JP5000099B2 - 外側に可動部を持たない小型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、外側に可動部を持たない自動推進式の小型ロボットに関する。

カプセルロボット或いはマイクロロボットと称される（超）小型の自律走行型ロボットには、以下のタイプがある。一つは、可動脚を持つロボット又は尺取虫型の（inchworm）ロボットである。このタイプのロボットは、外側に可動部を有し、ボディの形状変化させることで動く。このため、構造が複雑で小型にするのが難しく、容易に故障し、特に医療への応用では人体を損傷する可能性がある。

もう１つのタイプは、外部から推進駆動するロボットである。このタイプのロボットは、例えば、外部の磁界で動かされる磁石を有する。このため、強い磁界を必要とし、制御するのが難しい。医療に用いる場合は、ロボットを入れる人体を外部磁界に置く必要があり、そのためのシステムが大掛かりなものとなり、高価である。

また、人体に経口投入して臓器を検査するための、自律走行型ではないマイクロカプセル型ロボットが提案されている（下記特許文献１参照）。このロボットは、カプセル状のロボット本体に、カメラ装置、照明装置、送受信装置、制御装置及び電源装置を内蔵するとともに、送受信装置が人体の外部から無線で受信した停止制御信号に基づいて作動して、臓器の特定検査部位でロボットの移動を停止させ又は遅くするための停止手段を搭載し、人体の外部からの停止制御信号により特定検査部位でロボットの移動を停止させるものである。しかしながら、このマイクロカプセル型ロボットは、上記停止手段として、ロボット本体から突出する掛止部材又は膨張部材、或いはロボット本体の外周に配設された吸着部を備えており、これら停止手段は、ロボットの外側でボディの形状を変化させる可動部であるから、前述のような問題点がある。また、このマイクロカプセル型ロボットは、それ自体で移動可能な自律走行型ではない。

特開２００４−４４０号公報

本発明の目的は、上記の課題を解決するものとして、自律推進型で外側に可動部を持たない超小型化可能なカプセルロボットを提供することである。

本発明の小型ロボットは、筒状の本体と、前記本体の内部に該本体の進行方向と平行に移動自在な可動体として収納された磁石と、前記本体の周囲に巻いたコイルと、前記本体の内部に前記磁石が移動する空間を残して前記本体内に収納され、前記本体内で前記磁石を移動させるために前記コイルに電圧を印加する駆動回路とを有し、
前記駆動回路は、前記磁石を前記本体の進行方向と反対の方向に移動させるときには、前記コイルに所定電圧の高周波パルスを印加することで高速移動させ、前記磁石を前記本体の進行方向に移動させるときには、前記コイルに所定電圧の低周波パルスを印加することで低速移動させるように制御されるものであり、
前記磁石の高速移動時には運動量保存の法則に従って前記本体を進行させ、前記磁石の低速移動時には前記本体とその周囲との静止摩擦力により前記本体を静止させたまま、前記磁石を前記本体に対する当初位置に戻すことを特徴とする。

本発明の実施態様では、前記駆動回路は、前記磁石を前記本体内の前方停止位置から前記本体の進行方向と反対の方向に大きい加速度で駆動することにより、前記本体を停止位置から進行方向に高速度で移動させるステップ１と、
前記磁石の駆動開始からの経過時間をｔで表わすとき、ｔ＝ｔ１の時点で前記磁石の前記反対の方向への駆動を停止することにより、ｔ＝ｔ２の時点で前記本体の進行方向への移動を停止するステップ２と、
前記本体の停止後、ｔ＝ｔ３の時点で前記磁石が前記本体内の後方停止位置で停止するまで前記磁石を前記反対の方向に駆動するステップ３と、
前記本体が停止している状態で、前記磁石を前記後方停止位置から前記本体の進行方向に駆動し、ｔ＝ｔ４の時点で前記磁石を前記本体内の前方停止位置で停止させるステップ４とを繰り返すことによって前記本体を移動させるように構成され、
前記本体の移動開始から停止までの時間ｔ２を短くすることにより、前記本体と前記磁石の質量の比が小さいほど前記本体の平均移動速度が増大することが好ましい。

