状の支持体１２ｂに設けられた貫通孔１２ｃを通って、支持体１２ｂの外側まで伸びている。 In the displacement-force conversion device 10, the support 12 b has a frame shape, and the action means 11, the operation unit 11 a, and the reverse characteristic element 12 a are disposed inside. In the displacement-force conversion device 10, one end of the action means 11 extends to the outside of the support 12b through a through hole 12c provided in the frame-like support 12b.
また、変位−力変換装置１０は、第１送りネジ１５と第１モータ１６とナット１７とを有している。第１送りネジ１５は、支持体１２ｂの内側に配置され、操作部１１ａの移動方向に沿うよう、一端が支持体１２ｂに取り付けられている。第１モータ１６は、第１送りネジ１５を回転可能に、支持体１２ｂの外側に取り付けられている。ナット１７は、第１送りネジ１５に螺合しており、操作部１１ａが取り付けられている。変位−力変換装置１０は、第１モータ１６により第１送りネジ１５を回転させることにより、ナット１７を介して操作部１１ａを第１送りネジ１５に沿って往復移動可能になっている。 The displacement-force conversion device 10 includes a first feed screw 15, a first motor 16, and a nut 17. The first feed screw 15 is disposed inside the support body 12b, and one end thereof is attached to the support body 12b so as to follow the moving direction of the operation portion 11a. The first motor 16 is attached to the outside of the support 12b so that the first feed screw 15 can rotate. The nut 17 is screwed to the first feed screw 15 and the operation unit 11a is attached thereto. The displacement-force conversion device 10 can reciprocate the operating portion 11 a along the first feed screw 15 via the nut 17 by rotating the first feed screw 15 by the first motor 16.
一方の把持部材２１は、細長い板状を成し、一方の端部が作用手段１１の一端に取り付けられており、他方の端部の表面に第１把持面２１ａを有している。一方の把持部材２１は、作用手段１１から作用する力により、作用手段１１が引く方向に付勢されている。なお、一方の把持部材２１は、図２の対象物１に対応している。 One gripping member 21 has an elongated plate shape, one end is attached to one end of the action means 11, and has a first gripping surface 21a on the surface of the other end. One gripping member 21 is biased in the pulling direction of the action means 11 by the force acting from the action means 11. One gripping member 21 corresponds to the object 1 in FIG.
他方の把持部材２２は、第２送りネジ２２ａと細長い把持板２２ｂと第２モータ２２ｃとナット２２ｄを有している。第２送りネジ２２ａは、操作部１１ａの移動方向に沿って支持体１２ｂの外側に配置されている。把持板２２ｂは、一方の端部の表面に第２把持面２２ｅを有し、一方の把持部材２１の付勢方向側で、第２把持面２２ｅが第１把持面２１ａに対向するよう配置されている。把持板２２ｂは、一方の端部に、第２送りネジ２２ａの一端が取り付けられている。第２モータ２２ｃは、第２送りネジ２２ａを回転可能に、把持板２２ｂの第２送りネジ２２ａとは反対側の面に取り付けられている。ナット２２ｄは、第２送りネジ２２ａに螺合しており、支持体１２ｂに取り付けられている。これにより、把持板２２ｂは、一方の端部が第２送りネジ２２ａおよびナット２２ｄを介して支持体１２ｂに取り付けられている。他方の把持部材２２は、第２モータ２２ｃにより第２送りネジ２２ａを回転させることにより、一方の把持部材２１の付勢方向に沿って、支持体１２ｂに対して把持板２２ｂを往復移動可能になっている。 The other gripping member 22 has a second feed screw 22a, an elongated gripping plate 22b, a second motor 22c, and a nut 22d. The second feed screw 22a is disposed outside the support body 12b along the moving direction of the operation portion 11a. The gripping plate 22b has a second gripping surface 22e on the surface of one end, and is arranged on the biasing direction side of the one gripping member 21 so that the second gripping surface 22e faces the first gripping surface 21a. ing. One end of the second feed screw 22a is attached to one end of the holding plate 22b. The 2nd motor 22c is attached to the surface on the opposite side to the 2nd feed screw 22a of the holding plate 22b so that the 2nd feed screw 22a can rotate. The nut 22d is screwed into the second feed screw 22a and is attached to the support 12b. Thus, one end of the gripping plate 22b is attached to the support 12b via the second feed screw 22a and the nut 22d. The other gripping member 22 can reciprocate the gripping plate 22b relative to the support 12b along the biasing direction of the one gripping member 21 by rotating the second feed screw 22a by the second motor 22c. It has become.
