(57)【要約】【課題】  障害物が密集した場所やインビトロ等の狭い作業空間において、脆弱物を把持および／または切断するためのロボットハンドの提供。【解決手段】  一対の把持爪と、把持用アクチュエータと、把持用アクチュエータおよび把持爪とを連結する把持力伝達系とを備え、前記把持力伝達系の一部または全部が弾性特性を有する材料からなり、前記把持用アクチュエータの駆動により前記把持力伝達系および／または前記把持爪に撓みを生じさせながら脆弱物を把持するロボットハンド。【選択図】        図１
2006068893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の把持爪と、把持用アクチュエータと、把持用アクチュエータおよび把持爪とを連結する把持力伝達系とを備え、
前記把持力伝達系の一部または全部が弾性特性を有する材料からなり、
前記把持用アクチュエータの駆動により前記把持力伝達系および／または前記把持爪に撓みを生じさせながら脆弱物を把持するロボットハンド。
【請求項２】
さらに、複数の切断刃と、切断用アクチュエータと、切断用アクチュエータおよび切断刃とを連結する切断力伝達系とを備え、
前記切断用アクチュエータの駆動により各切断刃を当接させ脆弱物を切断する請求項１のロボットハンド。
【請求項３】
前記一対の把持爪は、予め最適な把持力を与えるように設定された逆ピンセットである請求項１または２のいずれかのロボットハンド。
【請求項４】
前記把持用アクチュエータは、ロボットハンドの外部に配され、
前記把持力伝達系は、トルク伝達ワイヤをねじることにより該把持用アクチュエータの駆動を把持爪に伝達する構成である請求項１ないし３のいずれかのロボットハンド。
【請求項５】
前記把持用アクチュエータは、ロボットハンドの外部に配され、
前記把持力伝達系は、アウターチューブを軸通するテンションワイヤからなり、
前記一対の把持爪は、該テンションワイヤにより開閉されるピンセットである請求項１ないし３のいずれかのロボットハンド。
【請求項６】
前記把持用アクチュエータから把持爪に伝達されるストロークまたは回転角度、および駆動力を１／ｎとする減速機構を有する請求項１ないし５のいずれかのロボットハンド。
【請求項７】
前記把持爪は、上下に一定幅移動自在である請求項１ないし６のいずれかのロボットハンド。
【請求項８】
前記把持爪は、着脱自在である請求項１ないし７のいずれかのロボットハンド。
【請求項９】
前記一対の把持爪を複数有する請求項１ないし８のいずれかのロボットハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、狭い作業空間において脆弱物を把持するための装置に関し、特に無菌クローン苗を育成するために、インビトロで培養した無菌の幼苗を分離し、発根用容器に植え込む移植工程の自動化を可能にするロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年園芸作物や樹木の苗の生産においてこれまで行われてきた実生苗や挿し木苗での生産以外にマイクロプロパゲーションで優秀個体の無菌化クローンを大量増殖し、発根させて苗製品にする手法が広く普及してきている。
一般的な手法としては、成長組織点を無菌環境内で植物個体から切出してインビトロ（無菌透明容器内）で培養環境を与え、多芽体に成長させ、さらに継体培養により大量増殖させ、そして大量増殖させたそれぞれの幼芽を最適な大きさまでインビトロで成長させた後に、再び無菌環境で幼芽を分離し、発根用の容器に移し替え、再びインビトロで培養し発根完了後に無菌クローン苗製品とするものがある。感染した苗であっても、植物体成長の元になる成長点組織にはウィルスが侵入しないことを利用した手法である。
【０００３】
このように植物工場での生産工程としては、主に分離した苗をインビトロへ植え込む移植工程とインビトロでの培養工程とがある。苗の培養工程についてはほぼ自動化されているが、移植工程については依然手作業で行われており、大量に優秀な作業者を繁忙期に確保する必要があることから機械化の要求が増大している。 
【０００４】
しかしながら、幼芽は柔らかく脆弱であり、過剰な把持力を与えた場合、茎の導管を破壊しその後の生育が順調にいかないという問題がある。このため幼芽の移植を自動的に行うためには微少な把持力制御が不可欠であった。
【０００５】
苗の分割移植装置としては、レーザー光を利用した認識装置により苗の形状を認識し、認識結果に基づいて苗の所定の高さの位置に把持機構および切断機構を導く装置が提言されている（特許文献１，２）。
【０００６】
脆弱物のハンドリング装置としては、脆弱物を把持するための板バネと、把持する際の衝撃を弱めるために板バネに設けられたクッション材と、板バネを平行に開閉するアクチュエータと、そのアクチュエータを移動する機構とを備えた装置が提言されている（特許文献３）。
【０００７】
また、挿し木苗の移植システムとしては、オープントレイ上の苗に対してスリットレーザ光とPSD センサにより茎形状をスキャンし歪みセンサによるフィードバックによる把持力制御、マニピュレータにより挿し木苗の自動生産をするものが提言されている（非特許文献１，２）。
