JP2018505784A - 水中マニピュレータアームロボット - Google Patents

Abstract

複数の関節モジュール２によって互いに連結されている複数のリンクであって、水中マニピュレータアームロボットの曲げ動作を発生させる複数のリンクと、前記水中マニピュレータアームロボットの胴体の複数の異なる部位に配置された複数の駆動デバイス６、８、１８であって、前記水中マニピュレータアームロボットに駆動力を加えて推進および／または誘導させる複数の駆動デバイス６、８、１８と、前記水中マニピュレータアームロボットに取り付けられる少なくとも一つのツール１２、１４、または前記水中マニピュレータアームロボットに取り付けられるツールを連結する少なくとも一つの連結部と、を有し、前記曲げ動作および／または前記複数の駆動デバイスによって、前記水中マニピュレータアームロボットを動かすこと、並びに前記ツールの向きおよび／または位置を調整することが可能になっている水中マニピュレータアームロボット。【選択図】図１

Description

本願発明はツールを備える水中マニピュレータアームロボットに関するものであり、例えば移動し、自身を目標にしたがった動作をさせ、連続的に自身の位置を変化させ（基地に留まる／同位置で浮いている）、さらに観察、整備および修理（ＩＭＲ）する能力を有する水中浸漬可能なロボットに関する。

従来技術の水中浸漬可能なロボットは、様々な目的に使われている。遠隔制御される自律型ロボットは様々な形態およびサイズのものがあり、多くの目的に用いることが可能であった。既知のデザインのロボットの中には観察と監視の用途のみで用いられ、他の物体と物理的なレベルで直接的な相互作用をすることはできないものがある。そのようなロボットには、うなぎのような動作または魚のような動作により動く、いわゆる蛇形ロボットが含まれる。他の公知のロボットには、揚力により推進され航空地図作成や監視をするグライダ、並びに把持する機構を有するロボットアームや他のツールのような、他の物体との物理的な相互作用をするマニピュレータを有するＲＯＶ（遠隔操作移動体）およびＡＵＶ（自律型水中移動体）が含まれる。前記したロボットアームを支持するにはＲＯＶやＡＵＶは安定したベース部を有していなければならない。したがって、ＲＯＶやＡＵＶのような移動体は比較的大型で重くて取扱いが厄介である。グライダは、誘導、道案内や制御ということになると精度に限界があり、下方および上方にゆるやかに波打ちながら、効果的に動作することができるのみである。これらの理由により、狭い空間で物体を操作することが必要な場合や作業地域へのアクセス部が狭い場合には水中マニピュレータロボットを用いるのは困難である。

本願発明の第一の形態によれば、水中マニピュレータアームロボットであって、関節モジュールによって互いに連結され、前記ロボットに曲げ動作を起こさせる複数のリンクと、前記ロボットの一端から他端までの胴体にある複数の異なる部位に配置され、駆動力を前記ロボットに与えて推進および／または誘導させる複数の駆動デバイスと、前記ロボットに取り付けられたツールまたはツール連結部と、を有し、曲げ動作および／または駆動デバイスによって前記ロボットの動きと、前記ツールの向きおよび／または位置の制御と、をすることができる水中マニピュレータアームロボットが提供される。

関節モジュールは、二つの要素（二つのリンクと呼ぶ）に、単一の軸または複数の軸の周りで制御された相対的な回転をさせる、および／または二つの要素に制御された相対的な直進移動をさせる任意のメカニズムである。これらの複数のリンクは、剛体部材または柔軟部材のいずれかであり、複数の関節モジュールの間を連結させるものが代表的なものである。前記複数のリンクと前記複数の関節モジュールは他の部材を支持してもよいし、他の機能を有してもよい。例えば、前記複数のリンクと前記複数の関節モジュールは一つ以上の駆動デバイスや一つ以上のツール連結部を含むこともありうる。ある実施形態では、前記複数のリンクのいくつかは以下で説明する駆動モジュールを含み、前記複数の関節モジュールはリンクの間にある関節結合されたメカニズムとすることができる。前記複数の関節モジュールはベロー、例えばオイルが充填されたベローの中に収納された複数の可動部材を含むものでよい。オイルが充填されたベローを用いることにより、使用中に機構部材同士が引っかかって動かなくなる可能性を少なくし、水の浸入を防ぐ。

推進および／または誘導用の駆動デバイスの使用には、ロボットにかかる駆動力の望まれるすべての使用を含む。該駆動デバイスの使用には特に、ロボット全体またはロボットの部品の回転および／もしくは直進移動、重力、浮力および／もしくは水流に抗するように作用する駆動機によるロボット基地で留まる（例えば、同位置で浮いていること）、動作進行中の向きの変化、ロボットの姿勢／形態の変化、並びに／または、推進力を用いて特にロボットの曲げ動作を補助もしくは増幅させることが含まれる。

前記ツールは、水中で動かすのに用いる任意のタイプのツールでよく、水中での地図作成ツール、監視ツールおよびＩＭＲツールを含む。これらのツールは、例えば、カメラのような観察ツールや把持器のようなマニピュレータツールである。前記した第一の形態のロボットは、ＲＯＶまたはＡＵＶにアームを保持させるということないマニピュレータアームを提供する。前記した第一の形態のロボットは自身を操縦して目標地点に行くことができる。この移動には、管や立ち上がり部に沿って移動することや、狭い場所を通って移動することを含む。さらにロボットは基地で留まるまたは同位置で浮いていること（連続的に変化可能な位置決め）を行うとともに、前記した第一の形態のロボットが有する前記複数のリンクのすべてまたは一部をマニピュレータアームとして働かせて前記ツールを用いて必要な操作を行うことができる。

曲げ動作は、関節により繋がって複数の剛性リンク同士が相対的に回転または直進することでおきる動作である。曲げ動作は、また動くことにより曲がった形状になる曲げ可能な構造を用いてもよい。複数の関節の動きを用いてロボットを推進させることが必要な場合、繰り返しの曲げ動作を用いるのが代表的である。前記複数の関節モジュールの作用により曲げ動作が引き起こされる。このように、前記複数の関節モジュールがその作用により前記複数のリンクを駆動させて、互いに相対的に動かし、前記複数の関節モジュールは後記する一つ以上のアクチュエータによって駆動することができる。前記アクチュエータは前記複数のリンクの内部に収納してもよいし、また前記複数のリンクの間に保持してもよい。

好ましい実施形態では、前記水中マニピュレータアームロボットの曲げ動作は該ロボットを推進させることができる波状の動きとなる。このような動きをすることができるロボットの実施例は、水中蛇形ロボットである。何世紀もの間、エンジニアおよび科学者たちは技術的課題に対する解決手段を求めて自然界から着想を得てきた。このプロセスは生体模倣科学と呼ばれる。水中蛇形ロボットは生体模倣科学から生まれたロボットの一つ形態である。このようなタイプのロボットは水中での探索、監視、調査および検査で用いるために提案されてきた。また、海洋学、生物学および海洋考古学を含む海洋科学の分野でも、大きな音をたてることなく滑らかに泳ぐことができ、難破船のような困難な環境の中に入っても進むことができる蛇形ロボットは極めて興味深い。しかしながら、蛇形ロボットおよび類似するロボットを本明細書で述べるマニピュレータアームとして用いることは今まで提案されていなかった。

前記水中マニピュレータアームロボットは蛇形ロボットにすることができる。現在までの開発状況では、蛇形ロボットは２つ以上の関節、代表的には非常に多くの関節が曲がって蛇またはうなぎの動きに似た波状の動きをするように設計された任意の複数リンクロボットである。ロボット全体が曲がってもよいし、ロボットが曲がる部分と曲がらない剛性部分とを有してもよい。曲がる部分と曲がらない部分の組み合わせは、全体が完全に曲がるロボットの胴体の一部にのみ取り付けた前記複数の関節モジュールを固定して「動かなく」することによっても実現できる。このような複数リンクロボットはうなぎ形ロボットまたはやつめうなぎ形ロボットと呼ぶこともあるが、「蛇形ロボット」はこれらも含むものである。

前記水中マニピュレータアームロボットはまた魚ロボットの形態にしてもよい。代表的な魚ロボットは蛇形ロボットに比べてリンクの数が少なく、蛇形ロボットの特徴である長く伸びた胴体構造を有さない。蛇形ロボットが、魚形ロボットと相違するのは、その長く伸びた形状である。例えば、蛇形ロボットの長さは、その最大または平均の幅の少なくとも５倍としてよく、その最大または平均の幅の少なくとも１０倍にするのが好ましい。動きの長さと範囲が大きいことによる利点を蛇形ロボットは余分に有していると現在考えられている。しかし、魚形ロボットでも第一の形態の特徴を有していれば、既知の水中ロボットと比較すれば改良点を備えることになる。

