JP3840192B2 - ハンド用アーム機構を備えたマニピュレータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式顕微鏡、電子顕微鏡、走査型トンネル顕微鏡などの拡大観察装置を使用して、マイクロマシンの部品、ユニットなどの微小物体を組み立てる微小部品組み立て装置、或いは生体の微細組織、細胞、遺伝子などを物理的に操作して診断、治療、研究、生物生産などを行う小型マニピュレータ装置などとして用いられるマニピュレータ、それを用いた微小物操作装置に関する。特に、マイクロハンド用の微小アーム機構などのアーム機構を備えたマニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通常の大きさの軸受けを使って通常の大きさのアームを回転させて微小物体を裏返す技術、円弧状のガイドに沿ってアームや工具を回転させて作業装置で微小ワークに所要の処理を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２５６５７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の如き従来装置において、微小物体が軸受けや円弧状ガイドの回転軸上にないと、裏返し動作により微小物体が顕微鏡の視野範囲外や焦点深度外に出てしまい、顕微鏡と微小物体の位置を合わせ直す必要があった。
【０００５】
一方、操作対象物の大きさに近い小さなアーム機構にすれば、相対的に軸合わせが容易となる可能性がある。しかし、微小機構に適した微小アクチュエータは、圧電材料や形状記憶合金など直線的に伸縮するものが多く、また、回転型モータなどは、構造が複雑で微小機構用に適するほど小型に製作することが困難である。さらに、微小な軸受けや円弧状ガイドは製作が困難であり、相対的にガタが大きくなりマニピュレータの操作性が悪くなってしまうため、顕微鏡観察により操作するような微小回転機構というものがなかった。
【０００６】
さらに、直線的に伸縮する微小アクチュエータの動力を大きな角度回転動作に変換する場合、微小な直線運動を回転運動に変換する直線／回転変換機構、微小角度回転運動を大角度回転運動に拡大する増速機構などが必要となり、全体の機構が複雑となって小型化、微細化が困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、微小対象物を操作する小型マニピュレータ装置などとして用いるのに適したハンド用アーム機構を備えたマニピュレータ、それを用いた微小物操作装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のマニピュレータは、夫々の一端が固定の間隔を隔ててベースに取り付けられた複数のアーム部材と、接続部を介して前記複数のアーム部材に取り付けられた操作対象物操作用ハンドと、前記複数のアーム部材に結合した伸縮可能なアクチュエータを備え、前記アクチュエータを伸縮させ、前記複数のアーム部材を交差状態および並行状態に変化させることで、並行状態にある前記複数のアーム部材の間でアーム部材の伸長方向と平行に伸びるアーム軸の回りの前記ハンドの回転動作を起こす様に構成されたことを特徴とする。この構成によれば、複数のアーム部材の組み合い状態を交差状態や並行状態などにするという様に変化させるのに単純な機構（例えば、超小型微小機構に適した弾性変形機構）を使えるので、操作対象物を把持するハンドの回転（ハンドの手首を旋回させる動作）を起こさせるアーム機構を容易に実現できる。一般的に微小機構では軸受けやガイドのような摺動、転がりといった相対的移動を伴う機構より、摩擦やガタのない弾性変形を利用した機構の方が適しているが、本発明の構成では、弾性変形（捩り弾性変形や曲げ弾性変形）などを利用できて性能の良い小型の回転機構が容易に実現できる。
【０００９】
上記基本構成に基づいて次の様な態様が可能である。
少なくとも１つのアーム部材に操作的に結合して複数のアーム部材の組み合い状態を変化させる為のアクチュエータを備え、該アクチュエータを制御してハンドの回転ないしそれに類似した動作を起こす態様を採り得る。より具体的には、棒状の並列に配されて並列した複数のアーム部材と、複数のアーム部材の組み合い状態を変化させる為に直線的に動作するアクチュエータを備え、該アクチュエータの伸縮でハンドの回転ないしそれに類似した動作を起こす態様とし得る。少なくとも１つのアーム部材がアクチュエータを兼ねる様な構成も可能である。
【００１０】