【特許文献１】特開平３−２２８６０７号公報
【特許文献２】特開平５−３７０７号公報
【特許文献３】特開平７−２７６２８１号公報
【非特許文献１】M.Takatsuji, Handbook of Plant  Factory,Tokai University Press, pp. 123{159, 1997. 東海大学出版会編：「植物工場ハンドブック」， 東海大学出版会(1997), pp123-159
【非特許文献２】高山眞策シーエムシー出版 種苗生産システム （1992 初版2002 普及版pp180）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
苗の育成に伴うコストの大半は人件費であり、機械化することにより、苗の生産コストを大幅に削減することができる。また、人手の作業では、ウィルス混入による品質低下により苗の破棄の必要が生じてしまうため、このことも生産コストの増加につながっていた。
上述のとおり、苗の培養工程については、ほぼ自動化されているため、本発明ではインビトロでの培養容器への移植工程を自動化することを解決すべき課題とする。図１６は、クローン苗の育成工程の流れ図であるが、本発明はインビトロでの培養容器への移植工程であるSTEP１３ないし１５の工程を自動化することを課題とする。
【０００９】
上記特許文献１，２の装置では、オープントレイでの作業を前提としており、容器の中での苗が密集した作業環境での作動はできなかった。また、減速機構が設けられていないため、茎を把持する力の微弱な調整を行うことは難しく、植え込み工程で利用した場合には、茎を傷つけてしまうおそれがあった。
【００１０】
上記特許文献３の装置では、植物のような把持部分の上部に障害物（葉）がある対象物を把持することができなかった。また、無菌状態で作業をするためには、定期的にその装置の把持部とその近傍の部品を取り外して高温高圧蒸気等で滅菌処理するのが好ましいが、クッション材等を用いた構造上、滅菌処理を行うことは難しかった。
【００１１】
また、上記装置類では、無菌クローン苗の生産を行う場合、インビトロ培養容器での作業はできないため、無菌状態とするためには、クリーンルームが必要であった。そのため、広い作業スペースと高価な設備が必要であり、多額のコストがかかるという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記課題を鑑み、障害物が密集した場所やインビトロ等の狭い作業空間において、脆弱物を把持および／または切断するためのロボットハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は、把持部を駆動するアクチュエータと、少なくともその一部又は全部が弾性特性を有する材料からなる伝達系とを有する装置において、アクチュエータからの回転力により生ずる伝達系の弾性変形を利用することで最適な把持力を得ることを可能としている。
【００１４】
把持部を一対の把持爪と一対の切断刃とを備える構成とすることにより、茎を把持しながらその下部を切断することができるため、分離工程に適した把持装置を提供することができる。
また、把持部を上部一対の把持爪と下部一対の把持爪とを備える構成とすることにより、一方の把持爪で茎を把持しながら他方の把持爪の把持位置を変えることができるため、植え込み工程に適した把持装置を提供することができる。
【００１５】
さらには、アクチュエータからの動力をテンションワイヤまたはトルク伝達ワイヤ等で伝達する構成とすることにより、アクチュエータをハンド部に設ける必要がなくなったため、把持装置を小型化することが可能となった。この構成においては、減速機構を設けることにより、さらに細かな把持爪の力制御を可能とした。
【００１６】
すなわち、本発明は以下の（１）ないし（９）のロボットハンドを要旨とする。
（１）一対の把持爪と、把持用アクチュエータと、把持用アクチュエータおよび把持爪とを連結する把持力伝達系とを備え、前記把持力伝達系の一部または全部が弾性特性を有する材料からなり、前記把持用アクチュエータの駆動により前記把持力伝達系および／または前記把持爪に撓みを生じさせながら脆弱物を把持するロボットハンド。
（２）さらに、複数の切断刃と、切断用アクチュエータと、切断用アクチュエータおよび切断刃とを連結する切断力伝達系とを備え、前記切断用アクチュエータの駆動により各切断刃を当接させ脆弱物を切断する（１）のロボットハンド。
（３）前記一対の把持爪は、予め最適な把持力を与えるように設定された逆ピンセットである（１）または（２）のいずれかのロボットハンド。
（４）前記把持用アクチュエータは、ロボットハンドの外部に配され、前記把持力伝達系は、トルク伝達ワイヤをねじることにより該把持用アクチュエータの駆動を把持爪に伝達する構成である（１）ないし（３）のいずれかのロボットハンド。
