JP5896456B2 - テザー回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、チューブや紐、ロープなどの線状部材（以下、本明細書においてテザーと総称する）を回収する回収装置に関する。

図１（ａ）、（ｂ）は、一般的なテザー回収機構を示す図である。図１（ａ）に示すように回収機構１００ｒは、回転軸１０２周りに回動可能なリール１０４を備える。テザー２の一端は、リール１０４に固定されており、リール１０４を回転させることによってテザー２がリール１０４に巻き取られていく。

回収状態のテザー２を伸展させる場合、図１（ａ）の機構では、テザー２の伸展にともないリール１０４が回転するため、このねじれがエネルギーの損失になると同時に、正常な投擲を妨げ、テザーの回収を困難にする。したがってテザー２を遠方に繰り出し、あるいは放出する用途には適していない。この問題を解決するためには、図１（ｂ）に示すように、テザー２の放出時におけるリール１０４の回転軸１０２を、テザー２の放出方向と平行となるように構成する必要があり、回収時と放出時とで、リール１０４の回転軸１０２の向きを切り換える機構が必要となる。さらに図１（ｂ）では、テザー２の放出時に、テザー２がねじれながら伸展していくため、このねじれがエネルギーの損失となる。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、テザーを規則的に回収でき、放出、繰り出し時においては、テザーのねじれを防止し、エネルギー損失を低減可能な回収装置の提供にある。

本発明のある態様は、テザーの回収装置に関する。このテザー回収装置は、テーパーケースと、テザー押し込み部と、を備える。テーパーケースは、上底部に開口が設けられ、上底部の開口を介して外部と連通する内部空間を有する。内部空間は実質的に円形断面を有し、その径が上底部に近いほど減少する。テザー押し込み部は、テーパーケースの上底部の開口を介して外部から内部空間の下底部に向かって、内部空間の軸と実質的に平行にテザーを押し込むテザー押し込み部と、を備える。

この態様によると、テザーは、テーパーケースの内壁と接するすべての箇所において、下底部側に向かって力を受ける。その結果、テザーの復元力がそれ自体の螺旋形状を保つように作用するため、内部空間の下底部から順に積み上げながら、途中でよじれたりすることなく、規則的に収容することができる。またこのテザー回収装置では、リール等の回転機構を利用しないため、テザーの放出、繰り出し時におけるエネルギー損失を低減でき、さらに放出、繰り出されたテザーにねじれが生じないという利点がある。

テーパーケースの下底部は開口され、その内部空間は下底部において外部と連通してもよい。テザー回収装置は、テザーの回収量に応じてテーパーケースをスライドさせるケース移動部と、テーパーケースの下底部の外側において、すでに回収されたテザーを拘束する拘束部と、をさらに備えてもよい。
この態様によれば、テーパーケースの大きさに制限されることなく、テザーを収容することができる。

拘束部は、円柱状の内部空間を有してもよい。テーパーケースは、拘束部の内部空間内をスライド可能であってもよい。

テザーの一端は、拘束部の内部空間の底面において、その内壁に沿って拘束されてもよい。これにより、テザーが形成する螺旋の向きを常に一定にできる。

テザー押し込み部は、ピンチローラーであってもよい。ピンチローラーを用いると、テザーはねじらずにテーパーケース内に押し込まれるが、テーパーケース内ではテザーはリング状に収納されるため、結果的にテザーはねじれた状態で収納されることとなる。

テーパーケースのテーパー角は一定であり、または、上底部に近いほどテーパー角が小さくなってもよい。

テーパーケースは複数の部材に分割して構成され、テザーの放出時において放射状に展開可能に構成されてもよい。この場合、テザー放出時に、テザーとケースの間の摩擦を低減できる。

本発明のある態様に係るテザー回収装置によれば、テザーを規則的に回収でき、また放出、繰り出し時においては、エネルギー損失を低減できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、一般的なテザー回収機構を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るテザー回収装置の構成を示す断面図および平面図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、テザー回収装置によるテザーの回収の様子を示す図である。 図４（ａ）は、円筒型ケースの断面図を、図４（ｂ）は、円筒型ケースによる回収の様子を示す図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るテザー回収装置の正面図および側面図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、テザー回収装置を用いた移動ロボットを示す図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

また、実施の形態における「上方」、「下方」は便宜的なものであり、テザー回収装置の実使用時における設置方向を限定する趣旨ではない。

（第１の実施の形態）
図２（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係るテザー回収装置１００の構成を示す断面図および平面図である。テザー回収装置１００は、柔軟で、かつ軽微な復元力を有するテザー２を回収する。テザー２は、ロープ、紐、チューブなどが例示されるが、特に限定されない。

