JP7363181B2 - マニピュレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、マニピュレーションシステムに関する。

バイオテクノロジ分野において、微小な対象物に微細な操作を行うマイクロマニピュレーションシステムが知られている。下記特許文献１、２には、ハンドルを中立位置から傾斜させ、ハンドルの傾斜に応じてピペットやキャピラリ等の操作部材の移動を制御するジョイスティック及びマニピュレータシステムが記載されている。

マニピュレータシステムの移動制御は、速度制御モードと位置制御モードとに切り替え可能となっている。速度制御モードは、ハンドルの傾き角度に応じた速度で操作部材を移動させる操作モードである。位置制御モードは、ハンドルの傾き角度に応じた位置に操作部材を移動させる操作モードである。

特開２０１５－２０５３７０号公報 特開平７－２２７７８３号公報

操作部材のＺ軸方向の移動において、位置制御モードから速度制御モードに切り替える際に、操作者が意図しない動作をする場合がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、操作部材のＺ軸方向の移動における誤動作を抑制することができるマニピュレーションシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の一態様に係るマニピュレーションシステムは、微小対象物を操作する操作部材を備えたマニピュレータと、前記操作部材の移動を制御するためのジョイスティックと、を有し、前記ジョイスティックは、中立位置からの傾き角度に応じて、前記操作部材のＸＹ軸方向の移動を制御するハンドルと、基準位置からの操作量に応じて、前記操作部材のＺ軸方向の移動を制御する回転入力部と、前記操作部材の移動制御を、前記ハンドルの傾斜角度に応じた位置に前記操作部材を移動させる位置制御モード又は前記ハンドルの傾斜角度に応じた速度で前記操作部材を移動させる速度制御モードに切り替える制御モード切替スイッチと、を有し、前記速度制御モードにあるときに、前記回転入力部の操作量があらかじめ設定された閾値以下の場合に、前記回転入力部の操作による前記操作部材の移動が無効となり、前記回転入力部の操作量が前記閾値よりも大きくなった場合に、前記回転入力部による前記速度制御モードが開始される。

これによれば、操作部材のＺ軸方向の移動において、位置制御モードから速度制御モードに切り替わった場合に、回転入力部の操作による操作部材の移動が無効となる操作範囲が設けられている。このため、速度制御モードにおいて、操作者の意図しない方向や速度で操作部材の移動が開始することを抑制できる。したがって、マニピュレーションシステムは、操作部材のＺ軸方向の移動における誤動作を抑制することができる。また、制御モード切替スイッチにより移動制御を切り替えることができるので、ハンドルを中立位置に戻す等の操作が不要である。

マニピュレーションシステムの望ましい態様として、前記回転入力部の位置を記憶する記憶部と、前記位置制御モードと前記速度制御モードとの切り替えを制御する制御部と、を有し、前記制御モード切替スイッチが、前記位置制御モードから前記速度制御モードに切り替えられた場合に、前記記憶部は、前記回転入力部の位置に関する情報をＺ軸記憶位置として記憶し、前記制御部は、前記回転入力部の操作量として、前記回転入力部の現在の位置に関する情報であるＺ軸現在位置と、前記Ｚ軸記憶位置との差分を演算する。

これによれば、速度制御モードに切り替えられるごとに、回転入力部の位置がＺ軸記憶位置として記憶される。このため、速度制御モードの開始条件がＺ軸記憶位置を基準として設定されるので、回転入力部の位置が基準位置からずれている場合であっても、操作者の意図しない方向や速度で操作部材の移動が開始することを抑制できる。

マニピュレーションシステムの望ましい態様として、前記Ｚ軸記憶位置が、前記基準位置に対して第１方向側に位置する場合であって、前記Ｚ軸現在位置が、前記Ｚ軸記憶位置に対して前記第１方向と反対側の第２方向側に位置する場合に、前記制御部は、前記回転入力部による前記操作部材の移動を無効にする。より好ましくは、Ｚ軸現在位置が、基準位置を超えて、かつ、Ｚ軸現在位置と基準位置との差の絶対値が閾値を超えた場合に動作し、Ｚ軸現在位置と基準位置との差の絶対値が閾値以下の場合に無効にする。

これによれば、操作者が移動させようとする方向とは逆方向に操作部材が移動することを抑制できる。

マニピュレーションシステムの望ましい態様として、前記ハンドルが設けられる筐体と、前記ハンドルの先端に設けられ、前記ハンドルによる移動制御の有効及び無効を切り替える操作切替スイッチと、を有し、前記制御モード切替スイッチは、前記筐体に設けられる。

これによれば、制御モード切替スイッチに加え操作切替スイッチを有しているので、ハンドルによる移動制御が速度制御モードに切り替えられた場合の誤動作を抑制することができる。又、制御モードの切替の際に、ハンドルを中立位置に戻す必要がない。又、操作切替スイッチにより操作を無効にすることで、操作部材を動作させずにハンドルの位置を調整できる。

マニピュレーションシステムの望ましい態様として、前記位置制御モードにおいて、前記操作切替スイッチがオンの場合に前記ハンドルによる操作が無効となり、前記速度制御モードにおいて、前記操作切替スイッチがオンの場合に前記ハンドルによる操作が有効となる。

これによれば、操作切替スイッチのオン、オフと、ハンドルによる操作の有効、無効との関係が、位置制御モードと速度制御モードとで逆転している。このため、ハンドル操作によるＸＹ軸方向の移動において、位置制御モードと速度制御モードとを切り替えた場合の意図しない動作を抑制することができる。