前記水中マニピュレータアームロボットはさらに地上蛇形ロボットとも相違するはずである。地上蛇形ロボットは波状の動きにより動くため、自身と地面との間の摩擦に依存し、横滑りするのを防ぐため、および／または長手方向の摩擦を小さくさせるため、自由回転ホイールを用いることが多いので、地上蛇形ロボットはかなり相違するものである。対照的に、水中ロボットは横に動くことができ、その胴体の動きにより周囲の流体に抗して押し進むこともできる。このような水中ロボットは固い表面との摩擦による相互作用に依存していない。

前記水中マニピュレータアームロボットは、その一端から他端までの胴体の複数の異なる部位に取り付けられた複数の駆動デバイスを含む。前記複数の駆動デバイスには、横方向および／または垂直方向の駆動力、すなわち前記水中マニピュレータアームロボットの一端から他端までの部分と交差する方向の駆動力を加える駆動デバイスが含まれる。前記複数の駆動デバイスには、横方向および／または垂直方向の駆動力を加える駆動デバイスの代わりにまたは同駆動デバイスに追加して、長手方向に駆動する、すなわち前記水中マニピュレータアームロボットの一端から他端までの胴体と平行な方向に駆動する駆動デバイスを含んでもよい。前記複数の駆動デバイスは任意の必要とされる角度の向きに取り付けられる。前記複数の駆動デバイスは、前記水中マニピュレータアームロボットの長手方向軸と交差する線に平行な駆動力を与えるように取り付けることができる。また、前記複数の駆動デバイスは、前記水中マニピュレータアームロボットの長手方向軸と離隔した位置で、しかも駆動方向が前記水中マニピュレータアームロボットの長手方向軸と交差しないように取り付けることができる（少なくとも、前記水中マニピュレータアームロボットが真っ直ぐな状態のとき）。このように配置された駆動デバイスを用いて前記水中マニピュレータアームロボットにトルクを与えることができ、与えられるトルクにはヨー回転、ピッチ回転またはロール回転のトルクが含まれ、どの回転方向のトルクかは駆動機の位置と向きに依存する。

プロペラ、インペラ、トンネル駆動機、回転可能な（方位角）駆動機、リトラクタブル駆動機、スクリュー（単一型、対型、逆回転型、ピッチ調整可能型、ノズル型等）、フィン、真空ポンプもしくは駆動機、および／またはウォータジェットを、前記複数の駆動デバイスは含むものでよい。前記複数の駆動デバイスは駆動力を加えるものであり、その駆動力の向きおよび強さを調整可能である。ある実施例では、一つ以上の方向調整可能な駆動デバイスは、長手方向の駆動力または横方向の駆動力を加えるような向きにすることができる。さらに、方向舵およびフィンのような調整面、ガイドベーンおよび／または複数のリンク同士の相対的な回転によって、方向の調整が可能である。前記水中マニピュレータアームロボットが駆動デバイスによって推進されている間および／または前記水中マニピュレータアームロボットが牽引されている場合に、この方向の調整が可能である。

前記水中マニピュレータアームロボットはさらに揚力を発生させる翼またはフィンを備えてもよいし、加えて／または前記水中マニピュレータアームロボットは揚力を発生させることが可能な胴体形状を有してもよい。したがって、ある実施例では前記水中マニピュレータアームロボットは一つ以上の操舵可能なフィンを含む。海流、予測外のケーブルの浮力等による不規則な外乱を防ぐまたは抑えるために、そのようなフィンまたは調整面を用いてもよい。操舵可能なフィンを用いずに、または操舵可能なフィンと一緒に、一つまたは複数の駆動デバイスを同じ目的で用いてもよい。

前記一つまたは複数の駆動デバイスを用いることによって、前記水中マニピュレータアームロボットは水中で一定の変わらない位置および／または向きを保つことができる利点がある。関節で繋がった複数のリンクが、波状の動きのような運動をしている時でもこのことが可能である。したがって、前記一つまたは複数の駆動デバイスは、同位置で浮いているような能力を与える駆動力を前記水中マニピュレータアームロボットに提供する構成にすることができる。

横方向の駆動力を加える駆動デバイスの一例は、一つ以上の駆動機を有する駆動力モジュールであり、該駆動力モジュールは関節モジュールおよび／もしくはリンクと一体になっているか、または関節モジュールおよび／もしくはリンクの前部もしくは後部に取り付けられている。このような駆動力モジュールは、例えばプロペラを用いるトンネル駆動機またはウォータジェット駆動機を含むものでよい。一つの例では、二つの互いに直角な方向に向いた駆動機を有する駆動力モジュールが用いられており、これら２つの直角な方向は前記水中マニピュレータアームロボットの長手方向の領域に（または前記水中マニピュレータアームロボットが曲がった形状の場合は該ロボットの領域の接線に）対して概ね直角な２つの方向である。この例によれば、例えば上下方向や左右方向のような任意の横方向に駆動力を加えることができる。前記した駆動力モジュールの代わりに、またはさらに追加して、横方向のあらゆる方向に駆動力をかけることができるように前記水中マニピュレータアームロボットの軸の回りを回転できる駆動機を有する一つ以上の駆動力モジュールがあってもよい。このような駆動機の回転は、該駆動機を駆動力モジュールに対して相対的に動かすこと、または隣の駆動力モジュールに対して相対的に駆動力モジュールを回転させることによってなされる。前記水中マニピュレータアームロボットの一端から他端までの間に複数の駆動機があってもよい。このように複数の駆動機を配置することによって、前記水中マニピュレータアームロボットの複数の異なる部分に対して複数の異なる方向に駆動力を加えることが可能になるが、このことは前記水中マニピュレータアームロボットが、直進移動をしたり、直進移動をしないでロール回転、ピッチ回転またはヨー回転をしたり、これらの運動の組み合わせた運動をしたりすることが可能であり、あらゆる種類の動きをすることができることを意味している。例えば、前記水中マニピュレータアームロボットが新しい形状／形態に変化するのを手助けするために、横方向の駆動力を関節モジュールに作用させて、該関節モジュールの位置と角度とを変化させることもできる。変化の速度を上げるため、または関節モジュールに故障が起きた時に複数のリンク同士を動かすために、この駆動力の作用が用いられる場合がある。

長手方向の駆動力を加える駆動デバイスの例は、前記水中マニピュレータアームロボットの最後尾に取り付けられて、該ロボットの後端に駆動力を加える最後尾駆動デバイスである。最後尾駆動デバイスの代わりに、またはそれに追加して、長手方向駆動デバイスを、前記水中マニピュレータアームロボットの中間にまたは前部に取り付けることもでき、この場合前記水中マニピュレータアームロボットの後端はツールを取り付けられるように空けておくという利点がある。長手方向駆動デバイスは蛇の胴体に対して一定の角度で突出することができるし、またはその方向は変えることができる。さらに長手方向駆動デバイスはリトラクタブルにすることもできる。最後尾に搭載されたデバイスは、駆動機が前記水中マニピュレータアームロボットの胴体と一直線に並ぶようにすることができ、駆動機が前記水中マニピュレータアームロボットの一方側から突出することがない。前記水中マニピュレータアームロボットがその駆動機が一方側から突出していなければ、前記水中マニピュレータアームロボットに駆動力をその長手方向に向けるように指令することができる。長手方向に駆動力を加える駆動機はプロペラ駆動機やウォータジェット駆動機のような任意のタイプの駆動機とすることができる。横方向駆動力を与えることができる駆動デバイスは前記水中マニピュレータアームロボットの垂直方向の位置を調整すること、および／または前記水中マニピュレータアームロボットの重心から離れた位置に駆動力を加えて垂直面内での該ロボットの向きを調整することをするために用いることができる。しかし、前記水中マニピュレータアームロボットが完全に特定の外力を受けない状態で浮かんではいないということは十分ありうるわけで、そのような場合垂直位置および向きを変わらないように保つためには、継続的な駆動力が必要になる。継続的な駆動力を必要とすることは、電力使用の点で不利である。特に前記水中マニピュレータアームロボットが電池から電力供給される場合、この継続的な駆動力を必要とせずにすむようにすることが望ましい。

