JP2004090136A - Micro hand - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro hand, small-sized, costing low, and exhibiting a high-accuracy function. <P>SOLUTION: This micro hand includes end effectors 3, 14 having finger pieces 4, 5. The effector 3 is disposed to penetrate inside the effector 14. At least one of the effectors 3, 14 is connected to a base 2 through three link mechanisms 6, 7. The central parts (the top part) of the link mechanisms 6, 7 are connected to the lower surfaces of the corresponding end effectors, and expanded in three ways from the centers of the end effectors 6, 7 with the midway to the tip extending along the outer surface of the base 2. In the base 2, a plate-like arm 8 forming a part of each link mechanism 6, 7 is expanded from the upper surface of the base toward the link mechanisms 6, 7, and the midway to the tip is extended along the outer surface of the base. The plate-like arm 8 is connected to the link mechanisms 6, 7, and integrally formed. A piezoelectric element 90 for operating the link mechanisms is disposed in the base 2. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオテクノロジー、医学、半導体集積回路の製造・検査など微細操作が必要な産業分野に利用でき、特に微小対象物の位置決め、移送、切断、接合などの微細操作を正確かつ容易に行い、あるいは精密位置決めを行う試料台機構などへの利用に適したマイクロハンドに関する。
【0002】
【従来の技術】
顕微鏡下の微細作業に適したマイクロマニピュレータとして1本の指片で微細操作を行う場合、例えば、特開平10−138177号公報に記載された3自由度マイクロマニピュレータがある。
【0003】
この従来技術は、顕微鏡下の微細作業では、互いに直交する3軸方向の並進3自由度の動作が主たる動作になるという点に着目して開発された3自由度マイクロマニピュレータであり、ベース部材とエンドエフェクタを結ぶ3つのリンク機構により、エンドエフェクタの3自由度の精密位置決め制御を実現するものである。
【0004】
また、リンク機構については、回転対偶,並進対偶を組み合わせて(Rは回転対偶、Pは並進対偶)、RRPP機構、RPRP機構、PRPR機構、RPPR機構などの4自由度のリンク機構を3つパラレルに配置することにより、エンドエフェクタに3自由度の動作を行なわせるようにし、また、回転対偶のヒンジ部や並進対偶の連結杆部の両端を薄肉形成して、回転対偶や並進対偶を可能にしている。
【0005】
この従来技術は、ヒンジ部等にボールジョイントなどを必要とせず、部品ひいては機構の簡略化を図り得る利点がある。ただし、マイクロマニピュレータのリンク機構を構成する柔軟構造物を、どのように製作して安価で且つ小形化を図れるかとか、その材質、および、駆動させる機構としてのアクチュエータ配設の具体的提案はされていない。
【0006】
本発明者らは、先に、特開平8−132363号(特許番号第2560262号)等において、小型で指の機能を果たす箸状の2本の指片(手先片)を備えたマイクロハンド機構(マニピュレータ)を提案している。この箸状の指片を備えたマイクロハンド機構は、光学顕微鏡下では数μm程度の微小物体を把持、持ち上げ、回転、移動、開放することを実現している。
【0007】
この従来技術は、6自由度の運動を制御する上部パラレルリンク機構と下部パラレルリンク機構とを2段に重ねて配置する。上部パラレルリンク機構は、2つの指片(第1指片、第2指片)のうちの一方を可動させて指片同士に微小な相対運動を生成させるものである。下部パラレルリンク機構は、第1指片と第2指片とを広い作業空間にある対象物に対して位置決めを行うものである。上部パラレルリンク機構は、それぞれの指片を有する2つのエンドエフェクタ(基体、支柱)を備える。このうち、一方のエンドエフェクタ(支柱)は他方のエンドエフェクタ(基体)に貫通状態で配置され、かつ中間ベースに固定されている。他方のエンドエフェクタ(基体)は、針先(指先)合わせ機構を有しかつ6本のリンク機構を介して中間ベースに接続される。各リンクには、ピエゾ圧電素子が組み込まれている。このピエゾ圧電素子により各リンクを伸縮可能とし、一方のエンドエフェクタ(基体)を微小変位させて、指片に箸的動作を行わせるものである。6本の各リンクに使用するピエゾ圧電素子は、1本指機構が三つであるのに対して、2本指機構では4倍の12になっている。
【0008】
ピエゾ圧電素子の数が多くなると制御するシステムが複雑になりコスト高となるので、さらに本発明者らは、特願2000−388700号において並進3自由度型の2本指マイクロハンド機構(マニピュレータ)を提案している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、微小対象物を掴んで微細作業を正確にかつ容易に行うことができる、あるいは精密位置決めステージ機構などに適用して簡単で高精度な位置決めを行い得る2本指のマイクロハンド機構を提供することにある。特に、エンドエフェクタ、リンク機構、ベース部材の集約化を図ることで、今までにはない、小形にして高精度の機能を発揮できるマイクロハンドを提供することにある。
【0010】
【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ために、基本的には、次のように構成する。
(1)マイクロハンドは、それぞれ指片を有する一対の端部(エンドエフェクタ)を備える。一方のエンドエフェクタは、他方のエンドエフェクタの内側に貫通状態で配置される。前記エンドエフェクタのうち少なくとも一つが3つのリンク機構を介してベースに連結される。前記3つのリンク機構は、板金加工或いはエッチング加工により一体成形され且つ回転対偶と並進対偶の組み合わせよりなる板状のリンク機構である。3つのリンク機構の中央(頂部)が対応のエンドエフェクタの下面と結合し、エンドエフェクタ中心から三方に広がり途中から先端までが前記ベースの外側面に沿って延びる形状をなす。前記ベースには、前記リンク機構の一部となる板状アームがベース上面の中心から前記リンク機構の方角に広がり且つ途中から先端までが前記ベースの外側面に沿って延びる。この板状アームは、前記リンク機構と結合或いは一体成形されている。前記ベースには前記各板状アームに力を与えて前記リンク機構を作動させるアクチュエータが配設されている。
(2)上記した両方のエンドエフェクタ(第1、第2のエンドエフェクタ)をそれぞれ3つのリンク機構により作動させる場合には、いずれも上記した板金加工或いはエッチング加工した板状成形体によるリンク機構を用い、しかも、第1、第2のエンドエフェクタを、それぞれのリンク機構を介して共通のベースに連結する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【0012】
図1は、本発明の第1実施例に係るマイクロハンド機構の斜視図、図2は、その分解斜視図、図3は第1実施例の一部省略縦断面図である。
【0013】
図1に示すマイクロハンド1は、単数或いは複数或いは他の形態のマイクロハンド(マニピュレータ要素)と組み合わせて使用されるものである。単数で使用する場合でも、以下に述べる構成によって、指片となるニードル4とニードル5が箸的な動作を行うことができ、微小対象物を微細動作で摘んだり移送することができる。
【0014】
マイクロハンド1は、図2により容易に理解されるように、柱状のベース2と、ニードル4を有する第1のエンドエフェクタ(例えば円柱体)3と、ニードル5を有する第2のエンドエフェクタ(環状体)14と、1組の3つのリンク機構6と、もう1組の3つのリンク機構7と、前記リンク機構6、7の一部となる6本の板状アーム8とを備える。
【0015】
エンドエフェクタ14は、内側にエンドエフェクタ3を貫通した状態で配置させるための穴140を有している。
【0016】
リンク機構6は、エンドエフェクタ3の下面にねじ止めされ、リンク機構7はエンドエフェクタ14の下面にねじ止めされる。板状アーム8はベース2の上面にねじ止めされる。
【0017】
図5にリンク機構6単品の斜視図を、図8にその一部を省略した(3つのリンク機構のうち2つを省略した)展開図を示す。図6にリンク機構7単品の斜視図を、図9にその一部を省略した(3つのリンク機構のうち2つを省略した)展開図を示す。図10に板状アーム8単品の一部を省略した展開図を示す。
【0018】
リンク機構6、7及び板状アーム8は、可撓性を有する薄板(例えば燐青銅などのばね材)を成形加工している。