マニピュレーションシステムの望ましい態様として、前記制御モード切替スイッチは、前記ハンドルの先端に設けられる。

これによれば、制御モードの切り替えの操作性を向上させることができる。

本発明によれば、操作部材のＺ軸方向の移動における誤動作を抑制することができる。

図１は、第１実施形態に係るマニピュレーションシステムの構成を模式的に示す図である。 図２は、マニピュレーションシステムの制御ブロック図である。 図３は、ジョイスティックの構成例を示す正面図である。 図４は、ジョイスティックの構成例を示す上面図である。 図５は、第１実施形態に係るマニピュレーションシステムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 図６は、ＸＹ軸方向の位置制御モードを説明するための説明図である。 図７は、位置制御モードにおけるハンドルの傾斜角度とピペット位置との関係を模式的に示すグラフである。 図８は、ＸＹ軸方向の速度制御モードを説明するための説明図である。 図９は、速度制御モードにおけるハンドルの傾斜角度とピペット速度との関係を模式的に示すグラフである。 図１０は、Ｚ軸方向における位置制御モードから速度制御モードへの切り替えを説明するための説明図である。 図１１は、時間と、回転入力部の操作位置との関係を模式的に示すグラフである。 図１２は、時間と、ピペット速度との関係を模式的に示すグラフである。 図１３は、Ｚ軸方向における位置制御モードから速度制御モードへの切り替え方法を説明するためのフローチャートである。 図１４は、第２実施形態に係るマニピュレーションシステムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 図１５は、第２実施形態に係るＸＹ軸方向の位置制御モードと速度制御モードの切替方法を説明するための説明図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るマニピュレーションシステムの構成を模式的に示す図である。マニピュレーションシステム１０は、顕微鏡観察下で微小対象物（例えば細胞や卵など）である試料を操作するためのシステムである。図１に示すように、マニピュレーションシステム１０は、顕微鏡ユニット１２と、第１マニピュレータ１４と、第２マニピュレータ１６と、マニピュレーションシステム１０を制御するコントローラ４３とを備えている。顕微鏡ユニット１２の両側に第１マニピュレータ１４と第２マニピュレータ１６とが分かれて配置されている。

顕微鏡ユニット１２は、撮像素子を含むカメラ１８と、顕微鏡２０と、試料ステージ２２とを備えている。試料ステージ２２は、シャーレなどの試料保持部材１１を支持可能であり、試料保持部材１１の直上に顕微鏡２０が配置される。顕微鏡ユニット１２は、顕微鏡２０とカメラ１８とが一体構造となっており、試料保持部材１１に向けて光を照射する光源（図示は省略している）を備えている。なお、カメラ１８は、顕微鏡２０と別体に設けてもよい。

試料保持部材１１には、試料を含む溶液が収容される。試料保持部材１１の試料に光が照射され、試料保持部材１１の試料で反射した光が顕微鏡２０に入射する。試料に関する光学像は、顕微鏡２０で拡大された後、カメラ１８で撮像される。顕微鏡ユニット１２は、カメラ１８で撮像された画像を基に試料の観察が可能となっている。

図１に示すように、第１マニピュレータ１４は、第１ピペット保持部材２４と、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６と、Ｚ軸テーブル２８と、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６を駆動する駆動装置３０と、Ｚ軸テーブル２８を駆動する駆動装置３２とを備える。第１マニピュレータ１４は、Ｘ軸－Ｙ軸－Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータである。

なお、本実施形態において、水平面内の一方向をＸ軸方向、水平面内においてＸ軸方向と交差する方向をＹ軸方向、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のそれぞれと交差する方向（すなわち鉛直方向）をＺ軸方向とする。試料ステージ２２の表面は、ＸＹ平面と平行であり、Ｚ軸方向と直交する。

Ｘ－Ｙ軸テーブル２６は、駆動装置３０の駆動により、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に移動可能となっている。Ｚ軸テーブル２８は、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６上に上下移動可能に配置され、駆動装置３２の駆動によりＺ軸方向に移動可能になっている。駆動装置３０、３２は、コントローラ４３に接続されている。

第１ピペット保持部材２４は、Ｚ軸テーブル２８に連結され、先端に毛細管チップである第１ピペット２５が取り付けられている。第１ピペット保持部材２４は、Ｘ－Ｙ軸テーブル２６とＺ軸テーブル２８の移動に従って３次元空間を移動領域として移動できる。第１ピペット保持部材２４は、試料保持部材１１に収容された試料を、第１ピペット２５を介して保持することができる。すなわち、第１マニピュレータ１４は、微小対象物の保持に用いられる保持用マニピュレータであり、第１ピペット２５は、微小対象物の保持手段として用いられるホールディングピペットである。

第２マニピュレータ１６は、第２ピペット保持部材３４と、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６と、Ｚ軸テーブル３８と、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６を駆動する駆動装置４０と、Ｚ軸テーブル３８を駆動する駆動装置４２とを備える。第２マニピュレータ１６は、Ｘ軸－Ｙ軸－Ｚ軸の３軸構成のマニピュレータである。

Ｘ－Ｙ軸テーブル３６は、駆動装置４０の駆動により、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に移動可能となっている。Ｚ軸テーブル３８は、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６上に上下移動可能に配置され、駆動装置４２の駆動によりＺ軸方向に移動可能になっている。駆動装置４０、４２は、コントローラ４３に接続されている。

第２ピペット保持部材３４は、Ｚ軸テーブル３８に連結され、先端にガラス製の第２ピペット３５が取り付けられている。第２ピペット保持部材３４は、Ｘ－Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８の移動に従って３次元空間を移動領域として移動できる。第２ピペット保持部材３４は、試料保持部材１１に収容された試料を人工操作することが可能である。すなわち、第２マニピュレータ１６は、微小対象物の操作（ＤＮＡ溶液の注入操作や穿孔操作など）に用いられる操作用マニピュレータであり、第２ピペット３５は、微小対象物のインジェクション操作手段として用いられるインジェクションピペットである。第１ピペット２５及び第２ピペット３５は、操作対象を操作するための操作部材である。

Ｘ－Ｙ軸テーブル３６とＺ軸テーブル３８は、第２ピペット保持部材３４を、試料保持部材１１に収容された試料などの操作位置まで粗動駆動する粗動機構（３次元移動テーブル）として構成されている。また、Ｚ軸テーブル３８と第２ピペット保持部材３４との連結部には、ナノポジショナとして微動機構４４が備えられている。微動機構４４は、第２ピペット保持部材３４をその長手方向（軸方向）に移動可能に支持するとともに、第２ピペット保持部材３４をその長手方向（軸方向）に沿って微動駆動するように構成される。

