JP2007105868A - 屈曲駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】横断面積を小さくする構造とすることを可能とする屈曲駆動機構を提供する。
【解決手段】外皮チューブの先端に設けられ、外皮チューブ内を通る複数のワイヤの伸縮に応じて屈曲動作する作動部と、外皮チューブ内に配置され、複数のワイヤのそれぞれを伸縮駆動する互いに独立した複数のアクチュエータとを備え、複数のアクチュエータが外皮チューブ軸線方向に配置されている屈曲駆動機構。さらに、外皮チューブ内を通る複数のワイヤのそれぞれの長さが、ワイヤと外皮チューブとの摩擦によってワイヤの伸縮動作が妨げられない長さとなるように、複数のアクチュエータのそれぞれを作動部に近接して配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は屈曲駆動機構に関する。

災害現場の狭隘な瓦礫内での人命探索作業のために瓦礫間に挿入する道具として、小型カメラなどのセンサ機器が取り付けられた先端部３１と伸縮可能なロッド３２とを備える機構（図１２参照）や、さらに、この先端部の向きを操作可能にさせるため、先端部３１とロッド３２との間に屈曲部３４を備え、先端部３１から屈曲部３４およびロッド３２の内部を経由して操作者の手元までワイヤ３３を通し、操作者がワイヤ３３を引っ張ったり戻したりすることによって、そのワイヤ３３の張力を利用した屈曲部３４の駆動を可能にする機構（図１３参照）などが公知である（特許文献１参照）。

図１３による機構は、ロッド３２が長手方向のみ伸縮可能で、柔軟性がなく且つ真っ直ぐであるためワイヤ３３とロッド３２の内壁との摩擦抵抗が少なく、スムーズにワイヤ３３を動かすことができ、それによって屈曲部３４を自由に屈曲させることができる。

しかし、瓦礫内の複雑な形状の空間を探索するために、この機構を図１４に示すような柔軟なロッド３２に適用すると、ロッド３２の屈曲箇所においてその内壁とワイヤ３３との前記摩擦抵抗が増大し、ワイヤ３３を動かすことができなくなり、その結果、屈曲部３４を屈曲させることができなくなるという問題が生じる。そのため、機構の全長を、必要とされる長さまで長くすることができないという問題もあった。

特開平１０−８３０１５号公報

摩擦抵抗を低減させるために滑車機構などをロッド３２内部に用いることで、ワイヤ３３の張力を滑らかに伝達する機構があるが、これはロッド３２内部の機構の複雑化、ひいては、ロッド３２自体の大型化、高重量化を招き、さらに、ロッド３２の横断面積の増大を招く。

一方、摩擦抵抗に抗してワイヤ３３を駆動させるためにアクチュエータを用いたとしても、機構の全長を長くすればするほど、摩擦抵抗もそれに連れて増大し、そのために必要となるアクチュエータも大型化せざるを得ない。

また、摩擦抵抗を少なくするため、ワイヤ３３の長さが短くなるように、屈曲部３４付近にアクチュエータを配置する機構もある。しかしこれは、屈曲自由度を向上させるための複数のワイヤ３３を操作する複数のアクチュエータがロッド３２の横断面上で並列に配置されていたため、ロッド３２の横断面積が増大してしまう。

これら大型化、高重量化、複雑化、及び、横断面積の増大の具体的な問題としては、迅速な人命探索が求められる災害現場において、その内部機構が複雑であれば故障する可能性が高く、ロッド３２全体が大型で高重量であれば俊敏な行動が取れず、また、横断面積が大きければ、探索可能な瓦礫内の空間の大きさが制限されてしまう。

また、瓦礫内で探索中に、先端部３１に取り付けたセンサ機器が周囲の塵埃によって覆われて性能が低下することがあったり、探索対象物自体が塵埃に覆われていたりする可能性もあるため、屈曲駆動機構はそれら塵埃を洗浄できる機構を備えていることが好ましい。

さらに、災害現場はその状況によっては電力供給が断絶している可能性があり、仮に、電気が供給されていたとしても、ガス漏れ等によって電気が使用できない状況である可能性もあるため、電力によらず駆動できる機構であることが好ましい。

そして、ロッド３２自体は自走機能を持たず、操作者が手でロッドを瓦礫内に繰り出したり戻したりしているので、繰り出し時に地面や瓦礫とロッドとの間の摩擦抵抗によってロッドが停止してしまったり、ロッドが折れてしまってそれ以上繰り出すことができなくなったり、停止することや折れることがなくてもロッドの長さが目標地点までわずかに足りなかったりするという問題もある。

