JPH06104308B2 - マイクロマニピュレータ - Google Patents

マイクロマニピュレータ

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JPH06104308B2
JPH06104308B2 JP30522091A JP30522091A JPH06104308B2 JP H06104308 B2 JPH06104308 B2 JP H06104308B2 JP 30522091 A JP30522091 A JP 30522091A JP 30522091 A JP30522091 A JP 30522091A JP H06104308 B2 JPH06104308 B2 JP H06104308B2
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井 健 生 新
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工業技術院長
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、精密位置決めを必要と
する分野、特に、IC産業(ウエハーの精密位置決
め)、バイオエンジニアリング、医療(マイクロサージ
ャリー)、衛星通信(アンテナの精密位置決め)などに
おける利用に適したマイクロマニピュレータに関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】微小対象物を操作する技術、いわゆるマ
イクロマニピュレーションは、マイクロエレクトロニク
ス、バイオテクノロジー、医療などの様々の分野で必要
とされている。しかるに、従来から知られている商用の
マイクロマニピュレータは、3次元直交的に並進運動す
るような機構とグリッパーとを組合わせたものが主流で
あり、それらはマニピュレータとして作業性の悪いもの
である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような現状にかん
がみ、本発明者らは、微細な世界では慣性力の影響が小
さく、逆に表面効果による外力の支配が大きくなること
から、2本指によるハンドも十分安定なマニピュレーシ
ョンが可能であるという観点に基づき、マニピュレータ
の各種駆動機構について比較検討してきたが、以下に詳
述する一対の6自由度パラレルリンク機構からなる駆動
機構が、作業性、制御性等において有効であることを確
かめた。
【0004】本発明は、かかる知見に基づくものであ
り、その技術的課題は、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を有効に利用した2本指
のハンドにより、細胞のような微小対象物のハンドリン
グ等、そのマイクロマニピュレーションを作業性よく行
うことができ、さらに制御性においてもすぐれたマイク
ロマニピュレータを得ることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のマイクロマニピュレータは、6自由度パラレ
ルリンク機構を備えたハンドモジュールの一対からな
り、上記各ハンドモジュールは、ベース部材と、基体上
に手先片を取付けてなるエンドエフェクタと、それらの
ベース部材と基体を連結する6本のリンク及びスプリン
グとにより構成し、上記ベース部材と基体とを連結する
6本のリンクは、その3本づつをそれぞれ1群として、
各群のリンクのベース部材及び基体との接続点を、ベー
ス部材及び基体の中心軸線の周りの円周上にほぼ等分
に、且つ両群のリンクを反対方向に傾斜させて配設し、
それらのリンクのベース部材及び基体との接続点はピボ
ット結合として、ベース部材と基体とは上記スプリング
により連結し、6本のリンクをそれに設けたピエゾ圧電
素子により伸縮可能とすることにより構成される。
【0006】上記マイクロマニピュレータは、ベース部
材とエンドエフェクタの基体において、それぞれ隣接す
る他群のリンクを、中心軸線の周りの円周上のほぼ同じ
位置に連結するが、ベース部材と基体とでは、反対側に
隣接するリンクをほぼ同じ位置に連結し、それによっ
て、各リンクをベース部材と基体との間において中心角
がほぼ60°の範囲内で傾斜させることができる。
【0007】また、上述したマイクロマニピュレータに
おいては、リンクに設けた各ピエゾ圧電素子の伸長方向
側面に歪みゲージを貼設し、これらの歪みゲージにおい
て検出したピエゾ圧電素子の変位をフィードバックし
て、エンドエフェクタの位置と姿勢の指令値と比較し、
サーボによる指令値に従った精密位置決め制御を行う制
御手段、及びその制御手段の出力に基づいてピエゾ圧電
素子を駆動するドライバを設けることができる。
【0008】
【作用】パラレルリンク機構における所要のリンクのピ
エゾ圧電素子を動作させて、そのリンクを伸縮させる
と、リンクの伸縮量に応じてエンドエフェクタが位置及
び方向の6自由度を制御されてその姿勢を変えるため、
マニピュレータの手先片に所期の動作を行わせることが
でき。しかも、上記二つの群のリンクのベース部材及び
エンドエフェクタに対する接続点は、ピボット結合とし
て、ベース部材と基体とをスプリングにより連結してい
るので、マイクロマニピュレータとしての小型化が容易
である。