上記実施態様において、前記駆動回路は、外部の駆動制御手段からの制御信号に応じて、前記ステップ１〜４における前記磁石の駆動を制御する駆動信号を発生するように前記本体内に収納されることが好ましい。

また、一の実施形態では、前記駆動回路は、前記本体に対抗して前記磁石を前記ステップ１〜４の繰り返しで駆動する電圧を前記コイルに加えるように構成される。

本発明によれば、本体の内部に前記磁石が移動する空間を残して本体内に収納され、前記本体内で前記磁石を移動させるために前記コイルに電圧を印加する駆動回路は、前記磁石を前記本体の進行方向と反対の方向に移動させるときには、前記コイルに所定電圧の高周波パルスを印加することで高速移動させ、前記磁石を前記本体の進行方向に移動させるときには、前記コイルに所定電圧の低周波パルスを印加することで低速移動させるように制御される。
これにより、前記磁石の高速移動時には運動量保存の法則に従って前記本体を進行させ、前記磁石の低速移動時には前記本体とその周囲との静止摩擦力により前記本体を静止させたまま、前記磁石を前記本体に対する当初位置に戻す動作を行う小型ロボットが、カプセル状の本体の外側に可動部を持たない極めて単純な機械的及び電気的な構造で、非常に信頼性が高く、極めて小型化されたものとして実現できる。例えば、直径６ｍｍ、長さ３０ｍｍ以下のサイズに作ることができる。また、高価な部品は不要であるから、安価に造ることができる。

また、本発明の小型ロボットは外側に可動部を持たないので、人体内に投入されても、人体内を損傷する可能性が最少であり、消化器などの臓器の検査や手術のような医学分野での応用に大きい将来性を有する。

図１は、本発明の実施例として、動作試験用に製作されたカプセルロボット１を示す。（Ａ）及び（Ｂ）は、長さ方向及び直径方向の断面図である。このカプセルロボット１は、その外周面にコイル２を巻いた円筒形のカプセル状本体３と、この本体３の内部において長さ方向に移動自在に収納された可動体としての円柱形のＮｉＦｅＢ磁石４と、本体３の内部において円筒の一端側（図では左側）に円筒の長さのほぼ半分に亘って収納固定された駆動回路部５とから成る。この実施例では、本体３の長さは９８ｍｍ、その外径（コイル２を含む）及び内径はそれぞれ１６ｍｍ及び１２ｍｍ、磁石４の長さ及び直径はそれぞれ２０ｍｍ及び１０ｍｍである。従って、磁石４は、コイル２に電圧を加えることで磁界が発生すると、本体３内をほぼ４０ｍｍの長さ範囲に亘って移動するスライダとして動作することができる。

駆動回路部５は、図２に示すように、４個のＭＯＳ型トランジスタ（ＦＥＴ）６〜９を接続したＨ−ブリッジ駆動回路から成り、これに１５ボルトのＤＣ電源１０が接続されると共に、入力側の２つのＦＥＴ６，７のゲートに接続したパラレル入力ポート（Input 1，Input 2）には、駆動制御手段としてのコンピュータ（図示省略）から制御信号が供給される。

Ｈ−ブリッジ駆動回路は、入力ポートに供給される制御信号に応じて、ブリッジを構成する各ＦＥＴのオン・オフを切替えることにより、ブリッジの出力ポート間に接続したコイル２に加える電圧を制御する。この電圧は、図３に示すように、一定振幅（例えば10ボルト）の正及び負のパルスから成り、後述 (図６) のように、速い移動状態（Fast Mode）では高周波数のパルスとして、遅い移動状態（Slow Mode）では低周波数のパルスとして、コイル２に加えられる。図３に示した電圧は、後述のステップ１〜４による１ストローク動作のための供給電圧である。この電圧によるロボットの駆動制御動作については、後述する。

