JP2560262B2 - 二本指マイクロハンド機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バイオテクノロジー、
医学、及び微細操作が必要な産業分野などにおける利用
に適した二本指マイクロハンド機構に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】本発明者らは、先に、特開平６−１７０
７６１号等として、微小対象物をハンドリングするため
に指の機能を果たす２本の手先片を備えたマイクロハン
ド機構を提案している。この２本の手先片を備えたマイ
クロハンド機構の基本的な構成は、図３に示すように、
一対の６自由度パラレルリンク機構からなるハンドモジ
ュール１００を利用したもので、各ハンドモジュール１
００においては、ベース部材１０１と、手先片１０２の
基体１０４とを６本のリンク１０５により連結するに際
し、その３本ずつをそれぞれ１群として、各群のリンク
１０５のベース部材１０１および基体１０４との接続点
を、中心軸線の周りの円周上にほぼ等分に配し、且つ両
群のリンクを互いに反対方向に傾斜させて配設し、各リ
ンク１０５にはそれを伸縮可能にするアクチュエータを
備えたものである。

【０００３】しかしながら、このようなマイクロハンド
機構においては、微小対象物をハンドリングする際に、
一対のハンドモジュール１００に対して高度な協調制御
を行うことに困難性があり、簡易な制御では両手先片１
０２に微小な相対運動を生成させることが困難であると
いう問題があった。また、このような機構においては、
両ハンドモジュール１００の動作領域が重なった狭い作
業空間の範囲でしかハンドリングできないという問題も
あった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】箸状の二本指で対象物
をハンドリングする際に、人間の操作する箸を観察する
と、細かい操作は人差し指側で操作する箸が行い、親指
側の箸は手に固定されて手全体の動きに連動した動きを
なしている。このような観察結果を考慮すると、上記マ
イクロハンド機構においては、人差し指側で操作する箸
に対応する指片は、主として細かい把持操作の制御を行
って指片相互の微小な相対運動を生成する機構部を形成
させ、親指側の箸に対応する指片には、主として広い作
業空間に対し位置決めする機能を有する機構部を形成さ
せ、これら機構部にそれぞれの機能を分担させることが
望ましく、これにより既提案のマイクロハンド機構にお
ける問題点を解消することができる。

【０００５】本発明は、かかる知見に基づいてなされた
もので、その技術的課題は、動作領域が広く、しかも、
広い動作領域内で簡単な制御により微小な相対運動を生
成させて、容易に対象物をハンドリングすることができ
る二本指マイクロハンド機構を得ることにある。本発明
の更に具体的な技術的課題は、それぞれ指片を駆動する
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
備えたものにおいて、上部パラレルリンク機構には、主
として微小な相対運動の生成を、下部パラレルリンク機
構には、主として広い作業空間に対する位置決めを分担
させ、簡便な構成でありながら容易に対象物をハンドリ
ングすることができる二本指マイクロハンド機構を得る
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の二本指マイクロハンド機構は、基体およびそ
れに対向配置された中間部材をリンク機構を介して連結
してなる上部パラレルリンク機構と、上記上部パラレル
リンク機構の構成部材を兼ねる中間部材およびそれに対
向配置されたベース部材をリンク機構を介して連結して
なる下部パラレルリンク機構とを備え、上記上部パラレ
ルリンク機構の基体に基端部を固着し、その先端部が外
方に延出させた第１指片と、上記中間部材に基端部を固
着し、外方に延出させた先端部が上記第一指片の先端部
に対向配置される第２指片と、上記基体と中間部材とを
連結するリンク機構に付設し、上記第１指片と第２指片
とに微小な相対運動を生成せしめる第１駆動制御手段
と、上記中間部材とベース部材とを連結するリンク機構
に付設し、上記第１指片と第２指片の位置決め制御を行
う第２駆動制御手段とを備えることにより構成される。

