JP4803462B2

JP4803462B2 - manipulator

Info

Publication number: JP4803462B2
Application number: JP2008046089A
Authority: JP
Inventors: 祐一岡崎
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-02-27
Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2028-02-27
Also published as: JP2009202269A

Description

本発明は、微小な機構部品又は電子部品の組み立て、生体操作用マニピュレータ、精密顕微鏡観察用位置制御、精密測定用位置制御，微小加工用工具の位置制御等に用いられるマニピュレータに関する。 The present invention relates to a manipulator used for assembly of minute mechanical parts or electronic parts, a manipulator for biological manipulation, position control for observation with a precision microscope, position control for precision measurement, position control for a tool for micromachining, and the like.

従来、微小部品の組み立て作業やバイオ関連の微小操作などでは、ごく狭い範囲の、高分解能で制御性の良い変位発生機構が求められている。この要求に対し液圧式または電動式の変位機構がマニピュレータとして用いられている。 Conventionally, a displacement generating mechanism with a high resolution and good controllability in a very narrow range has been demanded for assembling work of minute parts and minute operations related to biotechnology. In response to this requirement, a hydraulic or electric displacement mechanism is used as a manipulator.

電動式変位機構には、一般の位置決め機構と同様な原理で、ねじ送り機構またはリニアアクチュエータによって直線運動を得るものや、回転運動を直接利用するものがあるが、基本的には単一自由度をもつ機構の積み重ねによってマニピュレータ先端に多自由度の並進変位を発生させている。例えば、特許文献１には、液圧式マニピュレータが記載されている。 There are two types of electric displacement mechanisms, which are based on the same principle as general positioning mechanisms, and obtain linear motion by a screw feed mechanism or linear actuator, or directly use rotational motion, but basically have a single degree of freedom. Multi-degree-of-freedom translational displacement is generated at the manipulator tip by stacking mechanisms with For example, Patent Document 1 describes a hydraulic manipulator.

マニピュレータ先端の回転が必要な場合は、直動機構の上に回転機構を搭載するか、直動機構を旋回機構上に搭載するかしている。 When rotation of the manipulator tip is required, a rotation mechanism is mounted on the linear motion mechanism or the linear motion mechanism is mounted on the turning mechanism.

また、別の方法としてパンタグラフ機構を用いるものがある。このようなマニピュレータとして、特許文献２には、例えば、把持指の先端部を近接させて微小物体を把持するハンドリング部を、パンタグラフ機構を変位させてＸ方向及びＹ方向に駆動するＸＹ駆動部と、パンタグラフ機構を変位させてハンドリング部の把持指の先端部を中心として把持指が揺動するようにハンドリング部の姿勢方向を変更するθｚ駆動部と、ハンドリング部をＺ方向に駆動するＺ駆動部と、を備えており、ＸＹ駆動部とθｚ駆動部とは一体に構成され、Ｚ駆動部はパンタグラフ機構の出力リンクに支持されており、ハンドリング部はＺ駆動部に支持されているマイクロマニピュレータが開示されている。また、パラレルリンク機構を用いたマニピュレータが、例えば特許文献３に開示されている。 Another method uses a pantograph mechanism. As such a manipulator, for example, Patent Document 2 discloses, for example, a handling unit that grips a minute object by bringing a tip of a gripping finger close thereto, and an XY driving unit that displaces a pantograph mechanism and drives the X and Y directions. , A θz drive unit that changes the posture direction of the handling unit so that the gripping finger swings around the tip of the gripping finger of the handling unit by displacing the pantograph mechanism, and a Z drive unit that drives the handling unit in the Z direction The XY drive unit and the θz drive unit are configured integrally, the Z drive unit is supported by the output link of the pantograph mechanism, and the handling unit is a micromanipulator supported by the Z drive unit. It is disclosed. A manipulator using a parallel link mechanism is disclosed in Patent Document 3, for example.

特開２００１−３３０７８１号公報JP 2001-330781 A 特開２００７−０３０１３７号公報JP 2007-030137 A 特開２００３−０６２７７３号公報JP 2003-062773 A

しかしながら、従来の技術、特に微小組み立て装置では、コンパクトな機構が求められており、微小作業においてマニピュレータに作用する力はごくわずかであるにもかかわらず、大変位や大作用力を扱う機構と同じ機構が用いられている。 However, in the conventional technology, particularly a micro assembly device, a compact mechanism is required, and the force acting on the manipulator in micro work is very small, but it is the same as the mechanism that handles large displacement and large acting force. A mechanism is used.