【0019】
3つのリンク機構6は、一体成形され、図5に示すように頂部(可動プレート部)6aの中央部60から120度間隔で三方に広がり、途中から先端にかけた部分6bは、図5に示すように折曲げ角θが90度より幾分大きい角度で折り曲げられ、組立時にはベース2の外側面に沿った形となる(図1、図3)。この3つのリンク機構6の頂部中心にねじ穴61が設けられている。3つのリンク機構6は、ねじ穴61及びエンドエフェクタ3の下面中央に設けたねじ穴42(図3に示す)を介してねじ42を締め付けることで、エンドエフェクタ3の下面に取り付けられる。
【0020】
一方、もう1組の3つのリンク機構7は、一体成形され、図6に示すように、頂部(可動プレート部)7aの中央部70から120度間隔で三方に広がり、途中から先端にかけた部分7bは、上記同様に折曲げ角θが90度より幾分大きい角度で折り曲げられ、組立時にはベース2の外側面に沿った形となる(図1、図3)。この3つのリンク機構7の頂部中央70には、中心にエフェクタ3を貫通させるための穴71が設けられている。また、リンク機構7は、貫通穴71の近傍に取付け用のねじ穴72が配設され、ねじ穴72及びエンドエフェクタ14の下面中央に設けたねじ穴40(図3に示す)を介してねじ41を締め付けることで、3つのリンク機構7がエンドエフェクタ14の下面に取り付けられる。
【0021】
6本の板状アーム8は、一体成形され、図2に示すように、頂部(可動プレート部)8aの中央部80から60度間隔で6方に広がり、途中から先端にかけた部分8bは、折曲げ角θが90度より幾分大きい角度で折り曲げられ、組立時にはベース2の外側面に沿った形となる(図1、図3)。板状アーム8の頂部中心にねじ穴81が設けられている。6本の板状アーム8は、ねじ穴81及びベース2の上面中央に設けたねじ穴82を介してねじ83を締め付けることで、ベース2の上面に取り付けられる。
【0022】
マイクロハンド組立状態では、板状のリンク機構6、7の内側に板状アーム8が位置する。リンク機構6、7の一部(ベース2の外側面に沿った部分)6b、7bの内側に板状アーム8の一部8bが重ね合わせられる。そして、リンク機構6,7の先端に設けたねじ穴65、75と、板状アーム8の先端に設けたねじ穴85とにねじ90を通すことで、リンク機構6、7のそれぞれが板状アーム8と末端位置で結合される。なお、リンク機構6、7と板状アーム8を一体成形してもよい。
【0023】
この場合、リンク機構(上板)6と板状アーム(下板)8とは120°間隔で、リンク機構(上板)7と板状アーム(下板)8とは120°間隔で、かつリンク機構(上板)6と7とは60°角度がずれた状態で、各リンク機構6及び7が板状アーム8に結合している。
【0024】
このようにして、エンドエフェクタ3、14は、リンク機構6、7及び板状アーム8を介してベース2の上面に連結される。また、リンク機構6,7は、それぞれ3つのリンク機構の上半分になり、板状アーム8が3つのリンク機構の下半分になる。
【0025】
3つのリンク機構6、7は、いずれも回転対偶Rと並進対偶Pとを組み合わせた4自由度リンク機構で構成されており、このようにすることにより、それぞれのエンドエフェクタ3、14には並進3自由度の動作を与えるようにしてある。
【0026】
3つのリンク機構6、7は、展開状態では図8、図9に示すような3方に展開する形状を呈しているが、組立状態では、その中間位置6dでほぼ直角(90度よりやや大きい角度)に折り曲げられる。また、6つの板状アーム8は、展開状態では図10に示すような6方に展開する形状を呈している。組立状態では、その中間位置18dで上記同様にほぼ直角に折り曲げられる。
【0027】
板状アーム8については、図7に示すように、120度間隔で3本のアームを一体成形し、これを2組用いて、組同士を60度ずらして前記ベース2の上端面に取り付けてもよい。
【0028】
ここで、リンク機構6,7に形成される回転対偶Rと並進対偶Pの原理について、図12および図13を用いて説明する。
【0029】
図12(a)に示すように、一対の対偶部材19の間を薄肉部(くびれ部)23で連結することにより回転対偶Rを実現することができる。すなわち、図12(a)で示す円弧ヒンジは、変位が微小であれば、1自由度の回転対偶Rとみなすことができる。
【0030】
また、図12(b)に示すように、一対の平行な対偶部材(上下辺)20の両端を一対の連結杆部(左右辺)21によりそれぞれの薄肉部(くびれ部)22を介して連結すると、並進対偶Pを実現する柔軟構造物(平行四辺形リンク)を形成することができる。すなわち、図12(b)のような構造物は、変位が大きければ底辺のヒンジ(薄肉部)22を中心とした円軌道を描くが、微小変位内では1自由度の並進対偶Pとみなすことができる。
【0031】
3つのリンク機構を使用して3自由度のパラレルメカニズムを設計する際、これらの対偶R,Pを組み合わせることで並進3自由度動作を実現することができる。しかし、ヒンジの向きが最低でも2方向必要とされ、機構製作にあたっては、加工が困難となる。
【0032】
ここで、図13(a)に示すように薄板24にスリット25を打ち抜くことで、スリット25の両脇にヒンジ(幅狭部)23が形成され、容易に回転対偶Rを構成できる。また、図13(b)に示すように、1枚の薄板24に打ち抜きと曲げ加工を組み合わせることで、ヒンジ(くびれ部)22の向きを変更させ、容易に図12(b)に相当する並進対偶Pを実現させることができる。図13(b)においては、角孔30(コーナーに切り込みスリット28が付いたもの)と小スリット29(スリット28と幅方向に並んでいる)を打ち抜き加工し、及び側板部27を曲げ加工することにより、くびれ部22を形成しまたその向きを変えることができる。また、一対の側板部27は、一対の対偶26(図12の一対の対偶20に相当する)を連結する連結杆部(図12の連結杆部21に相当する)となるものである。
【0033】
本実施例では、図13(a)(b)に示すリンク要素(回転対偶R、並進対偶P)を組み合わせてリンク機構6、7を構成するものである。
【0034】
図2、図5〜図9に示すように、リンク機構6,7の各リンクアーム部6b,7bは、その長手方向の両端に幅方向のスリット100,101を形成し、符号6dで示す位置で折り曲げられる。これらのスリットにより実質、板幅の減らされた個所100´,101´がヒンジ部となって、計3個所の回転対偶R(図13(a)に相当するもの)が形成される。
【0035】
なお、スリットの形態は種々考えられ、実施例のものに限定されるものではない。
【0036】
板状アーム8では、図10に示すように6方に向けられた板状の各アーム部8′の長手方向の片端に幅方向のスリット18を形成し、各アーム部8´は8dで示す位置で折り曲げ形成される。
【0037】
リンク機構6と7では、リンクアーム部6b、7bの先端と折曲部(中間部)6d、7dとの間に、角穴10(角穴10はコーナーに幅方向に延びる切り欠きスリット10′が付いている)とスリット11とを形成する。切り欠き10′とスリット11は、図13(b)の符号28,29で示すスリットに相当し、スリット10′,スリット11間にヒンジ22が形成される。
【0038】
リンク機構6,7における、各リンクアーム部6b、7bの幅方向の左右には側板部12が形成される。この側板部12は、図8、図9の破線Hの位置で折り曲げられ、図12(b)の連結杆部27に相当するものである。切り欠きスリット10′は、折り曲げ線Hと交差するように延設されている。この側板部12の折り曲げによりヒンジ部22の向きを変えることができる。
【0039】
符号の13は、図13(b)の一対の対偶26に相当するものである。すなわち、一対の側板部(連結杆部)12および一対の対偶13により平行四辺形リンクを構成する。平行四辺形リンクは、微小変位内でみれば並進対偶Pとみなすことができる。
【0040】
上記構成により、各リンク機構6、7は、可撓性のある板材を成形加工して、三つの回転対偶Rと一つの並進対偶Pとを有することになる。図11には、本実施例に係る回転対偶Rと並進対偶Pとを組み合わせた模式図を示し、図11(a)が本実施例におけるリンク機構を側面からみた対偶メカニズム、図11(b)が正面からみた対偶メカニズムである。
【0041】
図2に示すように本実施例では、各リンク機構6,7が3つのRPRR機構を採用する。この機構を板状アーム(下板)8を介してピエゾ圧電素子90(図3)により押し上げることで、3つのリンク機構6,7の頂部(可動プレート)6a,7aに3軸3自由度の運動を与えることができる。
【0042】
次に本実施例の駆動機構を図8により説明する。
【0043】
図3に示すように、マイクロハンドの駆動源となるアクチェータ90は、例えばピエゾ圧電素子が用いられる。ピエゾ圧電素子90は、リンク機構6、7の数に合わせて6個用意される。ベース(筒体)2には、軸周りに60ー間隔でピエゾ圧電素子90が配設されている。
【0044】
すなわち、図2、図4に示すように、ベース2の外周面には各リンク機構6、7(リンクアーム6b、7b)の位置に対応して、アクチュエータの取付溝2aがベース上端から下端にかけて6本形成され、この溝2aにピエゾ圧電素子90が装着される。
【0045】
また、図4に示すように溝2aと併せて溝2aの奥の面とベース上面にかけてピエゾ圧電素子90のリード線引出し溝2cが形成されている。
【0046】
ピエゾ圧電素子90は、図3に示すように、その一端(上端)がベース上面に臨み、板状アーム8の頂部(可動プレート)8aの裏面に接触している。ピエゾ圧電素子90の他端(下端)は、底板2aに受け止められ、かつ、底板2aに設けたねじ31によりピエゾ圧電素子90に予圧が掛けられている。このようにして、圧電素子90の上端と板状アーム8の頂部8a裏面との接触面に、隙間を生じさせないような構造になっている。なお、ねじ31は粗動の針先合わせを行う目的としても使用する。
