WO2006103749A1 - マイクロマニピュレータ - Google Patents

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WO2006103749A1
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links
point
gripping
micromanipulator
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PCT/JP2005/005973
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tetsunori Otaguro
Original Assignee
Hirata Corporation
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J7/00—Micromanipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0258—Two-dimensional joints
    • B25J17/0266—Two-dimensional joints comprising more than two actuating or connecting rods

Definitions

  • the present invention relates to a micromanipulator, and more particularly to a micromanipulator that has a simple structure and can grip and operate a fine object in a three-dimensional space accurately and reliably.
  • the rotational force of a motor is used as a gear reduction mechanism. It is converted to mechanical force via a feed screw mechanism, etc., and this mechanical force displaces the manipulator's gripper 'operation part to grip a fine object, which changes the predetermined position and posture. It is common to operate to keep.
  • the displacement operation of the manipulator's gripper operation unit detects the current position and orientation of the fine object with a position sensor, angle sensor, etc., and controls the rotation of the motor while feeding it back to the motor. It is done by
  • Patent Documents 1 to 3 By directly converting electrical force into mechanical force without using such a complicated mechanism that converts electrical force into mechanical force, precise position and posture control of fine objects is achieved.
  • Various micromanipulators that use a telescopic actuator such as a piezoelectric element have been proposed (Patent Documents 1 to 3).
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 2677625
  • Patent Document 2 JP-A-6-170762
  • Patent Document 3 Japanese Patent Publication No. 6-104308
  • the devices described in Patent Documents 1 and 2 are stopped by a positioning device having a degree of freedom in one axial direction, and the device described in Patent Document 3 is a multidimensional space.
  • the six links and the three springs that are used to control the position and attitude of a minute object within the body first the position and attitude of an end effector consisting of a hand piece attached to the base is controlled.
  • the position of the hand piece is controlled in position and posture, and the gripping operation unit provided at the tip of the hand piece grips the fine object and is operated so as to maintain the predetermined position and posture.
  • the mechanism and structure are still complex.
  • the invention of the present application solves the above-mentioned problems of conventional micromanipulators, has a simple structure, and can accurately control the position and orientation of a fine object in a multidimensional space. It is an object to provide a manipulator.
  • the micromanipulator is composed of a pair of hand modules that grips and manipulates a fine object, and each of the pair of hand modules has a first, second, and third link force.
  • the first, second, and third links are located at one point X above the base part with the three points A, B, and C of the base part as the starting points of swinging. Are connected to each other so that they can be displaced relative to each other, and the first link extends beyond the point X and has a grip 'operation portion, and each of the second link and the third link includes: There is at least one expansion / contraction actuator in the middle, and the expansion / contraction of each expansion / contraction actuator expands / contracts the second link and the third link, respectively.
  • Point X The corresponding part is moved around a predetermined range of the surface of the sphere with the origin A as the center of the sphere so that the gripping operation unit is displaced to a predetermined position in the three-dimensional space.
  • a micrometer characterized by It is a pilot.
  • the second and third telescopic actuators respectively provided in the second and third links of the pair of hand modules are expanded and contracted.
  • Each part of the link expands and contracts, and the part corresponding to the point X of the first link moves around a predetermined range on the surface of the sphere with the origin A as the center of the sphere. It is possible to perform a displacement operation to a predetermined position in the space, thereby gripping a fine object at a predetermined position in the three-dimensional space, This can be operated to maintain a predetermined position and posture. Therefore, with a relatively simple structure, a fine object at a predetermined position in the three-dimensional space can be freely gripped and manipulated in the same space.
  • the micromanipulator has at least one extendable actuator between the portion corresponding to the first link force point X and the gripping operation portion. Speak.
  • the micromanipulator expands and contracts the extendable actuator provided in the first link, whereby the first link expands and contracts, and the gripping operation portion at the tip thereof is moved to the first link.
  • the link can be positioned at a desired position in the length direction of one link, and a more flexible gripping operation in the same space of a fine object at a predetermined position in the three-dimensional space becomes possible.
  • the expansion / contraction actuator is configured to also have a piezoelectric element force.
  • the micromanipulator can directly relate the amount of electricity input to the piezoelectric element to the amount of expansion / contraction of the first to third links, and accurately adjust the amount of electricity input to the piezoelectric element.
  • the amount of expansion and contraction of the first to third links it is possible to precisely control the positional displacement of the pair of gripping operation units, and the control of the force is relatively simple.