（５）前記把持用アクチュエータは、ロボットハンドの外部に配され、前記把持力伝達系は、アウターチューブを軸通するテンションワイヤからなり、前記一対の把持爪は、該テンションワイヤにより開閉されるピンセットである（１）ないし（３）のいずれかのロボットハンド。
（６）前記把持用アクチュエータから把持爪に伝達されるストロークまたは回転角度、および駆動力を１／ｎとする減速機構を有する（１）ないし（５）のいずれかのロボットハンド。
（７）前記把持爪は、上下に一定幅移動自在である（１）ないし（６）のいずれかのロボットハンド。
（８）前記把持爪は、着脱自在である（１）ないし（７）のいずれかのロボットハンド。
（９）前記一対の把持爪を複数有する（１）ないし（８）のいずれかのロボットハンド。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、植物の移植を自動的に行うために必要な微少な把持力制御が容易に行うことができるため、分離工程の自動化のみならず、植え込み工程における微妙な把持力の調整が可能となるため、植物に過剰な把持力を与えるおそれがなく、植え込み時の茎の導管の損傷による成長障害の発生を防ぐことができる。
【００１８】
また、構造上把持部を取り外して高温高圧蒸気等で滅菌処理することが可能であり、メンテナンス性にも優れる。
【００１９】
また、障害物が密集した場所やインビトロ環境等の狭い作業空間において、脆弱物を把持する作業を自動化することができる。
しかも、トルクロープ等を用いた構成を採用すれば、微妙な制御をするために肥大化しがちな装置サイズの小型化が可能となる。すなわち、ハンド部を軽量コンパクトにできるため、クリーンルームを設ける必要がなく、クリーンベンチ内での作業が可能となるため、設備面でもクローン苗の生産コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の第１の形態は、ロッドにより把持爪の作動を制御する把持装置である。
図１(a)は、把持部６が植物の幼芽に接した状態を示している。把持部６は、鞘管５を軸通するロッド７にアクチュエータの駆動が伝達され開閉作動する。ロッド７は、アクチュエータが直動することで昇降可能であり、把持に最適な場所に位置することができる。
図１(b)は、把持部６が植物の幼芽を把持した状態を示している。ロッド７は、アクチュエータが回動することで、把持爪を閉じる。この状態では、幼芽を把持するために十分な把持力は与えられていない。
図１(c)は、把持部６に十分な把持力が与えられた状態を示している。幼芽を把持するために十分な把持力が与えられると、弾性特性を有する材料からなるロッド７がねじれと曲がりを生じて、幼芽に損傷を与えることなく、幼芽を把持することが可能である。
狭い空間で作業する場合には、把持爪に角度を付けることで、作業場所に把持爪を侵入させることが容易となる。例えば、好ましい把持爪とロッドの角度としては３０°，４５°，６０°，９０°，１２０°，１３５°があげられる。
把持爪は、植物の形状認識の際に、植物の把持位置からハンドの把持位置との距離を計測するため、ハンド表面が反射が生じない素材で構成するのがよく、好ましい材料としてはセラミックスが挙げられる。
【００２１】
本発明の第２の形態は、トルク伝達ワイヤ（アウターチューブ含む）等により把持爪の作動を制御する把持装置である。
例えば、図１７に示すように、第１の形態と同じように一対の鞘管５と一対の把持爪６１ａ，６１ｂを有する構成において、アクチュエータから把持爪への駆動の伝達が、一対のトルクロープ７６により行うことを特徴とする。駆動力の伝達にロッドを用いないことにより、アクチュエータを把持装置の外部に設けることができるため、把持装置の小型化が可能となる。
【００２２】
把持爪に直接連結されない部分は通常のテンションワイヤにより上部のギヤを回転駆動させ、これにかみ合う把持爪側のギヤの中央からトルク伝達ワイヤとし、ギヤの中心部と各ロッドを結ぶことでトルクを伝達するのが良い。このような構成とすることの意義は、多関節ロボットの動作により外部に配されたアクチュエータとの相対位置が変わることによりトルクが発生し、ハンドに不必要な回転動作を生じるおそれがあるからである。但し、多関節ロボットの移動によって回転が加わらない位置関係で動作を行う場合は、このような構成とする必要はなく、トルク伝達ワイヤで直接モータの駆動を伝達してもよい。例えば、両軸型のモータやあるいは一組の対向する同じ端数のギヤの中央に各トルク伝達ワイヤを結合し、ギヤをモータで駆動させる構成とすることが考えられる。
【００２３】
上記はいずれも植え込み工程に適した構成であるが、さらに、一対の切断刃を設けた構成とすることにより、分離工程においても利用することができる。
【００２４】
以下では、本発明の実施の形態を実施例で説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
１．構造
