JP2024514414A - ツル状ロボットの能動的な巻き取り及び操縦制御 - Google Patents

Abstract

軟質ツル状ロボットは、チューブとして構成された本体であって、それ自体の内部に内翻されて圧力チャネルを画定し、チャネルが加圧されたときに、本体が外翻し、本体の内翻された部材が、外翻し、本体の遠位端において先端から外に出る、本体を含む。巻き取り機構は、巻き取りモータによって制御され、巻き取り機構は、チューブの内部にあり、内翻された部材を能動的に給送し、外翻を提供又は補助し、且つ、本体の伸長された部材を能動的に引き込むように構成されている。制御及び通信電子機器は、巻き取りモータを制御する。巻き取り機構は、ステアリングモータによって制御される曲げ軸を有する操縦機構を含み得る。ロボット本体内で外翻力又は内翻力を能動的に供給することによって、軟質ツル状ロボットは、基部巻き取りロボットと比較して低減された圧力により生長することができる。【選択図】図３

Description

（政府の権益についてのステートメント）
この発明は、米国科学財団によって与えられた補助金番号１６３７４４６及び１９４４８１６による政府の支援の下で成された。当該政府は本発明について一定の権利を有する。

（優先権の主張及び関連する出願の引用）
本出願は、米国特許法第１１９条、及び、全ての適用可能な法令若しくは条約に基づき、２０２１年３月１２日に出願された先の仮出願番号６３／１６０，２８１の優先権を主張する。

（分野）
本発明の分野は、ツル状ロボットとも称される外翻ロボットである。

ツル状ロボットは、軟質の材料から形成されており、流体圧力に応答して外翻する。具体的に、ツル状ロボットは、内部本体圧力によって駆動され、新しい部材を外翻するか、又は広げることによって、その先端から伸長する。例えば、Ｈａｗｋｅｓらの特許文献１を参照のこと。ツル状ロボットは、一般的に、新しい本体部材を、その基部にあるリール内に格納し、該部材は、ロボットが伸長されるに伴って繰り出され、流体圧力に応答して外翻し、該部材をロボットの中心部を通って先端まで通過させる。これらのロボットは、薄い膜であって、それ自身の内部に内翻された膜からなり、膨張されたときに「生長」し、新しい部材を、本体を通過して先端から外に出させて伸長を実現する。ツル状ロボットの本体は、ツル状ロボットの周囲に対して動かない。いくつかのツル状ロボットは、伸長される本体の一側を選択的に伸長又は短縮することによって、能動的な操縦を実現する。操縦及び部材の格納に対するこのアプローチは、完全に軟質なデバイスに適しているものの、３つの重要な制限がある：（ｉ）ロボットの中心部を通過する部材の内部摩擦が、曲がりくねった経路内の該部材の長さを制限する、（ｉｉ）ロボットの本体部材が基部において再度巻き取られる際の本体の座屈が、引き込みを妨げ得る、（ｉｉｉ）一定の曲率の操縦が、所定の作業空間内におけるロボットの姿勢及び対象物アプローチ角度を制限する。

恒常的な湾曲操縦の制限を克服するために、いくつかの設計が提案されている。１つの設計は、空気圧形状ロックと組み合わされたテンドン駆動に基づいている。Ｓ． Ｗａｎｇ、Ｒ． Ｚｈａｎｇ、Ｄ． Ａ． Ｈａｇｇｅｒｔｙ、Ｎ． Ｄ． Ｎａｃｌｅｒｉｏ、及びＥ． Ｗ． Ｈａｗｋｅｓの非特許文献１。他の設計は、離散的且つ可逆的な本体スティフネス調節を使用した。Ｂ． Ｈ． Ｄｏ、Ｖ． Ｂａｎａｓｈｅｋ、及びＡ． Ｍ． Ｏｋａｍｕｒａの非特許文献２。さらなる設計は、機械的インターロックを使用した。Ｗ． Ｈａｗｋｅｓ、Ｌ． Ｈ． Ｂｌｕｍｅｎｓｃｈｅｉｎ、Ｊ． Ｄ． Ｇｒｅｅｒ、及びＡ． Ｍ． Ｏｋａｍｕｒａの非特許文献３。他の設計は、能動的且つプログラム可能なヒートシールを使用した。Ｙ． Ｓａｔａｋｅ、Ａ． Ｔａｋａｎｉｓｈｉ、及びＨ． Ｉｓｈｉｉの非特許文献４。これらの設計は、生長方向の自在で能動的な制御を提供できず、及び／又は、ツル状ロボットの生長の性質を大きく変更することができない。