  • the precise positioning of each of the pair of gripping “operating portions” is facilitated, and free and precise gripping “operation” of a fine object in a three-dimensional space becomes possible.
  • a pair of hand modules By extending / contracting the expansion / contraction actuators of the first to third links of the module, the first to third links are expanded / contracted, and a pair of gripping / operating portions of the pair of hand modules are provided.
  • a fine object at a predetermined position in the three-dimensional space can be gripped and operated so as to maintain the predetermined position and posture.
  • the minute object is positioned at the predetermined position in the three-dimensional space. Free gripping and manipulation of a minute object in the same space.
  • the micromanipulator directly converts the electric quantity input to the piezoelectric element into the expansion / contraction amount of the first to third links.
  • the amount of electricity input to the piezo piezoelectric element By precisely controlling the amount of electricity input to the piezo piezoelectric element, the amount of expansion and contraction of the first to third links, and the positional displacement of the pair of gripping operation units can be precisely controlled. Since the control of the force is relatively simple, precise positioning of each of the pair of gripping operation units is facilitated, and the fine object can be freely controlled in the three-dimensional space. Precise gripping 'operation becomes possible.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a hand module constituting a micromanipulator of a first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic perspective schematic view of the micromanipulator comprising a pair of combinations of the hand modules.
  • a pair of hand modules each of the pair of hand modules includes a three-degree-of-freedom link mechanism including first, second, and third link forces I have. These first, second, and third links are relative to each other at one point X above the base, with the three points A, B, and C of the base as the starting points. Connected as possible.
  • the first link has a gripping / operating portion extending ahead of the point X, and has at least one extendable / activator between the portion corresponding to the point X and the gripping / operating portion. is doing.
  • Each of the second link and the third link has at least one telescopic actuator in the middle thereof.
  • each telescopic actuator expands and contracts, so that the first to third links expand and contract, respectively, thereby positioning the gripping operation portion at a desired position in the length direction of the first link,
  • the part corresponding to the point X of the first link moves from the starting point A to the center of the sphere, moves within a predetermined range of the surface of the sphere, and the gripping operation unit moves to a predetermined position in the three-dimensional space.
  • the telescopic actuator is supposed to have a piezoelectric element force.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a hand module constituting the micromanipulator of the first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of the micromanipulator comprising a combination of the hand modules.
  • the micromanipulator 10 is used to hold and position a fine object, for example, a cell, and to operate the micromanipulator 10 so that it takes a predetermined posture. In this way, for the cells whose position and orientation are determined, various operations such as gene incorporation, reaction with reagents, and cutting are performed.
  • the micromanipulator 10 of the first embodiment is configured by using a hand module 1 force as shown in Fig. 1 and being used in a pair-to-face combination as shown in Fig. 2. .
  • each hand module 1 is provided with a three-degree-of-freedom link mechanism including three links 1, 2, and 4, which are first, second, and third.
  • the third links 2, 3, and 4 have three points A, B, and C set on the surface of the base part 6 as their respective swing starting points. They are connected to each other so that they can be displaced relative to each other! ZBAC is 90 ° here.
  • connection to the base 6 at the three points A, B, C at one end of the first, second, third link 2, 3, 4 may be a pivot connection, or the second, As shown in FIG. 1, the third links 3 and 4 are tiltably locked to connecting members 8b and 8c that are rotatable on the base portion 6. It may be. Further, as shown in FIG. 1, the end of the first link 2 is fixed to the base portion 6, and the first link 2 is utilized by utilizing the elastic deformation of the constricted portion (hinge) in the vicinity of the end portion. The link 2 may be tiltable.
  • the links 3 and 4 As for the second and third links 3 and 4, as in the first link 2, their end portions are fixed to the base portion 6, and the elasticities of the constricted portions (hinges) in the vicinity of these end portions are fixed. Using the deformation, the links 3 and 4 may be tiltable.
  • the relative displaceable interconnection at the point X of the first, second, and third links 2, 3, and 4 has two engagements formed at a portion corresponding to the point X of the first link 2. Force that the other ends of the second and third links 3 and 4 are connected to the stop projections 9b and 9c by pivot connection, force that is connected by a universal joint, or connection by a constricted part (hinge) Can be made to be done.
  • the first link 2 extends ahead of the point X, and has a gripping / operating unit 7 at the tip thereof.
  • the telescopic actuator 5a is provided between the portion corresponding to the point X of the first link 2 and the gripping / operating section 7, and the first link 2 is expanded and contracted by the expansion and contraction of the telescopic actuator 5a.