テザー回収装置１００は、テーパーケース１０およびテザー押し込み部２０を備える。テーパーケース１０は、上底部１４に設けられた開口１３を介して外部と連通する内部空間１２を有する。内部空間１２は、実質的に円形断面を有し、その半径ｒは、上底部１４に近いほどに減少する。図２の内部空間１２は円錐台である。なお、「実質的に円形断面を有する」とは、断面が真円の場合のほか、その機能を損なわない範囲で、楕円形状や、多角形であることを許容する趣旨である。螺旋状に収容するためには、内部空間１２の断面は、円あるいは正多角形などの回転対称形状であることが好ましい。

テザー押し込み部２０は、テーパーケース１０の上底部１４の開口１３を介して外部から内部空間１２の下底部１６に向かって、回転対称軸１８と実質的に平行にテザー２を押し込む。テザー２の一端は、テーパーケース１０の下底部１６において、その内壁に沿って所定の方向に拘束されることが望ましい。テザー２の一端の拘束が無い場合、回収するたびに螺旋の向きがランダムに変わってしまうが、拘束することでテザー２の回収時の螺旋の向きを定めることができる。

具体的にはテザー押し込み部２０はたとえばピンチローラーであり、テザー２の回収時に、回転対称軸１８上でテザー２を挟み込むように配置される少なくとも２つのローラー２０ａ、２０ｂを有する。ローラー２０ａ、２０ｂを、図中、矢印（i）の方向に回転させることにより、テザー２が、内部空間１２に向かって送りこまれていく。なおテザー押し込み部２０の構成は特に限定されず、その他の機構を用いてもよい。

以上がテザー回収装置１００の構成である。続いてその動作を説明する。図３（ａ）、（ｂ）は、テザー回収装置１００によるテザー２の回収の様子を示す図である。図３（ａ）を参照する。いまテーパーケース１０内で螺旋状に収容されたテザー２の回転対称軸１８を含む断面に着目する。φｓは、テーパーケース１０の内壁の傾斜角（テーパー角）であり、φｔは、水平面に対するテザー２の傾斜角である。この断面内において、テザー２は、２つの箇所でテーパーケース１０の内壁と接している。上底部１４に近い接点をＵ、下底部１６に近い接点をＤとする。

接点Ｕにおいて、テザー２の復元力Ｗｔ１は、テーパーケース１０の内壁の法線方向ｎ１に対して、下底部１６側に（φｓ−φｔ）傾いた方向に内壁を押すように作用する。この復元力Ｗｔ１を、内壁の法線方向ｎ１とそれと垂直な成分Ｆ１に分解すると、成分Ｆ１は式（１）で与えられる。
Ｆ１＝Ｗｔ・ｓｉｎ（φｓ−φｔ） …（１）
したがって、φｓ＞φｔが成り立つとき、テザー２はテーパーケース１０の内壁に沿って、下底部１６側にスライドする方向に力を受ける。

また接点Ｄにおいて、テザー２の復元力Ｗｔ２は、法線方向ｎ２に対して、下底部１６側に（φｓ＋φｔ）傾いた方向に内壁を押すように作用する。この復元力Ｗｔ２の、内壁と水平な成分Ｆ２は、式（２）で与えられる。
Ｆ２＝Ｗｔ・ｓｉｎ（φｓ＋φｔ） …（２）

つまり、テーパーケース１０の内部空間１２において、テザー２は、２つの接点Ｄ、Ｕの両方において、下底部１６側に向かって力を受けることになる。その結果、図３（ｂ）に示すように、テザー２は、テーパーケース１０の内部空間１２に、（i）、（ii）、（iii）、（iv）のように螺旋状に回収されていく。

比較のために、円筒型のケースについて検討する。図４（ａ）は、円筒型ケース１０ｒの断面図を、図４（ｂ）は、円筒型ケース１０ｒによる回収の様子を示す図である。円筒型ケース１０ｒを用いる場合、テーパー角φｓ＝０である。したがって接点Ｄにおいてはテザー２に下向きに力が加わるが、接点Ｕにおいては、Ｆ１＝Ｗｔ・ｓｉｎ（−φｔ）となり、力が上向きに働いてしまう。その結果、図４（ｂ）に示すように螺旋が崩れて、よじれてしまう。

図３（ａ）、（ｂ）に戻る。テザー回収装置１００の内部空間１２は回転対称に形成されているため、テザー２は、テーパーケース１０の内壁と接するすべての箇所において、下底部１６側に向かって力を受けることが理解される。つまり実施の形態に係るテザー回収装置１００では、テザー２の復元力がそれ自体の螺旋形状を保つように作用するため、内部空間１２の下底部１６から順に積み上げながら、途中で折れ曲がったり、絡まったりすることなく、螺旋状に規則的に収納することができる。

