JP5294239B2 - 自走式ケーブル装置 - Google Patents
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Description
例えば、第1の従来例として提示した特許文献1では、細長の挿入部に螺旋構造を設け、該挿入部を所定の軸方向に沿って進退可能に保持する保持部を挿入部の軸周りに回転駆動して、挿入部を安定させた状態で体腔内に確実に推進させる医療器具挿入装置がある。
上記の構成によれば、ケーブルを軸方向に押し引きするなどの運動を加えることにより、ケーブルを軸方向に進退させると共に、ケーブルに振動を付与すると、ケーブルの外部に設けられた推進装置が作動して、ケーブルを軸方向に沿って推進させる。この場合、ケーブルの先端領域に曲げ形状を設けたため、ケーブル先端の推進力が前記ケーブルの曲げ形状に沿って作用し、進行する。
に応じて進行方向を容易に変換される。
ケーブル先端が障害物に当接して動きが停滞するような時でも、曲げ弾性によりケーブル先端が容易に湾曲しまたは弾性復帰する。
これらの作動を繰り返し行うことにより、推進装置との接触面が少ない広領域の外部物体を進行する場合でも、ケーブル先端の方向転換を容易にし、所定の目的位置にケーブル先端を進行させて、その先端に取り付けたスコープカメラなどの機能装置を円滑に機能させる。
ケーブルの上記の曲げ形状は、初期の曲げ方向を、ケーブルの推進方向が直線となる位置(以下、中立位置と称する。)において接触面に垂直方向等の重力方向に向けておくことが効果的である。このようにすることで、自重とケーブルの弾性によって曲げ形状が平坦に延伸され、接触面との接触面積が増加される。そのためケーブルは曲げ形状の影響を大きく受けることなく直進することが可能になる。
ケーブル基端部領域などに集中して加振を行う場合は、ケーブル全域に亘って加振装置を設ける必要がないから、ケーブルおよび推進装置の直径をより細く形成することを可能とし、従来よりも狭い経路に侵入が可能となる。これは、加振装置部分が狭い経路に引っ掛かったり、経路の段差、斜面などに引っ掛かったり、ケーブルが絡まったりすることを防止することにも大きく寄与する。又、ケーブルに対して繰り返し行う加振および先端の進行方向転換は、ケーブルの先端部分に疲労を与え易いが、この先端領域に加振装置を配設しなくとも済むため、その配線関係も不要で、ケーブル先端構造の荷重負担が軽減され、耐久性および耐水性にも優れたものとなる。
ケーブルの加振方向は、ケーブルが捻り剛性の大きな線材であるから、曲げ方向よりも軸周り(捩り)方向の方が、ケーブル基端部から距離がある部分であっても、振動減衰が小さいので有利である。その場合、捩り振動の角速度または角加速度の大きさを振動の往復で異ならせる偏角速度運動または偏角加速度運動を行わせると、推進装置と搬送面との接触摩擦と滑りの大きさを異ならせることが出来る。振動の往路と復路で、一方の角速度または角加速度を大きくして接触面での滑りを大きくする一方、遅い角速度または角加速度では滑りを生じにくいようにするので、特にケーブル先端領域の進行方向を、軸直角方向に転換し易くなる。
また、前記加振装置は、ケーブルが曲げ形状を持つかどうかに係わらす、前記推進力の大小および方向の少なくとも一方を分布的に制御するように構成することが出来る。ケーブルの推進速度との関係から、推進力の大小および方向によっては、推進力および方向に対してプラスに作用し、あるいはマイナスに作用する。従ってこれらの総合は、実際のケーブルの推進力及び推進方向に大きな影響を与える。前記推進力の大小および方向の少なくとも一方を分布的に制御するように構成することで、所望の推進力もしくは方向の少なくとも一方を得ることが可能とする。
前記推進装置は、前記ケーブルの外部に設けられ、外部物体との接触に基づいて前進方向と後退方向に滑りやすさの異方性を持つ弾性摩擦材を含んで構成することが出来る。これにより、線材群の接地面に対する摩擦力、摩擦力の作用方向を総合的に組み合わせ、推進装置の適当な推進方向および推進力を得ることができる。弾性摩擦材の好適な一例としては、前記ケーブルの軸方向に所定角度で傾斜し、内端が前記ケーブルの外部に固定して設けられ、外端が外部物体に接触する構成の、弾性を有する金属または合成樹脂の線材群または面材群を挙げることが出来る。
加振制御要素としては、ケーブルを、軸方向の押し引き、軸方向に交差する方向の横揺らしおよび縦揺らし、軸周りのロール、ピッチ、ヨウのうち少なくとも1つの振動運動を選択することが出来る。