本発明は上記問題に鑑み、横断面積を小さくする構造とすることを可能とする屈曲駆動機構を提供することを目的としている。さらに、前記目的に加えて、ワイヤの伸縮による摩擦抵抗を低減させることを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、外皮チューブの先端に設けられ、外皮チューブ内を通る複数のワイヤの伸縮に応じて屈曲動作する作動部と、前記外皮チューブ内に配置され、前記複数のワイヤのそれぞれを伸縮駆動する互いに独立した複数のアクチュエータとを備え、該複数のアクチュエータが外皮チューブ軸線方向に配置されている屈曲駆動機構が提供される。複数のアクチュエータが外皮チューブ軸先方向に配置されることによって、外皮チューブの横断面積を小さくすることが可能となり、より狭い瓦礫の隙間において本機構を使用することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記外皮チューブは、屈曲可能な構造とされている屈曲駆動機構が提供される。外皮チューブが屈曲可能な構造とされていることによって、外皮チューブを丸めて小型な格納形態にし、持ち運ぶことが容易となる。

また、請求項３に記載の発明によれば請求項１または２に記載の発明において、前記外皮チューブ内を通る前記複数のワイヤのそれぞれの長さが、ワイヤと外皮チューブとの摩擦によってワイヤの伸縮動作が妨げられない長さとなるように、前記複数のアクチュエータのそれぞれを前記作動部に近接して配置した屈曲駆動機構が提供される。複数のアクチュエータを近接して配置したことによって、ワイヤの長さをより短くすることができるため、ワイヤの伸縮による摩擦抵抗を低減させることができるようになり、屈曲駆動機構の全長を長くしても確実な屈曲駆動が実現できる。

また、請求項４に記載の発明によれば請求項１から３のいずれか一つに記載の発明において、前記アクチュエータは、加圧空気を供給することによって前記ワイヤの伸縮駆動を行う空気圧アクチュエータである屈曲駆動機構が提供される。空気圧アクチュエータを用いることによって、電気が使えない環境においても使用することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明によれば請求項４に記載の発明において、前記空気圧アクチュエータは、エアシリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記エアシリンダ内の前記ピストンの一方の側に形成された空圧室と、該ピストンを前記空圧室側に向けて付勢する付勢手段とを備え、前記空圧室に加圧空気を供給することによって前記ワイヤの伸張もしくは縮退動作の一方を、前記空圧室内の加圧空気を排気することによって前記ワイヤの伸張もしくは縮退動作の他方を行う屈曲駆動機構が提供される。ピストンが付勢手段によって付勢されることによって、ピストンが確実に定位置に戻るため、確実な動作が得られる。

また、請求項６に記載の発明によれば請求項５に記載の発明において、前記付勢手段は、前記エアシリンダ内の前記ピストンの前記空圧室と反対側に形成された第二の空圧室と該第二の空圧室を前記外皮チューブ内部に連通する連通孔とを備え、前記外皮チューブ内に加圧空気を供給することによって、前記連通孔を介して前記第二の空圧室内に加圧空気を導入し、前記ピストンを空圧室に向けて付勢する屈曲駆動機構が提供される。加圧空気で付勢することによって、付勢手段が空気の圧縮を利用することとなることでさらなる軽量化が可能となり、且つ、内部機構も単純になる。さらに、外皮チューブ内の加圧空気のため剛性と弾性が増し、瓦礫内に繰り出す際に地面や瓦礫との摩擦抵抗による外皮チューブの折れが軽減する。

また、請求項７に記載の発明によれば請求項６に記載の発明において、前記外皮チューブ内の前記加圧空気を前記外皮チューブ外部の所定の領域に向けて噴射する手段を備えた屈曲駆動機構が提供される。加圧空気を所定の領域に噴射することによって、先端部に取り付けられたセンサ機器を覆う塵埃や、機器周辺の塵埃を吹き飛ばすことが可能となり、それによって探索精度が向上し、塵埃に隠れた対象物の探索が可能となる。

また、請求項８に記載の発明によれば請求項４から７のいずれか一つに記載の発明において、前記空気圧アクチュエータが人力ポンプによる空気の供給によって作動可能である屈曲駆動機構が提供される。人力ポンプによって空気を供給することによって、圧縮空気ボンベの空気が尽きた場合や、ボンベを持ち込むことができない程、狭い環境で探索作業をしなければならない場合などでも空気圧アクチュエータを駆動させることが可能になる。