回収されたテザー２を、放出、あるいは繰り出す際には、テザー押し込み部２０であるピンチローラー２０ａ、２０ｂの間隔が開き、テザー２が開放される。この状態でテザー２にエネルギーを与えることにより、テザー２を引き出すことができる。この際に、テザー回収装置１００ではリールなどの回転機構にエネルギーを奪われないため、テザー２をスムーズに引き出すことができる。

加えて、実施の形態に係るテザー回収装置１００では、テザー押し込み部２０によってテザー２を、軸１８と平行にねじらずに内部空間１２に送り込むと、内部空間ではリング状に収納されるため、結果的にテザー２はねじれた状態でテーパーケース１０に収納される。つまり収納状態のテザー２には、ねじれからの復元力に応じた弾性エネルギーが蓄えられる。テザー２の放出、あるいは繰り出し時には、ねじれに対する復元力は、テザー２を自ら伸展させる方向に作用するため、テザー２をより遠くに、素早く放出することが可能となる。

テザー回収装置１００において、テーパーケース１０の内壁のテーパー角は一定である場合を説明したが、本発明はそれには限定されず、たとえば、上底部１４に近いほどテーパー角φｓが小さくなるようにテーパーケース１０を構成してもよい。こうした形状としては、指数関数テーパーなどが知られている。つまりテーパー角φｓは、テザー２の水平面に対する角度φｔとの関係において、φｓ＞φｔが成り立っていればよく、その関係を満たす範囲でテーパーケース１０は任意の形状を取り得る。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係るテザー回収装置１００では、テーパーケース１０の内部空間１２の体積によって、収容可能なテザー２の長さが制限される。第２の実施の形態では、より長いテザー２を収容可能なテザー回収装置について説明する。

図５（ａ）、（ｂ）は、第２の実施の形態に係るテザー回収装置１００ａの正面図および側面図である。テザー回収装置１００ａは、図２のテザー回収装置１００に加えて、ケーススライド部３０、拘束部３２を備える。

テーパーケース１０の下底部１６は全体が開口され、内部空間１２は下底部１６において外部と連通している。拘束部３２は、テーパーケース１０の下底部１６の外側において、すでに回収されたテザー２を拘束する。たとえば拘束部３２は、円柱状の内部空間３４を有する。テーパーケース１０は、拘束部３２の内側の内部空間３４内をスライド可能となっている。つまり、テーパーケース１０の内部空間１２と、拘束部３２の内部空間３４は、ひとつの空間を形成している。なお拘束部３２は、回収されたテザー２がばらばらにならないように拘束可能であればよく、その形状は円筒には限定されない。たとえば拘束部３２は、回収されたテザー２を束ねた状態でつまんでいくフックであってもよい。あるいは拘束部３２は、円筒状の内部空間３４を囲むように等間隔に配置された複数の棒状の部材であってもよい。

ケーススライド部３０は、テザー２の回収量に応じて、テーパーケース１０およびテザー押し込み部２０を高さ方向にスライドさせる。ケーススライド部３０は、支持部３６、タイミングベルト３８、リニアガイド４０、ポスト４２を備える。ポスト４２には、レールが設けられており、リニアガイド４０はレールに沿って上下に可動可能となっている。リニアガイド４０には、支持部３６が取り付けられる。支持部３６は、テザー押し込み部２０およびテーパーケース１０を支持する。タイミングベルト３８の移動にともない、リニアガイド４０がスライドする。なおケーススライド部３０の構成も特に限定されず、任意のリニアアクチュエータを利用できる。拘束部３２には、支持部３６の上下のスライドを妨げないようスリット（不図示）が設けられる。

テザー２の一端は、拘束部３２の内部空間３４の底面において、その内壁に沿って拘束されることが望ましい。これにより、テザー２の回収時の螺旋の向きを常に一定に保つことができる。

以上がテザー回収装置１００ａの構成である。続いてその動作を説明する。テザー２の回収量がゼロのとき、テーパーケース１０は、拘束部３２の底部と接する程度まで下げられる。この状態でテザー押し込み部２０がテザー２を内部空間１２に送りこむと、テーパーケース１０の下底部１６に螺旋状にテザー２が回収される。テザー２の回収とともに、テーパーケース１０およびテザー押し込み部２０を上方にスライドさせることにより、拘束部３２の内部に、円筒状にテザー２が収容される。