例えば、それぞれ案内機構とアクチュエータをもつ直動または回転の単一自由度の機構要素を積み重ねたものはコンパクト化と低価格化の障害になっている。また、各機構要素の運動誤差が蓄積され、マニピュレータ先端において望む運動精度が得られにくい。さらに、パラレルリンク機構を用いたものは、動作範囲に比べて同様に小型化が難しい。 For example, a stack of linear motion or rotational single degree-of-freedom mechanism elements each having a guide mechanism and an actuator is an obstacle to downsizing and cost reduction. Further, the motion error of each mechanism element is accumulated, and it is difficult to obtain the desired motion accuracy at the manipulator tip. Furthermore, it is difficult to reduce the size of a device using a parallel link mechanism as compared with the operating range.

本発明は、軸に直交する方向の微小な並進変位と軸まわりの回転変位を与えるコンパクトで単純な機構のマニピュレータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a manipulator having a compact and simple mechanism that gives a small translational displacement in a direction perpendicular to the axis and a rotational displacement around the axis.

上記課題を解決するために、本発明は、作業を行うアーム部と、前記アーム部の回転角を制御する回転角制御部と、前記アーム部の変位を制御する変位制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、前記回転角制御部は、回転駆動力を付与する回転角付与手段を有し、前記アーム部は、前記回転角付与手段に接続され、回転可能であると共に、屈曲可能な屈曲軸部と、前記屈曲軸部に接続され、前記屈曲軸部が屈曲することにより移動する作用軸と、前記作用軸の先端に設置され、各種作業を行う作業部と、を有し、前記変位制御部は、前記作用軸に力を付与する変位付与手段と、前記変位付与手段の駆動力を伝達し、前記作用軸に常に当接する出力部材と、を有することを特徴する。
また、前記変位制御部は、前記出力部材を前記作用軸に常に当接させる付勢力を付与する付勢手段を有することを特徴する。
また、前記変位付与手段は、回転駆動モータからなり、前記出力部材は、前記作用軸に対して垂直な方向に回転軸を持つカムからなることを特徴する。
また、前記カムは、前記作用軸に当接する外周面に溝を有することを特徴する。
また、前記カムは、前記作用軸に当接する外周面にフランジを有することを特徴する。
また、前記変位制御部は、前記作用軸が前記フランジに常に当接するように付勢力を付与するサポートばねを有することを特徴する。
また、前記変位付与手段は、直動アクチュエータからなることを特徴する。
また、前記変位制御部は、第１変位制御部と、前記作用軸に対して前記第１変位制御部と垂直な方向に力を付与する第２変位制御部とを有することを特徴する。 In order to solve the above-described problems, the present invention includes an arm unit that performs work, a rotation angle control unit that controls a rotation angle of the arm unit, and a displacement control unit that controls the displacement of the arm unit. In the manipulator, the rotation angle control unit includes a rotation angle application unit that applies a rotational driving force, and the arm unit is connected to the rotation angle application unit and is rotatable and bendable. And a working shaft that is connected to the bending shaft portion and moves when the bending shaft portion is bent, and a working portion that is installed at a tip of the working shaft and performs various operations, and the displacement control portion Comprises a displacement applying means for applying a force to the action shaft, and an output member for transmitting a driving force of the displacement applying means and always abutting on the action shaft.
In addition, the displacement control unit includes an urging unit that applies an urging force that always brings the output member into contact with the action shaft.
Further, the displacement applying means is constituted by a rotation drive motor, and the output member is constituted by a cam having a rotation axis in a direction perpendicular to the action axis.
In addition, the cam has a groove on an outer peripheral surface that is in contact with the action shaft.
Further, the cam has a flange on an outer peripheral surface in contact with the action shaft.
The displacement control unit may include a support spring that applies an urging force so that the operating shaft always contacts the flange.
Further, the displacement applying means is composed of a linear actuator.
The displacement control unit includes a first displacement control unit and a second displacement control unit that applies a force to the action axis in a direction perpendicular to the first displacement control unit.

本発明のマニピュレータによれば、微小範囲での高分解能多自由度の変位を発生させることが可能となる。また、各自由度ごとの案内機構をもたず、シンプルな構成のためコンパクト化と低価格化が可能となる。さらに、各自由度の発生変位を正確に制御することができる。 According to the manipulator of the present invention, it is possible to generate a high-resolution multi-degree-of-freedom displacement in a minute range. In addition, there is no guide mechanism for each degree of freedom, and the simple structure enables compactness and low cost. Furthermore, the generated displacement of each degree of freedom can be accurately controlled.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るマニピュレータ１を構成する主要構成要素を示した図である。図１（ａ）は上面から見た図、図１（ｂ）は側面から見た図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view showing main components constituting the manipulator 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a view from the top, and FIG. 1B is a view from the side.

