JP2009061532A

JP2009061532A - 管内走行マイクロロボット

Info

Publication number: JP2009061532A
Application number: JP2007230226A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Nakazato; 裕一中里
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-09-05
Filing date: 2007-09-05
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: JP5010403B2

Abstract

【課題】良好な移動特性を備えながら機構が単純でアクチュエータの数を減らすことが可能な管内走行マイクロロボットを提供する。
【解決手段】先端の閉じられた膨張収縮自在な筒状体を隔壁で所定間隔ごとに分割してなり、各隔壁は、分割されている筒状体を時間差をもって順次膨張・収縮させるための液体流量制限穴を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は管内走行マイクロロボットとりわけ１圧送管式の管内走行マイクロロボットに関する。

管内走行タイプのマイクロロボットは種々の分野で活用が期待されており、たとえば医療分野においては、耳鼻科、眼科、脳外科、血管外科、形成外科などにおいての治療や手術（マイクロスコピック・サージェリー）、能動型カテーテルへの適用が期待されている。

こうした管内走行マイクロロボットに関して、従来、種々のインチワーム式管内移動機構が提案されているが、管内壁に接触し管内との摩擦などにより本体を支えるアンカー機構と、進行方向が伸縮する伸縮機構を備えさせ、これらの機構を交互に作動させ、管内において前進および後退を行う機構がほとんどであった。
そして、アンカー機構には楔形の形状やそれに類する形態（進行方向への摩擦抵抗と後退方向の摩擦抵抗の差を利用する）が採用され、伸縮機構が伸縮を行うことにより摩擦抵抗の少ない方向に移動するようにしていたが、楔の形状により移動方向が一方向に限定されてしまう問題がある。

そのため、アンカー機構に楔などの形状を用いず、足や車輪・風船などの抵抗体を管内壁に直接押し付けて、アンカー機構と伸縮機構を作動させるタイミングにより、前進後退させる機構も見られるが、いずれも機構が複雑化したり大型化することを避けられず、アクチュエータも複数要することになったりする問題があった。

本発明は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その目的とするところは、良好な移動特性を備えながら機構が単純でアクチュエータの数を減らすことが可能な管内走行マイクロロボットを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、先端の閉じられた膨張収縮自在な筒状体を隔壁で所定間隔ごとに分割してなり、各隔壁は、分割されている筒状体を時間差をもって順次膨張・収縮させるための液体流量制限穴を有していることを特徴としている。

本発明の管内走行マイクロロボットは、膨張収縮自在な筒状体を穴の開いた隔壁で所定間隔ごとに分割し、分割された各部分を、膨張させるときに発生する圧力によりアンカー動作させ、かつ伸縮動作を行わせることにより管内移動を実現させるので、機構を大幅に単純化することができるとともに、アクチュエータ(シリンダ)ひとつで走行が可能になる。
また、本発明は圧送された流体が各分割された部分に順次圧送され、時間差を生じて膨張する現象を利用することから、ロボットの長さに制約がなく、分割筒状部の数を増すことにより移動速度の向上を図ることができるというすぐれた効果が得られる。

先端の閉じられた膨張収縮自在な袋部体と、膨張収縮自在な複数の円筒状膜部体と、軸線方向に穴を有する複数の隔壁部体とからなり、前記袋部体の後端部内周が隔壁部体の半部外周に接合され、隔壁部体の半部外周に円筒状膜部体の先端部内周が接合され、以下、各隔壁部体の半部外周に円筒状膜部体の先端部と後端部の内周が接合されることで順次連結され、最後尾の隔壁部体に流体圧送チューブを連結している。

以下添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は本発明による管内走行マイクロロボットの一実施例を示しており、１は先端が閉止されている所望長さの膨張収縮自在な筒状体１であり、所定長さごとに介在した隔壁２によって内部が複数の室に分割されている。各隔壁２は軸方向に流体を導く穴２０を有しており、最後尾の隔壁２ｎにアクチュエータから圧送された流体の導入管３が接続されている。この例では隔壁２は５つであるが、それ以上であってもよい。