米国特許第１０９５４７８９号明細書

Ｓ． Ｗａｎｇ、Ｒ． Ｚｈａｎｇ、Ｄ． Ａ． Ｈａｇｇｅｒｔｙ、Ｎ． Ｄ． Ｎａｃｌｅｒｉｏ、及びＥ． Ｗ． Ｈａｗｋｅｓ，"Ａ ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ ｔｉｐ－ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ－ｌｅｎｇｔｈ ｓｈａｐｅ－ｌｏｃｋｉｎｇ"，２０２０ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ （ＩＣＲＡ），ＩＥＥＥ，２０２０，ｐｐ．９０３５－９０４１ Ｂ． Ｈ． Ｄｏ、Ｖ． Ｂａｎａｓｈｅｋ、及びＡ． Ｍ． Ｏｋａｍｕｒａ，"Ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｆｏｒ ｉｎｆｌａｔｅｄ ｂｅａｍ ｒｏｂｏｔｓ"，２０２０ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ （ＩＣＲＡ），ＩＥＥＥ，２０２０，ｐｐ．９０５０－９０５６ Ｗ． Ｈａｗｋｅｓ、Ｌ． Ｈ． Ｂｌｕｍｅｎｓｃｈｅｉｎ、Ｊ． Ｄ． Ｇｒｅｅｒ、及びＡ． Ｍ． Ｏｋａｍｕｒａ，"Ａ ｓｏｆｔ ｒｏｂｏｔ ｔｈａｔ ｎａｖｉｇａｔｅｓ ｉｔｓ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｇｒｏｗｔｈ"，Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，２０１７，ｖｏｌ．２，ｎｏ．８，ｐ．ｅａａｎ３０２８ Ｙ． Ｓａｔａｋｅ、Ａ． Ｔａｋａｎｉｓｈｉ、及びＨ． Ｉｓｈｉｉ，"Ｎｏｖｅｌ ｇｒｏｗｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ｉｎｆｌａｔａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｅａｔ－ｗｅｌｄｉｎｇ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ"，ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，２０２０，ｖｏｌ．２５，ｎｏ．４，ｐｐ．１８６９－１８７７

好ましい実施形態は、軟質ツル状（ｖｉｎｅ）ロボットを提供する。ロボットは、チューブとして構成された本体であって、それ自身の内部に内翻されて（ｉｎｖｅｒｔｅｄ）圧力チャネルを画定し、チャネルが加圧されたときに、本体が外翻し（ｅｖｅｒｔ）、本体の内翻された部材が、外翻し、本体の遠位端において先端から外に出る、本体を含む。巻き取り機構は、巻き取りモータによって制御され、巻き取り機構は、チューブの内部にあり、内翻された部材を能動的に給送し、外翻を提供又は補助し、且つ、本体の伸長された部材を能動的に引き込むように構成されている。制御及び通信電子機器は、巻き取りモータを制御する。好ましい実施形態において、巻き取り機構は、ステアリングモータによって制御される曲げ軸を有する操縦機構を含む。

軟質ツル状ロボットの外翻及び内翻を制御する方法は、チューブとして構成された本体であって、それ自身の内部に内翻された本体のチャネルを加圧するステップを含む。この方法は、チャネルの内部に収容された巻き取りモータによって駆動されたローラ又はスプールを介して、本体に外翻力又は内翻力を能動的に供給するステップを含む。チャネル圧力と、外翻力又は内翻力とは、圧力制御装置及び巻き取りモータによって均衡される。好ましい実施形態において、本体の内部のステアリングモータにより本体の内部の枢軸構造を曲げることによって本体が操縦される。

好ましい操縦及び巻き取りデバイスと軟質ツル状ロボットとを示す図である。 好ましい操縦及び巻き取りデバイスと軟質ツル状ロボットとを示す図である。 好ましい操縦及び巻き取りデバイスと軟質ツル状ロボットとを示す図である。 図１Ａ～図１Ｃのロボットの動作を示す図である。 図１Ａ～図１Ｃのロボットの動作を示す図である。 図１Ａ～図１Ｃのロボットの動作を示す図である。 図１Ａ～図１Ｃのロボットの動作を示す図である。 図１Ａ～図１Ｃのロボットの動作を示す図である。 図１Ａ～図１Ｃのロボットの動作を示す図である。 図１Ａ～図１Ｃのロボットの動作を示す図である。 複数の操縦及び巻き取りデバイスを有する、好ましいツル状ロボットを示す図である。 好ましい能動的巻き取りデバイス及び軟質ツル状ロボットを示す図である。 能動的巻き取りデバイス及びカメラを有する、好ましい軟質ツル状ロボットを示す図である。 本開示の能動的巻き取りデバイスロボットを、生長（ｇｒｏｗｔｈ）の経路角度の関数としての生長に必要な圧力に関して、従来の基部巻き取り軟質ツル状ロボットと比較したデータである。

好ましい実施形態は、ツル状ロボットデバイスに、該デバイス上の操縦及び巻き取りを提供する曲げモータを介して点変形を提供する。従来のツル状ロボットのように基部から巻き取る代わりに、好ましいツル状ロボットは、搭載された巻き取りモータを用いて先端から巻き取ることができる。能動的巻き取り機構（ＡＲＭ（ａｃｔｉｖｅ ｒｅｅｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ））又は操縦巻き取り機構（ＳＲＭ（ｓｔｅｅｒｉｎｇ－ｒｅｅｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ））は、デバイスが、ロボットの尾部に沿って「走り」、それによって長さを制御し、尾部に沿ったその位置においてロボットを駆動し、それによって方向を制御することを可能にする。好ましいツル状ロボットは、操縦及び巻き取りに対するより細かな制御を提供し、従って、所定の作業空間へのより良好なアクセス、任意の長さの引き込み、及び尾部摩擦の制限の除去を提供し、これにより、好ましいツル状ロボットが、より曲がりくねった経路を通り抜けることを可能にする。これらの特徴は、多くの異なる環境における、特に、非常に曲がりくねった困難な探索対象の経路を瓦礫がもたらす可能性がある捜索救助などの用途における探索能力を向上させるというツル状ロボット技術の進歩をもたらす。

