JPH0646935B2 - マスタスレイブ・マイクロ機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、バイオテクノロジー、医学、あるいは微細作
業が必要な技術分野において利用するのに適したマスタ
スレイブ・マイクロ機構に関するものである。

［従来の技術］ 従来、マイクロマニピュレータによって微小対象物の位
置決め、ハンドリング、切断、接合などの微細作業を行
わせようとすると、作業性の高いマイクロスレイブ機構
の構成が非常に困難であると同時に、マスタハンド機構
からの信号によるマイクロスレイブ機構の駆動制御のた
めにも、非常に複雑な信号の変換が必要になり、結果的
に、マイクロスレイブ機構をマスタハンド機構と相似的
に動作させるためには種々の問題があった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、上述したような微細作業を、パ
ラレルリンク利用の簡単な機構で正確且つ容易に行うこ
とができるようなマスタスレイブ・マイクロ機構を得る
ことにある。

［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スタスレイブ・マ
イクロ機構は、人間が操作するマスタハンド機構、微細
作業を行うマイクロスレイブ機構、及び両者の運動をイ
ンターフェースする伝達機構部から成り、上記マスタハ
ンド機構とマイクロスレイブ機構とは、アクチュエータ
により伸縮可能にした直動型のパラレルリンク機構によ
り構成し、且つ上記マスタハンド機構とマイクロスレイ
ブ機構とは、パラレルリンク機構により構成される可動
部を実質的に相似とし、上記伝達機構部には、必要なス
ケール変換を行い、マスタハンド機構の動作を縮小して
マイクロスレイブ機構に伝達する機能をもたせたことを
特徴とするものである。

［作用］ マスタハンド機構の操作部を操作すると、パラレルリン
ク機構における各リンクのアクチュエータからリンク長
の変化に応じた信号が出力され、それが伝達機構部にお
いて必要なスケール変換により動きを縮小してマイクロ
スレイブ機構の各リンクにおけるアクチュエータに与え
られ、作業部に対して操作部と相似する微細動作が与え
られる。

このような微細作業は、上記パラレルリンクを利用した
ことから、簡単な機構で正確且つ容易に行うことができ
る。

［実施例］ 第１図は、本発明に係るマスタスレイブ・マイクロ機構
の全体的構成を示すもので、このマスタスレイブ・マイ
クロ機構は、人間が操作するマスタハンド機構（以下、
マスタと略称する。）1 、実際に微細作業を行うマイク
ロスレイブ機構（以下、スレイブと略称する。）2 、及
び両者の運動をインターフェースする伝達機構部3 から
成り立っている。マスタ1 とスレイブ2 の可動部は実質
的に相似であり、寸法のみが異なっている。マスタ1
は、通常人間が手で操作できる程度の大きさであり、ス
レイブ2 は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が可能な微小機構である。その
ため、伝達機構部3 においては適当なスケール変換を行
い、マスタ1 の動作を微小化してスレイブを動作させ
る。以下においては、このスレイブ2 のマスタ1 に対す
るスケールファクターをσとして説明する。また、マス
タ1 とスレイブ2 に共通する構成部分の符号に付したm
及びs の添字は、それぞれマスタ及びスレーブを意味し
ている。

上記マスタ1 及びスレイブ2 は、第２図において一層明
確に例示するようなパラレルリンク機構で構成される。
このパラレルリンク機構4 は、ベース部材5 と、操作部
7 や作業部8 が取付けられるエンドエフェクタ6 と、そ
れらを連結する６本のパラレルリンクとを備えている。
上記パラレルリンクを構成する各リンク9 は、軸方向駆
動のアクチュエータ10により伸縮可能にした直動型のリ
ンクで、上記アクチュエータ10がベース部材5 に対しジ
ンバル機構11により取付けられ、リンク9 先端はボール
ジョイント12によりエンドエフェクタ6 に取付けてい
る。

ベース部材5 とエンドエフェクタ6 に対するリンク9 の
連結に際しては、それらとの連結点をベース部材5 及び
エンドエフェクタ6 上において一つの円周上に配置し、
且つベース部材5 及びエンドエフェクタ6 のそれぞれに
おいては、隣接する二つのリンク9,9 を同じ位置に連結
するが、ベース部材5 とエンドエフェクタ6 では異なる
二つのリンクを同じ位置に連結し、それによって上記円
周上に各リンク9 を等分に連結している。

このようなリンク接続方式によれば、アクチュエータ10
を設けた各リンク9 の長さが設定されると、ベース部材
5 に対するエンドエフェクタ6 の位置及び姿勢が決まる
ことになる。この機構を用いる利点は、コンパクトに形
成できると同時に、作業点で６自由度の動作が容易に得
られる点にある。

上記マスタ1 の運動をスレイブ2 に伝達する伝達機構部
3 においては、並進運動のみをσ倍する場合、マスタ側
の各リンク9mの並進動作をσ倍してスレイブ側の各リン
ク9sに伝達しなければならない。例えば、リンク9m及び
9sの伸縮動作を流体を用いたシリンダ機構で実現するな
らば、第３図に示すような流体式伝達機構を用いること
により容易に実現することが可能である。なお、この流
体式伝達機構は各リンクについて設ける必要がある。

同図に示す伝達機構部3 は、シリンダによって構成した
マスタのアクチュエータ10m に連通するマスタ駆動シリ
ンダ21、シリンダによって構成したスレイブのアクチュ
エータ10s に連通するスレイブ駆動シリンダ22、並び
に、異径のシリンダ24,25 の一体的に連結して、上記両
駆動シリンダ21,22 のピストン26,27 とロッド28,29 に
よりそれぞれ連結されたピストン30,31 を有する変換用
シリンダによって構成されている。この場合、変換用シ
リンダにおける異径のシリンダ24,25 の断面積比は次の
ようになる。