変位−力変換装置１０は、第１把持面２１ａと第２把持面２２ｅとの間に被把持物２を把持可能になっている。変位−力変換装置１０は、被把持物２を把持する際に、第２送りネジ２２ａで他方の把持部材２２の位置を調節可能、かつ、第１送りネジ１５で把持力を調整可能になっている。 The displacement-force conversion device 10 can grip the object 2 to be gripped between the first gripping surface 21a and the second gripping surface 22e. The displacement-force conversion device 10 can adjust the position of the other gripping member 22 with the second feed screw 22a and the gripping force with the first feed screw 15 when gripping the object 2 to be gripped. ing.
次に、作用について説明する。
グリッパ装置２０は、変位−力変換装置１０を利用しているため、非常に小さいエネルギーで操作部１１ａを移動させるだけで、１対の把持部材２１，２２の間で、大きな把持力を得ることができる。また、その把持力の大きさを調整することもできる。
Next, the operation will be described.
Since the gripper device 20 uses the displacement-force conversion device 10, a large gripping force can be obtained between the pair of gripping members 21 and 22 simply by moving the operation unit 11 a with very small energy. Can do. Further, the magnitude of the gripping force can be adjusted.
グリッパ装置２０は、第１送りネジ１５により把持力の制御を行う変位−力変換装置１０と、第２送りネジ２２ａによる被把持物２に対する高速な位置決め機構とを、直列に配置した構成となっている。グリッパ装置２０は、作用手段１１から作用する付勢力により一方の把持部材２１が移動できるよう、第２送りネジ２２ａにより把持板２２ｂの位置を調整して、支持体１２ｂと一方の把持部材２１，２２との間隔（図４中の「ｂ」）をあけた後、第１送りネジ１５により把持力を調整して、第１把持面２１ａと第２把持面２２ｅとの間に被把持物２を把持することができる。 The gripper device 20 has a configuration in which a displacement-force conversion device 10 that controls the gripping force by the first feed screw 15 and a high-speed positioning mechanism for the object 2 to be gripped by the second feed screw 22a are arranged in series. ing. The gripper device 20 adjusts the position of the gripping plate 22b by the second feed screw 22a so that the one gripping member 21 can be moved by the biasing force acting from the action means 11, and the support 12b and the one gripping member 21, After the gap (22 in FIG. 4) is established, the gripping force is adjusted by the first feed screw 15, and the object to be gripped 2 is between the first gripping surface 21a and the second gripping surface 22e. Can be gripped.
なお、グリッパ装置２０は、第２送りネジ２２ａにより、高速な位置決めが可能であるが、バックドライバビリティを有するため、把持力が高まると逆回転をおこす可能性がある。このため、図４に示すように、トルクダイオード２３により、逆回転トルクをフレームへ逃がす構成を有していてもよい。また、直動部分にトルクダイオード２３と同じ成分を持つ機構を設けてもよい。 The gripper device 20 can be positioned at high speed by the second feed screw 22a. However, since the gripper device 20 has back drivability, there is a possibility that the gripper device 20 rotates in the reverse direction when the gripping force is increased. Therefore, as shown in FIG. 4, the torque diode 23 may be used to release the reverse rotation torque to the frame. Further, a mechanism having the same component as that of the torque diode 23 may be provided in the linear motion portion.