また、請求項９に記載の発明によれば請求項１から８のいずれか一つに記載の発明において、前記作動部は、複数の前記ワイヤの伸縮によって前記屈曲動作に加えてさらに伸縮動作が可能な屈曲駆動機構が提供される。屈曲動作に加えてさらに伸縮動作を可能にすることによって、地面や瓦礫との摩擦抵抗によって外皮チューブが停止したときや、目標地点まであと少しというときでも、さらに奥まで先端部を伸ばして探索することが可能となる。

また、請求項１０に記載の発明によれば、複数のワイヤの伸縮に応じて屈曲動作する部分及び直動ガイド機構に沿って直線上に伸縮動作をする部分が直列に配置された作動部と、前記複数のワイヤのそれぞれを伸縮駆動する互いに独立した複数のアクチュエータとを備えた屈曲駆動機構が提供される。直動ガイド機構を備えることによって、作動部はより安定した確実な伸縮動作が可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、屈曲駆動機構の横断面積を小さくする構造とすることを可能とする共通の効果を奏する。さらに請求項３に記載の発明によれば、前記共通の効果に加えて、ワイヤの伸縮による摩擦抵抗を低減させるという効果を奏する。

図１は本発明による屈曲駆動機構の一番目の実施形態の略視図である。屈曲駆動機構は、外皮チューブ６と、その先端に設けられ、外皮チューブ６内を通るワイヤ７の伸縮に応じて動作する作動部である先端ユニット１と、外皮チューブ６内に配置され、ワイヤ７を伸縮駆動する空気圧アクチュエータを構成する空気圧シリンダ８とを有する。

先端ユニット１は、底板３を介して外皮チューブ６に連結されており、反対の遠位端側の端部には上板２が配置されている。上板２と底板３の間には、弾性体５（図２参照）を介して、ワイヤ７を案内するための複数の中間ガイドプレート４が、略均等な間隔で配置されている。

ワイヤ７は、上板２の内側表面にその一端が固定され、他端は、その固定箇所に対応する位置に設けられた中間ガイドプレート４および底板３の貫通孔を通り、空気圧シリンダ８の遠位端側の端部９から内部に導かれてピストン１１に固定される。ワイヤ７は底板３と端部９との間においてガイドチューブ１０に覆われている。ピストン１１は、空気圧シリンダ８の遠位端側の内部空間内に配置されたコイルスプリング１７によって、弾性体５の付勢力に抗して近位端側に付勢されている（図２参照）。これら双方向の付勢力によってワイヤ７は張力を保っている。空気圧シリンダ８の近位端側の内部空間は空圧室を形成し、端部１２に接続されたエアチューブ１５を通して空圧調節機１４によって加圧空気が給排気される。

ワイヤ７からエアチューブ１５に至るまでの上記一連の機構が、本実施形態においては図４に示すように三組用いられており、それぞれが独立して制御可能である。三本のワイヤ７が先端ユニット１に同心円上で等間隔に配置されている。さらに、これら三組の空気圧シリンダ８を、互いに干渉しないように外皮チューブの軸線方向に配置することで、外皮チューブの横断面積をより小さくすることが可能になる。また、空気圧シリンダ８は、ワイヤ７の伸縮時に、屈曲した外皮チューブ６との摩擦抵抗によってワイヤ７の伸縮動作が妨げられないように、先端ユニット１に近接して配置されている。また、空気圧シリンダ８の遠位端側の端部９に設けられたワイヤ７を内部空間に導くための穴の位置を、ワイヤ７が他の空気圧シリンダ８とできるだけ干渉しないように中心から外すことによって、より小型な屈曲駆動機構が実現できる。

屈曲機構の動作原理について以下に説明する。三組の機構の一つに対して加圧空気をその空圧室に供給すると、弾性体５の付勢力も助力して、コイルスプリング１７の付勢力に抗してピストン１１が移動する。それに応じてワイヤ７が繰り出されるが、他の二組のワイヤ７は繰り出されずにそのままの状態であるため、先端ユニット１が一方に屈曲する（図３参照）。さらに、空圧室の加圧空気を排気すると、再びコイルスプリング１７の付勢力によってピストン１１が再び最初の位置に戻り、それに応じて屈曲した先端ユニット１も最初の状態（図２参照）に戻る。

この動作原理を組み合わせて三組の機構を操作することによって、全方向に対して先端ユニット１を屈曲させることが可能となるが、四組以上用いても同様である。これを応用すると、先端ユニット１の上板２に小型カメラ等を取り付けることで、実際に災害現場などにおいて瓦礫内での広範な人命探索が可能となる。

図４は本発明による屈曲駆動機構の二番目の実施形態の略視図である。一番目の実施形態とは、コイルスプリング１７を排し、且つ、空気圧シリンダ８の遠位端側の端部９に外皮チューブ６と連通する空気誘導孔１６が設けられている点で異なる。

