机械手 【技术领域】
本发明涉及一种用于操作目标物的机械手，特别涉及用于握持并移动细胞、微小金属制品等目标物，或对这些微小物体进行姿态控制和各种操作或组装的机械手。
背景技术
作为现有的操作微细物体的代表机械手，为图16所示的结构(参照特开平6-90770号公报)。这里，100为装备了可移动的式样台101的倒置显微镜，借此，对器皿102内的细胞等操作目标物及操作手103和104的前端进行观察。由玻璃等材料制成的微型机械手103和104安装在装有三根传动装置的支架105和106上。在两个机械手103、104中，机械手103用于保持目标物，机械手104用于控制目标物的姿态，或对目标物进行除核、核移植等操作。
图17为表示对这样的细胞进行操作时的放大图。表示了为了从具有细胞核108的细胞107进行除核，用操作机械手104对细胞108进行穿孔作业。机械手103和104为中空的玻璃细管(毛细管)，机械手103的前端较为圆滑适于握持且前端不损伤目标物。机械手104的前端适当地尖锐一些用以进行细致操作。例如从细胞中进行除核操作时，如图18A所示用操作机械手104擦着细胞107的同时使其转动从而进行姿态控制。通常，由于细胞核108偏置，所以核108位于保持用机械手103相向位置上(参照图18B)。这时，保持用机械手103的吸入力，可以在操作机械手104移动的同时适当地增减。而且，在脱离细胞107地时候使保持用机械手103的细管内部为正压。
图19为表示现有的其它机械手的图(参照特开平9-201783号公报)。这里，110为与操作目标物的接触部，109为加热器。在与目标物的接触面上形成了凹凸111和112，用于减小握持目标物时的相互作用力。即，通过减小与目标物的接触面积，减小了范德瓦尔斯力与表面张力的相互作用力。另外，在接触部110的附近配置了加热器109，通过对其加热使凹部112的压力与周围不同，可以实现目标物的吸附和脱离。
但是，对于图16至图18B的各种机械手的情况，由于主体为玻璃制成，柔软性不好且作业端的自由度几乎没有，所以进行细致作业时的作业性明显劣化。另外，通常这类作业在显微镜下进行，但是其视野与放大倍率成反比而变窄，难于进行作业。例如，当如图18A和18B那样，对细胞107进行姿态控制时，由于遥控操作机械手104，且只能做向上擦那样的单纯的动作，所以为了进行正确且迅速的作业需要高难度的训练才能得到的熟练。另外，转动同时必须对保持侧的机械手103的吸入力进行适当的控制，该操作中，还经常发生目标物107错位的事故。另外，在微小目标物中，相对于重力和惯性力等体力，范德瓦尔斯力、表面张力的面力相对增大，目标物附着在操作机械手上也有可能就取不下来。
图19的例子是针对这些问题的处理办法，只利用压力变化力量较小不够充分。而且，为了进行象姿势控制那样的细致操作，由于机械手自身需要较大的运动，在狭窄的视野下进行作业变得很困难。同理，也不能在牢固地握持目标物的状态下进行姿态控制的操作。另外，有时也不能忽视接触部110直接与目标物接触的影响。
【发明内容】
鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种机械手，所述机械手具有在确实握持微小目标物的状态下能够容易地进行姿态控制等细致作业的构成。
为了解决上述问题，本发明的机械手的特点为：在与操作目标物的接触部上，具有连通由流体控制机构控制压力的压力室的开口，利用该流体控制机构，通过控制经由上述开口的流体的出入，对目标物进行操作。
在这种构成中，由于通过流体控制机构控制经由开口的流体的出入而进行目标物的操作，所以即使对于细小的目标物，也可以在确实握持的状态下容易地进行姿态控制等细致的作业。开口和压力室的流体控制机构的对应关系，可以有多种，配置数个由至少1个开口组成的开口组，数组开口利用流体控制机构相互独立地控制其流体的出入，各组的开口与至少一个压力室相连通，或各个开口与各个压力室连通。为了对应于目标物的操作形式而柔软地控制经由开口的流体的出入，开口的断面积和压力室的断面积相比最好足够小。