このように、変位−力変換装置１０は、図４に示すグリッパ装置２０に利用することができるが、このようなロボット等のグリッパ機構に限らず、ワイヤ等の引張力に応じて剛性等の物理量の切換えが可能な切換機構、ブレーキ機構、内部構造にバネを用いる調圧バルブ機構などにも利用することができる。 As described above, the displacement-force conversion device 10 can be used in the gripper device 20 shown in FIG. 4, but is not limited to such a gripper mechanism such as a robot, and the rigidity and the like according to the tensile force of a wire or the like. It can also be used for a switching mechanism capable of switching physical quantities, a brake mechanism, a pressure regulating valve mechanism using a spring for an internal structure, and the like.
図５に示す変位−力変換装置１０を用いて、操作部１１ａを移動させる力および対象物１に作用する力を測定する実験を行った。図５に示すように、変位−力変換装置１０は、作用手段１１に引張バネから成る線形バネを用い、支持手段１２として、非特許文献３に従って、非円形プーリ３１と円形プーリ３２と錘３３とを用いている。非円形プーリ３１は、円形プーリ３２と接続されており、回転角度を線形バネの変位に変換している。非円形プーリ３１は、角度θと半径ｒとが比例関係になる形状を成し、θが０°〜３４５°の範囲で、ｒが１０〜４０ｍｍとなるよう設けられている。これにより、支持手段１２は、錘３３（質量：ｍ）により発生する荷重ｍｇを、非円形プーリ３１によって線形バネの逆特性に変換するようになっている。また、錘３３は、１．２７ｋｇとした。 Using the displacement-force conversion device 10 shown in FIG. 5, an experiment was performed to measure the force that moves the operation unit 11 a and the force that acts on the object 1. As shown in FIG. 5, the displacement-force conversion device 10 uses a linear spring made of a tension spring as the action means 11, and uses the non-circular pulley 31, the circular pulley 32, and the weight 33 as the support means 12 according to Non-Patent Document 3. And are used. The non-circular pulley 31 is connected to the circular pulley 32 and converts the rotation angle into a linear spring displacement. The non-circular pulley 31 has a shape in which the angle θ and the radius r are in a proportional relationship, and is provided so that r is 10 to 40 mm in the range of 0 to 345 °. Thereby, the support means 12 converts the load mg generated by the weight 33 (mass: m) into the reverse characteristic of the linear spring by the non-circular pulley 31. Moreover, the weight 33 was 1.27 kg.
実験では、作用手段１１と支持手段１２との釣り合い点をｂ＝０ｍｍとし、その釣り合い点である操作部１１ａを移動させ、そのときの操作部１１ａの変位（線形バネの自然長を０とする）に対する、操作部１１ａを移動させる力（操作力）および対象物１に作用する力（発生力）の値を測定した。また、作用手段１１の線形バネをあらかじめ１０ｍｍ伸ばして、釣り合い点である操作部１１ａを１０ｍｍずらした位置（ｂ＝１０ｍｍ）としたとき、および、作用手段１１の線形バネをあらかじめ２０ｍｍ伸ばして、釣り合い点である操作部１１ａを２０ｍｍずらした位置（ｂ＝２０ｍｍ）としたときの、それぞれの操作部１１ａの変位に対する操作力および発生力の値も測定した。操作力は、リニアガイドで拘束したフォースゲージを用いて測定し、発生力は、線形バネの一端に取り付けたロードセルにより測定した。なお、ｂは、図４中の「ｂ」に対応している。測定結果を、図６に示す。 In the experiment, the balance point between the action unit 11 and the support unit 12 is set to b = 0 mm, the operation unit 11a that is the balance point is moved, and the displacement of the operation unit 11a at that time (the natural length of the linear spring is set to 0). ), The force (operation force) for moving the operation portion 11a and the force (generated force) acting on the object 1 were measured. Further, when the linear spring of the action unit 11 is extended by 10 mm in advance and the operation portion 11a which is a balance point is shifted to 10 mm (b = 10 mm), and the linear spring of the action unit 11 is extended by 20 mm in advance and balanced. The values of the operating force and the generated force with respect to the displacement of each operating unit 11a when the operating unit 11a as a point was shifted by 20 mm (b = 20 mm) were also measured. The operating force was measured using a force gauge restrained by a linear guide, and the generated force was measured by a load cell attached to one end of a linear spring. Note that b corresponds to “b” in FIG. The measurement results are shown in FIG.