図1は、災害時のレスキュー用スコープカメラに本発明を適用した本発明の第1の実施形態にかかる自走ケーブル装置を示す。図に示す自走ケーブル装置10は、ケーブル1の基端部2に対し、電動モータ3からてこクランク機構4を介して集中的に軸周り方向(捩り方向)の振動が与えられる。ここで電動モータ3とてこクランク機構4は加振装置を構成する。
ケーブル1は所定の曲げ弾性を有していて、容易には屈曲しない程度の剛性を備え、金属製または合成樹脂性の単線、あるいは複数の線材の撚線、これらに外被を被せたものなどを含み、中実、中空(パイプ材)を問わない。本実施形態では、金属製または合成樹脂性のパイプ材であって、内部空間はスコープカメラ5などの配線用に用いている。
ケーブル1の外部には、ケーブル1の振動に応じて振動することにより、ケーブル1に軸方向など所定方向の推進力を付与する推進装置11が設けられる。具体的には、図2(a)に模型的に示すように、ケーブル1の外周面に、ケーブル1の軸心に対して所望の角度で傾斜する金属、合成樹脂、天然繊維製などの弾性を有する多数の線材群12(図2(b)の実例写真を参照)を、その内端でケーブル1と同時成形、植毛或いは固着などして弾性摩擦材を形成する。弾性摩擦材の外端は、接地面7に対しその下端で弾性力をもって摩擦接触する。弾性摩擦体に傾斜を持たせることによって、ケーブル軸に直交する向きの振動、または、ケーブル軸周りの振動に対して、摩擦力の異方性が生じ、特定の方向に推進力を発生する。
上記の構成による作用を次に述べる。電動モータ3を起動して、てこクランク機構4を介し、ケーブル1に数Hz〜数100Hzの捻り(ロール)振動を付与すると、線材群12が振動して、線材群12の先端では、接地面7との摩擦と滑りのため、たわみと急激な回復が生じる。そして、たわみ時に蓄えたひずみエネルギーを使い、たわみの回復時にケーブルを軸方向(図でy方向)に沿って推進させる。
特に、捩り振動の角速度または角加速度の大きさを振動の往復で異ならせる偏角速度運動または偏角加速度運動を行わせると、推進装置11と接地面7との接触摩擦と滑りの大きさを、振動の往復で異ならせることが出来る。振動の往路と復路で、一方の角速度または角加速度を大きくして接触面での滑りを大きくする一方、遅い角速度または角加速度では滑りを生じにくいようになるので、特にケーブル先端領域の進行方向を、軸直角方向に転換し易くなる。なおこの捻り振動の偏角速度または偏角加速度の制御の場合は、必ずしも、上記のようにケーブル先端部の曲げ形状を同時に構成しなくとも、この捩り偏角速度または偏角加速度の捻り振動単独で、ケーブルの進行方向の転換を容易とする。
上記の曲げ形状については、操作性の観点から、例えば、図4で中立位置Nを0度として、操作者が進路を−90度から+90度までの回転量で選択する場合、ケーブルを90度、あるいは−90度回転させたときに最も転回角度が大きくなるようにする等、の設計をすることが好ましい。また、回転量に対して、線形的に転回角度が変化する、あるいは、不感帯を設ける等の非線形的な転回角度の変化などでも、操作性を向上させることができる。
これに加えて、ケーブル軸方向に押し引きするなどの運動を行えば、ケーブル先端の進行深さを変えることが可能となる。
このようにして、ケーブル先端が障害物に当接して動きが停滞するような時でも、ケーブル1の先端の曲げ形状の回動および曲げ弾性によるケーブル1の先端の湾曲および弾性復帰の繰り返しにより、推進装置との接触面が少ない広領域の外部物体を進行する場合でも、ケーブル先端の方向転換を容易にし、所定の目的位置にケーブル先端を進行させて、その先端に取り付けたスコープカメラなどの機能装置を円滑に機能させる。
前記推進装置11は、図2に示されたような金属製で弾性を有する線材群12を含む異方性を持った弾性摩擦材の他に、図3(a)に示す傘状の面材群14、図3(b)に示す鱗状の面材群15を軸方向に多数配設した異方性ある弾性摩擦材、または、弾性摩擦材に溝、スリット、突起などを設け、あるいは車輪などを含んで構成しても良い。上記鱗状の弾性摩擦材の場合は、一方向への移動は接触面との係りが多くなり、摩擦力が大となる。金属製弾性線材群12を含む弾性摩擦材の具体的製造方法としては、図6(a)に見られるように、予め線材群12が植毛又は同時成形により形成された基帯13をケーブル1の外周面に巻回固着するなどで形成出来る。
前記推進装置は、前記ケーブルの外部に設けられ、外部物体との接触に基づいて前進方向と後退方向に滑りやすさの異方性を持つ弾性摩擦材を含んで構成することが出来る。これにより、推進方向の総合的なバランスにおいて、推進装置に適当な推進方向および推進力を得ることができる。
