JPH0152156B2 - - Google Patents

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JPH0152156B2
JPH0152156B2 JP58226301A JP22630183A JPH0152156B2 JP H0152156 B2 JPH0152156 B2 JP H0152156B2 JP 58226301 A JP58226301 A JP 58226301A JP 22630183 A JP22630183 A JP 22630183A JP H0152156 B2 JPH0152156 B2 JP H0152156B2
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JP
Japan
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force
displacement
applying device
voice coil
article
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JP58226301A
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Japanese (ja)
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JPS60118480A (en
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Kazuo Asakawa
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Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Priority to EP84308298A priority patent/EP0147082B1/en
Priority to DE8484308298T priority patent/DE3481285D1/en
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Priority to US07/344,389 priority patent/US5012591A/en
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Description

【発明の詳細な説明】 (A) 発明の技術分野 本発明は力付与装置、特に、例えば精密機械組
立を行う工業用ロボツトである物品処理装置など
において、操作対象物品を把持する場合などに、
物品に対し微小な力を付与可能にした力付与装置
に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (A) Technical Field of the Invention The present invention relates to a force applying device, particularly when gripping an object to be manipulated in an article processing device such as an industrial robot for assembling precision machinery.
The present invention relates to a force applying device that can apply a minute force to an article.

(B) 従来技術と問題点 いわゆるF/A(フアクトリー・オートメーシ
ヨン)、FMS(フレキシブル・マニフアクチヤリ
ング・システム)化が進むにつれ、ロボツトの生
産工程への導入も盛んになつてきている。一方、
微細作業を必要とする例えば半導体プロセス、周
辺機用磁気ヘツドの組立て、あるいは軟い食品、
材料の検査等の自動化は、大幅に遅れている状態
にある。これは、高度の知能を持つたロボツトに
より、自動化は進められると考えられるが、現時
点では、例えばグラムオーダーの微小な力制御の
できるロボツトが存在しないことに起因する。す
なわち、微細部品を扱う微細作業等の自動化は、
微小力制御のできるロボツトがないため、実現が
困難であつた。
(B) Conventional technology and problems As the so-called F/A (Factory Automation) and FMS (Flexible Manufacturing System) progress, robots are increasingly being introduced into production processes. on the other hand,
For example, semiconductor processes that require fine work, assembly of magnetic heads for peripheral equipment, or soft foods.
Automation of materials inspection, etc. is lagging far behind. This is due to the fact that, although it is thought that automation will be promoted by highly intelligent robots, there are currently no robots that can control minute forces on the order of grams, for example. In other words, automation of micro work that handles micro parts, etc.
This has been difficult to achieve because there are no robots capable of micro-force control.

例えば、従来の方式では、把持力を制御する場
合に、指の把持部分に圧力センサーを設け、指の
開き幅で把持力を制御するようにされる。この場
合、位置制御モードと力制御モードの2つを作業
タイミングに合せて切り換える必要があり、切り
換えのタイミングが難しいばかりでなく、切り換
え時の位置制御モードと力制御モードとのゲイン
の差が、把持時の指の移動速度に影響され、一定
でないため、把持物との接触時に、振動や衝突を
起こすことになる。従つて、把持力を小さな範囲
で制御することは不可能に近い。また、制御回路
およびセンサについて、位置制御用と力制御用に
それぞれ2つ必要となり、コスト高になるという
問題がある。
For example, in the conventional method, when controlling the gripping force, a pressure sensor is provided at the gripping portion of the fingers, and the gripping force is controlled by the width of the fingers. In this case, it is necessary to switch between the position control mode and the force control mode in accordance with the work timing, and not only is the timing of switching difficult, but the difference in gain between the position control mode and the force control mode at the time of switching is Since it is affected by the moving speed of the fingers during gripping and is not constant, vibrations and collisions will occur when it comes into contact with the gripped object. Therefore, it is nearly impossible to control the gripping force within a small range. Furthermore, two control circuits and two sensors are required for position control and force control, resulting in high costs.

(C) 発明の目的と構成 本発明は上記問題点の解決を図り、指示した把
持力でもつて、操作対象物品を把持するような場
合や物品を押すような場合などに、物品に対して
微小な力を付与可能にした力付与装置を提供する
ことを目的としている。そのため、本発明の力付
与装置は、物品に対する力付与指令を受け、指令
された力を物品に付与する力付与装置であつて、
物品に対して力を付与する可動部が、他端が基部
に固定された弾性体で支持されてなる力発生手段
と、前記弾性体が変位することにより生ずる弾性
体の反力を打消すように前記力発生手段を駆動す
る反力打消手段とを有している。
(C) Object and Structure of the Invention The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and even with the specified gripping force, when gripping an object to be manipulated or pushing the object, there is a slight impact on the object. The object of the present invention is to provide a force applying device that is capable of applying a force. Therefore, the force applying device of the present invention is a force applying device that receives a force applying command to an article and applies the commanded force to the article,
A movable part that applies a force to an article has a force generating means supported by an elastic body whose other end is fixed to a base, and a force generating means configured to cancel the reaction force of the elastic body generated when the elastic body is displaced. and a reaction force canceling means for driving the force generating means.

物品に対して力を付与する力発生手段の可動部
が、弾性体によつて支持されており、物品に対し
て力を付与するときに、弾性体の変位によつて生
ずる弾性体の反力が、反力打消手段によつて打消
されるように力発生手段の駆動が行われるので、
例えば弾性体として用いられるばねのばね定数
が、あたかも非常に小さくなつたかのように作用
し、位置誤差に関する影響がほとんどなくなり、
操作対象物品に対し、微小な力を付与することが
できるようになる。
The movable part of the force generating means that applies force to the article is supported by an elastic body, and when the force is applied to the article, the reaction force of the elastic body is generated due to the displacement of the elastic body. Since the force generating means is driven so that the reaction force is canceled by the reaction force canceling means,
For example, the spring constant of a spring used as an elastic body acts as if it had become extremely small, and the influence of position errors is almost eliminated.
It becomes possible to apply a minute force to the object to be manipulated.

(D) 発明の実施例 第1図は本発明の一実施例構成を示すロボツ
ト・ハンドの断面図、第2図は第1図図示実施例
の制御ブロツク図を示す。
(D) Embodiment of the Invention FIG. 1 is a sectional view of a robot hand showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a control block diagram of the embodiment shown in FIG.

図中、符号1はロボツト・アーム、2はハンド
基部、3−1および3−2は一対の指部、4は平
行バネ、5はストレインゲージ、6はボイスコイ
ルモータ、7は永久磁石、8はコイル、9は継
鉄、10はストツパ、11は把持対象物を表わ
す。
In the figure, 1 is a robot arm, 2 is a hand base, 3-1 and 3-2 are a pair of fingers, 4 is a parallel spring, 5 is a strain gauge, 6 is a voice coil motor, 7 is a permanent magnet, and 8 9 is a coil, 9 is a yoke, 10 is a stopper, and 11 is an object to be gripped.

指部3−1,3−2は、ロボツト・アーム1に
装着されるハンド基部2に、対向して形成され、
特に指部3−1は剛体で形成され、他方の指部3
−2は先端部分が一対の平行バネ4によつて支持
されるよう形成されている。平行バネ4は、指部
3−2の先端部分の図示方向への相対的な変位
に対し、復元力を及ぼすものである。平行バネ4
のそれぞれ内側にストレインゲージ5が貼付さ
れ、このストレインゲージ5によつて、平行バネ
4のたわみから、指部3−2の先端部分のハンド
基部2に対する相対的な変位が検出可能となつて
いる。
The finger parts 3-1 and 3-2 are formed to face the hand base 2 attached to the robot arm 1, and
In particular, the finger portion 3-1 is formed of a rigid body, and the other finger portion 3-1 is made of a rigid body.
-2 is formed such that its tip portion is supported by a pair of parallel springs 4. The parallel spring 4 exerts a restoring force against relative displacement of the tip portion of the finger portion 3-2 in the illustrated direction. parallel spring 4
A strain gauge 5 is attached to the inside of each of the fingers, and the strain gauge 5 makes it possible to detect the displacement of the tip of the finger 3-2 relative to the hand base 2 from the deflection of the parallel spring 4. .

ボイスコイルモータ6は、永久磁石7が取り付
けられた継鉄9であつて、ハンド基部2に対して
固定された部分と、指部3−2の先端部分に装着
されたコイル8部分とからなり、コイル8に電流
を通電・制御することにより、図示方向に指を
開閉させることができるようになつている。これ
により、把持対象物11を把持または離脱する。
なお、2枚の板状バネ体によつて構成される平行
バネ4は、移動方向のみの剛性が低く、他の方向
に対する剛性は比較的高いため、本発明はこれに
限定されるわけではないが、バネを用いた1方向
への移動ガイドとして適している。
The voice coil motor 6 is a yoke 9 to which a permanent magnet 7 is attached, and consists of a portion fixed to the hand base 2 and a coil 8 portion attached to the tip of the finger portion 3-2. By applying and controlling current to the coil 8, the fingers can be opened and closed in the directions shown. As a result, the object to be gripped 11 is gripped or released.
Note that the parallel spring 4 made up of two plate-shaped spring bodies has low rigidity only in the moving direction and relatively high rigidity in other directions, so the present invention is not limited to this. However, it is suitable as a movement guide in one direction using a spring.