この実施例では、電源１０と、制御信号を発生する駆動制御手段としてのコンピュータは、カプセルロボット１の外部にあって、リード線のような電気的接続手段により駆動回路部５と接続されるが、電源は、超小型のバッテリーを用いて本体３内の駆動回路部５に収納することが望ましい。また、駆動制御手段と駆動回路部５は、無線で通信可能に構成してもよい。特に、カプセルロボット１を人体内の検査或いは診断に用いる場合には、その動作を制御する信号を無線方式で送信することが好ましい。

図４は、本発明のカプセルロボットの動作を説明するための基本構成図である。図において、ｘ_１及びｘ_２はｘ軸上における本体３（質量ｍ_１）及び磁石４（質量ｍ_２）の位置、μはカプセルロボットとこれが移動する環境(例えば、カプセルを人体内に入れたとき、これを移動させる食道や内臓の壁面)との間の静止摩擦係数、ｕは本体３と磁石４との間に作用する内力である。

このカプセルロボットを前方（図の右方向：ｘ＞０）に動かすために必要な制御動作は、次の４つのステップから成る。なお、速度（dx/dt）をｖ，加速度（d²x/dt²）をαと表す。
（１）磁石４を後方へ大きく加速するとき（α₂<<０）、本体３は前方へ加速運動を行う（α_１＞０）。
（２）磁石４を後方へ減速するとき（α₂＞０）、本体３は前方へ減速して停止する（α_１＜０）。
（３）磁石４を更に減速するとき（α₂＞０）、本体３は静止している（ｖ_１＝０）。
（４）磁石４を前方へ低速度で動かすとき（ｖ₂≦ε）、本体３は静止している（ｖ_１＝０）。

このカプセルロボットの動作は、次のようになる。

図５に示すように、初めに（時刻ｔ＝０）、本体３は開始位置（ｘ₁(0)＝０）にあり、磁石４は本体３内の最前方位置（開始位置から所定距離ａだけ前方に離れた位置：ｘ₂(0)＝ｘ₁(0)＋ａ）にあって、停止している。

コイル２に所定の電圧を加えて、磁石４を後方に加速移動させると、ステップ１で、本体３は前方に加速移動する。その後、コイル電圧が０になると（ｔ＝ｔ₁）、ステップ２で、磁石４は減速し、本体３も減速して停止する（ｔ＝ｔ_２）。その後、ステップ３で、磁石４が本体３内の最後方位置で停止したとき（ｔ＝ｔ_３）、本体３は停止している。ここで、コイル２に逆の電圧を加えて、磁石４を反対方向すなわち前方へ低速度で移動させると、ステップ４で、本体３は停止したまま磁石４が本体３内の最前位置に戻る（ｔ＝ｔ_４）。これらのステップ１〜４において、磁石４の速度は、図６に示すように変化する。

上記４つのステップにより、本体３は、ステップ１の開始位置ｘ₁(0)からステップ２の停止位置ｘ₁(t₂)まで一定の距離ｄを移動する。この距離ｄは、後述のように式(14)で表される。これを１ストロークとして上記４つのステップの動作を繰り返すことで、カプセルロボットは前進運動を続けることができる。

図７は、上記カプセルロボットの動作状態の遷移を表した図である。すなわち、カプセルロボットの動作状態は、速い移動（Fast Mode）と遅い移動（Slow Mode）とに分けられる。前者の状態は上記ステップ１及び２を含み、後述の運動方程式(3)及び(4)で表される。後者の状態は上記ステップ３及び４を含み、本体３の速度ｖ_１＝０及び後述の式(4)で表される。

これらの状態遷移は、次のように行われる。初めに、速い移動が開始され、最後に本体３が停止して（ｖ_１＝０）、遅い移動へ移行し、遅い移動の最後に磁石４が停止して（ｖ_２＝０）、速い移動の開始前に戻る。このとき、磁石４と本体３の位置は一定距離だけ離れている（ｘ₂−ｘ₁＝ａ）。