この問題を解決するために、前記水中マニピュレータアームロボットは調整可能な浮力を有する要素を備えてもよい。例えば、前記水中マニピュレータアームロボットは、加圧された空気により充填される、または代わりに任意の「空気袋」や圧縮もしくは膨張されることにより浮力や重りを変化させることができる流体により充填される、バラストタンクを含むことができる。前記した浮力を調整できる要素は、膨張または収縮している間以外はエネルギを消費する必要がなく、垂直方向の一定位置を維持するために必要な力を提供するものである。さらに。前記水中マニピュレータアームロボットは曲げおよび形状／形態の変化を可能にする、複数のリンクと複数の関節モジュールを有しているので、複数の関節を用いて複数の浮力要素同士の相対的な位置を変化させて、前記水中マニピュレータアームロボットの浮力の中心を変化させることができる。また、前記複数の関節モジュールを介して、前記複数の浮力要素が前記水中マニピュレータアームロボットの動きに与える影響を操作できる。

好ましい実施例では、垂直方向の駆動力を与える複数の駆動デバイスと浮力を調整可能な一つ以上の要素とが両方とも含まれる。前記複数の駆動デバイスと浮力を調整可能な一つ以上の要素は、前記した各駆動デバイスが浮力を調整することができるように単一のモジュール中に組み入れてもよい。浮力または重りを用いて、前記水中マニピュレータアームロボットの重さおよび／または一定の変化しない垂直方向の流れを補うゆっくり変化する垂直方向の力を与えることができる一方、前記駆動デバイスは、例えば流れの突然の変化や前記水中マニピュレータアームロボットの形状の変化から生じる変化のような前記駆動デバイスに影響する力を補うように素早く修正する力を与えることができるのが利点である。この構成によれば、前記水中マニピュレータアームロボットの位置と向きを正確かつ迅速に調節する一方、よりエネルギ効率のよい浮力要素を効果的に利用することができる。一つの好ましい実施例では、各駆動機の調節駆動力入力の垂直成分の時間積分（すなわち、積分調節器）が入力される時、安定状態で平均垂直駆動力が０に収束するように調節可能な複数の浮力要素の浮力が各浮力要素ごとに調節される。したがって、高い周波数の垂直方向の力が駆動機によって与えられる一方、浮力要素によって低い周波数の成分が与えられる。

好ましい実施形態では、前記水中マニピュレータアームロボットは関節で繋げられた胴体による運動を可能にする、関節モジュールで繋げられた少なくとも３つのリンクを有する。これらのリンクは任意の形態にすることができ、特に複数の駆動力モジュール、ガイドフィン付きの複数の剛性リンク、または駆動機能やガイドフィン機能を有さない剛性結合リンクであってもよい。前記水中マニピュレータアームロボットが蛇形ロボットの形態となるように、例えば少なくとも１０個のリンクがあってよい。代表的な蛇形ロボットは端から端までを繋ぐ３個から２０個の関節モジュールを有し、これら関節モジュールの各々は一つ以上の自由度を有する。

前記複数の関節モジュールは、単一平面内での相対回転を可能にして二次元の動きをさせるものでもよい。また、前記複数の関節モジュールは、例えば水平および垂直な波状の動きを可能にする、より高次元な動きを可能にするものでもよい。前記複数の関節モジュールの各々は前記水中マニピュレータアームロボットのヨー回転、ピッチ回転およびロール回転の一つ以上の回転方向の相対回転を可能にする。また、オプションの関節モジュールではヨー回転、ピッチ回転およびロール回転のすべての回転方向の相対回転を可能にする。相対回転により前記ツールの向きおよび／または位置を調節することが可能になる。前記複数の関節モジュールは、結合された関節による動きを駆動する一つ以上のアクチュエータを含み、これらのアクチュエータは例えば電気、空気圧および／または油圧によるアクチュエータでよい。前記複数の関節モジュールは、関節のいずれかの側のリンクを直進運動させることができるものでもよい。

前記ツールまたはツール連結部は前記水中マニピュレータアームロボットの任意の便利な位置に設けることができ、前記したように観察ツール、マニピュレータツールおよび他のタイプのＩＭＲツールを含む任意のタイプのツールとすることができる。したがって、前記ツールまたはツール連結部は、前記水中マニピュレータアームロボットの前端部にあってもいいし、前方部モジュールにあってもよい。前記ツールまたはツール連結部は前記水中マニピュレータアームロボットの中間部位にあってもよいし、例えば前記水中マニピュレータアームロボットの胴体の中間部位にある剛性リンクの一つと一体になったものでよい。また、前記ツールまたはツール連結部は前記水中マニピュレータアームロボットの最後尾でもよい。前記ツールまたはツール連結部が複数あってもよい。例えば、前記水中マニピュレータアームロボットの前端部にツールまたはツール連結部が一つあり、さらに前記水中マニピュレータアームロボットの最後尾にツールまたはツール連結部が一つあってもよい。一つの実施例は、前端部と最後尾にツールまたはツール連結部を一つずつ備え、さらに前記水中マニピュレータアームロボットの胴体の中間部位にツールまたはツール連結部をもう一つ含む。このような複数ツールの構成を用いると、前記水中マニピュレータアームロボットの一端にマニピュレーションツールを配置し、前記水中マニピュレータアームロボットの他端に観察ツールを配置することができ、これらのツールにより前記水中マニピュレータアームロボットが例えばカメラとすることができる観察ツールを用いてマニピュレーションツールの動作をモニターすることが可能になる。前記水中マニピュレータアームロボットの両端にツールを配置し、中間部位に観察ツールを取り付けてもよい。両端にあるツールはマニピュレーションツールとしてよい。この構成によれば、両端にあるツールを用いて複雑な「両手による」動作を行うと同時に、中間部位にある観察ツールを用いて該動作を観察することが可能になる。別のオプションの場合、つかみ具と同じモジュールの中にカメラツールが取り付けられる構成のように、両端にあるマニピュレーションツールが観察ツールを備えるものである。ツール連結部がある場合、該ツール連結部にツールが好ましくは標準的な結合具を用いて脱着可能に取り付けられる。このような連結部には代わりのタイプのツールを連結することができるので、様々な海中の仕事に合った様々な異なるツールを単一のロボットに連結することができるという利点がある。

好ましい実施例では、前記水中マニピュレータアームロボットの前端部にツールが配置されるように、前記水中マニピュレータアームロボットは前方部モジュールにツールまたはツール連結部を有する。最後尾駆動デバイスのような長手方向駆動デバイスと横方向駆動用の一つ以上のモジュールと組み合わせれば、前記水中マニピュレータアームロボットの前記前端部に取り付けられたツールの動きの範囲が大きくなる。

前記したことを考慮すると、前記水中マニピュレータアームロボットの一つの実施例は、蛇形ロボットを有し、該蛇形ロボットは、ツールまたはツール連結部を備えた前方部モジュールと、前記前方部モジュールに対して該蛇形ロボットの反対側の端部に配置された最後尾駆動デバイスとしてよい、長手方向駆動力を発生させる駆動デバイスと、前端部と最後尾の間に配置され、関節モジュールで繋げられた複数のリンクと、該蛇形ロボットの一端から他端までの胴体に配置された横方向の駆動力を発生させる一つ以上の駆動デバイスと、備える。このような蛇形ロボットは、動作可能な範囲は大きく、様々なタイプの海中の仕事をこなすことができる。

別の実施例では、最後尾にある駆動デバイスが省かれ、長手方向の駆動能力を省き、操作性を高めることに注力してより複雑な仕事ができるようにしてもよい。そのような実施例は蛇形ロボットを有し、該蛇形ロボットは、ツールまたはツール連結部を備える前方部モジュールと、別のツールまたはツール連結部を備える最後尾モジュールと、前端部と最後尾の間に配置され、関節モジュールで結合されて曲げ動作を発生させる複数のリンクと、該蛇形ロボットの一端から他端までの胴体の複数個所に配置され横方向駆動力を発生させる複数の駆動力モジュールと、該蛇形ロボットの一端から他端までの胴体の中間部位に取り付けられた観察ツールと、を有する。

前記蛇形ロボットの波状の動きはサイン波の動きとして特徴づけることができる。例えば、この波状の動きは横方向の波またはうなぎのような動きとしてよい。このようなタイプの動きは複数リンクの魚ロボットの動きと異なる。実施例では、ｎ個の関節モジュールを有する前記海中蛇形ロボットの各関節ｉを式（１）の基準サイン波にしたがって動かすことにより、前記蛇形ロボットの波状の動きが生まれる。