基于上述基本构成可能有以下具体形式。
例如，在与操作目标物接触的上述接触部上，具有能够通过上述流体控制机构独立控制流体的出入的数个上述开口，可以构成上述流体控制机构，使流体从位于要移动目标物方向相反侧的上述开口喷出，或从位于要移动目标物方向同侧的上述开口吸入，或以便兼有上述两者使目标物向着所希望的方向移动。(下述图3A及图3B表示其一例。)
另外，通过在互相相向的位置上具有数个上述接触部而可夹持目标物的夹钳式机械手，在各个上述接触部上也可以配置利用上述流体控制机构控制流体出入的上述开口。(下述图10表示其一例。)
而且，具有通过嵌合于目标物而备有可夹持的沟槽的上述接触部，在上述接触部上也可以配备利用上述流体控制机构控制流体出入的上述开口。(下述图13表示其一例。)
在这种构成中，也可以构成如下的上述流体控制机构，即经由上述开口，流体从偏离于目标物重心的位置喷出、吸入或进行两个动作，产生力偶来进行目标物的姿态控制。(下述图11A至图11C表示其一例。)
另外，还可以构成如下的上述流体控制机构，即流体从和位于与运送目标物方向相反侧的相向的两侧的上述开口喷出，或流体从和位于与运送目标物方向同侧的相向的两侧的上述开口吸入，或两方面并用以实现运送目标物的动作。(下述图12A表示其一例。)
而且，还可以构成如下的上述流体控制机构，即使经由与运送目标物方向同侧和相反侧的上述开口的流体流速的数值不同地进行控制，实现运送目标物的动作。(下述图12B表示其一例。)
另外，上述压力室也可以同单体的流体滞留室和运送装置相连接。
这时，用流路阀隔开介质滞留室和压力室，相对于从压力室向介质滞留室的流体的流动可产生流路阻力。(下述图9表示其一例。)
另外，上述流体控制机构最好具有例如面向压力室的抵抗体、珀耳贴元件、作为这两个等的温度控制机构，该温度控制机构由压电元件、形状记忆合金、光驱动元件、电磁驱动元件等可通过外部来控制机械变形的元件构成，最好可使上述压力室(例如，小室)变形。(下述图8A至图8C表示其一例。)
另外，上述流体控制机构和其驱动电路、上述压力室(例如，小室)、上述开口也可以整体都由同一种材料形成，做成模块形式。(下述图7表示其一例。)
另外，对于上述流体控制机构，流体可以经由上述开口急速喷出缓慢吸入，或缓慢喷出急速吸入。流体为如生理盐水、油脂等介质，当操作目标物为细胞等活体组织时为生理盐水，当操作目标物为金属部件时为油脂。
结合附图的下述说明将使本发明的其他特征和优点更加清楚，其中所有图中相同或相似的部件使用类似的标识符号。
【附图说明】
图1是表示本发明的第一实施例的机械手的断面图。
图2是表示第一实施例的机械手的主视图。
图3A和图3B是表示使用第一实施例的机械手的微小物体操作方法的图。
图4A至图4C是表示第一实施例的流体控制机构的构成例的图。
图5A至图5C是表示第一实施例的流体控制机构的其它构成的图。
图6是表示第一实施例的流体控制机构的流量控制的构成例的图。
图7是表示将第一实施例的流体控制机构等集成化了的构成例的图。
图8A至8C是表示使用通过第一实施例的流体控制机构进行机械变形的构成例的图。
图9是表示本发明的第二实施例的机械手的断面图。
图10是表示本发明的第三实施例的机械手的断面图。
图11A至11C是利用第三实施例的机械手对目标物进行姿态控制的操作方法说明图。
图12A和12B是利用第三实施例的机械手对目标物进行运送操作的操作方法说明图。
图13是表示本发明的第四实施例的机械手的断面图。
图14是表示本发明的第五实施例的带手的机器人手臂的图。
图15是表示第五实施例的机器人手的其它构成例的图。
图16是表示现有的一般的微机械手装置的图。
图17是表示现有的装置中的除核操作的放大图。
图18A和18B是表示现有的装置中的除核作业的准备动作的图。
图19是表示其它现有例的机械手接触部的图。
【具体实施方式】
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
