JP5284683B2 - Precision positioning device - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、ロボットにより半導体部品などの微小部品や精密部品を実装する作業において、それらの部品を精密に位置決めするための装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for precisely positioning a component such as a semiconductor component or the like mounted by a robot, for example.

半導体部品やMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術によって製造される精密部品を組み立てる作業時には、部品に合わせて精密な位置決めが必要であると共に、部品の接触を正確に検知して、接触力が過大にならないように位置決めを制御することが必要である。   When assembling semiconductor parts and precision parts manufactured by MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, precise positioning is required according to the parts, and contact between parts is detected accurately, resulting in excessive contact force. It is necessary to control the positioning so that it does not become.

このような高精度の制御を行う装置の一例として、半導体素子を基板に実装するときに加圧するアームを、平行板ばねで構成した弾性案内に取り付け、ボイスコイルモータで加圧力を与えるように構成し、ボイスコイルモータのコイルに流す電流を電流調節器で調節することによって加圧力を制御するようにしたものが知られている(特許文献1)。   As an example of a device that performs such high-precision control, an arm that pressurizes a semiconductor element when mounted on a substrate is attached to an elastic guide constituted by a parallel leaf spring, and a pressure is applied by a voice coil motor. In addition, there is known one in which the pressure applied is controlled by adjusting the current flowing through the coil of the voice coil motor with a current regulator (Patent Document 1).

また、ロボットの手首に取り付けた力センサからの信号をサーボ制御系にフィードバックするものが知られている(特許文献2)。これは、ロボットの作業中、力をモニタリングすることによって部品位置の認識と作業の成否確認を行う一方、力情報を制御系にフィードバックすることによってコンプライアンス制御を実現し、作業の信頼性を向上させるようにしたものである。
特開平7−86317号公報 特開平7−24665号公報
Further, there is known one that feeds back a signal from a force sensor attached to a wrist of a robot to a servo control system (Patent Document 2). This means that while the robot is working, the force is monitored to recognize the position of the part and confirm the success of the work, while the force information is fed back to the control system to realize compliance control and improve the work reliability. It is what I did.
JP-A-7-86317 Japanese Patent Laid-Open No. 7-24665

しかしながら、従来の位置決め制御の技術には、次のような問題点があった。   However, the conventional positioning control technique has the following problems.

上記特許文献1の技術では、静止時には精密な加圧力を加えることができるが、部品搬送時の振動を抑えることや押し付けながら移動する作業で接触力を精密に制御することは難しい。また、接触を検知するためには、別に接触センサを付加する必要がある。   With the technique of the above-mentioned patent document 1, it is possible to apply a precise pressing force when stationary, but it is difficult to control the contact force precisely by suppressing the vibration during the conveyance of the parts or by moving while pressing. Moreover, in order to detect a contact, it is necessary to add another contact sensor.

特許文献2の技術では、アームの質量や減速器の摩擦力の影響により、微小な接触力を維持しながら作業を行うことは難しい。   In the technique of Patent Document 2, it is difficult to perform work while maintaining a minute contact force due to the influence of the mass of the arm and the frictional force of the speed reducer.

更に、特許文献1、2のいずれの技術においても、ロボットの先のハンドや冶具の質量の影響により、位置が変化したり接触力が過大になったりする。そのような過大な質量による衝突を回避するためには、作業速度を遅くして作業を慎重に行わなければならず、それだけ作業時間が増大してしまう。   Furthermore, in any of the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, the position changes or the contact force becomes excessive due to the influence of the mass of the hand of the robot or the jig. In order to avoid such collision due to excessive mass, the work speed must be reduced and the work must be performed carefully, and the work time increases accordingly.

本発明は、上記の問題点を解決するものとして、精密ないし微小な部品でも安定して位置決めしながら組立等の作業を行うことを可能にする精密位置決め装置を提供することを目的とする。   In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a precision positioning device that enables assembly or the like to be performed while stably positioning even a precise or minute part.