ここで、αおよびωはそれぞれ最大振幅および周波数であり、δによって関節間の位相シフトが決まり、一方関数ｇ（ｉ，ｎ）は関節ｉの振幅を表すスケーリング関数であり、様々な蛇の動きのパターンを含む極めて広範な種類のサイン関数を表すことを可能にする。パラメータγは関節オフセット座標であり、これを用いて蛇形ロボットの移動する方向を調節することができる。パラメータαおよびδは一定にし、パラメータωおよびγはそれぞれ蛇形ロボットの速度および方向を調節するために変えることが好ましい。真っ直ぐなロボットで回転軸が互いに平行な複数の関節からなる各組ごとに上記式（１）を用いることができる。したがって、例えばヨー回転動作とピッチ回転動作のそれぞれを調節する複数の関節に対して上記式（１）の別々のパラメータの組を用いることができる。

前記水中マニピュレータアームロボットは、該ロボットに波状の動きをさせる進行パターン制御機を含むことができる。好ましい前記水中マニピュレータアームロボットは、その向きを所望の向きに調整する向き調整機を含むことができる。例えば、この向き調整機は進行方向が所望の向きになるように調整する進行方向制御デバイスにすることができる。このデバイスはヨー回転方向の調整をすることができる。前記水中マニピュレータアームロボットは、進行方向制御デバイスの代替として、またはそれに追加して、前進運動をしている時に上昇および下降させるピッチ回転制御デバイスを含むことができる。前記水中マニピュレータアームロボットが、波状の動きをする時、駆動デバイスにより動作する時、または波状の動きと駆動デバイスによる動作の両方をする時、前記進行方向制御デバイスおよび／または前記ピッチ回転制御デバイスが作動する。前記進行方向制御デバイスおよび／または前記ピッチ回転制御デバイスは前記複数の駆動機、特に前記複数の駆動力モジュールを制御することによって、前進動作をしている時に進行方向および／またはピッチ回転を制御する。駆動力モジュールの制御の代替として、またはそれの追加として、前記水中マニピュレータアームロボットが既に動いている時は、該ロボットの形状によって該ロボットの動きをガイドするとともに、前記複数の関節モジュールを用いて前記水中マニピュレータアームロボットの形状を変化させて駆動力の向きをガイドする。

前記水中マニピュレータアームロボットは、前記ツールが搭載される前記水中マニピュレータアームロボットの部分、例えば前方部モジュールの向きと位置を制御する制御機である前記ツールの動きを制御するツール制御機を有してもよい。

前記した様々な制御機は別々のハードウェアである別々の制御モジュールとしてもよいし、共通のハードウェア中の別々のソフトウェアとしてもよい。また、前記水中マニピュレータアームロボットの制御のすべての特徴部分を扱う統一システムがあってもよい。

前記水中マニピュレータアームロボットは、該ロボットを別の構造物に取り付ける、例えば該ロボットを別の構造物にしっかり固定する取り付けデバイスを備えてもよい。前記取り付けデバイスは、取り付け可能なデバイスならばいかなるものでもよい。例えば、機械式クランプや磁石デバイスや吸引力デバイスのようなデバイスである。一つの実施例は、駆動デバイスの機能も有する吸引力デバイスである。前記吸引力デバイスは、一つの使用モードにおいては固定構造物と該吸引力デバイスの間を負圧にして前記水中マニピュレータアームロボットを該固定構造物にしっかり固定し、別の使用モードにおいては一方側から水を排出し、他方側から水を吸引することにより、前記した実施例の横方向駆動デバイスと同じように駆動力を発生する。吸引力と駆動力を組み合わせたデバイスは、適切なカウリングまたはベーンを駆動力モジュールに加えることで可能になる。

吸引力と駆動力を組み合わせたデバイスを水中移動体に用いることは、それだけで新規であり進歩性もあると考えられる。したがって、本願発明の第２の形態では、吸引力と駆動力を組み合わせたデバイスを含む水中移動体を提供するものであって、前記吸引力と駆動力を組み合わせたデバイスは前記移動体の推進および／または誘導用の駆動力を与える第一の動作モードと前記移動体を別の構造物に押しつけた状態にする吸引力を与える第二の動作モードを両方提供する前記水中マニピュレータアームロボットと同じ駆動機構を用いる。

前記水中移動体は蛇形ロボットかつ／またはマニピュレータアームロボットのようなロボットでよい。このロボットは前記した任意の特徴または前記したすべての特徴を有するものでよい。前記吸引力と駆動力を組み合わせたデバイスは前記した駆動力モジュールの一部としてよく、前記した駆動デバイス／駆動力モジュールの任意の特徴またはすべての特徴を含むものでよい。

本願発明は前記水中マニピュレータアームロボットを制御する方法を提供するものであり、前記制御方法は前記複数の関節モジュールと前記複数の駆動デバイスを制御して、前記水中マニピュレータアームロボットを動かして要求される向きおよび／または位置にするための制御ステップを含み、前記複数の関節モジュールを用いることによって前記水中マニピュレータアームロボットに曲げ動作をさせ、さらに／または前記水中マニピュレータアームロボットの形および形態を修正させることができ、前記複数の駆動デバイスを用いることによって前記水中マニピュレータアームロボットを直進および／または回転させる。

オプションとして、前記複数の駆動デバイスの駆動力の向きを制御するために、前記水中マニピュレータアームロボットの形状と形態を修正し、さらに／または前記水中マニピュレータアームロボットを推進する曲げ動作をさせ、さらに／または前記水中マニピュレータアームロボットのツールを所望の位置および／もしくは向きに動かすように前記複数の関節モジュールを用いてもよい。

前記制御方法で用いる前記水中マニピュレータアームロボットは、前記した特徴のいずれかを含むものでもよい。前記した制御ステップは、（前記した波状の動きとしてよい）前記曲げ動作を前記複数の駆動デバイスが発生する駆動力と組み合わせることにより、従来の蛇形ロボットまたは従来のＲＯＶ／ＡＵＶでは不可能であった動作をさせることができるのが有利な点である。

前記制御方法は、前記複数の関節を用いて前記水中マニピュレータアームロボットを動かして要求された形態にし、前記複数の駆動デバイスを用いて前記要求された形態の水中マニピュレータアームロボットを直進および／または回転させて要求される位置まで動かすステップを含むものでよい。例えば、前記水中マニピュレータアームロボットは、前記複数の関節モジュールにより、指示された仕事をするのに適したＵ字形のような特定の形状にされ、前記複数の駆動デバイスにより前記指示された仕事に関係する位置まで動かされるものでよい。

前記水中マニピュレータアームロボットは長手方向の駆動力を与える駆動デバイスを含む。この場合前記方法は前記長手方向の駆動力を用いて前記水中マニピュレータアームロボット推進させるステップと、前記複数の関節モジュールを用いて前記水中マニピュレータアームロボットの形状を修正することによって前記水中マニピュレータアームロボットの進行方向を制御するステップとを含むものでよい。

前記複数の関節モジュールと前記複数の駆動デバイスの相対的な位置は既知かつ／または計算可能であり、さらに関節の角度は既知かつ／または計算可能である。前記水中マニピュレータアームロボットの制御方法は、すべての関節モジュールとすべての駆動デバイスの向きを決定するステップと、前記水中マニピュレータアームロボットの重心に対する各駆動デバイスからの駆動力を表すベクトルを決定するステップと、これらステップにより必要な駆動力および／または関節モジュールの修正を決定して前記水中マニピュレータアームロボットの向きおよび／または位置を必要なだけ修正するステップを含むものでよい。例えば、前記水中マニピュレータアームロボットを直進させながら、または直進させないで回転させることが必要な場合、前記制御方法は、直進させるのに必要な重心にかかる力とともに重心の周りに作用する回転力を与える前記複数の駆動デバイスからの複数の駆動力を結合した力があるか否かを判定するものでよい。前記した重心にかかる力は、直進させる必要がない場合は０になる。すなわち、重心の周りのすべての駆動デバイスからの駆動力の合力はモーメントを生じさせ、直進の力は生じない。複数の力を結合した力がある場合、前記制御方法は前記複数の駆動デバイスを適宜制御するステップを含むものでよい。複数の力を結合した力がない場合、前記水中マニピュレータアームロボットの形態を変化させて、必要とされる回転と直進をすることができるようにする力を前記複数の駆動デバイスに加えさせるために、制御可能な方向駆動デバイス（もしもあれば）の動きおよび／または一つ以上の関節モジュールの動きを決定するステップを前記制御方法は含むものでよい。

