JP2005081538A - マニピュレータおよびこれを備えた装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な駆動力を確保できるとともに、小型化を促進できるマニピュレータおよびこのマニピュレータを備えた装置を提供すること。
【解決手段】 球状凹面２１を球状中心Ｃを中心に回動可能に支持し、球状凹面２１の内側に圧電アクチュエータ５の凸部５１１を当接させる。圧電アクチュエータ５は、球状凹面２１と球状中心Ｃとの間に配置する。圧電素子５２に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ５が振動して凸部５１１が球状凹面２１を押圧し、移動体２を任意の方向に移動させる。球状凹面２１が球体の一部を利用した凹面となっているので、移動体２を小型化しても大きな球状半径Ｒを確保でき、外力に対して凸部５１１における摩擦力が低減されて外力に強くなるとともに、凸部５１１の駆動力に対して大きなトルクが得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マニピュレータおよびこれを備えた装置に関する。

溶接作業や組立作業など様々な作業に利用される産業用のマニピュレータとしては、例えば複数の関節が設けられているものがある（例えば特許文献１）。このマニピュレータでは、それぞれの関節は一軸周りに回動可能となっており、この関節を複数（例えば四つ）設けてそれぞれの関節の回動角度を調整することにより、アーム先端の位置を三次元に制御するものである。このようなマニピュレータでは、一つの関節の自由度が一軸であるため、関節の構造は簡単になるものの、多軸を実現するために関節を複数設けなくてはならず、マニピュレータ全体がある程度大型になってしまう。また一軸周りの回動運動を組み合わせて三次元の移動を行うので、可動範囲に限界がある。

一方、一つの関節で多軸の移動を可能としたマニピュレータとしては、アームの端部に球体の可動子を設けてこの可動子を圧電アクチュエータで駆動するものがある（例えば特許文献２）。このマニピュレータは、圧電アクチュエータの先端部を可動子に当接し、先端部を振動させて可動子を繰り返し押圧することにより、可動子を摩擦力によって回動駆動するものである。このような構成によれば、可動子を任意の方向に駆動できるので、一つの関節の自由度が高くなり、可動範囲も広がる。また一つの関節で任意の方向の移動が可能なので、必要な関節数を減らすことができ、マニピュレータの小型化にも良好に対応できる。

特開平１１−２６２８８９号公報 （第１図） 特開平９−３１４４８４号公報 （第３−５頁、第１図）

しかしながら、このようなマニピュレータでは、さらなる小型化を促進するには、可動子の球体半径を小さくする必要がある。このため、可動子の回転半径が小さくなり、圧電アクチュエータが可動子の外周を押圧したときに可動子の中心周りに得られるトルクが小さくなってしまい、アーム先端での駆動力を大きくすることができない。また反対に、外部からアーム先端にかかる荷重に対しては、外力による可動子外周での反力が大きくなり、小さな外力で可動子外周と圧電アクチュエータとの接触部分が滑り、アームの保持力が減少してしまうという問題がある。

本発明の目的は、必要な駆動力を確保しながら小型化を促進できるマニピュレータおよびこのマニピュレータを備えた装置を提供することにある。

本発明のマニピュレータは、球状凹面を有する移動体と、この移動体を球状凹面の球状中心で回動可能に支持する支持手段と、球状凹面に当接されて移動体を回動駆動する駆動手段と、支持手段および駆動手段を固定する固定手段とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、駆動手段が球状凹面に当接されて移動体を駆動すると、移動体が球状凹面の球状中心を中心として回動する。これにより、移動体が任意の方向に移動可能となり、マニピュレータの可動範囲が広くなる。
また、移動体と駆動手段との当接部分が球状凹面となっており、球体の一部を利用して球状凹面を形成すれば完全な球体を形成する必要がないので、移動体を小さくした場合でも球状凹面の球状半径、つまり球状凹面の回動半径を大きく取ることが可能となる。これにより、駆動手段の駆動力により球状中心周りにかかるトルクが大きくなるので、駆動手段で完全な球体を駆動する場合に較べて、必要な駆動力を確保しながらマニピュレータの小型化を促進することが可能となる。

反対に、マニピュレータを小型化しても球状凹面の球状半径を大きく取ることが可能となるので、外力に対して移動体と駆動手段との当接部分にかかる反力が小さくなる。これにより、外力に対する当該当接部分の滑りが良好に防止され、マニピュレータの姿勢保持力が向上する。
ここで、球状凹面の球状中心とは、球状凹面を延長してできる仮想球体の中心をいう。また、球状半径とは、球状凹面を延長してできる仮想球体の半径をいい、球状中心から球状凹面までの距離をいう。
さらに、駆動手段が球状凹面に当接されるので、駆動手段が球状凹面の球状中心側に配置される。したがって、駆動手段が球体外側に配置される場合とは異なり、球状内部のスペースを利用することができるので、スペース効率が向上し、これによってもマニピュレータの小型化が促進される。

