JP2009202269A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】軸に直交する方向の微小な並進変位と軸まわりの回転変位を与えるコンパクトで単純な機構のマニピュレータを提供する。
【解決手段】作業を行うアーム部２と、アーム部２の回転角を制御する回転角制御部３と、アーム部２の変位を制御する変位制御部４と、を備えたマニピュレータ１において、回転角制御部３は、回転駆動力を付与する回転角付与手段３１を有し、アーム部２は、回転角付与手段３１に接続され、回転可能であると共に、屈曲可能な屈曲軸部２１と、屈曲軸部２１に接続され、屈曲軸部２１が屈曲することにより移動する作用軸２２と、作用軸２２の先端に設置され、各種作業を行う作業部２３と、を有し、変位制御部４は、作用軸２２に力を付与する変位付与手段４１と、変位付与手段４１の駆動力を伝達し、作用軸２２に常に当接する出力部材４２と、を有することを特徴する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小な機構部品又は電子部品の組み立て、生体操作用マニピュレータ、精密顕微鏡観察用位置制御、精密測定用位置制御，微小加工用工具の位置制御等に用いられるマニピュレータに関する。

従来、微小部品の組み立て作業やバイオ関連の微小操作などでは、ごく狭い範囲の、高分解能で制御性の良い変位発生機構が求められている。この要求に対し液圧式または電動式の変位機構がマニピュレータとして用いられている。

電動式変位機構には、一般の位置決め機構と同様な原理で、ねじ送り機構またはリニアアクチュエータによって直線運動を得るものや、回転運動を直接利用するものがあるが、基本的には単一自由度をもつ機構の積み重ねによってマニピュレータ先端に多自由度の並進変位を発生させている。例えば、特許文献１には、液圧式マニピュレータが記載されている。

マニピュレータ先端の回転が必要な場合は、直動機構の上に回転機構を搭載するか、直動機構を旋回機構上に搭載するかしている。

また、別の方法としてパンタグラフ機構を用いるものがある。このようなマニピュレータとして、特許文献２には、例えば、把持指の先端部を近接させて微小物体を把持するハンドリング部を、パンタグラフ機構を変位させてＸ方向及びＹ方向に駆動するＸＹ駆動部と、パンタグラフ機構を変位させてハンドリング部の把持指の先端部を中心として把持指が揺動するようにハンドリング部の姿勢方向を変更するθｚ駆動部と、ハンドリング部をＺ方向に駆動するＺ駆動部と、を備えており、ＸＹ駆動部とθｚ駆動部とは一体に構成され、Ｚ駆動部はパンタグラフ機構の出力リンクに支持されており、ハンドリング部はＺ駆動部に支持されているマイクロマニピュレータが開示されている。また、パラレルリンク機構を用いたマニピュレータが、例えば特許文献３に開示されている。

特開２００１−３３０７８１号公報 特開２００７−０３０１３７号公報 特開２００３−０６２７７３号公報

しかしながら、従来の技術、特に微小組み立て装置では、コンパクトな機構が求められており、微小作業においてマニピュレータに作用する力はごくわずかであるにもかかわらず、大変位や大作用力を扱う機構と同じ機構が用いられている。

例えば、それぞれ案内機構とアクチュエータをもつ直動または回転の単一自由度の機構要素を積み重ねたものはコンパクト化と低価格化の障害になっている。また、各機構要素の運動誤差が蓄積され、マニピュレータ先端において望む運動精度が得られにくい。さらに、パラレルリンク機構を用いたものは、動作範囲に比べて同様に小型化が難しい。

