JPH10138177A - 3自由度マイクロマニピュレータ - Google Patents

3自由度マイクロマニピュレータ

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JPH10138177A
JPH10138177A JP8307352A JP30735296A JPH10138177A JP H10138177 A JPH10138177 A JP H10138177A JP 8307352 A JP8307352 A JP 8307352A JP 30735296 A JP30735296 A JP 30735296A JP H10138177 A JPH10138177 A JP H10138177A
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川 民 生 谷
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井 健 生 新
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細作業では並進3自由度が主たる動作にな
るという特性を有効に利用して、簡単で高精度な位置決
めを行い得る3自由度マイクロマニピュレータを提供す
る。 【解決手段】 ベース部材1とエンドエフェクタ3とを
連結する三つのリンク機構6を備える。このリンク機構
6は、一対の対偶部材30の間を薄肉部32で連結する
ことにより構成される二つの回転対偶Rと、一対の対偶
部材30の両端部間を一対の連結杆部31によりそれぞ
れ薄肉部32を介して連結して構成される二つの並進対
偶Pを備え、各対偶を一つの平面上に配列させて3自由
度の動作を行わせる柔軟構造物として構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】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等において、
微小対象物の位置決め、ハンドリング、切断、接合など
の微細作業を正確に且つ容易に行うことができるマイク
ロマニピュレーション機構、あるいは精密位置決めステ
ージ機構などへの利用に適した安価な3自由度マイクロ
マニピュレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】本発明者らは、先に、上述したバイオテ
クノロジー、医学、あるいは微細操作が必要な各種産業
分野における利用に適したハンドモジュールを有するマ
イクロマニピュレータを、特開平6−170761号あ
るいは特開平6−328374号として提案している。
【0003】この既提案のハンドモジュールは、6つの
駆動装置で6自由度の運動を制御する6自由度パラレル
リンク機構により構成したものであり、具体的には、ベ
ース部材と、基板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板を連結する6本の
リンクを備え、6本のリンクのベース部材及び基板との
接続点を、中心軸線の周りにほぼ等分に、且つ各リンク
を順次反対方向に傾斜させるようにして配設し、それら
のリンクのベース部材及び基板との接続点をピボット結
合として、ベース部材と基板とはスプリングにより連結
し、あるいは各リンクの両端とベース部材及び基板とを
可撓性の金属線状部材により直接的に連結し、各リンク
をピエゾ圧電素子等により伸縮可能としたものである。
【0004】しかしながら、顕微鏡下の微細作業におい
ては、互いに直交する3軸方向の並進3自由度の動作が
主要であり、少なくとも残りの水平軸周りの回転2自由
度については、マイクロマニピュレータ自体の動作領域
がハンドモジュールの寸法に比して十分に小さく、ジョ
イントの変位も極めて小さいため、並進の動作と実質的
な違いがないものである。しかも、上記パラレルリンク
機構では、リンクが駆動されるために、各リンクの両端
とベース部材及び基板との結合に、上記ピボット結合や
可撓性の金属線状部材、あるいはユニバーサルジョイン
トやボールジョイント等の回転自在なジョイントが必要
になるが、マイクロマニピュレータのように、非常に小
さなパラレルリンク機構においては、上記ジョイントの
製作が極めて困難になる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、基本的には、微細作業を正確にかつ容易に行うこと
ができるようなマイクロマニピュレーション機構あるい
は精密位置決めステージ機構などに適し、特に、微細作
業では上述した並進3自由度が主たる動作になるという
特性を有効に利用して、簡単で高精度な位置決めを行い
得る3自由度マイクロマニピュレータを開発することに
ある。
【0006】本発明の他の技術的課題は、三つのリンク
機構でエンドエフェクタの3自由度の精密位置決め制御
を実現し、これにより、従来のマイクロマニピュレータ
の制御システムに比して半分の制御で済むようにし、簡
単でコスト面でも有利な3自由度マイクロマニピュレー
タを提供することにある。本発明の更に他の技術的課題
は、上記を実現するためのリンク機構を簡単に加工・組
立ができるようにして、リンク機構を微細に形成するの
に有利な簡単な構造のものとして提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の3自由度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とを連結する三つのリンク機
構を備え、このリンク機構を、一対の対偶部材の間を薄
肉部で連結することにより構成される二つの回転対偶
と、一対の対偶部材の両端部間を一対の連結杆部により
それぞれ薄肉部を介して連結して構成される二つの並進
対偶を備え、各対偶を一つの平面上に配列させて3自由
度の動作を行わせる柔軟構造物として構成したことを特
徴とするものである。
【0008】上記構成を有する3自由度マイクロマニピ
ュレータは、微細作業を正確にかつ容易に行うことがで
きるようなマイクロマニピュレーション機構あるいは精
密位置決めステージ機構などに適するものとし、特に、
微細作業であることを有効に利用して、並進3自由度の
みにより簡単で高精度な位置決めを行うことができるも
のである。しかも、三つのリンク機構でエンドエフェク
タの3自由度の精密位置決め制御を実現できるようにし
ているため、従来のマイクロマニピュレータの制御シス
