JP5284683B2 - 精密位置決め装置 - Google Patents

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。

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。

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）。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ｆ_ａ＋ｆ_ｄ＝ｍ_ａｘ”＋ｋ_ａｘ …（１）
但し、
ｍ_ａ：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
ｋ_ａ：アクチュエータ支持スプリングのバネ定数
ｆ_ａ：アクチュエータが発生する駆動力
ｆ_ｄ：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＝−ｍ_ｃｘ”−ｄ_ｃｘ’−ｋ_ｃｘ＋ｆ_ｃ …（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_ｃは重力相殺や作業のために発生させる力、ｍ_ｃ，ｄ_ｃ，ｋ_ｃ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。

式（１）及び（２）から、
ｆ_ｄ＝ｍ_ｖｘ”＋ｄ_ｖｘ’＋ｋ_ｖｘ−ｆ_ｃ …（３）
但し、ｍ_ｖ，ｄ_ｖ，ｋ_ｖ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。

ｍ_ｖ＝ｍ_ａ＋ｍ_ｃ，ｄ_ｖ＝ｄ_ｃ，ｋ_ｖ＝ｋ_ａ＋ｋ_ｃ …（４）
すなわち、パラメータｍ_ｃ，ｄ_ｃ，ｋ_ｃ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_ｖ，ｄ_ｖ，ｋ_ｖ）を自由に定めることができる。このとき、ｍ_ｃ，ｋ_ｃ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。

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_ｖ＝ 2500 Ｎ／ｍ（100ｇの外力で0.25 ｍｍの変位）、応答周波数ω_ｃ＝ 20 Ｈz （126 rad/s）とすると、ｍ_ｖ＝ｋ_ｖ／ω_ｃ ^２＝ 0.15 kgとなる。また、アクチュエータ質量ｍ_ａ＝１kg とすると、加速度フィードバックゲインｍ_ｃ＝0.85 kgとなる。速度フィードバックゲインｄ_ｃは、臨界制動付近になるように決める。

また、剛性ｋ_ｖ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_ｖ＝ 10^５ 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_ｃ，ｄ_ｃは、動作が安定になるように決める。

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。

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_ａ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。

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_ｃとインピーダンスを表わすパラメータｍ_ｃ，ｄ_ｃ，ｋ_ｃ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。

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。

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。

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_ｃ，ｄ_ｃ，ｋ_ｃ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_ｃの値とから前記駆動力ｆ_ａ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。

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。

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_ａから、外力ｆ_ｄを演算する。

この演算は、次式に基づいて行われる。すなわち、式（１）より
ｆ_ｄ＝ｍ_ａｘ”＋ｋ_ａｘ−ｆ_ａ …（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_ａがわかれば、外力ｆ_ｄを計算できる。但し、ｍ_ａとｋ_ａは、コンプライアンスの設計値とする。

従って、外力推定演算部７で算出される外力は推定値<ｆ_ｄ>となり、上位コントローラに送られる。

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_ａ＝1 kg、バネ定数ｋ_ａ＝1000 N/mの機械系について、仮想質量ｍ_ｃ＝0.2 kg、仮想バネ定数ｋ_ｃ＝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。

ここでは、仮想ダンパ（速度フィードバックゲイン）ｄ_ｃ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_ｃとして１Ｎのステップ力を与えた。外力推定値<ｆ_ｄ>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。

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_ａ＝1 kg、バネ定数ｋ_ａ＝1000 N/mの機械系について、仮想バネ定数ｋ_ｃ＝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。

仮想ダンパｄ_ｃ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。

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_ｃ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_ｄ>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。

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。

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。

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。

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。 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。 装置の力学モデルの説明図。 第１実施形態の制御系を示すブロック図。 第２実施形態の制御系を示すブロック図。 第３実施形態の制御系を示すブロック図。 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。 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。 実際の機械系の応答を示すグラフ。 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。 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。

符号の説明

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。

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。