なお、微動機構４４は、微小対象物の操作用の第２マニピュレータ１６に設けられるとしているが、微小対象物の固定用の第１マニピュレータ１４に設けてもよく、省略することも可能である。

次に、コントローラ４３によるマニピュレーションシステム１０の制御について図２を参照して説明する。図２は、マニピュレーションシステムの制御ブロック図である。

コントローラ４３は、演算手段としてのＣＰＵ（Central Processing Unit）及び記憶手段としてのハードディスク、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のハードウェア資源を備える。コントローラ４３は、記憶部４６Ｂに格納された所定のプログラムに基づいて各種の演算を行い、演算結果に従って制御部４６Ａが各種の制御を行うように駆動信号を出力する。

制御部４６Ａは、顕微鏡ユニット１２の焦点合わせ機構８１、第１マニピュレータ１４の駆動装置３０、駆動装置３２、シリンジポンプ２９、第２マニピュレータ１６の駆動装置４０、駆動装置４２、圧電素子９２、注入ポンプ３９を制御する制御回路である。制御部４６Ａは、必要に応じて設けられたドライバやアンプ等を介して、顕微鏡ユニット１２、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６のそれぞれに駆動信号を出力する。制御部４６Ａは、駆動装置３０、３２、４０、４２にそれぞれ駆動信号Ｖ_ｘｙ、Ｖ_ｚ（図１参照）を供給する。駆動装置３０、３２、４０、４２は、駆動信号Ｖ_ｘｙ、Ｖ_ｚに基づいてＸ－Ｙ－Ｚ軸方向に駆動する。制御部４６Ａは、微動機構４４にナノポジショナ制御信号Ｖ_Ｎ（図１参照）を供給して、微動機構４４の制御を行ってもよい。

コントローラ４３は、情報入力手段としてジョイスティック４７、４８と、入力部４９とが接続されている。入力部４９は、例えばキーボードやタッチパネル、マウス等である。また、コントローラ４３は、液晶パネル等の表示部４５が接続される。表示部４５にはカメラ１８で取得した顕微鏡画像や各種制御用画面が表示されるようになっている。なお、入力部４９としてタッチパネルが用いられる場合には、表示部４５の表示画面にタッチパネルを重ねて用い、操作者が表示部４５の表示画像を確認しつつ入力操作を行うようにしてもよい。

制御部４６Ａは、ジョイスティック４７、４８からの制御信号に基づいて、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６の駆動を制御する。ジョイスティック４７、４８の構成及び制御方法については後述する。

コントローラ４３は、さらに画像入力部４３Ａ、画像処理部４３Ｂ、画像出力部４３Ｃ及び位置検出部４３Ｄを備えている。顕微鏡２０を通してカメラ１８で撮像した画像信号Ｖ_ＰＩＸ（図１参照）が画像入力部４３Ａに入力される。画像処理部４３Ｂは、画像入力部４３Ａから画像信号を受け取って、画像処理を行う。画像出力部４３Ｃは、画像処理部４３Ｂで画像処理された画像情報を表示部４５へ出力する。位置検出部４３Ｄは、微小対象物である細胞等の位置や、細胞の核等の位置を、画像処理後の画像情報に基づいて検出することができる。また、位置検出部４３Ｄは、第１ピペット２５及び第２ピペット３５の位置を検出してもよい。画像入力部４３Ａ、画像処理部４３Ｂ、画像出力部４３Ｃ及び位置検出部４３Ｄは、制御部４６Ａにより制御される。

制御部４６Ａは、位置検出部４３Ｄからの位置情報、及び細胞等の有無の情報に基づいて、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６を制御する。本実施形態において、制御部４６Ａは、第１マニピュレータ１４及び第２マニピュレータ１６を所定のシーケンスで自動的に駆動する。かかるシーケンス駆動は、記憶部４６Ｂにあらかじめ保存された所定のプログラムによるＣＰＵの演算結果に基づいて、制御部４６Ａが順次それぞれに駆動信号を出力することで行われる。

次にジョイスティック４７、４８の構成例について説明する。図３は、ジョイスティックの構成例を示す正面図である。図４は、ジョイスティックの構成例を示す上面図である。なお、図３及び図４では、ジョイスティック４７を示しているが、ジョイスティック４７についての説明はジョイスティック４８にも適用できる。

また、マニピュレーションシステム１０は、２つのジョイスティック４７、４８を有する構成に限定されず、１つのジョイスティック４７を有する構成であってもよい。なお、図３、図４では図示を省略するが、ジョイスティック４７、４８は、シリンジポンプ２９、圧電素子９２、注入ポンプ３９の各駆動を操作するためのボタン４７Ａ、４８Ａ（図１参照）を備えていてもよい。以下の説明では、ジョイスティック４７が第１マニピュレータ１４（第１ピペット２５）を操作する例を示すが、ジョイスティック４７が第２マニピュレータ１６（第２ピペット３５）の操作に用いられてもよい。

図３に示すように、ジョイスティック４７は、筐体５０と、ハンドル５１と、ノブ５２と、回転入力部５３と、先端スイッチ５４と、制御モード切替スイッチ５５と、ゲイン調整ダイヤル５６と、を有する。ハンドル５１は、筐体５０から直立して設けられ。中立位置Ｐ０を中心に揺動可能に設けられる。筐体５０の内部には、ハンドル５１のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾斜角度θを検出するセンサとして、例えば、ポテンショメータが設けられている。

ノブ５２及び回転入力部５３は、ハンドル５１の先端に設けられている。操作者は、ノブ５２を把持してジョイスティック４７のハンドル５１を傾斜させるように操作することで、駆動装置３０、４０のＸ－Ｙ駆動を行うことができる。なお、操作者がハンドル５１を傾斜させた状態で、操作を中断しても（すなわち、ハンドル５１から手を放しても）、ハンドル５１は、中立位置Ｐ０に戻らずに、例えば摩擦力により傾斜した姿勢を維持する。