前記制御方法はコンピュータソフトウェアを用いて前記複数の関節が必要とする動きと前記複数の駆動デバイスからの必要な駆動力とを決定するものでよい。別の角度から見ると本願発明は、データ処理デバイス上で実行される時、前記した制御方法によって前記した水中マニピュレータロボットを制御するように該データ処理デバイスを設定するコンピュータプログラム製品を提供するものである。したがって、前記コンピュータプログラム製品は前記データ処理デバイスの設定を行って、前記複数の関節モジュールと前記複数の駆動デバイスを制御して、前記水中マニピュレータロボットを動かして必要とされる向きおよび／または位置にもっていく。この時、前記複数の関節モジュールを用いて前記水中マニピュレータロボットを推進させることができる曲げ動作を生じさせ、さらに／または前記複数の関節モジュールを用いて前記水中マニピュレータロボットの形状および形態を修正させ、さらに前記複数の駆動デバイスを用いて前記水中マニピュレータロボットに直進の動きおよび／または回転の動きをさせる。前記コンピュータプログラム製品はオプションとしてデータ処理装置を設定して本願発明の制御方法に関係する前記した他の制御方法ステップを実行させてもよい。

本願発明の特定の好ましい実施形態を次の図面を参照して実施例のみにより説明する。
図１は関節モジュール、フィンおよび駆動力モジュールを有する蛇形ロボットのいくつかの外観図である。 図２は最後尾推進モジュールを用いて海中施設に向かって推進する複数の蛇形ロボットのグループを図解する。 図３は観察の仕事を実行するために、海中施設に設けられた構造物の周りを巻きついている蛇形ロボットを示す。 図４は海中施設をマニピュレーションする仕事を実行するつかみ具を有する、泳いでいる蛇形ロボットを示す。 図５は前端部と後端部の両方にツールを有する蛇形ロボットがマニピュレーションをする形態となっている状態を示す。 図６は図５の蛇形ロボットが移送される形態となっている状態を示す。 前端部と後端部の両方にツールを有する別の蛇形ロボットの一つの形態を示す。 前端部と後端部の両方にツールを有する別の蛇形ロボットの別の形態を示す。 両端部にツールを有し、中間部に長手方向駆動機を有する蛇形ロボットの例を示す。 両端部にツールを有し、中間部に長手方向駆動機を有する蛇形ロボットの例を示す。

前記した図面に示すように、本願発明が提案する水中動作蛇形ロボットは一つ以上の駆動デバイスを含み、多くの機能を有している。直列に連結した複数の関節モジュールからなる関節結合された水中動作蛇形ロボットは複数の駆動力モジュールと結合させてその動作能力を改良することができる。関節モジュールのみからなる従来型の蛇形ロボットはうなぎのように泳ぐことができる。しかし、この従来型の蛇形ロボットがパイプおよび他の構造物の周りに巻きつくと、または海中施設の狭い場所の中に入っていると、該蛇形ロボットを所望の方向に推進するのに必要な波状の動きが周囲の海中施設の構造物による制約を受けるので該蛇形ロボットの動作能力は通常低下する。前記した蛇形ロボットの関節結合された構造に該蛇形ロボットの胴体の部分にかかる複数の直線的な力を発生させる複数の駆動機を組み合わせることによって、該ロボットの狭い場所における動作能力が明らかに改善する。さらに、複数の駆動力モジュールの一つとして最後尾推進モジュールを用いることによって、前記した蛇形ロボットが素早く直線的な動きをすることが可能になる。

複数の駆動機を有する関節結合されたロボットは、該ロボットが固定物にロープで繋がっている場合は実質的に関節結合されたＲＯＶ（遠隔操作移動体）となり、該ロボットが固定物にロープで繋がっていない場合はＡＵＶ（自律型水中移動体）となる。ＲＯＶおよびＡＵＶは現在海中での仕事で普通に用いられるツールである。しかし、従来のＲＯＶおよびＡＵＶは大きな胴体部からなり、その胴体部に比べて小さい一つ以上のマニピュレータアームを備える曲がらない構造体である。本明細書が説明する本願発明の概念は、ＲＯＶ／ＡＵＶの前記した大きな胴体部を排除し、前記した蛇形ロボットの胴体が効率的にマニピュレータアームとなることでマニピュレータアーム自身が推進と操作を両方とも行うものである。

本願発明の主要な特徴は図１の中に見ることができる。図１は関節モジュール２と、フィン４と駆動力モジュール６とを有する蛇形ロボットの３つ異なる外観図である。例示されている複数の駆動力モジュール６は前記蛇形ロボットの一端から他端までの胴体に配置され、推進機に基づき、トンネル駆動機６の形状を有している。ウォータジェットのような他のタイプの駆動機を用いることも可能である。さらに、最後尾駆動デバイス８の形態となっている別の駆動デバイスがあり、最後尾駆動デバイス８はこの例では最後尾推進力モジュール８となっている。再び述べるが、この駆動機は他のタイプの駆動機で置き換えることも可能である。最後尾駆動デバイス８は、前記蛇形ロボットの関節が一直線に並んだ時に前記蛇形ロボットを直線的に動かすとともに、前記蛇形ロボットの複数の関節が曲がった形態の状態で、さらに力の向きを変えて、力を加えるための動作能力を与える。

前記ロボットの前方部モジュール１０はツールを取り付けることができる。したがって前方部モジュール１０は一つ以上のツールを取り付けるために配置される。異なるタイプのツールが異なるデザインの蛇形ロボットに取り付けられる。別の形態では、ツール取り付け部を前方部モジュール１６に一つ設けて、そのツール取り付け部にいくつかの異なるタイプのツールを取り付けてもよい。このやり方によれば、ツールを選んで取り付けることにより、単一の蛇形ロボットを複数の目的のために使用することができる。例えば、図１および図３の中に示すようにカメラまたは他のセンサのような観察ツール１２をとりつけてもよい。また、図４に示すようにマニピュレータツールでもよい。

図２は最後尾駆動デバイス８を用いて蛇形ロボットを海中施設に直線的に推進する様子を示す。この蛇形ロボットは関節結合された構造（すなわち複数の関節モジュール２）を用いて海中うなぎのように泳ぎおよび／または方向制御を行うこともでき、該関節結合された構造は最後尾駆動デバイス８および／または駆動力モジュール６によって加えられる駆動力と協働して方向舵またはガイド翼として働く。フィン４は前記蛇形ロボットの運動を補助する。長い距離にわたって動くためには、前記蛇形ロボットの胴体を魚雷と同様に真っ直ぐにして前記蛇形ロボットの後方部にある駆動機ユニット８を働かせて水中を動いていくのが最もエネルギ効率がよいと考えられる。複数の駆動力モジュール６および／または前記関節結合された構造を用いて方向制御をすることができる。したがって、駆動機を有する前記蛇形ロボットは、動きに関しては従来の蛇形ロボットと同じ能力を有するのみならず、さらに効率的に長距離移動する能力を有し、その移動速度の範囲が大きく、さらにその形状および姿勢についての制御の範囲が大きい。

提案する前記蛇形ロボットのもう一つの能力が図３中に示されている。前記蛇形ロボットの一方の端部は、前記蛇形ロボットの前方部モジュール１０に取り付けられた観察ツール１２を用いて観察の仕事を実行するために海中施設に設けられた構造物の周りに巻きついている。胴体の途中に設けられた複数のトンネル駆動機６によって前記蛇形ロボットの動作能力が向上し、胴体の一方の端部が構造物に巻きついていても、前記蛇形ロボットをあらゆる方向に直線的に変位させることができる。このようなことは従来の蛇形ロボットでは不可能である。最後尾駆動デバイス８はさらに別の動作の能力を提供している。

図５乃至図８は最後尾駆動デバイス８を省き、その代わりに複数のツールが蛇形ロボットの各端部に取り付けられている別の実施例を示している。この場合取り付けられているツールはマニピュレーションツール１４と複数のカメラ／複数のセンサ１６である。したがって、この蛇形ロボットは、前方部モジュールと該蛇形ロボットの最後尾にはツール１４があり、該蛇形ロボットの二つの端部の間には複数のリンクが複数の関節モジュール２および駆動力モジュール６とともに直列につながっている「両頭」の構成にしてよい。一対のマニピュレーションツール１４に加えて、カメラ１２の形態の観察ツール１２が前記蛇形ロボットの胴体の中間部にあってもよい。この観察ツール１２によって、前記蛇形ロボットが例えば図５および図７に示すような観察に適した形態をしている場合、二つのマニピュレーションツール１４の動作を監視することができる。前記蛇形ロボットがこの形態のとき、複数の駆動力モジュール６を用いて海流によるドリフトに逆らいながら、該ロボットが動くのを防ぎ、一方該ロボットの中央部分にある複数の関節モジュール２は動かない状態に保持することができる。前記蛇形ロボットの端部にある複数の関節モジュール２を用いて複数のマニピュレータツール１４の動きの向きを変えることができる。