本発明は、軸に直交する方向の微小な並進変位と軸まわりの回転変位を与えるコンパクトで単純な機構のマニピュレータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、作業を行うアーム部と、前記アーム部の回転角を制御する回転角制御部と、前記アーム部の変位を制御する変位制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、前記回転角制御部は、回転駆動力を付与する回転角付与手段を有し、前記アーム部は、前記回転角付与手段に接続され、回転可能であると共に、屈曲可能な屈曲軸部と、前記屈曲軸部に接続され、前記屈曲軸部が屈曲することにより移動する作用軸と、前記作用軸の先端に設置され、各種作業を行う作業部と、を有し、前記変位制御部は、前記作用軸に力を付与する変位付与手段と、前記変位付与手段の駆動力を伝達し、前記作用軸に常に当接する出力部材と、を有することを特徴する。
また、前記変位制御部は、前記出力部材を前記作用軸に常に当接させる付勢力を付与する付勢手段を有することを特徴する。
また、前記変位付与手段は、回転駆動モータからなり、前記出力部材は、前記作用軸に対して垂直な方向に回転軸を持つカムからなることを特徴する。
また、前記カムは、前記作用軸に当接する外周面に溝を有することを特徴する。
また、前記カムは、前記作用軸に当接する外周面にフランジを有することを特徴する。
また、前記変位制御部は、前記作用軸が前記フランジに常に当接するように付勢力を付与するサポートばねを有することを特徴する。
また、前記変位付与手段は、直動アクチュエータからなることを特徴する。
また、前記変位制御部は、第１変位制御部と、前記作用軸に対して前記第１変位制御部と垂直な方向に力を付与する第２変位制御部とを有することを特徴する。

本発明のマニピュレータによれば、微小範囲での高分解能多自由度の変位を発生させることが可能となる。また、各自由度ごとの案内機構をもたず、シンプルな構成のためコンパクト化と低価格化が可能となる。さらに、各自由度の発生変位を正確に制御することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るマニピュレータ１を構成する主要構成要素を示した図である。図１（ａ）は上面から見た図、図１（ｂ）は側面から見た図である。

マニピュレータ１は、アーム部２と、回転角制御部３と、第１変位制御部４と、を備えている。

アーム部２は、回転角制御部３に接続され、回転可能であると共に、屈曲可能な屈曲軸部２１と、屈曲軸部２１に接続され、第１変位制御部４から力を付与され、屈曲軸部２１が屈曲することにより移動する作用軸２２と、作用軸２２の先端に設置され、各種作業を行う作業部としてのグリッパ２３と、を有する。なお、作用軸２２の先端に設置されるものはグリッパ２３に限らず、他の構造のものでもよく、使用目的に応じて交換可能な構造とすると好ましい。

屈曲軸部２１は、柔軟で且つねじれ剛性が高い素材を選択するとよい。また、弾性体を用いてもよい。例えば、ばね用鋼材、形状記憶合金、繊維入り合成樹脂又は自在継手等が好ましい。作用軸２２は、他の部材と接触しながら回転するので、断面が円形で、表面が滑らかなものが好ましい。グリッパ２３は、従来から使用されている構造でよいが、作用軸方向に伸縮可能なものが望ましい。

回転角制御部３は、回転駆動力を付与するサーボモータやステップモータ等の回転角付与手段としての回転角付与モータ３１と、回転角付与モータ３１の駆動力を出力する出力軸３１ａと、継手３２と、出力軸３１ａの出力した駆動力をアーム部２に伝達する回転軸３３と、回転軸３３を回転可能に支持する軸受３４と、を有する。

なお、出力軸３１ａから回転軸３３へ駆動力を伝達する際に、減速器やリンク機構等の伝達機構を介して間接的に伝達してもよい。また、回転軸３３は、曲げ剛性の高いものが好ましい。

第１変位制御部４は、駆動力を付与するサーボモータ、ステップモータ等の第１変位付与手段としての第１変位付与モータ４１と、第１変位付与モータ４１の駆動力を出力し、作用軸２２に対して垂直な方向に回転軸を持ち、作用軸２２に常に当接する第１出力部材としての第１カム４２と、作用軸２２を第１カム４２側に付勢する第１付勢手段としての第１予圧ばね４３と、を有する。