  • the gripping / operating unit 7 is positioned at a desired position in the length direction of the first link 2.
  • the number of extendable actuators 5a is not limited to one, and may be plural as required.
  • Each of the second link 3 and the third link 4 has expansion / contraction actuators 5b and 5c in the middle thereof, and the expansion / contraction actuators 5b and 5c extend and contract.
  • the second link 3 and the third link 4 expand and contract, respectively, so that the portion corresponding to the point X of the first link 2 has a predetermined surface of the sphere with the origin A as the center of the sphere.
  • the gripping / operating section 7 moves in a predetermined range on the surface S of the concentric expanding sphere and moves to a predetermined position in the three-dimensional space.
  • the number of extendable actuators 5b and 5c is not limited to one, and may be plural if necessary.
  • the expansion / contraction actuators 5a, 5b, and 5c are also configured to have a piezoelectric element force.
  • a stack actuator unit that is formed by alternately stacking piezoelectric elements and electrodes in a plurality of stages is also used. It is configured. Then, this is used in such a manner that its stacking direction is along the length direction of each link and is incorporated at a predetermined position in the length direction of each link.
  • the micromanipulator 10 of the first embodiment is configured by using a pair of the hand modules 1 described above in combination on the base portion 6 so as to face each other. As shown in FIG.
  • a line segment A—C connecting the swing start points A and C of one hand module 1 of the pair of hand modules 1 and 1 and the other hand module. 1 may be combined in such a way that the line segment A—B connecting the swing start points A and B is opposed to each other on the six surfaces of the base, or one hand module as shown in FIG.
  • the swing starting point A of 1 and the swing starting point A of the other hand module 1 may be combined as such that they face each other on the base 6 surface.
  • a predetermined control current is supplied to the telescopic actuators 5a and 5a incorporated in the first links 2 and 2 of the pair of hand modules 1 and 1, so that the first links 2 and 2 expand and contract to a predetermined length.
  • the gripping / operating portions 7 and 7 provided at the tip portions thereof are positioned at desired positions in the length direction of the first links 2 and 2.
  • predetermined control currents are supplied to the expansion / contraction actuators 5b and 5b incorporated in the second links 3 and 3 and the expansion and contraction actuators 5c and 5c incorporated in the third links 4 and 4, respectively.
  • the second link 3, 3, and the third link 4, 4 expand and contract to a predetermined length, so that the parts corresponding to the points X, X of the first link 2, 2 are A predetermined range of the surface of the sphere is moved as the center, and the first links 2 and 2 are oscillated and displaced so as to face the predetermined direction.
  • the gripping operation units 7 and 7 move within a predetermined range of the concentric expanding sphere surfaces S and S and move to a predetermined position in the three-dimensional space, and these approach each other. Grab the fine object O.
  • the fine object O gripped by the pair of gripping operation units 7 and 7 in this way is further subjected to predetermined control individually for the six extendable actuators 5a, 5a, 5b, 5b, 5c, and 5c.
  • it By flowing an electric current, it can be translated or rotated to be positioned at a desired position in the three-dimensional space and controlled to take a desired posture at that position. Control of the current flowing through each telescopic actuator can be performed relatively easily.
  • the first to third links 2, 1 and 3 can be expanded and contracted by expanding and contracting the telescopic actuators 5a, 5b, and 5c of the first to third links 2, 3, and 4 of the pair of hand modules 1 and 1, respectively.
  • Each of 3 and 4 expands and contracts to position its gripping portion 7 at a desired position in the longitudinal direction of the first link 2, and a partial force starting point corresponding to the point X of the first link 2.
  • A as the center of the sphere, a predetermined range of the surface of the sphere can be moved so that the gripping / operating unit 7 can be displaced to a predetermined position in the three-dimensional space.
  • a pair of gripping units 7 and 7 of the hand modules 1 and 1 can be operated so as to grip a fine object O at a predetermined position in a three-dimensional space and maintain the predetermined position and posture. it can. Therefore, a relatively simple structure enables free gripping and manipulation of the fine object O at a predetermined position in the three-dimensional space in the same space.
  • the expansion / contraction actuators 5a, 5b, and 5c have a piezoelectric element force
  • the amount of electricity input to the piezoelectric element can be expanded and contracted by the first to third links 2, 3, and 4.