(第1实施方式)
图1表示本发明的第1实施例的机械手的断面图。在图1中，1是由玻璃等为基材制成的棒材。2a至2e为电热转换元件(加热器)，使用开关等机构可以通过电线5独立加热。3a至3e为压力室(小室)，平时充满了和使细胞等目标物静置的介质(例如生理盐水)相同的液体。操作时，由面向压力室3的加热器2a至2e具有加大热膨胀了的液体的压力的效果。另外，4a至4e是与压力室3a至3e相连接的开口，配置于与操作目标物的接触部上。另外，流体(介质)从开口4a至4e出入，从而进行对目标物的握持、姿势控制等操作。将开口4的断面面积设定得比压力室3的断面面积充分小。图1的断面图中描述了一维的情况，实际上开口4a至4e，也可以如图2(主视图)所示，根据作为目标的目标物和操作以适当的样式二维配置。这时，加热器2及压力室3a至3e也与开口4a至4e相对应配置。在图2的例子中，开口4a至4e的各列以错开半间距的方式配置，仿真提高图像分辨率。加热器2a至2e各个并不独立，分成数个组，每组也可以独立地进行控制。另外，也可以改变独立控制组的分配方法。另外，记号2a至2e等是为了说明方便而起的名字，并不限定其数目。
说明图2的机械手的动作例。图3A及图3B(上部表示上面，下部表示断面)为说明将用机械手抓着的目标物13进行移动操作的图。如图3A所示握持细胞等目标物13。这时的握持力，在目标物较为微小的情况下，液桥力那样的表面力占优。而且，也可以适当利用来自开口4的吸入力。现在，在图3A及图3B中如果欲由右向左移动目标物13，则从开口群11放出流体，然后由开口群12吸入流体。这时作用于目标物13的合力成为向机械手前端方向运送的力。因此，如图3B所示，目标物13可被运送到机械手的顶端。即，利用流体的控制，可使目标物滑动或滚动地移动。依次调换流体控制的开口群，可以移动比较长的距离。另外，通过分别控制向各加热器2的供电方式，可分别控制各个开口4的流量，实现细致的控制。
另外，在图1的构成中，喷出和吸入后如果不使压力室3的压力与外部相同，则不能移到下一个动作。这时，用于操作目标物13的动作快速进行，压力回复动作因自然冷却等缓慢进行，只有进行了急速动作时才能实现对目标物13的操作。
下面对流体控制机构2的构成进行说明。图4A至图4C表示流体控制机构的一个例子。在这里，14为开关，15为直流电源，从图4A的状态到图4B的状态，当关闭开关14时加热器2通电而加热加热器。这时由压力室3内的介质的热膨胀，使压力室3的内压增高，由开口4靠根据加热器的加热程度的力量压出介质。之后，如图4C所示，如果将开关14打开而停止通电，则压力室2内的温度下降，内压降低，所以吸入介质。
图5A至图5C表示相同的构成但使用别的原理的流体控制方法。这种场合下，增大加热器2的发热量，从图5C的状态向图5B的状态由急速加热令介质液体沸腾而产生气泡16。这时压力室3的内压急速增高而将介质压出到外部。而且，与图4A至图4C的情况相同，如果停止通电，则压力室3冷却介质被吸入。该例与图4A至图4C的情况相比，具有流体压出力量大的特点。
在图4A至图4C以及图5A至图5C中，单纯地利用开关14的开/关(on/off)来供电和停止供电，也可以图6所示采用pwm电路10及电力控制电路17等控制加热器2的电力。这样可以对通过开口4的介质流量和流速进行更精细地控制。
另外，图4A到图6表示采用加热器2的例子，也可以采用珀尔贴元件那样的冷却元件。这种情况下，通电时的动作与图4A至图4C的情况相反(通电时吸入)。另外，也可以如图7那样使用硅等半导体材料，并在同一材料上制作加热器和珀尔贴元件等的温度控制机构20、压力室3、开口4、pwm电路等电路19以及电器端子18。将这个模块连接到任意的机械手的顶端等并将其固定，可以简单地构成能动的机械手。