マニピュレータ１は、アーム部２と、回転角制御部３と、第１変位制御部４と、を備えている。 The manipulator 1 includes an arm unit 2, a rotation angle control unit 3, and a first displacement control unit 4.

アーム部２は、回転角制御部３に接続され、回転可能であると共に、屈曲可能な屈曲軸部２１と、屈曲軸部２１に接続され、第１変位制御部４から力を付与され、屈曲軸部２１が屈曲することにより移動する作用軸２２と、作用軸２２の先端に設置され、各種作業を行う作業部としてのグリッパ２３と、を有する。なお、作用軸２２の先端に設置されるものはグリッパ２３に限らず、他の構造のものでもよく、使用目的に応じて交換可能な構造とすると好ましい。 The arm unit 2 is connected to the rotation angle control unit 3, is rotatable, is connected to the bending shaft portion 21 that can be bent, and the bending shaft portion 21. The arm portion 2 is bent by receiving a force from the first displacement control unit 4. It has an action shaft 22 that moves when the shaft portion 21 is bent, and a gripper 23 that is installed at the tip of the action shaft 22 and performs various operations. In addition, what is installed in the front-end | tip of the action shaft 22 is not restricted to the gripper 23, A thing of another structure may be sufficient, and it is preferable when it is set as the structure which can be replaced | exchanged according to the intended purpose.

屈曲軸部２１は、柔軟で且つねじれ剛性が高い素材を選択するとよい。また、弾性体を用いてもよい。例えば、ばね用鋼材、形状記憶合金、繊維入り合成樹脂又は自在継手等が好ましい。作用軸２２は、他の部材と接触しながら回転するので、断面が円形で、表面が滑らかなものが好ましい。グリッパ２３は、従来から使用されている構造でよいが、作用軸方向に伸縮可能なものが望ましい。 The bending shaft portion 21 may be selected from a material that is flexible and has high torsional rigidity. An elastic body may be used. For example, a spring steel material, a shape memory alloy, a fiber-containing synthetic resin, a universal joint, or the like is preferable. Since the action shaft 22 rotates while being in contact with other members, it is preferable that the action shaft 22 has a circular cross section and a smooth surface. The gripper 23 may have a conventionally used structure, but it is desirable that the gripper 23 can be expanded and contracted in the action axis direction.

回転角制御部３は、回転駆動力を付与するサーボモータやステップモータ等の回転角付与手段としての回転角付与モータ３１と、回転角付与モータ３１の駆動力を出力する出力軸３１ａと、継手３２と、出力軸３１ａの出力した駆動力をアーム部２に伝達する回転軸３３と、回転軸３３を回転可能に支持する軸受３４と、を有する。 The rotation angle control unit 3 includes a rotation angle application motor 31 as a rotation angle application means such as a servo motor or a step motor that applies a rotation drive force, an output shaft 31a that outputs the drive force of the rotation angle application motor 31, and a joint. 32, a rotating shaft 33 that transmits the driving force output from the output shaft 31 a to the arm portion 2, and a bearing 34 that rotatably supports the rotating shaft 33.

なお、出力軸３１ａから回転軸３３へ駆動力を伝達する際に、減速器やリンク機構等の伝達機構を介して間接的に伝達してもよい。また、回転軸３３は、曲げ剛性の高いものが好ましい。 In addition, when transmitting a driving force from the output shaft 31a to the rotating shaft 33, you may transmit indirectly via transmission mechanisms, such as a speed reducer and a link mechanism. The rotating shaft 33 preferably has high bending rigidity.

第１変位制御部４は、駆動力を付与するサーボモータ、ステップモータ等の第１変位付与手段としての第１変位付与モータ４１と、第１変位付与モータ４１の駆動力を出力し、作用軸２２に対して垂直な方向に回転軸を持ち、作用軸２２に常に当接する第１出力部材としての第１カム４２と、作用軸２２を第１カム４２側に付勢する第１付勢手段としての第１予圧ばね４３と、を有する。 The first displacement control unit 4 outputs a first displacement applying motor 41 as a first displacement applying means such as a servo motor or a step motor for applying a driving force, and a driving force of the first displacement applying motor 41, and a working shaft A first cam 42 as a first output member that has a rotating shaft in a direction perpendicular to 22 and always contacts the working shaft 22, and a first biasing means that biases the working shaft 22 toward the first cam 42. As a first preload spring 43.