【０００７】本発明の二本指マイクロハンド機構におい
て、上記上部パラレルリンク機構の基体および中間部材
を連結するリンク機構は、基体と中間部材とを６本のリ
ンクにより連結し、その３本ずつをそれぞれ１群とし
て、各群のリンクの基体および中間部材との接続点を、
第２指片の中心軸線の周りの円周上にほぼ等分に配し、
且つ両群のリンクを互いに反対方向に傾斜させて配設す
ることにより構成し、このリンク機構に付設する第１駆
動制御手段は、これらリンクを伸縮させるアクチュエー
タにより構成し、また、下部パラレルリンク機構の中間
部材およびベース部材を連結するリンク機構は、中間部
材とベース部材とを６本のリンクにより連結し、その３
本ずつをそれぞれ１群として、各群のリンクの中間部材
とベース部材との接続点を、上記中心軸線の周りの円周
上にほぼ等分に配し、且つ両群のリンクを互いに反対方
向に傾斜させて配設することにより構成し、このリンク
機構に付設する第２駆動制御手段は、これらリンクを伸
縮させるアクチュエータにより構成することができる。

【０００８】

【作用】微小対象物をハンドリングする場合に、第２駆
動制御手段により下部パラレルリンク機構を制御して、
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
し位置決めし、一方、第１駆動制御手段により上部パラ
レルリンク機構を制御し、第１指片と第２指片とに微小
な相対運動を生成させて、例えば、上記対象物を掴んだ
り、移動させたりする。したがって、広い作業空間に上
記対象物があっても、その対象物に正確に位置決めして
容易にハンドリングすることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１及び図２に示す実施例の二本指マイクロハ
ンド機構は、上部パラレルリンク機構１と下部パラレル
リンク機構２とによる簡便な機構をなし、上部パラレル
リンク機構１の中心軸と下部パラレルリンク機構２の中
心軸線とが一致するように、これらのリンク機構１，２
が対向配置されている。

【００１０】上部パラレルリンク機構１は、中心孔３ａ
のある円板形状の基体３およびこの基体３に対向配置さ
れた円板形状の中間部材４を備え、この基体３と中間部
材４とは、６本のリンク８からなるリンク機構により連
結されている。一方、下部パラレルリンク機構２は、上
記上部パラレルリンク機構１の構成部材を兼ねる中間部
材４およびこの中間部材４に対向配置された円板形状の
ベース部材７を備え、この中間部材４とベース部材７と
は、６本のリンク９からなるリンク機構により連結され
ている。

【００１１】上記基体３の上面には、第１指片５の基端
部が固着され、第１指片５の先端部が外方に延出してい
る。この第１指片５は、図２に詳細に示すように、基端
部を形成する支柱５ａと、この支柱５ａにネジにより固
定された受台５ｂと、この受台５ｂの一端部に固着され
たボールジョイント５ｃと、このボールジョイント５ｃ
のボール５ｄに連結された筒体５ｅと、この筒体５ｅ内
に挿入止着される先端部の細棒５ｆとを備え、ボールジ
ョイント５ｃにより細棒５ｆを任意方向に向けることが
できるように支持されている。

【００１２】一方、上記中間部材４においては、基体３
より大きい円板の中心位置に、第２指片６の基端部が固
着され、その先端部は、基体３の中心孔３ａを貫通して
外方に延出させている。この第２指片６は、基端部を形
成する支柱６ａと、この支柱６ａの端面に止着された先
端部の細棒６ｂとを備え、この第２指片６と前記第１指
片５のそれぞれの先端部、即ち、細棒６ｂと細棒５ｆと
が、両者間に微小な相対運動を生じさせるように対向配
置されている。

【００１３】また、上記基体３と中間部材４とは、前述
のように、６本のリンク８により連結され、これらのリ
ンク８によって形成されるリンク機構は、主として上記
第１指片３と第２指片５とに微小な相対運動を生成させ
る機能を果たすものである。更に、上記中間部材４とベ
ース部材７とは、前述のように、６本のリンク９により
連結され、これらのリンク９によって形成されるリンク
機構は、主として、広い作業空間にある対象物に対する
上記第１指片３および第２指片５の位置決め機能を果た
すものである。