好ましい実施形態のハイブリッド軟質硬質ツル状ロボットは、軟質ツル状ロボット本体と、硬質で移動可能な内部のＡＲＭ又はＳＲＭと、を含む。ＡＲＭ又はＳＲＭは、部材格納部、又は、他のＡＲＭ若しくはＳＲＭデバイスへの部材通路を具備する。ＳＲＭデバイスは、ＳＲＭの端部間の枢軸を介して曲げることにより操縦するための曲げアクチュエータを含み、ロボットを、ロボットの長さに沿った任意の位置において駆動することができる。このハイブリッド構成は、曲がりくねった経路に沿ってリーチを伸ばし、引き込みを可能にし、作業空間を広げる。ロボットは、ＳＲＭの位置以外は、全ての位置において軟質であり続ける。本発明のハイブリッドツル状ロボットは、ロボットの長さにわたって複雑な転回パターンを生じさせることができる複数のＳＲＭデバイスを含み得る。複数のＳＲＭデバイスは、複数の径方向に沿った／異なる平面に沿った転回も可能にする。

好ましいロボットは、生長のために必要とされる圧力を低減することもできる。ＡＲＭ又はＳＲＭは、ロボットの外翻及び生長を補助する力を与えることができる。これは、特に体腔などの環境が圧力に敏感な場合に有益である。ツル状ロボットが外翻し生長するに伴ってツル状ロボットに加わる摩擦力が増大し、従来のツル状ロボットでは、この摩擦力を流体圧力によって克服する。ＡＲＭ又はＳＲＭは、外翻補助力を与え、従って、外翻又は継続的な外翻に必要な流体圧力を低減することができる。ＡＲＭ又はＳＲＭは、部材の再内翻によりロボットの引き込みを補助することができる。さらに、ＡＲＭ又はＳＲＭは、専ら、又は主としてＡＲＭ又はＳＲＭによって供給された力により実現される、様々な外翻及び内翻を提供することができる。

合計経路角度が、もはや尾部摩擦により制約されず、代わりにロボット自身の長さにより制約されるため、好ましい実施形態のＡＲＭ及びＳＲＭを具備したツル状ロボットは、曲がりくねった経路を通って生長するときに、より長い長さを提供することができる。長さに関わらず、引き込みは可能であり続け、ロボットは、任意の長さにおいて、ＡＲＭ又はＳＲＭが先端に移動したときに引き込むことができる。より広い作業空間が、ＳＲＭを具備したロボットによって提供され、従来の設計では単一の角度であった所定の位置における向きが、連続的な範囲に拡大する。原理的には、軸を中心として何れの方向でも最大で１８０度曲げることができる。具体例では、最大１１５度である。ＡＲＭ又はＳＲＭに回転が与えられた場合、任意の方向に曲げることができる。ＡＲＭ及びＳＲＭを具備したツル状ロボットは、従来のツル状ロボットよりも、特に圧力に敏感な作業空間において、さらに伸長することもできる。

好ましい実施形態は、ＡＲＭを有するツル状ロボットを含む。ＡＲＭは、ツル状ロボットの部材を受け入れる遠位側開口部と、袋などの近位側部材格納容器と、を含む。能動的巻き取り機構は、外翻が継続するにつれてＡＲＭがツル状ロボットの遠位側先端と共に前進するに伴って、部材を引き、ロボットを外翻させることができる。ＡＲＭは、巻き取り機構の逆の駆動により、引き込みを補助する。このツル状ロボットは、体腔のような画定された曲がりくねった経路内で特に有用である。ツル状ロボットは、体腔内で使用しても安全なほど低い圧力の下で外翻することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を、実験及び図面に関して説明する。本発明のより広範な側面は、当該技術分野における一般知識及び以下の実験の説明を考慮すれば、当業者には理解されるであろう。

図１Ａ及び図１Ｂは、曲がった形状及び真っ直ぐな形状をとった好ましいＳＲＭ１００を示し、図１Ｃは、ツル状ロボット１０２内にあるＳＲＭ１００を示す。ＳＲＭ１００は、円柱形近位電子機器ハウジング１０４を含む。その内部に収容された電子機器は、モータ制御装置と、ＳＲＭ制御を行う無線通信装置、例えばブルートゥースと、を含む。有線接続は、好ましさに関して劣るものの、使用され得、ハウジング１０４からロボット管腔を通ってロボットの近位端まで延在し、ロボット制御装置に接続する。近位基部フレーム１０６は、２つの対向する支柱１０８を有し、電子機器ハウジング１０４から延在する。支柱１０８は、２つの支柱１０８を同じく含む遠位モータ支持フレーム１１２への枢支ピン１１０を介した枢支連結を提供する。モータ支持フレーム１１２は、基部１１４及び横棒１１６であって、これらの間にステアリングモータ１１８及び巻き取りモータ１２０が取り付けられる基部１１４及び横棒１１６などのモータ支持部を含む。ステアリングモータ１１８及び巻き取りモータは、例えば支柱１０８を介してワイヤにより電子機器ハウジングに接続され得る。ハウジング１０４の上面は、ハウジング１０４内のモータによって駆動され、基部１１４を回転させる回転台１２１を含み得る。モータ１１８及び１２０は、内部バッテリ電源を含む。ステアリングモータの取り付けは、枢支ピン１１０を貫通させることも含み得る。巻き取りモータ１２０は、ギア１２２を駆動し、横棒１１６に取り付けられ得る。ギア１２２が駆動されると、ギア１２２は、ベルト又はチェーン（図１Ａ～図１Ｃには図示せず）を介して巻き取りスプール１２４を回転させる。モータ支持フレーム１１２は、中央開口部１２８を有する遠位円柱形先端１２６を終端とする。図１Ｃを参照すると、開口部１２８は、開口部１２８を通して、ツル状ロボット部材を、巻き取りスプール１２４に巻き取ることと、巻き取りスプール１２４から繰り出すことと、を可能にする。巻き取りスプール１２４は、横棒１１６及び先端１２６から離間しており、ツル状ロボット部材１３０の相当量、好ましくはロボットの完全に内翻され引き込まれた状態に必要なツル状ロボット部材の全量が巻き取りスプール１２４上に格納されることを可能にする。巻き取りスプールの空間は、一般に、収納効率、スプール直径、及びツル状本体の厚さの関数である、引き込まれた部材の最大半径に依存する。