  • the amount of expansion and contraction of the first to third links 2, 3, and 4 can be directly controlled by precisely controlling the amount of electricity input to the piezoelectric element.
  • the position displacement of the operation units 7 and 7 can be precisely controlled, and the force is relatively easy to control. Therefore, the precise position setting of each of the pair of gripping operation units 7 and 7 is easy. Thus, it is possible to freely and precisely hold the fine object O in the three-dimensional space.
  • the ZBAC is set to 90 °
  • the structure of the micromanipulator 10 is further simplified, and calculation for precisely controlling the positional displacement of the pair of gripping operation sections 7 and 7 is easy. become.
  • expansion / contraction actuators 5a, 5b, and 5c various expansion / contraction actuators such as an electrostatic activation apparatus and an electromagnetic activation apparatus can be used in addition to the piezoelectric element.
  • any one of the pair of hand modules 1 and 1 may not include the extendable actuator 5a incorporated in the first link 2.
  • ZBAC can be at angles other than 90 °.

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Abstract

【課題】　構造が簡単で、微細物体を多次元空間内で精密に位置・姿勢制御することが可能なマイクロマニピュレータを提供する。 【解決手段】　マイクロマニピュレータ１０が、一対のハンドモジュール１、１から成る。各ハンドモジュール１は、第１～第３のリンク２～４から成る３自由度リンク機構を備えている。リンク２～４は、ベース部の３点Ａ～Ｃをそれぞれの揺動起点として、ベース部上方の１点Ｘにおいて互いに相対変位可能に連結されている。第１のリンク２は、点Ｘよりも先方に伸びて把持・操作部７を有し、第２、第３のリンク３、４の各々は、その中途部にピエゾ圧電素子から成る伸縮アクチュエータ５ｂ、５ｃを有し、これらの伸縮アクチュエータが伸縮することにより、第２、第３のリンク３、４がそれぞれ伸縮して、把持・操作部７が３次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされている。                                

Description

明 細 書
マイクロマニピュレータ 技術分野
[0001] 本願の発明は、マイクロマニピュレータに関し、特に構造が簡単で、微細物体を 3次 元空間内で正確、確実に把持'操作することが可能なマイクロマニピュレータに関す る。
背景技術
[0002] 数 μ mから数百 μ mまでのようなオーダーの大きさの微細物体（ワーク）を正確、確 実に把持することは、容易ではない。微細物体の寸法に合わせて、把持部を製作し 、これを微細物体の位置、姿勢に合わせて精密にセッティングし、外部環境を整えな がら、これを正確、確実に把持することが容易でないからである。
[0003] 従来、このようなオーダーの大きさの微細物体を把持して、位置決め、加工、反応 等の各種作業を行わせるために使用されるマイクロマニピュレータとしては、モータの 回転力を歯車減速機構や送りねじ機構等を介して機械的な力に変換し、この機械的 な力により、マニピュレータの把持'操作部を変位動作させて、微細物体を把持し、こ れが所定の位置、姿勢を保つように操作するやり方が一般的である。この場合にお いて、マニピュレータの把持'操作部の変位動作は、微細物体の現在位置、姿勢を 位置センサ、角度センサ等により検出して、これをモータにフィードバックしながら、モ ータを回転制御することによって行われて 、る。