回転入力部５３は、ノブ５２の上部に設けられている。図４に示すように、回転入力部５３は、中心軸５３ｃを中心として回転可能にノブ５２に設けられている。中心軸５３ｃはハンドル５１の軸方向と重なる。また、ノブ５２の内部には、回転入力部５３の回転角度を検出するセンサとして、例えばポテンショメータが設けられている。回転入力部５３は、基準位置Ｒ０を基準として、第１方向Ｒ１側の最大回転位置Ｒｍａｘから、第２方向Ｒ２側の最小回転位置Ｒｍｉｎまで回転可能に設けられている。第１方向Ｒ１は、基準位置Ｒ０から時計回りの回転方向である。第２方向Ｒ２は、第１方向Ｒ１と反対方向であり、基準位置Ｒ０から反時計回りの回転方向である。操作者は、マーク５３ｍを目印として、回転入力部５３の操作位置（回転角度）を視認することができる。

操作者は、回転入力部５３をねじることで駆動装置３２、４２のＺ駆動を行うことができる。例えば、操作者が、基準位置Ｒ０から第１方向Ｒ１に回転入力部５３を回転させると、第１ピペット２５をＺ方向の上側に移動させることができる。また、基準位置Ｒ０から第２方向Ｒ２に回転入力部５３を回転させると、第１ピペット２５をＺ方向の下側に移動させることができる。なお、回転入力部５３も、操作者が回転入力部５３を回転させた状態で、操作を中断しても（すなわち、回転入力部５３から手を放しても）、基準位置Ｒ０に戻らずに、例えば摩擦力により基準位置Ｒ０から回転した姿勢を維持する。

図３に示すように、先端スイッチ５４（操作切替スイッチ）は、ハンドル５１の先端、より具体的には、回転入力部５３の先端に設けられる。先端スイッチ５４は、ハンドル５１の軸方向に押し込まれることで、オン、オフが切り替えられる。先端スイッチ５４は、ハンドル５１による移動制御の有効及び無効を切り替えるためのスイッチである。

制御モード切替スイッチ５５は、筐体５０の側面に設けられる。制御モード切替スイッチ５５は、第１ピペット２５（操作部材）の移動制御を、位置制御モードＭ１又は速度制御モードＭ２に切り替えるためのスイッチである。位置制御モードＭ１は、ハンドル５１の傾斜角度θに応じた位置に第１ピペット２５を移動させる操作モードである。言い換えると、駆動装置３０、４０は、傾斜角度θに応じた駆動量でＸ－Ｙ駆動を行う。速度制御モードＭ２は、ハンドル５１の傾斜角度θに応じた速度で第１ピペット２５を移動させる操作モードである。言い換えると駆動装置３０、４０は、傾斜角度θに応じた速度でＸ－Ｙ駆動を行う。位置制御モードＭ１は、操作部材を小さく動かす際に便利である。速度制御モードＭ２は、操作部材を大きく動かす際に便利である。

また、Ｚ軸方向での移動制御においても、制御モード切替スイッチ５５により、位置制御モードＭ１と速度制御モードＭ２とに切り替えられる。すなわち、位置制御モードＭ１では、回転入力部５３の回転角度（操作量）に応じた位置に、第１ピペット２５をＺ軸方向に移動させる。速度制御モードＭ２では、回転入力部５３の回転角度（操作量）に応じた速度で、第１ピペット２５をＺ軸方向に移動させる。

制御モード切替スイッチ５５は、水平方向に移動可能に設けられている。ジョイスティック４７は、例えば、制御モード切替スイッチ５５が図３の左側に位置した状態で位置制御モードＭ１に切り替えられ、図３の右側に位置した状態で速度制御モードＭ２に切り替えられる。

ゲイン調整ダイヤル５６は、筐体５０の側面に設けられる。操作者は、ゲイン調整ダイヤル５６を回転させて操作することで、ハンドル５１の傾斜角度θに応じた第１ピペット２５の移動量又は速度を調整することができる。具体的には、ゲイン調整ダイヤル５６の操作により、例えば図７に示すハンドル５１の傾斜角度θｘと、第１ピペット２５の位置との関係を示す直線の傾きを変えることができる。

なお、図３及び図４に示したジョイスティック４７の構成はあくまで一例であり、適宜変更することができる。例えば、制御モード切替スイッチ５５は、スライド式のスイッチに限定されず、押しボタン式のスイッチや回転式のスイッチ等、他の種類を採用してもよい。また、制御モード切替スイッチ５５の位置は、筐体５０の側面に限定されず、別の位置であってもよい。

次に、位置制御モードＭ１と速度制御モードＭ２との切り替え方法について説明する。図５は、第１実施形態に係るマニピュレーションシステムの制御方法を説明するためのフローチャートである。図６は、ＸＹ軸方向の位置制御モードを説明するための説明図である。

図５及び図６に示すように、制御部４６Ａ（図２参照）は、制御モード切替スイッチ５５の動作に基づく信号をジョイスティック４７から受け取って、移動制御モードが速度制御モードＭ２であるかどうかを判断する（ステップＳＴ１１）。制御モード切替スイッチ５５が例えば図６の左側に位置する場合、つまり、移動制御モードが位置制御モードＭ１である場合（ステップＳＴ１１、Ｎｏ）、制御部４６Ａは、先端スイッチ５４がオンかどうかを判断する（ステップＳＴ１２）。なお、本実施形態では、先端スイッチ５４のオン、オフとは、先端スイッチ５４がハンドル５１側に押し込まれた状態をオンとし、押し込まれていない状態をオフとする。

先端スイッチ５４がオンの場合（ステップＳＴ１２、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、ハンドル５１及び回転入力部５３の操作を無効にする（ステップＳＴ１４）。すなわち、ハンドル５１が中立位置Ｐ０から傾斜角度θで傾斜した場合も、回転入力部５３が、基準位置Ｒ０から回転した場合も、制御部４６Ａは、第１ピペット２５の移動を実行しない。制御部４６Ａは、ＸＹＺ軸方向の操作無効状態を維持しつつ、マニピュレーションシステム１０の制御を終了する。制御部４６Ａは、ステップＳＴ１１に戻ってジョイスティック４７からの信号を受け取る。なお、以下では繰り返しの説明は省略するが、制御部４６Ａは、ステップＳＴ１１からステップＳＴ２１を、図５のフローに従って繰り返し実行する。