このような機構において、外皮チューブ６内を気密化し、加圧空気によって内部を高圧状態にすると、空気圧シリンダ８の遠位端側の内部空間は空気誘導孔１６を介して外皮チューブ６と同圧となり、第二の空圧室が形成される。近位端側の内部空間である第一の空圧室は、加圧空気が供給される前は第二の空圧室よりは低圧であるため、ピストン５が前述の第一の実施形態と同様に近位端側に付勢されている。この状態で加圧空気を給排気することで前述の実施形態と同様の動作が得られる。

本実施形態のさらなる効果として、外皮チューブ６は、内部に加圧空気が充填されていることによって剛性と弾性が増し、狭隘な瓦礫内に外皮チューブ６を繰り出す際の地面や瓦礫との摩擦抵抗による外皮チューブ６の折れが軽減する。

また、気密化された外皮チューブ６内に充填された加圧空気は、空気圧タンクとしても利用可能である。空気圧タンクを利用した検査装置１７の実施例について図５に示す。先端ユニット１の上板２に、噴射装置１８を備えた洗浄装置１９と小型カメラ２０とレンズ２１とを有するセンサ装置２２が取り付けられている。空気圧タンクとしての外皮チューブ６と噴射装置１８とをエアチューブ２３を介して連通させることで、外皮チューブ６内の加圧空気を外部に噴射してセンサ装置２２周辺の塵埃を吹き飛ばしたり、洗浄装置１９によって加圧空気をレンズ２１に噴射することで、付着した塵埃を洗浄したりするのに用いることが可能となり、より確実な探索活動が可能となる。

図６は、本発明による屈曲駆動機構を用いた前述の検査装置１７を災害現場で用いる際の実施例を示す。空圧調節機１４に接続され、適度な柔軟性のためにコンパクトに丸められた格納形態２４をした本発明による外皮チューブ６を、操作者２５が、必要な長さだけ狭隘な入り組んだ瓦礫内へ挿入し、段差を乗り越えて繰り出すことで探索作業を行う。

さらに、空圧調節機１４の代わりに、操作者２５や補助者２６の足に取り付けて足踏みで空圧を生成する足踏み式ポンプ２７等の人力ポンプを用いることで、エネルギー源に乏しい災害現場においても本発明による屈曲駆動機構を使用することが可能となる（図７参照）。

これら実施形態において、三本のワイヤ７を制御することによる屈曲動作のみを説明してきたが、さらに、すべてのワイヤ７を同時に伸縮させることによって、先端ユニット１を伸縮させることも可能である。

しかしながら、すべてのワイヤ７を同時に伸ばしてしまうと、弾性体５の付勢力が低減し、結果としてワイヤ７の張力が低減してしまう。そのため、先端ユニット１が折れやすくなり、さらには、先端ユニット１の中心線周りの捻れが発生してしまう場合もある。

そこで、図８に示すように、底板３とその隣の中間ガイドプレート４とに、例えば、内筒２９と外筒３０とからなる直動ガイド機構２８をワイヤ７と干渉しないように取り付けることで、折れのない安定した伸縮動作が保証される。すなわち、すべてのワイヤ７を同時に伸張させると、弾性体５の付勢力も助力し、それに応じて先端ユニット１の直動ガイド機構２８の部分が伸張し（図９参照）、折れを防止するために支持する役割を果たす。さらに、先端ユニット１の直動ガイド機構２８のない部分は前述の原理で屈曲させることが可能となる（図１０参照）。さらに、好ましくは、内筒２９または外筒３０にスプラインを設け、それに沿って往復動するような直動ガイド機構２８を用いることで捻れを防止することもできる。

また、直動ガイド機構２８を制御するための専用のアクチュエータを別に用意してもよい。

直動ガイド機構２８を底板３側に取り付けた前記実施形態の使用例として、検査装置１７を瓦礫内に繰り出す際に、外皮チューブ６が摩擦抵抗によって繰り出せなくなったとき、先端ユニット１を尺取虫のように操作することによって、さらに奥まで検査装置１７を挿入させることが可能となる。すなわち、ワイヤ７を同時に伸ばすことによって先端ユニット１の直動ガイド機構２８の部分を伸張後、または、さらに、前述の原理によって先端ユニット１の屈曲後、先端ユニット１の先端に設けられた、例えばフック状の部品などを瓦礫などの固定物に係合させる。その状態でワイヤ７を同時に縮退させると直動ガイド機構２８が縮退し、固定物との係合箇所を支点として装置全体が手繰り寄せられる。これを繰り返せば、尺取虫のように前進することができる。