本実施例のハンド部は、図２に示すとおり、支持枠２と、該支持枠２内に配置されたアクチュエータ３１〜３３と、該アクチュエータを制御するコントローラ（図示せず）と、該支持枠２に取り付けられた鞘管５と、該鞘管５内を軸通する３本のロッド７ａ〜７ｃにより作動される把持部６１と切断部６２とで構成されている。以下各構成要素を詳細に説明する。
【００２６】
(1)支持枠２
支持枠２は上下の基板２１，２２と、それらの基板を所定の間隔に保持する４本の支持柱２３とで構成されており、上方の基板２１の上面にはハンドを外部マニピュレータに取り付けるための取付座２５が設けられ、下方の基板２２には、ロッド７挿通用の貫通孔が形成されている。上下の基板２１，２２間には３個のアクチュエータ３１〜３３が取り付けられている。
【００２７】
(2)把持部６１および切断部６２
図３に示すとおり、ハンド部先端には、一対の把持爪から構成される把持部６１と、その下段に一対の切断刃から構成される切断部６２がある。
把持爪６１ａにはロッド７ａを構成する弾性特性を有する材料６５が連結され、アクチュエータ３２の駆動により開閉する。把持爪６１ｂにはロッド７ｂを構成する弾性特性を有する材料６５が連結される。把持部６１は、アクチュエータ３１の駆動により昇降可能である。
切断部は、アクチュエータ３３の駆動により開閉する切断刃６２ａと固定された切断刃６２ｂから構成される。切断刃６２ａにアクチュエータ３３の駆動を伝達するロッド７ｃは剛性を高め、カット時のモーメントに耐えられるようにしてある。
狭い空間で作業する場合には、把持爪に角度を付けることで、作業場所に把持爪を侵入させることが容易となる。例えば、好ましい把持爪とロッドの角度としては３０°，４５°，６０°，９０°，１２０°，１３５°があげられる。
なお、把持爪および／又は切断刃は共に回転させてもよいし、一方を回転させない場合には他方を鞘管接合型としてもよい。
【００２８】
(3)アクチュエータ３１〜３３
本実施例では、アクチュエータ３１〜３３にステップモータを採用した。図４に示すとおり、アクチュエータ３１，３２により把持部爪６１ａ，６１ｂが、アクチュエータ３３により切断刃６２ａが駆動される。アクチュエータ３１の駆動軸がロッド７a，７ｂと同一軸方向に直動すると、支持板３５から７a，７ｂに力が伝達され、把持部６１が上下に直動する。アクチュエータ３２の駆動軸は回動し、これにより把持爪６１ａが開閉運動を行う。アクチュエータ３３の駆動軸は回動し、これにより切断刃６２ａが開閉運動を行う。
【００２９】
(4)鞘管５
基板２２の下面に中央部には、貫通孔に合致させて鞘管５が取り付けられている。鞘管５の上部には、把持用ロッド７ａ，７ｂが貫通する孔と、切断用ロッド７ｃを回転可能に保持する保持孔を設けたロッド支持板が取り付けられている。
また、鞘管５の下方先端部には、把持爪および切断刃を外方に突出させると共に、把持爪の上下動を許すスリットが形成されている。鞘管５の下端開口は着脱可能な栓によって封鎖し、鞘管内に装着したロッドが脱落するのを防いである。栓は端部を丸くして滑りやすくしておくとよい。
また、狭い場所での作業を行うためには鞘管の直径は細い方がよい。従来のように切断部だけで３〜４ｃｍある装置では、インビトロでの作業はもちろん、植物苗が隣接する環境での分離・植え込み作業を行うことは難しい。本実施例の装置においては、鞘管の直径は約８ｍｍ、各爪刃の長さは約６ｍｍである。刃や把持爪の長さは長いと容器内密集苗の茎部への侵入性が悪くなる。短いと茎に接近するとき葉と鞘管があたり茎にハンドやカッタが到達しないため、爪刃の長さは対象植物の形状、特に葉の長さと同程度に設定するとよい。
【００３０】
図５に示すとおり、鞘管５は中途部分で分割されており、凸凹形状の嵌合部８で着脱可能である。バイオ苗の分離・植え込み作業においては、先端部を滅菌消毒可能とすることが大前提となるため、先端部が取り外せることの意義は大きい。
なお、嵌合部８での脱着を容易にし、駆動トルクにより嵌め合いがはずれないようにするため、嵌め合い部の周囲をパイプでカバーするのが好ましい。
【００３１】
(5)ロッド７ａ〜７ｃ
鞘管５の先端の一対の把持爪６１ａ，６１ｂにアクチュエータの力を伝達するロッド７ａ，７ｂと、鞘管５の先端の切断刃６２ａにアクチュエータの力を伝達する切断用ロッド７ｃがある。把持用ロッド７ａ，７ｂは、アクチュエータ３１により上下動する支持板３５で保持され、把持部６１はこれにより上下動可能である。把持用ロッド７ｂはアクチュエータ３２によって回動可能でありこれにより把持爪６１ａが開閉する。切断用ロッド７ｃもアクチュエータ３３によって回動可能であり、これにより切断刃６２ａが開閉し、固定刃６１ｂと協働して対象物を切断する。把持用ロッド７ａ，７ｂおよび切断用ロッド７ｃのロッド支持板の上方に突出した部分には、アクチュエータ３２，３３に取り付けられた回転用アームのスリットに係合する係合部を具えたアームが形成されており、各アクチュエータの回転を各ロッドに伝える。
(6)使用態様
図６に示すように、本実施例に係るハンド部は外部マニピュレータに接続されて使用される。
【００３２】
２．作動