[0004] し力しながら、このようなやり方では、電気力を機械的な力に変換する機構やフィー ドバック制御系に高い精度のものが求められ、その機構が非常に複雑になり、その調 整制御に相当な熟練と時間とを必要とする。
[0005] このような、電気力を機械的な力に変換する複雑な機構を用いずに、電気力を機 械的な力に直接変換することにより、微細物体の精密な位置 ·姿勢制御を応答性良 く行うことを可能にするマイクロマニピュレータとして、圧電素子のような伸縮ァクチュ エータを用いたものが種々提案されて ヽる（特許文献 1〜3)。
特許文献 1：特許第 2677625号公報 特許文献 2：特開平 6 - 170762号公報
特許文献 3：特公平 6 - 104308号公報
[0006] し力しながら、特許文献 1及び 2に記載のものは、 1軸方向に自由度を持った位置 決め装置に止まっており、また、特許文献 3に記載のものは、多次元空間内で微細 物体を位置'姿勢制御するものではある力 6本のリンクと 3本のスプリングとを用いて 、先ず、基体上に手先片を取り付けて成るエンドエフヱクタと呼ばれるものを位置 '姿 勢制御し、これにより、手先片を位置'姿勢制御して、手先片の先端に設けられた把 持'操作部が微細物体を把持し、これが所定の位置、姿勢を保つように操作するよう にしており、機構、構造がなお複雑である。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 本願の発明は、従来のマイクロマニピュレータが有する前記のような問題点を解決 して、構造が簡単で、微細物体を多次元空間内で精密に位置'姿勢制御することが 可能なマイクロマニピュレータを提供することを課題とする。
課題を解決するための手段
[0008] 本願の発明によれば、前記のような課題は、次のようなマイクロマニピュレータにより 解決される。
すなわち、そのマイクロマニピュレータは、微細物体を把持'操作するマイクロマ- ピュレータが、一対のハンドモジュールから成り、前記一対のハンドモジュールの各 々は、第 1、第 2、第 3の 3本のリンク力 成る 3自由度リンク機構を備えており、前記第 1、第 2、第 3のリンクは、ベース部の 3点 A、 B、 Cをそれぞれの揺動起点として、ベー ス部上方の 1点 Xにおいて互いに相対変位可能に連結されており、前記第 1のリンク は、前記点 Xよりも先方に伸びて把持'操作部を有し、前記第 2のリンク及び前記第 3 のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも 1個の伸縮ァクチユエータを有し、前記 各伸縮ァクチユエータが伸縮することにより、前記第 2のリンク及び前記第 3のリンクが それぞれ伸縮し、これにより、前記第 1のリンクの前記点 Xに対応する部分が、前記起 点 Aを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、前記把持'操作部が 3次元 空間内の所定の位置に変位動作するようにされていることを特徴とするマイクロマ- ピユレータである。
[0009] そのマイクロマニピュレータは、前記のように構成されて 、るので、一対のハンドモ ジュールの各々の第 2及び第 3のリンクがそれぞれ有する伸縮ァクチユエータを伸縮 させることにより、これら第 2及び第 3のリンクがそれぞれ伸縮して、第 1のリンクの点 X に対応する部分が、起点 Aを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、把 持'操作部が 3次元空間内の所定の位置に変位動作するようにすることができ、これ により、一対のハンドモジュールの一対の把持'操作部力 3次元空間内の所定の位 置にある微細物体を把持して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することが できる。したがって、比較的簡単な構造により、 3次元空間内の所定の位置にある微 細物体の同空間内における自在な把持 ·操作が可能になる。
[0010] 好ましい実施形態によれば、そのマイクロマニピュレータにおいて、その第 1のリンク 力 点 Xに対応する部分と把持'操作部との間に、少なくとも 1個の伸縮ァクチユエ一 タを有するものとされて ヽる。
[0011] この構成により、そのマイクロマニピュレータは、その第 1のリンクが有する伸縮ァク チユエータを伸縮させることにより、該第 1のリンクが伸縮して、その先端にある把持' 操作部を該第 1のリンクの長さ方向所望の位置に位置決めすることができ、 3次元空 間内の所定の位置にある微細物体の同空間内におけるさらに自在な把持'操作が可 會 になる。
[0012] 別の好ましい実施形態によれば、そのマイクロマニピュレータにおいて、その伸縮 ァクチユエータが、ピエゾ圧電素子力も成るものとされて 、る。