本発明は、部品を精密に位置決めするための装置であって、
磁界に置かれたコイルを弾性案内部材により所定の方向に変位可能に支持し、該コイルに電流を流すことによって該コイルを含むアクチュエータを駆動し、該アクチュエータの変位により前記部品の位置決めを行うボイスコイルモータと、
前記アクチュエータの変位を検出する変位センサと、
前記変位センサで検出された変位から速度及び加速度を算出し、前記アクチュエータを含む機械系のインピーダンスに基づき前記アクチュエータの位置、速度及び加速度と任意に設定した外力とから前記アクチュエータの駆動力を演算し、演算した駆動力に応じて前記コイルに供給する電流を出力するコントローラとを備えたことを特徴とする。
The present invention is an apparatus for precisely positioning a component,
A voice that supports a coil placed in a magnetic field so as to be displaceable in a predetermined direction by an elastic guide member, drives an actuator including the coil by passing an electric current through the coil, and positions the component by the displacement of the actuator A coil motor;
A displacement sensor for detecting the displacement of the actuator;
The velocity and acceleration are calculated from the displacement detected by the displacement sensor, and the driving force of the actuator is calculated from the position, velocity and acceleration of the actuator and an external force set arbitrarily based on the impedance of the mechanical system including the actuator. And a controller for outputting a current to be supplied to the coil in accordance with the calculated driving force.

本発明によれば、位置、速度及び加速度からインピーダンスを制御することで、微小な接触力を維持しながら精密な位置決めを実行することが可能となる。また、弾性案内部材の変形による力や、ロボットハンド及び冶具を含むアクチュエータの重量による影響を補償して、より正確な位置決めと負荷制御を実現することができる。   According to the present invention, by controlling the impedance from the position, speed, and acceleration, it is possible to execute precise positioning while maintaining a minute contact force. Further, more accurate positioning and load control can be realized by compensating for the effect of the deformation of the elastic guide member and the influence of the weight of the actuator including the robot hand and the jig.

これにより、精密もしくは微小な脆弱部品の組立作業であっても、部品を安定して位置決めしながら作業を行うことができる。従って、微小部品や脆弱な部品の組立のほか、電子部品の押し付け・接着作業において衝突力や接触力をみながら位置決めを正確に行うことができ、作業時間の短縮と安定した作業を実現できる。 Thereby, even if it is an assembly operation of a precise or minute fragile component, the operation can be performed while positioning the component stably. Therefore, in addition to the assembly of minute parts and fragile parts, it is possible to accurately perform positioning while observing the collision force and contact force in the pressing / bonding operation of electronic parts, and it is possible to realize a shortened working time and a stable work.

本発明において、コントローラは、前記変位センサで検出された変位から速度を算出する速度演算部と、該速度から加速度を算出する加速度演算部と、前記インピーダンスを決める位置、速度及び加速度の各フィードバックゲインに前記アクチュエータの位置、速度及び加速度を掛けて得られる値と任意に設定した外力の値とから前記駆動力を演算するインピーダンス制御演算部と、該駆動力に応じて前記コイルに供給する電流を生成する駆動電流生成部とを備えることが好ましい。   In the present invention, the controller includes a speed calculation unit that calculates a speed from the displacement detected by the displacement sensor, an acceleration calculation unit that calculates an acceleration from the speed, and feedback gains for position, speed, and acceleration that determine the impedance. An impedance control calculation unit that calculates the driving force from a value obtained by multiplying the position, speed, and acceleration of the actuator and an arbitrarily set external force value, and a current supplied to the coil in accordance with the driving force. It is preferable to include a drive current generation unit that generates the drive current.

この構成によれば、インピーダンス制御演算部で演算処理を行うことで、見かけの質量、剛性を実際よりも小さくできるので、衝突時の衝撃を少なくすることができる。剛性を大きくすれば、非接触での位置決めを精密に行うことができる。   According to this configuration, since the apparent mass and rigidity can be made smaller than actual by performing the calculation process in the impedance control calculation unit, the impact at the time of collision can be reduced. If the rigidity is increased, positioning without contact can be performed accurately.

また、コントローラは、前記アクチュエータの位置及び加速度と前記駆動力とから外力を推定演算する外力推定演算部を備えることが好ましい。この態様によれば、外力推定演算部で外力を推定演算することで、作業状態に応じた制御を実現できる。   Moreover, it is preferable that a controller is provided with the external force estimation calculating part which estimates and calculates external force from the position and acceleration of the said actuator, and the said driving force. According to this aspect, the control according to the work state can be realized by estimating and calculating the external force by the external force estimation calculation unit.