前記膨張収縮自在な筒状体１としては、たとえば薄いゴム製の風船が挙げられ、隔壁２としては、膨張収縮性の乏しい硬質のゴム、プラスチック、金属などが用いられる。導入菅３としてはシリコーンチューブなどを使用することができる。

各隔壁は、分割されている筒状体を時間差をもって順次膨張・収縮させるための液体流量制限穴を有している図１では筒状体１が実質的に単一の部品となっていて、これに各隔壁２が順次押し込まれた形態となっているが、実際には、図２のように、先端の閉じられた膨張収縮自在な袋部体1ａと、膨張収縮自在な複数の円筒状膜部体1ｂ〜1ｅと、軸線方向に穴２０を有する複数の隔壁部体２とからなっている。

前記袋部体1ａと円筒状膜部体１ｂ〜1ｅは、隔壁部体２ａ、２ｂの直径よりも寸法が大きな長さを有し、半径方向および軸方向に伸縮自在である。
前記隔壁部体２の穴２０は、圧力損失を起させて流れる液体の流量を制限し、膨張する時に円筒状膜部体と袋部体を時間差を生じさせて順次膨張させ、収縮する時にも膨張時と同じく時間差を生じさせて収縮させる機能を発揮するように、所定の大きさが選定される。穴２０は中央にひとつであってもよいし、複数であってもよい。穴２０は、場合によっては、シリコーンチューブなどを短く切ったものを貫挿していてもよい。

前記袋部体1ａの後端部内周に隔壁部体２ａの前半部が内嵌され、接着剤４によって接合されている。そして、前記隔壁部体２ａの後半部に第1の円筒状膜部体1ｂの先端部が外嵌され、接着剤４により接合されている。以下、各隔壁部体２ｂ,２ｃの半部外周に第２以降の円筒状膜部体1ｃ、1ｄの先端部と後端部の内周が接合されることで順次連結される。
最後尾の隔壁部体２ｎは中央に導入管３が貫挿され、導入管３の外周が接着剤４で接合されている。そして隔壁部体２ｎは最後尾の円筒状膜部体1ｅの後端部に嵌合され、接着剤４にて接合されている。

本発明ロボットは、前記最後尾の隔壁部体２ｎにおける導入管３を、チューブなどを介してシリンダと接続し、シリンダのピストンをアクチュエータにより自動的に往復運動させるものである。
図３は本発明ロボットの移動原理を示している。なお、この図では説明の都合上、膨張部分を３つだけ示している。
まず、図３(ａ）のようにロボットを管内に設置する。圧送用チューブのあるＣ部分の隔壁２ｎの端面が基準位置にあるものとする。この状態でロボットの内部に流体たとえば生理的食塩水を圧送して膨張させる。ロボットは圧送用のチューブのあるＣ部分から、Ｂ部分、Ａ部分と時間差を生じて順次膨張する。

図３（ｂ）のように、ロボットに液体を送り込むと、水圧によって最初にＣ部が膨張を始める。この時Ｃ部は中心を境に前後に膨張してしまうが、Ｃ部が管内壁に接触して静止摩擦力が働くと、Ｃ部はストッパーとなる。さらに液体を送り、圧力を加えると中間部の隔壁２の穴を通して水圧が導入されるので、Ｂ部が膨張を始める。この時はＣ部と管内壁との静止摩擦力によって、ロボットの後退は抑えられ前進方向に膨張していく。そして図３(ｄ)のようにＡ部が膨張する時もＢおよびＣ部がストッパーとなるため、Ａ部も前進方向に膨張する。こうして図３(ｅ)のようにロボット全体に圧送された液量が最大になる。

次いで、収縮が開始される。この時は最後尾のＣ部が先に収縮するが、Ａ部とＢ部がストッパーになるため、図３（ｆ）のように前進方向に向かって収縮する。図３(ｇ)のようにＢ部が収縮する時もＡ部がストッパーになり、前進方向に収縮する。最後にＡ部が収縮する時は、Ａ部の中心に向かって収縮するため、前進移動距離は微弱なものになる。以上の1サイクルで、図３（ｈ）の前進量が得られる。