次に、第１実施形態のマニピュレータ１の作動について説明する。まず、グリッパ２３を回転させる作動について説明する。グリッパ２３を回転させるには、回転角付与モータ３１を作動させればよい。回転角付与モータ３１を所望角度に作動させることにより、出力軸３１ａ、継手３２、回転軸３３、屈曲軸部２１及び作用軸２２を介して、グリッパ２３が所望角度に回転する。 Next, the operation of the manipulator 1 of the first embodiment will be described. First, an operation for rotating the gripper 23 will be described. In order to rotate the gripper 23, the rotation angle giving motor 31 may be operated. By operating the rotation angle application motor 31 to a desired angle, the gripper 23 rotates to a desired angle via the output shaft 31a, the joint 32, the rotation shaft 33, the bending shaft portion 21, and the action shaft 22.

次に、グリッパ２３を変位させる作動について説明する。図２は、作用軸２２を変位させた状態を示す図である。グリッパ２３をＹ方向に変位させるには、第１変位付与モータ４１を作動し、第１カム４２を回転させる。第１カム４２が回転すると、第１カム４２と作用軸２２との接触点ＰがＹ方向に変位し、作用軸２２は屈曲軸部２１の屈曲点２１ａから傾斜し、グリッパ２３がＹ方向に変位する。作用軸２２の先端のグリッパ２３は、第１カム４２と作用軸２２との接触点Ｐの移動距離がてこ比Ｂ／Ａで拡大されて変位される。グリッパ２３の変位は、第１カム４２の曲線形状と回転角によって一義的に決定するので、第１カム４２の回転角を精密に制御することによりグリッパ２３の変位を精密に制御することができる。 Next, an operation for displacing the gripper 23 will be described. FIG. 2 is a diagram illustrating a state in which the action shaft 22 is displaced. In order to displace the gripper 23 in the Y direction, the first displacement applying motor 41 is operated to rotate the first cam 42. When the first cam 42 rotates, the contact point P between the first cam 42 and the action shaft 22 is displaced in the Y direction, the action shaft 22 is inclined from the bending point 21a of the bending shaft portion 21, and the gripper 23 is moved in the Y direction. Displace. The gripper 23 at the tip of the action shaft 22 is displaced with the movement distance of the contact point P between the first cam 42 and the action shaft 22 being enlarged by the lever ratio B / A. Since the displacement of the gripper 23 is uniquely determined by the curved shape and the rotation angle of the first cam 42, the displacement of the gripper 23 can be precisely controlled by precisely controlling the rotation angle of the first cam 42. .

グリッパ２３を図２に示すように変位させた状態で回転角付与モータ３１を作動させた場合、屈曲軸部２１は屈曲方向を変えずに回転することができるので、グリッパ２３は、変位した位置で回転することが可能である。すなわち、グリッパ２３の回転と変位は、干渉することなく独立して付与することが可能である。 When the rotation angle imparting motor 31 is operated with the gripper 23 displaced as shown in FIG. 2, the bending shaft portion 21 can rotate without changing the bending direction. It is possible to rotate with. That is, the rotation and displacement of the gripper 23 can be applied independently without interference.

図３及び図４は、作用軸２２のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。 3 and 4 are views showing a structure for restraining the displacement of the action shaft 22 in the X direction.

図３（ａ）は作用軸方向から見た図、図３（ｂ）は側面から見た図である。図３の構造は、第１カム４２の円周面一方側にフランジ４２ａを設け、円周面で作用軸２２と接触した状態で、他方側からサポートばね４４でフランジ４２ａ側に押し付けるものである。なお、第１予圧ばね４３を傾斜させて設置し、第１予圧ばね４３のみで作用軸２２を第１カム４２の円周面とフランジ４２ａ側との両方に押し付ける構造としてもよい。 3A is a view seen from the direction of the action axis, and FIG. 3B is a view seen from the side. In the structure of FIG. 3, a flange 42 a is provided on one side of the circumferential surface of the first cam 42, and pressed against the flange 42 a side by a support spring 44 from the other side in a state in which the circumferential surface is in contact with the action shaft 22. . Alternatively, the first preload spring 43 may be installed in an inclined state, and the action shaft 22 may be pressed against both the circumferential surface of the first cam 42 and the flange 42a only by the first preload spring 43.