図５乃至図８の蛇形ロボットは長手方向駆動機を備えていない。このような蛇形ロボットが長距離移動する場合は牽引すればよい。牽引により簡単に移動させることを可能にするには、前記蛇形ロボットは、前記した最後尾駆動機を有する蛇形ロボットの形態、すなわち図６中の真っ直ぐな魚雷の形に似た形態を移動用の形態とすることができる。前記蛇形ロボットは、最後尾駆動機のかわりにまたはそれに加えて該蛇形ロボットの胴体の途中の任意の部位に長手方向駆動機を備えることができる。このような長手方向駆動機は駆動力モジュール６から外側に突出する場合がある。また、駆動力モジュール６は駆動力を前記蛇形ロボットの長手方向に沿った方向に誘導するベーンまたはノズルのような駆動力方向誘導機を備えることもできる。以下に述べる図９および図１０の実施例は前記蛇形ロボットの中間部位に長手方向駆動機を含むが、他の実施例のいずれにおいても同じ駆動機を利用することができることは当然である。

図５および図６の蛇形ロボットは前方部モジュールと後方部モジュールにセンサに備えている。センサ１６は例えばカメラとしてよい。センサ１６は移動している時に情報を提供することができるし、さらにマニピュレーションツール１４の動作に関して近接画像のような情報を提供することもできる。

実施例として、図８は前記蛇形ロボットを表す別の形態を示す。この形態では、複数の駆動力モジュールのうちの一つの向きが、前記蛇形ロボットの主要部分の長手方向に平行な駆動力を与えるような向きになっている。例えば複数のマニピュレータツール１４の一つが固定構造物の一部分に対して働くように、前記蛇形ロボットがその固定構造物に対する位置を維持しなければならないとき、このような駆動力モジュールの構成により前記蛇形ロボットの柔軟性が高まる。複数の関節モジュールが基本的にピッチ回転、ヨー回転およびロール回転のすべての回転方向の回転をすることができることを考えると、前記蛇形ロボットは極めて高い自由度を有するので、複数の関節モジュール６の回転によって可能になる任意の姿勢をとることができることがわかる。

図９および図１０に示す別の実施例では、前記蛇形ロボットは前方部モジュールにカメラ／センサ１６とともにマニピュレータツール１４を備え、最後尾には観察ツール１２を備える。複数の駆動力モジュール６と複数の関節モジュール２を用いて、前記蛇形ロボットに波状の動きをさせ、他のすべての実施例のような様々な形態をとらせることができる。長手方向の駆動力を介して直線移動の推進をさせるために、本実施例の蛇形ロボットはその中間部位に側面搭載型長手方向駆動力モジュール１８を備える。このような側面搭載型長手方向駆動力モジュール１８は前記した最後尾駆動機８と同様に長手方向駆動力を提供する。

前記蛇形ロボットは、それ自体がマニピュレータアームであり、従来技術のＲＯＶまたはＡＵＶに搭載されたマニピュレータアームが実行する仕事と同じ仕事を行うことができるが、前記蛇形ロボットはＲＯＶまたはＡＵＶの大半の部分を有さないものであることがわかる。前記蛇形ロボットの所定の部位にマニピュレーションツール１４を取り付けて、例えば図４乃至図１０に示すように前方部モジュール１０および／または最後尾に把持ツール１４を取り付けて、前記蛇形ロボットにマニピュレーションの仕事をさせることができる。本願発明が提案する蛇形ロボットの複数の特徴を組み合わせることにより、該蛇形ロボットが複数の駆動機６を用いて所定の位置を維持したり（水中で停止したり）、自身を固定された位置に機械的にしっかり留めることができることは明らかである。このような動作は、図４に示すように固定構造物の周りに前記蛇形ロボットの胴体の一部を巻きつけて行なってもよいし、第２のツールを用いることにより行ってもよいし、または特別な取り付けリンクもしくは取り付けデバイスによって行ってもよい。取り付け機構を用いることは添付した図には示されていないが、添付した図に示される実施例に取り付け機構を付加することができることがわかる。この取り付け機構は、例えば、機械的クランプ、磁石デバイスまたは吸引デバイスの形態のものであり、これらデバイスを用いることにより前記蛇形ロボットを海中構造物の一部にしっかり固定することができ、前記蛇形ロボットの胴体を該構造物に巻きつけることを必要としない。任意の適切な取り付け方法を用いることができる。一つの特別な実施例は駆動デバイス機能も提供する吸引デバイスを用いる。この吸引デバイスは、一つの使用モードではそれ自身と固定構造物の間の水圧を相対的に低くして、吸引力を発生させて前記蛇形ロボットを固定構造物に固定し、別の使用モードでは該吸引デバイスは一方側から水を排出し、他方側の水を内部に引き入れることにより、実施例の横方向駆動デバイスと同じように駆動力を提供する。駆動力モジュール６に適当なカウリングまたはベーン構造を付加することによって、吸引デバイスと駆動力デバイスを組み合わせたデバイスを提供してもよい。

前記蛇形ロボットは海中構造物に予め取り付けられた専用デバイスによって該海中構造物に固定されてもよい。海中構造物に取り付けられたそのようなデバイスを取り付け手段のすべてまたは一部を構成するものにできる。例えば、海中構造物に取り付けられた鉤デバイスは前記蛇形ロボットに取り付けられたクランプと互いに結合させることができる。別のやり方は海中構造物に取り付けられたデバイスが前記蛇形ロボットを保持するのに能動的な役割を果たすものであり、そのようなデバイスは前記蛇形ロボットの留め金部分と係合するような、例えば海中構造物に取り付けられたクランプデバイスである。

このような構造の場合、前記蛇形ロボットはツール用のマニピュレータアームとしてより多くのリンクを自由に使用できる。複数の関節モジュール４と複数の駆動力モジュール６を用いてマニピュレータツール１４を動かしたり、保持したりすることができるので、前記蛇形ロボットは高い動きの自由度とマニピュレーションツール１４を用いて力を加える能力とを有するマニピュレータアームとして機能することができる。

観察ツール１２、マニピュレータツール１４または他の任意のタイプのツールを前方部モジュール１０や最後尾だけでなく前記蛇形ロボットの胴体の任意の部位に搭載できることは当然に理解される。ただし、前方部モジュール１０または最後尾にツールを搭載するのが最も役に立つことものと考えられる。その理由はツールの動きの範囲が最も大きくなり、ツールの動作に前記蛇形ロボットの胴体が干渉するおそれが少ないからである。

このような関節で繋がった構造がマニピュレーションの仕事を実行するのに適した環境には、海中石油施設や海中ガス施設が含まれる。マニピュレーションの仕事の例には次の仕事が含まれる。

＊ 蛇形ロボットの前方部の中にある把持部を用いてバルブハンドルを掴んで、回転させてバルブを開閉する。
＊ 蛇形ロボットの前方部の中に搭載された把持ツールを用いて、例えば、
− 水面に引き上げられる海中モジュールの周りに／該海中モジュールを通るようにケーブル巻き上げ機を誘導する（例えば、海中モジュールを交換するため）。
− ホットスタブを挿入、抜き取りする。
− コネクタを接続する／接続を断つ（例えば、電気的／光学的）。
− ＲＯＶを動かしている間に海中型枠の中に消えた対象物を捜索し、把持し、取り戻す。
− 拘束物を接続する／接続を断つ。
＊ 海中プロセス部分の交換に伴い、蛇形ロボットの頭部に搭載された油圧切断ツールを用いてプロセス用管の一部を切断して除く。

＊ ブラシツールまたは蛇形ロボットの前方部に搭載された高圧水を噴出するノズルを用いて、海中施設の表面を洗浄する（すなわち、生物材料を除去する）。
＊ 振動センサツールを水中構造物に押し当てて、該水中構造物の振動を計測する。
＊ 水中構造物に測定センサを押し当てて、該水中構造物の健全性を測定する。この測定はＣＰプローブのような腐食検知センサを水中構造物に押し当てて腐食健全性の測定することを含む。
＊ 蛇形ロボットの前方部に搭載された切断ツールを用いてガイドワイヤ切断をする。

＊ 溶接ツールを用いて海中構造物の修理をする。
＊ 機械的接合用ツールを用いる。例えば、栓をする、栓を抜く。
＊ 把持具またはそれに類似するツールを用いてＲＯＶパネルハンドルまたはドッキング用の案内線を掴む。
＊ 油圧トルクツールまたは油圧スタブインによってバルブ操作を行う。

＊ 壁の厚さや他の状態パラメータを測定するためにセンサをプロセス用管に留め金で固定する。
＊ 立ち上がり管の検査：蛇形ロボットが立ち上がり管の周りに巻きつき、蛇形ロボットの胴体に搭載された複数のセンサが立ち上がり管に接触した状態で、蛇形ロボットが立ち上がり管を巻きながら上がっていく、または立ち上がり管を伝って推進され、一回の作業で立ち上がり管全体の周囲からのセンサデータを取ることができる。