[0013] この構成により、そのマイクロマニピュレータは、ピエゾ圧電素子に入力する電気量 を第 1ないし第 3のリンクの伸縮量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入 力す電気量を精密に制御することにより、第 1ないし第 3のリンクの伸縮量、牽いては 、一対の把持'操作部の位置変位を精密に制御することができ、し力も、その制御は 、比較的簡単であるので、一対の把持'操作部の各々の精密な位置設定が容易にな り、微細物体の 3次元空間内における自在で精密な把持'操作が可能になる。
発明の効果
[0014] 前記のとおり、本願の発明のマイクロマニピュレータによれば、一対のハンドモジュ ールの各々の第 1ないし第 3のリンクがそれぞれ有する伸縮ァクチユエータを伸縮さ せることにより、これら第 1ないし第 3のリンクがそれぞれ伸縮して、一対のハンドモジ ユールの一対の把持'操作部が、 3次元空間内の所定の位置にある微細物体を把持 して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することができ、比較的簡単な構造 により、 3次元空間内の所定の位置にある微細物体の同空間内における自在な把持 •操作が可能になる。
[0015] また、その伸縮ァクチユエータがピエゾ圧電素子力 成るものとされる場合には、そ のマイクロマニピュレータは、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を第 1ないし第 3のリ ンクの伸縮量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精 密に制御することにより、第 1ないし第 3のリンクの伸縮量、牽いては、一対の把持'操 作部の位置変位を精密に制御することができ、し力も、その制御は、比較的簡単であ るので、一対の把持'操作部の各々の精密な位置設定が容易になり、微細物体の 3 次元空間内における自在で精密な把持'操作が可能になる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本実施例 1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の概略斜視図 である。
[図 2]同ハンドモジュールの一対の組合せから成る同マイクロマニピュレータの概略 斜視模式図である。
符号の説明
[0017] 1· ··ノヽンドモジュール、 2· ··第 1のリンク、 3· ··第 2のリンク、 4· ··第 3のリンク、 5aゝ 5b 、 5c…伸縮ァクチユエータ、 6…ベース部、 7…把持'操作部、 8b、 8c…連結具、 9b 、 9c…係止突部、 10· ··マイクロマニピュレータ、 A、 B、 C…揺動起点、 O…微細物体 、 S…拡大球面、 X· ·· (連結）点。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 微細物体を把持'操作するマイクロマニピュレータ力 一対のハンドモジュールから 成り、該一対のハンドモジュールの各々は、第 1、第 2、第 3の 3本のリンク力 成る 3 自由度リンク機構を備えている。これら第 1、第 2、第 3のリンクは、ベース部の 3点 A、 B、 Cをそれぞれの揺動起点として、ベース部上方の 1点 Xにおいて互いに相対変位 可能に連結されている。第 1のリンクは、点 Xよりも先方に伸びて把持'操作部を有し 、該点 Xに対応する部分と該把持'操作部との間に、少なくとも 1個の伸縮ァクチユエ ータを有している。第 2のリンク及び第 3のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも 1個の伸縮ァクチユエータを有している。そして、各伸縮ァクチユエータが伸縮するこ とにより、第 1ないし第 3のリンクがそれぞれ伸縮して、これにより、把持'操作部が第 1 のリンクの長さ方向所望の位置に位置決めされるとともに、第 1のリンクの点 Xに対応 する部分が、起点 Aを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、把持'操作 部が 3次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされている。伸縮ァクチユエ一 タは、ピエゾ圧電素子力 成るものとされている。
実施例 1
[0019] 次に、本願の発明の一実施例（実施例 1)について説明する。
図 1は、本実施例 1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の概略斜 視図、図 2は、同ハンドモジュールの一対の組合せから成る同マイクロマニピュレータ の概略斜視図である。
[0020] 本実施例 1のマイクロマニピュレータ 10は、微細物体、例えば、細胞を把持して位 置決めし、さらに、これが所定の姿勢を取るように操作するために使用される。このよ うにして、位置及び姿勢が定められた細胞に対しては、これに遺伝子を組み込んだり 、試薬と反応させたり、切断したりする種々の作業が実行される。