なお、図6(a)、(b)に示すように、複数のケーブル部材1a、1bを振動アクチュエータ21により線形的に連接し、このそれぞれの振動アクチュエータ21に所望の振動を付与することにより、上記のケーブル1の振動の大きさおよび方向、ケーブル1の特定方向の剛性、異なった摩擦係数・方向を持つ弾性摩擦材の選択的な振動などの少なくとも1つを選択でき、ケーブル1の接地面7および進路に併せてケーブル1を進行させることが出来る。
接地面7上でy軸方向に推進する自走式ケーブル31に対し、自走式ケーブル31のロール方向に周期的な偏速度の揺動運動を加えることによって、ケーブル軸方向に直交するxy平面内の向きに推進力を付与し、自走式ケーブル31の推進方向を転換する。
自走式ケーブル31の外部に取り付けた推進装置11の弾性摩擦材は、前記図2(a)と同様の構成である。弾性摩擦材はケーブル軸周りに放射状に配置されることで、軸周りの角速度、または角加速度の変化によって、ケーブル軸方向と直交する特定の向きに推進力Fを発生する。
自走式ケーブル31に軸方向に推進するために加えられる振動は、揺動振動を速度一定で周期的に与えることでケーブル全体に振動させることで付与される。なお、自走式ケーブル31に軸方向を推進させるための振動を生成する加振装置は図9の複数の振動アクチュエータ33を用いることも可能である。
本発明の第3の実施形態は、災害時のレスキュー用スコープカメラや内視鏡等に実装されているケーブル先端の局所的な首振り機構に加えて、自走式ケーブルの推進力の分布を適宜制御することによって、本来実装されていた局所的な首振り機構による曲げ角以上の方向転換を可能にする例である。
第4の実施形態として、自走式ケーブルが障害物に乗り上げたり、乗り越える際に有効となる、剛性を局所的に変化させる機構の実施形態を図11に示す。図に示す剛性可変機構は剛線材51にワイヤ式テンショナ52(52a〜52cd)を上下左右4カ所に配置したものである。剛線材51を挟んで対向する2本1対のワイヤ式テンショナに張力を付与することで、この対抗する方向のケーブルの曲げ剛性を大きくする効果がある。また、1本のテンショナに張力を加えることで、見かけ上、張力を加えた方向にケーブルの剛性を小さくすることができる。具体的には、テンショナ51aとテンショナ51cに張力を加えることで左右方向の剛性を大きくし、テンショナ51bとテンショナ51dに張力を加えることで上下方向の剛性を大きくする。また、テンショナ51aとテンショナ51bのように隣接する2本のテンショナに張力を加えることで斜め方向の剛性を大きくすることができる。また、テンショナ51aのみに張力を加えた場合は、右方向に剛性が小さくなる。
次に、図12(b)のように、自走式ケーブル61が段差67に乗り上げている最中には、自走式ケーブル61の左右の曲げ方向の剛性を大きくすることで、自走式ケーブル61が重力によって左右に転倒しないようにする。
第5の実施形態を、図13に示す。剛線材71に前後方向に滑りやすさの異方性をもつ摩擦材74a、74bを配置し、それぞれの摩擦材付近に振動を加える振動アクチュエータ(偏芯モータ)73を配置した状態を示す。このとき、いずれか一方または双方の振動アクチュエータ73を動作させることにより、その近傍の摩擦材が発生する推進力の方向の違いを利用して、自走式ケーブル71の推進方向を制御することが可能である。双方の振動アクチュエータ73を動作させる場合は、振動モードを異ならせると良い。滑り易さの異方性の実施方法としては例えば、74a、74bのように、弾性体線群の傾斜方向を前後に変える方法がある。
自走式ケーブルとして、工業用スコープカメラの挿入ケーブル(直径6mm、全長3m)の外部にナイロン製の弾性体線群(直径0.13mm、密度6.2本/mm2程度)を配置し、偏芯モータ(遠心力約0.95N、回転数約9000rpm)を300mm間隔でケーブルに配置してある。この自走式ケーブルには図17aに示すような初期曲げ形状を付与してある。この曲げ形状を有する自走式ケーブルをビニル製の床面の上で2500mm接触させた状態で方向転換をさせたところ、側壁がない広い経路においても180°の方向転換が可能であった。このとき最小回転半径は図17のように約1mであった。
2…基端部
3…電動モータ
4…てこクランク機構
5…スコープカメラ
6…先端領域
7、67…接地面
8…回転軸受け
9…ケーブルクランプ
10…自走ケーブル装置
11…推進装置
12…線材群
13…基帯
21、33,73,83…振動アクチュエータ
31、41,61、101…自走式ケーブル
43…首振り機構
51、71、81,91…剛線材
52、52a〜52d…ワイヤ式テンショナ
74a、74b、83,84,95…摩擦材
94…弾性体線群
Claims (16)
- 予め湾曲して形成された曲げ形状を先端領域に備え、曲げ弾性を有する剛線材を含んで構成されたケーブルと、
