JPS60255390A - 弾性体の揺動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、端部が接続されて成る複数枚の板状の弾性体
を、板状の弾性体の板面に略垂直な方向から当該弾性体
に対して変形力を付与することにより揺動せしめる機構
の構造の改良に関するものである。　゛ 現在、Ｆ／Ａ　（ファクトリ−・オートメーション）、
ＦＭＳ（フレキシブル・マニファクチャリング・システ
ム）化が進むにつれ、ロボットの生産工程＾、の導入も
盛んになってきている。

一方、微細作業を必要とする例えば半導体プロセス、周
辺搬用磁気ヘッドの組立て、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、高度の知能を持ったロボットにより、自動化は進め
られると考えられるが、現時点では、例えばダラムオー
ダーの微小な力制御のできるロボッ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ットがないため、実現
が困難であった。

例えば、従来のロボットのハンドでは、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
せて切り変える必要があり、切り変えのタイミングが難
しいばかりではなく、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。従って、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角にそれぞれ２
つ必要となり、コスト高になるという問題がある。

〔従来技術〕

第３図は、このような問題に対応するために提案された
ロボットのハンドの一例を示す図である。

第４図は第３図に示すハンドの制御ブロック図である。

図中、符号１はロボット・アーム、２はハンド基部、３
−１および３−２は一対の指部、４は揺動機構を構成す
る平行バネ、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
ストッパ、１１は把持対象物を表わす。

ｔｌ［３−１，３−２は、ロボット・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によっ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によって、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っている。

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であって、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
なっている。これにより、把持対象物１１を把持または
隔成する。

なお、２枚の板状バネ体によっ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、バネを用いた１方向への移動ガイド
として適している。

第３図図示ロボット・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。

本例の制御においては、特に、 ■　平行バネ４のバネ力を打消ずように、変位センサで
あるストレインゲージ５がらの力信号を正帰還し、 ■　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。

ここで、発生力は、 発生力＝Ｂ／ｉ ただし、Ｂ：ボイスコイルモータの空隙磁束密度 ！＝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、発生力の電流に対数直線性が高いた
め計算値と実測値とは良好に一致する。

第３図図示ロボット・ハンドの制御ブロック図を第４図
に示す。電流、速度および変位を各々帰還する形となっ
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。

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β：ボイスコイ
ルモー゛夕のコイル巻線数量：可動部質量 Ｄ：粘性制動係数 に：平行バネのバネ定数 Ｘ：平行バネの変位 Ｏｃ：オペレーショナルアンプの開ループゲイン■ｃ：
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ニラプラス演算子 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、ｉ ｅ　＝　Ｒｉ＋　Ｌ　−＋　Ｂ　Ｉ　Ｑ　−−−−−−
−−−−−ｉｌｌｔ Ｂ　ｌ　ｉ　＝Ｍ’）Ｅ　Ｘ　＋Ｄ　灸＋ｋ　ｘ−−−
−−−−−−−・−（２１とする。

第４図において、把指令Ｒ（Ｓ）から平行バネの変位Ｘ
　（Ｓ）への伝達関数をめると、となる。従って、Ｒ（
Ｓ）がステップ状に変化した場合のＸ　（Ｓ）の定常値
は、 となる。即ち、この制御システムは上記第（４）式で表
わされ定席位置誤差を持っていることになる。

ここで、一般にＯｃは８０ｄｂ　〜１００ｄｂと非帛に
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、本ロボット・ハンドの制御には好まし
くない。把持物の幅が正確に分っていないと、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ったバネとして
作用し大きな力を発生するため、把持力の制御はできな
（なってしまう。

そこで、本例では、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
を抑える方式をとっている。

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、 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）から明らかなように、指の平行ハネのバネ定
数があたかも非常に小さくなったかのように見える。従
って、位置誤差に関して、ハネによる復元力は非常に小
さくなる。実験では、ハネ定数を見かけ上０．１　（ｇ
／ｍ）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〔籠〕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。

このような状態で把持物成分のみをＲ（Ｓ）として入力
すると、ロボット・ハンドは、把持物の幅によらず±０
．２（ｇ）以内の力誤差で、把持物の把持指令を与えれ
ば、一定の力でストッパ１０に接触し、開口状態となる
。

以上説明したように本実施例のロボット・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１
１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。

第５図は、揺動機構の従来技術を説明する図である。！ 図において、３０は接続部材３１に対して板３Ｑａ、３
０ｂが互いに平行となるように配置された平行バネ３０
Ａの変位方向と、板バネ３０Ｃ１３０ｄが互いに平行と
なるように配置された平行板バネ３０Ｂの変位方向が夫
々直交するように接続された板バネ組体、３２は平行板
バネ３０Ａの他端側が接続される部材、３３は部材３２
が固定される基台、３４は平行板バネ３０Ｂの他端側が
接続される部材、３５は部材３４に接続された軸である
。３６．３７は夫々平行板バネ３０Ａ。