前記外力推定演算部は、前記アクチュエータの質量及び前記弾性案内部材の弾性係数の各設計値に前記アクチュエータの位置及び加速度を掛けて得られる値と前記駆動力の値とから外力推定値を演算することが好ましい。   The external force estimation calculation unit calculates an external force estimation value from a value obtained by multiplying each design value of the mass of the actuator and the elastic coefficient of the elastic guide member by the position and acceleration of the actuator and the value of the driving force. It is preferable.

本発明の技術は、半導体部品、MEMS部品、その他電子部品のピックアップや精密実装、接合(例えば、半田付け)、或いは接着等の作業における位置決めに好適に用いられる。   The technique of the present invention is suitably used for positioning in operations such as pick-up and precision mounting of semiconductor components, MEMS components, and other electronic components, bonding (for example, soldering), or bonding.

図1は、本発明の一実施形態として、ロボット1のアーム2とハンド3の間に取り付けられたコンプライアンスを与える装置4を示す。この装置は、以下で説明するように、ボイスコイルモータ5のほか、そのコイルを含むアクチュエータの変位を検出する変位センサ18及びコントローラ6(図4)を備えて構成される。 FIG. 1 shows a compliance device 4 mounted between an arm 2 and a hand 3 of a robot 1 as an embodiment of the present invention. As will be described below, this apparatus includes a voice coil motor 5 and a displacement sensor 18 for detecting the displacement of an actuator including the coil and a controller 6 (FIG. 4).

ボイスコイルモータ5は、図2に示すように、上面が開口した円筒形の筐体11と、この筐体11の内側面に円環溝状のヨーク12の側壁と共に固定された磁石13と、この磁石13に対向するように配置されたボビン14に巻かれたコイル15と、ヨーク12の内側に配置される底面が開口した円筒形の架台16と、ボビン14と共に架台16の上下端を筐体11内に支持する複数の円弧状フラットスプリングからなる弾性案内部材17とを備えている。 As shown in FIG. 2, the voice coil motor 5 includes a cylindrical casing 11 having an open top surface, a magnet 13 fixed to the inner side surface of the casing 11 together with the side wall of the annular groove-shaped yoke 12, The coil 15 wound around the bobbin 14 disposed so as to face the magnet 13, the cylindrical frame 16 having an open bottom surface disposed inside the yoke 12, and the upper and lower ends of the frame 16 together with the bobbin 14 are encased. And an elastic guide member 17 composed of a plurality of arc-shaped flat springs supported in the body 11 .

本実施形態では、ボイスコイルモータ5の架台16の内部で筐体11の底面上に、変位センサ18が設置されている。このため、図4〜図6では、ボイスコイルモータ5を示すブロック内に変位センサ18を示している。変位センサ18としては、近接センサ、ひずみゲージ、リニアエンコーダ等が用いられる。 In this embodiment, a displacement sensor 18 is installed on the bottom surface of the housing 11 inside the mount 16 of the voice coil motor 5. For this reason, in FIGS. 4-6, the displacement sensor 18 is shown in the block which shows the voice coil motor 5. FIG. The displacement sensor 18, the proximity sensor, strain gauge, linear encoder or the like is used.

上記構成のボイスコイルモータ5によれば、磁石13による磁界に置かれたコイル15に電流を流すことにより、コイル15と共に架台16が上下方向に駆動される。この上下動による変位(位置の変化)は、変位センサ18によって計測される。   According to the voice coil motor 5 having the above configuration, the gantry 16 is driven in the vertical direction together with the coil 15 by causing a current to flow through the coil 15 placed in the magnetic field by the magnet 13. The displacement (position change) due to the vertical movement is measured by the displacement sensor 18.

コントローラ6は、変位センサ18からの信号で示されるコイル位置の変化から速度を算出し、該速度の変化から加速度を算出し、その位置、速度及び加速度をフィードバックして作業に応じた機械的インピーダンスを演算し、その演算結果に応じてボイスコイルモータ5のコイル15に流すモータ駆動電流を出力する。   The controller 6 calculates the speed from the change in the coil position indicated by the signal from the displacement sensor 18, calculates the acceleration from the change in the speed, and feeds back the position, speed, and acceleration, and the mechanical impedance corresponding to the work. And a motor drive current that flows through the coil 15 of the voice coil motor 5 is output according to the calculation result.

