JPH0725043B2 - 非接触ハンド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強磁性体或は磁石を部
分に持つ物体の操作を非接触で行なうため、ロボットそ
の他のマニピュレータに取付けて使用する非接触ハンド
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ロボットその他のマニピュレータ
に用いられるハンドとしては把持型ののものがあるが、
それらは駆動源として油圧，空気圧或は電動モータを利
用しており、その対象となる物体に接触させて操作を行
なっている。そのため、塗装後間もないもののように接
触によって表面の状態が著しく変わるものや、接触によ
って爆発，亀裂の生じ易いものの操作には適さない。然
し乍ら、上記のようなものを非接触の状態で操作できる
ハンドがあれば、産業上極めて有用されるものと考えら
れる。また、磁気により物体を浮上させて、非接触とす
る技術は古くから知られており、これを利用したものと
しては軸受等があるが、これらはいずれも対象とする物
体が磁石に対し、間隔が１〜２ｍｍ或はそれ以下と極め
て近接しており、物体そのものを操作の対象とするもの
ではない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な事情に鑑み、電磁石の吸引力を利用し、該電磁石と強
磁性体或は磁石を部分に持つ物体との間隔を可動位置検
出センサーにより比較的大きくとれるようにすると共
に、前記物体の持ち上げ動作を安定して行なえるように
制御することによって、前記物体を非接触で把持，移送
するための非接触ハンドを提供することを、その課題と
するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
することを目的としてなされたもので、その構成は、強
磁性体或は磁石を部分に持つ物体を吸引する１乃至複数
個の電磁石と、前記物体の位置を検出する可動位置検出
センサーと、前記電磁石と可動位置検出センサーを制御
する制御装置とから成り、前記可動位置検出センサーに
より前記物体の位置を検出し、該センサーの出力信号に
より電磁石を駆動して、前記物体を非接触状態で浮上支
持させるようにしたことを特徴とするものである。

【０００５】

【実施例】次に本発明の実施例を図により説明する。図
１は本発明の一例の１自由度の非接触ハンドの基本的な
構成を示す図、図２は２自由度の非接触ハンドの基本的
な構成を示す図、図３は３自由度の非接触ハンドの基本
的な構成を示す図、図４は本発明の一例の１自由度の非
接触ハンドを多関節ロボットと組合せた状態の全体の構
成図、図５はセンサーの取付方法と送り機構の概略図、
図６は透過型光センサーによる位置検出方法の概念図、
図７は電気回路のブロック図、図８は電磁石まわりの強
電回路図である。

【０００６】本発明における基本的な１自由度非接触ハ
ンドは、図１に示すように、アクチュエータに電磁石を
用い、位置検出センサーを用いて物体の位置を制御する
ようになっている。

【０００７】また、多自由度の非接触ハンドは、図２，
３に示すように、１自由度非接触ハンドを複数個組合せ
て構成され、各電磁石はそれぞれ独立に制御される。３
自由度以上の非接触ハンドでは、各可動位置センサーの
動きを協調させる必要がある。例えば、図３において、
ｚ軸方向に上下させるには、Ｏ点を上下させることによ
り、センサーＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ全部を上下させ、ｘ軸回り
に正回転させるときは、センサーＡを下げてセンサーＢ
を上げるようにする。ｙ軸回りの回転についてもセンサ
ーＣ，Ｄの動きはｘ軸と同様にする。電磁石の制御は線
形ＰＩＤコントローラを用いて、電磁石の非線形性はＰ
ＩＤゲインの調整によって補うようにする。２自由度ま
ではゲイン調整を手動にして比較的簡単に行なえるが、
３自由度以上では調整が複雑になるため、ゲインのオー
トチューニングを行なうようにしてもよい。

【０００８】而して、本発明の作用を図１により説明す
れば、次のとおりである。図において、１はロボットの
フランジＦに取付けた電磁石、２は送り機構３により上
下動可能に取付けた可動位置検出センサー、４はコント
ローラ、５はパワーアンプ、６は強磁性体又は磁石６ａ
を部分に持つ物体で、センサー２により検出された物体
６の位置をフィードバック信号として、コントローラ４
内部で与えられた位置指令との偏差を制御信号に変え、
パワーアンプ５により増幅して電磁石１を駆動し、物体
６を浮上支持させる。物体６の位置はコントローラ４の
位置指令値を変更することによって出来るが、その可動
範囲が２ｍｍと狭いため、センサー２の位置を変える方
法が採られる。物体６を地上から空中へ浮上支持の状態
に持ち込むためには、非接触ハンドを物体６の上空まで
移動させた後、センサー２を物体６を検知する位置まで
降ろし、その時点から電磁石１の制御を始め、センサー
２を徐々に上昇させることによって行なう。又、浮上さ
せるときの物体６の重量の変化に対して安定に動作を行
なうために、積分ゲインを小さく設定する。物体６の浮
上が完了した後は、積分ゲインを大きくする。これ以外
にゲインの調整則として、物体６の重量が小さい場合或
は物体６と電磁石１との距離が近い場合は、比例ゲイン
や微分ゲインを小さくし、逆の場合はそれぞれのゲイン
調整も逆にする。