図４（ａ）は作用軸方向から見た図、図４（ｂ）は側面から見た図である。図４の構造は、第１カム４２の円周面に溝４２ｂを設け、作用軸２２を断面円弧状の溝４２ｂ内に配置し、第１予圧ばね４３で作用軸２２を第１カム４２の円周面に押し付ける構造としたものである。図５に示すように、溝４２ｂの形状は、断面がＶ字状の形状としてもよい。 4A is a view seen from the direction of the action axis, and FIG. 4B is a view seen from the side. In the structure of FIG. 4, a groove 42 b is provided on the circumferential surface of the first cam 42, the action shaft 22 is disposed in the groove 42 b having an arcuate cross section, and the action shaft 22 is attached to the first cam 42 by a first preload spring 43. It is structured to be pressed against the circumferential surface. As shown in FIG. 5, the groove 42b may have a V-shaped cross section.

図６は、第１変位付与手段として第１直動アクチュエータ１４１を用いた構造を示す図である。第１直動アクチュエータ１４１は、作用軸２２に対してＸ方向から第１出力部材を介して当接し、Ｘ方向に変位するように配置することが好ましい。第１直動アクチュエータ１４１としては、電動マイクロメータヘッドや圧電アクチュエータを用いると好ましい。また、第１出力部材は、第１直動アクチュエータ１４１の一部であっても別体であってもよい。 FIG. 6 is a diagram showing a structure using the first linear actuator 141 as the first displacement applying means. The first linear actuator 141 is preferably disposed so as to abut against the action shaft 22 from the X direction via the first output member and be displaced in the X direction. As the first linear actuator 141, an electric micrometer head or a piezoelectric actuator is preferably used. The first output member may be a part of the first linear actuator 141 or may be a separate body.

次に、グリッパ２３を作用軸２２に直交する面内で移動可能とする実施形態について説明する。図７は本発明の第２実施形態に係るマニピュレータ１を構成する主要構成要素を示した図、図８は第１変位制御部４と第２変位制御部５を拡大した図である。 Next, an embodiment in which the gripper 23 is movable in a plane orthogonal to the action shaft 22 will be described. FIG. 7 is a view showing main components constituting the manipulator 1 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an enlarged view of the first displacement control unit 4 and the second displacement control unit 5.

図７（ａ）は上面から見た図、図７（ｂ）は側面から見た図である。図７に示すように、第２実施形態に係るマニピュレータ１は、第１実施形態に第２変位制御部５を付加した構造としたものである。 FIG. 7A is a view from the top, and FIG. 7B is a view from the side. As shown in FIG. 7, the manipulator 1 according to the second embodiment has a structure in which a second displacement control unit 5 is added to the first embodiment.

第２変位制御部５は、第１変位制御部４と同様に、駆動力を付与するサーボモータ、ステップモータ等の第２変位付与手段としての第２変位付与モータ５１と、第２変位付与モータ５１の駆動力を出力し、作用軸２２に対して垂直な方向に回転軸を持ち、作用軸２２に当接する第２出力部材としての第２カム５２と、作用軸２２を第２カム５２側に付勢する第２付勢手段としての第２予圧ばね５３と、を有する。 Similar to the first displacement control unit 4, the second displacement control unit 5 includes a second displacement applying motor 51 as a second displacement applying unit such as a servo motor or a step motor for applying a driving force, and a second displacement applying motor. The second cam 52 as a second output member that outputs a driving force 51 and has a rotation axis in a direction perpendicular to the action shaft 22 and abuts on the action shaft 22, and the action shaft 22 on the second cam 52 side. And a second preload spring 53 as a second urging means for urging the power.

その他の構造については第１実施形態と同様なので、説明は省略する。 Since other structures are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

次に、第２実施形態のマニピュレータ１の作動について説明する。まず、グリッパ２３を回転させる作動について説明する。グリッパ２３を回転させるには、回転角付与モータ３１を作動させればよい。回転角付与モータ３１を所望角度に作動させることにより、出力軸３１ａ、継手３２、回転軸３３、屈曲軸部２１及び作用軸２２を介して、グリッパ２３が所望角度に回転する。 Next, the operation of the manipulator 1 of the second embodiment will be described. First, an operation for rotating the gripper 23 will be described. In order to rotate the gripper 23, the rotation angle giving motor 31 may be operated. By operating the rotation angle application motor 31 to a desired angle, the gripper 23 rotates to a desired angle via the output shaft 31a, the joint 32, the rotation shaft 33, the bending shaft portion 21, and the action shaft 22.