外力推定演算部7は、後述のように、変位センサ18で計測した位置と、コントローラ6で算出した速度及び加速度から外力を推定演算する。   The external force estimation calculation unit 7 estimates and calculates an external force from the position measured by the displacement sensor 18 and the speed and acceleration calculated by the controller 6 as described later.

本装置の制御系の動作は、下記の力学モデルに基づく演算処理によって実行されるものであり、以下これについて説明する。   The operation of the control system of this apparatus is executed by arithmetic processing based on the following dynamic model, which will be described below.

図3は、本装置の力学モデルを示す。図においてアクチュエータの位置x座標の右方向を正(+)とすると、運動方程式は次のように表される。   FIG. 3 shows a dynamic model of the apparatus. In the figure, if the right direction of the position x coordinate of the actuator is positive (+), the equation of motion is expressed as follows.

+f=mx”+kx …(1)
但し、
:ボイスコイルモータのコイル駆動によって変位するアクチュエータ(ハンドを含む)の質量
:アクチュエータ支持スプリングのバネ定数
:アクチュエータが発生する駆動力
:外力(重力、接触力など)
このとき、アクチュエータに次式で表される駆動力を加える。
f a + f d = m a x ″ + k a x (1)
However,
m a : Mass of an actuator (including a hand) displaced by coil driving of the voice coil motor k a : Spring constant of the actuator support spring f a : Driving force generated by the actuator f d : External force (gravity, contact force, etc.)
At this time, a driving force represented by the following expression is applied to the actuator.

=−mx”−dx’−kx+f …(2)
ここで、x”、x’はそれぞれアクチュエータの加速度、速度を表わし、fは重力相殺や作業のために発生させる力、m,d,kは、それぞれ任意に決められるパラメータで、加速度、速度、位置の各フィードバックゲインである。
f a = −m c x ″ −d c x′−k c x + f c (2)
Here, x ", x 'is an actuator acceleration, respectively, represent the velocity, f c is the force to be generated due to gravity offset and work, m c, d c, k c is the respective parameters determined arbitrarily, These are feedback gains for acceleration, speed, and position.

式(1)及び(2)から、
=mx”+dx’+kx−f …(3)
但し、m,d,kは次式で表わされる力学モデルのインピーダンスである。
From equations (1) and (2)
f d = m v x ″ + d v x ′ + k v x−f c (3)
However, m v, d v, k v is the impedance of the dynamic model is expressed by the following equation.

=m+m,d=d,k=k+k …(4)
すなわち、パラメータm,d,kをそれぞれ適当に設定することにより、外力に対する機械系の応答を決めるインピーダンス(m,d,k)を自由に定めることができる。このとき、m,kを負にすれば正帰還になり、みかけの質量や剛性を実際より小さくすることができる。但し、系全体が安定になるように決めることが必要である。
m v = m a + m c , d v = d c , k v = k a + k c (4)
That is, by appropriately setting the parameters m c , d c , and k c , the impedance (m v , d v , k v ) that determines the response of the mechanical system to the external force can be freely determined. At this time, if m c and k c are made negative, positive feedback is obtained, and the apparent mass and rigidity can be made smaller than actual. However, it is necessary to determine that the entire system is stable.

例えば、半田付け作業に適したコンプライアンス特性を求める場合、剛性k= 2500 N/m(100gの外力で0.25 mmの変位)、応答周波数ω= 20 Hz (126 rad/s)とすると、m=k/ω = 0.15 kgとなる。また、アクチュエータ質量m=1kg とすると、加速度フィードバックゲインm=0.85 kgとなる。速度フィードバックゲインdは、臨界制動付近になるように決める。 For example, when obtaining compliance characteristics suitable for soldering work, if rigidity k v = 2500 N / m (displacement of 0.25 mm with an external force of 100 g) and response frequency ω c = 20 Hz (126 rad / s), m v = a k v / ω c 2 = 0.15 kg. If the actuator mass m a = 1 kg, the acceleration feedback gain m c = 0.85 kg. Speed feedback gain d c is determined to be near the critical damping.

また、剛性kを外力に対して充分大きい値にすると、位置制御となる。例えば、k= 10 N/mとすると、100gの外力に対して0.01 mmの変位となり、通常の位置決め制御に対しては十分な剛性となる。加速度及び速度のフィードバックゲインm,dは、動作が安定になるように決める。 Further, when a sufficiently large value stiffness k v relative to an external force, a position control. For example, when k v = 10 5 N / m, the displacement is 0.01 mm with respect to an external force of 100 g, and the rigidity is sufficient for normal positioning control. The acceleration gain and velocity feedback gains m c and d c are determined so that the operation becomes stable.