【0009】また、ベース部材とエンドエフェクタとの
間に設けたリンクに、それを伸縮させるピエゾ圧電素子
を設け、その圧電素子上の歪みゲージにより検出された
変位をフィードバックして、エンドエフェクタの位置及
び姿勢を制御するようにしているので、応答が速く、微
小変位と高出力が得られるが、ヒステリシスが非常に大
きいピエゾ圧電素子を用いながら、高精度な位置制御が
可能になる。
【0010】
【実施例】図1は本発明に係るマイクロマニピュレータ
の全体的構成を示し、図2はそのマイクロマニピュレー
タを構成するハンドモジュール1の要部の構成を示すも
のである。このマイクロマニピュレータは、図1に示す
ように、一対のハンドモジュール1により2本指状に構
成され、各ハンドモジュール1は、精密多自由度をコン
パクトな機構で得るため、図2に示すような6自由度パ
ラレルリンク機構を用いている。これらのハンドモジュ
ール1は、ベース部材2と、基体4上に手先片5を取付
けてなるエンドエフェクタ3と、上記ベース部材2と基
体4を連結する6本のリンク6と、上記ベース部材2と
基体4を連結するスプリング7とを備えたものである。
【0011】上記リンク6により構成される6自由度の
パラレルリンク機構において、ベース部材2と、エンド
エフェクタ3の基体4とを連結する6本のリンク6は、
その3本づつをそれぞれ1群として、各群のリンク6の
ベース部材2及び基体4との接続点を、それぞれの中心
軸線の周りの円周上にほぼ等分に、且つ両群のリンク6
を反対方向に傾斜させて配設している。
【0012】さらに具体的には、上記ベース部材2及び
基体4において、それぞれ隣接する他群のリンク6,6
は、中心軸線の周りの円周上のほぼ同じ位置に連結して
いるが、ベース部材2と基体4とでは、反対側に隣接す
るリンク6,6をほぼ同じ位置に連結し、それによっ
て、各リンク6をベース部材2と基体4との間において
中心角がほぼ60°の範囲内で傾斜させ、上記一つの円
周上にリンク連結点を等分に配置している。また、それ
らのリンク6のベース部材2及び基体4との接続点は、
ピボット結合とし、即ち、各リンクの両端部のピボット
8を、ベース部材2及び基体4に設けたピボット軸受9
により支承させ、それらの支承を安定させるために、ベ
ース部材2と基体4とは上記スプリング7により連結し
ている。
【0013】上記パラレルリンク機構によるマイクロマ
ニピュレーションでは、多自由度の位置決めが必要であ
り、そのため、6本のリンク6のそれぞれは、それらに
設けた積層型のピエゾ圧電素子10により伸縮可能に構
成している。精密位置決めを行うために用いる上記積層
型ピエゾ圧電素子10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
決めを行うことができない。そこで、変位量を測定した
フィードバック制御が必要となるが、微小変位の測定の
ためにレーザー干渉系などを用いると装置が大がかりと
なる。特に、多自由度の位置決めを行うためには、複数
のピエゾ圧電素子10を駆動しなければならず、コンパ
クトな変位測定とサーボ駆動系が要求される。
【0014】このような駆動制御のためのエンドエフェ
クタの位置と姿勢の計測のために、圧電素子10の伸長
方向の側面には歪みゲージ11を直接貼設している。こ
れらの歪みゲージ11は、ピエゾ圧電素子10の微小な
変位を測定し、これをフィードバックしてエンドエフェ
クタ3の位置と姿勢の指令値と比較するために機能する
もので、その制御手段から、サーボによる指令値に従っ
た精密位置決め制御を行うための出力が、ピエゾ圧電素
子10を駆動するドライバに出力される。
【0015】上記各リンク6において用いるピエゾ圧電
素子10は、その大きさが2×3×10mm程度、最大変
位が8μm、最大駆動電圧が150V程度のものであ
る。上記マニピュレータは、この圧電素子10を複数個
備えるため、それぞれの圧電素子の変位を測定するため
のセンサは、圧電素子近辺に設置できるようなコンパク
トなものであることが必要であり、この点でも上記歪み
ゲージ11の貼設は有効なものである。このピエゾ圧電
素子10を駆動するドライバは、計算機制御などを考慮
して、10V程度の入力電圧で駆動できるように、高電
圧演算増幅器を用いた非反転増幅器により構成するのが
望ましい。
【0016】上記ピエゾ圧電素子10を駆動制御するサ
ーボ系としては、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。上記ソフトウエアサーボにおいては、計算
機ソフトウエアの汎用性を利用することができ、特に多
自由度のマニピュレータに適用する場合には、固定ゲイ
ンのPID制御では効果的な動作を得ることができない
ので、各ピエゾ圧電素子間の力学的干渉を考慮した適応
制御などを行うことが可能である。
【0017】図3にソフトウエアサーボの構成例を示
す。同図のシステムにおいて、ピエゾ圧電素子10の駆
動は、D/Aコンバータの出力を高電圧演算増幅器を用
いた非反転増幅器により構成したドライバ15を介して
行っている。サーボ演算は、歪みゲージ11からA/D
コンバータを介してフィードバックされる変位について
の測定データに基づいて、制御手段を構成する計算機1
6上のソフトウエアにより行い、リンク変位の設定値と
の誤差を比例積分補償することによりサーボを行うよう