【0047】
すなわち、ニードル4とニードル5の針先の間隔を支持具36と移動台38で目測で合わせた後、次に光学顕微鏡下においてねじ31を回転させて粗動の位置合わせを行う。
【0048】
各組の3つリンク機構6、7に対応するそれぞれの3本のピエゾ圧電素子90を伸縮させたり、その伸縮度合いを制御信号に応じて個別に変化させることにより、板状アーム8の受け面Aを押して各対偶を駆動させることができるようになっている。
【0049】
本実施例のマイクロハンド1において、図11のRPRR機構を構成する3つ(1組)のリンク機構6は、ベース2とエンドエフェクタ3との間において、中心軸線の周りに120ーの間隔で対称型に配置される。もう1組のリンク機構(3つのリンク機構)7は、ベース2とエンドエフェクタ14との間において、中心軸線の周りに120ーの間隔で対称型に配置される。すなわち、計6個のリンク機構は、ベース2からみると中心線軸の周りに60°の間隔で対称型に配置される。
ピエゾ圧電素子61は、例えば積層型のものが使用される。
【0050】
符号の32,32′は、アクチュエータ90に電圧を供給するリード線である。アクチュエータ90として用いるピエゾ圧電素子は、応答が速く、微小変位と高出力が得られるものの、ヒステリシスが非常に大きく、駆動電圧のみによるオープンループ制御では、正確な位置決めを行うことが困難である。このため、変位量を測定してフィードバック制御することが望ましく、この場合には、特に、コンパクトな変位測定手段とサーボ駆動系が要求される。
【0051】
このような変位測定手段としては、アクチュエータ90の伸縮方向に歪みゲージを直接貼り付けて(図示は省略してある)、それら圧電素子のサーボ系としては、符号33に示すように計算機を用いたソフトウエアサーボや演算増幅器を用いたアナログサーボ等を採用することができる。
【0052】
サーボ系制御回路33の指令信号はリード線32、32′を介してアクチュエータ(圧電素子)90に送られる。
【0053】
リンク機構6,7に対応する各組の3つのアクチュエータ90を駆動制御して、リンク機構6、7との接触部である板状アーム8の受け面Aを押し、エンドエフェクタ3、4のいずれか一方或いは双方を必要に応じて所定量動作させることで、ニードル(指片4,5)を微細操作する。
【0054】
この場合、板状アーム8をアクチュエータ90により押し上げると、板状アーム8のてこ的な動作により該当のリンク機構6や7のリンクアーム6b(7b)が外開き動作を行う。
【0055】
マイクロハンドの微細操作は、歪ゲージからの各アクチュエータ90の変位量を検出し、この変位量からサーボ制御回路33がニードル(指片)4、5の現位置を算出し、これをフィードバックして所定の位置決め指令値と比較し、その偏差量がなくなるまでアクチュエータ90をサーボ駆動することにより行う。
【0056】
本実施例におけるマイクロハンドは、ニードル4,5のうちいずれか一方(例えばニードル5)のみを人指し指片的な動作を与えて、もう一方は親指的動作を与えて箸動作を実現させることができる。この場合には、ニードル5は回転(ひねり)、開閉、進退の微細動作が与えられ、ニードル4については進退の微細動作が主に与えられる。
【0057】
また、簡易な箸的動作を行う場合には、2組のリンク機構6,7のうち、一方の組のリンク機構だけをアクチュエータ90により駆動させるようにしてもよい。図14にその変形例(第2実施例)を示す。図14の符号において、既述した実施例と同一符号は同一或いは共通する構成要素を示す。
【0058】
図14の実施例では、1組(一方)の3つのリンク機構(例えばエンドエフェクタ14側のリンク機構7)のみを用いてエンドエフェクタ14のみを並進3自由度動作させるようにしたものである。エンドエフェクタ3については、ベース2の上面に固定する構造とした。エンドエフェクタ14の上面には、図示省略してあるが、図1に示すようなニードル5及び針合わせ調整機構36、37を有している。板状アーム8は、120度間隔で軸周りに3本配設したものを一体成形したものである。板状アーム8の頂部にはエンドエフェクタ3の貫通穴200が形成され、その周囲に板状アーム8をベース2上面に固着するためのねじ穴(図示省略)が配設されている。
【0059】
3つのリンク機構7と板状アーム8との結合態様は先に述べた実施例と同様の構成であるが、リンク機構7と板状アーム8をプレスにより一体成形することも可能である。
【0060】
本実施例においても、ニードル4,5を用いて微細な箸的動作を行うマイクロハンドを実現させることができる。
【0061】
なお、図1に示す3自由度のマイクロハンドは、一対(2本指)で構成したり、或いはその任意数を用いて、微小対象物の位置決め、ハンドリング、切断、接合などの微細作業に適用し、あるいは精密位置決めステージ機構などに利用することができる。
【0062】
本実施例によれば、マイクロハンドのリンク機構を、薄板を簡単なプレス打ち抜き及び曲げ加工により製作できるので、加工が容易である。したがって、製作コストを安価にすることができる。
【0063】
しかも、2つのエンドエフェクタは、中心を共有して内側と外側に配置することができ、且つ、エンドエフェクタとベースとを接続するリンク機構は、大部分がエンドエフェクタ下面に沿った部分と、ベースの外側面に沿った部分と、ベース上面に沿った部分とで構成できるので、部品の集約化を図り、従来のようにリンク機構の大部分がベース面上から上方に構築される構成を採用することがないので、高性能のマイクロハンドを小形化して実現することができる。
【0064】
また、作業領域の拡大を図る場合、小形化を維持して実現する方法としてリンク機構のテコ比を拡大する際、リンクアームを水平に広げずベースの外周で折り曲げ、かつ外周面に沿って延びる形状とすることで可能となる。
【0065】
したがって、本実施例によれば、小形化を維持しつつ作業領域の拡大を図ることで、顕微鏡などに容易に設置できるマイクロハンド機構を提供することができる。
【0066】
なお、本実施例では、アクチュエータ90をピエゾ圧電素子としたが、これに限定されるものではなく、その他にバイモルフ型の圧電素子などを用いることも可能である。例えば、リンクアーム6b、7bにバイモルフ型の圧電素子を張り付けてリンクを押し上げることでも動作可能である。
【0067】
図15は、本発明の第3実施例に係るマイクロハンドを示す斜視図である。
【0068】
本実施例は、マイクロハンドのモジュールを2段以上直列に接続する例である。ここでは、ハンドモジュール110と111とを2段直列に接続している。
【0069】
ハンドモジュール110の構成は、図1に示すマイクロハンド1の構造と同一であるので、その説明を省略する。本実施例では、ハンドモジュール110のベース2に、さらに中間可動要素(中間エフェクタ)14′が結合し、この中間エフェクタ14′が前記同様の1組(3つ)のリンク機構7′及び板状アーム8を介して次のベース2′に連結されている。このようにすることで、直列に複数のハンドモジュールを結合することができる。
【0070】
ハンドモジュール110は、指操作を行う手として機能し、次の段のハンドモジュール111は手首として機能し、さらにハンドモジュールを追加していけば肘的な機能もなすことができ、作業領域を拡大することができる。
【0071】
下部のハンドモジュール111のベース2′には溝51が設けられ、この溝に工具を通して図3のねじ31を廻し指片であるニードル4,5の粗動の先端合わせが行えるようになっている。
【0072】
図16及び図17は、本発明の第4実施例に係るマイクロハンドの上面図及びその部分正面図である。
【0073】
本実施例においても、その基本的構成は前述した実施例と同様であり、さらに次のような構造を付加した。
【0074】
一対のエンドエフェクタ3,14のうち、外側に位置するエンドエフェクタ14の一面に、複数のねじ式つまみ171を介して、傾きとその方向を任意に調整できる可動調整板172を取り付けた。
【0075】
具体的には、エンドエフェクタ14に120間隔で雄ねじ173を配設し、この雄ねじ173に環状の可動調整板172をスプリング174により支持されるようにして嵌合し、さらに各雄ねじ173に可動調整板171を押えるねじ式つまみ(雌ねじ)171を取付けた。このように構成すれば、各ねじ式つまみの操作量(移動量)により可動調整板172の傾きとその方向を任意に調整できる。
【0076】
可動調整板172には、針先合わせ機構36,37を介してニードル5が取付けられている。
【0077】
本実施例によれば、可動調整板172によってもニードル4,5の針先合わせを可能にする。
【0078】
なお、上記した各実施例の場合には、リンク機構6、7の製作については、プレスによる打ち抜き,折り曲げ加工のほかに、半導体を微細加工するエッチング(例えばフォトエッチング)技術を導入することも可能である。この場合には、リンク機構の材質はシリコンなどで構成される。
【0079】
本実施例の2本指機構の3自由度マイクロハンドによれば、微細作業では並進3自由度が主たる動作になるという特性を有効に利用し、3つのリンク機構でエンドエフェクタの3自由度の精密位置決め制御及び微小物体の把持、持ち上げ、回転、移動、開放を実現することができる。マイクロマシンの組立等の実現を図ることもできる。さらには、回転ジョイント、直動ジョイントの微小変位機構としても応用することができる。
【0080】
【発明の効果】
本発明によれば、エンドエフェクタ、リンク機構、ベース部材の集約化を図ることで、小形、低コストにして高精度の機能を発揮できるマイクロハンドを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係るマイクロハンドの斜視図。
【図2】上記マイクロハンドの分解斜視図。
【図3】上記マイクロハンドの一部を省略した縦断面図。
【図4】上記マイクロハンドに用いるベースの斜視図。
