(57)【要約】【課題】把持できる対象物の大きさの制限を緩和すること。【解決手段】グリッパ１は、対象物を把持する把持手段２と、モータ４を用いて把持手段２を動作させる第１の駆動手段と、圧電素子入りサポートユニット３を用いて把持手段２を動作させる第２の駆動手段と、把持手段２が対象物を把持する際の把持力を検出する荷重センサ４０及びひずみゲージ４２を含む。把持手段２は、第１の把持部材２Ａと、第１の把持部材２Ａに対向して配置される第２の把持部材２Ｂとで構成されて、第１の把持部材２Ａと第２の把持部材２Ｂとで対象物を挟持する。そして、モータ４を用いた第１の駆動手段が第２の把持部材２Ｂを動作させ、圧電素子入りサポートユニット３を用いた第２の駆動手段が第１の把持部材２Ａを動作させる。【選択図】        図３
2010162650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を把持する把持手段と、
当該把持手段を動作させる駆動手段と、
前記把持手段が前記対象物を把持する際の把持力を検出する把持力検出手段と、
を含むことを特徴とするグリッパ。
【請求項２】
前記把持力検出手段が、予め設定された把持動作停止閾値以上の把持力を検出した場合、前記駆動手段は、前記把持手段の把持動作を停止する請求項１に記載のグリッパ。
【請求項３】
前記駆動手段は、モータを用いて前記把持手段を動作させる第１の駆動手段と、圧電素子を用いて前記把持手段を動作させる第２の駆動手段とのうち少なくとも一つで構成される請求項１又は２に記載のグリッパ。
【請求項４】
前記第１の駆動手段は、ボールねじを用いて前記モータの回転運動を直線運動に変換する請求項３に記載のグリッパ。
【請求項５】
前記把持手段は、第１の把持部材と、当該第１の把持部材に対向して配置される第２の把持部材とで構成されて、前記第１の把持部材と前記第２の把持部材とで前記対象物を挟持する請求項１から４のいずれか１項に記載のグリッパ。
【請求項６】
前記第１の駆動手段が前記第２の把持部材を動作させ、前記第２の駆動手段が前記第１の把持部材を動作させる請求項５に記載のグリッパ。
【請求項７】
前記第１の駆動手段及び前記第２の駆動手段が、前記第２の把持部材を動作させる請求項５に記載のグリッパ。
【請求項８】
前記把持力検出手段は、ひずみゲージと荷重センサと変位計とのうち少なくとも一つである請求項１から７のいずれか１項に記載のグリッパ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載のグリッパと、
前記把持力検出手段が検出した前記把持力に基づき、把持手段を操作する操作手段が備える操作部への入力に対して発生する操作反力を制御する操作反力調整手段と、
を含むことを特徴とするグリッパシステム。
【請求項１０】
前記操作反力調整手段は、
前記把持力検出手段が、予め設定された把持力増加開始閾値以上の把持力を検出した場合、前記把持手段を操作する操作手段が備える操作部への入力に対して発生させる操作反力を、これまでよりも増加させる請求項９に記載のグリッパシステム。
【請求項１１】
前記操作反力調整手段は、
前記把持力検出手段が、予め設定された把持動作停止閾値以上の把持力を検出した場合、前記把持手段を操作する操作手段が備える操作部の動作を固定する請求項９又は１０に記載のグリッパシステム。
【請求項１２】
前記把持力検出手段が、予め設定された把持動作停止閾値以上の把持力を検出した場合、前記駆動手段による前記把持手段の把持動作を停止させる把持制御手段を備える請求項１１に記載のグリッパシステム。
【請求項１３】
請求項９から１２のいずれか１項に記載のグリッパシステムを有することを特徴とするマニピュレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物を把持するグリッパ及びこのグリッパを含むグリッパシステム、並びにこのグリッパシステムを有するマニピュレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡の観測下で微小な機械部品や細胞等といった微小な対象物に対して操作を行うため、対象物を把持するグリッパが用いられている。例えば、特許文献１には、磁界中に配置した一対の可撓性フィンガーに、磁界内に発生するローレンツ力で可撓性フィンガーを変形させるコイル層を形成してなるマイクログリッパが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３１０９２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１には、マイクログリッパの操作については言及されておらず、対象物を把持する際の操作性を向上させることについては改善の余地がある。また、特許文献１に開示されるマイクログリッパは、変位が±５０μｍ程度なので、微細な対象物に対しては好適であるが、変位を超えた寸法の対象物を把持することは困難である。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、グリッパによって対象物を把持する際の操作性を向上させること、グリッパが把持できる対象物の大きさの制限を緩和することのうち少なくとも一つを達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るグリッパは、対象物を把持する把持手段と、当該把持手段を動作させる駆動手段と、前記把持手段が前記対象物を把持する際の把持力を検出する把持力検出手段とを含むことを特徴とする。