【０００９】而して、本発明の具体的な例を図により説
明する。 ａ 装置の構成 図４は本発明の一例の基本となる１自由度の非接触ハン
ドを多関節型ロボットと組合せた状態の全体の構成図で
あり、物体６の位置を位置検出センサー２により計測す
ると、該センサー２の出力はコントローラ４にフィード
バックされる。尚、コントローラ４のＰＩＤゲイン調整
ボリューム７はオペレーターが調節可能なようにしてお
く。コントローラ４の出力はパワーアンプ５により電流
増幅されて電磁石１を駆動し、物体６を非接触状態に吸
引浮上させる。センサー２を可動にするための送り機構
３はモータ８により駆動され、その駆動によりセンサー
２は上下に移動される。モータ８はポジションコントロ
ーラ９の出力をドライバー１０が増幅することによって
駆動される。センサー２の駆動系は、送り量検出器１１
の出力をフィードバック量として送り量指示器１２の指
令値との偏差を増幅する位置制御系を構成する。尚、セ
ンサー位置制御系はコントローラ４とは独立しており、
センサーの位置によってコントローラ４のＰＩＤゲイン
を調整しなければならない煩雑さがあるが、センサー位
置晴報をコントローラ４に反映させ、オートチューニン
グさせる方法も考えられる。電磁石１をマニピュレータ
先端に取付けるフランジＦにはセンサー駆動モータ８を
含めた送り機構も併せて取付ける。

【００１０】 ｂ 位置検出センサー 図５は位置検出センサー２の一例を示すもので、ＬＥＤ
１３とフォトダイオード１４をセンサー取付治具１５に
取付けて透過型としてある。蛍光灯などの可視長ノイズ
に応答しないようにするため、ＬＥＤ１３は赤外線域の
ものを使用し、フォトダイオード１４もそれに合わせて
ある。位置検出は、図６に示すように、物体６の位置に
よってフォトダイオード１４の受光面に当る光量の変化
を利用している。従って、検出範囲は狭く、フォトダイ
オード１４の受光面の長さにおよそ比例すると考えら
れ、実施例では２ｍｍである。透過型センサーは物体が
光学的に不透明であれば形状を問わず、また、物体表面
の反射特性の影響を受け難く安定であるという利点があ
り、更に、前述のように、送り機構を併用することによ
って、位置検出の範囲を拡大することが出来る。このセ
ンサーによって検出される位置は電磁石１から物体６ま
での絶対位置ではなく、相対的な位置となっている。
尚、位置検出センサー２には透過型光センサー以外に物
体６の形状やハンドの自由度に応じて、反射式光センサ
ー、或は渦電流式位置センサーその他を使用してもよ
い。渦電流式位置センサーを使用する場合は、駆動電磁
石の磁場の影響を受けないようにセンサー出力の処理が
必要になる。

【００１１】 ｃ 制御回路 図７は電気回路ブロック図で、オペアンプを使用してＰ
ＩＤ制御回路を構成した。制御回路の伝達関数Ｇ（ｓ）
は比例ゲインをＫｐ、積分ゲインをＫｉ、微分ゲインを
Ｋｄとして、次式のようになっている。但し、ｓはラプ
ラス演算子である。 Ｇ（ｓ）＝Ｋｐ＋Ｋｉ・１／ｓ＋Ｋｄ・ｓ 尚、制御はパーソナルコンピュータ等を用いてソフト的
に行なってもよい。