図２Ａ～図２Ｇは、障害物２００の周囲におけるツル状ロボット１０２の伸長及び引き込みのための好ましい方法を示す。図２Ａ～図２Ｂにおいて、ＳＲＭ１００は、圧力源２０２からの内圧が低い状態、すなわち、それ自身によって伸長／外翻を引き起こすには不十分であるほど低い状態において、新しい本体部材１３０を繰り出すことによってロボット１０２の先端を伸長する。図２Ｃにおけるさらなる伸長は、圧力を増加させることによって起こり、これは、ＳＲＭ１０２を所望の位置まで前方に移動させ、その際、ＳＲＭ１０２とロボット本体部材１３０との間の摩擦が克服されるように、ロボット内部本体圧力が増加した状態において、巻き取りモータ１２０が、巻き取りスプールを静止位置に保持し、これにより、外翻する本体が、ＳＲＭをロボットの先端に向かって引っ張ることができる。図２Ｄにおいて、次に、ステアリングモータ１２０が作動し、モータ支持フレーム１１２を、基部フレーム１０６に対して枢支ピン１１０を中心として枢動させることによってＳＲＭ１００を曲げ、障害物２００の周囲で操縦する。ＳＲＭ１００は、図２Ｅにおいて、真っ直ぐになり、次に、巻き取りモータ１２０を介してさらなる部材を繰り出す、及び／又は、圧力により伸長する。図２Ｆは、２度目の転回を行っているＳＲＭ１００を示し、図２Ｇは、逆の一連の動作、すなわち、ＳＲＭ１００が必要に応じて真っ直ぐになり、及び／又は、枢動し、再び巻き取られることによる引き込みを示す。

ＳＲＭ１００は、ツル状ロボット本体の内側に収まるように設計されており、その外径は、滑動することと、空気がツル状ロボット１０２全体を膨張させることと、を容易に可能にするほど十分なラジアル隙間を有する。例示的な実施形態において、ステアリングモータ１１８は、基準の、真っ直ぐな状態から、枢支ピン１１０を中心として、両方の方向に最大１２０°を制御する。これにより、ロボット１０２に沿った任意の位置における点撓みが可能になり、２つの任意の長さの片が作成され、但し、全体の本体長の制約は満たされる。

図３は、複数のＡＲＭ又はＳＲＭデバイス３０２及び３０４を有するツル状ロボット３００を示す。下部デバイス３０４は、図１Ａ及び図１Ｂに係るＳＲＭであり得、いくつかの構成要素には、図１Ａ及び図１Ｂと同様に符号が付されている。さらに、駆動ベルト３０６が、駆動ギア１２２と巻き取りスプール１２４との間に図示されている。上部デバイス３０２内では、巻き取りスプール１２４が、ローラ対３２６を駆動し、ロボット本体部材１３０を引き込む（内翻する）か、又は、伸長する（外翻する）ローラ駆動ギア３２４によって置き換えられている。部材は、本体部材を第２のデバイス３０４へ通過させる、又は第２のデバイス３０４から通過させる貫通チャネルを有する、改造されたハウジング３２８を通過する。その他の点では、第２のデバイスは、デバイス３０４及び１００の他の全ての構成要素を含み得る。

図４は、ツル状ロボット４０２のための好ましいＡＲＭデバイス４００を示す。制御及び通信手段を備えた駆動モータ４０４は、中央チャネル４０６であって、当該中央チャネル４０６を通して、ロボット本体部材１３０が、袋４１０によって形成された格納容積４０８の中に、及び、格納容積４０８の外に誘導され得る中央チャネル４０６を含む。この袋は、ロボット４０２が遠位ロボットであり、追加のロボットが近位であり、ロボット３０２及び３０４に関して示した方法で本体部材１３０を受け入れる場合、省略され得る。駆動モータ４０４は、ロボット本体部材を挟み、ロボット４０２を引き込む（内翻する）か、又は伸長する（外翻する）ローラ対を駆動する。

