JPH06328374A - マイクロマニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロマニピュレータの特性を、小型に形
成可能にするという前提条件のもとに改善し、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
用いた２本指のマイクロマニピュレータに、外力により
組立状態が簡単に崩れない強度をもたせ、スプリングに
よる振動系をなくし、急速な動作に対する追従性をもた
せる。 【構成】 一対をなす各ハンドモジュール１を、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、ベース部材２と基体４を連結する６本の
リンク６とにより構成する。各リンク６はその３本づつ
を１群として、各群のリンク６における両端のベース部
材２及び基体４との接続点を、ベース部材２及び基体４
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する。各リンク６の
両端とベース部材２及び基体４とは、可撓性の金属線状
部材１１により直接的に連結し、各リンク６をそれぞれ
に設けた圧電素子１５により伸縮可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、μｍオーダーの精密位
置決めを必要とするような分野、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）などにおいて利用するのに適したマイクロマ
ニピュレータの改良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。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ことに着目
し、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、そ
れを先に特願平３−３０５２２０号において提案してい
る。

【０００３】この既提案のマイクロマニピュレータは、
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
ュールを利用した２本指のハンドにより構成したもの
で、具体的には、上記各ハンドモジュールにおけるベー
ス部材と、手先片を有するエンドエフェクタの基体と
を、圧電素子により伸縮可能とした６本のリンクにより
連結するに際し、その６本のリンクの３本づつをそれぞ
れ１群として、両群のリンクを、ベース部材及び基体の
中心軸線の周りの円周上において反対方向に傾斜させて
配設している。また、特に、そのマニピュレータの小型
化を考慮すると、各リンクのベース部材及び基体との接
続点にボールジョイント等を用いることが困難であるた
め、その接合点をピボット結合とし、ベース部材と基体
との間にスプリングを張設して、それらのリンクをベー
ス部材と基体との間に挟み込んだ状態に保持させてい
る。

【０００４】このような構成は、マニピュレータの小型
化に極めて有効なものであるが、試作機により各種実験
を繰り返したところ、上記ベース部材とエンドエフェク
タの基体との間に介在させたリンクをスプリング力で保
持した構成としているため、そのスプリング力を越える
何らかの外力によりマニピュレータの組立状態が崩れる
可能性があり、また、上記スプリングが振動系をつく
り、そのばね常数と振動部の質量とによって決まるある
周波数帯域では使用できず、しかも急速な動作を行わせ
る場合には追従できなくなり、そのため、上記マニピュ
レータをこれらの問題に対応できる構成にするのが実用
化のために有効であることを確かめた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】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、既提案のマイ
クロマニピュレータの特性を、小型に形成可能にすると
いう前提条件のもとに改善し、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用いた２本指の
マイクロマニピュレータを、外力によりその組立状態が
簡単に崩れることがない強度を有し、且つ、スプリング
による振動系をなくし、急速な動作に対する追従性をも
たせたマイクロマニピュレータを得ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明のマイクロマニピュレータは、一対のハンドモ
ジュールを備え、これらの各ハンドモジュールを、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
ンクとにより構成し、上記６本のリンクは、その３本づ
つをそれぞれ１群として、各群のリンクにおける両端の
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、それらの各リンク
の両端とベース部材及び基体とは、可撓性の金属線状部
材により直接的に連結し、６本のリンクをそれぞれに設
けたアクチュエータにより伸縮可能とすることにより構
成される。

【０００７】

【作用】パラレルリンク機構における所要のリンクのア
クチュエータを動作させて、そのリンクを伸縮させる
と、それぞれの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
せることができる。また、上記二つの群の各リンクのベ
ース部材及びエンドエフェクタに対する接続点では、可
撓性の金属線状部材により両者を直接的に連結している
ので、外力によりその組立状態が簡単に崩れることがな
い強度をもたせ、且つ、スプリングによる振動系をなく
しているため、急速な動作に対する追従性をもたせるこ
とができ、結果的に、マイクロマニピュレータの特性
が、小型に形成可能にするという前提条件のもとで改善
される。

【０００８】

【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及び図３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及び図３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とを備えた
ものである。

【０００９】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。

【００１０】さらに具体的には、図２からわかるよう
に、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°弱の範囲内
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。

【００１１】また、それらのリンク６をベース部材２及
び基体４との間に接続するため、図４に詳細に示すよう
に、各リンク６の両端とそれに連結する取付けピン７，
８とに、それぞれ金属線状部材１１を嵌装するための穴
９，１０を設け、それらの穴に可撓性の金属線状部材１
１の各端部を嵌装して接着により固定し、これらの取付
けピン７，８をベース部材２及び基体４の取付け穴に嵌
入してねじ１２で固定している。これにより、ベース部
材２と基体４とは可撓性の金属線状部材１１により直接
的に連結される。

【００１２】上記可撓性の金属線状部材１１としては、
リンクに設けた後述するアクチュエータ（圧電素子１
５）がその長さの１／１０００程度しか伸縮せず、従っ
て金属線状部材の屈曲も非常に微小な範囲内であるか
ら、特に大きな屈曲を行うような素材を選択する必要は
なく、外力に対して十分な強度を発揮する素材、例えば
鋼線等を用い、それによってマニピュレータの強度を高
めることができる。

【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
設けた積層型の圧電素子１５からなるアクチュエータに
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圧電素子１５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、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。

【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には、圧電素子１５の伸長方向
の側面に歪みゲージを直接貼設して、その圧電素子１５
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の位置及び姿勢の指令値と比較し、サー
ボによる精密位置決め制御を行うための出力を圧電素子
１５のドライバに出力させればよい。上記圧電素子１５
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。

【００１５】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の圧電素子１５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
とができる。

【００１６】しかも、上記二つの群の各リンク６のベー
ス部材２及びエンドエフェクタの基体４に対する接続点
では、可撓性の金属線状部材１１により両者を直接的に
連結しているので、既提案のマイクロマニピュレータに
比して、外力により組立状態が簡単に崩れることがない
強度をもたせることができ、また、スプリングによる振
動系をなくしているため、急速な動作に対する追従性を
もたせることができ、結果的に、マイクロマニピュレー
タの特性を、小型に形成可能にするという前提条件のも
とで改善することができる。

【００１７】なお、上述したマイクロマニピュレータ
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。

【００１８】

【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、既提案のマイクロマニピュレータの特性を、
小型に形成可能にするという前提条件のもとに改善し、
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
ュールを用いた２本指のマイクロマニピュレータを、外
力によりその組立状態が簡単に崩れることがない強度を
有し、且つ、スプリングによる振動系をなくし、急速な
動作に対する追従性をもたせたものとして構成すること
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におけるハンドモ
ジュールの構成を示す平面図である。

【図３】上記ハンドモジュールの要部の構成を示す部分
破断側面図である。

【図４】上記ハンドモジュールにおけるリンクの連結状
態を示す断側面図である。

【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、 １１ 金属線状部材、 １５ 圧電素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対のハンドモジュールを備え、これらの
   各ハンドモジュールを、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本のリンクとにより構成し、上記
   ６本のリンクは、その３本づつをそれぞれ１群として、
   各群のリンクにおける両端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、 それらの各リンクの両端とベース部材及び基体とは、可
   撓性の金属線状部材により直接的に連結し、 ６本のリンクをそれぞれに設けたアクチュエータにより
   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。