【０００６】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記把持力検出手段が、予め設定された把持動作停止閾値以上の把持力を検出した場合、前記駆動手段は、前記把持手段の把持動作を停止することが好ましい。
【０００７】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記駆動手段は、モータを用いて前記把持手段を動作させる第１の駆動手段と、圧電素子を用いて前記把持手段を動作させる第２の駆動手段とのうち少なくとも一つで構成されることが好ましい。
【０００８】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記第１の駆動手段は、ボールねじを用いて前記モータの回転運動を直線運動に変換することが好ましい。
【０００９】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記把持手段は、第１の把持部材と、当該第１の把持部材に対向して配置される第２の把持部材とで構成されて、前記第１の把持部材と前記第２の把持部材とで前記対象物を挟持することが好ましい。
【００１０】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記第１の駆動手段が前記第２の把持部材を動作させ、前記第２の駆動手段が前記第１の把持部材を動作させることが好ましい。
【００１１】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記第１の駆動手段及び前記第２の駆動手段が、前記第２の把持部材を動作させることが好ましい。
【００１２】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記把持力検出手段は、ひずみゲージと荷重センサと変位計とのうち少なくとも一つであることが好ましい。
【００１３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るグリッパシステムは、請求項１から８のいずれか１項に記載のグリッパと、前記把持力検出手段が検出した前記把持力に基づき、把持手段を操作する操作手段が備える操作部への入力に対して発生する操作反力を制御する操作反力調整手段と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパシステムにおいて、前記操作反力調整手段は、前記把持力検出手段が、予め設定された把持力増加開始閾値以上の把持力を検出した場合、前記把持手段を操作する操作手段が備える操作部への入力に対して発生させる操作反力を、これまでよりも増加させることが好ましい。
【００１５】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパシステムにおいて、前記操作反力調整手段は、前記把持力検出手段が、予め設定された把持動作停止閾値以上の把持力を検出した場合、前記把持手段を操作する操作手段が備える操作部の動作を固定することが好ましい。
【００１６】
本発明の望ましい態様としては、前記グリッパシステムにおいて、前記把持力検出手段が、予め設定された把持動作停止閾値以上の把持力を検出した場合、前記駆動手段による前記把持手段の把持動作を停止させる把持制御手段を備えることが好ましい。
【００１７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るマニピュレーションシステムは、前記グリッパシステムを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、グリッパによって対象物を把持する際の操作性を向上させること、グリッパが把持できる対象物の大きさの制限を緩和することのうち少なくとも一つを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの構成図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの説明図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムの説明図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るグリッパの側面図である。