図５は、カメラ５０２を有するツル状ロボット５００と、図４に係るＡＲＭデバイス４００と、を示す。カメラ５０２は、標準的な無線カメラであり得、カメラハウジング５０６の幅狭部のための中央開口部を有するドーナツ形台座５０４を通して取り付けられる。ハウジング５０６の遠位部及び近位部は、大きすぎて台座５０４を通過することはできず、これにより、カメラ５０２が、ロボット５００の先端と共に移動することができる。

実験及びシミュレーション

長さ制限

ＳＲＭ及びＡＲＭツル状ロボットは、従来のツル状ロボットと比較して長さに係る利点を提供する。ツル状ロボットの長さは、スプール上の本体部材の長さと内部摩擦とによって制限される。ロボットであって、当該ロボットの基部にあるリール上に本体部材を格納するロボットは、新しい部材を、当該ロボットの本体を通して引き、伸長する。直線状の生長では、摩擦は比較的低いものの、摩擦は、合計曲率の増加と共に指数関数的に増加する。この摩擦は、キャプスタン摩擦Ｆ_ｉｎｔとして知られ、以下の式（１）で表される。

ここで、Ｃは構成張力（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｔｅｎｓｉｏｎ）、μ_ｃは湾曲した生長における摩擦係数、θ_ｉはｉ番目の曲がりの角度である。その指数関数的な性質により、この摩擦は、曲がりくねった経路では非常に制限的である。ＳＲＭ及びＡＲＭは、本体部材を先端において巻き取ることによってこの制限を回避しており、従って、代わりに、所定のロボット直径についてＳＲＭ上に収められるか、又は、ＡＲＭによって格納され得る部材の量によって拘束される。

ＡＲＭの場合、これは、容器のサイズと、その内部の部材の折り目と、によって制限される。ＳＲＭの場合、この容積制限を理解するために、巻き取られた尾部を、半径拡大率が一定であり、以下の式（２）によって表される単純なアルキメデスの螺旋としてモデル化する。

ここで、ｒは螺旋の中心からその最外縁までの距離、αは螺旋の合計掃引角度であり、それは２πａが螺旋２つの層の間の距離（すなわち、折り畳まれた尾部部材の厚さ）となるような定数であり、ｂは螺旋オフセット（すなわち、巻き取り横棒の半径）である。ロボットの長さＬの制限を理解するために、螺旋の円弧の長さを、α（ｒ）で表される、ｒとパラメータａ並びにｂとに関して、以下の式（３）のとおり解く。

代入ｕ＝ｒ－ｂを使用して、この積分は、ロボットの最大長Ｌ_ｍａｘについて以下の式（４）のように解かれる。

ここで、ｒ_ｍａｘはロボット本体の半径である。我々のロボットでは、ｂがαａよりもはるかに小さく、これは、式（２）の第２項を無視できることを意味する。式（４）は、Ｌがｒの２乗と共に増大し、直径の単位増加ごとに非線形的な長さの増加をもたらすことを示している。同様に、ロボットの長さが引き込みモータエンコーダにより閉ループで制御され得るように、式（４）において与えられたものと同じ公式化がαに関して適用され得る。

引き込み、操縦、及びＳＲＭの動き

引き込みのための力：従来、分析によって、ツル状ロボットを内翻するために必要とされる力は、加圧によって生成される力の半分にゼロ圧力オフセット項（圧力に依存することなく、部材を内翻又は外翻するために必要とされる力を表す、部材に依存する定数）を加えたものに等しいことが示されている。Ｍ． Ｍ． Ｃｏａｄ、Ｒ． Ｐ． Ｔｈｏｍａｓｓｏｎ、Ｌ． Ｈ． Ｂｌｕｍｅｎｓｃｈｅｉｎ、Ｎ． Ｓ． Ｕｓｅｖｉｔｃｈ、Ｅ． Ｗ． Ｈａｗｋｅｓ、及びＡ． Ｍ． Ｏｋａｍｕｒａ，“Ｒｅｔｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｆｔ ｇｒｏｗｉｎｇ ｒｏｂｏｔｓ ｗｉｔｈｏｕｔ ｂｕｃｋｌｉｎｇ”，ＩＥＥＥ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．５，ｎｏ．２，ｐｐ．２１１５－２１２２，２０２０。本開示のツル状ロボットは、質量を有するＳＲＭ又はＡＲＭを含み、以下の式（５）は、ロボット本体とＳＲＭとの間の摩擦を考慮している。

ここで、Ｐは内圧、Ａは断面積、Ｆ_Ｉは部材に依存する定数、Ｆ_ｆｒｉｃはＳＲＭとロボット本体との間の摩擦である。引き込みの条件（ＳＲＭが先端から引き込まれていない可能性があり、ロボット本体に対して移動していない可能性がある）に応じて、摩擦が存在する場合と存在しない場合があるという事実により、式（５）は不等式である。

式（２）及び式（４）を用いて、所定のロボットの長さについてスプールの最大半径ｒ_ｍａｘを決定することにより、式（５）は、スプールが最も大きく、且つ、ＳＲＭ若しくはＡＲＭが先端にあるときに発生する、ロボットを引き込むために必要とされる理論上の最大トルクτ_Ｒを予測できる。巻き取りの位置における直交性を仮定すると、以下の式（６）が成立する。