先端スイッチ５４がオフの場合（ステップＳＴ１２、Ｎｏ）、制御部４６Ａは、ＸＹＺ軸方向での位置制御モードＭ１を実行する（ステップＳＴ１３）。すなわち、制御部４６Ａは、ハンドル５１の傾斜角度θに応じたＸＹ軸方向の位置に第１ピペット２５を移動し、回転入力部５３の基準位置Ｒ０からの回転角度に応じたＺ軸方向の位置に第１ピペット２５を移動する。

図７は、位置制御モードにおけるハンドルの傾斜角度とピペット位置との関係を模式的に示すグラフである。図７では、位置制御モードＭ１の一例として、Ｘ軸方向に第１ピペット２５を移動させる場合の動作例を示す。図７に示すグラフの横軸は、ハンドル５１のＸ軸方向の傾斜角度θｘを示す。縦軸は、第１ピペット２５のＸ軸方向の位置を示す。図７に示すように、傾斜角度θｘが０、すなわち、ハンドル５１が中立位置Ｐ０である状態の第１ピペット２５の位置を原点として、第１ピペット２５は、傾斜角度θｘに比例してＸ軸方向に移動する。例えば、ハンドル５１の傾斜角度θａに、第１ピペット２５の位置ｘａが対応付けられている。

次に、図５及び図８を参照して、速度制御モードＭ２について説明する。図８は、ＸＹ軸方向の速度制御モードを説明するための説明図である。図５に示すステップＳＴ１１に戻って、制御モード切替スイッチ５５が例えば図８の右側に位置する場合、つまり、移動制御モードが速度制御モードＭ２である場合（ステップＳＴ１１、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、先端スイッチ５４がオンかどうかを判断する（ステップＳＴ１５）。

先端スイッチ５４がオフの場合（ステップＳＴ１５、Ｎｏ）、制御部４６Ａは、ハンドル５１及び回転入力部５３の操作を無効にする（ステップＳＴ１６）。すなわち、ハンドル５１が中立位置Ｐ０から傾斜角度θで傾斜した場合も、回転入力部５３が、基準位置Ｒ０から回転した場合も、制御部４６Ａは、第１ピペット２５の移動を実行しない。

先端スイッチ５４がオンの場合（ステップＳＴ１５、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、ＸＹ軸方向での速度制御モードＭ２を実行する（ステップＳＴ１７）。すなわち、操作者が、先端スイッチ５４を押し込んでオンの状態にしたままハンドル５１を傾斜させる操作を行った場合に、制御部４６Ａは、ハンドル５１の傾斜角度θに応じた速度で第１ピペット２５を移動させる。なお、図８では、ハンドル５１が中立位置Ｐ０の状態で、先端スイッチ５４がオンとなっているが、これに限定されず、ハンドル５１が中立位置Ｐ０から傾いた状態で、先端スイッチ５４をオンとする操作を行ってもよい。Ｚ軸方向の速度制御モードは後述する。

本実施形態では、先端スイッチ５４のオン、オフと、操作の有効、無効との関係が、位置制御モードＭ１と速度制御モードＭ２とで逆転している。つまり、位置制御モードＭ１において、先端スイッチ５４（操作切替スイッチ）がオンの場合にハンドル５１による操作が無効となり、先端スイッチ５４がオフの場合にハンドル５１による操作が有効となる。一方、速度制御モードＭ２において、先端スイッチ５４がオンの場合にハンドル５１による操作が有効となり、先端スイッチ５４がオフの場合にハンドル５１による操作が無効となる。

このため、マニピュレーションシステム１０は、ハンドル５１の操作によるＸＹ軸方向の移動において、位置制御モードＭ１と速度制御モードＭ２とを切り替えた場合の意図しない動作を抑制することができる。具体的には、ハンドル５１が中立位置Ｐ０から傾いた状態で、位置制御モードＭ１から速度制御モードＭ２に切り替えられた場合であっても、位置制御モードＭ１の操作を行っている場合には先端スイッチ５４がオフであるため、速度制御モードＭ２に切り替えられた場合であっても、意図しない動作を抑制することができる。また、ジョイスティック４７は、制御モード切替スイッチ５５により移動制御を切り替えることができるので、ハンドル５１を中立位置Ｐ０に戻す等の操作が不要である。

図９は、速度制御モードにおけるハンドルの傾斜角度とピペット速度との関係を模式的に示すグラフである。図９では、速度制御モードＭ２の一例として、Ｘ軸方向に第１ピペット２５を移動させる場合の動作例を示す。図９に示すグラフの横軸は、ハンドル５１のＸ軸方向の傾斜角度θｘを示す。縦軸は、第１ピペット２５のＸ軸方向の速度Ｖｘを示す。図９に示すように、傾斜角度θｘが０、すなわち、ハンドル５１が中立位置Ｐ０である状態では、第１ピペット２５の速度Ｖｘは０、すなわち第１ピペット２５は静止している。第１ピペット２５は、傾斜角度θｘに比例した速度Ｖｘで移動する。ハンドル５１が、例えば傾斜角度θｂに維持された場合に、第１ピペット２５は、一定の速度Ｖｂで移動を続ける。

次に図５及び図１０から図１２を参照して、Ｚ軸方向の速度制御モードＭ２について詳細に説明する。図１０は、Ｚ軸方向における位置制御モードから速度制御モードへの切替を説明するための説明図である。図１１は、時間と、回転入力部の操作位置との関係を模式的に示すグラフである。図１２は、時間と、ピペット速度との関係を模式的に示すグラフである。

図５のステップＳＴ１７に示すように、ハンドル５１による移動制御、すなわち、ＸＹ軸方向での速度制御モードＭ２が実行されている場合に、記憶部４６Ｂ（図２参照）は、回転入力部５３の位置をＺ軸記憶位置として記憶する（ステップＳＴ１８）。

図１０に示すように、Ｚ軸記憶位置Ｓａは、位置制御モードＭ１から速度制御モードＭ２に切り替えられた時点、つまり、制御モード切替スイッチ５５が切り替えられた場合での、基準位置Ｒ０に対するマーク５３ｍの回転角度である。