以下、本発明のカプセルロボットの動作原理を説明する。

まず、図４のカプセルロボットの運動方程式は、次のように表される。

故に、

ここで、

とすると、

本体３の速度が正のとき、式(1)を２回積分すると次のようになる。

式(8)は、運動量保存則である。

上記のように、ステップ１及び２では、

すなわち、ｔ＝ｔ₂のとき

であるから、式(8)より

ここで、時間ｔ₂ は、後述のように小さいほどよい（t₂<<0 ）。

次に、カプセルロボットの動作を上記のように制御するために必要な力ｕは、本体３が１ストローク移動した時点ｔ₂で、条件

を満たすものでなければならないが、この条件を満たすユニークな解はない。そこで、全ての可能な制御力ｕのうち最小のエネルギーを最小化するものを見つける。これは、エネルギー関数

を最小にするｕを見つけることである。

まず、上記式(3)について積分すると、式(16)の第１条件から

ここで、ｕは次のように平均の力ｕ₀と変化分δuとに分解できる。

従って、エネルギー関数は、次のようになる。

故に、変化分

を最小化すればよい。

次に、式(7)について２回積分すると、式(16)の第２条件により

右辺に式(19)及び(20)を代入すると、

故に、δuについての方程式

を得る。この制約条件で上記エネルギー関数の変化分η’を最小にするδuを求めるために、次の補助定理を用いる。
［定理］
定数Ｔ，Ｍ及び一定でない関数α(t)を与えるとき、次の最適化問題：

の解は、

で、最小コスト（エネルギー）は、

である。

［証明］
Cauchy-Schwartzの不等式に従えば、α₀を任意の定数としたとき、

ここで、βを定数として、

とすれば、式(28)の第１条件から

これを式(33)に代入すると、

また、式(28)の第２条件から

これが、最小のｕを与える。
関数α(t)における変化分が全エネルギーを最小にする機会を与える。

ここで、α(t)をｔ、Ｔをｔ₂、Ｍを

とすると、エネルギーを最小にする解は、式(29)より

となる。また、対応する最小コストは、

である。

エネルギー効率を増すために、終端時間ｔ₂の選択により、一の変位(１ストローク)についてエネルギー使用を最小にすることができる。

このη₁のｔ₂についての変化分dη₁/dｔ₂＝0を数値的に解くことが必要である。

次に、上記ステップ３及び４では、本体３の速度ｖ＝dｘ₁/dt＝０であり、図５に示すように、本体３（ｍ₁）と磁石４（ｍ₂）との間に力Ｆを加えて、磁石４を本体３に対しステップ１の開始時の位置、すなわちｘ₂(t₄)＝ｘ_１(t₂)+ａに戻すことができる。

このとき、本体３の静止状態を維持するためには、力Ｆの大きさは、本体３とその環境との間の最大摩擦力より小さい、すなわち、|Ｆ|＜μ(ｍ₁＋ｍ₂)ｇでなければならない。ここで、静止摩擦係数と摺動摩擦係数は互いに僅かに異なるが、その違いは区別しない。ここでは、ステップ３及び４に費される時間を最小にする、すなわち min(t₄-t₂)を求めることが必要である。

磁石４に加えられる最大加速度の大きさをβとすれば、

ステップ４に費やされる時間(t₄-t₃)は、次式を満足する。

また、式(14)より

故に、時間ｔ₂をできるだけ短くすると、カプセルの平均速度は次のようになる。

従って、カプセルの平均速度を増大するためには、本体３と磁石４の質量の比（ｍ₁／ｍ₂）をできるだけ小さくすることが必要である。

最後に、上記実施例のカプセルロボットを、図３の電圧信号で駆動したときの結果を示す。カプセルロボットは、平均２０ストロークで１５８ｍｍ前進、すなわち１ストロークで７．９ｍｍ、１秒あたり１９．８ｍｍ移動した。