次に、第１実施形態のマニピュレータ１の作動について説明する。まず、グリッパ２３を回転させる作動について説明する。グリッパ２３を回転させるには、回転角付与モータ３１を作動させればよい。回転角付与モータ３１を所望角度に作動させることにより、出力軸３１ａ、継手３２、回転軸３３、屈曲軸部２１及び作用軸２２を介して、グリッパ２３が所望角度に回転する。

次に、グリッパ２３を変位させる作動について説明する。図２は、作用軸２２を変位させた状態を示す図である。グリッパ２３をＹ方向に変位させるには、第１変位付与モータ４１を作動し、第１カム４２を回転させる。第１カム４２が回転すると、第１カム４２と作用軸２２との接触点ＰがＹ方向に変位し、作用軸２２は屈曲軸部２１の屈曲点２１ａから傾斜し、グリッパ２３がＹ方向に変位する。作用軸２２の先端のグリッパ２３は、第１カム４２と作用軸２２との接触点Ｐの移動距離がてこ比Ｂ／Ａで拡大されて変位される。グリッパ２３の変位は、第１カム４２の曲線形状と回転角によって一義的に決定するので、第１カム４２の回転角を精密に制御することによりグリッパ２３の変位を精密に制御することができる。

グリッパ２３を図２に示すように変位させた状態で回転角付与モータ３１を作動させた場合、屈曲軸部２１は屈曲方向を変えずに回転することができるので、グリッパ２３は、変位した位置で回転することが可能である。すなわち、グリッパ２３の回転と変位は、干渉することなく独立して付与することが可能である。

図３及び図４は、作用軸２２のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。

図３（ａ）は作用軸方向から見た図、図３（ｂ）は側面から見た図である。図３の構造は、第１カム４２の円周面一方側にフランジ４２ａを設け、円周面で作用軸２２と接触した状態で、他方側からサポートばね４４でフランジ４２ａ側に押し付けるものである。なお、第１予圧ばね４３を傾斜させて設置し、第１予圧ばね４３のみで作用軸２２を第１カム４２の円周面とフランジ４２ａ側との両方に押し付ける構造としてもよい。

図４（ａ）は作用軸方向から見た図、図４（ｂ）は側面から見た図である。図４の構造は、第１カム４２の円周面に溝４２ｂを設け、作用軸２２を断面円弧状の溝４２ｂ内に配置し、第１予圧ばね４３で作用軸２２を第１カム４２の円周面に押し付ける構造としたものである。図５に示すように、溝４２ｂの形状は、断面がＶ字状の形状としてもよい。

図６は、第１変位付与手段として第１直動アクチュエータ１４１を用いた構造を示す図である。第１直動アクチュエータ１４１は、作用軸２２に対してＸ方向から第１出力部材を介して当接し、Ｘ方向に変位するように配置することが好ましい。第１直動アクチュエータ１４１としては、電動マイクロメータヘッドや圧電アクチュエータを用いると好ましい。また、第１出力部材は、第１直動アクチュエータ１４１の一部であっても別体であってもよい。

次に、グリッパ２３を作用軸２２に直交する面内で移動可能とする実施形態について説明する。図７は本発明の第２実施形態に係るマニピュレータ１を構成する主要構成要素を示した図、図８は第１変位制御部４と第２変位制御部５を拡大した図である。

図７（ａ）は上面から見た図、図７（ｂ）は側面から見た図である。図７に示すように、第２実施形態に係るマニピュレータ１は、第１実施形態に第２変位制御部５を付加した構造としたものである。

第２変位制御部５は、第１変位制御部４と同様に、駆動力を付与するサーボモータ、ステップモータ等の第２変位付与手段としての第２変位付与モータ５１と、第２変位付与モータ５１の駆動力を出力し、作用軸２２に対して垂直な方向に回転軸を持ち、作用軸２２に当接する第２出力部材としての第２カム５２と、作用軸２２を第２カム５２側に付勢する第２付勢手段としての第２予圧ばね５３と、を有する。

