JP2005212079A - パラレル機構における操縦機 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が極めて簡単であって、故障が少なく、耐久性に優れていると共に、安価に提供することができ、高精度を有し、しかも小型化が容易であるパラレル機構における操縦機を提供する。
【解決手段】操縦機１と出力機３とを相互に相似状となし、操縦機の直動リンク５の変位から検出された信号をコントローラ７により変換し、これを出力機の直動アクチュエータ９に直接入力することにより、出力機に操縦機と相似の動作をさせるようにしたパラレル機構において、直動リンク５は弾性変形する扁平体を湾曲させてなり、直動リンク５の湾曲部５ａに該直動リンク５の変位を検出するための歪みゲージ１１を備えさせた操縦機。
【選択図】図３

Description

本発明は、パラレル機構における操縦機に関するものであり、更に詳しくは、操縦機（マスター）と出力機（スレーブ）とを相互に相似状となし、操縦機の直動リンクの変位から検出された信号をコントローラにより変換（増幅等）し、これを出力機の直動アクチュエータに直接入力することにより、出力機に操縦機と相似の動作をさせるようにしたマスター・スレーブ制御方式によるパラレル機構における操縦機に係るものである。

本発明によるパラレル機構における操縦機は、上述の如きマスター・スレーブ制御方式が採用されるすべての場合に用いることができるが、例えば、バイオ、医療等の分野において細胞操作等を行なうためのマイクロハンドを制御するジョイスティックとしても好ましく用いることができる。因みに、マイクロハンドは、例えば細胞、卵子、白血球の如き数ミクロンから数十ミクロンの微小物を顕微鏡下で掴み、操作することができるようにしたものである。

複数の直動機構が並列構成されるパラレル機構は、原理的に高剛性、高精度、高速度が可能である等の優れた特徴があり、工作機械、三次元測定機、遊具、医療、極限環境作業等への応用が検討されている。その反面、パラレル機構は、従来のシリアル機構に比べて制御が難しいという欠点がある。

そこで、前述のマスター・スレーブ制御方式によるパラレル機構が考え出されている。この方式は、精度においては若干劣るが、面倒な行列計算をすることなく出力機（スレーブ）に複雑な動きをさせることができるという利点がある。

一方、特開２０００−１１７６７３号公報は、６軸センサーと該６軸センサーの検知面に力を加える操作桿との間に弾性部材としてゴム体又はばね体を配設してなるパラレル機構の操縦機を開示している。
特開２０００−１１７６７３号公報

しかしながら、前記従来のマスター・スレーブ制御方式によるパラレル機構における操縦機は、直動リンクとしてリニアエンコーダ等の変位計を組み込んだシリンダ等の摺動機構を用いているため、次のような問題がある。

（１）該操縦機は、構造が複雑であり、製造コストが嵩む。

（２）該操縦機は、指定された方向以外の方向に力が加わると、故障し或いは誤差が大きくなる。

（３）該操縦機は、構造が複雑であり、小型化することが難しい。

一方、特開２０００−１１７６７３号公報により開示されたパラレル機構の操縦機は、６軸センサーにより感知された信号が出力機のリンクの動きとは１対１に対応していないため、前記従来の簡単なマスター・スレーブ制御方式には使用することができないものである。

本発明は、上記従来技術における上述の如き問題を一挙に解決しようとしてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明は下記の如きパラレル機構における操縦機を提供する。

（１）操縦機と出力機とを相互に相似状となし、操縦機の直動リンクの変位から検出された信号をコントローラにより変換し、これを出力機の直動アクチュエータに直接入力することにより、出力機に操縦機と相似の動作をさせるようにしたパラレル機構において、
前記直動リンクは弾性変形する扁平体を湾曲させてなり、該直動リンクの湾曲部に該直動リンクの変位を検出するための歪みゲージを備えさせたことを特徴とする操縦機（請求項１）。

（２）前記直動リンクは略Ｕ字状体である（請求項２）。

（３）ベース上に前記直動リンクを複数個配設し、各直動リンクの一端を第一ジョイントを介して該ベースに連結し、各直動リンクの他端を第二ジョイントを介して共通のステージに連結し、該ステージに操作レバーを立設する（請求項３）。