本発明では、駆動手段を球状凹面に押圧する押圧手段が設けられることが望ましい。
この発明によれば、駆動手段に押圧手段が設けられているので、駆動手段が球状凹面に対して常に所定の押圧力を有して接触する。したがって、駆動手段の駆動力が効率よく移動体に伝達される。また、押圧手段によって駆動手段の押圧力が一定になるので、移動体が安定して移動する。

本発明では、駆動手段は、球状凹面と、球状凹面の球状中心との間に配置されていることが望ましい。
この発明によれば、駆動手段が球状凹面と球状凹面の球状中心との間に配置されているので、駆動手段が球状凹面の球状半径内に収納されることとなる。したがって、マニピュレータの小型化がより一層促進される。また、移動体を球状中心で回動可能に支持するためには、例えば移動体を球状中心から伸びるアームで支持するなどの方法が簡単であるが、このような構造の場合でも駆動手段が球状中心に干渉することなく配置されるので、移動体の支持機構が簡単になる。

本発明では、駆動手段は、補強板と、この補強板の両面に固定された圧電素子と、補強板に一体的に形成されるとともに球状凹面に当接される当接部とを備えて構成されていることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子に繰り返し電圧を印加すると、圧電素子が振動する。この振動が補強板に伝達され、当接部が振動する。当接部は、球状凹面に当接されているので、この球状凹面を繰り返し押圧することにより、球状凹面を所定の方向に移動させる。駆動手段が圧電素子の振動を利用した駆動方法を採用しているので、電磁モータなどを使用する場合と異なり磁界が発生せず、磁界によって影響を受ける環境下での使用においても電磁ノイズを発生せず、環境に影響を及ぼすことなく動作が可能である。また反対に、電磁ノイズが存在する環境下での使用においても外部の電磁ノイズから影響を受けることなく良好に動作する。

また、圧電素子は振動振幅が微小であるので、移動体の移動量も小さくなる。したがってマニピュレータが微細な作業に対しても良好に対応可能となる。
さらに、電源を遮断した場合には、当接部と球状凹面とが互いに接触した状態で両者の摩擦力によって姿勢が保持される。これにより、姿勢保持の状態では電力の投入が不要となるので、マニピュレータの消費電力が低減される。
圧電素子を補強板の両面に固定した構造なので、少ない部品点数で駆動手段が構成される。また圧電素子は小さな寸法で比較的大きな駆動力を発生するので、必要な駆動力を確保するための圧電素子の寸法が小さくなり、よってマニピュレータの薄型化および小型化が促進される。

本発明では、前述のマニピュレータが複数個接続して構成されるマニピュレータであって、互いに接続される一対のマニピュレータでは、一方のマニピュレータの移動体に他方のマニピュレータの固定手段が接続されていることが望ましい。
この発明によれば、移動体と固定手段とが接続されることにより、複数のマニピュレータが直列に連結される。したがって端部のマニピュレータでは、各々の移動体の移動量が重ね合わされて移動量がより大きくなる。したがってマニピュレータの可動範囲がより一層広くなる。
ここで、移動体と固定手段とが接続されるものとしては、長さ調整や形状調整などのために移動体と固定手段との間にアームなどが介装されているものも含まれる。

本発明では、複数のマニピュレータの複数の駆動手段は、それぞれ別々の駆動信号で駆動可能に構成されていることが望ましい。
この発明によれば、複数の駆動手段がそれぞれ別の駆動信号で駆動可能に構成されているので、それぞれの移動体を別々の方向、角度に調整可能となる。したがって、複数のマニピュレータによってより細やかな動きが実現され、マニピュレータの可動範囲が広がるとともに、動作が柔軟になる。これにより例えば複雑な形状の対象物に対してもマニピュレータの位置決めが容易となり、様々な状況に対応可能となるので、マニピュレータの汎用性が向上する。

本発明の装置は、前述のマニピュレータを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、装置が前述のマニピュレータを備えているので、前述の効果と同様の効果を奏し、十分な駆動力が確保されるとともに小型化が促進される。また、マニピュレータの小型化を促進しても外力に対する抵抗力が十分確保される。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。

〔第一実施形態〕
図１には、第一実施形態にかかるマニピュレータ１の斜視図が示されている。また、図２には、マニピュレータ１の分解斜視図が示されている。これらの図１および図２において、マニピュレータ１は、球状凹面２１を有する移動体２と、この移動体２を回動可能に支持する支持手段３と、この支持手段３を固定保持する固定手段４と、球状凹面２１に当接されて移動体２を移動させる圧電アクチュエータ（駆動手段）５とを備えている。

移動体２は、ステンレス鋼やその他任意の材料で構成された略円盤状部材であり、一方の面には球状半径Ｒの球状凹面２１が形成されている。この球状凹面２１には、鏡面仕上げが施されており、圧電アクチュエータ５との当接部分における摩擦負荷が軽減されるとともに、球状凹面２１および圧電アクチュエータ５両者の摩耗が低減されている。
移動体２の球状凹面２１とは反対側の面には、図示しないアームなどを取り付けるための雄ねじ２２が突出して設けられている。