図７に示すとおり、まず、ハンド部をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させ、ハンド先端部を切断すべき対象物の近傍に移動する(STEP1)。この際、対象物の位置が予め分かっている場合には、対象物の位置計測は不要となる。ハンド先端部が対象物に対面すると、コントローラからの信号によりアクチュエータ３２，３３が回転し、把持爪６１ａ、切断刃６２ｂを開く(STEP2)。アクチュエータ３１を駆動して把持部６１の高さを調整し、把持爪６１ａおよび／又は６１ｂが対象物に触れる把持位置までハンド部を移動させる(STEP3)。アクチュエータ３２，３３を逆回転させ、把持爪６１ａおよび切断刃６２ａが対象物に接するまで閉じる(STEP4)。後述の計算方法により最適な把持力で対象物を把持するようにアクチュエータ３２，３３を逆回転させる(STEP5)。アクチュエータ３１を回転させ把持部６１を上昇させ、切断した対象物を分離した後、ハンド部を移動する(STEP6)。
【００３３】
３．最適把持力の計算
把持爪に段階的に把持力を与えた際の、対象物と把持爪の位置変化モデルを示したものが図８である。本発明の把持装置においては、ロッドの一部が弾性特性を有する材料から構成されているため、把持力を強めると共に、左右把持爪の位置も移動する。左右の弾性特性を有する材料のねじれのバランスが取れ、且つ把持対象物が損傷しないように、ロッドに回転角度を与えることで最適把持力を得ることができる。
【００３４】
把持爪７３における力伝達経路での変形モデルは図９のようになる。ここで設定した把持力Ｆを与える際の弾性特性を有する材料の弾性変形量δとなり、式１および２から算出される。これに対応する最適ひねり角度θは式３から算出することができ、この回転を把持爪が対象物に接触した状態から制御レバー７１に与えることで脆弱物７４を把持するための最適把持力を得ることができる。
【数１】
2006068893.tif 000003
Ｆ:把持力、δ：弾性変形量（撓み量）、Ｅ：縦弾性係数、l：弾性特性を有する材料長さ、I:断面２次モーメント
【数２】
2006068893.tif 000004
ｄ：弾性特性を有する材料の直径
【数３】
2006068893.tif 000005
θ：最適ひねり角度、Ｌ：ロッド軸中心線から対象物把持位置までの最小距離
【００３５】
例えば35グラムを把持したい場合の追い込みストロークθは、ｌ＝35、ｄ＝0.9、L＝6で考えると、
δ＝（0.035・353）／（3・19900・（π・0.9４／64））＝0.78mm
θ＝Sin-1（δ／L）＝7.47°となる。
【００３６】
設定レンジは±5ｇなので上限、下限でのストロークは40グラムであり、
δ＝（0.04・353）／（3・19900・（π・0.9４／64））＝0.89mm
θ＝Sin-1（δ／L）＝8.56°となる。
【００３７】
同様に、上限のストロークは30グラムであり、
δ＝（0.03・353）／（3・19900・（π・0.9４／64））＝0.67mm
θ＝Sin-1（δ／L）＝6.41°となる。
ステップモータの最小制御角度は0.5°であり、減速機を付加することでさらに細かい位置決め要求に対応する制御を行うことが可能である。なお、上記計算式は一例であり、ハンドの形状に応じてフック則による弾性計算式を用い、必要な把持力を与えるための変形量を発生するモータの回転角度を計算するとよい。
【００３８】
４．苗強度の測定
本発明に係る装置の最適な把持力の範囲を算出するために、ユーカリの幼芽を用いて苗強度の実験を行った。最適な把持力の範囲の算出は、幼芽の茎に徐々に力を加え、幼芽の直径と細胞の破壊による水浸化状の変色が起こる力を計測することで行う。
図１０は、ユーカリの幼芽における実験結果であり、丸が打たれた箇所が苗に損傷が発生した荷重を示している。この結果から把持力制御の要求仕様は次表のようになる。
【００３９】
【表１】
2006068893.tif 000006
【００４０】
５．動作実験
直径をi)0.5から0.9mm、ii)１から1.5mm のユーカリの幼芽各20本について、下記表の要領で自動植込みを行ったところ、変色発生の頻度は0本であり、力制御の困難なクローン苗の自動植込みを実現することができた。
【表２】
2006068893.tif 000007
【実施例２】
【００４１】
図１１は、一対の把持爪を2組有するハンド部の実施例である。本実施例のハンド部は、先端上段に一対の把持爪６３ａ，６３ｂが、下段に一対の把持爪６４ａ，６４ｂが配置される。これら４本の爪は、弾性特性を有する材料６５によりアクチュエータからの駆動が伝達され、把持爪６３ａおよび６４ａが開閉することにより、実施例１と比べより安定した把持を行うことを可能としている。なお、一対の把持爪６３ａ，６３ｂは、実施例１と同様にアクチュエータからの駆動により、昇降可能である。