【図5】上記マイクロハンドに用いる第1のリンク機構の斜視図。
【図6】上記マイクロハンドに用いる第2のリンク機構の斜視図。
【図7】上記マイクロハンドに用いる板状アームの変形例を示す斜視図。
【図8】上記第1のリンク機構の一部省略展開図。
【図9】上記第2のリンク機構の一部省略展開図。
【図10】上記板状アームの一部省略展開図。
【図11】上記リンク機構の動作原理を示す説明図。
【図12】回転対偶Rと並進対偶Pとの要素を示す原理図。
【図13】本実施例に応用される回転対偶Rと並進対偶Pとの要素を示す原理図。
【図14】本発明の第2実施例に係るマイクロハンドの一部省略断面図。
【図15】本発明の第3実施例に係るマイクロハンドの斜視図。
【図16】本発明の第4実施例に係る上面図。
【図17】本発明の第4実施例に係る一部正面図。
【符号の説明】
1…マイクロマニピュレータ、2…ベース、3…エンドエフェクタ、4,5…指片(ニードル)、6、7…リンク機構、8…板状アーム、90…アクチュエータ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in industrial fields that require fine operations, such as biotechnology, medicine, and manufacturing and inspection of semiconductor integrated circuits, and can accurately and easily perform fine operations such as positioning, transferring, cutting, and joining of minute objects. The present invention relates to a microhand suitable for use in a sample stage mechanism for performing precise positioning or the like.
[0002]
[Prior art]
As a micromanipulator suitable for fine work under a microscope, when performing a fine operation with one finger piece, for example, there is a three-degree-of-freedom micromanipulator described in JP-A-10-138177.
[0003]
This prior art is a three-degree-of-freedom micromanipulator developed focusing on the fact that, in microscopic work under a microscope, translational three-degree-of-freedom movements in three axes orthogonal to each other are the main operations. The three link mechanisms connecting the end effectors realize precise positioning control of the end effectors with three degrees of freedom.
[0004]
As for the link mechanism, three pairs of four-degree-of-freedom link mechanisms such as an RRPP mechanism, an RPRP mechanism, a PRPR mechanism, and an RPPR mechanism are combined in parallel by combining a rotation pair and a translation pair (R is a rotation pair and P is a translation pair). By making the end effector operate in three degrees of freedom, the both ends of the hinge part of the rotating pair and the connecting rod part of the translation pair can be made thin to enable the rotation pair and the translation pair. ing.
[0005]
This conventional technique does not require a ball joint or the like in a hinge portion or the like, and has an advantage that the components and the mechanism can be simplified. However, specific proposals have been made on how to fabricate a flexible structure that constitutes a link mechanism of a micromanipulator so as to be inexpensive and miniaturized, its material, and the arrangement of an actuator as a mechanism for driving. Not.
[0006]
The present inventors previously disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-132363 (Patent No. 2560262) and the like a micro-hand mechanism provided with two small chopstick-shaped finger pieces (hand pieces) that function as fingers. (Manipulator). The micro-hand mechanism having the chopstick-shaped finger pieces realizes grasping, lifting, rotating, moving, and opening a small object of about several μm under an optical microscope.
[0007]
In this prior art, an upper parallel link mechanism and a lower parallel link mechanism that control a motion with six degrees of freedom are arranged in two stages. The upper parallel link mechanism moves one of the two finger pieces (the first finger piece and the second finger piece) to generate a minute relative movement between the finger pieces. The lower parallel link mechanism positions the first finger and the second finger relative to an object located in a wide work space. The upper parallel link mechanism includes two end effectors (base, support) having respective finger pieces. Of these, one end effector (post) is disposed in a penetrating state on the other end effector (base), and is fixed to the intermediate base. The other end effector (substrate) has a needle tip (fingertip) aligning mechanism and is connected to the intermediate base via six link mechanisms. Each link incorporates a piezoelectric element. Each link is made expandable and contractable by the piezoelectric element, and one end effector (substrate) is slightly displaced to cause the finger to perform a chopstick-like operation. The number of piezo piezoelectric elements used for each of the six links is three, which is three times with one finger mechanism, and four times as large with the two finger mechanism.