图8A至图8C表示第1实施例的流体控制机构的另外一种构成。在这里，21为压电元件，22为压电元件驱动电源。压电元件21与压力室3成为一体，如加上电场，则压电元件21变形从而压力室3发生变形。例如，如果压电元件21从图8A的状态弯曲到图8B的状态，则流体经由开口4被压出，如果如图8C所示地弯曲，则可以吸入流体。这样使压力室3变形体积发生变化，从而可以控制流体。另外图8A至图8C表示在顶板上配置了压电元件21的一个例子，如果配置于侧面等而可以使压力室3变形则也可以得到相同的效果。另外，作为驱动源表示了压电元件21，也可以使用形状记忆合金、光-机械变形转换元件、具有电磁力的传动装置等，只要是能控制压力室3的机械变形的元件即可。
在以上说明的图1等中，开口4形成于操作手的单侧面，但并不限定开口的形成位置。所有的侧面可以都有开口。另外，与操作目标物的接触面如果是机械手的前端则可以将开口4设置于前端，也可以在侧面、前端都设置开口4。另外，上面说明了处理细胞等活体的例子，在处理金属等目标物的情况下，作为介质的流体可以为油脂类。另外，流体(介质)也可以不采用液体而采用气体。
(第2实施方式)
图9为表示机械手的第2实施例的断面图。在这里，23为由玻璃等基材制成的棒材，其为中空，与未图示的操作液的储存容器相连。棒材23的中空导液管24装满操作液。另外，9a至9c为电热转换元件(加热器)，可由电线5独立加热。6a至6c为压力室，通常充满了由导液管24中导入的液体。在该压力室6a至6c和导液管24间设置了流入阀8a至8c，防止从压力室6a至6c向导液管24的逆流，操作时具有增大由加热器9a至9c加热膨胀了的液体的压力的效果。另外，7a至7c为开口，配置于与目标物的接触部，根据从那里的介质的出入进行对目标物的握持、姿态控制等操作。在这里同样，记号6a至6c，7a至7c，8a至8c，9a至9c等是为说明方便所起的名字，并不限定其数量。实际上如图2中所示，具有必要个数的开口等的组。
第2实施例与第1实施例比较，具有操作液体的介质和目标物的保存液体可以不同的优点。另外，在第1实施例中，在使用其它机构时，气泡如果不能从开口出来则压力有可能不能很好地被传递，在第2实施例中由于可从操作液的储存容器注入操作液，所以压力室6内部的气泡可以出来。另外，动作后的压力室6内的压力的回复动作也可从储存容器侧供给操作液而进行，可实现动作的高速化。
图9为前端具有开口7的构成，但并不限于此。即，如第1实施例那样，在棒材的侧面具有开口的构成也可同样，对于加热器9a至9c的配置，在图9中，虽然配置于压力室7的侧面，并不局限于此。只要能控制压力室7a至7c的温度，配置在何处都可以。另外，如果能从压力室向开口7施加适当的送压，则可以省略流入阀8a至8c。
(第3实施方式)
图10为表示机械手的第3实施例的构成图。在该实施例中，为配备有两个如第1实施例那样的机械手27和28的夹钳的构成。两个机械手27和28在与细胞等目标物13的接触部上具有多个以温度控制机构29、压力室25和开口26为一组的组，它们可以通过电线5进行控制。30为传动装置，用来进行机械手27和28的驱动。可将机械手27和28沿图10的上下方向开合，沿图10的左右方向相对错开。
在本实施例中，特别地，由于在牢固地握持住目标物13的状态下，可以对目标物13的姿态进行控制，所以说明其动作。在现有的机械手中，这样的操作如图18A及18B所示，将目标物向上擦地进行。另外，为了进行姿态控制那样的细致操作，需要减小操作机械手的接触面积，即使其尖锐。因此，因为可能损伤目标物所以有必要进行细致操作。而且，这时吸入用的吸管的吸力必须与操作机械手的动作连动，同时加减，这就需要熟练的作业。
图11A至图11C为用第3实施例的夹钳对细胞等的目标物13进行姿态控制时的动作的说明图。这里，32和33为具有多个以温度控制机构、压力室以及开口为一组的组的操作部(接触部)的示意图。在图11A至图11C中，箭头表示从开口流出的流体的流动，长度表示流速的大小。操作部32中，流体只向图中的目标物13的重心的左侧喷出，操作部33相反，流体只向目标物13的重心的右侧喷出。由以上的操作在对象13的重心周围产生力偶，如图11A至图11C所示，目标物13逆时针旋转。另外，如果流体从尽量远离目标物的重心的位置的开口喷出，或如图11A至图11C所示，随着偏离重心而增大流速，则可以得到更大的旋转力。因为微小物惯性较小且有惰性所以不会越出，比较容易确定位置。另外，在图11A至图11C中说明了喷出流体的情况，但是也可以使用流体的吸入。这时，可从在图11A至图11C中没有使用的与喷出开口相向侧的喷出开口吸入流体。