図4は、本発明の第1実施形態の制御系を示すブロック図である。   FIG. 4 is a block diagram showing the control system of the first embodiment of the present invention.

コントローラ6は、機能ブロックとして、変位センサ18からの信号により速度を算出する速度演算部21と、該速度の変化から加速度を算出する加速度演算部22と、変位センサ18からの信号で示される位置x、算出された速度x’及び加速度x”から、前記(2)式に基づいてアクチュエータに加える駆動力fを演算するインピーダンス制御演算部23と、演算した駆動力からアクチュエータとしてのボイスコイルモータ5のコイル駆動電流を生成してボイスコイルモータ5に供給する駆動電流生成部24とを備えている。 The controller 6 includes, as functional blocks, a speed calculation unit 21 that calculates a speed based on a signal from the displacement sensor 18, an acceleration calculation unit 22 that calculates an acceleration from a change in the speed, and a position indicated by a signal from the displacement sensor 18. x, calculated velocity x 'and the acceleration x ", the voice coil motor of the impedance control arithmetic unit 23 for calculating a driving force f a to be applied to the actuator based on the equation (2), an actuator from the calculated driving force And a drive current generator 24 that generates 5 coil drive currents and supplies them to the voice coil motor 5.

ここで、インピーダンス制御演算部23には、上記演算に必要な力fとインピーダンスを表わすパラメータm,d,kとが、上位コントローラ(この場合、ロボットのコントローラ)から提供される。 Here, the impedance control calculation unit 23, the parameter m c, d c representing the force f c and the impedance necessary for the operation, and a k c, host controller (in this case, the robot controller) is provided from.

なお、速度演算部21は、変位センサ18の出力からではなく、ボイスコイルの逆起電力を計測して速度を求めるようにしてもよい。   Note that the speed calculation unit 21 may determine the speed by measuring the back electromotive force of the voice coil, not from the output of the displacement sensor 18.

また、図5に第2実施形態として示すように、加速度演算部22に代えて加速度センサ25で加速度を検出してもよい。この場合、加速度センサ25の信号(加速度)を、速度演算部21で積分して速度を求めるようにしてもよい。   Further, as shown in FIG. 5 as the second embodiment, acceleration may be detected by an acceleration sensor 25 instead of the acceleration calculation unit 22. In this case, the speed calculation unit 21 may integrate the signal (acceleration) of the acceleration sensor 25 to obtain the speed.

図4又は図5のフィードバック制御系によれば、変位センサ18で計測された位置xの変化から、速度演算部21で速度x’が得られ、その速度から加速度演算部22で加速度x”が得られる。そして、インピーダンス制御演算部23において、前記(2)式に基づき、位置、速度及び加速度の各フィードバックゲインm,d,kに前記アクチュエータの位置x、速度x’、加速度x”を掛けて得られる値と任意に設定した力fの値とから前記駆動力fが演算され、駆動電流生成部24で、この駆動力の値からコイル駆動電流が生成され、アクチュエータに対する制御信号としてボイスコイルモータ5のコイルに供給される。 According to the feedback control system of FIG. 4 or FIG. 5, the velocity x ′ is obtained by the velocity calculator 21 from the change in the position x measured by the displacement sensor 18, and the acceleration x ″ is obtained by the acceleration calculator 22 from the velocity. Then, in the impedance control calculation unit 23, based on the equation (2), the position, velocity, and acceleration feedback gains m c , d c , and k c are added to the position x, velocity x ′, and acceleration x of the actuator. the driving force f a from the value of the force f c is set to a value obtained and optionally multiplied by "is calculated, the driving current generating unit 24, the coil drive current from the value of the driving force is generated, to the actuator A control signal is supplied to the coil of the voice coil motor 5.

図6は、本発明の第3実施形態の制御系を示すブロック図である。   FIG. 6 is a block diagram showing a control system of the third embodiment of the present invention.