[0008]
As the number of piezoelectric elements increases, the control system becomes complicated and the cost increases. Therefore, the present inventors further disclosed in Japanese Patent Application No. 2000-388700 a translational three-degree-of-freedom two-finger micro-hand mechanism (manipulator). Has been proposed.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a two-fingered micro-hand capable of accurately and easily performing a fine work by grasping a minute object, or performing simple and highly accurate positioning by applying to a precision positioning stage mechanism or the like. It is to provide a mechanism. In particular, it is an object of the present invention to provide an unprecedented small-sized micro hand capable of exhibiting high-precision functions by integrating the end effector, the link mechanism, and the base member.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is basically configured as follows in order to solve the above problems.
(1) The micro hand includes a pair of end portions (end effectors) each having a finger piece. One end effector is disposed penetrating inside the other end effector. At least one of the end effectors is connected to the base via three link mechanisms. The three link mechanisms are plate-shaped link mechanisms integrally formed by sheet metal processing or etching processing and formed by a combination of a rotating pair and a translation pair. The center (top) of each of the three link mechanisms is connected to the lower surface of the corresponding end effector, and extends in three directions from the center of the end effector, and extends from the middle to the tip along the outer surface of the base. On the base, a plate-like arm which is a part of the link mechanism extends from the center of the upper surface of the base in the direction of the link mechanism, and extends from the middle to the tip along the outer surface of the base. This plate-shaped arm is connected to or integrated with the link mechanism. The base is provided with an actuator that applies a force to each of the plate-shaped arms to operate the link mechanism.
(2) In the case where both of the above-mentioned end effectors (first and second end effectors) are operated by three link mechanisms, respectively, the link mechanism of the above-described sheet-shaped or etched plate-shaped molded body is used. In addition, the first and second end effectors are connected to a common base via respective link mechanisms.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0012]
FIG. 1 is a perspective view of a micro hand mechanism according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 3 is a partially omitted vertical sectional view of the first embodiment.
[0013]
The micro hand 1 shown in FIG. 1 is used in combination with one or more or other forms of micro hands (manipulator elements). Even in the case of using a single object, the needle 4 and the needle 5 serving as finger pieces can perform a chopstick-like operation, and a minute object can be picked up or transferred by the fine operation.
[0014]
The microhand 1 includes a columnar base 2, a first end effector (for example, a cylinder) 3 having a needle 4, and a second end effector (a Body) 14, one set of three link mechanisms 6, another set of three link mechanisms 7, and six plate-like arms 8 that are a part of the link mechanisms 6 and 7.
[0015]
The end effector 14 has a hole 140 for disposing the end effector 3 inside the end effector 3.
[0016]
The link mechanism 6 is screwed to the lower surface of the end effector 3, and the link mechanism 7 is screwed to the lower surface of the end effector 14. The plate arm 8 is screwed to the upper surface of the base 2.
[0017]
FIG. 5 is a perspective view of the link mechanism 6 alone, and FIG. 8 is a development view in which a part thereof is omitted (two of the three link mechanisms are omitted). FIG. 6 is a perspective view of the link mechanism 7 alone, and FIG. 9 is a development view in which a part thereof is omitted (two of the three link mechanisms are omitted). FIG. 10 is a development view in which a part of the single plate-shaped arm 8 is omitted.
[0018]
The link mechanisms 6 and 7 and the plate arm 8 are formed by processing a flexible thin plate (for example, a spring material such as phosphor bronze).
[0019]
The three link mechanisms 6 are integrally formed and spread in three directions at intervals of 120 degrees from the central portion 60 of the top portion (movable plate portion) 6a as shown in FIG. 5, and a portion 6b extending from the middle to the tip is shown in FIG. Is bent at an angle slightly larger than 90 degrees, and is formed along the outer surface of the base 2 during assembly (FIGS. 1 and 3). A screw hole 61 is provided at the center of the top of the three link mechanisms 6. The three link mechanisms 6 are attached to the lower surface of the end effector 3 by tightening the screws 42 via a screw hole 61 and a screw hole 42 (shown in FIG. 3) provided in the center of the lower surface of the end effector 3.
[0020]
On the other hand, another set of three link mechanisms 7 is integrally formed and, as shown in FIG. 6, extends in three directions at intervals of 120 degrees from the central portion 70 of the top portion (movable plate portion) 7a, and extends from the middle to the tip. 7b is bent at an angle where the bending angle θ is somewhat larger than 90 degrees, as described above, and forms along the outer surface of the base 2 during assembly (FIGS. 1 and 3). A hole 71 for penetrating the effector 3 is provided at the center of the top portion 70 of each of the three link mechanisms 7. The link mechanism 7 is provided with a screw hole 72 for attachment near the through hole 71, and is screwed through the screw hole 72 and the screw hole 40 (shown in FIG. 3) provided in the center of the lower surface of the end effector 14. By tightening 41, the three link mechanisms 7 are attached to the lower surface of the end effector 14.
[0021]
The six plate-like arms 8 are integrally formed and, as shown in FIG. 2, spread in six directions at intervals of 60 degrees from the central part 80 of the top part (movable plate part) 8a. The bending angle θ is bent at an angle slightly larger than 90 degrees, and the shape is along the outer surface of the base 2 during assembly (FIGS. 1 and 3). A screw hole 81 is provided at the center of the top of the plate arm 8. The six plate-shaped arms 8 are attached to the upper surface of the base 2 by tightening the screws 83 via the screw holes 81 and the screw holes 82 provided at the center of the upper surface of the base 2.
[0022]
In the assembled state of the micro hand, the plate arm 8 is located inside the plate link mechanisms 6 and 7. A part 8b of the plate arm 8 is superimposed on a part of the link mechanism 6, 7 (a part along the outer surface of the base 2) 6b, 7b. By passing the screw 90 through the screw holes 65 and 75 provided at the distal ends of the link mechanisms 6 and 7 and the screw hole 85 provided at the distal end of the plate arm 8, each of the link mechanisms 6 and 7 has a plate-like shape. It is connected to the arm 8 at the terminal position. The link mechanisms 6, 7 and the plate arm 8 may be integrally formed.
[0023]
In this case, the link mechanism (upper plate) 6 and the plate-shaped arm (lower plate) 8 are spaced at 120 °, the link mechanism (upper plate) 7 and the plate-shaped arm (lower plate) 8 are spaced at 120 °, and The link mechanisms (upper plates) 6 and 7 are connected to the plate arm 8 in a state where the link mechanisms 6 and 7 are shifted at an angle of 60 °.
[0024]
In this way, the end effectors 3 and 14 are connected to the upper surface of the base 2 via the link mechanisms 6 and 7 and the plate-like arm 8. The link mechanisms 6 and 7 are respectively upper halves of the three link mechanisms, and the plate arm 8 is a lower half of the three link mechanisms.
[0025]
Each of the three link mechanisms 6 and 7 is configured by a four-degree-of-freedom link mechanism in which a rotation pair R and a translation pair P are combined, and thus the end effectors 3 and 14 are translated. The operation has three degrees of freedom.
[0026]
The three link mechanisms 6, 7 have a shape that expands in three directions as shown in FIGS. 8 and 9 in the unfolded state. Angle). In addition, the six plate-shaped arms 8 have a shape that expands in six directions as shown in FIG. 10 in the expanded state. In the assembled state, it is bent substantially at a right angle at the intermediate position 18d as described above.
[0027]
As shown in FIG. 7, three arms are integrally formed at intervals of 120 degrees with respect to the plate arm 8, and two sets of the arms are attached to the upper end surface of the base 2 with the sets shifted by 60 degrees. Is also good.
[0028]
Here, the principles of the rotation pair R and the translation pair P formed in the link mechanisms 6 and 7 will be described with reference to FIGS.
[0029]
As shown in FIG. 12A, by connecting a pair of pair members 19 with a thin portion (constricted portion) 23, a rotating pair R can be realized. That is, the arc hinge shown in FIG. 12A can be regarded as a rotation pair R having one degree of freedom if the displacement is minute.