支持手段３は、球体３１と、一端が移動体２に固定され他端が球体３１に回動可能に支持される保持アーム３２とを備えている。
球体３１は、その中心が球状凹面２１の球状中心Ｃ（図１参照）に一致するように配置されている。球体３１には中心を通るように棒状の支持部材３１１が貫通しており、この支持部材３１１の両側が固定手段４に固定されている。

保持アーム３２は、二つ（複数）設けられ、それぞれ略Ｖ字形に形成されている。保持アーム３２の先端部には、リング状の係止部３２１がそれぞれ形成されており、この係止部３２１が移動体２の外周面にねじ止めなどされている。この時係止部３２１は、移動体２の外周に対して互いに等間隔に（本実施形態では移動体２の外周面に約９０°間隔で）配置され、これにより移動体２が安定して保持されている。
保持アーム３２の基端部には、球体３１に対して摺動するリング状の摺動部３２２がそれぞれ形成されている。二つの摺動部３２２は、球体３１を挟んで対向して配置され、摺動部３２２の外周部分がねじ止めされることにより球体３１の両側に摺動可能に固定されている。摺動部３２２の互いに対向する面には、リング状の内周に沿って傾斜面３２３が形成されており、これらの傾斜面３２３が球体３１に当接されることにより、保持アーム３２が安定して固定され、かつ安定して摺動可能となっている。
ここで、球状凹面２１は球体３１が設けられた側に配置されている。このような構造の支持手段３により、移動体２は球体３１の中心つまり球状凹面２１の球状中心Ｃを中心に回動可能に支持される。

固定手段４は、ステンレス鋼、その他任意の材料で構成されており、円盤状の基台４１の平面から軸方向に平行な方向に突出する取付部４２が対向して設けられ、全体として略Ｕ字形に形成されている。取付部４２において互いに対向する面は互いに平行な平面に形成され、反対側の面は基台４１の外周から連続して断面円弧状に形成されている。
対向する取付部４２の間には支持手段３が配置され、取付部４２の基端側には、球体３１の支持部材３１１両端がそれぞれ固定されている。また取付部４２の先端側には、圧電アクチュエータ５を保持するための取付孔４４が形成されている。基台４１の略中央には、図示しないアームなどを取り付けるための雌ねじ４３が形成されている。

図３には、圧電アクチュエータ５の斜視図が示されている。また図４には圧電アクチュエータ５の取付部４２への取付構造が示されている。これらの図３および図４に示されるように、圧電アクチュエータ５は、略矩形平板状に形成された補強板５１と、この補強板５１の表裏両面に設けられた平板状の圧電素子５２とを備えている。
補強板５１は、ステンレス鋼、その他任意の材料で構成され、短辺の幅方向略中央には補強板５１の長手方向に突出する略半円形状の凸部５１１が形成されている。凸部５１１の先端は球状凹面２１に当接され、圧電アクチュエータ５の長手方向は、球状凹面２１の接線方向にほぼ直角に（つまり球状凹面２１の径方向に沿うように）配置されている。

また、補強板５１の長手方向略中央には、幅方向両側に腕部５１２が一体的に形成されている。腕部５１２は、補強板５１からほぼ直角に突出しており、これらの端部は、取付孔４４に挿通されている。ここで、取付孔４４には、取付部４２の外側の面（互いに離反する面）に形成された長孔状の溝４１１と、取付部４２の内側（一対の取付部４２の間の空間）と溝４１１とを連通する連通孔４１２とを備えている。腕部５１２は連通孔４１２を貫通して溝４１１内に突出している。溝４１１には圧電アクチュエータ５の長手方向に平行な方向にばね（押圧手段）４５が設けられており、このばね４５により、圧電アクチュエータ５の腕部５１２は移動体２側に所定の付勢力で付勢されている。つまり、このばね４５の付勢力により、凸部５１１は所定の押圧力で移動体２の球状凹面２１に当接されている。

ここで、取付孔４４は球体３１よりも取付部４２の先端側に取り付けられているため、圧電アクチュエータ５は、球体３１と移動体２との間に配置されることとなり、移動体２の球状半径Ｒ内に収納される。また、支持手段３の保持アーム３２は、圧電アクチュエータ５や取付部４２先端側に干渉しない範囲で回動可能となっている。つまり反対に、取付部４２の形状や、圧電アクチュエータ５の配置、保持アーム３２の形状などを設定する際には、移動体２に必要な回動範囲が確保できるように適宜設定することが必要となる。
なお、四つの保持アーム３２は圧電アクチュエータ５を囲うように配置されているので、圧電アクチュエータ５を外乱から保護する保護手段も兼ねている。

圧電素子５２は、補強板５１の両面の略矩形状部分に接着されている。圧電素子５２の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム等の各種のものを用いることができる。また、圧電素子５２の両面には、ニッケルおよび金などがめっき、蒸着、スパッタなどの方法によって形成されている。これらの電極は、溝によって互いに電気的に絶縁されて、長手方向に沿った中心線を軸として線対称に複数形成されている。つまり、圧電素子５２の電極は、長手方向に沿って形成された溝によって幅方向にほぼ三等分され、分割された三つの電極のうち両側の電極ではさらに長手方向略中央に溝が形成されることによりほぼ二等分されている。これらの溝により、圧電素子５２の表面には電極５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅが形成される。これらの電極５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅおよび補強板５１は、それぞれリード線などによって図示しない印加装置に接続されている。