第1図図示ロボツト・ハンドでは、ハンドの開
き幅で把持力を制御するのではなく、ボイスコイ
ルモータ6の発生力すなわち通電電流の制御によ
り把持力を制御する。すなわち、センサとして
は、ストレインゲージ5のような、変位を検出す
るためのセンサを用い、次のように制御する。
In the robot hand shown in FIG. 1, the gripping force is not controlled by the opening width of the hand, but by controlling the force generated by the voice coil motor 6, that is, by controlling the current supplied. That is, a sensor for detecting displacement, such as the strain gauge 5, is used as a sensor, and control is performed as follows.

本実施例の制御においては、特に、 平行バネ4のバネ力を打消すように、変位セ
ンサであるストレインゲージ5からの信号を正
帰還し、 把持力指令値は、ボイスコイルモータ6の発
生力から算出するようにしている。
In the control of this embodiment, in particular, the signal from the strain gauge 5, which is a displacement sensor, is fed back positively so as to cancel the spring force of the parallel spring 4, and the gripping force command value is determined by the force generated by the voice coil motor 6. I am trying to calculate it from.

ここで、発生力は、 発生力=Bli ただし、B:ボイスコイルモータの空隙磁束密
度 l:ボイスコイルモータの巻線数 i:ボイスコイルモータの通電電流 である。この発生力については、ボイスコイルモ
ータ6の空隙磁束密度Bが回転モータの場合とは
異なり、動作範囲で一定であり、発生力の電流に
対する直線性が高いため計算値と実測値とは良好
に一致する。
Here, the generated force is as follows: Generated force=Bli However, B: air gap magnetic flux density of the voice coil motor l: number of windings of the voice coil motor i: energizing current of the voice coil motor. Regarding this generated force, unlike in the case of a rotary motor, the air gap magnetic flux density B of the voice coil motor 6 is constant within the operating range, and the generated force has high linearity with respect to the current, so the calculated value and the actual value are well matched. Match.

第1図図示ロボツト・ハンドの制御ブロツク図
を第2図に示す。電流、速度および変位を各々帰
還する形となつている。なお、以下の説明におい
て、パラメータを次のように定める。
A control block diagram of the robot hand shown in FIG. 1 is shown in FIG. The current, speed, and displacement are each fed back. Note that in the following description, parameters are defined as follows.

e:ボイスコイルモータの端子間電圧 R:ボイスコイルモータの端子間抵抗 i:ボイスコイルモータの端子間電流 L:ボイスコイルモータの端子間インダクタン
ス B:ボイスコイルモータの空隙磁束密度 l:ボイスコイルモータのコイル巻線数 M:可動部質量 D:粘性制動係数 k:平行バネのバネ定数 x:平行バネの変位 Oc:オペレーシヨナルアンプの開ループゲイ
ン Ic:電流の帰還ゲイン Vc:速度の帰還ゲイン Pc:変位の帰還ゲイン S:ラプラス演算子 R(S):把持指令 X(S):変位 F(S):把持力 ここで、ボイスコイルモータ6の特性を、 e=Ri+Ldi/dt+Blx〓 ……(1) Bli=Mx¨+Dx〓+kx ……(2) とする。
e: Voltage between terminals of voice coil motor R: Resistance between terminals of voice coil motor i: Current between terminals of voice coil motor L: Inductance between terminals of voice coil motor B: Air gap magnetic flux density of voice coil motor l: Voice coil motor Number of coil turns M: Mass of moving part D: Viscous damping coefficient k: Spring constant of parallel spring x: Displacement of parallel spring O c : Open loop gain of operational amplifier I c : Feedback gain of current V c : Speed of Feedback gain P c : Displacement feedback gain S: Laplace operator R(S): Gripping command X(S): Displacement F(S): Gripping force Here, the characteristics of the voice coil motor 6 are as follows: e=Ri+Ldi/dt+Blx 〓 ……(1) Bli=Mx¨+Dx〓+kx ……(2)

第2図において、把持指令R(S)から平行バ
ネの変位X(S)への伝達関数を求めると、 X(S)/R(S)=1/{LM/BlS3+1/Bl(MIcO
c+RM+LD)S2+((IcD/Bl+Vc)Oc+Bl +kL+RD/Bl)S+(kIc/Bl−Pc)Oc+kR/Bl
}……(3) となる。従つて、R(S)がステツプ状に変化し
た場合のX(S)の定常値は、 lima0SX(S)=1/(kIc/Bl−Pc)Oc+kR/Bl……
(4) となる。即ち、この制御システムは上記第(4)式で
表わされ定常位置誤差を持つていることになる。
ここで、一般にOcは80db〜100dbと非常に大きい
値であるため、定常位置誤差はほとんどゼロとな
る。このことは、本ロボツト・ハンドの制御には
好ましくない。把持物の幅が正確に分つていない
と、その幅の指示誤差により、ボイスコイルモー
タ6は、低域周波数帯で第(4)式に示されるバネ定
数を持つたバネとして作用し大きな力を発生する
ため、把持力の制御はできなくなつてしまう。
In Fig. 2, the transfer function from the gripping command R(S) to the displacement X(S) of the parallel spring is found as follows: c O
c +RM+LD)S 2 +((I c D/Bl+V c )O c +Bl +kL+RD/Bl)S+(kI c /Bl−P c )O c +kR/Bl
}...(3) becomes. Therefore, the steady-state value of X(S) when R(S) changes stepwise is: lim a0 SX(S) = 1/(kIc/Bl−P c )O c +kR/Bl...
(4) becomes. That is, this control system is expressed by the above equation (4) and has a steady position error.
Here, since O c is generally a very large value of 80 db to 100 db, the steady position error is almost zero. This is not preferable for controlling the robot hand. If the width of the object to be held is not accurately known, the voice coil motor 6 will act as a spring with a spring constant expressed by equation (4) in the low frequency band due to an error in the width indication, and a large force will be generated. As a result, it becomes impossible to control the gripping force.

そこで、本実施例では、位置誤差のゲインを制
御系が安定な範囲で、できるだけ低くし、位置誤
差に起因する発生力を抑える方式をとつている。
すなわち、第(4)式で明らかなように、変位を正帰
還しているため、(Pcの符号が負)、上記方式が実
現できる。第(4)式から、 Pck/Bl(R/Oc+Ic) ……(5) とするようにPcを調整すればよい。この状態で
は、上記第(3)式から明らかなように、指の平行バ
ネのバネ定数があたかも非常に小さくなつたかの
ように見える。従つて、位置誤差に関して、バネ
による復元力は非常に小さくなる。実験では、バ
ネ定数を見かけ上0.1〔g/mm〕まで落すことがで
きている。これにより、ハンドの開閉ストローク
が±2〔mm〕の場合、把持物への最大発生力は、±
0.2〔g〕と非常に小さな値となる。
Therefore, in this embodiment, a method is adopted in which the gain of the position error is made as low as possible within the range in which the control system is stable, and the generated force due to the position error is suppressed.
That is, as is clear from equation (4), since the displacement is fed back positively (the sign of P c is negative), the above method can be realized. From equation (4), P c may be adjusted so that P c k /Bl (R / O c + I c ) ... (5). In this state, as is clear from equation (3) above, it appears as if the spring constant of the parallel spring of the finger has become extremely small. Therefore, the restoring force by the spring becomes very small with respect to positional errors. In experiments, we were able to reduce the spring constant to an apparent 0.1 [g/mm]. As a result, when the opening/closing stroke of the hand is ±2 [mm], the maximum force generated on the gripped object is ±2 [mm].
This is a very small value of 0.2 [g].

このような状態で把持力成分のみをR(S)と
して入力すると、ロボツト・ハンドは、把持物の
幅によらず±0.2〔g〕以内の力誤差で、把持物を
つかむことができる。また、つかむときとは逆符
号の把持指令を与えれば、一定の力でストツパ1
0に接触し、開口状態となる。
If only the gripping force component is input as R(S) in this state, the robot hand can grip the object with a force error within ±0.2 [g] regardless of the width of the object. In addition, if a gripping command with the opposite sign is given to the gripping command, the stopper can be moved with a constant force.
0 and becomes open.

以上説明したように本実施例のロボツト・ハン
ドでは、把持力指令のみの簡単な命令で、把持対
象物11の幅に影響なく、微小力から大きな力ま
で自在に把持対象物11をつかむことができる。
また、センサは、ストレインゲージ5などの変位
センサのみであり、構造もシンプルであるため、
低コストである。なお、変位センサの信号によ
り、把持力を制御することにより、軟い、硬いに
拘らず把持物の幅を計測することもできる。
As explained above, the robot hand of this embodiment can freely grasp the object 11 with a force ranging from a minute force to a large force, without affecting the width of the object 11, with a simple gripping force command. can.
In addition, the sensor is only a displacement sensor such as the strain gauge 5, and the structure is simple, so
Low cost. Note that by controlling the gripping force using the signal from the displacement sensor, it is also possible to measure the width of the gripped object regardless of whether it is soft or hard.

第1図図示ロボツト・ハンドの特にボイスコイ
ルモータ6の部分を、第3図図示のように構成す
ることにより、ロボツト・ハンドの小形/軽量化
が可能になる。第3図は、本発明に係る物品処理
装置の一実施例分解斜視図を示す。
By configuring the robot hand shown in FIG. 1, particularly the voice coil motor 6, as shown in FIG. 3, the robot hand can be made smaller and lighter. FIG. 3 shows an exploded perspective view of an embodiment of the article processing apparatus according to the present invention.