また、植え込み用ハンドの場合、上段把持部だけでなく、下段把持部を上下させてもよい。特に脆弱である「把持爪から植物の茎の最下端までの距離」が長いと植込時の培地からの反力により座屈するおそれがあるが、下段把持部を上下させることにより上記距離を短くして何回かに分けて植え込むことが可能となる。すなわち、上記距離を短くしても規定量の植込量を確保出来るようにするため、上段および下段の把持部で植物を把持した状態で植え込みをした後、下段の把持爪を解放し、下段把持爪を上に移動した後、再度下段把持爪で把持し、植え込みを行うという動作を繰り返し行うことができるのである。これにより、植え込み作業における植物の損傷を防ぐことができる。
【実施例３】
【００４２】
図１２および図１３は、把持部が鞘管の切欠きであるハンド部の実施例である。本実施例は、切欠き６８に対象物を位置し、切断刃６６が昇降することで対象物を分離すると共に、把持用シャフト６７で対象物を把持するというものである。把持部が鞘管内部に収まるため、より狭い空間での作業に適した形態であると言える。
なお、切断刃６６はシャフト６７の内部を軸通する中空状のものでもよいし、シャフト６７の外周よりわずかに大きくシャフト６７を覆うものでもよい。
【実施例４】
【００４３】
ロッドに弾性特性を利用する材料を用いず、駆動部近傍にトーションバネを用いた弾性体を配置してもよい。図１５に示すようにトーションバネ７５の一方をロッド７と接合し、他方を制御レバー７１と接合することでロッド７に回転を生じさせることができる。把持爪が対象物に当接後さらに回転を加えることでトーションバネに変形が生じ、その結果把持部に最適な把持力が発生する。
【００４４】
例えば、予め設定した把持力Fを得るために、必要な把持爪が当接した点からのトーションバネのねじれ角度φは、下記式で求めることができる。
【００４５】
M＝F・a
Ｍ：トーションバネに作用するモーメント、a：中心から把持爪までの長さ
【００４６】
φ＝ML／EI＝64MDN／Ed4
Ｌ：トーションバネの有効展開部長さ、Ｅ：縦弾性係数、Ｄ：コイル平均径、Ｎ：巻き数、ｄ：線径、Ｉ：断面２次モーメント
【実施例５】
【００４７】
本実施例のハンド部は、図１８および１９に示すとおり、鞘管５内を軸通する４本のロッドとそれらと連結されたトルク伝達ワイヤを用いた構成からなる。鞘管５には、ロッドを軸通させるための軸通孔５１が４つ設けられている（図２２上図参照）。各ロッドとトルク伝達ワイヤを結合することでアーム等に干渉することを防止し、コンパクトにまとめることを可能としている。
各ロッドは軸通孔５１を通り、下端は把持部６と連結され、上端はトルク伝達ワイヤと連結される。トルク伝達ワイヤのより方向によりねじり弾性特性が異なるため、想定把持位置で均一な力バランスを保つために組立時にバランスを図りながら長さ配分を決め、従動側回転ギヤの中央を貫通して連結される。また、より方向が異なる伝達ワイヤを用い、同じ長さで回転ギヤと各ロッドを連結しても良い。
【００４８】
回転ギヤから出た４本のトルク伝達ワイヤと繋がるロッドに全て把持爪を設けた構成は植え込み工程に適しており、下段に一対の切断刃を設けた構成は分離工程に適している。鞘管５は、嵌合部５３で取り外し可能であり、殺菌処理等のための交換に便利である。把持部従動ギヤとその駆動ギヤ間についてはオートクレーブ滅菌するときに取り外しできるようになっている。
【００４９】
駆動ギヤは外周部にテンションワイヤ５６が巻かれワイヤが一方に引っ張られることで回転できるように構成され、ワイヤの両端は外部にある駆動ラック５４に結合され、駆動ラック５４のスライドにより回転ギヤが回転する。
伝達ワイヤーを直動するためのサーボモータが把持用に２つ、上下スライド用に１つ設けられており、ピニオンギヤ５５に二つの駆動ラック５４を連結し対向して動作するようにすることで、駆動ラック５４はピニオンギヤ５５を介してサーボモータの回転を直動運動に変換する（図２０参照）。なお、モータはステップモータを使用しても良い。
テンションワイヤ５６を対向した駆動ラック５４と連結することにより、引っ張りを受けた側のワイヤが引っ張り従動ギヤを回転させるため、モータと把持部の位置関係が変わっても把持力や把持バランスに影響なく動作させることが可能になる。
【００５０】
一対のロッドは5mmの上下スライド機構を有しており、把持爪の位置を上下に調整可能である。このスライドを行うための機構として図２１に示すように、ロッドを回転可能とし、且つ軸方向のスライドを制限するジョイント８６がロッド上部に設けられ、シャフト８４と固定される。バネ８０でシャフト８４を一方向に押さえ、位置決めさせた状態から、そのバネに変位をあたえるようにテンションワイヤ５６を引っ張ることでロッドを上下にスライド操作可能にしている。
【００５１】
サーボモータがケーブルチューブ内のトルク伝達ワイヤを引っ張ると把持爪６が閉じ、弛めると把持爪６が開く。把持爪６が対象物に当接後さらにトルク伝達ワイヤを引っ張ることで、トルク伝達ワイヤにねじれが生じ、その結果把持部に最適な把持力が発生する。
【００５２】
本実施例のハンド部は、トルク伝達ワイヤを用いることにより、サーボモータをハンド部の外部に設けているため、ハンド部は小型化されている。ハンド部は、ブラケット８１によりマニピュレータに取り付けられる。マニピュレータは、少なくとも３軸の並進運動が可能（直動３軸）である必要があるが、更に３軸の姿勢変化可能なこと（６軸多関節）が望ましい。