【００１４】上部パラレルリンク機構１を構成する６本
のリンク８は、その３本ずつをそれぞれ１群として、各
群のリンク８の基体３および中間部材４との接続点を、
基体３と中間部材４との中心軸線の周りの円周上にほぼ
等分に配し、且つ両群のリンク８を互いに反対方向に傾
斜させて配設し、更に詳細には、基体３において一方の
群の接続点と他方の群の接続点とは、上記中心軸線の周
りのほぼ同じ位置に、また、中間部材４において一方の
群の接続点と他方の群の接続点とは、上記中心軸線の周
りのほぼ同じ位置に配設され、これによって、両群の互
いに隣接するリンク８は、所定の傾斜角をなすように配
設している。

【００１５】下部パラレルリンク機構２を構成する６本
のリンク９もまた、その３本ずつをそれぞれ１群とし
て、各群のリンク９の中間部材４およびベース部材７と
の接続点を中心軸線の周りにほぼ等分に配し、且つ両群
のリンク９を互いに反対方向に傾斜させて配設してい
る。

【００１６】上記リンク８，９のそれぞれには、それら
を伸縮にするアクチュエータ１０，１１がそれぞれ設け
られ、それらのアクチュエータによって上部パラレルリ
ンク機構１の動作を制御する第１駆動制御手段、および
下部パラレルリンク機構２の動作を制御する第２駆動制
御手段を形成させている。上記各リンクに設けるアクチ
ュエータとしては、例えば、積層型のピエゾ圧電素子な
どを用いることができる。下部パラレルリンク機構２に
用いられているアクチュエータ１１は、広い作業空間に
ある対象物に対する位置決め制御を行うため、必要に応
じて、上部パラレルリンク機構１のアクチュエータ１０
に比べて伸縮量の大きなものを用いるのが望ましい。

【００１７】また、上記アクチュエータ１０，１１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。

【００１８】このような変位測定手段としては、図１に
示すように、圧電素子からなるアクチュエータ１０，１
１の伸縮方向に直接貼設して、それら圧電素子の微小な
変位を検出する歪みゲージ１２を採用することができ
る。また、上記圧電素子のサーボ駆動系としては、計算
機を用いたソフトウェ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。

【００１９】次に、この二本指マイクロハンド機構にお
ける制御動作を説明する。このような構成を有する二本
指マイクロハンド機構において、所定の対象物をハンド
リングする場合に、アクチュエータ１１による６本のリ
ンク９により、下部パラレルリンク機構２を制御し、第
１指片５と第２指片６とを上記対象物に対し位置決め
し、且つ、アクチュエータ１０による６本のリンク８に
より、上部パラレルリンク機構１を制御し、第１指片５
と第２指片６とに微小な相対運動を生成させる。

【００２０】即ち、まず、６本のリンク９のアクチュエ
ータ１１を駆動してそれらリンク９を所定量だけ伸縮さ
せ、第１指片５と第２指片６とを広い作業空間にある対
象物に対し位置決めするが、この位置決めは、歪みゲー
ジ１２から各リンク９の変位量を検出し、この変位量か
ら第１指片５および第２指片６の現位置を算出し、これ
をフィードバックして所定の第１指片５および第２指片
６に対する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１１をサーボ駆動することによ
り行う。

【００２１】そして、位置決めされた第２指片に対し、
６本のリンク８のアクチュエータ１０を駆動してこれら
リンク８を所定量だけ伸縮させ、第１指片５と第２指片
６とに微小な相対運動を生成させる。この相対運動の生
成は、上述の位置決めの場合と同様に、歪みゲージ１２
から各リンク８の変位量を検出して、この変位量から第
１指片５および第２指片６の相互の相対位置を算出し、
第１指片５および第２指片６に所定の相対運動を生成さ
せるようにアクチュエータ１０をサーボ駆動することに
より行う。次に、例えば、対象物を１指片５と第２指片
６とにより掴んで所定の場所に移動させる場合には、下
部パラレルリンク機構２を制御するだけでよい。