この１圧送管式は２圧送管式と違って１つのシリンダによって各膨張部に液体を圧送しているため、Ｃ部分が膨張する時に液体を送る圧力が低いと、同時にＢ部分やＡ部分にも液体が流れ込んでしまい移動できなくなってしまう、そのため、適度に高い圧力で液体を送る必要がある。
また、各膨張部の節である隔壁部分２，２には圧力損失を起すために小さな穴２０が開けてあり、これにより液体の流量が制限されることによって、Ｃ部分が膨張する時にも時間差を生じさせてＢ部分を膨張させることができ、Ｂ部分が膨張する時にもＡ部分に送る液体の流量を制限することができ、収縮する時にも膨張時と同じく時間差を生じさせて収縮することができるのである。

本発明のマイクロロボットは、ロボットが管内壁に接触している時の力(最大静止摩擦力)＞水圧により膨張しつづけている時の摩擦力（動摩擦力）であれば膨張力の働いている方向に進み、しかも、１つのシリンジを操作することで前進することが可能なので、より小型化が期待できるのである。本発明のマイクロロボットが前進する場合、ロボットに作用する力を示すと図４のとおりである。

まず、図４（ａ）は管内にロボットを設置した状態であり、この時ロボットには動作に必要な力は何も掛かっていない。次いで、最後尾の隔壁を通してＣ部分に生理的食塩水が圧送されると、膨張部分は中心を境に広がり、Ｃ部分と管内壁の間には動摩擦力が作用する。
C部分の膨張が終了すると、図４(ｃ)のように、Ｃ部分と管内壁には停止した状態を保つ静止摩擦力が作用する。この時既に隔壁の穴を通して少量の水がＢ部分に流れ込んでいるが、穴が小さいため流量が制限されるため、管内壁に接触するほど膨張はしない。さらに隔壁とＣ部分との間に断面が変化するための損失が起こっている。

こうしてＢ部分が水圧によって膨張し、Ｂ部分の膨張が終了すると、図４（ｄ）のようにＢ部分と管内壁の間には動摩擦力が作用する。このときに膨張したＣ部分がストッパーになり、Ｂ部分は前進方向に膨張する。
B部分の膨張が終了すると、図４(ｅ)のように、Ｂ部分と管内壁には停止した状態を保つ静止摩擦力が作用する。この時Ａ部分にも少量の水が流れ込んでいるが、隔壁部分の穴によって流量が制限されているため、管内壁に接触するほど膨張していない。さらに中間部分とＡ部分との間に断面が変化するための損失が起こっている。

図４（ｆ）のようにＡ部分の膨張が終了すると管内壁との間に静止摩擦力が発生する。そしてＡ部分と管内壁の間には動摩擦力が作用する。このとき既に膨張しているＢ・Ｃ部分がストッパーになり、Ａ部分は前進方向に膨張する。
図４（ｇ）のようにＡ部分が膨張し管内壁に接触して停止すると。Ａ部分と管内壁には停止した状態を保つ静止摩擦力が作用する。
Ａ・Ｂ部分に静止摩擦力が作用しているので、Ｃ部分は液体が排出されると同時にＡ・Ｂ方向に向かって収縮する。排出される時も隔壁部分の穴によって流量が制限されるため、Ｃ→Ｂ→Ａと時間差を生じて収縮する。
図４（ｈ）のようにＡ部分に静止摩擦力が作用しているのでＢ部分はＣ部分に続いて液体が排出されると同時にＡ方向に向かって収縮する。

本発明の１圧送管式管内走行マイクロロボットは、下記の動作を1サイクルとして管内をミミズのような動作で移動することができ、液体圧送用のシリンダも1本で済むため、構造を簡略化することができ、節を増し膨張部の数を増すことにより移動速度を向上させることができる。
（ａ）生理的食塩水が圧送されると最後尾部分Ｃが膨張し管内壁に接触する。その前のＢ部分も若干膨張するが、隔壁部分の穴が抵抗となり流量が制限される。
（ｂ）Ｂ部分に生理的食塩水が流れ込み管内壁に接触する程の大きさに膨張する。Ａ部分も若干膨張するが、隔壁部分の穴が抵抗となり流量が制限される。
（ｃ）Ａ部分に生理的食塩水が流れ込み、全ての部屋が膨張して管内壁に接触する。
（ｄ）ロボット全体に生理的食塩水が最大量送り込まれて膨張が最大になる。
(ｅ)Ｃ部分から生理的食塩水が抜かれてＣ部分が収縮する。Ｂ部分も収縮するが隔壁部分の穴が抵抗になり、流量が制限される。
（ｆ）Ｂ部分から生理的食塩水が抜かれてＢ部分が収縮する。Ａ部分も収縮するが隔壁部分の穴が抵抗になり、流量が制限される。
（ｇ）Ａ部分から生理的食塩水が抜かれてＡ部分が収縮する。