この第3実施形態では、コントローラ6は、アクチュエータの位置及び加速度と前記駆動力とから外力を推定演算する外力推定演算部7を備えている。この外力推定演算部7は、前記変位センサ18からの信号で示される位置x、加速度演算部22で算出された加速度x”、及びインピーダンス制御演算部23で算出された駆動力fから、外力fを演算する。 In the third embodiment, the controller 6 includes an external force estimation calculation unit 7 that estimates and calculates an external force from the position and acceleration of the actuator and the driving force. The external force estimation calculation unit 7, the position x represented by the signal from the displacement sensor 18, the acceleration x "calculated by the acceleration calculator 22, and the driving force f a calculated by the impedance control operation unit 23, the external force fd is calculated.

この演算は、次式に基づいて行われる。すなわち、式(1)より
=mx”+kx−f …(5)
であるから、位置xと加速度x”、及びアクチュエータの駆動力fがわかれば、外力fを計算できる。但し、mとkは、コンプライアンスの設計値とする。
This calculation is performed based on the following equation. That is, from the formula (1), f d = m a x ″ + k a x−f a (5)
Since it is, the position x and the acceleration x ", and knowing the driving force f a of the actuator, can be computed external force f d. However, m a and k a is the design value of compliance.

従って、外力推定演算部7で算出される外力は推定値<f>となり、上位コントローラに送られる。 Therefore, the external force calculated by the external force estimation calculation unit 7 becomes an estimated value <f d > and is sent to the host controller.

ここで、図6の制御系による制御のコンピュータでのシミュレーション結果として、インピーダンス制御と位置制御の例を示す。なお、インピーダンス制御は、作業に応じて接触力、作業力等を制限するために応答特性(剛性、ダンピング、質量)を決めることを目的とし、位置制御は、位置フィードバックゲインを高くして高精度の位置決めを目的としたものである。
・インピーダンス制御シミュレーション結果(図7、図8)
図7及び図8は、質量m=1 kg、バネ定数k=1000 N/mの機械系について、仮想質量m=0.2 kg、仮想バネ定数k=2000 N/mとしたときの応答のシミュレーション結果として、位置偏差、速度、加速度、外力推定値、及び駆動力の時間(秒)変化を示す。
Here, examples of impedance control and position control are shown as simulation results in a computer of control by the control system of FIG. Impedance control is intended to determine response characteristics (rigidity, damping, mass) in order to limit contact force, work force, etc. according to the work. Position control is highly accurate by increasing the position feedback gain. This is intended for positioning.
-Impedance control simulation results (Figs. 7 and 8)
7 and 8 show the case where the virtual mass m c = 0.2 kg and the virtual spring constant k c = 2000 N / m for the mechanical system with the mass m a = 1 kg and the spring constant k a = 1000 N / m. As a simulation result of the response, changes in position deviation, speed, acceleration, estimated external force value, and driving force over time (seconds) are shown.

ここでは、仮想ダンパ(速度フィードバックゲイン)dは、臨界制動になるように定めた。入力となる位置x(指令値)は一定とし、外力(接触力、作業力)fとして1Nのステップ力を与えた。外力推定値<f>も1Nのステップ状の値となっており、推定機能が良好であることがわかる。 Here, a virtual damper (velocity feedback gain) d c is determined so that the critical damping. The input position x (command value) is kept constant, the external force (contact force, work force) gave step force of 1N as f c. The estimated external force value <f d > is also a 1N step value, which indicates that the estimation function is good.

比較のため、図9に、質量0.2 kg、バネ定数2000 N/mの機械系の応答として、位置偏差及び加速度の時間(秒)変化を示す。これにより、インピーダンス制御の応答が実際の機械系の応答とよく一致していることがかわる。
・位置制御シミュレーション結果(図10、図11)
図10及び図11は、質量m=1 kg、バネ定数k=1000 N/mの機械系について、仮想バネ定数k=20000 N/m(位置フィードバックゲイン19000)としたときの応答のシミュレーション結果として、位置偏差、速度、加速度、外力推定値、及び駆動力の時間(秒)変化を示す。
For comparison, FIG. 9 shows changes in position deviation and acceleration (in seconds) as a response of a mechanical system having a mass of 0.2 kg and a spring constant of 2000 N / m. This indicates that the impedance control response is in good agreement with the actual mechanical response.
-Position control simulation results (FIGS. 10 and 11)
10 and 11 show the response of the mechanical system with mass m a = 1 kg and spring constant k a = 1000 N / m when the virtual spring constant k c = 20000 N / m (position feedback gain 19000). As a simulation result, position deviation, speed, acceleration, estimated external force value, and time (second) change of driving force are shown.