【００２２】このように、パラレルリンク機構１，２に
それぞれ上記機能をそれぞれ分担させることにより、動
作領域が広く、しかも広い動作領域内で微小な相対運動
を生成して、容易に対象物をハンドリングすることがで
きる。なお、上述した二本指マイクロハンド機構は、例
えば、数μｍ程度の微小物体（例えば細胞等）を対象と
し、２本指でそれを掴んで、並進、回転移動による位置
決め、把持、押付け、切断、引き伸ばし、圧搾、穴明
け、かき混ぜ、はね飛ばし等を行うために有効なもので
ある。

【００２３】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の二本指マイクロ
ハンド機構によれば、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対向配置し、両機構に所要の機能
をそれぞれ分担させることにより、機構自体を簡便化し
て、上部パラレルリンク機構には、主として微小な相対
運動の生成を、また、下部パラレルリンク機構には、主
として広い作業空間に対する位置決めを行わしめること
ができ、広い作業空間に上記対象物があっても、その対
象物に正確に位置決めして容易にハンドリングすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二本指マイクロハンド機構の構成を示
す外観斜視図である。

【図２】図１のＡ部詳細を示す要部断面図である。

【図３】従来の二本指マイクロハンド機構の概略構成を
示す外観斜視図である。

【符号の説明】

１ 上部パラレルリンク機構 ２ 下部パラレルリンク機構 ３ 基体 ４ 中間部材 ５ 第１指片 ６ 第２指片 ７ ベース部材 ８，９ リンク １０，１１ アクチュエータ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基体およびそれに対向配置された中間部材
   をリンク機構を介して連結してなる上部パラレルリンク
   機構と、上記上部パラレルリンク機構の構成部材を兼ね
   る中間部材およびそれに対向配置されたベース部材をリ
   ンク機構を介して連結してなる下部パラレルリンク機構
   とを備え、 上記上部パラレルリンク機構の基体に基端部を固着し、
   その先端部が外方に延出させた第１指片と、 上記中間部材に基端部を固着し、外方に延出させた先端
   部が上記第一指片の先端部に対向配置される第２指片
   と、 上記基体と中間部材とを連結するリンク機構に付設し、
   上記第１指片と第２指片とに微小な相対運動を生成せし
   める第１駆動制御手段と、 上記中間部材とベース部材とを連結するリンク機構に付
   設し、上記第１指片と第２指片の位置決め制御を行う第
   ２駆動制御手段とを備えた、ことを特徴とする二本指マ
   イクロハンド機構。
2. 【請求項２】上部パラレルリンク機構において基体およ
   び中間部材を連結するリンク機構は、基体と中間部材と
   を６本のリンクにより連結し、その３本ずつをそれぞれ
   １群として、各群のリンクの基体および中間部材との接
   続点を、第２指片の中心軸線の周りの円周上にほぼ等分
   に配し、且つ両群のリンクを互いに反対方向に傾斜させ
   て配設することにより構成し、 このリンク機構に付設する第１駆動制御手段は、これら
   リンクを伸縮させるアクチュエータにより構成し、 下部パラレルリンク機構において中間部材およびベース
   部材を連結するリンク機構は、中間部材とベース部材と
   を６本のリンクにより連結し、その３本ずつをそれぞれ
   １群として、各群のリンクの中間部材とベース部材との
   接続点を、上記中心軸線の周りの円周上にほぼ等分に配
   し、且つ両群のリンクを互いに反対方向に傾斜させて配
   設することにより構成し、 このリンク機構に付設する第２駆動制御手段は、これら
   リンクを伸縮させるアクチュエータにより構成した、こ
   とを特徴とする請求項１に記載の二本指マイクロハンド
   機構。