次に、グリッパ２３を変位させる作動について説明する。グリッパ２３をＹ方向に変位させるには、第１変位付与モータ４１を作動し、第１カム４２を回転させる。第１カム４２が回転すると、第１カム４２と作用軸２２との第１接触点ＰがＹ方向に変位し、作用軸２２が屈曲軸部２１の屈曲点２１ａから傾斜し、グリッパ２３がＹ方向に変位する。グリッパ２３をＸ方向に変位させるには、第２変位付与モータ５１を作動し、第２カム５２を回転させる。第２カム５２が回転すると、第２カム５２と作用軸２２との第２接触点ＱがＸ方向に変位し、作用軸２２は屈曲軸部２１の屈曲点２１ａから傾斜し、グリッパ２３がＸ方向に変位する。また、グリッパ２３をＸＹ面内で変位させるには、Ｘ方向の変位とＹ方向の変位を同時に行えばよい。 Next, an operation for displacing the gripper 23 will be described. In order to displace the gripper 23 in the Y direction, the first displacement applying motor 41 is operated to rotate the first cam 42. When the first cam 42 rotates, the first contact point P between the first cam 42 and the action shaft 22 is displaced in the Y direction, the action shaft 22 is inclined from the bending point 21a of the bending shaft portion 21, and the gripper 23 is Displace in the direction. In order to displace the gripper 23 in the X direction, the second displacement applying motor 51 is operated to rotate the second cam 52. When the second cam 52 rotates, the second contact point Q between the second cam 52 and the action shaft 22 is displaced in the X direction, the action shaft 22 is inclined from the bending point 21a of the bending shaft portion 21, and the gripper 23 is X Displace in the direction. Further, in order to displace the gripper 23 in the XY plane, the displacement in the X direction and the displacement in the Y direction may be performed simultaneously.

グリッパ２３の変位は、第１カム４２及び第２カム５２の曲線形状と回転角によって一義的に決定するので、第１カム４２及び第２カム５２の回転角を精密に制御することによりグリッパ２３の変位を精密に制御することができる。 Since the displacement of the gripper 23 is uniquely determined by the curved shape and the rotation angle of the first cam 42 and the second cam 52, the gripper 23 is controlled by precisely controlling the rotation angle of the first cam 42 and the second cam 52. Can be controlled precisely.

グリッパ２３を変位させた状態で回転角付与モータ３１を作動させた場合、屈曲軸部２１は屈曲方向を変えずに回転することができるので、グリッパ２３は、変位した位置で回転することが可能である。すなわち、グリッパ２３の回転と変位は、干渉することなく独立して付与することが可能である。 When the rotation angle giving motor 31 is operated with the gripper 23 displaced, the bending shaft portion 21 can rotate without changing the bending direction, so that the gripper 23 can rotate at the displaced position. It is. That is, the rotation and displacement of the gripper 23 can be applied independently without interference.

本実施形態では、第１予圧ばね４３が第１カム４２の円周面に作用軸２２を押し付け、第２予圧ばね５３が第２カム５２の円周面に作用軸２２を押し付ける構造により、作用軸２２は、ぶれることなく、所望の変位に移動することができる。なお、図９に示すように、第１予圧ばね４３又は第２予圧ばね５３を傾斜させて設置し、第１予圧ばね４３又は第２予圧ばね５３のどちらか一つのみで作用軸２２を第１カム４２及び第２カム５２の円周面の両方に押し付ける構造としてもよい。また、第１予圧ばね４３及び第２予圧ばね５３を設置せず、別の予圧ばねをいずれかの位置に設置する構造としてもよい。 In the present embodiment, the first preload spring 43 presses the action shaft 22 against the circumferential surface of the first cam 42, and the second preload spring 53 presses the action shaft 22 against the circumferential surface of the second cam 52. The shaft 22 can be moved to a desired displacement without shaking. As shown in FIG. 9, the first preload spring 43 or the second preload spring 53 is inclined and installed, and only one of the first preload spring 43 or the second preload spring 53 is used to move the working shaft 22 to the first position. It is good also as a structure pressed against both the surrounding surfaces of the 1 cam 42 and the 2nd cam 52. FIG. Further, the first preload spring 43 and the second preload spring 53 may not be installed, and another preload spring may be installed at any position.

図１０は、第１変位付与手段及び第２変位付与手段として第１直動アクチュエータ１４１及び第２直動アクチュエータ１５１を用いた構造を示す図である。図１０（ａ）は上面から見た図、図１０（ｂ）は作用軸方向から見た第１直動アクチュエータ１４１及び第２直動アクチュエータ１５１付近の拡大図である。 FIG. 10 is a diagram showing a structure using the first linear actuator 141 and the second linear actuator 151 as the first displacement applying unit and the second displacement applying unit. FIG. 10A is a view as seen from above, and FIG. 10B is an enlarged view of the vicinity of the first linear motion actuator 141 and the second linear motion actuator 151 as seen from the direction of the action axis.