【図５】図５は、図３のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図６は、本実施形態に係るグリッパシステムの制御手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、本実施形態に係るグリッパシステムの制御における操作反力の変化を示す模式図である。
【図８】図８は、本実施形態の変形例に係るグリッパシステムの制御手順を示すフローチャートである。
【図９】図９は、本実施形態の変形例に係るグリッパシステムの制御における操作反力の変化を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本実施形態の第１変形例に係るグリッパの構成例を示す図である。
【図１１】図１１は、本実施形態の第２変形例に係るグリッパの構成例を示す図である。
【図１２】図１２は、本実施形態の第３変形例に係るグリッパの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の説明により本発明が限定されるものではない。また、下記の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００２１】
（実施形態）
図１は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの構成図である。図２は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの説明図である。図１に示すマニピュレーションシステム１００は、テーブル３４に第１マニピュレータ２０Ｌ及び第２マニピュレータ２０Ｒが取り付けられる。図２に示すように、本実施形態に係るグリッパ１は、例えば、第１マニピュレータ２０Ｌや第２マニピュレータ２０Ｒに取り付けられて、図１に示すテーブル３４に載置されるベース３３内の対象物（例えば、卵子、精子、細胞、微小部品等）を把持する。
【００２２】
図２に示すように、マニピュレーションシステム１００は、第１マニピュレータ２０Ｌ及び第２マニピュレータ２０Ｒと、顕微鏡ユニット３０と、グリッパシステム２６とを含んでいる。本実施形態において、第１マニピュレータ２０Ｌ及び第２マニピュレータ２０Ｒは、直交３軸系のマニピュレータである。第１マニピュレータ２０Ｌ及び第２マニピュレータ２０Ｒは、ＸＹ軸ステージ２１と、Ｚ軸ステージ２２と、Ｘ軸駆動装置２３と、Ｙ軸駆動装置２４と、Ｚ軸駆動装置２５と、第１マニピュレータ２０Ｌ及び第２マニピュレータ２０Ｒにグリッパ１やインジェクションピペット等を取り付けるグリッパシステム２６とを有する。グリッパシステム２６は、Ｚ軸ステージ２２に取り付けられる。本実施形態では、第１マニピュレータ２０Ｌと第２マニピュレータ２０Ｒとの両方にグリッパ１を取り付けるが、一方にはグリッパ１とは異なる装置を取り付けてもよい。
【００２３】
Ｘ軸駆動装置２３及びＹ軸駆動装置２４及びＺ軸駆動装置２５は、制御装置５０によって制御され、グリッパシステム２６に取り付けられるグリッパ１の位置が制御される。ＸＹ軸ステージ２１及びＺ軸ステージ２２は、Ｘ軸駆動装置２３及びＹ軸駆動装置２４及びＺ軸駆動装置２５によって移動して、図１に示すテーブル３４上の三次元空間内でグリッパ１を移動させる。なお、第１マニピュレータ２０Ｌ及び第２マニピュレータ２０Ｒは、本実施形態の構成に限定されるものではない。
【００２４】
顕微鏡ユニット３０は、カメラ３１、顕微鏡３２を有する。顕微鏡３２は、ベース３３内の対象物を拡大する。カメラ３１は顕微鏡３２に取り付けられており、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子で構成される。カメラ３１は、顕微鏡３２で拡大された対象物を撮像する。カメラ３１は、制御装置５０に接続されており、撮像した対象物の画像は、制御装置５０に取り込まれて、グリッパ１が対象物を把持するときの制御に用いられたり、制御装置５０に接続される表示装置（例えば、ディスプレイ）６０に表示されたりする。
【００２５】
制御装置５０には、第１マニピュレータ２０Ｌや第２マニピュレータ２０Ｒを操作したり、グリッパ１を操作したりするためのジョイスティック６１が接続されている。作業者は、ジョイスティック６１を操作することで、第１マニピュレータ２０Ｌや第２マニピュレータ２０ＲのＸＹ軸ステージ２１やＺ軸ステージ２２を移動させたり、グリッパ１の把持部を動作させたりする。これによって、グリッパ１を所望の位置に移動させたり、グリッパ１で対象物を把持したり、把持した対象物を解放したりする。
【００２６】