[0021] 本実施例 1のマイクロマニピュレータ 10は、図 1に図示されるようなハンドモジユー ル 1力 図 2に示されるように、一対向かい合わせで組み合わせて用いられることによ り、構成されている。各ハンドモジュール 1は、図 1に図示されるように、第 1、第 2、第 3の 3本のリンク 2、 3、 4から成る 3自由度リンク機構を備えており、これら第 1、第 2、第 3のリンク 2、 3、 4は、ベース部 6の面上に設定された 3点 A、 B、 Cをそれぞれの揺動 起点として、ベース部 6上方の 1点 Xにお 、て互 、に相対変位可能に連結されて!、る 。 ZBACは、ここでは、 90° とされている。
[0022] 第 1、第 2、第 3のリンク 2、 3、 4の一端の 3点 A、 B、 Cにおけるベース部 6への連結 は、ピボット結合とされて良ぐあるいは又、第 2、第 3のリンク 3、 4については、図 1に 図示されるように、ベース部 6上で回転自在な連結具 8b、 8cに傾動自在に係止され るのであっても良い。さらに、第 1のリンク 2については、図 1に図示されるように、その 端部をベース部 6に固着し、その端部近傍の括れ部 (ヒンジ)の弾性変形を利用して 、第 1のリンク 2が傾動自在とされるのであっても良い。なお、第 2、第 3のリンク 3、 4に ついても、第 1のリンク 2と同様に、それらの端部をベース部 6に固着し、それらの端部 近傍の括れ部 (ヒンジ)の弾性変形を利用して、それらのリンク 3、 4が傾動自在とされ るのであっても良い。
[0023] 第 1、第 2、第 3のリンク 2、 3、 4の点 Xにおける相対変位可能な相互連結は、第 1の リンク 2の点 Xに対応する部分に形成された 2個の係止突部 9b、 9cに第 2、第 3のリン ク 3、 4の他端がピボット結合により連結される力、自在継手により連結される力、ある いは又、括れ部（ヒンジ）により連結されることによって行われるようにされることができ る。
[0024] 第 1のリンク 2は、点 Xよりも先方に伸びて、その先端に把持'操作部 7を有している 。また、第 1のリンク 2の点 Xに対応する部分と把持'操作部 7との間に伸縮ァクチユエ ータ 5aを有し、この伸縮ァクチユエータ 5aが伸縮することにより、第 1のリンク 2が伸縮 して、把持'操作部 7が第 1のリンク 2の長さ方向所望の位置に位置決めされるように なっている。伸縮ァクチユエータ 5aの個数は、 1個に限られず、必要に応じて複数個 とされても良い。
[0025] また、第 2のリンク 3及び第 3のリンク 4の各々は、その中途部に、伸縮ァクチユエ一 タ 5b、 5cを有しており、これらの各伸縮ァクチユエータ 5b、 5cが伸縮することにより、 第 2のリンク 3及び第 3のリンク 4がそれぞれ伸縮して、これにより、第 1のリンク 2の点 X に対応する部分が、起点 Aを球の中心として、該球の面の所定の範囲を移動し、これ に伴い、把持'操作部 7が、同心の拡大球の面 Sの所定の範囲を移動して、 3次元空 間内の所定の位置に変位動作するようになっている。伸縮ァクチユエータ 5b、 5cの 個数も、 1個に限られず、必要に応じて複数個とされても良い。
[0026] 伸縮ァクチユエータ 5a、 5b、 5cは、ピエゾ圧電素子力も成るものとされており、実際 には、ピエゾ圧電素子と電極とが交互に複数段に積層されて成るスタックァクチユエ 一タカも構成されている。そして、これが、その積層方向を各リンクの長さ方向に沿わ せ、各リンクの長さ方向所定の位置に組み込まれて用いられて 、る。 [0027] 本実施例 1のマイクロマニピュレータ 10は、以上に説明したハンドモジュール 1の一 対がベース部 6上で向かい合わせで組み合わせて用いられることにより、構成されて いる。組合せ方としては、図 1に図示されるように、これら一対のハンドモジュール 1、 1のうちの一方のハンドモジュール 1の揺動起点 A、 Cを結ぶ線分 A— Cと他方のハン ドモジュール 1の揺動起点 A、 Bを結ぶ線分 A— Bとがベース部 6面上で相対向する ような態様で組み合わせられても良いし、図 2に図示されるように、一方のハンドモジ ユール 1の揺動起点 Aと他方のハンドモジュール 1の揺動起点 Aとを各頂点として、こ れらがベース部 6面上で相対向するような態様で組み合わせられても良い。
[0028] 次に、本実施例 1のマイクロマニピュレータ 10の作用を説明する。
先ず、一対のハンドモジュール 1、 1の第 1のリンク 2、 2に組み込まれた伸縮ァクチ ユエータ 5a、 5aに所定の制御電流が流されて、第 1のリンク 2、 2が所定長に伸縮し、 それらの先端部に設けられた把持'操作部 7、 7が第 1のリンク 2、 2の長さ方向所望の 位置に位置決めされる。
[0029] 次いで、第 2のリンク 3、 3に組み込まれた伸縮ァクチユエータ 5b、 5b、第 3のリンク 4 、 4に組み込まれた伸縮ァクチユエータ 5c、 5cにそれぞれ所定の制御電流が流され て、第 2のリンク 3、 3、第 3のリンク 4、 4がそれぞれ所定長に伸縮し、これにより、第 1 のリンク 2、 2の点 X、 Xに対応する部分が、起点 A、 Aを球の中心として、該球の面の 所定の範囲を移動し、第 1のリンク 2、 2がそれぞれ所定方向を向くように揺動変位す る。これに伴い、把持'操作部 7、 7が、同心の拡大球の面 S、 Sの所定の範囲を移動 して、 3次元空間内の所定の位置に変位動作し、これらが互いに接近して、微細物体 Oを把持する。