前記実施形態は、直動ガイド機構２８を底板３に取り付けたが、上板２とその隣の中間ガイドプレート４とに取り付けることも可能である（図１１参照）。

コイルスプリングの付勢力を利用した本発明による屈曲駆動機構の略視図である。 コイルスプリングの付勢力を利用した本発明による屈曲駆動機構の動作原理を示す略視図である。 コイルスプリングの付勢力を利用した本発明による屈曲駆動機構の動作原理を示す別の略視図である。 加圧空気による付勢力を利用した本発明による屈曲駆動機構の略視図である。 本発明による屈曲駆動機構を用いた検査装置の実施例を示す略視図である。 本発明による屈曲駆動機構を用いた検査装置を災害現場で用いた実施例を示す概要図である。 本発明による屈曲駆動機構を足踏み式ポンプで駆動させている概要図である。 直動ガイド機構を追加した本発明による屈曲駆動機構の略視図である。 直動ガイド機構を追加した本発明による屈曲駆動機構の動作を示す略視図である。 直動ガイド機構を追加した本発明による屈曲駆動機構の動作を示す別の略視図である。 直動ガイド機構を追加した本発明による図８とは別の屈曲駆動機構の略視図である。 伸縮可能なロッドを備える従来の探索用ロッドである。 手元のワイヤによって屈曲部を屈曲させることができる従来の探索用ロッドである。 柔軟なロッドを用いた図１３に示す探索用ロッドである。

符号の説明

１ 先端ユニット
５ 弾性体
６ 外皮チューブ
７ ワイヤ
８ 空気圧シリンダ
１１ ピストン
１３ コイルスプリング

Claims (10)

1. 外皮チューブの先端に設けられ、外皮チューブ内を通る複数のワイヤの伸縮に応じて屈曲動作する作動部と、前記外皮チューブ内に配置され、前記複数のワイヤのそれぞれを伸縮駆動する互いに独立した複数のアクチュエータとを備え、該複数のアクチュエータが外皮チューブ軸線方向に配置されている屈曲駆動機構。
2. 前記外皮チューブは、屈曲可能な構造とされている請求項１に記載の屈曲駆動機構。
3. 前記外皮チューブ内を通る前記複数のワイヤのそれぞれの長さが、ワイヤと外皮チューブとの摩擦によってワイヤの伸縮動作が妨げられない長さとなるように、前記複数のアクチュエータのそれぞれを前記作動部に近接して配置した請求項１または２に記載の屈曲駆動機構。
4. 前記アクチュエータは、加圧空気を供給することによって前記ワイヤの伸縮駆動を行う空気圧アクチュエータである請求項１から３のいずれか一つに記載の屈曲駆動機構。
5. 前記空気圧アクチュエータは、エアシリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記エアシリンダ内の前記ピストンの一方の側に形成された空圧室と、該ピストンを前記空圧室側に向けて付勢する付勢手段とを備え、前記空圧室に加圧空気を供給することによって前記ワイヤの伸張もしくは縮退動作の一方を、前記空圧室内の加圧空気を排気することによって前記ワイヤの伸張もしくは縮退動作の他方を行う請求項４に記載の屈曲駆動機構。
6. 前記付勢手段は、前記エアシリンダ内の前記ピストンの前記空圧室と反対側に形成された第二の空圧室と該第二の空圧室を前記外皮チューブ内部に連通する連通孔とを備え、前記外皮チューブ内に加圧空気を供給することによって、前記連通孔を介して前記第二の空圧室内に加圧空気を導入し、前記ピストンを空圧室に向けて付勢する請求項５に記載の屈曲駆動機構。
7. 前記外皮チューブ内の前記加圧空気を前記外皮チューブ外部の所定の領域に向けて噴射する手段を備えた請求項６に記載の屈曲駆動機構。
8. 前記空気圧アクチュエータが人力ポンプによる空気の供給によって作動可能である請求項４から７のいずれか一つに記載の屈曲駆動機構。
9. 前記作動部は、前記複数のワイヤの伸縮に応じて前記屈曲動作に加えてさらに伸縮動作が可能な請求項１から８のいずれか一つに記載の屈曲駆動機構。
10. 複数のワイヤの伸縮に応じて屈曲動作する部分及び直動ガイド機構に沿って直線上に伸縮動作をする部分が直列に配置された作動部と、前記複数のワイヤのそれぞれを伸縮駆動する互いに独立した複数のアクチュエータとを備えた屈曲駆動機構。

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