図中、符号2ないし5は第1図に対応し、7−
1,7−2は永久磁石であつて、第1図図示永久
磁石7に対応するもの、8′はコイルであつて、
第1図図示コイル8に対応するもの、9−1,9
−2は継鉄であつて、第1図図示継鉄9に対応す
るもの、14は端子、15はボビン、16はスペ
ーサ、17および18はネジ穴を表わす。
In the figure, numerals 2 to 5 correspond to those in FIG. 1, and 7-
1 and 7-2 are permanent magnets, which correspond to the permanent magnet 7 shown in FIG. 1, and 8' is a coil,
Corresponding to the coil 8 shown in FIG. 1, 9-1, 9
-2 is a yoke corresponding to the yoke 9 shown in FIG. 1, 14 is a terminal, 15 is a bobbin, 16 is a spacer, and 17 and 18 are screw holes.

指部3−1,3−2を開閉させるアクチユエー
タとして、例えば第1図に示したような、円筒型
のボイスコイルモータ6を用いた場合、ボイスコ
イルモータ6をハンドの開閉方向に取り付けなけ
ればならない。従つて、この場合ハンドを小形/
軽量化することが難しい。そこで、第3図に示す
如く、平板形のコイル8′および永久磁石7−1,
7−2をハンドの側面に取り付けた形のボイスコ
イルモータを用いる。
If a cylindrical voice coil motor 6 as shown in FIG. 1 is used as the actuator for opening and closing the finger parts 3-1 and 3-2, the voice coil motor 6 must be installed in the opening and closing direction of the hand. It won't happen. Therefore, in this case, the hand should be small/
Difficult to reduce weight. Therefore, as shown in FIG. 3, a flat coil 8' and a permanent magnet 7-1,
7-2 is attached to the side of the hand using a voice coil motor.

永久磁石7−1が取り付けられた継鉄9−1
と、例えばアルミニウム等の非磁性材からなるス
ペーサ16と、永久磁石7−2が取り付けられた
継鉄9−2とは、ハンド基部2のネジ穴18にネ
ジ止めされる。一方、ボビン15に形成された平
板形コイル8′は、平行バネ4によつて開閉のた
めに移動する指部3−2の先端側に、固着され
る。これによつて、端子14に通電すれば、コイ
ル8′および磁気回路の作用により、指部3−2
の先端が、ハンド開閉方向に力を受けることにな
る。なお、第3図図示の如きボイスコイルモータ
を、ハンドの両側面に用いるようにしてもよい。
Yoke 9-1 with permanent magnet 7-1 attached
The spacer 16 made of a non-magnetic material such as aluminum, and the yoke 9-2 to which the permanent magnet 7-2 is attached are screwed into the screw hole 18 of the hand base 2. On the other hand, the flat coil 8' formed on the bobbin 15 is fixed to the tip side of the finger portion 3-2, which is moved by the parallel spring 4 for opening and closing. As a result, when the terminal 14 is energized, the action of the coil 8' and the magnetic circuit causes the finger portion 3-2 to
The tip of the handle receives force in the direction of opening and closing the hand. Note that voice coil motors as shown in FIG. 3 may be used on both sides of the hand.

以上のようにボイスコイルモータを平板形コイ
ルにより実現することにより、スペースセイビン
グがなされ、ハンドの小形/軽量化が可能にな
る。
By realizing the voice coil motor using a flat coil as described above, space is saved and the hand can be made smaller and lighter.

ところで、一般のボイスコイルモータのボビン
としては、従来、樹脂等のプラスチツクを用いる
のが通例であつた。しかし、ボビンとしてプラス
チツク等を用いると、熱伝導率が低く、コイルの
発熱により軟化するなどの問題がある。そこで、
この欠点を解決するため、第3図図示ボビン15
をアルミ材で形成する。アルミ材は、軽量で熱伝
導率も高く、また剛性も高いという特徴を持つて
いる。さらに、アルミ材は電気伝導率も高いた
め、磁界中を移動すると大きな渦電流が誘起する
という利点がある。この渦電流の誘起は、ボイス
コイルモータの粘性制動係数を増加させる働きを
する。従つて、制御系の安定性を高めることがで
きる。ただし、コイル8′とボビン15の間の絶
縁は、しつかり取つておく必要がある。そこで、
ボビン15をアルマイト処理すれば、コイル8′
の巻線数に影響を与えることなく、良好な絶縁を
取ることができる。
Incidentally, conventionally, it has been customary to use plastic such as resin as the bobbin of a general voice coil motor. However, when plastic or the like is used as the bobbin, there are problems such as low thermal conductivity and softening due to heat generated by the coil. Therefore,
In order to solve this drawback, the bobbin 15 shown in FIG.
is made of aluminum. Aluminum material is lightweight, has high thermal conductivity, and is also highly rigid. Furthermore, since aluminum material has high electrical conductivity, it has the advantage of inducing large eddy currents when moving in a magnetic field. The induction of this eddy current serves to increase the viscous damping coefficient of the voice coil motor. Therefore, the stability of the control system can be improved. However, it is necessary to ensure sufficient insulation between the coil 8' and the bobbin 15. Therefore,
If the bobbin 15 is anodized, the coil 8'
Good insulation can be obtained without affecting the number of turns.

以上により、軽量、高剛性、高熱伝導率、高ダ
ンピングのボビンが安価に実現できる。なお、ア
ルマイトの色は黒色が望ましい。黒色アルマイト
処理されたボビン15は、コイルの傷を防止する
ため、コイル外形に合せた溝が掘られている。
As a result of the above, a bobbin that is lightweight, has high rigidity, high thermal conductivity, and high damping can be realized at low cost. Note that the color of the alumite is preferably black. The bobbin 15, which has been treated with black alumite, has a groove formed to match the outer shape of the coil in order to prevent the coil from being scratched.

第4図は第3図図示磁石板の取り付けに関する
一実施例を説明するための図を示す。図中、符号
7−1または7−2および9−1または9−2
は、第3図に対応し、19は磁石固定板を表わ
す。
FIG. 4 shows a diagram for explaining an embodiment of attachment of the magnet plate shown in FIG. 3. In the figure, symbols 7-1 or 7-2 and 9-1 or 9-2
corresponds to FIG. 3, and 19 represents a magnet fixing plate.

第3図図示ロボツト・ハンドのボイスコイルモ
ータでは、小形/軽量化するため、永久磁石7−
1,7−2として、例えば希土類コバルト磁石が
用いられる。この磁石は、高保持力であるため、
磁気回路組上げ後に着磁するのではなく、一般的
に着磁済みのものを組込むようにされる。この場
合、第3図に示すような磁石配置にしようとする
と、磁石同士が吸引または反撥し合うため、磁石
の組込み、接着に多大な時間を浪費することにな
る。
In the voice coil motor of the robot hand shown in Figure 3, permanent magnets 7-
For example, rare earth cobalt magnets are used as the magnets 1 and 7-2. This magnet has a high holding power, so
Rather than magnetizing the magnetic circuit after assembling it, a magnetized one is generally installed. In this case, if an attempt is made to arrange the magnets as shown in FIG. 3, the magnets will attract or repel each other, and a great deal of time will be wasted in assembling and adhering the magnets.

そこで、例えば第4図に示すように、磁石固定
板19を用いることにより、永久磁石7−1,7
−2の位置出しを容易にしている。すなわち、磁
石固定板19には、永久磁石7−1,7−2の外
形より若干大きめの角穴が設けられ、この穴に永
久磁石7−1,7−2をはめ込むことにより、継
鉄9−1,9−2の面上で磁石位置の位置出しを
行うようにされる。磁石固定板19は非磁性材で
あれば、どのような材質のものでもよい。また、
磁石固定板19の厚さは、磁石の吸引/反撥力に
よる飛び出しを考慮して、磁石厚とほぼ同じか、
若干薄めがよい。
Therefore, as shown in FIG. 4, for example, by using a magnet fixing plate 19, the permanent magnets 7-1, 7
-2 is made easy to locate. That is, the magnet fixing plate 19 is provided with square holes that are slightly larger than the outer dimensions of the permanent magnets 7-1 and 7-2, and by fitting the permanent magnets 7-1 and 7-2 into these holes, the yoke 9 The magnet position is determined on the -1 and 9-2 planes. The magnet fixing plate 19 may be made of any non-magnetic material. Also,
The thickness of the magnet fixing plate 19 should be approximately the same as the thickness of the magnet, taking into account protrusion due to attraction/repulsion of the magnet.
A little thinner is better.

以上のように磁石固定板19を用いることによ
り、永久磁石7−1,7−2の位置出しが容易に
なり、短時間で製造できるばかりでなく、永久磁
石7−1,7−2と継鉄9−1,9−2との接着
処理も不要となり、大幅にコストダウンできるよ
うになる。
By using the magnet fixing plate 19 as described above, the permanent magnets 7-1 and 7-2 can be easily positioned, and not only can they be manufactured in a short time, but also can be connected to the permanent magnets 7-1 and 7-2. Adhesion treatment with irons 9-1 and 9-2 is also unnecessary, making it possible to significantly reduce costs.