図３は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムの説明図である。図４は、本実施形態に係るグリッパの側面図である。図５は、図３のＡ−Ａ断面図である。グリッパシステム２６は、グリッパ１と、制御装置５０と、ジョイスティック６１とを含む。グリッパ１は、対象物を把持する把持手段２と、把持手段２を動作させる駆動手段とを含む。駆動手段は、第１の駆動手段と第２の駆動手段とで構成される。第１の駆動手段は、モータ（電動機）４を用いて把持手段２を動作させるものであり、第２の駆動手段は、圧電素子入りサポートユニット３に内蔵されている圧電素子を用いて把持手段２を動作させるものである。また、グリッパ１は、把持手段２が対象物を把持する際の把持力を検出する把持力検出手段を備える。把持力検出手段は、例えば、荷重センサとひずみゲージと変位計とから少なくとも一つが用いられる。本実施形態では、把持力検出手段として荷重センサ及びひずみゲージが用いられる。
【００２７】
把持手段２は、第１の把持部材２Ａと、第１の把持部材２Ａに対向して配置される第２の把持部材２Ｂとで構成されて、第１の把持部材２Ａと第２の把持部材２Ｂとで対象物を挟持して把持する。本実施形態において、把持手段２は、第１の把持部材２Ａの把持部２ＨＡと第２の把持部材２Ｂの把持部２ＨＢとで対象物が挟持される。第１の把持部材２Ａの把持部２ＨＡの反対側と、第２の把持部材２Ｂの把持部２ＨＢの反対側とは、連結部２Ｓで連結される。このように、把持手段２は、第１の把持部材２Ａと第２の把持部材２Ｂとを一体とした、略Ｕ字形状の部材である。把持手段２の材料はシリコン、高分子材料、金属材料等を用いることができる。特に、対象物の寸法が小さい場合、半導体製造プロセス等を利用して把持手段２を製造し、把持部２ＨＡ、２ＨＢを細く形成して、対象物に適した形状とすることが好ましい。
【００２８】
グリッパ１は、案内要素６と、それに取り付けられている支持軸受ハウジング５とを備える。案内要素６の両端部には、支持軸受ハウジング５と、圧電素子入りサポートユニット３（構造は、例えば、本願出願人の特開２００６−１８９１２９号公報を参照）とが連結されている。図５に示すように、案内要素６は、長手方向に向かって案内溝６Ｒが形成されている。
【００２９】
図３、図５に示すように、案内要素６の間には、スライダ７が配置される。スライダ７は、案内要素６の間に複数の球７Ｂを介して、予圧負荷された状態で配置される。スライダ７は、案内要素の案内溝６Ｒに沿って直線運動できるように支持される。図５に示すように、スライダ７には、案内溝７Ｒと並行して、ボールねじナットがスライダ７と一体になった状態で設置されており、ねじ軸９がそこに配置される。なお、本実施形態では、グリッパ１にボールねじを使用しているが、これに限定されるものではない。
【００３０】
ねじ軸９の回転によりスライダ７は案内要素６によってねじ軸９の回転軸Ｚと平行な方向に移動する。ねじ軸９は、連結部材１０を介してモータ４の出力軸４Ｓに連結されている。ねじ軸９の一方の端部は、連結部材１０を介してモータ４の回転軸４Ｓと連結されており、他方の端部は、支持軸受ハウジング５に設けられた軸受によって回転可能に支持される。
【００３１】
図３、図４に示すように、本実施形態において、モータ４は、案内要素６に対し、圧電素子入りサポートユニット３を介して配置される。あるいは、この１軸アクチュエータ（グリッパ１）の構成によっては、図３に示した支持軸受ハウジング５と圧電素子入りサポートユニット３との配置を入れ替えてもよい。図３に示す構成において、圧電素子入りサポートユニット３で使用する圧電素子は円筒状であり、ねじ軸９と同軸上に設置しても圧電素子とねじ軸９とが接触しないようになっている。
【００３２】
図３、図４に示すように、支持軸受ハウジング５とスライダ７との間には、把持部材２が配置される。より具体的には、把持部材２の第１の把持部材２Ａが支持軸受ハウジング５に取り付けられ、第２の把持部材２Ａがスライダに取り付けられる。なお、第２の把持部材２Ｂとスライダ７との間には把持力検出手段４０が配置されており、第２の把持部材２Ｂは、把持力検出手段４０を介してスライダ７に取り付けられる。このような構成により、スライダ７が移動すると、把持部材２Ｂが動作する。すなわち、把持部材２の把持部２ＨＡ、２ＨＢが開閉する。
【００３３】
モータ４の回転によりねじ９が回転すると、スライダ７に形成されたボールねじナットによって、ねじ９の回転運動はスライダ７の往復運動に変換される。これによって、スライダ７はボールねじに沿って移動して、第２の把持部材２Ｂを動作させる。スライダ７が支持軸受ハウジング５に接近すると、把持手段２の把持部２ＨＡ、２ＨＢが閉じて、把持部材２は、例えば対象物を把持し、スライダ７が支持軸受ハウジング５から離れると、把持手段２の把持部２ＨＡ、２ＨＢが開いて、把持部材２は、例えば把持していた対象物を解放する。
【００３４】
圧電素子入りサポートユニット３を構成する圧電素子は、与えられた電圧を力に変換するもので、本実施形態では、把持手段２の把持部２ＨＡ、２ＨＢが接近、あるいは離れる方向に沿う力を発生する。本実施形態においては、電圧を付与すると、前記圧電素子は、ねじ軸９及びスライダ７を軸方向へ移動する。また、圧電素子入りサポートユニット３の変形量を大きくするため、これに内蔵される複数の圧電素子を積層して構成してもよい。
【００３５】