[0030]
As shown in FIG. 12 (b), both ends of a pair of parallel pair members (upper and lower sides) 20 are connected by a pair of connecting rods (left and right sides) 21 via respective thin portions (constrictions) 22. Then, a flexible structure (parallelogram link) realizing the translation pair P can be formed. That is, the structure as shown in FIG. 12B draws a circular orbit centered on the bottom hinge (thin portion) 22 if the displacement is large, but it is regarded as a translational pair P having one degree of freedom within a minute displacement. Can be.
[0031]
When designing a three-degree-of-freedom parallel mechanism using three link mechanisms, a translational three-degree-of-freedom operation can be realized by combining these pairs R and P. However, at least two directions of the hinge are required, and it becomes difficult to fabricate the mechanism.
[0032]
Here, as shown in FIG. 13A, by punching a slit 25 in the thin plate 24, hinges (narrow portions) 23 are formed on both sides of the slit 25, and the rotating pair R can be easily formed. Further, as shown in FIG. 13B, by combining punching and bending with one thin plate 24, the direction of the hinge (constriction) 22 is changed, and the translation corresponding to FIG. The even number P can be realized. In FIG. 13B, a square hole 30 (having a slit 28 in the corner) and a small slit 29 (aligned in the width direction with the slit 28) are punched, and the side plate 27 is bent. Thereby, the constricted portion 22 can be formed and its direction can be changed. The pair of side plate portions 27 serve as connecting rod portions (corresponding to the connecting rod portions 21 in FIG. 12) that connect the pair of pairs 26 (corresponding to the pair of pairs 20 in FIG. 12).
[0033]
In this embodiment, the link mechanisms 6 and 7 are configured by combining the link elements (rotational pair R and translational pair P) shown in FIGS.
[0034]
As shown in FIGS. 2 and 5 to 9, each of the link arm portions 6 b and 7 b of the link mechanisms 6 and 7 has slits 100 and 101 in the width direction at both ends in the longitudinal direction, and positions indicated by reference numeral 6 d. Bend at. The portions 100 'and 101' where the plate width is reduced by these slits substantially serve as hinge portions, and a total of three rotating pairs R (corresponding to FIG. 13A) are formed.
[0035]
It should be noted that various forms of the slit are conceivable and are not limited to those of the embodiment.
[0036]
In the plate-like arm 8, as shown in FIG. 10, a widthwise slit 18 is formed at one longitudinal end of each plate-like arm portion 8 'oriented in six directions, and each arm portion 8' is indicated by 8d. It is bent at the position.
[0037]
In the link mechanisms 6 and 7, a square hole 10 (a notch slit 10 'extending in the width direction at the corner) is provided between the tip of the link arm portion 6b, 7b and the bent portion (intermediate portion) 6d, 7d. And a slit 11 are formed. The notch 10 'and the slit 11 correspond to slits indicated by reference numerals 28 and 29 in FIG. 13B, and a hinge 22 is formed between the slit 10' and the slit 11.
[0038]
Side plates 12 are formed on the left and right sides of the link mechanisms 6 and 7 in the width direction of the link arms 6b and 7b. This side plate portion 12 is bent at the position of the broken line H in FIGS. 8 and 9, and corresponds to the connecting rod portion 27 in FIG. 12B. The notch slit 10 ′ extends so as to intersect the bending line H. By bending the side plate portion 12, the direction of the hinge portion 22 can be changed.
[0039]
Reference numeral 13 corresponds to the pair of even pairs 26 in FIG. That is, a pair of side plates (connecting rods) 12 and a pair of pairs 13 form a parallelogram link. A parallelogram link can be regarded as a translation pair P when viewed within a small displacement.
[0040]
According to the above configuration, each of the link mechanisms 6 and 7 has three rotating pairs R and one translation pair P by forming a flexible plate material. FIG. 11 is a schematic view showing a combination of a rotating pair R and a translation pair P according to the present embodiment. FIG. 11A shows a pair mechanism viewed from the side of the link mechanism in the present embodiment, and FIG. Is the pair mechanism viewed from the front.
[0041]
As shown in FIG. 2, in this embodiment, each of the link mechanisms 6, 7 employs three RPRR mechanisms. This mechanism is pushed up by a piezoelectric element 90 (FIG. 3) via a plate-like arm (lower plate) 8 so that the tops (movable plates) 6a, 7a of the three link mechanisms 6, 7 have three axes of three degrees of freedom. Exercise can be given.
[0042]
Next, the driving mechanism of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0043]
As shown in FIG. 3, for example, a piezoelectric element is used as an actuator 90 serving as a driving source of the micro hand. Six piezoelectric elements 90 are prepared in accordance with the number of link mechanisms 6 and 7. Piezoelectric elements 90 are arranged on the base (cylindrical body) 2 around the axis at intervals of 60 °.
[0044]
That is, as shown in FIGS. 2 and 4, the mounting groove 2a of the actuator extends from the upper end to the lower end of the base 2 on the outer peripheral surface of the base 2 in accordance with the position of each link mechanism 6, 7 (link arm 6b, 7b). Six piezo-electric elements 90 are mounted in the grooves 2a.
[0045]
As shown in FIG. 4, a lead wire lead-out groove 2c of the piezo piezoelectric element 90 is formed along the groove 2a and the inner surface of the groove 2a and the upper surface of the base.
[0046]
As shown in FIG. 3, one end (upper end) of the piezoelectric element 90 faces the upper surface of the base, and is in contact with the back surface of the top (movable plate) 8 a of the plate arm 8. The other end (lower end) of the piezoelectric element 90 is received by the bottom plate 2a, and a preload is applied to the piezoelectric element 90 by a screw 31 provided on the bottom plate 2a. In this manner, a structure is made such that no gap is formed between the contact surface between the upper end of the piezoelectric element 90 and the back surface of the top 8a of the plate arm 8. The screw 31 is also used for the purpose of performing coarse needle stitching.
[0047]
That is, after the distance between the needle tip of the needle 4 and the needle tip of the needle 5 is visually measured using the support 36 and the moving table 38, the screw 31 is rotated under the optical microscope to perform coarse movement positioning.
[0048]
The receiving surface of the plate-shaped arm 8 is formed by expanding and contracting each of the three piezoelectric elements 90 corresponding to each of the three link mechanisms 6 and 7 or by individually changing the degree of expansion and contraction in accordance with a control signal. By pressing A, each pair can be driven.
[0049]
In the micro hand 1 of the present embodiment, three (one set) of link mechanisms 6 constituting the RPRR mechanism of FIG. 11 are arranged at intervals of 120 ° around the central axis between the base 2 and the end effector 3. They are arranged symmetrically. Another set of link mechanisms (three link mechanisms) 7 are symmetrically arranged between the base 2 and the end effector 14 at intervals of 120 around the central axis. That is, a total of six link mechanisms are symmetrically arranged at intervals of 60 ° around the center line axis when viewed from the base 2.
As the piezoelectric element 61, for example, a stacked type is used.
[0050]
Reference numerals 32 and 32 'are lead wires for supplying a voltage to the actuator 90. The piezo piezoelectric element used as the actuator 90 has a quick response and a small displacement and high output, but has a very large hysteresis, and it is difficult to perform accurate positioning by open-loop control using only a drive voltage. Therefore, it is desirable to measure the amount of displacement and perform feedback control. In this case, particularly, a compact displacement measuring means and a servo drive system are required.
[0051]
As such a displacement measuring means, a strain gauge is directly attached in the direction of expansion and contraction of the actuator 90 (not shown), and a computer as shown by reference numeral 33 is used as a servo system of these piezoelectric elements. A software servo, an analog servo using an operational amplifier, or the like can be employed.
[0052]
The command signal of the servo system control circuit 33 is sent to the actuator (piezoelectric element) 90 via the lead wires 32 and 32 '.
[0053]
The drive control of each set of three actuators 90 corresponding to the link mechanisms 6 and 7 pushes the receiving surface A of the plate-shaped arm 8 which is a contact portion with the link mechanisms 6 and 7, and the end effectors 3 and 4 The needle (fingers 4, 5) is finely operated by operating one or both of them by a predetermined amount as required.