第1図または第3図に示したような、上記ロボ
ツト・ハンドは、操作対象物すなわち把持物体
が、ほぼ一定の大きさのものである場合に、構造
も比較的シンプルであるため、微小力制御可能な
グリツパとして、極めて有用である。しかし、ハ
ンドの開閉スパンは、平行バネ4の長さにもよる
が、例えば4〔mm〕程度が限度となり、把持物体
の大きさが変わる場合には、それに対応して、ロ
ボツト・ハンドの交換が必要となる。
The above-mentioned robot hand as shown in FIG. 1 or 3 has a relatively simple structure when the object to be manipulated, that is, the object to be grasped, is of a substantially constant size, so that it can be operated with minimal force. Extremely useful as a controllable gripper. However, the opening/closing span of the hand is limited to about 4 mm, for example, depending on the length of the parallel spring 4, and if the size of the grasped object changes, the robot hand must be replaced accordingly. Is required.

第5図はこの点を改良したロボツト・ハンドの
一実施例斜視図、第6図は第5図図示実施例の制
御ブロツク図を示す。図中、3−1および3−2
は第1図に対応する指部、22はボイスコイルモ
ータのボイスコイル部、23はボイスコイルモー
タの磁気回路部、24は直流モータ、25は角度
エンコーダ、26は送りネジ、28は把持力制御
部、29は定電流アンプを表わす。
FIG. 5 is a perspective view of an embodiment of a robot hand improved in this respect, and FIG. 6 is a control block diagram of the embodiment shown in FIG. In the figure, 3-1 and 3-2
1 is a finger portion corresponding to FIG. 1, 22 is a voice coil portion of the voice coil motor, 23 is a magnetic circuit portion of the voice coil motor, 24 is a DC motor, 25 is an angle encoder, 26 is a feed screw, and 28 is a gripping force control. 29 represents a constant current amplifier.

本実施例においては、把持物体の幅の大小に影
響されずに、指示した把持力でもつて、物体を把
持できるようにするため、第5図図示の如く、一
対の指部3−1,3−2が左右に分割されて設け
られる。指部3−1,3−2の下方には、送りネ
ジ26を通しており、送りネジ26の指部3−1
側は、例えば左ネジ、また指部3−2側は、右ネ
ジになつている。このように逆方向にネジを切つ
ていることにより、送りネジ26が回転すれば、
指部3−1および指部3−2は、それぞれ反対方
向に移動し、スパン可変となる。送りネジ26
は、比較的小形の直流モータ24に直結され、直
流モータ24の回転により、指部移動の力を得
る。直流モータ24には、角度エンコーダ25が
設けられており、直流モータ24の回転角を角度
エンコーダ25で知ることにより、ハンドのスパ
ン制御が可能になつている。
In this embodiment, in order to be able to grip an object with a specified gripping force without being affected by the width of the object to be gripped, a pair of finger portions 3-1 and 3-3 are provided as shown in FIG. -2 is divided into left and right. The feed screw 26 is passed below the finger portions 3-1 and 3-2, and the finger portion 3-1 of the feed screw 26
The side is, for example, a left-hand thread, and the finger portion 3-2 side is a right-hand thread. By cutting the screw in the opposite direction in this way, if the feed screw 26 rotates,
The finger portion 3-1 and the finger portion 3-2 move in opposite directions and have variable spans. Feed screw 26
is directly connected to a relatively small DC motor 24, and the rotation of the DC motor 24 provides the force for moving the fingers. The DC motor 24 is provided with an angle encoder 25, and by knowing the rotation angle of the DC motor 24 with the angle encoder 25, span control of the hand becomes possible.

指部3−2の上部先端部分は、第1図および第
3図で説明したような平行バネによつて支持され
ており、指部3−2の上部に装着されるボイスコ
イル部22と、指部3−2の下部に装着される磁
気回路部23によつて構成されるボイスコイルモ
ータによつて、指部の開閉方向に力が与えられる
ようになつている。なお、該ボイスコイルモータ
の内部構成は、第3図で説明したものと同様にな
つているので詳細な説明を省略する。
The upper tip portion of the finger portion 3-2 is supported by a parallel spring as described in FIGS. 1 and 3, and includes a voice coil portion 22 attached to the upper portion of the finger portion 3-2. A voice coil motor constituted by a magnetic circuit section 23 attached to the lower part of the finger section 3-2 applies force in the opening/closing direction of the finger section. Note that the internal configuration of the voice coil motor is similar to that explained in FIG. 3, so a detailed explanation will be omitted.

第6図において、把持力制御部28は、第2図
に図示したものと同様な制御を行うようになつて
おり、一方、スパン制御については、スパン入力
を定電流アンプ29を経て、直流モータ24に伝
達し、角度エンコーダ25による検出値をフイー
ドバツクさせるようになつている。すなわち、ボ
イスコイルモータは把持力、直流モータ24は把
持幅の制御に用いられ、把持物体幅によらずに常
に正確な把持力が制御できるようになつている。
In FIG. 6, the gripping force control unit 28 performs the same control as that shown in FIG. 24, and the detected value by the angle encoder 25 is fed back. That is, the voice coil motor is used to control the gripping force, and the DC motor 24 is used to control the gripping width, so that accurate gripping force can always be controlled regardless of the width of the gripped object.

もし、ボイスコイルモータが存在せず、スパン
制御を行う直流モータのみで把持力を制御すると
すれば、直流モータ部および送りネジ部等の可動
部摩擦により、制御系に不感帯が存在し、そのた
め、例えば数g以下の力制御は、不可能に近い。
本実施例においては、上記不感帯によるスパン誤
差を消すことができないのは当然同じであるが、
ボイスコイルモータにより、前述したような把持
力制御を行うため、ある範囲内であれば、スパン
の変位に影響されない力制御が可能となり、例え
ばスパン誤差が±2〔mm〕の範囲内であれば、正
確な把持力を制御することができる。
If there is no voice coil motor and the gripping force is controlled only by a DC motor that performs span control, there will be a dead zone in the control system due to friction in moving parts such as the DC motor and the feed screw. For example, force control of less than several grams is nearly impossible.
In this embodiment, it is of course impossible to eliminate the span error due to the dead zone, but
Since the voice coil motor performs gripping force control as described above, force control that is not affected by span displacement is possible within a certain range; for example, if the span error is within ±2 [mm]. , accurate gripping force can be controlled.

換言すれば、把持物体の幅を例えば±2〔mm〕
以内の精度で与えれば、本実施例のロボツト・ハ
ンドは、正確な把持力で対象物を把持することが
できる。特に、ボイスコイルモータの支持系に摩
擦がないため、摩擦力による外乱に影響されない
高精度な力制御が容易に実現できる。
In other words, if the width of the gripped object is, for example, ±2 [mm]
The robot hand of this embodiment can grip an object with accurate gripping force if the gripping force is applied with an accuracy within the range of 1. In particular, since there is no friction in the support system of the voice coil motor, highly accurate force control that is unaffected by disturbances caused by frictional force can be easily achieved.

第5図図示実施例において説明したロボツト・
ハンドにおいては、ボイスコイルモータによる把
持力の制御と、直流モータ24によるスパンの制
御とを、全く独立に行うようにされている。これ
らの制御を関連させて、例えば直流モータ24の
制御についても、指部3−2のバネ体部分に設け
られた変位センサからの信号にもとづいて制御で
きれば、さらに正確で速応性よい微小力制御が可
能になると考えられる。
The robot explained in the illustrated embodiment in FIG.
In the hand, the grip force control by the voice coil motor and the span control by the DC motor 24 are performed completely independently. In conjunction with these controls, for example, if the control of the DC motor 24 can be controlled based on the signal from the displacement sensor provided on the spring body portion of the finger portion 3-2, micro-force control with even more accuracy and quick response can be achieved. It is thought that this will become possible.

第7図は他の本発明の一実施例斜視図、第8図
は第7図図示実施例を説明するための模式図、第
9図および第10図は第7図図示実施例について
の力制御系のブロツク図、第11図はボイスコイ
ルモータを除いたロボツト・ハンドの一実施例正
面図、第12図は第11図図示ロボツト・ハンド
の右側面図、第13図は第11図図示A−A′線
における断面図、第14図は第11図図示ロボツ
ト・ハンドにボイスコイルモータを取り付けた一
実施例正面図、第15図は第14図図示ロボツ
ト・ハンドの右側面図、第16図はロボツト・ハ
ンドの指部の一実施例形状を説明するための図、
第17図および第18図はネジ送り機構ナツト部
の一実施例構成を説明するための図を示す。
FIG. 7 is a perspective view of another embodiment of the present invention, FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the embodiment shown in FIG. 7, and FIGS. A block diagram of the control system, Fig. 11 is a front view of an embodiment of the robot hand excluding the voice coil motor, Fig. 12 is a right side view of the robot hand shown in Fig. 11, and Fig. 13 is a view shown in Fig. 11. 14 is a front view of an embodiment in which a voice coil motor is attached to the robot hand shown in FIG. 11, and FIG. 15 is a right side view of the robot hand shown in FIG. Figure 16 is a diagram for explaining the shape of one embodiment of the finger part of the robot hand.
FIGS. 17 and 18 are diagrams for explaining the structure of an embodiment of the nut portion of the screw feeding mechanism.