用这样的方法，对目标物13的姿态进行控制的情况下，与使用尖锐的操作针进行操作的图18A及图18B中显示的现有的方法相比，损伤目标物的危险性降低，比较安全。另外，由于在用2个操作手27和28确实保持的状态下，可以对目标物进行操作，所以可以更确实地进行操作。
图12A及图12B为表示运送握持着的目标物13的动作例的图。在图12A中，介质从位于目标物13后方的相向开口喷出，将目标物向前方运送。在这里，利用了如箭头所示从两侧压出的流体相遇，在其前方形成了将目标物13向前压出的流的原理。在图12B中，在目标物13的前方和后方产生了流速不同的流。在这里，由伯努力定理利用流速快则压力小的原理，在前方产生负压从而将目标物13运送到前方。
以上的本实施例的机械手，也可以如第2实施例，为配备有操作介质的储存容器，运送操作介质的构成。另外，在第3实施例中，也可以通过用传动装置30驱动2个机械手27和28，进行与现有的机械手相同的动作及其组合。例如，也可以使用流体控制机构对目标物进行姿态控制，固定现有的方法的1个机械手，而使用另一个机械手的并进运动将目标物向前方压出。
(第4实施方式)
图13表示第4实施例的机械手的前端部。34为玻璃等制成的细棒。棒材34的前端设置了与目标物13大小相对应握持用的凹部36。在凹部36的内侧，排列着多个由流体控制机构、压力室和开口组成一组的组35。可以使流体控制机构的构成与第1实施例中所示的几个例子同样。
关于操作方法，与第3实施例相同，使用相向的流体控制机构、压力室以及开口为一组的组35，可以进行对目标物13的姿态控制及运送。当握持微小目标物13时，如果将目标物嵌合在凹部36上，则可以利用表面间作用力握持。另外，若以流体控制机构，压力室以及开口为一组的组35适当地吸引，可以较可靠地握持。进而，也可以如第2实施例那样配备操作介质储存容器，来运送操作介质。如以上所示，可在本实施例中握持微小物，从而进行姿态控制的基本操作。另外还具有构成比较简单的特点。
(第5实施方式)
图14表示第5实施例的装有机械手的机器人手臂的图。在这里，37、38、39为第1、2实施例中所示的机械手，40、41、42、44为可弯曲的关节，43为将臂的长轴作为旋转轴的可旋转关节，45表示机器人手臂的回转台。
目前的一般组装机器人，主流是在43至45那样的机器人手臂的前端部装有用于吸入目标物的吸入器的机器人。在那样的机器人中，握持部件，在其它场所进行组装操作。但是，这样的机器人，由于不能对部件实施大范围姿态控制，所以必须事先将部件整齐地排列在托板等上，这样增加了多余的工序从而导致成本的增加。在本实施例的具有手的机械人手臂中，握持住部件的同时，操作者可以实施和手动操作同样的姿态控制动作，可省略整齐排列于托板上的多余操作。
另外，在图14中虽然描述了3个前端的机械手，但并不限定个数。1个以上就可以。通常，在多指机械指中，如果有3个就可以牢固握持3维物体。另外，为了保持牢固握持状态的同时用指部进行手动操作有4个即可。在本实施例中，用3个就可以牢固地握持着进行手动操作。另外，对于臂部并不限于图14所示的多关节机器人。例如，也可采用捡拾和放置中经常使用的图15所示的标量型构成。在这里，将本发明的机械手搭载在机械手部46上。
如上所述，如果采用本发明适当的实施方式的机械手，则不论较大的目标物还是细微的目标物，都可以在确实地把持目标物的状态下，容易地进行姿态控制等细致操作。
由于不脱离本发明的精神和范围，可以产生许多明显不同的实施例，因此，可以理解，本发明并不限于权利要求书中所述的具体实施例。