【００５３】
上記構成とすることにより、３自由度での把持およびスライド制御を300ｇ以下の重量で構成することができるため、可搬重量の小さなマニピュレータも採用することが可能となった（ちなみに、図２の構成の場合、約2ｋｇであった）。すなわち、小型のマニピュレータ（Ａ４サイズ相当）と組み合わせた場合には、卓上での作業が可能となり、クリーンベンチでクローン苗の移植工程を自動化することができる。
【実施例６】
【００５４】
本実施例のハンド部は、図２３および２４に示すとおり、ピンセットの開閉をテンションワイヤで制御するものである。本実施例の構成では、把持部を回動させる必要がないため、両端が固定されたアウターチューブとその内側を貫通するテンションワイヤの組み合わせ構成を採用している。
【００５５】
サーボモータの駆動により駆動ラックがスライドし、テンションワイヤを引っ張るとピンセットが閉じ、弛めるとピンセットが開く。把持に関してはピンセットがもつバネ特性を利用しており、把持爪が対象物に当接後さらにワイヤを引っ張ることで、ピンセットにたわみが生じ、その結果把持部に最適な把持力が発生する。
また、スプリング８０でピンセット姿勢を直立方向に引きつけるために、スプリング８０の反対側にアウターチューブ７７を固定し、テンションワイヤを引くことで、揺動軸８６を中心にピンセットの先端を揺動させる機構を有する。姿勢制御できない構成（例えば、３軸の並進運動ロボット）でも、容器のすみの苗まで把持爪が届くようにするための機構である。
【００５６】
また、本実施例では、滑車の原理を用いた減速機構を設けている。植物の様な脆弱なものを把持する場合には、サーボモータのストロークの微調整が必要であるが、滑車に相当する半円盤を４つからなる減速機構により、ピンセットの開閉部のケーブルチューブの移動量はサーボモータのストロークの約１／４となり、且つ、駆動力も約１／４（実際には摩擦が増えるため１／４にはならない）となる。この減速機構を設けることにより、ワイヤのフリクションを増大させずにすみ、かつ低出力のコンパクトなモータを採用して高機能なハンド部を構成することが可能となった。
【００５７】
本実施例では、直径直径2mm、線径0.3mm長さ800mmのアウターチューブと直径0.7mmのテンションワイヤを用いた。減速機構を設けない構成では、ハンド側での操作力とモーター側の引っ張り力の相関は以下のような結果となった。一方、本実施例の滑車を用いた構成では、２００ｇの把持操作力を得るために必要なモータ側ラックの引っ張り力は８０ｇであった。
本実施例の結果から、ワイヤーにかかる力を低くすることで機械効率の低下を防止できることが分かった。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
このようにアウターチューブとテンションワイヤの組み合わせの場合、ハンド把持部で必要な引っ張り強さは数百グラムであるが、ラック側でテンションワイヤを引っ張るのに必要な力はその３〜４倍程度となる。このような大きな力で強引に引っ張ると、アウターチューブやテンションワイヤの寿命が低下するため、発明者は小型減速機構をハンド側に用意することで小さな力でワイヤを引っ張る機構を設ける工夫を行った。
なお、滑車を用いた構成は一例であり、多段式歯車等による減速機構としてもよく、減速機構をハンド側にもうけてもよい。この際、駆動するワイヤにかかる力が好ましくは３００g以下とするような構成とするものとする。
【実施例７】
【００６０】
本実施例のハンド部は、実施例６のハンド部に４つの切断機構８５を設けたものである（図２５および２６参照）。切断機構８５の先端には、直動可能なスライド刃８６が設けられており、ピンセット８１の先端部中心で４つの刃が交わるように構成されている。スライド刃８６は、図２７に示すように、前進用および後退用ケーブルチューブと連結されており、サーボモータにより後退用ワイヤを引っ張るとスライド刃８６は後退し、前進用ワイヤを引っ張るとスライド刃８６が前進する。
ピンセット８１で植物の茎を把持し、ワイヤを操作することで、植物を分離することができる。
【実施例８】
【００６１】
本実施例は、複数のピンセットにより構成した植込用ハンドである（図２８参照）。いわゆる「逆ピンセット」を用いたものであり、外部から力が加えられない状態においては、各ピンセットは最適把持力で閉じた状態であり、モータの駆動力が加えられると把持力が徐々に減少しピンッセットが開く。本実施例の構成においては、作業対象となる植物に適した植込用ハンドを事前に準備することで、細かな制御を行わなくても最適な把持力を得ることを可能とした。
図２９は、本実施例の植込用ハンドの好ましい使用態様を示した写真である。ピンセットの数と同じ数の穴が設けられた作業板に機械または人手により調整済みの苗を差し込んだものを、本実施例の植込用ハンドで同時に把持することで、複数本の苗の植え込みを同時に行うことを可能としている。