モータ４の駆動を停止した状態で圧電素子入りサポートユニット３を構成する圧電素子に電圧を印加すると、前記圧電素子は、ねじ軸９及びスライダ７を軸方向へ移動させる。この移動により、支持軸受ハウジング５とスライダ７との距離が変化する。この距離の変化によって把持手段２の把持部２ＨＡ、２ＨＢが開閉動作をする。
【００３６】
モータ４及びねじ９を用いてスライダ７を移動させる場合、スライダ７の移動量が大きくとることができる。このため、モータ４を用いる場合、把持手段２を大きく開閉させる場合に好適であり、特に、対象物が比較的大きい場合に適している。一方、圧電素子入りサポートユニット３を構成する圧電素子は、変形量は小さいが高精度に変形を制御できるので、前記圧電素子によってスライダ７を移動させる場合、その移動量は小さいが高精度の位置制御が可能である。このため、圧電素子入りサポートユニット３を用いる場合、把持手段２を微少量開閉させ、かつ高精度にスライダ７の位置を制御する場合に好適であり、対象物が比較的小さい場合に適している。このように、グリッパ１は、把持手段２の粗動にモータ４を用い、把持手段２の微動に圧電素子を用いる。その結果、グリッパ１は、把持手段２の大きな開閉動作から微小な開閉動作まで実現できるので、把持手段２によって把持できる対象物の大きさの制限を緩和できる。
【００３７】
本実施形態において、把持手段２の動作は、制御装置５０によって制御される。制御装置５０には、圧電素子ドライバ６２及びモータドライバ６３が接続されており、制御装置５０からの指令により、圧電素子ドライバ６２やモータドライバ６３が圧電素子入りサポートユニット３の圧電素子やモータ４を駆動する。また、制御装置５０には、グリッパ１の把持手段２の操作手段であるジョイスティック６１が接続されている。
【００３８】
本実施形態において、ジョイスティック６１は、基板６１Ｂと、作業者が操作する操作レバー６１Ｒと、操作レバー６１Ｒの移動量を検出する操作量検出センサ４１と操作レバー６１Ｒの操作に対する反力（操作反力）を操作レバー６１Ｒに付与する操作反力付与手段６１Ａとを含んでいる。このような構成により、操作レバー６１Ｒを操作すると、グリッパ１の把持手段２が動作するとともに、操作レバー６１Ｒには、操作反力付与手段６１Ａによって操作反力が付与される。操作反力付与手段６１Ａは、ジョイスティック６１にフォースフィードバック機能を付与する。本実施形態においては、図３の矢印Ｒ１方向にジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒを動かすとグリッパ１の把持手段２が閉じ、矢印Ｒ２方向に動かすと把持手段２が開くものとする。なお、ジョイスティック６１の代わりにハプティックデバイス、スイッチ、ボタン、パーソナルコンピュータのマウス、キーボード等をグリッパ１の操作手段に用いてもよい。
【００３９】
制御装置５０はマイクロコンピュータであり、処理部５０Ｐと、記憶部５０Ｍと、入出力部５０ＩＯとを含む。入出力部５０ＩＯには、圧電素子ドライバ６２、モータドライバ６３、把持力検出手段である荷重センサ４０、操作量検出センサ４１、把持力検出手段であるひずみゲージ４２が接続される。ここで、ひずみゲージ４２は、グリッパ１の把持手段２（より具体的には第２の把持部材２Ｂ）に取り付けられて、荷重センサ４０とともに把持手段２に作用する荷重を検出する。ここで、グリッパ１には、荷重センサ４０とひずみゲージ４２とは、少なくとも一方を取り付ければよい。
【００４０】
処理部５０Ｐは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と半導体メモリとを組み合わせて構成されており、グリッパシステム２６やマニピュレーションシステム１００に対する種々の制御を実行する。記憶部５０Ｍは、例えば、半導体を利用した記憶素子や磁気記憶装置、あるいは光磁気記憶装置等であり、グリッパシステム２６やマニピュレーションシステム１００の制御に必要なコンピュータプログラムや制御データ等が保存される。
【００４１】
処理部５０Ｐは、駆動制御部５１と、制御条件判定部５２と、操作反力制御部５３とを備える。駆動制御部５１は把持制御手段であり、荷重センサ４０やひずみゲージ４２が検出した情報に基づき、グリッパ１の駆動手段である圧電素子入りサポートユニット３やモータ４を制御して、グリッパ１が備える把持手段２の動作を制御する。制御条件判定部５２は、グリッパシステム２６やマニピュレーションシステム１００に対する種々の制御において、制御の条件を判定する。操作反力制御部５３は操作反力調整手段であり、荷重センサ４０、操作量検出センサ４１、ひずみゲージ４２が検出した情報に基づき、操作手段であるジョイスティック６１が備える操作反力付与手段６１Ａが発生する操作反力の大きさを制御する。本実施形態において、駆動制御部５１の機能、及び制御条件判定部５２の機能、及び操作反力制御部５３の機能は、処理部５０Ｐがこれらの機能を実現するコンピュータプログラムを記憶部５０Ｍから読み出して実行することにより実現される。
【００４２】