テムに比して半分の制御で済み、簡単でコスト面でも有
利であり、また、各対偶を一つの平面上に配列させたリ
ンク機構を用いているので、簡単に加工・組立を行うこ
とができ、微細なリンク機構を形成するのに有利なもの
である。
【0009】
【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る3自由度マ
イクロマニピュレータの一例の全体的構成を示すもの
で、この3自由度マイクロマニピュレータ1は、ベース
部材2と、可動台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と可動台4を連結す
る三つのリンク機構6とを備えたものである。このリン
ク機構6は、図4あるいは図5に示す構成を有するもの
であるが、以下に、その構成について詳細に説明する。
【0010】前述したように、非常に小さなパラレルリ
ンク機構による顕微鏡下の微細作業では、互いに直交す
る3軸方向の並進3自由度の動作が主要であって、ジョ
イントの変位も極めて小さく、しかも、そのジョイント
の製作も極めて困難である。このような観点から考察す
ると、ジョイントとして、図2の(a) に示すように、一
対の対偶部材10の間を薄肉部12で連結することによ
り回転対偶Rを実現する柔軟構造物や、同図(b) に示す
ように、一対の対偶部材20の両端部間を一対の連結杆
部21によりそれぞれ薄肉部22を介して連結して並進
対偶Pを実現する柔軟構造物を利用するのが有利であ
り、それらを利用して3自由度の並進運動を実現する機
構を構成するのが適切である。
【0011】この並進3自由度は、例えば、図3に示す
ように、上記並進対偶PをXYZ軸の3方向に配置した
柔軟構造物により実現することも可能であるが、この場
合には、三つの対偶は一つの平面上に配置できず、また
構造も対照的でないため、その柔軟構造物が小さくなる
ほど加工・組立が困難になる。
【0012】しかるに、この並進3自由度は、次のよう
な方法の採用により、より簡単に構成することができ
る。即ち、群論に基づく運動解析の研究結果に基づく
と、軸周りの回転と軸方向の並進を許す直線が定義され
る4自由度のリンク機構を並列的に複数組み合わせる
と、並進運動を実現できることが解明されている。これ
を具体的に説明すると、リンク機構として、図4(a) 〜
(d) に示すような4自由度の構成を採ることにより、各
対偶を一つの平面上に配列させて3自由度の動作を行わ
せることができ、それにより、金属や合成樹脂等による
所要自由度の柔軟構造物の加工や組立を著しく容易化す
ることができる。同図において、Rは回転対偶、Pは並
進対偶を意味し、同図(a) 〜(d) の例をそれぞれR及び
Pの記号で表すと、RRPP機構、RPRP機構、PR
RP機構、RPPR機構と名付けることができる。
【0013】この一例として、RPPR機構を柔軟構造
物で構成してなるリンク機構6を図5に示す。このリン
ク機構6は、一対の対偶部材30の間を薄肉部32で連
結することにより実現される二つの回転対偶Rと、一対
の対偶部材30の両端部間を一対の連結杆部31でそれ
ぞれ薄肉部32を介して連結することにより実現される
二つの並進対偶Pとを備えた柔軟構造物として、上記R
PPR機構を構成させたものであり、これにより3自由
度の並進運動を実現する機構を平面上に構成できるた
め、その加工や組立を容易に行うことができるものであ
る。
【0014】図1の3自由度マイクロマニピュレータ1
は、上記図5のRPPR機構を構成するリンク機構6の
三つを、ベース部材2とエンドエフェクタ3の可動台4
との間において、中心軸線の周りに120°の間隔で対
称型に配置した状態を示すものであり、リンク機構の各
部には上記図5の場合と同一の符号を付している。な
お、ここでは各リンク機構6を中心軸線の周りに120
°の間隔では位置した場合を示しているが、その配置
は、駆動制御との関連において任意に選択することがで
きる。このマイクロマニピュレータ1の駆動は、適宜手
段で各対偶を駆動するように配慮すればよい。
【0015】なお、図1に示す3自由度マニピュレータ
は、その一対により2本指状に構成したり、その任意数
を用いて、微小対象物の位置決め、ハンドリング、切
断、接合などの微細作業に適用し、あるいは精密位置決
めステージ機構などに利用することができるものであ
る。
【0016】
【発明の効果】以上に詳述した本発明の3自由度マイク
ロマニピュレータによれば、微細作業では並進3自由度
が主たる動作になるという特性を有効に利用し、三つの
リンク機構でエンドエフェクタの3自由度の精密位置決
め制御を実現し、これにより、従来の6自由度のマイク
ロマニピュレータの制御システムに比して半分の制御で
済み、しかも、簡単、安価で高精度な位置決めを行い得
るマイクロマニピュレータを得ることができる。また、
リンク機構を簡単に加工・組立ができるようにしたの
で、リンク機構を微細に形成するのに有利なものであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る3自由度マイクロマニピュレータ
の実施例の斜視図である。
【図2】(a) 及び(b) は、回転対偶及び並進対偶を実現
する柔軟構造物からなるジョイントについての斜視図で
ある。
【図3】三つの並進対偶を用いた3自由度機構の一例を
示す斜視図である。
【図4】(a) 〜(d) は、4自由度のリンク機構について
の説明図である。
【図5】図1の実施例において用いているリンク機構の
斜視図である。
【符号の説明】
1 3自由度マイクロマニピュレータ 2 ベース部材 3 エンドエフェクタ 6 リンク機構 30 対偶部材 31 連結杆部 32 薄肉部 R 回転対偶 P 並進対偶

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ベース部材とエンドエフェクタとを連結す
    る三つのリンク機構を備え、 このリンク機構を、一対の対偶部材の間を薄肉部で連結
    することにより構成される二つの回転対偶と、一対の対
    偶部材の両端部間を一対の連結杆部によりそれぞれ薄肉
    部を介して連結して構成される二つの並進対偶を備え、
    各対偶を一つの平面上に配列させて3自由度の動作を行
    わせる柔軟構造物として構成した、ことを特徴とする3
    自由度マイクロマニピュレータ。
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