更に具体的には、棒状のほぼ並列した２本のアーム部材と、該並列した２本のアーム部材の一部を近づけたり元に戻したりする為に直線的に動作するアクチュエータを備え、該並列した２本のアーム部材の一部には、アーム部材の動きを助ける為に比較的容易に曲げ変形する曲げ部材と、前記接続部の一部を構成する比較的容易に捩れ変形する捩れ部材が接続され、アクチュエータを収縮することで該並列する２本のアーム部材を交差させてハンドの手首を旋回させる態様を採り得る（図１の構造参照）。こうして、アーム軸回りの回転動作を得ることで、顕微鏡の視野範囲内、焦点深度内で容易にワークを裏返すことができる。
【００１１】
また、棒状のほぼ並列した２本のアーム部材と、該並列した２本のアーム部材を軸方向に突き出したり引き込んだりする為に直線的に動作するアクチュエータを備え、該アーム部材の一部には、前記接続部の一部を構成する比較的容易に曲げ変形する曲げ部材が接続され、該並列した２本のアーム部材の一方を突き出す、或いは他方を引き込む、或いは一方を突き出すと同時に他方を引き込むことによりハンドの手首の角度を変える回転動作を起こす態様を採り得る（図６の構造参照）。
【００１２】
また、棒状のほぼ並列した３本のアーム部材と、該並列した３本のアーム部材を軸方向に突き出したり引き込んだりする為に直線的に動作するアクチュエータを備え、該アーム部材の一部には、前記接続部の一部を構成する比較的容易に曲げ変形する曲げ部材が接続され、該並列した３本のアーム部材の軸方向への突き出しと引き込みを組み合わせることによりハンドの手首の角度を変える回転動作を起こす態様を採り得る（図７の構造参照）。ハンドの回転動作の回転中心が操作対象物とほぼ一致するように、ハンドの中央部付近が回転中心となる如く前記接続部が形成された態様も採り得る（図８の構造参照）。
【００１３】
更に、上記目的を達成する本発明の微小物操作装置は、上記のマニピュレータ（小型マニピュレータ）、操作対象物及びハンド（マイクロハンド）を拡大観察する為の拡大観察装置、マニピュレータを遠隔操作する為の遠隔操作装置を有することを特徴とする。上記マニピュレータの利点が生かされたこうした操作装置では、ハンドで把持された微小物体を顕微鏡で観察しながら、遠隔操作装置でハンドの動作を制御し、微小物体を回転させてその位置および姿勢を容易に制御できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、図面を参照しながら具体的な実施例を説明する。
【００１５】
（第１の実施例）
図１は本発明のハンド用アーム機構を備えた操作装置の第１の実施例の特徴を最も良く表す図である。図１において、１はマイクロハンドのアームであり、１−１と１−２の２本の棒状部材で構成されている。アームの棒状部材１−１、１−２は比較的剛性の高い構造となっている。２はマイクロアクチュエータであり、例えば、形状記憶合金のワイヤをコイルバネ状に形成したものである。マイクロアクチュエータ２に電流を流したり、或いはレーザなどの強い光を照射したりすることなどで、熱せられると収縮し、電流或いは光照射を止めて冷却されると元の長さに伸張するものである。湾曲・直伸可能な形状記憶合金のワイヤそのもの、圧電性材料を使った湾曲・直伸可能なバイモルフアクチュエータ、空気圧を使って伸縮するエアチューブ、或いは伸縮可能な人工筋肉のようなアクチュエータでもよい。
【００１６】
３は捩り部材であり、アーム１が図１（ｂ）の如く軸X-X’まわりに回転したときに捩り変形を起こして後述のフィンガー５とフィンガー取り付け部材８の回転を滑らかに起こさせる部材である。この実施例では、捩り部材３としてはアームの棒状部材１−１、１−２より細い部材を使い、捩れ易くしている。捩り部材３として、図３に示す様な放射状断面を持つ部材を使えば、捩り剛性は小さいので捩り易く、曲げ剛性は強いので操作しやすい構造とすることができる。図４に示す様な細い部材を多数、平行に並べたものでも同様のことが言える。図５の変形例ように単に折り曲げた形状でも捩れ易くなるのは周知の通りである。ここまで捩れ（弾性）変形を使う構造を例示したが、従来の通常の機械のように転がり軸受け、滑り軸受けのような軸受けを用いてもよい。ただし、微小な機構では軸受けが製造困難となるので、捩り弾性変形構造の方が適していると言える。
【００１７】
４は曲げ（弾性）部材であり、アーム１が図１（ｂ）の如く軸X-X’まわりに回転したとき曲げ変形を起こしてアームの棒状部材１−１、１−２の組み合い状態の変化を滑らかに起こさせるものである。７はベースで、例えば位置決めマニピュレータの先端部などである。曲げ部材４を省略して、微小軸受けなどを用いてアームの棒状部材を直接ベース７に回動可能に取り付ける構造などとしてもよい。
【００１８】
５はフィンガーないしハンドであり、細胞や細菌、微小機械部品などの操作対象物６を把持、操作するものである。フィンガー５としては操作対象物６を把持、操作できるものならば如何なるものでもよく、形状、動作形態（固定式か可動式か）、操作先端部の数などは問わない。８はフィンガー５が取り付けられるフィンガー取り付け部材で、アームの棒状部材１−１、１−２と同様に比較的剛性の高い構造としてある。取り付け部材８は、捩り部材３と共に、アーム１とフィンガー５とを接続する接続部を構成する。