[0054]
In this case, when the plate arm 8 is pushed up by the actuator 90, the link arm 6b (7b) of the corresponding link mechanism 6 or 7 performs the opening operation by the lever operation of the plate arm 8.
[0055]
The fine operation of the micro hand detects the amount of displacement of each actuator 90 from the strain gauge, and the servo control circuit 33 calculates the current positions of the needles (finger pieces) 4 and 5 from the amount of displacement and feeds back the current position. This is performed by comparing with a predetermined positioning command value and servo-driving the actuator 90 until the deviation amount disappears.
[0056]
The microhand according to the present embodiment can realize a chopstick operation by giving only one of the needles 4 and 5 (for example, the needle 5) a forefinger-like operation and the other giving a thumb-like operation. . In this case, fine movements of rotation (twist), opening / closing, and retreat are given to the needle 5, and fine movements of the needle 4 are mainly given to the needle 4.
[0057]
When a simple chopstick-like operation is performed, only one of the two link mechanisms 6 and 7 may be driven by the actuator 90. FIG. 14 shows a modification (second embodiment). In the reference numerals in FIG. 14, the same reference numerals as those in the above-described embodiment indicate the same or common components.
[0058]
In the embodiment of FIG. 14, only one set (one) of three link mechanisms (for example, the link mechanism 7 on the end effector 14 side) is used to operate only the end effector 14 in three translational degrees of freedom. The end effector 3 was configured to be fixed to the upper surface of the base 2. Although not shown, the upper surface of the end effector 14 has a needle 5 and needle adjustment mechanisms 36 and 37 as shown in FIG. The plate-like arms 8 are formed by integrally forming three pieces arranged around the axis at intervals of 120 degrees. A through hole 200 for the end effector 3 is formed at the top of the plate arm 8, and a screw hole (not shown) for fixing the plate arm 8 to the upper surface of the base 2 is provided around the through hole 200.
[0059]
The manner of coupling the three link mechanisms 7 and the plate-like arms 8 is the same as that of the above-described embodiment, but the link mechanism 7 and the plate-like arms 8 can be integrally formed by pressing.
[0060]
Also in the present embodiment, it is possible to realize a micro hand that performs a fine chopstick-like operation using the needles 4 and 5.
[0061]
The three-degree-of-freedom micro-hand shown in FIG. 1 may be configured as a pair (two fingers), or may be used in an arbitrary number to apply to fine work such as positioning, handling, cutting, and joining of minute objects. Or a precision positioning stage mechanism.
[0062]
According to the present embodiment, the link mechanism of the micro hand can be manufactured by simple press punching and bending of a thin plate, so that the processing is easy. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.
[0063]
Moreover, the two end effectors can be arranged inside and outside with a common center, and the link mechanism connecting the end effector and the base is mostly a portion along the lower surface of the end effector and a base. Can be composed of a part along the outer surface of the base and a part along the top surface of the base. Therefore, a high-performance micro hand can be downsized.
[0064]
In addition, when expanding the working area, when increasing the leverage of the link mechanism as a method of realizing the downsizing while maintaining the miniaturization, the link arm is not extended horizontally, but is bent at the outer periphery of the base and extends along the outer peripheral surface. This is made possible by making the shape.
[0065]
Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a micro-hand mechanism that can be easily installed on a microscope or the like by enlarging the work area while maintaining the miniaturization.
[0066]
In this embodiment, the actuator 90 is a piezoelectric element. However, the present invention is not limited to this, and a bimorph type piezoelectric element or the like can be used. For example, the operation can be performed by attaching a bimorph type piezoelectric element to the link arms 6b and 7b and pushing up the link.
[0067]
FIG. 15 is a perspective view showing a micro hand according to the third embodiment of the present invention.
[0068]
This embodiment is an example in which two or more microhand modules are connected in series. Here, the hand modules 110 and 111 are connected in two stages in series.
[0069]
The configuration of the hand module 110 is the same as the structure of the micro hand 1 shown in FIG. 1, and a description thereof will be omitted. In the present embodiment, an intermediate movable element (intermediate effector) 14 'is further coupled to the base 2 of the hand module 110, and this intermediate effector 14' is composed of a set (three) of link mechanisms 7 'and It is connected to the next base 2 'via the arm 8. In this way, a plurality of hand modules can be connected in series.
[0070]
The hand module 110 functions as a hand for performing a finger operation, and the next-stage hand module 111 functions as a wrist, and with the addition of a hand module, can also perform an elbow-like function, thereby expanding the work area. can do.
[0071]
A groove 51 is provided in the base 2 'of the lower hand module 111, and a screw 31 in FIG. 3 is turned through a tool through this groove so that the leading ends of the needles 4, 5 as finger pieces can be roughly adjusted. .
[0072]
16 and 17 are a top view and a partial front view of a micro hand according to a fourth embodiment of the present invention.
[0073]
In this embodiment, the basic configuration is the same as that of the above-described embodiment, and the following structure is added.
[0074]
A movable adjustment plate 172 capable of arbitrarily adjusting the inclination and the direction thereof is attached to one surface of the end effector 14 located on the outside of the pair of end effectors 3 and 14 via a plurality of screw knobs 171.
[0075]
Specifically, male screws 173 are arranged at 120 intervals on the end effector 14, and an annular movable adjustment plate 172 is fitted to the male screws 173 so as to be supported by a spring 174. A screw-type knob (female screw) 171 for holding the plate 171 was attached. With this configuration, the inclination and the direction of the movable adjustment plate 172 can be arbitrarily adjusted by the operation amount (movement amount) of each screw-type knob.
[0076]
The needle 5 is attached to the movable adjustment plate 172 via needle tip alignment mechanisms 36 and 37.
[0077]
According to the present embodiment, the needle adjustment of the needles 4 and 5 can be performed by the movable adjustment plate 172.
[0078]
In the above-described embodiments, the link mechanisms 6 and 7 may be manufactured by etching (for example, photo-etching) technology for finely processing a semiconductor, in addition to punching and bending by a press. It is. In this case, the material of the link mechanism is made of silicon or the like.
[0079]
According to the three-degree-of-freedom microhand of the two-finger mechanism of the present embodiment, the characteristic that translational three-degree-of-freedom is the main operation in fine work is effectively used, and the three-linkage mechanism of the three-degree-of-freedom of the end effector is used. It is possible to realize precise positioning control and grasp, lift, rotation, movement, and opening of a minute object. It is also possible to realize the assembling of a micromachine. Furthermore, the present invention can be applied as a minute displacement mechanism of a rotary joint and a linear motion joint.
[0080]
【The invention's effect】
According to the present invention, by integrating the end effector, the link mechanism, and the base member, it is possible to realize a small-sized, low-cost microhand capable of exhibiting a highly accurate function.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a micro hand according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the micro hand.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view in which a part of the micro hand is omitted.
FIG. 4 is a perspective view of a base used for the microhand.
FIG. 5 is a perspective view of a first link mechanism used in the micro hand.
FIG. 6 is a perspective view of a second link mechanism used in the micro hand.
FIG. 7 is a perspective view showing a modified example of a plate-like arm used for the microhand.
FIG. 8 is a partially omitted expanded view of the first link mechanism.
FIG. 9 is a partially omitted development view of the second link mechanism.
FIG. 10 is a partially omitted development view of the plate arm.
FIG. 11 is an explanatory view showing the operation principle of the link mechanism.
FIG. 12 is a principle diagram showing elements of a rotation pair R and a translation pair P.
FIG. 13 is a principle diagram showing elements of a rotation pair R and a translation pair P applied to the embodiment.
FIG. 14 is a partially omitted sectional view of a microhand according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a perspective view of a micro hand according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a top view according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a partial front view according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Micromanipulator, 2 ... Base, 3 ... End effector, 4, 5 ... Finger piece (needle), 6, 7 ... Link mechanism, 8 ... Plate arm, 90 ... Actuator.