第7図ないし第18図において、符号3−1,
3−2,4,5は第1図に対応し、22ないし2
4は第5図に対応し、30はストツパ、31はベ
ース、32はベアリング、40は突起部、41は
側板、45は弾性体、46はナツト、47は指部
における〆ネジ部を表わす。
In FIGS. 7 to 18, reference numerals 3-1,
3-2, 4, 5 correspond to Figure 1, 22 to 2
4 corresponds to FIG. 5, 30 is a stopper, 31 is a base, 32 is a bearing, 40 is a protrusion, 41 is a side plate, 45 is an elastic body, 46 is a nut, and 47 is a screw part in a finger part.

第7図等からわかるように、本実施例のロボツ
ト・ハンドは、第5図図示実施例のロボツト・ハ
ンドと同様な外観構成となつている。指部3−
1,3−2は切り離されて設けられ、右ネジおよ
び左ネジが各指部3−1,3−2に対応して刻ま
れた送りネジ26に搭載されている。この送りネ
ジ26に直結された直流モータ24の回転に従い
左右の指は開閉する。指部3−2には平行バネ4
が構成できるように角穴が設けてあり、そのバネ
面に変位センサとしてストレインゲージ5が貼ら
れている。この様な構成に於いて、指部3−2に
搭載されたボイスコイルモータが主で、送りネジ
26を回転させる直流モータ24は従として動作
する。即ち、ボイスコイルモータの変位だけで
は、対象物を把持できない場合に、所要スパンと
なる様に直流モータ24が回転して、所定スパン
に制御する。このスパン制御のみでも力制御でき
ないことはないが、通常、送りネジ26の様な移
動機構は摩擦が大きいため、制御系に不感帯が存
在し、前述の如く、グラムオーダの力制御は困難
となる。即ち、移動機構の摩擦力以下の力を制御
するには、高度な制御方式を用いなければなら
ず、制御設計、調整に多大の時間を必要とするこ
とになる。
As can be seen from FIG. 7, etc., the robot hand of this embodiment has a similar external appearance to the robot hand of the embodiment illustrated in FIG. Finger part 3-
1 and 3-2 are provided separately, and a right-handed screw and a left-handed screw are mounted on a feed screw 26 that is carved corresponding to each finger portion 3-1, 3-2. The left and right fingers open and close as the DC motor 24, which is directly connected to the feed screw 26, rotates. A parallel spring 4 is attached to the finger portion 3-2.
A square hole is provided so that the spring surface can be configured with a strain gauge 5 as a displacement sensor. In such a configuration, the voice coil motor mounted on the finger portion 3-2 operates as the main motor, and the DC motor 24 that rotates the feed screw 26 operates as a slave. That is, when the object cannot be gripped only by the displacement of the voice coil motor, the DC motor 24 rotates to achieve the required span, thereby controlling the span to a predetermined value. Although it is not impossible to control the force with this span control alone, normally a moving mechanism such as the feed screw 26 has large friction, so there is a dead zone in the control system, and as mentioned above, it is difficult to control the force on the gram order. . That is, in order to control a force that is less than the frictional force of the moving mechanism, a sophisticated control method must be used, and a large amount of time is required for control design and adjustment.

本発明によるロボツト・ハンドでは、平行バネ
4を支持機構とした指部3−2に把持力を与える
ボイスコイルモータと、摩擦が大きく安定に制御
できる送りネジ26を駆動する直流モータ24か
らなるいわゆるハイブリツド・アクチユエート機
構を採用することにより、非常に容易に微小力制
御がなされる。なお、上記ボイスコイルモータ
は、ボイスコイル部22と磁気回路部23を有
し、第3図などにおいて前述したボイスコイルモ
ータと同様な構造をもつ。
The robot hand according to the present invention has a so-called voice coil motor that uses a parallel spring 4 as a support mechanism to apply a gripping force to the finger part 3-2, and a DC motor 24 that drives a feed screw 26 that has high friction and can be stably controlled. By adopting a hybrid actuate mechanism, micro-force control can be performed very easily. The voice coil motor has a voice coil section 22 and a magnetic circuit section 23, and has the same structure as the voice coil motor described above in FIG. 3 and the like.

次に、ハイブリツド・アクチユエート機構の制
御方式を通して、本実施例の微小力制御メカニズ
ムを説明する。なお、第9図、第10図および以
下の説明で用いられるパラメータは、以下の通り
である。
Next, the micro-force control mechanism of this embodiment will be explained through the control method of the hybrid actuate mechanism. Note that the parameters used in FIGS. 9 and 10 and the following explanation are as follows.

U1(S):直流モータへの入力 U2(S):ボイスコイルモータへの入力 S:ラプラス演算子 On,Oc:論理演算素子の開ループゲイン On,Dc:粘性制動係数 B:ボイスコイルモータの空隙磁束密度 l:ボイスコイルモータの巻線の長さ Lc:ボイスコイルモータのインダクタンス Rc:ボイスコイルモータの端子間抵抗 Ic:ボイスコイルモータの電流帰還定数 Vc:ボイスコイルモータの速度帰還定数 Pc:ボイスコイルモータの位置帰還定数 Mc:ボイスコイルモータの可動部質量 k:指部の平行バネのバネ定数 xc:指部の平行バネの変位 Kn:直流モータの誘起電圧定数 Ln:直流モータのインダクタンス Rn:直流モータの端子間抵抗 In:直流モータの電流帰還定数 Vn:直流モータの速度帰還定数 Pn:直流モータの位置帰還定数 Mn:直流モータの負荷質量からボイスコイル
モータの可動部質量を引いたもの xn:送りネジによる移動変位 Fr(S):直流モータ駆動系の摩擦力 F(S):把持力 本実施例のロボツト・ハンドにおいては、第8
図に示す平行バネ4に貼られたストレインゲージ
5により平行バネ部の変位量が検知される。第9
図に図示した力制御系のブロツク図からわかるよ
うに、本制御方式においては、ボイスコイルモー
タには、平行バネ4に貼付されたストレインゲー
ジ5からの変位信号を正帰還し、直流モータ24
には、ボイスコイルモータと同じ平行バネの変位
および速度信号を負帰還するようにしている。す
なわち、送りネジ26の変位を検知せずに、平行
バネ4の変位量のみにより、送りネジ26による
送り量および指部3−1,3−2による把持力を
制御することを特徴としている。上記ボイスコイ
ルモータへの変位信号による正帰還量は、第2図
において説明した例と同様に決められる。
U 1 (S): Input to DC motor U 2 (S): Input to voice coil motor S: Laplace operator On , O c : Open loop gain of logic operation element On , D c : Viscous damping coefficient B: Air gap magnetic flux density of voice coil motor l: Length of winding of voice coil motor L c : Inductance of voice coil motor R c : Resistance between terminals of voice coil motor I c : Current feedback constant of voice coil motor V c : Speed feedback constant of the voice coil motor P c : Position feedback constant of the voice coil motor M c : Mass of the moving part of the voice coil motor k : Spring constant of the parallel spring in the finger part x c : Displacement of the parallel spring in the finger part K n : DC motor induced voltage constant L n : DC motor inductance R n : DC motor terminal resistance I n : DC motor current feedback constant V n : DC motor speed feedback constant P n : DC motor position feedback constant M n : Load mass of the DC motor minus mass of the moving part of the voice coil motor In the example robot hand, the eighth
A strain gauge 5 attached to the parallel spring 4 shown in the figure detects the amount of displacement of the parallel spring portion. 9th
As can be seen from the block diagram of the force control system shown in the figure, in this control system, the displacement signal from the strain gauge 5 attached to the parallel spring 4 is fed back positively to the voice coil motor, and the DC motor 24
In this case, the same parallel spring displacement and speed signals as the voice coil motor are fed back negatively. That is, the present invention is characterized in that the amount of feed by the feed screw 26 and the gripping force by the fingers 3-1, 3-2 are controlled only by the amount of displacement of the parallel spring 4 without detecting the displacement of the feed screw 26. The amount of positive feedback by the displacement signal to the voice coil motor is determined in the same manner as the example explained in FIG. 2.

このような制御系に、ボイスコイルモータへ
は、所要の把持力U2(S)、直流モータへはU1
(S)なる入力信号を与え、かつU1(S)=0とし
ておく、ボイスコイルモータは、例えば第8図に
模式的に示すボイスコイル22′に直結したスト
ツパ30が、磁気回路部23′の固定子に突き当
るまで一定力で内側に変位する。そして、直流モ
ータ24は、平行バネ4の変位xcがゼロとなるよ
うに回転する。しかし、このとき第9図から明ら
かなように、直流モータ24がいくら回転して
も、平行バネ4の変位xcをゼロにすることはでき
ない。(ただし、直流モータ24の発生する加速
度が非常に大きい場合は除く。)従つて、直流モ
ータ24は回転を続け、指は内側に向つて移動し
ていき、スパンが把持対象物の幅になつたときに
把持対象物につき当る。
In such a control system, the required gripping force U 2 (S) is applied to the voice coil motor, and the required gripping force U 1 is applied to the DC motor.
(S) and U 1 (S) = 0. In the voice coil motor, for example, a stopper 30 directly connected to the voice coil 22' schematically shown in FIG. is displaced inward with a constant force until it hits the stator. Then, the DC motor 24 rotates so that the displacement xc of the parallel spring 4 becomes zero. However, as is clear from FIG. 9, no matter how much the DC motor 24 rotates, the displacement xc of the parallel spring 4 cannot be made zero. (However, this does not apply when the acceleration generated by the DC motor 24 is extremely large.) Therefore, the DC motor 24 continues to rotate, the fingers move inward, and the span becomes the width of the object to be grasped. When the object is gripped, it hits the object to be gripped.