第１直動アクチュエータ１４１は、作用軸２２に対してそれぞれ垂直なＸ方向から第１出力部材を介して当接し、Ｘ方向に変位し、第２直動アクチュエータ１５１は、作用軸２２に対してそれぞれ垂直なＹ方向から第２出力部材を介して当接し、Ｙ方向に変位するように配置することが好ましい。第１直動アクチュエータ１４１及び第２直動アクチュエータ１５１としては、電動マイクロメータヘッドや圧電アクチュエータを用いると好ましい。また、第１出力部材は、第１直動アクチュエータ１４１の一部であっても別体であってもよく、第２出力部材は、第２直動アクチュエータ１５１の一部であっても別体であってもよい。 The first linear actuator 141 abuts the action shaft 22 from the X direction perpendicular to the action shaft 22 via the first output member, and is displaced in the X direction. It is preferable that they are arranged so as to contact each other through the second output member from the vertical Y direction and be displaced in the Y direction. As the first linear actuator 141 and the second linear actuator 151, it is preferable to use an electric micrometer head or a piezoelectric actuator. Further, the first output member may be a part of the first linear actuator 141 or a separate body, and the second output member may be a part of the second linear actuator 151 or a separate body. It may be.

本実施形態のマニピュレータによれば、微小範囲での高分解能多自由度の変位を発生させることが可能となる。また、各自由度ごとの案内機構をもたず、シンプルな構成のためコンパクト化と低価格化が可能となる。さらに、各自由度の発生変位を正確に制御することができる。 According to the manipulator of the present embodiment, it is possible to generate a high resolution multi-degree-of-freedom displacement in a minute range. In addition, there is no guide mechanism for each degree of freedom, and the simple structure enables compactness and low cost. Furthermore, the generated displacement of each degree of freedom can be accurately controlled.

微小な機構部品又は電子部品の組み立て、生体操作用マニピュレータ、精密顕微鏡観察用位置制御、精密測定用位置制御若しくは微小加工用工具の位置制御等に用いることが可能であり、微小範囲での高分解能多自由度の変位を発生させることができ、シンプルな構成のためコンパクト化と低価格化が可能となり、各自由度の発生変位を正確に制御することができる。 It can be used for assembly of minute mechanism parts or electronic parts, biological manipulators, position control for precision microscope observation, position control for precision measurement, or position control of tools for micromachining, etc., and high resolution in a minute range It is possible to generate multi-degree-of-freedom displacement, and it is possible to reduce the size and price because of a simple configuration, and it is possible to accurately control the generated displacement of each degree of freedom.

第１実施形態に係るマニピュレータを示した図である。It is the figure which showed the manipulator which concerns on 1st Embodiment. 作用軸を変位させた状態を示す図である。It is a figure which shows the state which displaced the action shaft. 作用軸のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。It is a figure which shows the structure which restrains the displacement of the X direction of an action shaft. 作用軸のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。It is a figure which shows the structure which restrains the displacement of the X direction of an action shaft. 作用軸のＸ方向の変位を拘束する構造を示す図である。It is a figure which shows the structure which restrains the displacement of the X direction of an action shaft. 直動アクチュエータを用いた構造を示す図である。It is a figure which shows the structure using a linear motion actuator. 第２実施形態に係るマニピュレータを示した図である。It is the figure which showed the manipulator which concerns on 2nd Embodiment. 第１変位制御部と第２変位制御部を拡大した図である。It is the figure which expanded the 1st displacement control part and the 2nd displacement control part. 第１変位制御部と第２変位制御部を拡大した図である。It is the figure which expanded the 1st displacement control part and the 2nd displacement control part. 第１直動アクチュエータ及び第２直動アクチュエータを用いた構造を示す図である。It is a figure which shows the structure using the 1st linear motion actuator and the 2nd linear motion actuator.