次に、制御部４６Ａは、回転入力部５３の操作量（Ｚ軸操作量）と、あらかじめ設定された閾値Ｓｒとを比較する（ステップＳＴ１９）。ここで、回転入力部５３の操作量Ｓｃは、回転入力部５３の現在の位置に関する情報であるＺ軸現在位置Ｓｂと、Ｚ軸記憶位置Ｓａとの差分である。また、閾値Ｓｒは、記憶部４６Ｂにあらかじめ保存されている。

回転入力部５３の操作量Ｓｃが閾値Ｓｒ以下の場合（ステップＳＴ１９、Ｎｏ）、Ｚ軸操作が無効となる（ステップＳＴ２１）。すなわち、回転入力部５３の操作による、第１ピペット２５のＺ軸方向の移動が無効になる。操作者が、更に回転入力部５３を操作することで、回転入力部５３の操作量Ｓｃが閾値Ｓｒよりも大きくなった場合（ステップＳＴ１９、Ｙｅｓ）、回転入力部５３によるＺ軸の速度制御モードＭ２が開始される（ステップＳＴ２０）。

図１１に示すように、時間ｔ１において速度制御モードＭ２が実行されている場合、時間ｔ１におけるＺ軸記憶位置Ｓａから、操作者が回転入力部５３を操作しても、第１ピペット２５は移動しない。時間ｔ２において、Ｚ軸現在位置Ｓｂが閾値Ｓｒよりも大きくなると、Ｚ軸現在位置Ｓｂに応じた速度で第１ピペット２５が移動する。

より具体的には、無効領域ＩＡは、Ｚ軸記憶位置Ｓａの第１方向Ｒ１側で、Ｚ軸記憶位置Ｓａ以上閾値Ｓｒ（Ｓａ＋Ｓｒ）以下の範囲に設定される。さらに、無効領域ＩＡは、Ｚ軸記憶位置Ｓａの第２方向Ｒ２側で、閾値Ｓｒ（－Ｓｒ）以上Ｚ軸記憶位置Ｓａ以下の範囲に設定される。つまり、Ｚ軸現在位置Ｓｂ’が、Ｚ軸記憶位置Ｓａの第２方向Ｒ２側に位置する場合には、基準位置Ｒ０を超えて、かつ、Ｚ軸現在位置Ｓｂ’と基準位置Ｒ０との差の絶対値が閾値Ｓｒ（－Ｓｒ）を超えた場合に、回転入力部５３の操作が有効になる。Ｚ軸現在位置Ｓｂ’と基準位置Ｒ０との差の絶対値が閾値Ｓｒ以下の場合には、回転入力部５３の操作が無効になる。

図１２に示すように、Ｚ軸現在位置Ｓｂに応じた速度を、速度Ｖｂとすると、時間ｔ２から所定の加速度ｃで、第１ピペット２５の速度が速くなる。操作者が回転入力部５３の位置をＺ軸現在位置Ｓｂで一定にした場合、時間ｔ３以降では、第１ピペット２５の速度は、速度Ｖｂで一定になる。

このように、Ｚ軸方向の移動において、速度制御モードＭ２が実行されている場合に、回転入力部５３の操作による第１ピペット２５の移動が無効となる操作範囲が設けられている。すなわち、回転入力部５３には、いわゆる不感領域が設けられる。このため、速度制御モードＭ２において、操作者の意図しない方向や速度で第１ピペット２５の移動が開始することを抑制できる。したがって、マニピュレーションシステム１０は、第１ピペット２５のＺ軸方向の移動における誤動作を抑制することができる。

また、本実施形態では、速度制御モードＭ２が実行されている場合に、回転入力部５３の位置がＺ軸記憶位置Ｓａとして記憶される。つまり、速度制御モードＭ２の開始条件がＺ軸記憶位置Ｓａを基準として設定されるので、回転入力部５３の位置が基準位置Ｒ０からずれている場合であっても、操作者の意図しない方向や速度で第１ピペット２５の移動が開始することを抑制できる。

なお、図１０では、操作者が回転入力部５３を第１方向Ｒ１に操作した場合を説明した。つまり、Ｚ軸記憶位置Ｓａが基準位置Ｒ０に対して第１方向Ｒ１側の領域に位置し、Ｚ軸現在位置ＳｂがＺ軸記憶位置Ｓａに対して第１方向Ｒ１の領域に位置する場合を説明した。ただし、これに限定されず、回転入力部５３の位置や操作方向が異なる場合であっても、それぞれの状態に応じた不感領域が設けられる。

図１３は、Ｚ軸方向における位置制御モードから速度制御モードへの切替方法を説明するためのフローチャートである。図１３は、図５のステップＳＴ１９に示した回転入力部５３の操作量と、閾値Ｓｒとの比較を詳細に示したフローチャートである。

図１３に示すように、制御部４６Ａは、Ｚ軸記憶位置Ｓａが＋領域に位置するかどうかを判断する（ステップＳＴ１９－１）。ここで、＋領域は、基準位置Ｒ０に対して第１方向Ｒ１側の領域である。また、－領域は、基準位置Ｒ０に対して第２方向Ｒ２側の領域である。

Ｚ軸記憶位置Ｓａが＋領域に位置する場合（ステップＳＴ１９－１、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、Ｚ軸現在位置ＳｂがＺ軸記憶位置Ｓａに対して第１方向Ｒ１側かどうかを判断する（ステップＳＴ１９－２）。つまり、回転入力部５３の操作方向を判断する。

Ｚ軸現在位置ＳｂがＺ軸記憶位置Ｓａに対して第１方向Ｒ１側に位置する場合（ステップＳＴ１９－２、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、上述したように回転入力部５３の操作量Ｓｃ（Ｚ軸現在位置ＳｂとＺ軸記憶位置Ｓａとの差分の絶対値）と、閾値Ｓｒとを比較する（ステップＳＴ１９－３）。そして、回転入力部５３の操作量Ｓｃと、閾値Ｓｒとの値に応じて、速度制御モードＭ２（ステップＳＴ２０）又は無効化（ステップＳＴ２１）を行う。