上記実施例によれば、駆動回路部５で前記４つのステップを繰り返すことによって本体３を移動させることに加えて、本体３の移動開始から停止までの時間ｔ₂ を短くすることにより、本体３と磁石４の質量の比が小さいほど本体３の平均移動速度が増大するので、迅速に動作する小型ロボットを実現できる。

上記のように本発明の小型ロボットは、外側に可動部分がなく、人体内に投入可能な大きさに小型化できるものであるから、例えば自動推進式内視鏡として、医療分野において大きな応用性を有する。或いは、工場や研究設備などで細い管路やチューブ内を点検する場合のように、小型の自動推進マシンを必要とする分野で有用性がある。

本発明の実施例として動作試験用に製作されたカプセルロボットを示す図。 図１のカプセルロボットに用いられる駆動回路の構成を示す回路図。 図１のカプセルロボットが１ストローク動作するための供給電圧の例を示す図。 本発明のカプセルロボットの基本構成図。 図４のカプセルロボットの動作説明図。 ステップ１〜４における磁石の速度の変化を示す図。 カプセルロボットの動作状態の遷移を示す図。

符号の説明

１…カプセルロボット、２…コイル、３…カプセル状本体、４…磁石、５…駆動回路部、６〜９…ＦＥＴ。

Claims (4)

1. 筒状の本体と、前記本体の内部に該本体の進行方向と平行に移動自在な可動体として収納された磁石と、前記本体の周囲に巻いたコイルと、前記本体の内部に前記磁石が移動する空間を残して前記本体内に収納され、前記本体内で前記磁石を移動させるために前記コイルに電圧を印加する駆動回路とを有し、
   前記駆動回路は、前記磁石を前記本体の進行方向と反対の方向に移動させるときには、前記コイルに所定電圧の高周波パルスを印加することで高速移動させ、前記磁石を前記本体の進行方向に移動させるときには、前記コイルに所定電圧の低周波パルスを印加することで低速移動させるように制御され、
   前記磁石の高速移動時には運動量保存の法則に従って前記本体を進行させ、前記磁石の低速移動時には前記本体とその周囲との静止摩擦力により前記本体を静止させたまま、前記磁石を前記本体に対する当初位置に戻すことを特徴とする、外側に可動部を持たない小型ロボット。
2. 請求項１記載の小型ロボットにおいて、前記駆動回路は、
   前記磁石を前記本体内の前方停止位置から前記本体の進行方向と反対の方向に大きい加速度で駆動することにより、前記本体を停止位置から進行方向に高速度で移動させるステップ１と、
   前記磁石の駆動開始からの経過時間をｔで表わすとき、ｔ＝ｔ１の時点で前記磁石の前記反対の方向への駆動を停止することにより、ｔ＝ｔ２の時点で前記本体の進行方向への移動を停止するステップ２と、
   前記本体の停止後、ｔ＝ｔ３の時点で前記磁石が前記本体内の後方停止位置で停止するまで前記磁石を前記反対の方向に駆動するステップ３と、
   前記本体が停止している状態で、前記磁石を前記後方停止位置から前記本体の進行方向に駆動し、ｔ＝ｔ４の時点で前記磁石を前記本体内の前方停止位置で停止させるステップ４とを繰り返すことによって前記本体を移動させるように構成され、
   前記本体の移動開始から停止までの時間ｔ２を短くすることにより、前記本体と前記磁石の質量の比が小さいほど前記本体の平均移動速度が増大するようにしたことを特徴とする小型ロボット。
3. 請求項２記載の小型ロボットにおいて、
   前記駆動回路は、外部の駆動制御手段からの制御信号に応じて、前記ステップ１〜４における前記磁石の駆動を制御する駆動信号を発生するように前記本体内に収納されていることを特徴とする小型ロボット。
4. 請求項２記載の小型ロボットにおいて、
   前記駆動回路は、前記本体に対抗して前記磁石を前記ステップ１〜４の繰返しで駆動する電圧を前記コイルに加えるように構成されていることを特徴とする小型ロボット。

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