［発明の作用］
［請求項１の発明］
直動リンクは、弾性変形する扁平体を湾曲させてなるものであり、摺動部分を有しない。

直動リンクは、Ｚ方向（直動リンクにおける一方の端部を他方の端部に接離させる方向をいう。図１参照。）にのみ比較的容易に弾性変形する。直動リンクは、Ｘ方向（Ｚ方向と直角の方向であって、直動リンクを形成する扁平体の長さ方向をいう。図１参照。）及びＹ方向（Ｚ方向と直角の方向であって、直動リンクを形成する扁平体の幅方向をいう。図１参照。）については、比較的剛性が高い。

直動リンクの変位は、該直動リンクの湾曲部に備えさせた歪みゲージにより容易に検出される。

［請求項２の発明］
直動リンクは略Ｕ字状体であるため、該直動リンクがＺ方向にのみ比較的容易に弾性変形し、Ｘ方向及びＹ方向については比較的剛性が高いという前記作用はより好ましく発揮される。

［請求項３の発明］
操縦機の使用者が操作レバーを動かしたときには、該操作レバーの動きは、ステージと各第二ジョイントとを介して、各直動リンクに伝えられ、各直動リンクの変位が各直動リンクの各歪みゲージにより検出される。検出された信号をコントローラにより変換し、これを出力機の直動アクチュエータに直接入力することにより、出力機に操縦機と相似の動作をさせる。

出力機は操縦機と相似状に形成される。

直動リンクにＺ方向以外の方向の力が加わったときには、直動リンクの第一ジョイントと第二ジョイントは回転ないし変形するため、該直動リンクにかかる負荷は極めて小さい。即ち、直動リンクにＺ方向以外の方向の力が加わったときでも、該直動リンクは故障ないし破損するおそれがない。

また、ジョイント間の間隔（第一ジョイントと第二ジョイントとの間の距離）ないし直動リンクにおけるリンク間隔ｂ（一端５ｂの内面と他端５ｃの内面との間の距離ｂ、図４参照）のみを信号として利用するため、直動リンクにＺ方向以外の方向の力が加わって該直動リンクが変形したときでも、その変形による影響は小さい。その理由は下記の通りである。

直動リンクにＺ方向以外の方向の力が加わったときでも、前述の如く、該直動リンクにかかる負荷は極めて小さい。実際にはこれを無負荷にすることは難しいが、直動リンクに対しＺ方向以外の方向に加わる応力をＺ方向の１／１０以下程度にすることは可能である。

例えば、リンク間隔ｂが４０ｍｍであって、Ｚ方向の最大変位が０．５ｍｍである操縦機の場合の誤差変位を計算する。Ｚ方向以外の方向に加わる応力がＺ方向の１／１０であり、且つ直動リンクのＺ方向以外の方向の剛性がＺ方向の２倍であると仮定すると、Ｚ方向以外の方向の変形量はＺ方向の１／２０となり、その誤差変形は０．０２５ｍｍ（０．５ｍｍ÷２０）となる。０．０２５ｍｍ（２５μｍ）が誤差であるならばこの直動リンクを使用することはできないが、ジョイント間の間隔ないしリンク間隔のみを信号として利用するパラレル機構の操縦機においては、ピタゴラスの定理から、ジョイント間の間隔ないしリンク間隔の最大誤差は、
約０．００８μｍ（（４０＋０．５）^２＋０．０２５^２）^０．５−４０．５）となる。本発明者が必要とする分解能は０．１μｍ程度であるから、０．００８μｍは十分に小さい。

本発明によるパラレル機構における操縦機は、弾性変形する扁平体を湾曲させてなる直動リンクを用いており、構造が極めて簡単である。従って、該操縦機は、故障が少なく、耐久性に優れていると共に、安価に提供することができ、高精度を有する。また、該操縦機は小型化が容易である。

本発明は、マスター・スレーブ制御方式によるパラレル機構を前提とする。即ち、該パラレル機構は、操縦機１と出力機３とを相互に相似状ないし相似形状となし、操縦機１の直動リンク５の変位から検出された信号をコントローラ７により変換し、これを出力機３の直動アクチュエータ９に直接入力することにより、出力機３に操縦機１と相似の動作をさせるようにしたものである。直動アクチュエータ９としては、例えば圧電素子が使用される。