なお、これらの電極５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅは、補強板５１を挟んで設けられた表裏両方の圧電素子５２に同様に設けられており、例えば電極５２Ａの裏面側には電極５２Ａが形成されている。
ここで、印加装置は、電極５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅにそれぞれ別位相の印加電圧や、振幅、周波数の異なる電圧を印加可能に構成されている。また、印加装置は、補強板５１の両面の電極５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅに対してもそれぞれ別の電圧を印加可能に構成されている。つまり、例えば補強板５１両面に形成された二つの電極５２Ａにはそれぞれ別の電圧を印加可能となっている。

圧電素子５２の寸法や、厚さ、電極の分割形態などは、圧電素子５２に繰り返し電圧が印加された時に、圧電素子５２が長手方向に伸縮する、いわゆる縦振動と、圧電素子５２の平面中心に対して点対称に、面内で縦振動に直交する方向に屈曲する、いわゆる屈曲振動とが同時に現れるように適宜設定される。この時、縦振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とは互いに近接するように設定されていることが望ましく、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は、１．００より大きく、１．０３以下であることが望ましい。また、圧電素子５２の長辺と短辺との長さ比は、長辺を１とすると短辺が０．２７４以上であることが望ましい。

なお、圧電素子５２の短辺が０．２７４よりも小さい場合には、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数よりも大きくなり、良好な楕円軌道を描くことができない。この時、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は１．００以下である。また、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が１．０３より大きい場合には、縦振動の共振点と屈曲振動の共振点が離れてしまい、両振動の振幅を同時に良好にすることができない。
圧電素子５２に印加される電圧の周波数は、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間、より好ましくは反共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間で両方の振動が良好に現れる周波数を適宜選択する。なお、圧電アクチュエータ５に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波などを採用できる。

図５には、圧電アクチュエータ５を平面方向に駆動する場合の図が示されている。この図５において、移動体２を圧電アクチュエータ５の平面方向に移動させる場合には、凸部５１１を当該平面内で振動させる。つまり、印加装置によって表裏両面の圧電素子５２に同位相の繰り返し電圧を印加すれば、両面の圧電素子５２の振動挙動が補強板５１に対して対称となり、圧電アクチュエータ５が補強板５１や圧電素子５２の板状平面に平行な平面内で振動する。この時表裏両面の電極５２Ａ，５２Ｃ，５２Ｅのみに選択的に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ５は主に電極５２Ｃによって縦振動が励振され、また主に電極５２Ａ，５２Ｅによって屈曲振動が励振される。これらの縦振動および屈曲振動が同時に出現することにより、凸部５１１は縦振動および屈曲振動を組み合わせた楕円軌道Ａを描いて振動する（図５の二点鎖線参照）。凸部５１１は、楕円軌道の一部で球状凹面２１に押し付けられて、球状凹面２１との摩擦力によって移動体２を球状中心Ｃを中心として間欠的に回動させる。この移動を所定の周波数で繰り返し行うことにより、移動体２は圧電アクチュエータ５の平面方向に所定の速度で回動する。
移動体２を反対方向に移動させるには、電圧を印加する電極を幅方向中心線に対して線対称に切り替える。つまり、電極５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄに電圧を印加する。すると、凸部５１１は前述の方向とは反対方向に楕円軌道を描き、球状凹面２１を反対方向に押圧して移動体２を移動させる。

図６には、移動体２を圧電アクチュエータ５の平面方向に直交する方向に移動させる場合の図が示されている。この図６に示されるように、移動体２を平面方向に直交する方向に移動させる場合には、一方の圧電素子５２の全面（全ての電極５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅ）に電圧を印加し、他方の圧電素子５２全面には一方の圧電素子５２に印加した電圧の周波数とは異なる位相の電圧（例えば１０°遅れた位相の電圧）を印加する。すると、一方の圧電素子５２が伸びるときに他方の圧電素子５２が縮むので、補強板５１が縮んだ圧電素子５２側に反り、圧電アクチュエータ５全体としては、板状平面に直交する方向にうねるように振動する（図６の二点鎖線参照）。この振動により、凸部５１１は、圧電アクチュエータ５の平面方向に直交する面内で楕円軌道Ｂを描いて振動し、球状凹面２１を押圧することにより当該方向に移動体２を移動させる。
このように、圧電アクチュエータ５の平面方向の移動および平面方向に直交する方向の移動を組み合わせることにより、移動体２を任意の方向に移動させる。これにより、移動体２の先端位置を変更したりして動作させることができる。

