JPH0152156B2

JPH0152156B2 -

Info

Publication number: JPH0152156B2
Application number: JP58226301A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Asakawa
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1989-11-07
Also published as: JPS60118480A

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。

(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。

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。

(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。

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。

(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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 O_c：オペレーシヨナルアンプの開ループゲイ
ン I_c：電流の帰還ゲイン V_c：速度の帰還ゲイン P_c：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。

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（MI_cO
_c＋RM＋LD）S²＋（（I_cＤ／Bl＋V_c）O_c＋Bl ＋kL＋RD／Bl）Ｓ＋（kI_c／Bl−P_c）O_c＋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、 lim^a→⁰SX（Ｓ）＝１／（kIc／Bl−P_c）O_c＋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O_c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。

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、（P_cの符号が負）、上記方式が実
現できる。第(4)式から、 P_cｋ／Bl（Ｒ／O_c＋I_c） ……(5) とするようにP_c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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 O_n，O_c：論理演算素子の開ループゲイン O_n，D_c：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 L_c：ボイスコイルモータのインダクタンス R_c：ボイスコイルモータの端子間抵抗 I_c：ボイスコイルモータの電流帰還定数 V_c：ボイスコイルモータの速度帰還定数 P_c：ボイスコイルモータの位置帰還定数 M_c：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 x_c：指部の平行バネの変位 K_n：直流モータの誘起電圧定数 L_n：直流モータのインダクタンス R_n：直流モータの端子間抵抗 I_n：直流モータの電流帰還定数 V_n：直流モータの速度帰還定数 P_n：直流モータの位置帰還定数 M_n：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 x_n：送りネジによる移動変位 F_r（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。

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x_c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x_c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。

すると、ハンドの運動系が、対象物を把持する
前には、 M_cx¨＋（M_n＋M_c）x¨_n ＝−D_nx〓_n＋K_nI_n−F_r ……(6) M_c（x¨_n＋x¨_c ＝−kx_c−D_cx〓_c＋BlI_c ……(7) L_nI〓_n＝−R_nI_n＋E_n−K_nx〓_n ……(8) L_cI〓_c＝−R_cI_c＋E_c−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。

M_nx¨_c ＝−kx_c＋BlI_c＋K_nI_n−F_r−（D_n＋D_c）x〓_c
……(10) L_nI〓_n＝−R_nI_n＋E_n−K_nx〓_c ……(11) L_cI〓_c＝−R_cI_c＋E_c−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 _n＝_c≒∞ と仮定している。

K_n／I_nU₁（Ｓ）＋K_c／I_cU₂（Ｓ）＝｛M_nS²＋（K_n／I_nV_n＋K_c／I_cV_c）Ｓ＋K_n／I_nP_n −K_c／I_cP_c＋ｋ｝Ｘ（Ｓ）＋F_r（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F_r（Ｓ）および出力Ｘ（Ｓ）
の間には、次の関係が成り立つ。

Ｘ（Ｓ）＝K_c／I_c・１／M_nS²＋（K_n／I_nV_n＋K_c／I_cV_c）Ｓ＋K_n／I_nP_n−K_c／I_cP_c＋ｋ・U₂（Ｓ） −１／M_nS²＋（K_n／I_nV_n＋K_c／I_cV_c）Ｓ＋K_n／I_nP_n−K_c／I_cP_c＋ｋ・F_r（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。

本制御システムは可観測・可制御である。

（但し、K_n／I_nP_n−K_c／I_cP_c＋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。

摩擦の存在により定常位置誤差が生ずる。

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。

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）＝K_c／I_cU₂（Ｓ）−K_c／I_c（V_cＳ−P_c ＋I_c／K_cｋ）Ｘ（Ｓ） ……(15) となるため、位置帰還定数P_cを P_c＝I_c／K_cｋ ……(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V_c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、V_c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。

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。

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。

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P_nで決まる。一
般に、P_n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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

(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。

【図面の簡単な説明】

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。

Claims

【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。