非接触型観察作業（すなわち、海中設備と物理的干渉を必要としない作業）の例には、蛇形ロボットの頭部に搭載されたカメラを用いて行う次の作業がある。

＊ 視覚的なフィードバックによりＲＯＶ作業を支援し、ＲＯＶ作業者がＲＯＶ作業を制御するのを手助けする。蛇形ロボットは従来のＲＯＶではアクセスできないカメラアングルでのビデオ撮影を提供できる見込みがある。
＊ ＲＯＶが装置設置作業をしている時に、例えばＲＯＶが同作業において装置をしっかり固定したことを確認して装置の状態の表示が正しいかどうか確かめる。
＊ ガス探知ツールを用いてガス漏れの有無を調べる。
＊ 音センサを用いてガス漏れ／泡の有無を調べる。
＊ 通常の観察を行う。クリスマスツリー、マニホールドホールド、保護構造および他の海中テンプレート構造を観察する。本願発明の蛇形ロボットは海中テンプレート内部およびクリスマスツリーおよびマニホールドの内部の狭い場所に近づくことができる。

本願発明の蛇形ロボットは自由度が高い多くの関節で繋がった構造を有するので、複数の様々な機能が該蛇形ロボットの胴体に沿って配置されている。このような構造は観察もしくはマニピュレーションの作業中に蛇形ロボットが動いてもその前方部のセンサもしくはツールが所定の向きになるように保持しなければならない時、または該センサもしくはツール特定の軌道にしたがって動かなければならない時に都合がよい。このような場合、蛇形ロボットの最も後方にある複数のモジュールが蛇形ロボットを推進させ（波状の泳ぎの動作および／または駆動機を用いて）、一方、前方部の複数の関節によって、前方部のセンサまたはツールが所望の方向に向き、または所望の軌道に沿って動くように確実に調節することができる。

駆動機を用いないで蛇形ロボットを泳がせるための蛇形ロボットのすべて関節の制御アルゴリズムは、概ね現在あり蛇形ロボット文献で公表されている方法に基づいて作成することできる。もちろん、将来、より精巧で専用のアルゴリズムが開発されるだろう。駆動デバイスが加えられると、その場合主要な推進力源が２つあることになる。特に、蛇形ロボットがその胴体により波状の動きを行う時に、すなわち海ヘビのように泳ぐために蛇形ロボットが胴体を波状に動かす時に、蛇形ロボットにかかる推進力が発生する。さらに、胴体の複数の部位に搭載された駆動機によって推進力が発生する。プロペラに基づく駆動機の場合、プロペラの回転軸と平行な方向の直線的な力が生まれる。例えば、図１に示す最後尾にあるプロペラユニットは蛇形ロボットの尾部に平行な力を発生させる。一方、トンネル駆動機は蛇形ロボットの胴体に垂直な力を発生させる。最後尾駆動機ユニットは、蛇形ロボットを長距離推進するのに通常用いられるのに対して、トンネル駆動機は蛇形ロボットを横方向に短距離動かす、または垂直方向に変位させるのに用いられる。

これらの駆動機ユニットのみを用いる場合、または蛇形ロボットの波状の動きを伴う場合の駆動機の制御方法は、現在ある駆動機ユニットおよび駆動デバイスを有する水中ロボットの既知の特徴に基づいて、さらに現在ある波状に動く蛇形ロボットの既知の特徴に基づいて導かれる。従来のＲＯＶおよび複数の駆動機を有する水上船の場合、移動体に所望の動作をさせる各駆動機の配置方法は根本的な制御の問題となっている。ＲＯＶ／ＡＵＶおよび水上船（すなわち駆動機を有する堅牢な胴体）に駆動機を配置する方法について多くの文献がある。複数の駆動機が多くの関節で繋がった構造に沿って搭載されているマニピュレータアームロボットの場合、蛇形ロボットの胴体に配置された複数の関節モジュールによって駆動機同士の相対的な位置を変えることができるので、駆動機を配置する問題は新たな次元に入っている。蛇形ロボットの胴体を一つの特定形状にするための各駆動機の最適な用い方は、蛇形ロボットの胴体形状が変化して新しくなると変化する。蛇形ロボットは、自身を必要とされる向きおよび／または位置に動かすために、すべての関節モジュールおよび駆動デバイスを制御する制御システムを有している。複数の関節モジュールを用いることにより、蛇形ロボットを推進させることができる曲げ動作を発生させ、さらに／または蛇形ロボット形状および形態を調整させる。複数の駆動モジュールを用いることにより、蛇形ロボットに直進および／または回転の動きをさせる。

従来の蛇形ロボットや従来のＲＯＶ／ＡＵＶでは不可能であった動作を蛇形ロボットにさせるために、前記制御システムは蛇形ロボットの波状の曲げ動作と複数の駆動デバイスからの駆動力と組み合わせる。前記制御システムは複数の関節モジュールを用いて蛇形ロボットを動かして必要とされる向きにすることができ、さらに複数の駆動デバイスを用いて必要な形態の蛇形ロボットを直進および／または回転させて必要な位置にまで動かすことができる

すべての関節モジュールとすべての駆動デバイスの相対的な配置は既知であり、計算することができる。また、すべての関節の角度は既知であり、さらに／または計算することもできる。したがって前記制御システムはすべての関節モジュールおよび駆動デバイスの向きを容易に決定し、蛇形ロボットの重心に対する各駆動デバイスからの駆動力ベクトルを決定することができる。このことより、前記制御システムは蛇形ロボットの向きおよび／または位置を必要なだけ変化させるのに必要な、各駆動デバイスの駆動力および各関節モジュールの調整分を計算することができる。

例えば図１乃至図４に示すように水中マニピュレータアームロボットは長手方向の駆動力を与える駆動デバイスを含む場合、前記制御システムは長手方向の駆動力を用いて蛇形ロボットを推進し、関節モジュールの調整をすることで蛇形ロボットの形状を調整し、蛇形ロボットの向きを制御する。

蛇形ロボットは電池のようなボードに実装された電源によって電力供給される。このような電源は短時間の作業および観察作業または負荷が軽い狭い場所に入る作業には十分である。長時間の作業や大電力を用いる作業の場合、外部電源が必要になる。いくつかの外部電源の選択肢がある。蛇型ロボットは海中の電力ステーションに停留して電池を充電し、または別のボード実装された電源を充電する。蛇形ロボットおよび／またはツールを接続ロープで繋いでもよい。接続ロープは常に取り付けられてもよいし、または、例えば海中作業で大電力を使用する間だけのように一時的に取り付けてもよい。接続ロープは海中テンプレート、ＲＯＶ／ＡＵＶ近傍または海上施設支持船舶に結合された接続ロープ管理システムに繋ぐことができる。接続ロープに供給されるエネルギを用いて、大荷重のかかるツール作業をすることができる。様々な方法により接続ロープが動力を供給することができる。例えば、電気、油圧、または空気圧等を用いることができる。

海中テンプレートに着いた後、蛇形ロボットは海中作業をする場所にツールを持って行き、そのツールを接続ロープに接続する。別のやり方では、ツールをＲＯＶが持って来てもよく、または接合ロープ管理システム（ＴＭＳ）の一部として持って来てもよい。また、ツールが常に海中テンプレートにあるツールボックスの一部にすることもでき、ツールボックスに常に接続されてもよい。

蛇形ロボットは別の同様なロボットに接続されるようなにすることも可能である。このような接続にはツールを接続するのと同じ結合デバイスが用いることができる。結合して一緒になったいくつかの蛇形ロボットは、例えば移動する際に共通の駆動機を用いることによりエネルギの節約することが可能である。この長い蛇形ロボットが実際の狭い場所に入る作業の時には、複数の短い蛇形ロボットの組にすることが可能である。ある作業ではより長い蛇形ロボットが好ましいし、別の作業ではより短い蛇形ロボットが好ましい。

蛇形ロボットとツールの接続部は、機械的デバイスまたは電気デバイスのような任意の適切な固定ツールにすることができる。単にツールを支持するだけでなく、この接続部は蛇形ロボット、または蛇形ロボットに取り付けられた接合ロープからツールに動力を伝達することを可能にするために、例えば、電気、油圧または空気圧の動力を伝達する結合部にすることができる。