【００１９】
図１と図５では捩り部材３をアームの棒状部材１−１、１−２の先端に配置したが、必ずしも先端にある必要はなく、アーム１のベース側や中間部に配置してもよい。または、アームの棒状部材１−１、１−２そのものが捩り変形を起こすような構造にして、捩り部材３を省略してもかまわない。
【００２０】
上記構成の本実施例の動作を説明する。フィンガー５で操作対象物６を把持した図１（ａ）の状態で、コイルバネ状の形状記憶合金アクチュエータ２に、例えば電流を流して、その電気抵抗により発熱させる。周知のように形状記憶合金は所定の温度を越えると急に変形する性質がある。この場合、或る温度を越えるとコイルバネ２が収縮し（図１（ｂ））、電流を停止して冷却されるとコイルバネ２が元の長さに伸張する（図１（ａ））ように調整されている。
【００２１】
形状記憶合金アクチュエータ２が収縮すると、剛性の高いベース７、アーム１、フィンガー取り付け部材８は変形しないが、捩り部材３と曲げ部材４はそれぞれ捩り変形、曲げ変形を起こし、全体が図１（ａ）に示す様に平行であったアーム１−１とアーム１−２が図１（ｂ）の様に交差するような組み合い状態になる。このとき、フィンガー取り付け部材８は図１（ａ）の状態とは向きをほぼ反転させている。従って、フィンガー５ならびにそれに把持された操作対象物６も向きを反転させられる。紙面に垂直な方向から顕微鏡で観察している場合、操作対象物６を裏返しにできる。
【００２２】
ところで、図２は形状記憶合金アクチュエータ２とアームの棒状部材１−１、１−２との取り付け構造を示す図でX-X’軸方向から見た図である。図示のように、形状記憶合金アクチュエータ２の力の作用点をアームの棒状部材の断面中心からずらすと、形状記憶合金アクチュエータ２が収縮したとき、操作対象物６の方から見てアームの棒状部材１−１、１−２は反時計回りに滑らかに回転動作する。もし、力の作用点をアームの棒状部材の断面の中心にすると、力が釣り合って回転しないか、或いは回転しても時計回りに回転するか反時計回りに回転するか予測がつかなくなってしまう。
【００２３】
（第２の実施例）
図６は第２の実施例の特徴を最も良く表す図である。図６において、図１と同じ符号で示すものは同様なものであることを示す。９−１と９−２は第１の実施例のマイクロアクチュエータ２と同様のマイクロアクチュエータであり、例えば形状記憶合金のワイヤをコイルバネ状に形成したものである。これについては第１の実施例で説明した通りである。しかし、第２の実施例では、マイクロアクチュエータはアームの棒状部材１−１と１−２のベース７への取り付け部分に設けられている。また、第２の実施例では、第１の実施例の捩り部材３は曲げ部材４に置き換わっている。いま、片方のマイクロアクチュエータ９−１を収縮させ、もう一方のマイクロアクチュエータ９−２を伸張させると、図６（ｂ）に示す様に曲げ部材４が曲げ変形して、フィンガー取り付け部材８が傾く。これによりフィンガー５が紙面に垂直な軸回りに左方向に回転し、フィンガー５に把持された操作対象物６の向き、姿勢を変えることができる。
【００２４】
この例では、マイクロアクチュエータ９を２個使用したが、どちらか一方だけを伸縮させても操作対象物６の姿勢は変えられるので、マイクロアクチュエータを、何れかのアームの棒状部材とベース７の間に取り付けた１個にすることもできる。また、何れか或いは両方のアームの棒状部材そのものを上記の如きマイクロアクチュエータに置き換えても、同様な動作を起こさせることができる。
【００２５】
図８は、フィンガー５に把持された操作対象物６の回転中心をより精確にフィンガー５の中央部に一致させる場合のフィンガー取り付け部材８の構造を示す。ここでは、アームの棒状部材１−１、１−２に曲げ部材４を介して繋がれたフィンガー取り付け部材８の両端部を結ぶ線上にフィンガー５の中央部がほぼ来るようにフィンガー取り付け部材８の形状が変形されている。このようにすると、操作対象物６の姿勢を変えても操作対象物の位置はほとんど動かないので、顕微鏡などで観察している場合に狭い視野から操作対象物が外れることがなく、より確実に、視野調整のために操作を中断する必要がなくなる。
【００２６】
図７は第２の実施例の変形例を示す。ここでは、アームの棒状部材を１−１、１−２、１−３の３本とし、マイクロアクチュエータも９−１、９−２、９−３の３個がそれぞれのアームの棒状部材１−１、１−２、１−３に設けられている。また、これに合わせてフィンガー取り付け部材８が三つ又状（上から見て各枝部が中央部から１２０度の角度を成して伸びている）に形成されて、その中央部にフィンガー５取り付けられている。