図６は、本実施形態に係るグリッパシステムの制御手順を示すフローチャートである。図７は、本実施形態に係るグリッパシステムの制御における操作反力の変化を示す模式図である。本実施形態に係るグリッパシステムの制御は、図３に示す制御装置５０が実現する。この制御は、グリッパ１が対象物を把持する際の制御である。作業者が、図３に示すジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒを矢印Ｒ１の方向に動かすと、制御装置５０の処理部５０Ｐが備える駆動制御部５１は、モータ４や圧電素子入りサポートユニット３を駆動して、グリッパ１の把持手段２を閉じる。これによって、把持手段２は、対象物を把持しようとする。このとき、制御装置５０の処理部５０Ｐが備える操作反力制御部５３は、操作反力付与手段６１Ａに操作反力Ｆｒ１を発生させる（図７）。
【００４３】
ステップＳ１０１において、制御装置５０の処理部５０Ｐが備える制御条件判定部５２は、荷重センサ４０やひずみゲージ４２が検出した情報に基づき、把持力（把持手段２が対象物を把持する際に把持手段２が対象物に付与する力）Ｆｈを求める。次に、ステップＳ１０２へ進み、制御条件判定部５２は、予め設定された把持動作停止閾値Ｆｈｃを記憶部５０Ｍから取得し、ステップＳ１０１で求めた把持力Ｆｈと比較する。把持動作停止閾値Ｆｈｃは、例えば、把持手段２を構成する第１の把持部材２Ａ及び第２の把持部材２Ｂが撓んで不具合が発生するするおそれのある力より小さい値（例えば、５０％程度）としたり、対象物を把持手段２が把持でき、かつ対象物に不具合が発生しない程度の大きさとしたりして、制御装置５０の記憶部５０Ｍに格納しておく。後者の場合、対象物に応じて把持動査定し把持動作停止閾値Ｆｈｃを予め求める。
【００４４】
ステップＳ１０２でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５２が、Ｆｈ≧Ｆｈｃであると判定した場合、ステップＳ１０３へ進む。ステップＳ１０３において、操作反力制御部５３は、ジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒを動きづらくするように、最大の操作反力を出力する。この場合、図７に示すように、操作反力Ｆｒが最大（Ｆｒｍａｘ）になる。これによって、操作レバー６１Ｒが動きづらくなる。したがって、操作反力Ｆｒが最大にして最大反力を操作者へ伝えることで、これまで通り操作しようとしても把持操作はできなくなるので、把持手段２に不具合が生じたり、対象物に不具合が生じたりするおそれを回避できる。
【００４５】
このように、本実施形態では、把持力検出手段である荷重センサ４０やひずみゲージ４２が検出した把持力Ｆｈに基づいて、操作反力調整手段である操作反力制御部５３が操作反力Ｆｒを発生させるので、作業者は、把持手段２が把持している対象物に作用する把持力Ｆｈの情報を把握しながら作業できる。これによって、グリッパ１を用いて対象物を把持する際の操作性が向上する。また、把持動作停止閾値Ｆｈｃ以上の把持力Ｆｈが発生した場合には、作業者の操作に関わらずステップＳ１０３の動作をして、把持手段２に不具合が発生したり、対象物に不具合が発生したりするおそれを回避できるので、作業性が向上する。
【００４６】
最大反力を出力してジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒを動きづらくする制御と、その際に把持動作を停止させる制御とは、同時に実行してもよいし、Ｆｈ≧Ｆｈｃとなったら、即把持操作を停止させてもよい。すなわち、把持手段２の把持力にリミッタを設けることが好ましい。これによって、把持手段２に不具合が発生したり、対象物に不具合が発生したりするおそれを確実に回避できる。ステップＳ１０２でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５２が、Ｆｈ＜Ｆｈｃであると判定した場合、ステップＳ１０４へ進み、駆動制御部５１は、把持手段２による把持動作を継続する。この場合、操作反力制御部５３は、操作反力付与手段６１Ａに操作反力Ｆｒ１を発生させる（図７）。
【００４７】
本実施形態では、把持手段２の把持力を実測したが、例えば、カメラ３１によって撮像された対象物の変形量に基づいて操作反力Ｆｒを変更したり、把持動作を停止させたりしてもよい。すなわち、対象物の変形量は、把持力Ｆｈと相関が高いため、対象物の変形量を把持力Ｆｈに相当するものであるとして、本実施形態に係るグリッパシステムの制御を実行する。
【００４８】
この場合、例えば、把持手段２が把持する前の対象物の画像をカメラ３１によって取得して、画像処理によって対象物の寸法を求めておく。把持手段２によって対象物を把持することによって対象物が変形した場合、変形した対象物の画像をカメラ３１によって取得し、画像処理によって変形後における対象物の寸法を求める。そして、変形後における対象物の寸法（把持力が作用する方向の寸法）が、変形前における寸法の所定の割合（例えば８０％）になった場合には、ジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒの動きを固定したり、把持動作を停止させたりする。