Am／As＝σ このような構成を有するマスタスレイブ・マイクロ機構
においては、マスタ1 の操作部7 を操作したとき、マス
タ1 のパラレルリンク機構における各リンク9mのアクチ
ュエータ（シリンダ）10mからリンク長の変化に応じた
流体が出力され、それが伝達機構部3 におけるマスタ駆
動シリンダ21に送られる。このマスタ駆動シリンダ21に
おけるピストン26の動作は、ロッド28を介してピストン
30に伝達され、ピストン31には異径のシリンダ24,25 の
断面積比、即ちσの値に応じて動きを縮小して伝達され
る。ピストン31の動作は、ロッド29からスレイブ駆動シ
リンダ22を介して、スレイブ2 のパラレルリンク機構に
おける各リンク9sのアクチュエータ（シリンダ）10s に
導入され、リンク長に必要な変化を与えることにより、
作業部8 に操作部7 と相似する動作が与えられる。

マイクロスレイブ機構を医学の分野で利用し、あるいは
バイオロジーの実験作業などに用いる場合には、電気信
号を用いることは好ましくない。このような場合に、上
述した実施例のように流体を駆動及び伝達に用いる方法
はきわめて有効である。

しかし、上記伝達機構部3 は、第４図に示すように、電
気的な信号処理を行うような機構によっても実現するこ
ともできる。

同図に示す伝達機構部3 は、第３図の実施例と同様のマ
スタ駆動シリンダ41及びスレイブ駆動シリンダ42を備
え、これらの駆動シリンダ41,42 のロッド43,44 にモー
タ45,46 及び変位計（ボテンショメータ）47,48 を連結
し、それぞれ駆動回路を介して演算回路に接続してい
る。この演算回路は、前記スケールファクターに対応す
る動作信号の変換を行うものである。

このような伝達機構部3 において、マスタの動きとスレ
イブの動作が実際にどのようになるかを、リンク機構の
運動学と静力学を用いて解析した結果によれば、次のこ
とが明らかになっている。

即ち、マスタとスレイブの運動に関しては、並進運動は
σ倍であるが、回転運動は保存される。一方、力学に関
しては、力はσ^-1倍されるが、トルクは保存される。

従って、伝達機構部3 におけるスケール変換に際して
は、これを前提とし、必要な付加的条件を考慮して変換
を行えばよい。

例えば、スレイブ2 におけるアクチュエータ10s をシリ
ンダによって構成する場合には、スレイブ2 のマイクロ
化に際してシリンダの微小化が必要となり、困難なこと
が予想される。これを解決する方法としては、リンク9s
の駆動にワイヤを用い、あるいはリンク9s自体をワイヤ
で構成する方法が考えられる。第５図は、リンク自体を
ワイヤで構成した場合の実施例を示すものである。

この実施例において、スレイブ2 は、各リンクを構成す
るワイヤ50がベース部材51を通して導出され、その先端
がエンドエフェクタ52に連結されている。但し、ワイヤ
50によってエンドエフェクタ52に復帰力を作用させるこ
とが困難であるため、ベース部材51とエンドエフェクタ
52との間にスプリング53を縮設している。また、上記ベ
ース部材51に挿通したワイヤ50の他端は、ワイヤガイド
チューブ54を通してワイヤ駆動シリンダ55に導き、その
シリンダ55内のピストンに連結している。このワイヤ駆
動シリンダ55は、第３図に示すような伝達機構部3 を介
して適宜マスタ1 側に連結される。

また、上述したマスタスレイブ・マイクロ機構は、その
複数を一体化することにより、一種のハンドを構成する
ことができる。第６図は、このハンドの構成例で、マス
タ1 及びスレイブ2 として一対のパラレルリンク機構4
m,4m 及び4s,4s をそれぞれ台板60,61 上に近接設置
し、マスタ1 及びスレイブ2 において対応するパラレル
リンク機構を、伝達機構部3 を介して連結している。従
って、図示したところから明らかなように、一対の操作
部62,62 の操作により一対の作業部63,63 に相似の動作
を行わせることができ、それによって実質的にハンドと
して使用することが可能になる。

［発明の効果］ 以上に詳述した本発明のマスタスレイブ・マイクロ機構
によれば、パラレルリンクの有効な利用により、微小対
象物の位置決め、ハンドリング、切断、接合などの各種
微細作業を、簡単な機構で正確且つ容易に行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るマスタスレイブ・マイクロ機構の
構成図、第２図はパラレルリンク機構の構成を示す斜視
図、第３図は伝達機構部の断面図、第４図は伝達機構部
の他の実施例を示すブロック構成図、第５図はスレイブ
にワイヤを利用した実施例の要部斜視図、第６図は本発
明のマスタスレイブ・マイクロ機構の利用例を示す斜視
図である。 1 ……マスタハンド機構、 2 ……マイクロスレイブ機構、 3 ……伝達機構部、 4 ……パラレルリンク機構、 10……アクチュエータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】人間が操作するマスタハンド機構、微細作
   業を行うマイクロスレイブ機構、及び両者の運動をイン
   ターフェースする伝達機構部から成り、 上記マスタハンド機構とマイクロスレイブ機構とは、ア
   クチュエータにより伸縮可能にした直動型のパラレルリ
   ンク機構により構成し、 且つ上記マスタハンド機構とマイクロスレイブ機構と
   は、パラレルリンク機構により構成される可動部を実質
   的に相似とし、 上記伝達機構部には、必要なスケール変換を行い、マス
   タハンド機構の動作を縮小してマイクロスレイブ機構に
   伝達する機能をもたせた、 ことを特徴とするマスタスレイブ・マイクロ機構。