テザー回収装置１００ａによれば、拘束部３２の高さを高くすることにより、テザー２の収容長を長くできる。

第１、第２の実施の形態に係るテザー回収装置の用途は限定されず、幅広く利用可能であるが、以下、その用途の一例を説明する。図６（ａ）、（ｂ）は、テザー回収装置を用いた移動ロボット２００を示す図である。移動ロボット２００は、人間が近づけない箇所に対してテザー２を投擲し、その箇所の情報を取得するために利用される。

移動ロボット２００は、テザー２、投擲装置４、吸着体もしくはおもりなど（以下、子機と称する）６および上述のテザー回収装置１００ａを備える。テザー２の先端には、子機６が取り付けられる。投擲装置４は、たとえば空圧シリンダである。ピストンを固定した状態でシリンダに空気を圧縮し、ピストンを開放すると、圧縮空気の膨張に応じて、ピストンから子機６に運動エネルギーが与えられ、子機６が勢いよく放出される。テザー２はテザー回収装置１００ａ内に収容されており、子機６の投擲時には、テザー回収装置１００ａのピンチローラーが開放されている。上述のように、テザー回収装置１００ａは、テザー２の放出時のエネルギーロスが小さいため、子機６をより遠くに投擲することができる。

子機６が探索箇所に到達すると、テザー２をガイドとしてカメラを送りこむことができる。あるいはテザー２がチューブであれば、探索箇所の周囲のガスを吸引してサンプルを回収できる。

投擲装置４のシリンダの先端部には、テーパーケース８が設けられる。テザー２の一部は、テザー回収装置１００ａの内部に収容され、また先端部のテーパーケース８にも収容される。図６には図示しないが、テーパーケース８内にテザー２を送りこむテザー押し込み部が別途設けられてもよい。これによりテーパーケース８内にも、テザー２が螺旋状に収容される。テーパーケース８の原理は、上述したテザー回収装置１００と同様である。テーパーケース８は、その断面が円弧となる複数の部材に分割して構成され、投擲時には放射状に展開可能となっている。テーパーケース８は、シリンダが最長に伸展した時点で展開することが好ましい。

この構成によれば、投擲時には、子機６のみでなく、テザー２のテーパーケース８に収容された部分２ａにも運動エネルギーが与えられることになり、先端部にテザー２を収容しない場合に比べて、より遠方に子機６を投擲できる。

また、テザー回収装置１００ａのテーパーケース１０を、テーパーケース８と同様に展開可能に構成してもよい。この場合、テザー２の放出時に、テザー２とテーパーケース１０の間の摩擦を低減できる。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

２…テザー、４…投擲装置、６…子機、１００…テザー回収装置、２００…ロボット、１０…テーパーケース、１２…内部空間、１３…開口、１４…上底部、１６…下底部、２０…テザー押し込み部、３０…ケーススライド部、３２…拘束部、３４…内部空間、３６…支持部、３８…タイミングベルト、４０…リニアガイド、４２…ポスト。

Claims (6)

1. 上底部に開口が設けられ、前記上底部の開口を介して外部と連通する内部空間を有するテーパーケースであって、前記内部空間は実質的に円形断面を有し、その径が上底部に近いほど減少するテーパーケースと、
   前記テーパーケースの前記上底部の開口を介して外部から前記内部空間の下底部に向かって、前記内部空間の軸と実質的に平行にテザーを押し込むテザー押し込み部と、
   を備え、
   前記テザーは、前記テーパーケースの内壁と接しながら、前記内壁からの反力により前記内壁に沿って前記下底部側にスライドする方向に力を受け、前記内壁に沿った螺旋形状を保ちながら前記内部空間の前記下底部から積み上げて収容されることを特徴とするテザー回収装置。
2. 前記テーパーケースの前記下底部は開口され、前記内部空間は前記下底部において外部と連通しており、
   前記テザー回収装置は、
   前記テザーの回収量に応じて前記テーパーケースをスライドさせるケース移動部と、
   前記テーパーケースの前記下底部の外側において、すでに回収されたテザーを拘束する拘束部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のテザー回収装置。
3. 前記拘束部は、円柱状の内部空間を有し、
   前記テーパーケースは、前記拘束部の内部空間内をスライド可能となっており、
   前記テザーの一端は、前記拘束部の前記内部空間の底面において、その内壁に沿って拘束されていることを特徴とする請求項２に記載のテザー回収装置。
4. 前記テザー押し込み部は、ピンチローラーであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のテザー回収装置。
5. 前記テーパーケースのテーパー角は一定であり、または、上底部に近いほどテーパー角が小さくなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のテザー回収装置。
6. 前記テーパーケースにはスリットが設けられ、前記テザーの放出時において展開可能に構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のテザー回収装置。

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