仮想ダンパdは、臨界制動になるように定めた。入力となる位置x(指令値)は、0.2秒後まで5 mm/sの一定速度での位置、0.2秒後から1mmの位置に固定した。併せて、開始(0秒)時にステップ状の外力1Nを入力した。 Virtual damper d c is determined so that the critical damping. The input position x (command value) was fixed at a position at a constant speed of 5 mm / s until 0.2 seconds later, and 1 mm after 0.2 seconds. In addition, a step-like external force 1N was input at the start (0 seconds).

一定速度での移動時には、速度がほぼ5 mm/sで、停止時には、位置偏差が0.1mmで安定しており、位置制御が行われている。位置偏差は、位置フィードバックゲインkを上げることによって小さくできる。また、外力乱推定値<f>も1Nのステップ状の値となっており、推定機能がよく働いていることがわかる。 When moving at a constant speed, the speed is almost 5 mm / s, and when stopping, the position deviation is stable at 0.1 mm, and position control is performed. Position deviation can be reduced by raising the position feedback gain k c. Further, the estimated external force disturbance value <f d > is also a step value of 1N, indicating that the estimation function works well.

最後に、本発明の精密位置決め装置の使用例である図1のロボットによる部品組立作業について説明する。例えば、フィルタのような板状部品を取り出す際には、ロボットは、部品供給マガジンに平積みされたフィルタのうち指定されたものをハンドでピックアップする。すなわち、ハンドは、部品供給マガジン内に積み重ねられた板状部品(フィルタ)を吸着パッドで吸着して取り出し搬送する。ロボットの動作としては、部品供給マガジンの上方にハンドを移動して下降し、吸着パッドをマガジン内の部品に当てた状態で、真空ポンプ等を用いて吸着パッド内の空気を吸引することにより、吸着パッドに部品を吸着させる。その後、ハンドを上昇させ、部品の組付け位置まで移動する。このようにフィルタを取り出す場合、ハンドに対するピックアップ方向の目標指令位置は常にマガジンの底部に設定し、作業開始後、高さを検出できた時点で指令位置を途中で保持する。   Finally, a part assembling operation by the robot of FIG. 1 as an example of use of the precision positioning device of the present invention will be described. For example, when taking out a plate-like component such as a filter, the robot picks up a designated one of the filters stacked in the component supply magazine by hand. That is, the hand picks up and conveys plate-like components (filters) stacked in the component supply magazine by suction pads. As the operation of the robot, by moving the hand above the parts supply magazine and descending, by sucking the air in the suction pad using a vacuum pump etc. with the suction pad applied to the parts in the magazine, Adhere parts to the suction pad. Thereafter, the hand is raised and moved to the assembly position of the parts. When the filter is taken out in this way, the target command position in the pickup direction with respect to the hand is always set at the bottom of the magazine, and the command position is held halfway when the height can be detected after the work starts.

上記の動作は、ロボット本体のコントローラに格納されたプログラムに従って実行される。   The above operation is executed according to a program stored in the controller of the robot body.

以上、実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、弾性案内部材は、板状スプリングに限らず、転がりや空気圧によって作動するものでもよい。   Although the embodiment has been described above, the present invention is not limited to this. For example, the elastic guide member is not limited to a plate-like spring, and may be operated by rolling or air pressure.