すると、ハンドの運動系が、対象物を把持する
前には、 Mcx¨+(Mn+Mc)x¨n =−Dnx〓n+KnIn−Fr ……(6) Mc(x¨n+x¨c =−kxc−Dcx〓c+BlIc ……(7) LnI〓n=−RnIn+En−Knx〓n ……(8) LcI〓c=−RcIc+Ec−Blx〓c ……(9) であつたのが、把持対象物に接触した時点から、
次のようになる。
Then, before the hand movement system grasps the object, M c x¨ + (M n + M c ) x¨ n = −D n x〓 n + K n I n −F r ……(6) M c (x¨ n +x¨ c = −kx c −D c x〓 c +BlI c ……(7) L n I〓 n = −R n I n +E n −K n x〓 n ……(8) L c I〓 c = −R c I c +E c −Blx〓 c ...(9) However, from the moment of contact with the object to be grasped,
It will look like this:

Mnc =−kxc+BlIc+KnIn−Fr−(Dn+Dc)x〓c
……(10) LnI〓n=−RnIn+En−Knx〓c ……(11) LcI〓c=−RcIc+Ec−Blx〓c ……(12) 接触時点を初期値(時間t=0)とすると、制
御システムは、第10図図示のようになる。本制
御系の伝達関数を求めると、以下のように表わす
ことができる。ここで、演算増幅器の開ループゲ
インは nc≒∞ と仮定している。
M nc = −kx c +BlI c +K n I n −F r −(D n +D c )x〓 c
…(10) L n I〓 n =−R n I n +E n −K n x〓 c …(11) L c I〓 c =−R c I c +E c −Blx〓 c …(12 ) If the contact point is set to an initial value (time t=0), the control system becomes as shown in FIG. The transfer function of this control system can be expressed as follows. Here, it is assumed that the open loop gain of the operational amplifier is n = c ≒∞.

Kn/InU1(S)+Kc/IcU2(S)={MnS2+(Kn/In
Vn+Kc/IcVc)S+Kn/InPn −Kc/IcPc+k}X(S)+Fr(S) ……(13) また、U1(S)=0と設定してあるから、目標
入力U2(S)、摩擦力Fr(S)および出力X(S)
の間には、次の関係が成り立つ。
K n /I n U 1 (S) + K c /I c U 2 (S) = {M n S 2 + (K n /I n
V n +K c /I c V c )S + K n /I n P n -K c /I c P c +k}X(S) + F r (S) ...(13) Also, U 1 (S) = 0 Therefore, the target input U 2 (S), friction force F r (S) and output X (S)
The following relationship holds true between them.

X(S)=Kc/Ic・1/MnS2+(Kn/InVn+Kc/IcVc
)S+Kn/InPn−Kc/IcPc+k・U2(S) −1/MnS2+(Kn/InVn+Kc/IcVc)S+Kn/InPn
−Kc/IcPc+k・Fr(S)……(14) この第(14)式から明らかなこととして、以下
のことなどが挙げられる。
X(S)=K c /I c・1/M n S 2 + (K n /I n V n +K c /I c V c
)S+K n /I n P n -K c /I c P c +k・U 2 (S) -1/M n S 2 + (K n /I n V n +K c /I c V c )S+K n / I n P n
−K c /I c P c +k·F r (S) (14) The following is clear from this equation (14).

本制御システムは可観測・可制御である。 This control system is observable and controllable.

(但し、Kn/InPn−Kc/IcPc+k>0の範囲で) ステツプ入力に対し定常位置誤差が生ずる。 (However, in the range of K n /I n P n -K c /I c P c +k>0) A steady position error occurs with respect to the step input.

摩擦の存在により定常位置誤差が生ずる。 The presence of friction causes steady-state position errors.

2台のアクチユエイタが1台のハイブリツド
モータとして制御できる。
Two actuators can be controlled as one hybrid motor.

すなわち、第(14)式の特性は、ボイスコイル
モータを用いない1台の直流モータの場合と同様
な特性を表わすもので、位置制御としては、改善
がみられない。しかし、指部が発生している把持
力F(S)に対する入力に対する関係は、 F(S)=Kc/IcU2(S)−Kc/Ic(VcS−Pc +Ic/Kck)X(S) ……(15) となるため、位置帰還定数Pcを Pc=Ic/Kck ……(16) と設定し、系の安定のために帰還している速度の
帰還定数Vcをゼロとすれば、F(S)は変位に関
係なく、且つ、時間遅れ及び定常誤差もなく制御
でき。即ち、接触と同時に正確な把持力制御が、
直流モータ24の定常位置誤差に関係なく、可能
となる。又、Vcをゼロとしても、ボイスコイル
モータの持つ粘性制御(非常に小さい値)によ
り、系のダンピングはゼロとならず系は安定であ
る。
That is, the characteristics of equation (14) represent the same characteristics as in the case of a single DC motor that does not use a voice coil motor, and no improvement is seen in terms of position control. However, the relationship between the grip force F(S) generated by the fingers and the input is F(S) = K c /I c U 2 (S) - K c /I c (V c S - P c + I c / K c k ) If the feedback constant V c of the speed being controlled is set to zero, F(S) can be controlled regardless of displacement and without time delay or steady-state error. In other words, accurate gripping force control at the same time as contact,
This is possible regardless of the steady-state position error of the DC motor 24. Furthermore, even if V c is set to zero, the damping of the system does not become zero due to the viscosity control (very small value) of the voice coil motor, and the system remains stable.

上記第(16)式を成立させるためには、バネ定
数kを検出するセンサの変位に関する線形性が問
題になるが、第8図に示したような平行バネ4
は、一方向のみに剛性を弱くすることができる構
造を持ち、ストレインゲージ5でも、ねじり等の
影響を受けずに、精度よくバネ定数kを検出する
ことができる。
In order to establish the above equation (16), the linearity of the displacement of the sensor that detects the spring constant k is a problem.
has a structure in which the rigidity can be weakened in only one direction, and even the strain gauge 5 can accurately detect the spring constant k without being affected by torsion or the like.

以上のように、本実施例のロボツト・ハンドに
よれば、摩擦等の外乱に関係がなく、しかも正確
に微小力から大きな力まで制御することが可能と
なる。また、若干の誤差はあるにしても、常にバ
ネの変位量がほとんどゼロの姿勢で把持対象物を
把持するため、例えば送りネジ26と指部の〆ネ
ジ部とがこじらずネジの寿命が長いなどの移動機
構の耐久性にも優れている。
As described above, the robot hand of this embodiment is independent of disturbances such as friction, and moreover, it is possible to accurately control from a minute force to a large force. In addition, even if there is a slight error, the object to be gripped is always gripped in a posture where the displacement of the spring is almost zero, so for example, the feed screw 26 and the final screw part of the finger part do not get twisted, and the life of the screw is long. The durability of the moving mechanism is also excellent.

さらに、本ロボツト・ハンドの応答時間は、上
記第(14)式および第(16)式から明らかなよう
に、直流モータの位置帰還定数Pnで決まる。一
般に、Pnを大きくすると制御系は不安定となり、
発振状態となる。このとき、摩擦力は、この発振
を制動するように働く。本力制御系では、摩擦に
よる位置誤差は、上述の如く把持力に影響を与え
ないため、系の摩擦力を大きくすることができ、
系の摩擦力を適当に大きくすることにより、系の
速応性を向上させることができる。特に、移動機
構として送りネジ機構を用いれば、ネジによる移
動は摩擦が比較的大きいため、系の速応性向上に
有用である。
Furthermore, as is clear from the above equations (14) and (16), the response time of the robot hand is determined by the position feedback constant P n of the DC motor. Generally, as P n becomes larger, the control system becomes unstable;
It becomes an oscillating state. At this time, the frictional force acts to dampen this oscillation. In this force control system, position errors due to friction do not affect the gripping force as described above, so the frictional force of the system can be increased.
By appropriately increasing the frictional force of the system, the rapid response of the system can be improved. In particular, if a feed screw mechanism is used as the movement mechanism, the movement by the screw has relatively large friction, so it is useful for improving the rapid response of the system.

第7図に図示したロボツト・ハンドの正面図お
よび側面図等は、第11図ないし第15図の通り
である。ここで、第11図ないし第13図はボイ
スコイルモータ部分を取り外した状態を示し、第
14図および第15図はボイスコイルモータを装
着した状態のものを示している。特に、指部3−
2の外側には、第11図および第14図に示すよ
うな突起部40が設けられる。この突起部40
は、送りネジ26によつて、ハンドが開くように
移動させられると、最終的に、ベース31に固着
された側板41に接触するようになつている。
The front view, side view, etc. of the robot hand shown in FIG. 7 are as shown in FIGS. 11 to 15. Here, FIGS. 11 to 13 show the voice coil motor with the voice coil motor removed, and FIGS. 14 and 15 show the voice coil motor attached. In particular, finger portion 3-
2 is provided with a protrusion 40 as shown in FIGS. 11 and 14. This protrusion 40
When the hand is moved open by the feed screw 26, it finally comes into contact with a side plate 41 fixed to the base 31.