【００４９】
（グリッパシステムの制御の変形例）
図８は、本実施形態の変形例に係るグリッパシステムの制御手順を示すフローチャートである。図９は、本実施形態の変形例に係るグリッパシステムの制御における操作反力の変化を示す模式図である。本変形例に係るグリッパシステムの制御は、上述したグリッパシステムの制御と同様であるが、ジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒを停止させる前に、操作反力Ｆｒを徐々に大きくする点が異なる。
【００５０】
把持手段２は、対象物を把持しようとするとき、操作反力制御部５３は、操作反力付与手段６１Ａに操作反力Ｆｒ２を発生させる（図９）。これは、操作レバー６１Ｒが急激に動かないようにするためである。ステップＳ２０１において、制御条件判定部５２は、荷重センサ４０やひずみゲージ４２が検出した情報に基づき、把持力Ｆｈを求める。次に、ステップＳ２０２へ進み、制御条件判定部５２は、予め設定された把持力増加開始閾値Ｆｈ＿Ｌを記憶部５０Ｍから取得し、ステップＳ２０１で求めた把持力Ｆｈと比較する。把持力増加開始閾値Ｆｈ＿Ｌは、例えば、把持手段２を構成する第１の把持部材２Ａ及び第２の把持部材２Ｂが対象物を把持したときの把持力Ｆｈとする。
【００５１】
ステップＳ２０２でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５２が、Ｆｈ≧Ｆｈ＿Ｌであると判定した場合、ステップＳ２０３へ進む。ステップＳ２０３において、制御条件判定部５２は、予め設定された把持動作停止閾値Ｆｈｃを記憶部５０Ｍから取得し、ステップＳ２０１で求めた把持力Ｆｈと比較する。ステップＳ２０３でＹｅｓと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５２が、Ｆｈ≧Ｆｈｃであると判定した場合、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４において、操作反力制御部５３は、ジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒを動きづらくするように、最大反力を出力させる。これによって、操作レバー６１Ｒが動きづらくなる。したがって、駆動制御部５１は、モータ４や圧電素子入りサポートユニット３の駆動を停止させ、把持手段２の把持動作を停止させる（ステップＳ２０４）。
【００５２】
ステップＳ２０３でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５２が、Ｆｈ＜Ｆｈｃであると判定した場合、ステップＳ２０５へ進む。ステップＳ２０５において、駆動制御部５１は、把持手段２による把持動作を継続するとともに、操作反力制御部５３は、操作反力Ｆｒをこれまでよりも増加させる。これによって、図９に示すように、把持力Ｆｈが把持動作停止閾値Ｆｈｃになるまでは、把持力Ｆｈが増加するにしたがって操作反力Ｆｒが増加していくので、作業者は、把持力Ｆｈが把持動作停止閾値Ｆｈｃに近づくことを把握しやすくなる。その結果、把持力Ｆｈが把持動作停止閾値Ｆｈｃになる前にジョイスティック６１の操作レバー６１Ｒの操作を停止できるので、把持手段２や対象物に過度な力が作用することを抑制できる。また、把持力Ｆｈの増加にしたがって操作反力Ｆｒも増加するので、自然な操作フィーリングが得られる。
【００５３】
ステップＳ２０２でＮｏと判定された場合、すなわち、制御条件判定部５２が、Ｆｈ＜Ｆｈ＿Ｌであると判定した場合、ステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６において、駆動制御部５１は、把持手段２による把持動作を継続する。この場合、操作反力制御部５３は、操作反力付与手段６１Ａに発生させる操作反力Ｆｒ２を発生させる（図９）。
【００５４】
このように、本変形例では、把持力検出手段である荷重センサ４０やひずみゲージ４２が検出した把持力Ｆｈに基づいて、操作反力調整手段である操作反力制御部５３が操作反力Ｆｒを発生させるとともに、把持力Ｆｈの増加にしたがって操作反力Ｆｒを増加させるので、作業者は、把持手段２が把持している対象物に作用する把持力Ｆｈの情報をより把握し易くなる。これによって、グリッパ１を用いて対象物を把持する際の操作性がさらに向上する。
【００５５】
また、把持力増加開始閾値Ｆｈ＿Ｌ以上の把持力Ｆｈが発生した場合に操作反力Ｆｒを増加させるので、把持力増加開始閾値Ｆｈ＿Ｌを把持手段２が対象物を把持したときの把持力Ｆｈとしておけば、操作反力Ｆｒの増加により、作業者は把持手段２が対象物を把持したことを把握できる。その結果、グリッパ１を用いて対象物を把持する際の操作性がさらに向上する。
【００５６】