Claims (10)

それぞれ指片を有するマイクロハンドの一対の端部(以下、「エンドエフェクタ」と称する)を備え、一方のエンドエフェクタが他方のエンドエフェクタの内側に貫通状態で配置され、前記エンドエフェクタのうち少なくとも一つが3つのリンク機構を介してベースに連結され、
前記3つのリンク機構は、板金加工或いはエッチング加工により一体成形され且つ回転対偶と並進対偶の組み合わせよりなる板状のリンク機構であり、その頂部が対応のエンドエフェクタの下面と結合し、エンドエフェクタ中心から三方に広がり途中から先端までが前記ベースの外側面に沿って延びる形状をなし、
前記ベースには、前記リンク機構の一部となる板状アームがベース上面の中心から前記リンク機構の方角に広がり且つ途中から先端までが前記ベースの外側面に沿って延び、この板状アームは、前記リンク機構と結合或いは一体成形されており、前記ベースには、前記各板状アームに力を与えて前記リンク機構を作動させるアクチュエータが配設されていることを特徴とするマイクロハンド。
Each of the micro-hands has a pair of ends (hereinafter, referred to as “end effectors”) having finger pieces, and one end effector is disposed inside the other end effector in a penetrating state, and at least one of the end effectors is provided. Is connected to the base via three link mechanisms,
The three link mechanisms are plate-shaped link mechanisms integrally formed by sheet metal processing or etching processing and formed by a combination of a rotating pair and a translation pair. The tops of the three link mechanisms are connected to the lower surface of the corresponding end effector, and the center of the end effector. From the middle to the tip extending along the outer surface of the base from the middle,
In the base, a plate-like arm that becomes a part of the link mechanism extends from the center of the base upper surface in the direction of the link mechanism, and extends from the middle to the tip along the outer surface of the base. A micro-hand, which is connected to or integrally formed with the link mechanism, and the base is provided with an actuator for applying a force to each of the plate-shaped arms to operate the link mechanism.
それぞれ指片を有するマイクロハンドの第1、第2のエンドエフェクタを備え、第1のエンドエフェクタが第2のエンドエフェクタの内側に貫通状態で配置され、前記第1、第2のエンドエフェクタがそれぞれリンク機構を介して共通のベースに連結され、
前記リンク機構は、可撓性を有するプレートに少なくとも曲げ加工と打ち抜き加工、或いはエッチング加工を施すことにより回転対偶と並進対偶を形成してなる板状のリンク機構であり、
前記ベースに前記リンク機構を駆動するためのアクチュエータが配設されている、ことを特徴とするマイクロハンド。
The micro hand has first and second end effectors each having a finger piece. The first end effector is disposed in a penetrating state inside the second end effector, and the first and second end effectors are respectively provided. Connected to a common base via a link mechanism,
The link mechanism is a plate-like link mechanism formed by forming a rotation pair and a translation pair by performing at least bending processing and punching processing, or etching processing on a flexible plate,
A micro hand, wherein an actuator for driving the link mechanism is provided on the base.
前記ベースは柱状ブロックをなし、前記アクチュエータはピエゾ圧電素子よりなり、このピエゾ圧電素子が前記柱状ブロックに組み込まれている請求項1又は2記載のマイクロハンド。3. The microhand according to claim 1, wherein the base forms a columnar block, and the actuator includes a piezoelectric element, and the piezoelectric element is incorporated in the columnar block. 前記一対のエンドエフェクタは、いずれも前記3つのリンク機構及び前記板状アームを介して共通のベースに連結され、前記板状アームは、前記リンク機構の合計数と配置に対応して60度間隔配置で計6本よりなり、これらの板状アームを一体成形して前記ベースの一端面に一括して取り付けられている請求項1記載のマイクロハンド。Each of the pair of end effectors is connected to a common base via the three link mechanisms and the plate-shaped arm, and the plate-shaped arms are spaced by 60 degrees according to the total number and arrangement of the link mechanisms. 2. The micro hand according to claim 1, wherein the micro hand is composed of a total of six, and these plate-shaped arms are integrally formed and collectively attached to one end surface of the base. 前記一対のエンドエフェクタは、いずれも前記3つのリンク機構及び前記板状アームを介して共通のベースに接続され、前記板状アームは、前記リンク機構の合計数と配置に対応して120度間隔で3本のアームを一体成形したものが2組用いられ、これらの組同士が60度ずらして前記ベースの一端面に取り付けられている請求項1記載のマイクロハンド。Each of the pair of end effectors is connected to a common base via the three link mechanisms and the plate-like arm, and the plate-like arms are spaced at 120 degrees according to the total number and arrangement of the link mechanisms. 2. The microhand according to claim 1, wherein two sets of three arms formed integrally are used, and these sets are attached to one end face of the base while being shifted by 60 degrees. 前記指片はニードル形状をなし、少なくとも前記エンドエフェクタの一つに指片同士の粗動の針先合わせ操作する第1の針先合わせ機構と、微小の針先合わせ操作する第2の針先合わせ機構とを備えている請求項1又は2記載のマイクロハンド。The finger has a needle shape, and at least one of the end effectors has a first needle tip adjusting mechanism for coarsely adjusting the needle tip of the fingers and a second needle tip for performing a fine needle tip adjusting operation. The microhand according to claim 1 or 2, further comprising an alignment mechanism. 前記ベースは柱状ブロックをなし、さらに前記ベースに中間可動要素(以下、「中間エフェクタ」と称する)が結合し、この中間エフェクタが前記同様の3つのリンク機構及び板状アームを介して次のベースに連結されている請求項1記載のマイクロハンド。The base forms a columnar block, and an intermediate movable element (hereinafter, referred to as an “intermediate effector”) is coupled to the base. The intermediate effector is connected to the next base through the same three link mechanisms and plate-like arms as described above. The micro hand according to claim 1, which is connected to the micro hand. 前記各リンク機構は、可撓性を有する板材を成形加工したものであり、前記エンドエフェクタの軸周り方向に幅を有する板状のリンクアーム部と、前記各リンクアーム部の長手方向の両端と中間の位置とにあって微小変位内であれば回転対偶とみなすことができるヒンジ部と、前記長手方向一端と中間部との間に位置し微小変位内であれば並進対偶とみなすことができるリンク要素と、が形成され、前記回転対偶となるヒンジ部は、前記リンクアーム部の幅方向にスリット或いは薄肉部を設けて形成され、前記並進対偶となるリンク要素は、平行四辺形リンク部により構成されている請求項1又は2記載のマイクロハンド。Each of the link mechanisms is formed by processing a flexible plate material, and has a plate-like link arm portion having a width in a direction around the axis of the end effector, and both ends in a longitudinal direction of each of the link arm portions. A hinge part that can be regarded as a rotating pair even in the middle position and within a minute displacement, and a translation pair even if located between the one end in the longitudinal direction and the middle part and within the minute displacement. The link element is formed, and the hinge part serving as the rotating pair is formed by providing a slit or a thin portion in the width direction of the link arm part, and the link element serving as the translation pair is formed by a parallelogram link part. 3. The micro hand according to claim 1, wherein the micro hand is configured. 前記アクチュエータは、ピエゾ圧電素子よりなり、このピエゾ圧電素子には予圧が掛けられ、この予圧が指片同士の粗動の針先合わせ操作する第1の針先合わせ機構を兼ねるように構成されている請求項1又は2記載のマイクロハンド。The actuator is constituted by a piezoelectric element, and a preload is applied to the piezoelectric element, and the preload is configured to also serve as a first needle-pointing mechanism for performing a coarse needle-pointing operation of the finger pieces. The micro hand according to claim 1 or 2, wherein 前記一対のエンドエフェクタのうち外側に位置するエンドエフェクタの一面に複数のねじ式つまみを介して傾きとその方向を任意に調整できる可動調整板が取り付けられ、この可動調整板に一方の指片が装着されている請求項1又は2記載のマイクロハンド。A movable adjustment plate capable of arbitrarily adjusting the inclination and the direction thereof is attached to one surface of the end effector located outside of the pair of end effectors via a plurality of screw knobs, and one finger piece is attached to the movable adjustment plate. The microhand according to claim 1, which is mounted.
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