ロボットのアームとハンドの間に取り付けられたコンプライアンスを与える装置の外観図。The external view of the apparatus which provides the compliance attached between the arm and hand of a robot. ボイスコイルモータの構成を示す図で、(a)は平面図、(b)は断面図。It is a figure which shows the structure of a voice coil motor, (a) is a top view, (b) is sectional drawing. 装置の力学モデルの説明図。Explanatory drawing of the mechanical model of an apparatus. 第1実施形態の制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of 1st Embodiment. 第2実施形態の制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of 2nd Embodiment. 第3実施形態の制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system of 3rd Embodiment. 実施形態のインピーダンス制御シミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the impedance control simulation result of embodiment. 実施形態のインピーダンス制御シミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the impedance control simulation result of embodiment. 実際の機械系の応答を示すグラフ。The graph which shows the response of an actual mechanical system. 実施形態の位置制御シミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the position control simulation result of embodiment. 実施形態の位置制御シミュレーション結果を示すグラフ。The graph which shows the position control simulation result of embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…ロボット、2…アーム、3…ハンド、4…精密位置決め装置、5…ボイスコイルモータ、6…コントローラ、7…外力推定演算部、11…筐体、12…ヨーク、13…磁石、14…ボビン、15…コイル、16…架台、17…弾性案内部材、18…変位センサ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Robot, 2 ... Arm, 3 ... Hand, 4 ... Precision positioning apparatus, 5 ... Voice coil motor, 6 ... Controller, 7 ... External force estimation calculating part, 11 ... Housing | casing, 12 ... Yoke, 13 ... Magnet, 14 ... Bobbin, 15 ... coil, 16 ... gantry, 17 ... elastic guide member, 18 ... displacement sensor.

Claims (4)

部品を精密に位置決めするための装置であって、
磁界に置かれたコイルを弾性案内部材により所定の方向に変位可能に支持し、該コイルに電流を流すことによって該コイルを含むアクチュエータを駆動し、該アクチュエータの変位により前記部品の位置決めを行うボイスコイルモータと、
前記アクチュエータの変位を検出する変位センサと、
前記変位センサで検出された変位から速度及び加速度を算出し、前記アクチュエータを含む機械系のインピーダンスに基づいて前記アクチュエータの位置、速度及び加速度と任意に設定した力とから前記アクチュエータの駆動力を演算し、演算した駆動力に応じて前記コイルに供給する電流を出力するコントローラと
を備えたことを特徴とする精密位置決め装置。
An apparatus for precisely positioning a part,
A voice that supports a coil placed in a magnetic field so as to be displaceable in a predetermined direction by an elastic guide member, drives an actuator including the coil by passing an electric current through the coil, and positions the component by the displacement of the actuator A coil motor;
A displacement sensor for detecting the displacement of the actuator;
The speed and acceleration are calculated from the displacement detected by the displacement sensor, and the driving force of the actuator is calculated from the position, speed and acceleration of the actuator and an arbitrarily set force based on the impedance of the mechanical system including the actuator. And a controller for outputting a current to be supplied to the coil in accordance with the calculated driving force.
請求項1記載の精密位置決め装置において、前記コントローラは、前記変位センサで検出された変位から速度を算出する速度演算部と、該速度から加速度を算出する加速度演算部と、前記インピーダンスを表わす位置、速度及び加速度の各フィードバックゲインに前記アクチュエータの位置、速度及び加速度を掛けて得られる値と任意に設定した外力の値とから前記駆動力を演算するインピーダンス制御演算部と、該駆動力に応じて前記コイルに供給する電流を生成する駆動電流生成部とを備えていることを特徴とする精密位置決め装置。   2. The precision positioning device according to claim 1, wherein the controller includes a speed calculator that calculates a speed from a displacement detected by the displacement sensor, an acceleration calculator that calculates an acceleration from the speed, and a position that represents the impedance. An impedance control calculation unit that calculates the driving force from a value obtained by multiplying each feedback gain of speed and acceleration by the position, speed, and acceleration of the actuator and a value of an external force that is arbitrarily set, and according to the driving force A precision positioning device comprising: a drive current generator for generating a current to be supplied to the coil. 請求項1又は2記載の精密位置決め装置において、前記コントローラは、前記アクチュエータの位置及び加速度と前記駆動力とから外力を推定演算する外力推定演算部を備えていることを特徴とする精密位置決め装置。   3. The precision positioning apparatus according to claim 1, wherein the controller includes an external force estimation calculation unit that estimates and calculates an external force from the position and acceleration of the actuator and the driving force. 請求項3記載の精密位置決め装置において、前記外力推定演算部は、前記アクチュエータの質量及び前記弾性案内部材の弾性係数の各設計値に前記アクチュエータの位置及び加速度を掛けて得られる値と前記駆動力の値とから外力推定値を演算することを特徴とする精密位置決め装置。   4. The precision positioning device according to claim 3, wherein the external force estimation calculation unit calculates a value obtained by multiplying each design value of the mass of the actuator and an elastic coefficient of the elastic guide member by the position and acceleration of the actuator and the driving force. A precision positioning device that calculates an estimated external force value from the value of the above.
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