ここで、Ｐ_ｍａｘはロボットに指令される最大圧力である。このモデルは、巻き取りモータのサイズを決定する上で役立つ。

関節の制限：本体の曲げの場合、横方向荷重下のインフレータブルビームによって生成される内部復原モーメントＭ_ｉｎｔは、以下の式（７）によって表される。

ここで、Ｐは内圧であり、ｒはビーム半径である。曲げモータのトルク要件は、以下の式（８）によって表される。

ここで、τ_Ｂは最大作動圧力Ｐ_ｍａｘの場合の最小曲げモータトルクである。式（７）は、内部モーメントが名目上は撓みに依存しないことを示している。これは、モータトルクが式（８）で与えられた最小仕様を超えている限り、関節が、ＳＲＭの形状が許容する任意の曲げ角度を実現できることを意味する。

ＳＲＭの動き：ＳＲＭが静止するのではなく動くとき、３つの主要な力のバランスが、ＳＲＭが動くか否かを決定する：尾部上の張力ＰＡ／２、内翻／外翻力Ｆ_Ｉ、及び、ＳＲＭと本体の内側との間の摩擦力Ｆ_ｆｒｉｃ。摩擦は、ツル状ロボット本体上の付着防止コーティングなどのコーティングにより軽減され得るものの、そのようなコーティングは、用途に依存する。ロボットが動作する環境は、そのようなコーティングとの接触に適した環境ではない可能性がある。摩擦力Ｆ_ｆｒｉｃは、ＳＲＭの構成に応じて異なり得、真っ直ぐなＳＲＭは、曲がったＳＲＭよりも摩擦力が低くなる。以下の式（９）によって表される、これらの力が関係する２つの一般的な方法がある。

１番目のケースでは、圧力が比較的高く、本体が外翻し、それによってＳＲＭを引っ張る。２番目のケースでは、圧力が比較的低く、ＳＲＭは、静止し、尾部が巻き取られた場合に本体を引き込むことができる。３番目の、より一般的ではない中程度の圧力の場合のケースがあり、このケースでは、ＰＡ／２が、Ｆ_ｆｒｉｃの±Ｆ_Ｉ以内である。このケースでは、モータを後退させると、ＳＲＭが前方に動くものの、本体は引き込まれない。

実験用ＳＲＭツル状ロボットの例

任意の長さを、２．５ｍに設定した。このことから、式（４）を用い、この量の部材を保持するためには最大スプール直径が４２ｍｍである必要があると決定した。これは、「平らになった（ｌａｙ ｆｌａｔ）」状態の半周幅が直径よりも幅広であるため、ロボットの内側に収まるためには尾部の部材が少なくとも１回は折れる必要があることを認識している。ドライブトレイン及びＳＲＭフレームの寸法を含めた結果、最小ロボット直径が６８ｍｍであることが分かった。これにより、式（６）を用い、Ｖ－Ｃ節で報告されたＦ_ｆｒｉｃの値を使用して、必要とされる巻き取りモータトルクが０．３０Ｎｍであると計算することができた。次に、式（８）を用い、必要とされるステアリングモータトルクが０．８４Ｎｍであると計算した。

より一般的に、これらのパラメータがどのように増大するかを説明する。まず、式（４）から、ロボットが実現できる最大長さがスプール半径の２乗と共に増大することが分かっている点に注目する。スプールはロボットの内側に収まらなければならないため、これは、長さがロボット半径の２乗と共に増大することも意味する。次に、ロボット本体を引き込むために必要とされるモータトルクは、半径の３乗と共に増大し（式（６））、本体を操縦するために必要とされるモータトルクも半径の３乗と共に増大する（式（８））ことに注目する。モータトルクは容積（～ｒ^３）に比例して増大するため、これらの３つの増大法則は、より大きなロボットは比例してより長く生長することができ、必要とされる内部モータの相対的サイズはスケールによらず同一のままであることを示唆している。

表皮は、直径が７５ｍｍであり、長さが２．５ｍである、厚さ７１μｍのシリコーン－ウレタン含浸リップストップナイロン繊維構造体（Ｒｏｃｋｙｗｏｏｄｓ Ｆａｂｒｉｃ）のチューブからなっていた。このチューブは、繊維構造体の条片から重ね継手を使用して作られ、常温加硫シリコーン接着剤（Ｓｍｏｏｔｈｏｎ Ｓｉｌｐｏｘｙ）により接着されている。直径７０ｍｍのＳＲＭは、駆動ヒンジ継手によって接続された、２つの３ＤプリントされたＭａｒｋｆｏｒｇｅｄ Ｏｙｎｘ（チョップドカーボンファイバ含浸ナイロンフィラメント）フレームから作られていた。長さ１５０ｍｍの遠位セグメントは、最大３ｍのツル状ロボット表皮のリールと曲げ機構とを収納している一方、長さ８０ｍｍの近位セグメントは、バッテリと無線送信機とを収納しており、組み立てられたとき、ＳＲＭ全体の長さは２１５ｍｍである。ツル状体部材リールは、ロボット本体の長さに対して垂直にフレームに取り付けられた直径３ｍｍの鋼棒である。必要とされるトルクを踏まえ、定格トルク２．５ＮｍのＸＹＺｒｏｂｏｔ Ｓｍａｒｔ Ｓｅｒｖｏ ａ１－１６モータを選択し、その出力は、小さなスチールチェーンを介してリールを駆動する。ロボットの継手は、同じく定格トルク２．５Ｎｍである、第２の、インラインＸＹＺｒｏｂｏｔ Ｓｍａｒｔ Ｓｅｒｖｏ ａ１－１６モータによって回転され、関節は、右手正方向に最大１２０°の回転を実現することができ、右手負方向に最大１０５°の回転を実現することができる（この差は、アクチュエータの構造によってもたらされる形状的制約によるものである）。モータは、３つの５００ｍＡｈ、３．７Ｖリチウムポリマーバッテリによって給電され、９１５ＭＨｚの無線によりインターフェイス接続されたＡｄａｆｒｕｉｔ Ｆｅａｔｈｅｒ Ｍ０によって制御される。完全に組み立てられたとき、ＳＲＭは、３３７．５ｇの質量を有する。