従来のロボツト・ハンドにおいては、一般にハ
ンドの開放を変位指令で行つている。しかし、ハ
ンドの開放を変位指令で行うと、変位誤差によ
り、こじりが生じ、好しくない。本実施例におい
ては、ボイスコイルモータが搭載されている方の
指部3−2の外側にストツパとなる突起部40が
設けられているので、力制御により、ハンドの開
放を行うことができるようになつている。すなわ
ち、ハンドの閉じた状態と同じ制御により、開放
の制御を行う。第9図および第10図の力制御系
のブロツク図において、ハンドを開放する場合
に、ハンドを閉じる場合と逆符号の信号をU2
(S)として与える。そうすると、平行バネ4に
よる指部3−2の外側への変位により、この変位
信号が直流モータ24の制御系に伝達され、送り
ネジ26による移動機構によつて、ハンドは開放
側に移動して行き、突起部40が側板41に接触
する。突起部40が側板41に接触して、所定の
力で押し付けられた状態になると、平行バネ4の
変位が元に戻り、指部の移動は停止する。このよ
うに、力制御により、ハンドの開閉制御を行うこ
とができるので、移動機構等にこじりの発生がな
い。
In conventional robot hands, the hand is generally opened using a displacement command. However, if the hand is opened using a displacement command, distortion occurs due to a displacement error, which is not preferable. In this embodiment, a protrusion 40 serving as a stopper is provided on the outside of the finger 3-2 on which the voice coil motor is mounted, so that the hand can be opened by force control. It's getting old. That is, the opening control is performed using the same control as when the hand is closed. In the block diagrams of the force control system in Figures 9 and 10, when opening the hand, a signal with the opposite sign to that when closing the hand is sent to U2.
Give as (S). Then, due to the outward displacement of the finger portion 3-2 by the parallel spring 4, this displacement signal is transmitted to the control system of the DC motor 24, and the hand is moved to the open side by the movement mechanism of the feed screw 26. Then, the protrusion 40 contacts the side plate 41. When the protrusion 40 comes into contact with the side plate 41 and is pressed with a predetermined force, the displacement of the parallel spring 4 returns to its original state and the movement of the finger stops. In this way, since the opening and closing of the hand can be controlled by force control, there is no strain on the moving mechanism or the like.

同じ制御原理により、操作対象物を、いわゆる
内つかみにより把持することができる。すなわ
ち、例えば指部の先端を、第16図イ図示指部3
−1′,3−2′のようにする。ハンドを閉じた状
態から、例えば第16図ロ図示のような管状の把
持対象物11′に対し、閉じる場合と逆符号のU2
(S)を制御系に与えれば、第16図ロに示す如
く、把持対象物11′を内側から把持する。勿論、
指部先端の形状等は、第16図に図示したものに
限られず、種々の変更が可能である。
Using the same control principle, the object to be manipulated can be gripped by a so-called internal grip. That is, for example, the tip of the finger part is connected to the finger part 3 shown in FIG.
-1', 3-2'. From the closed state of the hand, for example, when gripping a tubular object 11' as shown in FIG .
When (S) is applied to the control system, the object to be gripped 11' is gripped from the inside as shown in FIG. 16B. Of course,
The shape of the tip of the finger portion is not limited to that shown in FIG. 16, and various changes can be made.

ところで、本実施例のロボツト・ハンドにおい
て、直流モータによる移動機構に適当な摩擦があ
る方がよいことは、前述の通りである。そのた
め、送りネジ26が適しているが、さらに次のよ
うにすると、なお良い。第17図、およびその部
分断面図である第18図に示すように、送りネジ
26についてのナツト部を、指部の〆ネジ部4
7,47′とナツト46,46′との間に、例えば
ゴム板のような弾性体45,45′を挾むいわゆ
るバツクラツシユレス構造とする。こうすること
により、弾性体45によつてナツト46および指
部の〆ネジ部47は、第18図図示矢印方向へ力
を受け、送りネジ26と指部3−1,3−2との
ガタ付きが防止される。また、所定の摩擦力とな
るような調整も可能となる。
By the way, as mentioned above, in the robot hand of this embodiment, it is better that the moving mechanism using the DC motor has an appropriate amount of friction. Therefore, the feed screw 26 is suitable, but it is even better to use the following method. As shown in FIG. 17 and FIG. 18, which is a partial sectional view thereof, the nut portion of the feed screw 26 is attached to the final screw portion 4 of the finger portion.
A so-called backlashless structure is employed in which elastic bodies 45, 45', such as rubber plates, are sandwiched between 7, 47' and nuts 46, 46'. By doing this, the nut 46 and the closing screw part 47 of the finger part receive force in the direction of the arrow shown in FIG. sticking is prevented. Further, it is also possible to adjust the friction force to a predetermined value.

第19図は他の本発明の一実施例を示す図、第
20図は第19図図示実施例に用いられる回路の
例を示す。
FIG. 19 shows another embodiment of the present invention, and FIG. 20 shows an example of a circuit used in the embodiment shown in FIG.

図中、符号3−1,3−2,22,23,2
4,26は第7図に対応し、50は角度エンコー
ダ、51は信号ケーブル、52は電源、53はオ
ペ・アンプ、54はアナログ・デジタル変換器、
55はカウンタ、56はプロセツサ(CPU)、5
7および58は入出力ポートを表わす。
In the figure, symbols 3-1, 3-2, 22, 23, 2
4 and 26 correspond to FIG. 7, 50 is an angle encoder, 51 is a signal cable, 52 is a power supply, 53 is an operational amplifier, 54 is an analog-to-digital converter,
55 is a counter, 56 is a processor (CPU), 5
7 and 58 represent input/output ports.

前述した第7図図示ロボツト・ハンドなどにお
いては、操作対象物の幅が未知であつても、対象
物を把持することができる。一方、ロボツト・ハ
ンドにより把持した物体の幅を、ロボツトの制御
部が検知する必要がある場合少なくない。そこ
で、第19図図示の如く、スパン制御用の直流モ
ータ24により回転する軸の一端に、角度エンコ
ーダ50を取り付け、また例えば第20図に示す
ような幅を検知するための回路を設ける。なお、
他の部分については、第7図以下で説明した例と
同様であるので詳しい説明を省略する。
In the aforementioned robot hand shown in FIG. 7, the object can be grasped even if the width of the object is unknown. On the other hand, there are many cases in which the controller of the robot needs to detect the width of the object gripped by the robot hand. Therefore, as shown in FIG. 19, an angle encoder 50 is attached to one end of the shaft rotated by the DC motor 24 for span control, and a circuit for detecting the width, as shown in FIG. 20, for example, is provided. In addition,
The other parts are the same as the example described in FIG. 7 and subsequent figures, so detailed explanation will be omitted.

第20図において、平行バネによる変位量は、
ストレインゲージ5により検出され、オペ・アン
プ53により増幅されて、アナログ・デジタル変
換器54により、デジタル量に変換される。この
値をプロセツサ56は、入出力ポート57を経て
続み取ることができる。一方、角度エンコーダ5
0の出力は、信号ケーブル51を経て、カウンタ
55を増減させ、プロセツサ56は、入出力ポー
ト58から回転角度量に応じたカウンタ値を続み
取ることができる。
In Fig. 20, the amount of displacement due to the parallel spring is
It is detected by the strain gauge 5, amplified by the operational amplifier 53, and converted into a digital quantity by the analog-to-digital converter 54. This value can be passed on to processor 56 via input/output port 57. On the other hand, angle encoder 5
The output of 0 causes the counter 55 to increase or decrease through the signal cable 51, and the processor 56 can continue to receive the counter value corresponding to the amount of rotation angle from the input/output port 58.

把持物の幅の測定は、次のように行われる。ま
ず、ゼロ点を検知するため、予め、何もつかまな
い状態でハンドを閉じる。そのとき、カウンタ5
5をリセツトし、かつストレインゲージ5の出力
による変位に関する値を記憶し、初期値とする。
次に、幅測定の目的物である把持対象物を、既述
の制御方式により、微小力で把持し、そのときの
カウンタ55の値と、上記ストレインゲージ5の
変位初期値からのオフセツト量とを、予め実験な
どにより定めた換算値を掛けた上で加え合わせ
る。こうすることにより、本実施例のロボツト・
ハンドは、微小力でもつて物体を把持できるの
で、例えば軟いものであつても容易にその幅を測
定することができる。
The width of the object to be held is measured as follows. First, in order to detect the zero point, close the hand without grasping anything. At that time, counter 5
5, and the value related to the displacement due to the output of the strain gauge 5 is stored and set as an initial value.
Next, the object to be gripped, which is the object of width measurement, is gripped with a minute force using the control method described above, and the value of the counter 55 at that time and the offset amount from the initial displacement value of the strain gauge 5 are calculated. are multiplied by a conversion value determined in advance through experiments, etc., and then added together. By doing this, the robot of this example
Since the hand can grip an object with a very small force, it is possible to easily measure the width of even a soft object, for example.