以下、本発明による操縦機１について説明する。

本発明による操縦機１における直動リンク５は、弾性変形する扁平体を湾曲させてなるものである。

直動リンク５を形成する扁平体としては、例えばアルミニウム等の金属により形成した剛性の高い扁平な棒状体が用いられる。

直動リンク５の湾曲部５ａに該直動リンク５の変位を検出するための歪みゲージ１１を備えさせる。

直動リンク５は、好ましくは略Ｕ字状体とする。

図２、図３に示す事例においては、ベース１３上に直動リンク５を複数個配設し、各直動リンク５の一端５ｂを第一ジョイント１５を介して該ベース１３に連結し、各直動リンク５の他端５ｃを第二ジョイント１７を介して共通のステージ１９に連結し、該ステージ１９に操作レバー２１を立設している。符号２３、２５に示すものは第一ジョイント１５の支承部であり、符号２７、２９に示すものは第二ジョイント１７の支承部である。

図２、図３に示す事例は、３自由度機構であり、３個の直動リンク５が配設されている。なお、直動リンク５の数は３個に限定されるものではなく、例えば６自由度機構の場合には６個の直動リンク５が配設される。

第一ジョイント１５と第二ジョイント１７は、一例として、それぞれピンとする。

出力機３は、操縦機１と相似状に形成されるものであって、ベース１３’上に直動アクチュエータ９を複数個配設し、各直動アクチュエータ９の一端９ｂを第一ジョイント１５’を介して該ベース１３’に連結し、各直動アクチュエータ９の他端９ｃを第二ジョイント１７’を介して共通のステージ１９’に連結し、該ステージ１９にマイクロハンド２１’を立設している。

操縦機１の操作レバー２１を任意の方向に動かすと、各直動リンク５がたわみ、各直動リンク５の歪みゲージ１１がたわみ量を検知する。歪みゲージ１１が検出した信号をコントローラ７により変換し、これを各直動アクチュエータ９に入力する。各直動アクチュエータ９は入力に比例して伸縮する。従って、マイクロハンド２１’は操作レバー２１と相似の動きを行なう。

本発明者は、図４に示す下記のアルミニウム製の略Ｕ字状直動リンク５について、同一応力をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に加えた場合の変形量をＣＡＥ解析により求めた。
長さａ：５０ｍｍ
リンク間隔（一端５ｂの内面と他端５ｃの内面との間の距離）ｂ：４０ｍｍ
扁平体の幅ｃ：１０ｍｍ
扁平体の厚さｄ：２．５ｍｍ

ＣＡＥ解析により求めたＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の変形量は下記の通りである。
Ｘ方向：０．６２１ｍｍ
Ｙ方向：１．５８６ｍｍ
Ｚ方向：２．５４８ｍｍ

即ち、上記直動リンク５におけるＸ方向、Ｙ方向の変形量は、Ｚ方向の変形量の約２５〜６０％であった。

直動リンクの一例を示す斜視図である。 操縦機の一例を示す正面図である。 パラレル機構の一例を示す斜視図である。 直動リンクの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１ 操縦機
３ 出力機
５ 直動リンク
５ａ 湾曲部
５ｂ 一端
５ｃ 他端
７ コントローラ
９ 直動アクチュエータ
９ｂ 一端
９ｃ 他端
１１ 歪みゲージ
１３ ベース
１３’ ベース
１５ 第一ジョイント
１５’ 第一ジョイント
１７ 第二ジョイント
１７’ 第二ジョイント
１９ ステージ
１９’ ステージ
２１ 操作レバー
２１’ マイクロハンド
２３ 支承部
２５ 支承部
２７ 支承部
２９ 支承部

Claims (3)

1. 操縦機と出力機とを相互に相似状となし、操縦機の直動リンクの変位から検出された信号をコントローラにより変換し、これを出力機の直動アクチュエータに直接入力することにより、出力機に操縦機と相似の動作をさせるようにしたパラレル機構において、
   前記直動リンクは弾性変形する扁平体を湾曲させてなり、該直動リンクの湾曲部に該直動リンクの変位を検出するための歪みゲージを備えさせたことを特徴とする操縦機。
2. 前記直動リンクは略Ｕ字状体であることを特徴とする請求項１に記載のパラレル機構における操縦機。
3. ベース上に前記直動リンクを複数個配設し、各直動リンクの一端を第一ジョイントを介して該ベースに連結し、各直動リンクの他端を第二ジョイントを介して共通のステージに連結し、該ステージに操作レバーを立設したことを特徴とする請求項１又は２に記載のパラレル機構における操縦機。