なお、本実施例においては「逆ピンセット」による構成としたが、植物の種類に応じて最適把持力を算出する構成としてもよく、その場合には通常のピンセットを複数用いた構成となる。
逆ピンセットを用いた構成は、把持力の上限を簡便に設定できる利点がある。把持力の制御を行うに際して、上限指定をする必要がなければ通常のピンセットを使用すればよい。
複数の苗を同時に把持することで、一回当たりの処理本数を増やすことで作業効率は倍増する。
なお、植込のみを行うハンドでは苗を供給装置に人が置き、植込工程のみをハンドで行うようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、無菌クローン苗の分離・植え込みにおいて、インビトロで培養した無菌の幼苗を分離し、発根用容器に移し替える工程の自動化が可能となる。例えば、図１５に示すように、分離ステーション１０１、調整ステーション１０２、植込ステーション１０３から構成される植物の全自動植込ステーションにおいて、分離ステーション１０１と植込ステーション１０３に、本発明を利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のハンド部の作動を説明する斜視図である。
【図２】一対の把持爪と切断部を有するハンド部の図面である。
【図３】一対の把持爪と切断部を有するハンド部の先端部の拡大図面である。
【図４】アクチュエータの構成を説明する図面である。
【図５】鞘管の嵌合部の拡大図面である。
【図６】本発明のハンド部の使用態様の図面である。
【図７】一対の把持爪と切断部を有するハンド部の作動の流れ図である。
【図８】対象物と把持爪の位置変化モデルである。
【図９】把持爪の一方における力伝達経路での変形モデルである。
【図１０】ユーカリの幼芽における把持力許容範囲の実験結果である。
【図１１】一対の把持爪を2組有するハンド部の図面である。
【図１２】把持部が鞘管の切欠きであるハンド部の図面である。
【図１３】把持部が鞘管の切欠きであるハンド部の先端の拡大図面である。
【図１４】駆動部近傍にトーションバネを用いたハンド部の図面である。
【図１５】本発明を利用した全自動植込ステーションである。
【図１６】クローン苗の育成工程の流れ図である。
【図１７】トルクロープを用いたハンド部の斜視図である。
【図１８】トルクロープを用いたハンド部の平面図である。
【図１９】トルクロープを用いたハンド部の側面図である。
【図２０】サーボモータからの駆動を伝達するための構成の説明図である。
【図２１】トルクロープを用いたハンド部のＡ箇所拡大図である。
【図２２】トルクロープを用いたハンド部のＢ箇所拡大図である。
【図２３】把持部がピンセットであるハンド部の平面図である。
【図２４】把持部がピンセットであるハンド部の側面図である。
【図２５】把持部がピンセットであるハンド部に切断刃を設けた構成平面図である。
【図２６】把持部がピンセットであるハンド部に切断刃を設けた側面図である。
【図２７】切断刃の構成を説明する図である。
【図２８】実施例８に係る植え込みステーションの説明図である。
【図２９】実施例８に係る植え込みステーションの使用例を示した写真である。
【符号の説明】
【００６４】
２  支持枠
５  鞘管
６  把持部
７  ロッド
８  嵌合部
２５  取付座
３１〜３３  アクチュエータ
３５  支持板  
５１  トルク伝達ワイヤ軸通孔
５３  嵌合部
５５  ピニオンギヤ
５６  駆動ラック
５７  サーボモータ
５８  テンションワイヤ
６１〜６３  把持部
６４  切断部
６５  弾性特性を有する材料
６６  切断刃
６７  把持用シャフト
６８  切欠き
７１  制御レバー
７２  固定レバー
７３  把持爪
７４  脆弱物
７５  トーションバネ
７６  トルク伝達ワイヤ
７７  アウターチューブ
７８  ブラケット  
７９  ブロック
８０  スプリング
８１  ピンセット
８２  プレート
８３  リンク
８４  シャフト
８５  切断機構
９１，９５  搬入コンベア
９２，９６  ロータリーテーブル
９３，９７  搬出コンベア
１０１  分離ステーション
１０２  調整ステーション
１０３  植込ステーション
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図１】
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【図８】
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【図９】
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【図１４】
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【図１５】
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【図２９】
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