符号の説明Explanation of symbols

１…マニピュレータ、２…アーム部、２１…屈曲軸部、２２…作用軸、２３…グリッパ（作業部）、３…回転角制御部、３１…回転角付与モータ（回転角付与手段）、３１ａ…出力軸、３２…継手、３３…回転軸、３４…軸受、４…第１変位制御部、４１…第１変位付与モータ（第１変位付与手段）、４２…第１カム（第１出力部材）、４３…第１予圧ばね（第１付勢手段）、４４…サポートばね、５…第２変位制御部、５１…第２変位付与モータ（第２変位付与手段）、５２…第２カム（第２出力部材）、５３…第２予圧ばね（第２付勢手段）、１４１…第１直動アクチュエータ（第１変位付与手段）、１５１…第２直動アクチュエータ（第２変位付与手段） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Manipulator, 2 ... Arm part, 21 ... Bending shaft part, 22 ... Action axis, 23 ... Gripper (working part), 3 ... Rotation angle control part, 31 ... Rotation angle provision motor (rotation angle provision means), 31a ... Output shaft 32... Joint 33. Rotating shaft 34. Bearing 4. First displacement control unit 41. First displacement applying motor (first displacement applying means) 42. First cam (first output member) 43 ... first preload spring (first biasing means), 44 ... support spring, 5 ... second displacement control unit, 51 ... second displacement imparting motor (second displacement imparting means), 52 ... second cam (second 2 output members), 53 ... second preload spring (second biasing means), 141 ... first linear motion actuator (first displacement applying means), 151 ... second linear motion actuator (second displacement applying means)

Claims

作業を行うアーム部と、前記アーム部の回転角を制御する回転角制御部と、前記アーム部の変位を制御する変位制御部と、を備えたマニピュレータにおいて、
前記回転角制御部は、回転駆動力を付与する回転角付与手段を有し、
前記アーム部は、前記回転角付与手段に接続され、回転可能であると共に、屈曲可能な屈曲軸部と、前記屈曲軸部に接続され、前記屈曲軸部が屈曲することにより移動する作用軸と、前記作用軸の先端に設置され、各種作業を行う作業部と、を有し、
前記変位制御部は、前記作用軸に力を付与する変位付与手段と、前記変位付与手段の駆動力を伝達し、前記作用軸に常に当接する出力部材と、を有する
ことを特徴するマニピュレータ。 In a manipulator comprising: an arm unit that performs work; a rotation angle control unit that controls a rotation angle of the arm unit; and a displacement control unit that controls the displacement of the arm unit.
The rotation angle control unit has a rotation angle applying means for applying a rotation driving force,
The arm portion is connected to the rotation angle providing means and is rotatable and bendable, and a bending shaft portion that is bendable, and an action shaft that is connected to the bending shaft portion and moves when the bending shaft portion is bent. And a working unit that is installed at the tip of the working shaft and performs various operations,
The displacement control unit includes: a displacement applying unit that applies a force to the action shaft; and an output member that transmits a driving force of the displacement applying unit and always contacts the action shaft.

前記変位制御部は、前記出力部材を前記作用軸に常に当接させる付勢力を付与する付勢手段を有することを特徴する請求項１に記載のマニピュレータ。 2. The manipulator according to claim 1, wherein the displacement control unit includes an urging unit that applies an urging force that always causes the output member to abut against the action shaft. 3.

前記変位付与手段は、回転駆動モータからなり、前記出力部材は、前記作用軸に対して垂直な方向に回転軸を持つカムからなることを特徴する請求項１又は請求項２に記載のマニピュレータ。 3. The manipulator according to claim 1, wherein the displacement applying unit includes a rotation drive motor, and the output member includes a cam having a rotation axis in a direction perpendicular to the operation axis.

前記カムは、前記作用軸に当接する外周面に溝を有することを特徴する請求項３に記載のマニピュレータ。 The manipulator according to claim 3, wherein the cam has a groove on an outer peripheral surface that abuts on the action shaft.

前記カムは、前記作用軸に当接する外周面にフランジを有することを特徴する請求項３に記載のマニピュレータ。 The manipulator according to claim 3, wherein the cam has a flange on an outer peripheral surface in contact with the action shaft.

前記変位制御部は、前記作用軸が前記フランジに常に当接するように付勢力を付与するサポートばねを有することを特徴する請求項５に記載のマニピュレータ。 The manipulator according to claim 5, wherein the displacement control unit includes a support spring that applies a biasing force so that the working shaft always abuts on the flange.

前記変位付与手段は、直動アクチュエータからなることを特徴する請求項１又は請求項２に記載のマニピュレータ。 The manipulator according to claim 1, wherein the displacement imparting unit includes a linear motion actuator.

前記変位制御部は、第１変位制御部と、前記作用軸に対して前記第１変位制御部と垂直な方向に力を付与する第２変位制御部とを有することを特徴する請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のマニピュレータ。 The said displacement control part has a 1st displacement control part and a 2nd displacement control part which provides force to the direction perpendicular | vertical to the said 1st displacement control part with respect to the said action axis. The manipulator according to claim 7.