Ｚ軸記憶位置Ｓａが、基準位置Ｒ０に対して第１方向Ｒ１の領域に位置する場合であって、Ｚ軸現在位置ＳｂがＺ軸記憶位置Ｓａに対して第２方向Ｒ２側に位置する場合（ステップＳＴ１９－２、Ｎｏ）、制御部４６Ａは、Ｚ軸操作を無効にする（ステップＳＴ１９－４）。つまり、操作者が回転入力部５３を第２方向Ｒ２側に操作しているのに対し、Ｚ軸記憶位置Ｓａは第１方向Ｒ１側の領域に位置する。具体的には、操作者が第１ピペット２５を例えばＺ軸方向の下側に移動させようと意図しているのに対し、Ｚ軸操作を無効にしていないと、第１ピペット２５はＺ軸方向の上側に移動を開始する可能性がある。本実施形態では、Ｚ軸操作を無効にすることで、操作者の意図する操作方向と反対方向に第１ピペット２５が移動することを抑制できる。

次に、制御部４６Ａは、Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０を超えて（Ｓｂ＜Ｒ０）、かつ、Ｚ軸現在位置Ｓｂと基準位置Ｒ０との差の絶対値が閾値Ｓｒよりも大きいかどうかを判断する場合（ステップＳＴ１９－５）。Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０に達しない場合（ステップＳＴ１９－５、Ｎｏ）、つまり、Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０とＺ軸記憶位置Ｓａとの間に位置する場合、ステップＳＴ１９－２に戻る。または、Ｚ軸現在位置Ｓｂと基準位置Ｒ０との差の絶対値が閾値Ｓｒ以下の場合（ステップＳＴ１９－５、Ｎｏ）、つまり、Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０を超えた場合であっても、基準位置Ｒ０と閾値Ｓｒ（－Ｓｒ、図１１参照）との間に位置する場合、Ｚ軸現在位置Ｓｂは、無効領域ＩＡに位置し、ステップＳＴ１９－２に戻る。

Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０を超えて（Ｓｂ＜Ｒ０）、かつ、Ｚ軸現在位置Ｓｂと基準位置Ｒ０との差の絶対値が閾値Ｓｒよりも大きい場合（ステップＳＴ１９－５、Ｙｅｓ）、つまり、Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０及び閾値Ｓｒ（－Ｓｒ）よりも第２方向Ｒ２側に位置する場合、速度制御モードＭ２を開始する（ステップＳＴ２０）。

ステップＳＴ１９－１に戻って、Ｚ軸記憶位置Ｓａが＋領域に位置しない場合（ステップＳＴ１９－１、Ｎｏ）、すなわち、Ｚ軸記憶位置Ｓａが－領域に位置する場合、上述したステップＳＴ１９－２からステップＳＴ１９－５の第１方向Ｒ１と第２方向Ｒ２とを反転させたステップＳＴ１９－６からステップＳＴ１９－８を実行する。

つまり、Ｚ軸現在位置ＳｂがＺ軸記憶位置Ｓａに対して第２方向Ｒ２側に位置する場合（ステップＳＴ１９－６、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、ステップＳＴ１９－３を実行する。Ｚ軸現在位置ＳｂがＺ軸記憶位置Ｓａに対して第１方向Ｒ１側に位置する場合（ステップＳＴ１９－６、Ｎｏ）、制御部４６Ａは、Ｚ軸操作を無効にする（ステップＳＴ１９－７）。これにより、操作者の意図しない方向に第１ピペット２５が移動することを抑制できる。

そして、Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０を超えて（Ｒ０＜Ｓｂ）、かつ、Ｚ軸現在位置Ｓｂと基準位置Ｒ０との差の絶対値が閾値Ｓｒよりも大きい場合（ステップＳＴ１９－８、Ｙｅｓ）、つまり、Ｚ軸現在位置Ｓｂが基準位置Ｒ０よりも第１方向Ｒ１側に位置する場合、速度制御モードＭ２を開始する（ステップＳＴ２１）。

本実施形態のマニピュレーションシステム１０において、Ｚ軸方向の速度制御モードＭ２は、例えば、試料交換時に、針（第１ピペット２５及び第２ピペット３５）を一旦試料ステージ２２上から移動させて、試料ステージ２２に試料保持部材１１を載置し、再び針の先端を視野に入れる、といった「粗動」を行う場合に必要である。

従来、位置制御モードＭ１にある場合、針を所望の位置へ移動させようとすると、作業者は、ジョイスティック４７のハンドル５１を中立位置にしては倒す作業を何回も繰り返す必要があり、作業が煩雑だった。

本実施形態によれば、大きな移動が素早く楽にでき、作業効率を上げることができる。また、ジョイスティック４７の誤動作も減らすことができる。

なお、本実施形態のマニピュレーションシステム１０及びマニピュレーションシステム１０の駆動方法は適宜変更してもよい。例えば、第１ピペット２５、第２ピペット３５等の形状等は、微小対象物の種類や、微小対象物に対する操作に応じて適宜変更することが好ましい。図５及び図１３に示すフローチャートはあくまで一例であって、適宜手順の一部を省略してもよく、また、手順を置換して実行してもよい。

（第２実施形態）
図１４は、第２実施形態に係るマニピュレーションシステムの制御方法を説明するためのフローチャートである。図１５は、第２実施形態に係るＸＹ軸方向の位置制御モードと速度制御モードの切替方法を説明するための説明図である。

第２実施形態では、第１実施形態と異なり、先端スイッチ５４で位置制御モードＭ１と速度制御モードＭ２とを切り替える構成について説明する。つまり、第２実施形態では、先端スイッチ５４は、制御モード切替スイッチとして機能する。言い換えると、制御モード切替スイッチ（先端スイッチ５４）は、ハンドル５１の先端に設けられる。

図１４及び図１５に示すように、制御部４６Ａは、先端スイッチ５４がオンかどうかを判断する（ステップＳＴ２２）。先端スイッチ５４がオフの場合（ステップＳＴ２２、Ｎｏ）、制御部４６Ａは、ＸＹＺ軸方向において位置制御モードＭ１を実行する（ステップＳＴ２３）。位置制御モードＭ１の操作は、上述した第１実施形態と同様である。