[0030] このようにして一対の把持'操作部 7、 7に把持された微細物体 Oは、さらに、 6個の 伸縮ァクチユエータ 5a、 5a、 5b、 5b、 5c、 5cに個別にそれぞれ所定の制御電流が 流されることにより、並進したり、回転したりして、 3次元空間内の所望の位置に位置し 、その位置において所望の姿勢を取るように制御されることができる。各伸縮ァクチュ エータに流される電流の制御は、比較的簡単に行うことができる。
[0031] 本実施例 1のマイクロマニピュレータ 10は、前記のように構成されているので、次の ような効果を奏することができる。 一対のハンドモジュール 1、 1の各々の第 1ないし第 3のリンク 2、 3、 4がそれぞれ有 する伸縮ァクチユエータ 5a、 5b、 5cを伸縮させることにより、これら第 1ないし第 3のリ ンク 2、 3、 4がそれぞれ伸縮して、その把持'操作部 7を該第 1のリンク 2の長さ方向所 望の位置に位置決めするとともに、該第 1のリンク 2の点 Xに対応する部分力 起点 A を球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、把持'操作部 7が 3次元空間内 の所定の位置に変位動作するようにすることができ、これにより、一対のハンドモジュ ール 1、 1の一対の把持'操作部 7、 7が、 3次元空間内の所定の位置にある微細物体 Oを把持して、これが所定の位置、姿勢を保つように操作することができる。したがつ て、比較的簡単な構造により、 3次元空間内の所定の位置にある微細物体 Oの同空 間内における自在な把持 ·操作が可能になる。
[0032] また、その伸縮ァクチユエータ 5a、 5b、 5cが、ピエゾ圧電素子力 成るものとされて いるので、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を第 1ないし第 3のリンク 2、 3、 4の伸縮 量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御す ることにより、第 1ないし第 3のリンク 2、 3、 4の伸縮量、牽いては、一対の把持'操作 部 7、 7の位置変位を精密に制御することができ、し力も、その制御は、比較的簡単で あるので、一対の把持'操作部 7、 7の各々の精密な位置設定が容易になり、微細物 体 Oの 3次元空間内における自在で精密な把持'操作が可能になる。
[0033] また、 ZBACが 90° とされているので、マイクロマニピュレータ 10の構造がさらに 簡単化されるとともに、一対の把持'操作部 7、 7の位置変位を精密に制御するため の演算が容易になる。
[0034] なお、本願の発明は、以上の実施例に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲に おいて、種々の変形が可能である。
例えば、伸縮ァクチユエータ 5a、 5b、 5cとしては、ピエゾ圧電素子以外にも、静電 ァクチユエータゃ電磁カァクチユエータ等、各種の伸縮性のァクチユエータを用いる ことができる。
また、一対のハンドモジュール 1、 1のうちのいずれかは、第 1のリンク 2に組み込ま れる伸縮ァクチユエータ 5aを備えないものとすることも可能である。
さらに、 ZBACは、 90° 以外の角度とされることも可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 微細物体を把持'操作するマイクロマニピュレータ力 一対のハンドモジュールから 成り、
前記一対のハンドモジュールの各々は、第 1、第 2、第 3の 3本のリンク力も成る 3自 由度リンク機構を備えており、
前記第 1、第 2、第 3のリンクは、ベース部の 3点 A、 B、 Cをそれぞれの揺動起点とし て、ベース部上方の 1点 Xにお!/、て互!、に相対変位可能に連結されており、 前記第 1のリンクは、前記点 Xよりも先方に伸びて把持 ·操作部を有し、 前記第 2のリンク及び前記第 3のリンクの各々は、その中途部に、少なくとも 1個の伸 縮ァクチユエータを有し、
前記各伸縮ァクチユエータが伸縮することにより、前記第 2のリンク及び前記第 3の リンクがそれぞれ伸縮し、これにより、前記第 1のリンクの前記点 Xに対応する部分が 、前記起点 Aを球の中心とし、該球の面の所定の範囲を移動して、前記把持'操作 部が 3次元空間内の所定の位置に変位動作するようにされている
ことを特徴とするマイクロマニピュレータ。
[2] 前記第 1のリンクは、前記点 Xに対応する部分と前記把持'操作部との間に、少なく とも 1個の伸縮ァクチユエータを有することを特徴とする請求項 1に記載のマイクロマ ニピユレータ。
[3] 前記伸縮ァクチユエータが、ピエゾ圧電素子力も成ることを特徴とする請求項 1又は 請求項 2に記載のマイクロマニピュレータ。
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