本発明の管内走行マイクロロボットの具体的な製作仕様例を挙げると、直径４ｍｍ、全長（袋部体先端から最後尾の隔壁までの長さ）３３ｍｍ、隔壁数（節）が５節のロボットとした。
各隔壁部体は、ネオプレンゴム、厚さ（長さ）２．０ｍｍ、直径３．４ｍｍ、穴直径１．０ｍｍとした。袋部体と円筒状膜部体は、厚さ０．２ｍｍ、外径３．８mmの合成ゴムラテックス（不二ラテックス株式会社製）の管内走行用ゴム風船を使用した。
袋部体は、前記ゴム風船を８ｍｍの長さに切断して作り、第1の隔壁部体を袋部体端部に半長嵌めて接着した。各円筒状膜部体は、前記ゴム風船をそれぞれ長さ８．５ｍｍの長さに切断して作った。第1の円筒状膜部体を前記第1の隔壁部体の半長に嵌めて接着し、第1の円筒状膜部体の後端部に第２の隔壁部体を半長嵌めて接着し、以下、接着代を1ｍｍにとって順次組み込みと接着を行った。

得られた管内走行マイクロロボットの水平方向移動実験を行ない、前進移動速度を測定した。図5は実験方法の概要を示しており、圧送する食塩水の水量は0.8ｍｌと0.9ｍｌとし、シリンダの吐出量は0.90ｍｌ/sから所定量ずつ減らして測定した。
管としては内径６ｍｍ、外径８mmのアクリル管を使用し、本発明ロボットを30mm走行させた。30mmはロボットの先端から先端までの距離とし、動作毎に1回ずつ走行にかかった時間を測定した。

図６は計測結果を示しており、圧送量0.9mlかつシリンダの吐出量が０．９０ml／sのときに２．００ｍｍ／ｓという最も早い移動速度が得られている。このことから、本発明は単純な1圧送管式でありながら効果的に移動することができ、圧送量を多くし、シリンダの吐出量を増すと移動速度を早くすることができることが確認された。

（ａ）本発明による管内走行マイクロロボットの一実施例を示す縦断側面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。本発明のロボットの詳細を示す拡大断面図である。（ａ）〜（ｈ）は本発明による管内走行マイクロロボットの動作を段階的に示す説明図である。（ａ）〜（ｈ）は本発明による管内走行マイクロロボットが前進するときに作用する力を示す説明図である。本発明による管内走行マイクロロボットの管内走行実験装置の概要説明図である。シリンダの吐出量とロボットの移動速度の関係を示す線図である。

符号の説明

１管状体
１ａ袋部体
１ｂ、１ｃ、1ｄ、1ｅ円筒状膜部体
２隔壁
２ａ、２ｂ、２ｎ隔壁部体
３導入菅
４接着剤
２０穴

Claims

先端の閉じられた膨張収縮自在な筒状体を隔壁で所定間隔ごとに分割してなり、各隔壁は、分割されている筒状体を時間差をもって順次膨張・収縮させるための液体流量制限穴を有していることを特徴とする管内走行マイクロロボット。
先端の閉じられた膨張収縮自在な袋部体と、膨張収縮自在な複数の円筒状膜部体と、軸線方向に穴を有する複数の隔壁部体とからなり、前記袋部体の後端部内周が隔壁部体の半部外周に接合され、隔壁部体の半部外周に円筒状膜部体の先端部内周が接合され、以下、各隔壁部体の半部外周に円筒状膜部体の先端部と後端部の内周が接合されることで順次連結され、最後尾の隔壁部体に流体圧送チューブを連結している請求項１に記載の管内走行マイクロロボット。