先端スイッチ５４がオンの場合（ステップＳＴ２２、Ｙｅｓ）、制御部４６Ａは、ＸＹＺ軸方向において速度制御モードＭ２を実行する（ステップＳＴ２４からステップＳＴ２８）。ステップＳＴ２４からステップＳＴ２８は、図５に示すステップＳＴ１７からステップＳＴ２１と同様である。

第２実施形態では、先端スイッチ５４のオン、オフのみで位置制御モードＭ１と速度制御モードＭ２とが切り替えられる。このため、ジョイスティック４７は、ハンドル５１を中立位置Ｐ０に戻す等の操作が不要である。また、先端スイッチ５４は、ハンドル５１の先端に設けられているので、モードの切り替えの操作性を向上させることができる。

１０ マニピュレーションシステム
１１ 試料保持部材
１２ 顕微鏡ユニット
１４ 第１マニピュレータ
１６ 第２マニピュレータ
２２ 試料ステージ
２４ 第１ピペット保持部材
２５ 第１ピペット
２６、３６ Ｘ－Ｙ軸テーブル
２８、３８ Ｚ軸テーブル
３０、３２、４０、４２ 駆動装置
３４ 第２ピペット保持部材
３５ 第２ピペット
４３ コントローラ
４６Ａ 制御部
４６Ｂ 記憶部
５０ 筐体
５１ ハンドル
５２ ノブ
５３ 回転入力部
５４ 先端スイッチ
５５ 制御モード切替スイッチ
５６ ゲイン調整ダイヤル
Ｐ０ 中立位置
Ｍ１ 位置制御モード
Ｍ２ 速度制御モード
Ｒ０ 基準位置
Ｒ１ 第１方向
Ｒ２ 第２方向
Ｓａ Ｚ軸記憶位置
Ｓｂ Ｚ軸現在位置
Ｓｒ 閾値

Claims (6)

1. 微小対象物を操作する操作部材を備えたマニピュレータと、
   前記操作部材の移動を制御するためのジョイスティックと、を有し、
   前記ジョイスティックは、
   中立位置からの傾き角度に応じて、前記操作部材のＸＹ軸方向の移動を制御するハンドルと、
   基準位置からの操作量に応じて、前記操作部材のＺ軸方向の移動を制御する回転入力部と、
   前記操作部材の移動制御を、前記ハンドルの傾斜角度に応じた位置に前記操作部材を移動させる位置制御モード又は前記ハンドルの傾斜角度に応じた速度で前記操作部材を移動させる速度制御モードに切り替える制御モード切替スイッチと、を有し、
   前記速度制御モードにあるときに、
   前記回転入力部の操作量があらかじめ設定された閾値以下の場合に、前記回転入力部の操作による前記操作部材の移動が無効となり、
   前記回転入力部の操作量が前記閾値よりも大きくなった場合に、前記回転入力部による前記速度制御モードが開始され、
   前記回転入力部の位置を記憶する記憶部と、
   前記位置制御モードと前記速度制御モードとの切り替えを制御する制御部と、を有し、
   前記制御モード切替スイッチが、前記位置制御モードから前記速度制御モードに切り替えられた場合に、前記記憶部は、前記回転入力部の位置に関する情報をＺ軸記憶位置として記憶し、
   前記制御部は、前記回転入力部の操作量として、前記回転入力部の現在の位置に関する情報であるＺ軸現在位置と、前記Ｚ軸記憶位置との差分を演算する
   マニピュレーションシステム。
2. 前記Ｚ軸記憶位置が、前記基準位置に対して第１方向側に位置する場合であって、前記Ｚ軸現在位置が、前記Ｚ軸記憶位置に対して前記第１方向と反対側の第２方向側に位置する場合に、
   前記制御部は、前記回転入力部による前記操作部材の移動を無効にする
   請求項１に記載のマニピュレーションシステム。
3. 前記ハンドルが設けられる筐体と、
   前記ハンドルの先端に設けられ、前記ハンドルによる移動制御の有効及び無効を切り替える操作切替スイッチと、を有し、
   前記制御モード切替スイッチは、前記筐体に設けられる
   請求項１又は請求項２に記載のマニピュレーションシステム。
4. 微小対象物を操作する操作部材を備えたマニピュレータと、
   前記操作部材の移動を制御するためのジョイスティックと、を有し、
   前記ジョイスティックは、
   中立位置からの傾き角度に応じて、前記操作部材のＸＹ軸方向の移動を制御するハンドルと、
   基準位置からの操作量に応じて、前記操作部材のＺ軸方向の移動を制御する回転入力部と、
   前記操作部材の移動制御を、前記ハンドルの傾斜角度に応じた位置に前記操作部材を移動させる位置制御モード又は前記ハンドルの傾斜角度に応じた速度で前記操作部材を移動させる速度制御モードに切り替える制御モード切替スイッチと、を有し、
   前記速度制御モードにあるときに、
   前記回転入力部の操作量があらかじめ設定された閾値以下の場合に、前記回転入力部の操作による前記操作部材の移動が無効となり、
   前記回転入力部の操作量が前記閾値よりも大きくなった場合に、前記回転入力部による前記速度制御モードが開始され、
   前記ハンドルの先端に設けられ、前記ハンドルによる移動制御の有効及び無効を切り替える操作切替スイッチを有し、
   前記位置制御モードにおいて、前記操作切替スイッチがオンの場合に前記ハンドルによる操作が無効となり、
   前記速度制御モードにおいて、前記操作切替スイッチがオンの場合に前記ハンドルによる操作が有効となる
   マニピュレーションシステム。
5. 前記ハンドルが設けられる筐体を有し、
   前記制御モード切替スイッチは、前記筐体に設けられる
   請求項４に記載のマニピュレーションシステム。
6. 前記制御モード切替スイッチは、前記ハンドルの先端に設けられる
   請求項１又は請求項２に記載のマニピュレーションシステム。

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