図６に示すように、発生力に比べて、非常に小さい力で操作部１１ａを移動可能であることが確認された。また、操作部１１ａの変位が大きくなるに従って、発生力も大きくなるのに対し、操作力はほとんど変化せず、小さいままであることが確認された。例えば、ｂ＝０、１０、２０ｍｍのとき、それぞれ発生力の０．８％、１１％、２０％程度の力で、操作部１１ａを移動させることができ、発生力を制御できることが確認された。このことから、ｂが小さい方が、操作力を小さくできることがわかる。また、操作部１１ａを移動させるために必要な力は、ほぼ一定であるため、モータ等による制御が容易であることがわかる。 As shown in FIG. 6, it was confirmed that the operation unit 11a can be moved with an extremely small force compared to the generated force. Further, it was confirmed that the generated force increases as the displacement of the operation unit 11a increases, whereas the operation force hardly changes and remains small. For example, when b = 0, 10, and 20 mm, it was confirmed that the operation unit 11a can be moved with a force of about 0.8%, 11%, and 20% of the generated force, respectively, and the generated force can be controlled. . From this, it can be seen that the smaller the b, the smaller the operating force. Moreover, since the force required to move the operation unit 11a is substantially constant, it can be seen that control by a motor or the like is easy.
１ 対象物
２ 被把持物
１０ 変位−力変換装置
１１ 作用手段
１１ａ 操作部
１２ 支持手段
１２ａ 逆特性要素
１２ｂ 支持体
１２ｃ 貫通孔
１５ 第１送りネジ
１６ 第１モータ
１７ ナット
２０ グリッパ装置
２１ （一方の）把持部材
２１ａ 第１把持面
２２ （他方の）把持部材
２２ａ 第２送りネジ
２２ｂ 把持板
２２ｃ 第２モータ
２２ｄ ナット
２２ｅ 第２把持面
２３ トルクダイオード
３１ 非円形プーリ
３２ 円形プーリ
３３ 錘
1 Object 2 Object to be gripped
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Displacement-force conversion apparatus 11 Action means 11a Operation part 12 Support means 12a Reverse characteristic element 12b Support body
12c Through hole 15 First feed screw 16 First motor 17 Nut
20 gripper device 21 (one) gripping member 21a first gripping surface 22 (other) gripping member 22a second feed screw 22b gripping plate 22c second motor 22d nut 22e second gripping surface 23 torque diode
31 Non-circular pulley 32 Circular pulley 33 Weight
Claims (5)
前記作用手段を支持する支持手段とを有し、
前記作用手段は、前記力の反力がかかると共に、前記反力の方向に沿って往復移動して、前記力の大きさを変更可能に設けられた操作部を有し、
前記支持手段は、前記操作部の移動と共に変化する前記反力と釣り合う力を、前記操作部に作用させるよう前記操作部に接続されていることを
特徴とする変位−力変換装置。 An action means provided to be able to apply force to the object;
Supporting means for supporting the action means,
The action means has an operation portion provided so that the reaction force of the force is applied and reciprocating along the direction of the reaction force so that the magnitude of the force can be changed.
The displacement-force conversion device according to claim 1, wherein the support means is connected to the operation unit so that a force that balances the reaction force that changes as the operation unit moves is applied to the operation unit.
一方の把持部材は、前記対象物から成り、前記作用手段から作用する前記力により所定の方向に付勢されており、
他方の把持部材は、前記支持手段に取り付けられ、前記一方の把持部材との間に被把持物を把持可能に、前記一方の把持部材の付勢方向側で前記一方の把持部材に対向するよう配置されていることを
特徴とするグリッパ装置。
A displacement-force conversion device according to any one of claims 1 to 4 and a pair of gripping members,
One gripping member is composed of the object, and is biased in a predetermined direction by the force acting from the action means,
The other gripping member is attached to the support means and faces the one gripping member on the urging direction side of the one gripping member so as to grip an object to be gripped with the one gripping member. A gripper device characterized by being arranged.
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