その他の構造については第１実施形態と同様なので、説明は省略する。

次に、第２実施形態のマニピュレータ１の作動について説明する。まず、グリッパ２３を回転させる作動について説明する。グリッパ２３を回転させるには、回転角付与モータ３１を作動させればよい。回転角付与モータ３１を所望角度に作動させることにより、出力軸３１ａ、継手３２、回転軸３３、屈曲軸部２１及び作用軸２２を介して、グリッパ２３が所望角度に回転する。

次に、グリッパ２３を変位させる作動について説明する。グリッパ２３をＹ方向に変位させるには、第１変位付与モータ４１を作動し、第１カム４２を回転させる。第１カム４２が回転すると、第１カム４２と作用軸２２との第１接触点ＰがＹ方向に変位し、作用軸２２が屈曲軸部２１の屈曲点２１ａから傾斜し、グリッパ２３がＹ方向に変位する。グリッパ２３をＸ方向に変位させるには、第２変位付与モータ５１を作動し、第２カム５２を回転させる。第２カム５２が回転すると、第２カム５２と作用軸２２との第２接触点ＱがＸ方向に変位し、作用軸２２は屈曲軸部２１の屈曲点２１ａから傾斜し、グリッパ２３がＸ方向に変位する。また、グリッパ２３をＸＹ面内で変位させるには、Ｘ方向の変位とＹ方向の変位を同時に行えばよい。

グリッパ２３の変位は、第１カム４２及び第２カム５２の曲線形状と回転角によって一義的に決定するので、第１カム４２及び第２カム５２の回転角を精密に制御することによりグリッパ２３の変位を精密に制御することができる。

グリッパ２３を変位させた状態で回転角付与モータ３１を作動させた場合、屈曲軸部２１は屈曲方向を変えずに回転することができるので、グリッパ２３は、変位した位置で回転することが可能である。すなわち、グリッパ２３の回転と変位は、干渉することなく独立して付与することが可能である。

本実施形態では、第１予圧ばね４３が第１カム４２の円周面に作用軸２２を押し付け、第２予圧ばね５３が第２カム５２の円周面に作用軸２２を押し付ける構造により、作用軸２２は、ぶれることなく、所望の変位に移動することができる。なお、図９に示すように、第１予圧ばね４３又は第２予圧ばね５３を傾斜させて設置し、第１予圧ばね４３又は第２予圧ばね５３のどちらか一つのみで作用軸２２を第１カム４２及び第２カム５２の円周面の両方に押し付ける構造としてもよい。また、第１予圧ばね４３及び第２予圧ばね５３を設置せず、別の予圧ばねをいずれかの位置に設置する構造としてもよい。

図１０は、第１変位付与手段及び第２変位付与手段として第１直動アクチュエータ１４１及び第２直動アクチュエータ１５１を用いた構造を示す図である。図１０（ａ）は上面から見た図、図１０（ｂ）は作用軸方向から見た第１直動アクチュエータ１４１及び第２直動アクチュエータ１５１付近の拡大図である。

第１直動アクチュエータ１４１は、作用軸２２に対してそれぞれ垂直なＸ方向から第１出力部材を介して当接し、Ｘ方向に変位し、第２直動アクチュエータ１５１は、作用軸２２に対してそれぞれ垂直なＹ方向から第２出力部材を介して当接し、Ｙ方向に変位するように配置することが好ましい。第１直動アクチュエータ１４１及び第２直動アクチュエータ１５１としては、電動マイクロメータヘッドや圧電アクチュエータを用いると好ましい。また、第１出力部材は、第１直動アクチュエータ１４１の一部であっても別体であってもよく、第２出力部材は、第２直動アクチュエータ１５１の一部であっても別体であってもよい。