(E) 発明の効果 以上説明した如く、本発明によれば、物品に対
し微小な力を付与できるようになる。例えばグラ
ムオーダーの任意の微小力でもつて、操作対象物
を把持することが可能になる。しかも、把持物体
の幅が一定していない場合であつても、所定の安
定した力で物体を把持することができる。従つ
て、例えば情報処理機器に用いられる磁気ヘツ
ド、ICチツプ等の微小な部品を取扱うような、
従来自動化が困難であつた分野におけるロボツト
の導入が、広く可能となる。
(E) Effects of the Invention As explained above, according to the present invention, it becomes possible to apply a minute force to an article. For example, it becomes possible to grip an object to be manipulated with any arbitrary minute force on the order of grams. Moreover, even if the width of the gripped object is not constant, the object can be gripped with a predetermined and stable force. Therefore, for example, when handling minute parts such as magnetic heads and IC chips used in information processing equipment,
It will now be possible to widely introduce robots in fields that have traditionally been difficult to automate.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例構成を示すロボツ
ト・ハンドの断面図、第2図は第1図図示実施例
の制御ブロツク図、第3図は本発明に係るロボツ
ト・ハンドの一実施例分解斜視図、第4図は第3
図図示ロボツト・ハンドの一実施例組立て説明
図、第5図は別の本発明に係るロボツト・ハンド
の一実施例斜視図、第6図は第5図図示実施例の
制御ブロツク図、第7図は他の本発明の一実施例
斜視図、第8図は第7図図示実施例を説明するた
めの模式図、第9図および第10図は第7図図示
実施例についての力制御系のブロツク図、第11
図はボイスコイルモータを除いたロボツト・ハン
ドの一実施例正面図、第12図は第11図図示ロ
ボツト・ハンドの右側面図、第13図は第11図
図示A−A′線における断面図、第14図は第1
1図図示ロボツト・ハンドにボイスコイルモータ
を取り付けた一実施例正面図、第15図は第14
図図示ロボツト・ハンドの右側面図、第16図は
ロボツト・ハンドの指部の一実施例形状を説明す
るための図、第17図および第18図はネジ送り
機構ナツト部の一実施例構成を説明するための
図、第19図は他の本発明の一実施例を示す図、
第20図は第19図図示実施例に用いられる回路
の例を示す。 図中、3−1および3−2は指部、4は平行バ
ネ、5はストレインゲージ、6はボイスコイルモ
ータ、8はコイル、22はボイスコイル部、23
は磁気回路部、24は直流モータ、26は送りネ
ジ、40は突起部、45は弾性体、50は角度エ
ンコーダを表わす。
FIG. 1 is a sectional view of a robot hand showing the configuration of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a control block diagram of the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 3 is an embodiment of the robot hand according to the present invention. Exploded perspective view, Figure 4 is the 3rd
FIG. 5 is a perspective view of another embodiment of the robot hand according to the present invention; FIG. 6 is a control block diagram of the illustrated embodiment; FIG. The figure is a perspective view of another embodiment of the present invention, FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the embodiment illustrated in FIG. 7, and FIGS. 9 and 10 are force control systems for the embodiment illustrated in FIG. 7. Block diagram, No. 11
The figure is a front view of an embodiment of the robot hand excluding the voice coil motor, Figure 12 is a right side view of the robot hand shown in Figure 11, and Figure 13 is a sectional view taken along the line A-A' in Figure 11. , Figure 14 is the first
Figure 1 is a front view of an embodiment in which a voice coil motor is attached to the robot hand shown in Figure 1.
A right side view of the illustrated robot hand, FIG. 16 is a diagram for explaining the shape of one embodiment of the finger portion of the robot hand, and FIGS. 17 and 18 are configurations of one embodiment of the nut portion of the screw feeding mechanism. FIG. 19 is a diagram showing another embodiment of the present invention,
FIG. 20 shows an example of a circuit used in the embodiment shown in FIG. In the figure, 3-1 and 3-2 are finger parts, 4 is a parallel spring, 5 is a strain gauge, 6 is a voice coil motor, 8 is a coil, 22 is a voice coil part, 23
24 is a magnetic circuit, 24 is a DC motor, 26 is a feed screw, 40 is a projection, 45 is an elastic body, and 50 is an angle encoder.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 物品に対する力付与指令を受け、指令された
力を物品に付与する力付与装置であつて、 一端が基部に固定された弾性体と、 前記弾性体の他端側に取付けられ、前記力を物
品に与えるための可動部と、 前記基部に取付けられた固定子と前記可動部に
取付けられた可動部とを含み、前記可動子を前記
固定子に対して移動せしめる駆動手段と、 前記弾性体が変位することにより生ずる反力を
検出する検出手段と、 前記力付与指令と前記検出手段よりの反力情報
を受け、前記反力を打消して指令された力を物品
に与えるように前記駆動手段を制御する制御手段
と、 を備えてなる力付与装置。 2 前記基部は、移動指令を受け、前記弾性体、
前記可動部および前記駆動手段を移動せしめる移
動機構であること、 を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の力付与
装置。 3 前記反力検出手段は、前記弾性体の変位を検
出する変位検出手段であること、 を特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項
記載の力付与装置。 4 前記移動機構は、前記変位検出手段からの変
位信号に基づいて駆動されるよう構成されてなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第2項記載の力
付与装置。 5 前記制御手段は、前記変位検出手段からの変
位信号が正帰還され、前記移動機構は、前記変位
検出手段からの変位信号および速度信号の和を負
の入力信号とすることを特徴とする特許請求の範
囲第4項記載の力付与装置。 6 前記駆動手段は、ボイスコイルモータである
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第
5項のいずれか1項に記載の力付与装置。 7 前記ボイスコイルモータは、少なくとも一対
の磁石板と、平板形コイルとを含んでなることを
特徴とする特許請求の範囲第6項記載の力付与装
置。 8 前記ボイスコイルモータのボビンは、アルマ
イト処理されたアルミ材で構成されてなることを
特徴とする特許請求の範囲第6項または第7項記
載の力付与装置。 9 前記ボイスコイルモータの磁石板は、非磁性
体板に当該磁石板寸法の穴を設け、該非磁性体板
の穴に挿入することにより、固定位置を位置出し
されてなることを特徴とする特許請求の範囲第7
項または第8項記載の力付与装置。 10 前記弾性体は、平行板ばねであることを特
徴とする特許請求の範囲第1項ないし第9項のい
ずれか1項に記載の力付与装置。 11 物品に対する力付与指令を受け、指令され
た力を物品に付与する力付与装置であつて、 一端が基部に固定された弾性体と、 前記弾性体の他端側に取付けられ、前記力を物
品に与えるための可動部と、 前記基部に取付けられた固定子と前記可動部に
取付けられた可動子とを含む直流モータと、 前記弾性体が変位することにより生じる反力を
検出する反力検出手段と、 前記力付与指令と前記反力情報を受け、前記反
力を打消して指令された力を物品に与えるように
前記直流モータを制御する制御手段と、 を備えてなる力付与装置。
[Scope of Claims] 1. A force applying device that receives a command to apply force to an article and applies the commanded force to the article, comprising an elastic body having one end fixed to a base, and the other end of the elastic body. a movable part attached to the article for applying the force to the article; a stator attached to the base; and a movable part attached to the movable part; a drive for moving the movable element relative to the stator; means, a detection means for detecting a reaction force generated by the displacement of the elastic body, and receiving the force application command and reaction force information from the detection means, canceling the reaction force and applying the commanded force to the article. A force applying device comprising: a control means for controlling the driving means so as to apply force to the force. 2 The base receives a movement command, and the elastic body
The force applying device according to claim 1, wherein the force applying device is a moving mechanism that moves the movable part and the drive means. 3. The force applying device according to claim 1 or 2, wherein the reaction force detection means is a displacement detection means for detecting displacement of the elastic body. 4. The force applying device according to claim 2, wherein the moving mechanism is configured to be driven based on a displacement signal from the displacement detecting means. 5. A patent characterized in that the control means receives a positive feedback of a displacement signal from the displacement detection means, and the moving mechanism uses the sum of the displacement signal and speed signal from the displacement detection means as a negative input signal. A force applying device according to claim 4. 6. The force applying device according to any one of claims 1 to 5, wherein the driving means is a voice coil motor. 7. The force applying device according to claim 6, wherein the voice coil motor includes at least a pair of magnet plates and a flat coil. 8. The force applying device according to claim 6 or 7, wherein the bobbin of the voice coil motor is made of an alumite-treated aluminum material. 9. A patent characterized in that the magnet plate of the voice coil motor is positioned at a fixed position by providing a hole of the size of the magnet plate in a non-magnetic plate and inserting the magnet plate into the hole of the non-magnetic plate. Claim No. 7
The force applying device according to item 8 or item 8. 10. The force applying device according to any one of claims 1 to 9, wherein the elastic body is a parallel leaf spring. 11 A force applying device that receives a command to apply force to an article and applies the commanded force to the article, which comprises an elastic body whose one end is fixed to a base, and a device that is attached to the other end of the elastic body and applies the commanded force to the article. a DC motor including a movable part for applying force to an article, a stator attached to the base and a mover attached to the movable part, and a reaction force for detecting a reaction force generated by displacement of the elastic body. A force applying device comprising: a detection unit; and a control unit that receives the force application command and the reaction force information and controls the DC motor so as to cancel the reaction force and apply the commanded force to the article. .
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