３０Ｂに取付けられた歪ゲージ（図示しない）からの出
力信号に基づいて、駆動制御されるボイスコイルモータ
であって、夫々の可動子３６ａ。

３７ａが軸３５に接続されている。尚、第５図の構成の
ものにおいては、ボイスコイルモータの駆動制御回路は
第４図に示す構成のものと同じでよいが、夫々別個に設
けられる。

第５図に示す揺動機構は、第２図に示す機構の板バネの
変位方向が一方向であったものに対して、Ｘ−Ｙ平面内
における変位を可能としたものである。

〔・発明が解決しようとする問題点〕

第３図、第５図に示す構成のものにおいては、ボイスコ
イルモータが平行ハネの外部に設けられており、揺動機
構全体が大きくなり、微小な物品を把持するハンドが大
形化するという欠点がある。

また、第５図に示すものにおいては、例えば平行板バネ
３０Ｂの変位方向と平行となるように、軸３５に取付け
られるボイスコイルモータ３７に取付誤差△Ｏｙがある
と、平行板３０ＢをＹ軸方向に変位させるボイスコイル
モータを駆動した際に、Ｘ軸方向に変位する平行板バネ
３０Ａも動いてしまい、正確な駆動制御を行なうことが
できな（なるという欠点がある。このため、ボイスコイ
ルモータを高精度に取付けねばならず、高価なものとな
る。

〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、前述した問題点を解消することのできる弾性
体の揺動機構を提供するものであって、その手段は、対
向配置された複数枚の板状の弾性体と、前記複数枚の板
状の弾性体の端部を接続する接続部材と、前記板状の弾
性体の板面と略垂直な方向から前記板状の弾性体に変形
力を付与する手段とを備、えた弾性体の揺動機構であっ
、て、前記板状の弾性体に変形力を付与する手段は、前
記複数枚の板状の弾性体で囲まれた空間内に配置されて
成ることを特徴とする弾性体の揺動機構を提供すること
により達成される。

〔実施例〕

第１図は、本発明に係る弾性体の揺動機構の一実施例を
説明するための図である。

図において、４は対向配置される平行バネ、６はボイス
コイルモータ、２０は平行バネ４の上端部を接続する接
続部材、２１は平行バネ４の下端部を接続する接続部材
であって、例えば図示されない基本台等である。

２２は対向配置される平行ハネ４の間に設けられたボイ
スコイルモータ６を構成する固定子であって、永久磁石
２３が貼着されている。２４はコイルであって、接続部
材２０に固定されたＬ型金具２５の先端に設けられた筒
状部２６に巻回されており、図示しない上位装置により
電流を通電。

制御されることにより、前記筒状部２６を図中記号Ａで
示す矢印方向に往復動せしめ、平行バネ４を変形させる
。

以上説明した構成とすることにより、揺動機構全体を小
さくすることができる。

尚、本実施例においては、平行バネの場合について説明
したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例え
ば、平行バネの夫々の長さが異なる場合、平行でない場
合であっても適用可能である。

第２図は、本発明の他の実施例を示す図である。

図において、第５図と同一部分には同一番号を付す。

４０は平行板ハネ３０ＢをＹ方向に変位させるボイスコ
イルモータであって、接続部材３１上に載置された基台
４３上に設けられており、可動子４０ａが金具４２を介
して部材３４に接続されている。

４４は平行バネ３０ＡをＸ方向に変位させるボイスコイ
ルモータであって、部材３２上に載置された基台４５上
に設けられており、動揺に図示しない可動子が金具（図
示しない）を介して接続部材３１に接続されている。

以上発明した構成とすることにより、ボイスコイルモー
タの可動子の変位方向が必らずしも高精度に平行板バネ
の変位方向と平行となるように配置されていなくとも、
夫々Ｘ、Ｙ方向に変位する平行板バネを独立して駆動す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、安価で且つ小型
化が可能な弾性体の揺動機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明するための図。 第２図は他の実施例の説明図、第３図は従来のロボット
ハンドの説明図、第４図はハンドの制御ブロック図、第
５図は揺動機構の他の従来技術を説明する図である。 図において、４は平行ハネ、６はボイスコイルモータ、
２０．２１は接続部材、２２は固定子。 ２３は永久磁石、２４はコイル、２５はＬ型金具。 ２６は筒状部である。 皐１把 ２θ ２ノ 第２図 第３砧 皐５聡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向配置された複数枚の板状の弾性体と、前記複
   数枚の板状の弾性体の端部を接続する接続部材と、前記
   板状の弾性体の板面と略垂直な方向から前記板状の弾性
   体に変形力を付与する手段とを備えた弾性体の揺動機構
   であって、前記板状の弾性体に変形力を付与する手段は
   、前記複数枚の板状の弾性体で囲まれた空間内に配置さ
   れて成ることを特徴とする弾性体の揺動機構。
2. （２）前記複数板の板状の弾性体は、互いに平行となる
   ように配置された２枚の平行板ばねで構成されて成るこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の弾性体
   の揺動機構。
3. （３）前記変形力を付与する手段は、電動機で構成され
   て成ることを特徴とする特許請求の範囲第（］）または
   第（２）項記載の弾性体の揺動機構。