蛇形ロボットは調節可能な複数の浮力要素を備えてもよい。例えば、蛇形ロボットは、加圧された空気により充填される、または代わりに任意の「空気袋」や圧縮もしくは膨張されることにより浮力や重りを変化させることができる流体により充填される、バラストタンクを含むことができる。調節可能な複数の浮力要素は、膨張または収縮している間以外はエネルギを消費する必要がなく、垂直方向の位置を維持するために必要な力を提供するものである。この調節可能な複数の浮力要素は横方向駆動力モジュール６の中に組み入れてもよい。この調節可能な複数の浮力要素の浮力を用いて蛇形ロボットの重さを補償し、さらに／または定常的な垂直方向の流れを補償するゆっくり変化する垂直方向の力を蛇形ロボットに与えることができる一方、一つまたは複数の駆動デバイスは、蛇形ロボットに影響する力の急激に変化、例えば、流れの突然の変化や蛇形ロボットの形状変化から生じる変化、を補償する修正力を与えことができるのが有利な点である。このことを行うために、各駆動機の調節駆動力入力の垂直成分の時間積分（すなわち、積分調節器）が入力される時、安定状態で平均垂直駆動力が０に収束するように調節可能な複数の要素の浮力を各浮力要素ごとに調節される。調節可能な複数の浮力要素を前記した方向制御の任意の方法と組み合わせて用いたときに、蛇形ロボットを上方および下方に推進することができる、それぞれ正の浮力および負の浮力を蛇形ロボットに与えることができる。このような浮力によって、高いエネルギ効率で長い距離を推進することができる。

前記した有利な点に加えて、本願発明の蛇形ロボットにはその形状とサイズに起因する、従来のＲＯＶおよびＡＵＶにはない有利な点がある。前記蛇形ロボットは例えばパイプに沿うルートや複雑な施設を通るルートのような制約のあるルートを通って、従来のＲＯＶやＡＵＶではそのサイズのために不可能なやり方で目標地点に近づくことができる。さらに、目標地点がそれ自体閉塞された空間である場合や近づくのが難しい場合、前記蛇形ロボットには利点がある。すなわち、前記蛇形ロボットによれば、ＲＯＶおよびＡＵＶに固定された従来のマニピュレータアームが接近できない空間の中で作業することが可能であり、しかも取り囲んでいる構造体を取り壊す部分は小さくしつつ作業を行うことができる。

Claims (26)

1. 水中マニピュレータアームロボットであって、
   複数の関節モジュールによって互いに連結されている複数のリンクであって、前記水中マニピュレータアームロボットの曲げ動作を発生させる複数のリンクと、
   前記水中マニピュレータアームロボットの一端から他端までの胴体の複数の異なる部位に配置された複数の駆動デバイスであって、前記水中マニピュレータアームロボットに駆動力を加えて推進および／または誘導させる複数の駆動デバイスと、
   前記水中マニピュレータアームロボットに取り付けられる少なくとも一つのツール、または前記水中マニピュレータアームロボットに取り付けられるツールを連結する少なくとも一つの連結部と、を有し、
   前記曲げ動作および／または前記複数の駆動デバイスによって、前記水中マニピュレータアームロボットを動かすこと、並びに前記ツールの向きおよび／または位置を調整することができる水中マニピュレータアームロボット。
2. 前記複数の駆動デバイスは、横方向の駆動力を加える駆動デバイスおよび／または長手方向の駆動力を加える駆動デバイスを含む請求項１に記載する水中マニピュレータアームロボット。
3. 前記横方向の駆動力を加える駆動デバイスは一つ以上の駆動機を有する駆動力モジュールである請求項２に記載する水中マニピュレータアームロボット。
4. 前記駆動力モジュールは互いに直角な２つの方向に向いている複数の駆動機を含む請求項３に記載する水中マニピュレータアームロボット。
5. 駆動力の方向を調整可能な駆動デバイスを含む請求項１から請求項４のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
6. 長手方向の駆動力を加える駆動デバイスを含む請求項１から請求項５のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
7. 前記複数の駆動デバイスは、前記水中マニピュレータアームロボットを直進移動させること、並びにロール回転方向、ピッチ回転方向および／またはヨー回転方向に回転させることができる請求項１から請求項６のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
8. 前記関節モジュールによって発生する前記曲げ動作は、当該ロボットを推進させることができる波状の動きである請求項１から請求項７のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
9. 関節結合による動きを可能にする前記複数の関節モジュールにより連結された少なくとも３個の前記リンクを含む請求項１から請求項８のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
10. 前記複数の関節モジュールのそれぞれは一つ以上の平面内での相対回転を可能にする請求項１から請求項９のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
11. 前記複数の関節モジュールのそれぞれは前記水中マニピュレータアームロボットのヨー回転方向、ピッチ回転方向およびロール回転方向での相対回転を可能にする請求項１から請求項１０のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
12. 前記水中マニピュレータアームロボットの浮力を増大および／または減少させる一つ以上の浮力要素を含む請求項１から請求項１１のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
13. ツールまたはツールの連結部を前記水中マニピュレータアームロボットの前端部すなわち前方部モジュールに含み、前記ツールが前記水中マニピュレータアームロボットの前端部に配置されて使用される請求項１から請求項１２のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
14. 複数のツールおよび／または複数のツールの連結部を有する請求項１から請求項１３のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
15. 前記水中マニピュレータアームロボットの前端部にツールまたはツールの連結部を有し、前記水中マニピュレータアームロボットの最後尾にもツールまたはツールの連結部を有する請求項１４に記載する水中マニピュレータアームロボット。
16. 例えばカメラのような観察ツールを有する請求項１から請求項１５のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
17. マニピュレータツールを有する請求項１から請求項１６のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
18. 移動体を推進および／または誘導する駆動力を与える第一の動作モードと前記移動体を他の構造物に当接させたまま保持する吸引力を与える第二の動作モードの両方を提供する同一の運転機構を用いる吸引兼駆動デバイスを有する請求項１から請求項１７のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
19. 前記水中マニピュレータアームロボットは蛇形ロボットである請求項１から請求項１８のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
20. ツールまたはツールの連結部を有する前方部モジュールと、
    前記前方部モジュールの反対側の前記水中マニピュレータアームロボットの端部にある最後尾駆動デバイスと、
    前端部と最後尾部の間にあって、複数の関節モジュールで結合された複数のリンクと、
    前記水中マニピュレータアームロボットの一端から他端までの胴体に配置された一つ以上の駆動力モジュールと、
    を有する請求項１から請求項１９のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
21. 前記複数の関節モジュールはオイルが封入されたベローによって囲繞されている請求項１から請求項２０のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボット。
22. 請求項１から請求項２１のいずれかに記載する水中マニピュレータアームロボットの制御方法であって、
    前記複数の関節モジュールを用いて、前記水中マニピュレータアームロボットを推進させることができる曲げ動作を発生させ、さらに／または前記水中マニピュレータアームロボットの形状および形態を調節し、
    前記複数の駆動デバイスを用いて、前記水中マニピュレータアームロボットのすべての部分またはいくつかの部分を直進および／または回転させ、
    前記複数の関節モジュールと前記複数の駆動デバイスを制御して前記水中マニピュレータアームロボットを命令された向きおよび／または位置に動かすことを含む制御方法。
23. 前記複数の関節モジュールを用いて前記水中マニピュレータアームロボットの形態を調節し、前記複数の駆動デバイスを用いて前記水中マニピュレータアームロボットを直進および／または回転させ、前記水中マニピュレータアームロボットおよび／またはそのツールを動かして命令された位置および／または向きにすることを含む請求項２２に記載の制御方法。
24. 前記水中マニピュレータアームロボットは長手方向の駆動力を加える駆動デバイスを含み、
    前記長手方向の駆動力を用いて前記水中マニピュレータアームロボットを推進し、さらに前記複数の関節モジュールを用いて前記水中マニピュレータアームロボットの形状を調節することにより、前記水中マニピュレータアームロボット並びに／またはツールの位置および／もしくは向きを制御することを含む請求項２２または２３に記載の制御方法。
25. すべての関節モジュールおよび駆動デバイスの向きを決定し、さらに各駆動デバイスからの駆動力ベクトルを決定することにより、前記水中マニピュレータアームロボット並びに／またはツールの位置および／もしくは向きに必要な変化をさせるのに必要な駆動力および／または間節モジュールの調節量を決定することを含む請求項２２乃至２４のいずれかに記載の制御方法。
26. データ処理デバイス上で実行されると、前記データ処理デバイスが請求項１乃至２１のいずれかに記載した水中マニピュレータアームロボットを請求項２２乃至２５のいずれかに記載した制御方法により制御するように前記データ処理デバイスを構成させる命令を含むコンピュータプログラム製品。

Images