図６は、基部巻き取りのみを有する標準的なツル状ロボットと、実験用ＳＲＭツル状ロボットとについての、曲がりくねった経路を通って生長するために必要とされる圧力を比較している。従来のツル状ロボットにおいて一般的なように、本体部材が基部において巻き取られる場合、生長するための圧力は、経路角度と共に大きくなる。これに対し、ＳＲＭ内で本体部材が巻き取られる本開示のロボットの場合、生長するための圧力は、ＳＲＭが先端付近にあるとき、ほぼ一定のままである。

このような動作は、利点を提供する。例えば、ＳＲＭロボットは、ＳＲＭよりも直径が小さい隙間に長時間にわたって遭遇しない場合、アクセス困難な遺跡、航空機の内部、又は核施設を、より好適に通り抜けることができる。先端巻き取りによる内部摩擦の低減は、本開示のＳＲＭ及びＡＲＭツル状ロボットが、小腸、機械、又は動物の巣穴などの、より曲がりくねっており、且つ、傷つきやすい経路にアクセスすることを可能にし得る。

本発明の具体的な実施形態が示され、説明されてきたが、他の修正、置換、及び代替が当業者には明らかであることを理解されたい。そのような修正、置換、及び代替は、添付の特許請求の範囲から決定されるべき本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われ得る。

本発明の様々な特徴が、添付の特許請求の範囲に記載されている。

（付記）
（付記１）
チューブとして構成された本体であって、それ自身の内部に内翻されて（ｉｎｖｅｒｔｅｄ）圧力チャネルを画定し、前記チャネルが加圧されたときに、前記本体が外翻し（ｅｖｅｒｔｓ）、前記本体の内翻された部材が、外翻し、前記本体の遠位端において先端から外に出る、本体と、
巻き取りモータによって制御される巻き取り機構であって、前記巻き取り機構は、前記チューブの内部にあり、前記内翻された部材を能動的に給送し、外翻を提供又は補助し、且つ、前記本体の伸長された部材を能動的に引き込むように構成されている、巻き取り機構と、
前記巻き取りモータを制御する制御及び通信電子機器と、
を備える、
軟質ツル状（ｖｉｎｅ）ロボット。

（付記２）
前記巻き取り機構は、前記内翻された部材を格納するように構成された格納部を備える、
付記１に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記３）
前記圧力チャネルを加圧する制御された圧力源を備える、
付記１又は２に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記４）
前記巻き取り機構は、前記制御及び通信電子機器のための円柱形近位ハウジングを備える、
付記１から３の何れか一つに記載の軟質ツル状ロボット。

（付記５）
前記巻き取り機構は、前記巻き取りモータによって駆動される一組のローラを備え、前記ローラは、前記ローラの間を通過する内翻された本体に係合される、
付記４に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記６）
前記内翻された本体を前記ローラ内に受け入れる中央開口部を前記巻き取り機構の遠位端に備える、
付記５に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記７）
前記巻き取り機構は、ステアリングモータによって制御される曲げ軸を有する操縦機構を備える、
付記１から６の何れか一つに記載の軟質ツル状ロボット。

（付記８）
前記巻き取り機構は、前記円柱形近位電子機器ハウジングから延在する近位基部フレームを備える、
付記７に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記９）
前記巻き取り機構は、軸ピンを介して前記近位基部フレームに枢動可能に連結された遠位モータ支持フレームを備え、前記ステアリングモータ及び巻き取りモータは、前記基部フレームに取り付けられている、
付記８に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記１０）
前記遠位モータ支持フレームは、前記巻き取りモータによって駆動される巻き取りスプールを備え、前記内翻された本体は、前記巻き取りスプールの周りに巻き付く、
付記９に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記１１）
前記本体が完全に内翻され前記巻き取りスプール上に格納されたときに前記本体を収容する空間を前記巻き取りスプールの周囲に備える、
付記１０に記載の軟質ツル状ロボット。

（付記１２）
遠位円柱形先端を前記遠位モータ支持フレームの前記端部に備え、前記遠位円柱形先端は、内翻された部材を前記巻き取りスプール上に受け入れる中央開口部を備える、
付記９から１１の何れか一つに記載の軟質ツル状ロボット。