図７には、移動体２が外力Ｆを受けた場合に、圧電アクチュエータ５の凸部５１１が球状凹面２１との間で受ける摩擦力による反力Ｆｓが示されている。この図７において、例えば移動体２の雄ねじ２２にアーム２３を取り付け、アーム２３先端に外力Ｆが負荷されることを考える。球状凹面２１の球状中心Ｃから外力Ｆの作用点までの距離をＬとすると、外力Ｆによって球状中心Ｃ周りに発生するトルクＴはＴ＝ＦＬとなる。一方、凸部５１１と球状凹面２１との接触位置から球状中心Ｃまでの距離は、球状凹面２１の球状半径Ｒと一致するので、凸部５１１が外力Ｆによって受ける摩擦力による反力Ｆｓは、Ｆｓ＝Ｔ／Ｒ＝Ｆ・（Ｌ／Ｒ）となる。
これより、Ｌ／Ｒが小さいほど凸部５１１が球状凹面２１との接触位置において受ける反力Ｆｓが小さくなることがわかる。つまり、Ｌが一定である場合では、球状半径Ｒが大きい方が外力Ｆによって受ける反力Ｆｓが小さくなる。
反対に、凸部５１１の駆動力によって移動体２を移動させる場合には、球状半径Ｒが大きくなると、アーム２３において駆動力に対して得られるトルクＴが大きくなる。

さらに、支持手段３の球体３１の半径をｒとすると、移動体２が移動する際に凸部５１１の駆動力によって保持アーム３２と球体３１との間に生じる摩擦負荷はＲ／ｒが大きいほど小さくなる。つまり、球状半径Ｒが一定の場合には、球体３１の半径ｒが小さい方が保持アーム３２との摩擦負荷を低減できる。
したがって、これらを考慮してアーム２３の長さ（つまり外力Ｆの作用点）や、球状凹面２１の球状半径Ｒ、球体３１の半径ｒなどを設定することが重要となる。

このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 圧電アクチュエータ５の当接面が球状凹面２１となっており、補強板５１両面の圧電素子５２についてそれぞれ電極５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ，５２Ｅを選択したり電圧位相をずらしたりすることによって移動体２を任意の方向に回動移動させることができる。したがって、マニピュレータ１の可動範囲を広くすることができ、汎用性を向上させることができる。

(２) 圧電アクチュエータ５と移動体２との当接面が、球体の一部分のみを利用した球状凹面２１となっているので、移動体２を小さく構成した場合でも球状凹面２１の球状半径Ｒを大きくすることができる。よって、圧電アクチュエータ５の駆動力が小さくても比較的大きなトルクを得ることができるので、凸部５１１との当接面を完全な球体にする場合に較べて、必要な駆動力を確保しながらマニピュレータの小型化を促進することができる。
反対に、マニピュレータ１を小型化しても球状凹面２１の球状半径Ｒを大きく取ることができるので、外力Ｆに対して移動体２と圧電アクチュエータ５との当接部分にかかる反力Ｆｓを小さくすることができる。これにより、外力Ｆに対する当該当接部分の滑りを良好に防止でき、マニピュレータ１を確実に所望の姿勢で保持できる。

(３) 圧電アクチュエータ５がばね４５によって移動体２側に付勢されているので、凸部５１１が所定の押圧力で球状凹面２１を押圧できる。したがって、圧電アクチュエータ５の振動を良好に球状凹面２１に伝達でき、駆動力伝達効率を向上させることができる。また、ばね４５によって凸部５１１が一定の押圧力で球状凹面２１に当接されるので、安定した駆動力を得ることができる。
また、製造上の寸法誤差や組付による位置決め誤差などによって圧電アクチュエータ５と球状凹面２１との相対位置にばらつきが生じても、ばね４５によってそのばらつきをある程度吸収できるので、複数のマニピュレータ１間の品質のばらつきを抑制できる。反対に、ばね４５によって製造上の寸法誤差や組立誤差などを吸収できるので、寸法精度を厳密に管理する必要がなく、これによってマニピュレータ１の製造コストを低減できる。

(４) 圧電アクチュエータ５が球状凹面２１に対して球面内側から当接されているので、球状凹面２１内のスペースを有効に利用でき、マニピュレータ１の小型化をより一層促進できる。またこの時圧電アクチュエータ５が球状凹面２１と球体３１との間でかつ複数の保持アーム３２で囲まれた空間内に配置されているので、圧電アクチュエータ５を球状半径Ｒ内に収納することができ、マニピュレータ１全体を球状半径Ｒ程度の寸法に収めることができる。これによってもマニピュレータ１の小型化を促進できる。

(５) 移動体２を移動させる駆動手段が圧電素子５２を備えた圧電アクチュエータ５となっているので、例えば電磁モータなどと比較して小型で大きなトルクを得ることができ、マニピュレータ１の小型化、薄型化を促進できる。
圧電素子５２は、振動中にも電磁波を発生しないので、電磁モータとは異なり、電磁波に影響を受ける環境下においても電磁ノイズを発生しない。よって環境に影響を与えることなく良好に駆動できる。また反対に、圧電アクチュエータ５が外部の電磁ノイズから影響を受けることがないので、電磁ノイズが存在する環境下でも問題なく使用できる。よってマニピュレータ１の汎用性を向上させることができる。