本実施形態のマニピュレータによれば、微小範囲での高分解能多自由度の変位を発生させることが可能となる。また、各自由度ごとの案内機構をもたず、シンプルな構成のためコンパクト化と低価格化が可能となる。さらに、各自由度の発生変位を正確に制御することができる。

微小な機構部品又は電子部品の組み立て、生体操作用マニピュレータ、精密顕微鏡観察用位置制御、精密測定用位置制御若しくは微小加工用工具の位置制御等に用いることが可能であり、微小範囲での高分解能多自由度の変位を発生させることができ、シンプルな構成のためコンパクト化と低価格化が可能となり、各自由度の発生変位を正確に制御することができる。

第１実施形態に係るマニピュレータを示した図である。 作用軸を変位させた状態を示す図である。 作用軸のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。 作用軸のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。 作用軸のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。 直動アクチュエータを用いた構造を示す図である。 第２実施形態に係るマニピュレータを示した図である。 第１変位制御部と第２変位制御部を拡大した図である。 第１変位制御部と第２変位制御部を拡大した図である。 第１直動アクチュエータ及び第２直動アクチュエータを用いた構造を示す図である。

符号の説明

１…マニピュレータ、２…アーム部、２１…屈曲軸部、２２…作用軸、２３…グリッパ（作業部）、３…回転角制御部、３１…回転角付与モータ（回転角付与手段）、３１ａ…出力軸、３２…継手、３３…回転軸、３４…軸受、４…第１変位制御部、４１…第１変位付与モータ（第１変位付与手段）、４２…第１カム（第１出力部材）、４３…第１予圧ばね（第１付勢手段）、４４…サポートばね、５…第２変位制御部、５１…第２変位付与モータ（第２変位付与手段）、５２…第２カム（第２出力部材）、５３…第２予圧ばね（第２付勢手段）、１４１…第１直動アクチュエータ（第１変位付与手段）、１５１…第２直動アクチュエータ（第２変位付与手段）

Claims (8)

1. 作業を行うアーム部と、前記アーム部の回転角を制御する回転角制御部と、前記アーム部の変位を制御する変位制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、
   前記回転角制御部は、回転駆動力を付与する回転角付与手段を有し、
   前記アーム部は、前記回転角付与手段に接続され、回転可能であると共に、屈曲可能な屈曲軸部と、前記屈曲軸部に接続され、前記屈曲軸部が屈曲することにより移動する作用軸と、前記作用軸の先端に設置され、各種作業を行う作業部と、を有し、
   前記変位制御部は、前記作用軸に力を付与する変位付与手段と、前記変位付与手段の駆動力を伝達し、前記作用軸に常に当接する出力部材と、を有する
   ことを特徴するマニピュレータ。
2. 前記変位制御部は、前記出力部材を前記作用軸に常に当接させる付勢力を付与する付勢手段を有することを特徴する請求項１に記載のマニピュレータ。
3. 前記変位付与手段は、回転駆動モータからなり、前記出力部材は、前記作用軸に対して垂直な方向に回転軸を持つカムからなることを特徴する請求項１又は請求項２に記載のマニピュレータ。
4. 前記カムは、前記作用軸に当接する外周面に溝を有することを特徴する請求項３に記載のマニピュレータ。
5. 前記カムは、前記作用軸に当接する外周面にフランジを有することを特徴する請求項３に記載のマニピュレータ。
6. 前記変位制御部は、前記作用軸が前記フランジに常に当接するように付勢力を付与するサポートばねを有することを特徴する請求項５に記載のマニピュレータ。
7. 前記変位付与手段は、直動アクチュエータからなることを特徴する請求項１又は請求項２に記載のマニピュレータ。
8. 前記変位制御部は、第１変位制御部と、前記作用軸に対して前記第１変位制御部と垂直な方向に力を付与する第２変位制御部とを有することを特徴する請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のマニピュレータ。

Images