にしている。なお、上記ソフトウエアサーボによる実験
においては、比較的単純な駆動制御系により、ハンドモ
ジュール用のアクチュエータとして十分な精度と応答速
度を得ている。また、アナログサーボの構成は、PID
調節器を基本とし、高速応答が可能なものである(この
場合は、演算増幅器の応答速度程度)。
【0018】このような構成を有するマイクロマニピュ
レータにおいては、所要のリンク6のピエゾ圧電素子1
0を駆動してそのリンク6を伸縮させると、各リンク6
の伸縮量に応じてエンドエフェクタ3が位置及び方向の
6自由度を制御されてその姿勢を変えるため、必要なリ
ンク6の伸縮によりマニピュレータに所期の動作を行わ
せることができ、その作業性、制御性も良好である。し
かも、上記二つの群のリンクのベース部材2及びエンド
エフェクタ3に対する接続点は、ピボット結合として、
ベース部材2と基体4とをスプリング7により連結して
いるので、マイクロマニピュレータとしての小型化が容
易に達成できる。
【0019】また、ベース部材2とエンドエフェクタ3
との間に設けたリンク6に、それを伸縮させるピエゾ圧
電素子10を設け、その圧電素子上の歪みゲージ11に
より検出された変位をフィードバックして、エンドエフ
ェクタ3の位置及び姿勢を制御するようにしているの
で、応答が速く、微小変位と高出力が得られるが、ヒス
テリシスが非常に大きいピエゾ圧電素子を用いながら、
高精度な位置制御が可能になり、しかもその構成が簡単
で小型化を実現することができる。
【0020】上述したマイクロマニピュレータは、例え
ば、数十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、穴開
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。
【0021】
【発明の効果】以上に詳述した本発明のマニピュレータ
によれば、一対の6自由度パラレルリンク機構からなる
ハンドモジュールを有効に利用し、2本指のハンドによ
り微小対象物のハンドリング等、そのマイクロマニピュ
レーションを作業性よく行うことができ、さらに構成が
簡単で制御性においてもすぐれたマイクロマニピュレー
タを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るマイクロマニピュレータの基本的
な全体構成を説明するための斜視図である。
【図2】上記マイクロマニピュレータの要部の構成例を
示す部分斜視図である。
【図3】上記マイクロマニピュレータの制御系のブロッ
ク構成図である。
【符号の説明】
1 ハンドモジュール、 2 ベース部
材、3 エンドエフェクタ、 4 基体、
5 手先片、 6 リンク、7
スプリング、 8 ピボット、9
ピボット軸受、 10 ピエゾ圧電素
子、11 歪みゲージ、 15 ドラ
イバ。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】6自由度パラレルリンク機構を備えたハン
    ドモジュールの一対からなり、 上記各ハンドモジュールは、ベース部材と、基体上に手
    先片を取付けてなるエンドエフェクタと、それらのベー
    ス部材と基体を連結する6本のリンク及びスプリングと
    により構成し、 上記ベース部材と基体とを連結する6本のリンクは、そ
    の3本づつをそれぞれ1群として、各群のリンクのベー
    ス部材及び基体との接続点を、ベース部材及び基体の中
    心軸線の周りの円周上にほぼ等分に、且つ両群のリンク
    を反対方向に傾斜させて配設し、 それらのリンクのベース部材及び基体との接続点はピボ
    ット結合として、ベース部材と基体とは上記スプリング
    により連結し、 6本のリンクをそれに設けたピエゾ圧電素子により伸縮
    可能とした、ことを特徴とするマイクロマニピュレー
    タ。
  2. 【請求項2】ベース部材とエンドエフェクタの基体にお
    いて、それぞれ隣接する他群のリンクを、中心軸線の周
    りの円周上のほぼ同じ位置に連結するが、ベース部材と
    基体とでは、反対側に隣接するリンクをほぼ同じ位置に
    連結し、それによって、各リンクをベース部材と基体と
    の間において中心角がほぼ60°の範囲内で傾斜させ
    た、ことを特徴とする請求項1に記載のマイクロマニピ
    ュレータ。
  3. 【請求項3】リンクに設けた各ピエゾ圧電素子の伸長方
    向側面に歪みゲージを貼設し、 これらの歪みゲージにおいて検出したピエゾ圧電素子の
    変位をフィードバックして、エンドエフェクタの位置と
    姿勢の指令値と比較し、サーボによる指令値に従った精
    密位置決め制御を行う制御手段、及びその制御手段の出
    力に基づいてピエゾ圧電素子を駆動するドライバを設け
    た、ことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれ
    かに記載のマイクロマニピュレータ。
JP30522091A 1991-10-24 1991-10-24 マイクロマニピュレータ Expired - Lifetime JPH06104308B2 (ja)

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