(６) 圧電素子５２の微小な振動によって移動体２を移動させるので、印加電圧の印加パルス数などを調整することで移動体２の位置を微調整でき、移動体２の微細な動きを実現できる。したがって、移動体２の位置決め精度を向上させることができ、マニピュレータ１を微細な作業を要する装置に適用した場合でも、良好に対応できる。

(７) 圧電素子５２への電圧印加の電極やタイミング（位相）を制御することによって圧電アクチュエータ５の平面方向およびこの平面方向に直交する方向に移動体２を移動させることができる。これらの移動を組み合わせることによって一つの圧電アクチュエータ５で移動体２を任意の方向に移動させることができる。例えば駆動手段として電磁モータなどを使用する場合では、移動体を二方向に移動させるために二つの電磁モータが必要となる。ところが、本実施形態のように圧電アクチュエータ５を使用すれば、一つで移動体２を任意の方向に駆動できるので、駆動手段の構造を簡単にできるとともに、製造コストを低減でき、また、駆動手段の占有スペースが小さくなるのでマニピュレータ１の小型化をより一層促進できる。
球状凹面２１と凸部５１１とが接触し、互いの摩擦力によって移動体２を移動させるので、印加装置の電源が遮断された場合でも、凸部５１１が球状凹面２１に接触して互いの摩擦力によって移動体２を現在位置で保持できる。したがって電磁モータの場合とは異なり、移動体２の位置を保持する場合に電力消費が不要となるので、マニピュレータ１の省電力化を促進できる。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態のマニピュレータ１を複数直列接続して管などの内部の様子を撮影、検査する検査装置（装置）１１を構成したものである。
図８には、第二実施形態にかかる検査装置１１の外観図が示されている。この図８において、検査装置１１は、円筒状のケース６１が複数個（図８では四つ）直列に配置されている。ケース６１内部には、第一実施形態のマニピュレータ１がそれぞれ収納されており、これらのマニピュレータ１が互いに連結されることで隣接するケース６１が連結されている。また連結されたケース６１の端部には、ＣＣＤカメラ６２が取り付けられている。

図９には、ケース６１内部に収納されたマニピュレータ１が示されている。この図９において、互いのマニピュレータ１は、移動体２の雄ねじ２２と固定手段４の雌ねじ４３とを螺合させることによって接続され、全体として棒状のマニピュレータを構成している。ここで、マニピュレータ１の接続個数は、検査装置１１による所定の検査に必要な個数（図９では三つのみを示す）を選定し、直列に接続すればよい。
それぞれのマニピュレータ１の圧電アクチュエータ５は、別々の印加装置に接続されており、これにより複数の圧電アクチュエータ５はそれぞれ別々に駆動信号を受信可能に構成され、それぞれ別々に駆動可能となっている。印加装置やその他の配線などは、それぞれのマニピュレータ１が収納されたケース６１内に収納されている。
なお、隣接するマニピュレータ１間の距離を長くしたい場合には、隣接する移動体２と固定手段４との間に例えば円柱状や棒状のアームなどを接続すれば、所望の長さのマニピュレータ１を得ることができる。

図１０は、検査装置１１の使用例を示した図である。この図１０において、検査装置１１は管６３内の様子をＣＣＤカメラ６２によって撮影し、管６３内を検査するものである。このような検査装置１１では、複数のマニピュレータ１の圧電アクチュエータ５をそれぞれ個別に駆動することによって管６３内の形状に合わせてマニピュレータ１の角度を調節し、管６３内に進入させる。

このような第二実施形態によれば、第一実施形態の(１)〜(７)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(８) 複数のマニピュレータ１が直列に複数接続されることで棒状のマニピュレータを構成しているので、先端のＣＣＤカメラ６２においては、複数のマニピュレータ１の移動体２の移動角度を足し合わせた大きな変位が得られる。したがって検査装置１１の可動範囲を広くすることができる。

(９) 複数の圧電アクチュエータ５にそれぞれ別々の印加装置が接続され、これらの圧電アクチュエータ５を別々に駆動できるので、複数の移動体２の回動角度をそれぞれ別個に設定できる。したがって、検査装置１１が様々な形状に変形できるので、管６３内のような複雑な形状に対しても良好に変形して進入できる。これにより、検査装置１１の適用範囲を広げることができ、マニピュレータ１の汎用性を向上させることができる。

〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、第一実施形態のマニピュレータ１を用いてロボットのハンド（装置）１２を構成するものである。
図１１には、第三実施形態にかかるハンド１２の斜視図が示されている。この図１１において、ハンド１２は、掌７１と、この掌７１から突出する三本の指７２とを備えている。指７２は、第一実施形態と同様のマニピュレータ１がそれぞれ三つ直列に接続されて構成され、その先端には指先７３が取り付けられている。直列接続された三つのマニピュレータ１は、圧電アクチュエータ５の平面方向が互いに平行となるように配置され、同一の印加装置に接続されている。一つの指７２について一つずつ設けられた印加装置は、マニピュレータ１の動作を制御する制御手段に接続されている。