【００２７】
この実施例では、収縮するマイクロアクチュエータ９の数と位置を適宜選択することで、紙面にほぼ垂直な軸回りの回転だけでなく、それとほぼ直交する軸回りの回転もできる。この場合も、マイクロアクチュエータの数を１個減らし、２個のマイクロアクチュエータ９によってフィンガー５で把持された操作対象物６の姿勢を制御することができる。
【００２８】
（第３の実施例）
図９は第１の実施例の構成と第２の実施例の構成を組み合わせたもので、両方の機能を兼ね備えたものである。この実施例では、アクチュエータ２が作動するときは第１の実施例の様に動き、アクチュエータ９−１、９−２は曲げ部材として機能する。また、アクチュエータ９が作動するときは第２の実施例の様に動き、捩り部材３は曲げ部材として機能する。さらに、アクチュエータ２、９−１、９−２が作動するときは両方の動きが組み合わさった動きができる。
【００２９】
（第４の実施例）
図１０は本発明の微小物操作装置を含むマニュピレータ装置全体のシステムを説明する図である。図１０において、１０は顕微鏡、１１はそのモニター、１２はXYステージであり操作対象物およびそれを操作する上記実施例のマイクロハンド、アームなどが配置される。１３はコントローラで、遠隔操作装置１４からの操作信号に基づいて、ベース７に取り付けられたアームおよびハンドの動作をコントロールする。操作者は、顕微鏡１０のモニター１１を見ながら遠隔操作装置１４によりアーム、マイクロハンドを操作し、微小対象物に対して所望の操作をすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マニピュレータが、組み合い状態が変化可能に設けられた複数のアーム部材と、接続部を介して複数のアーム部材に取り付けられた操作対象物操作用ハンドを備え、該複数のアーム部材の組み合い状態を変化させることで該ハンドの回転ないしそれに近似した動作を起こす様に構成されるので、単純な機構を使って操作対象物の回転ないしそれに類似する動作を起こさせるアーム機構を実現できる。従って、装置が容易に小型化でき、また、これを使用して顕微鏡の視野内で操作対象物の回転ないし類似動作をさせても、固定された顕微鏡視野、或いは顕微鏡の焦点深度を大きく外れることがなくなる。こうして、操作の途中で顕微鏡の視野を調整したり、焦点を調整したりする作業が軽減され、顕微鏡を使っての作業が容易になり、高度に熟練した操作者に限らず誰にでも作業ができるようになる。また、作業時間も短縮され、操作者の疲労が軽減される結果、操作の成功率も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の操作装置の第１の実施例であって操作対象物を裏返し回転させるのに好適な機構を説明する図である。
【図２】第１の実施例のアクチュエータの好ましい取り付け構造を説明する図である。
【図３】第１の実施例の捩れ部材の一例を示す斜視図である。
【図４】第１の実施例の捩れ部材の他の例を示す斜視図である。
【図５】第１の実施例の変形例における他の捩れ部材の一例を示す図である。
【図６】本発明の操作装置の第２の実施例であって操作対象物を回転させるのに好適な機構を説明する図である。
【図７】第２の実施例の変形例を説明する図である。
【図８】第２の実施例の変形例において操作対象物が回転中心となるようなハンド機構を示す図である。
【図９】本発明の操作装置の第３の実施例であって第１の実施例と第２の実施例を組み合わせた実施例を説明する図である。
【図１０】本発明の第４の実施例であるマニュピレータ装置全体のシステムを説明する図である。
【符号の説明】
１：アームの棒状部材
２、９：アクチュエータ
３：捩れ部材
４：曲げ部材
５：フィンガー（ハンド）
６：操作対象物
７：ベース
８：フィンガー取り付け部材
１０：顕微鏡
１１：顕微鏡モニター
１２：XYステージ
１３：コントローラ
１４：操作装置

Claims (2)

1. 夫々の一端が固定の間隔を隔ててベースに取り付けられた複数のアーム部材と、接続部を介して前記複数のアーム部材に取り付けられた操作対象物操作用ハンドと、前記複数のアーム部材に結合した伸縮可能なアクチュエータを備え、前記アクチュエータを伸縮させ、前記複数のアーム部材を交差状態および並行状態に変化させることで、並行状態にある前記複数のアーム部材の間でアーム部材の伸長方向と平行に伸びるアーム軸の回りの前記ハンドの回転動作を起こす様に構成されたことを特徴とするマニピュレータ。
2. 請求項１に記載のマニピュレータ、前記操作対象物及びハンドを拡大観察する為の拡大観察装置、該マニピュレータを遠隔操作する為の遠隔操作装置を有することを特徴とする微小物操作装置。

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