（付記１３）
複数のステアリング、及び／又は、巻き取り機構を備える、
付記１から１２の何れか一つに記載の軟質ツル状ロボット。

（付記１４）
カメラを前記ロボットの遠位先端に備える、
付記１から１３の何れか一つに記載の軟質ツル状ロボット。

（付記１５）
チューブとして構成された本体であって、それ自身の内部に内翻された本体のチャネルを加圧するステップと、
前記チャネルの内部に収容された巻き取りモータによって駆動されたローラ又はスプールを介して、前記本体に外翻力又は内翻力を能動的に供給するステップと、
圧力制御装置及び前記巻き取りモータによって、チャネル圧力と、外翻力又は内翻力と、を均衡させるステップと、
を含む、
軟質ツル状ロボットの外翻及び内翻を制御する方法。

（付記１６）
前記本体の内部のステアリングモータにより前記本体の内部の枢軸構造を曲げることによって前記本体を操縦するステップをさらに含む、
付記１５に記載の方法。

（付記１７）
低圧、すなわち、それ自身によって伸長／外翻を引き起こすには不十分な圧力の下で、前記ローラ又は前記スプールによって供給された力により前記本体を外翻させることによって前記本体の前記先端を伸長させるステップを含む、
付記１５又は１６に記載の方法。

Claims (17)

1. チューブとして構成された本体であって、それ自身の内部に内翻されて（ｉｎｖｅｒｔｅｄ）圧力チャネルを画定し、前記チャネルが加圧されたときに、前記本体が外翻し（ｅｖｅｒｔｓ）、前記本体の内翻された部材が、外翻し、前記本体の遠位端において先端から外に出る、本体と、
   巻き取りモータによって制御される巻き取り機構であって、前記巻き取り機構は、前記チューブの内部にあり、前記内翻された部材を能動的に給送し、外翻を提供又は補助し、且つ、前記本体の伸長された部材を能動的に引き込むように構成されている、巻き取り機構と、
   前記巻き取りモータを制御する制御及び通信電子機器と、
   を備える、
   軟質ツル状（ｖｉｎｅ）ロボット。
2. 前記巻き取り機構は、前記内翻された部材を格納するように構成された格納部を備える、
   請求項１に記載の軟質ツル状ロボット。
3. 前記圧力チャネルを加圧する制御された圧力源を備える、
   請求項１又は２に記載の軟質ツル状ロボット。
4. 前記巻き取り機構は、前記制御及び通信電子機器のための円柱形近位ハウジングを備える、
   請求項１から３の何れか一項に記載の軟質ツル状ロボット。
5. 前記巻き取り機構は、前記巻き取りモータによって駆動される一組のローラを備え、前記ローラは、前記ローラの間を通過する内翻された本体に係合される、
   請求項４に記載の軟質ツル状ロボット。
6. 前記内翻された本体を前記ローラ内に受け入れる中央開口部を前記巻き取り機構の遠位端に備える、
   請求項５に記載の軟質ツル状ロボット。
7. 前記巻き取り機構は、ステアリングモータによって制御される曲げ軸を有する操縦機構を備える、
   請求項１から６の何れか一項に記載の軟質ツル状ロボット。
8. 前記巻き取り機構は、前記円柱形近位電子機器ハウジングから延在する近位基部フレームを備える、
   請求項７に記載の軟質ツル状ロボット。
9. 前記巻き取り機構は、軸ピンを介して前記近位基部フレームに枢動可能に連結された遠位モータ支持フレームを備え、前記ステアリングモータ及び巻き取りモータは、前記基部フレームに取り付けられている、
   請求項８に記載の軟質ツル状ロボット。
10. 前記遠位モータ支持フレームは、前記巻き取りモータによって駆動される巻き取りスプールを備え、前記内翻された本体は、前記巻き取りスプールの周りに巻き付く、
    請求項９に記載の軟質ツル状ロボット。
11. 前記本体が完全に内翻され前記巻き取りスプール上に格納されたときに前記本体を収容する空間を前記巻き取りスプールの周囲に備える、
    請求項１０に記載の軟質ツル状ロボット。
12. 遠位円柱形先端を前記遠位モータ支持フレームの前記端部に備え、前記遠位円柱形先端は、内翻された部材を前記巻き取りスプール上に受け入れる中央開口部を備える、
    請求項９から１１の何れか一項に記載の軟質ツル状ロボット。
13. 複数のステアリング、及び／又は、巻き取り機構を備える、
    請求項１から１２の何れか一項に記載の軟質ツル状ロボット。
14. カメラを前記ロボットの遠位先端に備える、
    請求項１から１３の何れか一項に記載の軟質ツル状ロボット。
15. チューブとして構成された本体であって、それ自身の内部に内翻された本体のチャネルを加圧するステップと、
    前記チャネルの内部に収容された巻き取りモータによって駆動されたローラ又はスプールを介して、前記本体に外翻力又は内翻力を能動的に供給するステップと、
    圧力制御装置及び前記巻き取りモータによって、チャネル圧力と、外翻力又は内翻力と、を均衡させるステップと、
    を含む、
    軟質ツル状ロボットの外翻及び内翻を制御する方法。
16. 前記本体の内部のステアリングモータにより前記本体の内部の枢軸構造を曲げることによって前記本体を操縦するステップをさらに含む、
    請求項１５に記載の方法。
17. 低圧、すなわち、それ自身によって伸長／外翻を引き起こすには不十分な圧力の下で、前記ローラ又は前記スプールによって供給された力により前記本体を外翻させることによって前記本体の前記先端を伸長させるステップを含む、
    請求項１５又は１６に記載の方法。