指先７３には、対象物に対しての位置を検出する位置検出手段（図示せず）がそれぞれ設けられている。位置検出手段は、指先７３が受ける反力（荷重）を、検出素子にかかる圧力などから検出する触覚センサであり、それぞれ制御手段に接続されている。このような位置検出手段では、指先７３において所定の反力を検出すると、検出信号を制御手段に送信するように構成されている。
なお、位置検出手段は指先７３が受ける反力を検出するものに限らず、例えば近接センサやその他任意の方式のものが採用できる。

このようなハンド１２においては、制御手段から各印加装置に駆動指令を出力すると、印加装置はこの駆動指令に応じて各圧電素子５２に所定の電圧を印加する。各マニピュレータ１は、圧電アクチュエータ５を駆動して移動体２を移動させる。この時、一本の指７２に接続された三つの圧電アクチュエータ５は同じ向きに配置されているので、三つの移動体２は全て同じ方向に傾斜する。この動作により、指７２が所定の方向に曲がる。なお、印加装置はそれぞれの指７２に設けられているので、指７２の曲げ角度は一本ずつ制御できる。

図１２は、ハンド１２の使用例を示す図である。この図１２において、掌７１に円柱状部材７５を当接して指７２を曲げると、指７２が円柱状部材７５を掴む。指先７３の位置検出手段は、円柱状部材７５から所定の反力（荷重）を検出すると検出信号を制御手段に送信する。制御手段では、この検出信号に基づいて印加装置に駆動停止指令を送信し、この駆動停止指令により各マニピュレータ１の駆動が停止する。マニピュレータ１はそれぞれ移動体２の回動角度を維持するので、ハンド１２は円柱状部材７５を掴んだ状態で保持する。
また、ハンド１２が球体７６を掴む場合でも、指７２が曲がる方向、つまり移動体２の移動方向を適宜設定しておけば、球体７６を安定して掴むことができる。

このような第三実施形態によれば、第一実施形態の(１)〜(７)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(10) 指７２にマニピュレータ１が複数個直列に接続されているので、第二実施形態の(８)の効果と同様に、指先７３において移動体２の移動角度を足し合わせた大きな変位を得ることができる。したがって、指７２の可動範囲を大きくすることができ、ハンド１２の可能動作範囲を広くすることができる。

(11) 一本の指７２に設けられた複数のマニピュレータ１を共通の印加装置に接続し、同一の駆動信号で駆動しているので、必要な印加装置の数を低減できる。したがって、ハンド１２の小型化を促進できる。また、一つの印加装置で一本の指７２を駆動できるので、指７２を曲げて物をつかむといった単純な動作を効率よく行うことができる。

なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
圧電アクチュエータの電極配置は五分割のものに限らず、必要な駆動力、振動軌跡などを勘案して適宜設定できる。また、圧電アクチュエータの電極配置は、幅方向中心線に対して線対称なものに限らない。
圧電素子は、補強板の両面に貼設されていたが、これに限らず例えば補強板の片面のみに固定されていてもよい。この場合には、平面方向に駆動する場合には、両面に貼設されている場合と同様に電極を選択して駆動し、平面方向に直交する方向に駆動する場合には片面の圧電素子全面に繰り返し電圧をかければ、補強板との間に振動振幅の差が生じて圧電アクチュエータが厚み方向に屈曲する。

圧電アクチュエータの構造は、前述のように補強板の両面あるいは片面に圧電素子が貼設されているものに限らず、例えば補強板に圧電素子が複数枚積層されている構成であってもよい。この場合には複数の圧電素子により、大きな駆動力を得ることができる。
また、補強板が設けられておらず、圧電素子のみが複数枚積層されて圧電アクチュエータが構成されるものであってもよい。この時、球状凹面に当接される当接部が最上層の圧電素子平面から積層方向に突出するように設けられていてもよい。この場合には、圧電素子表面に複数の電極を形成し、電極を適宜選択して電圧を印加して当接部を振動させればよい。なお、例えば当接部を圧電素子平面の略中央に配置して電極を四等分に分割すれば、電極を選択することによって当接部を直交する二方向に対して同じ軌跡で振動させることができるので、当該二方向に対して等しい駆動力を得ることができる。
さらに、圧電素子は、板状に形成されているものに限らず、例えばブロック状に形成されていてもよい。

圧電アクチュエータの駆動方法は、平面方向に駆動する場合に電極を選択して同位相の電圧を印加するものに限らず、例えば第一実施形態の電極５２Ａ，５２Ｂと電極５２Ｄ，５２Ｅに異なる位相の電圧を印加することによって凸部５１１に楕円軌道を描かせるものであってもよいし、あるいは電極５２Ａと電極５２Ｅのみに異なる位相の電圧を印加してもよい。また、圧電アクチュエータを平面方向に直交する方向に駆動する場合にも、補強板両面の圧電素子全面に異なる位相の電圧を印加する方法に限らず、例えば第一実施形態の一方の面の電極５２Ａ，５２Ｃ，５２Ｄと、他方の面の電極５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｅとに同位相の電圧を印加すれば、補強板５１に対して両側の圧電素子５２が非対称に振動するので、屈曲振動を励振できる。
このように、圧電アクチュエータの構成は、圧電素子の振動によって球状凹面を押圧して移動体を移動させるものであれば任意であり、マニピュレータの使用条件や他の構成部品の形状、必要な駆動力などを勘案して適宜設定すればよい。