【００１２】 ｄ 電力供給方式 電磁石１への電力供給方式はＰＷＭ（パルス幅変調方
式）を用いることによって、増幅器の熱損失を小さくす
る。パルス周期は約２ＫＨｚとしている。実施例では磁
石駆動用電源にＤＣ２３Ｖを用いて電磁石コイルに最大
５Ａ程度の電流を安定に供給できる。図８に示すよう
に、電磁石コイル１６に並列に取付けてあるダイオード
１７はフライホイールダイオードとして使用している。
このダイオード１７によりコイルをパルス駆動しても、
コイルにはおよそ直流的な電流が流れる。出力段のスイ
ッチング装置としては、バイポーラ型のパワートランジ
スタモジュール１８を用いているが、パワーＭＯＳＦＥ
Ｔ等を使用してもよい。パワーＭＯＳＦＥＴを使用する
場合はパルス周期を１０〜２０ＫＨｚ程度に上げること
ができ、より滑らかな電力供給が可能となる。

【００１３】 ｅ 電磁石 実施例においては、装置を簡単にするため棒磁石とし、
直径１０ｍｍ、長さ２００ｍｍの鉄棒を鉄心１ａに使用
し、物体に面する方の先端に適当なテーパーを付けた。
励磁コイル１ｂは直径０．７ｍｍのホルマル線を６００
ターン巻いた。巻線抵抗は１．３Ωとなった。更に、強
力な磁界を作る場合は、コイル１ｂの巻数を大きくし、
また、鉄心１ａが磁気飽和しないように、これも大きく
する必要がある。尚、磁石の形式は棒磁石に限られず、
より適した磁石の形状，形式が考えられる。

【００１４】実際に、上記１自由度の非接触ハンドを用
いて、強磁性体を表面に塗布した直径３８ｍｍ，重さ約
２５ｇの球、或は直径１７．５ｍｍ，重さ２１．７ｇの
鉄球を吸引したところ、電磁石１からの距離４〜８ｍｍ
の間で位置を変化させることが可能で、且つ電磁石１か
ら下に約１０ｍｍ離れたところに置いた上記の物体を制
御位置に浮上させ得ることが確認出来た。また、多関節
型ロボットにこの非接触ハンドを取付けて移動試験を行
なったところ、ハンドの自由度が１のために、水平方向
の動きに対して揺れが見られるものの、ロボットが急激
な動作をしないかぎり、物体を安定に浮上支持して搬送
させることが出来た。

【００１５】

【発明の効果】本発明は上述のとおりであって、強磁性
体或は磁石を部分に持つ物体をあたかも上から吊り下げ
るような形で、しかも接触させること無く浮上支持する
ことが出来るから、例えば、塗装後間もないもののよう
に、接触によって表面の状態が著しく変わるものや、接
触によって爆発，亀裂の生じ易いもの等を操作するため
に、ロボットその他のマニピュレータに取付けて使用す
るハンドとして好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例の１自由度の非接触ハンドの基本
的な構成を示す図。

【図２】２自由度の非接触ハンドの基本的な構成を示す
図。

【図３】３自由度の非接触ハンドの基本的な構成を示す
図。

【図４】本発明の一例の１自由度の非接触ハンドを多関
節ロボットと組合せた状態の全体の構成図。

【図５】センサーの取付方法と送り機構の概略図。

【図６】透過型光センサーによる位置検出方法の概念
図。

【図７】電気回路のブロック図。

【図８】電磁石まわりの強電回路図。

【符号の説明】

１ 電磁石 １ａ 鉄心 １ｂ 電磁コイル ２ 可動位置検出センサー ３ 送り機構 ４ コントローラ ５ パワーアンプ ６ 強磁性体或は磁石を部分に持つ物体 ６ａ 物体内の強磁性体或は磁石 ７ ＰＩＤゲイン調整ボリューム ８ センサー駆動モータ ９ ポジションコントローラ １０ ドライバー １１ 送り量検出器 １２ 送り量指示器 １３ ＬＥＤ １４ フォトダイオード １５ センサー取付治具 １６ 電磁石コイル １７ ダイオード １８ パワートランジスタモジュール Ｒ ロボット Ｆ ロボットＲのフランジ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強磁性体或は磁石を部分に持つ物体を吸
   引する１乃至複数個の電磁石と、前記物体の位置を検出
   する可動位置検出センサーと、前記電磁石と可動位置検
   出センサーを制御する制御装置とから成り、前記可動位
   置検出センサーにより前記物体の位置を検出し、該セン
   サーの出力信号により電磁石を駆動して、前記物体を非
   接触状態で浮上支持させるようにし、且つ前記センサー
   を動かせて前記物体を操作することにより、ロボット用
   ハンドとして機能させるようにしたことを特徴とする非
   接触ハンド。