前記ケーブルに振動を付与する加振装置と、
前記ケーブルの外部に設けられ、前記ケーブルの加振に応じて前記ケーブルに所定方向の推進力を付与する推進装置と、
を含んで構成されたことを特徴とする自走式ケーブル装置。 - 前記曲げ形状は、複数のケーブル部材を線形に連接して前記のケーブルを構成し、その連接された少なくとも1つの節の連接角度を可変に構成した請求項1に記載の自走式ケーブル装置。
- 先端領域に曲げ形状を備え、曲げ弾性を有する剛線材を含んで構成されたケーブルと、
前記ケーブルに振動を付与する加振装置と、
前記ケーブルの外部に設けられ、前記ケーブルの加振に応じて前記ケーブルに所定方向の推進力を付与する推進装置と、
を含んで構成され、
前記曲げ形状は、複数のケーブル部材を線形に連接して前記のケーブルを構成し、その連接された少なくとも1つの節の連接角度を可変に構成したことを特徴とする自走式ケーブル装置。 - 前記曲げ形状は、前記ケーブルの推進方向が直線となる中立位置において、重力方向に湾曲する形状である請求項1または請求項2に記載の自走式ケーブル装置。
- 前記加振装置は、ケーブルに対し集中的にまたは分布的に振動を付与する請求項1ないし請求項4のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
- 前記加振装置は、前記ケーブルに、捩り振動の角速度または角加速度の大きさを振動の往復で異ならせる偏角速度運動または偏角加速度運動を加える請求項1ないし請求項5のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
- 曲げ弾性を有する剛線材を含んで構成されたケーブルと、
前記ケーブルに振動を付与する加振装置と、
前記ケーブルの外部に設けられ、前記ケーブルの加振に応じて前記ケーブルに所定方向の推進力を付与する推進装置と、
を含んで構成され、
前記加振装置は、前記ケーブルに、捩り振動の角速度または角加速度の大きさを振動の往復で異ならせる偏角速度運動または偏角加速度運動を加えることを特徴とする自走式ケーブル装置。 - 前記ケーブルの曲げ剛性を局所的に変化させる機構を設けた請求項1ないし請求項7のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
- 曲げ弾性を有する剛線材を含んで構成されたケーブルと、
前記ケーブルに振動を付与する加振装置と、
前記ケーブルの外部に設けられ、前記ケーブルの加振に応じて前記ケーブルに所定方向の推進力を付与する推進装置と、
前記ケーブルの曲げ剛性を局所的に変化させる機構と、
を含んで構成されたことを特徴とする自走式ケーブル装置。 - 前記推進装置は、前記ケーブルの外部に設けられ、外部物体との接触に基づいて前進方向と後退方向、または曲げ方向に滑り易さの異方性を持つ弾性摩擦材を含んで構成された請求項1ないし請求項9のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
- 前記弾性摩擦材は、前記ケーブルの軸方向に所定角度で傾斜し、内端が前記ケーブルの外部に固定して設けられ、外端が外部物体に接触する構成の、弾性を有する線材群または面材群である請求項10に記載の自走式ケーブル装置。
- 前記弾性摩擦材が異なった大きさまたは異なった方向性の摩擦力を持ち、前記ケーブルの加振に応じて異なる推進特性を持つ複数の部分を含んで構成された請求項10又は請求項11に記載の自走式ケーブル装置。
- 前記弾性摩擦材の、ケーブルの推進方向と曲げ方向の少なくとも一方の摩擦の大きさを変える機構を含んで構成された請求項10ないし請求項12のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
- 前記加振装置は、前記ケーブルを、軸方向の押し引き、軸方向に交差する方向の横揺らしおよび縦揺らし、軸周りのロール、ピッチ、ヨウのうち少なくとも1つの振動運動を行う請求項1ないし請求項13のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
- 前記加振装置は、前記推進力の大小および方向の少なくとも一方を分布的に制御する機構を含んで構成された請求項1ないし請求項14のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
- 前記ケーブルは、金属又は合成樹脂製の線材もしくはパイプ材である請求項1ないし請求項15のいずれか1つに記載の自走式ケーブル装置。
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