駆動手段は、圧電素子を備えた圧電アクチュエータに限らず、例えば電磁モータや、その他任意の駆動手段を採用できる。電磁モータを用いる場合には、電磁モータの出力軸にローラなどを取り付けてローラ側面を球状凹面に当接する。このような電磁モータを直交する二方向に配置して二つの電磁モータで移動体を二方向に駆動するようにすればよい。

押圧手段は、腕部５１２を付勢するばね４５に限らず、例えば補強板の腕部を湾曲させて形成することにより弾性力を発生させ、この腕部の弾性力によって圧電アクチュエータを移動体側に付勢するものであってもよい。このように、押圧手段の構成は用途や使用条件に応じて適宜設定できる。
また、押圧手段は、例えば駆動手段として前述の電磁モータを使用する場合では必要なく、したがって押圧手段は必ずしも設けられていなくても本発明の目的を達成できる。

マニピュレータやこのマニピュレータを備えた装置は、その動作を無線で制御するものであってもよい。例えば第二実施形態の検査装置１１では、検査装置１１とは別体で、検査装置１１に制御信号を送信するコントローラを設け、検査装置１１にはコントローラからの制御信号を受信するアンテナを設ければよい。そして、コントローラからの制御信号によって検査装置１１を外部から操作すれば、複雑な形状の管６３内まで配線を延ばすことなく検査装置１１を進入させることができ、検査装置１１を管６３内のより遠くまで移動させることができる。これにより、検査装置１１の移動可能範囲が広がり、汎用性を向上させることができる。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明のマニピュレータは、小型化に適しているので、例えば管内の状態を検査する検査装置などの小さい部位にアクセスする装置に適用するのに好適である。また、本発明のマニピュレータは微小な動作が可能で正確な位置決めができるので、微細な作業を行う作業用ロボットなどに適用するのに好適である。

本発明の第一実施形態にかかるマニピュレータの全体を示す斜視図。 第一実施形態にかかるマニピュレータを示す分解斜視図。 第一実施形態にかかる駆動手段を示す斜視図。 第一実施形態にかかる駆動手段の取付構造を示す図。 第一実施形態にかかるマニピュレータの駆動状態を示す図。 第一実施形態にかかるマニピュレータの駆動状態を示す図。 第一実施形態にかかるマニピュレータの力の作用状態を示す図。 第二実施形態にかかる装置を示す斜視図。 第二実施形態にかかるマニピュレータを示す図。 第二実施形態にかかる装置の使用例を示す図。 第三実施形態にかかる装置を示す図。 第三実施形態にかかる装置の使用例を示す図。

符号の説明

１…マニピュレータ、２…移動体、３…支持手段、４…固定手段、５…圧電アクチュエータ、６…ＣＣＤカメラ、１１…検査装置（装置）、１２…ハンド（装置）、２１…球状凹面、３１…球体、３２…保持アーム、４５…ばね（押圧手段）、５１…補強板、５２…圧電素子、７２…指、５１１…凸部（当接部）。

Claims (7)

1. 球状凹面を有する移動体と、
   この移動体を前記球状凹面の球状中心で回動可能に支持する支持手段と、
   前記球状凹面に当接されて前記移動体を回動駆動する駆動手段と、
   前記支持手段および前記駆動手段を固定する固定手段とを備えた
   ことを特徴とするマニピュレータ。
2. 請求項１に記載のマニピュレータにおいて、
   前記駆動手段を前記球状凹面に押圧する押圧手段が設けられる
   ことを特徴とするマニピュレータ。
3. 請求項１または請求項２に記載のマニピュレータにおいて、
   前記駆動手段は、前記球状凹面と、前記球状凹面の球状中心との間に配置されている
   ことを特徴とするマニピュレータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のマニピュレータにおいて、
   前記駆動手段は、補強板と、この補強板の両面に固定された圧電素子と、前記補強板に一体的に形成されるとともに前記球状凹面に当接される当接部とを備えて構成されている
   ことを特徴とするマニピュレータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載のマニピュレータが複数個接続して構成されるマニピュレータであって、
   互いに接続される一対のマニピュレータでは、一方の前記マニピュレータの前記移動体に他方の前記マニピュレータの前記固定手段が接続されていることを特徴とするマニピュレータ。
6. 請求項５に記載のマニピュレータにおいて、
   前記複数のマニピュレータの前記複数の駆動手段は、それぞれ別々の駆動信号で駆動可能に構成されていることを特徴とするマニピュレータ。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載のマニピュレータを備えたことを特徴とする装置。

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