（グリッパの変形例１）
図１０は、本実施形態の第１変形例に係るグリッパの構成例を示す図である。本変形例に係るグリッパ１ａは、上述したグリッパ１と略同様であるが、第１の把持部材２Ａａと第２の把持部材２Ｂｂとの二つの部材で把持手段２ａを構成する点が異なる。他の構成は、上述したグリッパ１と同様である。グリッパ１ａは、第１の把持部材２Ａａの把持側とは反対側の端部２ＡＴが支持軸受ハウジング５に固定され、第２の把持部材２Ｂｂの把持側とは反対側の端部２ＢＴが、荷重センサ４０を介してスライダ７に固定される。ひずみゲージ４２は、第２の把持部材２Ｂａに取り付けられる。このようにしても、上述したグリッパ１と同様の作用、効果が得られる。
【００５７】
（グリッパの変形例２）
図１１は、本実施形態の第２変形例に係るグリッパの構成例を示す図である。本変形例に係るグリッパ１ｂは、上述したグリッパ１と略同様であるが、圧電素子３ｂを、支持軸受ハウジング５と把持手段２を構成する第１の把持部材２Ａとの間に配置する点が異なる。他の構成は、上述したグリッパ１と同様である。このようにすることで、上述したグリッパ１と同様の作用、効果が得られる他、上述したグリッパ１では動かすことができなかった把持部材２Ａを微動させることができる。
【００５８】
（グリッパの変形例３）
図１２は、本実施形態の第３変形例に係るグリッパの構成例を示す図である。本変形例に係るグリッパ１ｃは、上述した第２変形例に係るグリッパ１ｂと略同様であるが、把持手段２に圧電素子３ｃ１、３ｃ２を取り付ける点が異なる。他の構成は、上述したグリッパ１と同様である。圧電素子３ｃ１は、把持手段２を構成する第１の把持部材２Ａに取り付けられ、また、圧電素子３ｃ２は、把持手段２を構成する第２の把持部材２Ｂに取り付けられ、圧電バイモルフを構成する。圧電素子３ｃ１、３ｃ２に電圧が印加され、圧電素子３ｃ１の面と平行な方向（図１２の矢印Ｅ方向）に圧電素子３ｃが伸長し、圧電素子３ｃ２の面と平行な方向（図１２の矢印Ｅ方向）に圧電素子３ｃが縮むと、第１の把持部材２Ａが第２の把持部材２Ｂに向かって撓む。すると、第１の把持部材２Ａと第２の把持部材２Ｂとが対象物を挟持する。これによって、上述したグリッパ１と同様の作用、効果が得られる他、上述したグリッパ１では動かすことができなかった把持部材２Ａを微動させることができる。
【００５９】
以上、本実施形態及びその変形例では、把持力検出手段が検出した把持力に基づいて、操作反力調整手段が操作反力を発生させるので、作業者は、把持手段が把持している対象物に作用する把持力の情報を把握しながら作業できる。これによって、グリッパを用いて対象物を把持する際の操作性が向上する。また、本実施形態及びその変形例に係るグリッパは、把持手段の粗動にモータを用い、把持手段の微動に圧電素子を用いる。これによって、把持手段の大きな開閉動作から微小な開閉動作まで実現できるので、把持手段によって把持できる対象物の大きさの制限を緩和できる。なお、本実施形態に係るグリッパシステム及びグリッパによって把持される対象物は特に限定されるものではないが、微小な機械部品や細胞等の、顕微鏡の観測下で把持されるような微小な物体に対して本実施形態に係るグリッパシステム及びグリッパは特に好適である。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明に係るグリッパシステム及びグリッパ、並びにマニピュレーションシステムは、対象物を把持する際の操作性を向上させること、把持できる対象物の大きさの制限を緩和することに有用である。
【符号の説明】
【００６１】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ  グリッパ
２、２ａ  把持手段
２ＨＡ、２ＨＢ  把持部
２Ａ、２Ａａ  第１の把持部材
２Ｂ、２Ｂｂ  第２の把持部材
３  圧電素子入りサポートユニット
３ｂ、３ｃ  圧電素子
３Ｈ  貫通孔
４  モータ
４Ｓ  出力軸
５  支持軸受ハウジング
６Ａ、６Ｂ  案内要素
６Ｒ  案内溝
７  スライダ
７Ｒ  案内溝
８  支持部材
１０  連結部材
２０Ｌ、２０Ｒ  マニピュレータ
２６  グリッパシステム
３０  顕微鏡ユニット
３１  カメラ
３２  顕微鏡
３４  テーブル
４０  荷重センサ
４１  操作量検出センサ
４２  ひずみゲージ
５０  制御装置
５０Ｍ  記憶部
５０Ｐ  処理部
５０ＩＯ  入出力部
５１  駆動制御部
５２  制御条件判定部
５３  操作反力制御部
６１  ジョイスティック
６１Ａ  操作反力付与手段
６１Ｂ  基板
６１Ｒ  操作レバー
１００  マニピュレーションシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2010162650.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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