JP6895660B2 - アクチュエータおよび移動体 - Google Patents

Description

本発明は、流体圧を利用したアクチュエータに関する。

体内の観察のための内視鏡や、薬液の投与、体液の排出のためのカテーテルは、重要な医療機器として知られる。これらの器具はいずれも、体内の細い管内に挿入して使用されるため、径方向のサイズには制約があり、複雑な機構を組み込むことが難しい。このためこのような器具は、自分自身の推進力を有さず、したがって従来では、医療行為者が外部から力を与えて、体内に押し込み、あるいは引き抜く必要があった。

近年、能動カテーテルや能動内視鏡の開発が進められている。たとえば特許文献１〜３には、空気圧を用いた管内自走装置、内視鏡推進装置、管内挿入装置が開示されている。

体内の複雑な観察対象として気管支が挙げられる。気管支は、枝分かれした複雑な構造を有している。気管支に能動カテーテルを挿入する場合、枝分かれごとに方向を選択する必要がある。したがって簡素な構造で方向を制御可能なアクチュエータの提供が望まれる。

また気管支は、先端に進むほど、内径が小さくなる。具体的には枝分かれごとに第０世代〜第５世代と称され、第０世代の１８ｍｍ〜第５世代の３．６ｍｍの範囲で内径は大きく変化する。したがって、幅広い内径の管路を推進する機能が望まれる。

このような要望は、気管支や大腸管などの生体管のみでなく、排水管やガス管などの工業用管路においても生じうる。

特開２００９−２４０７１３号公報 特開２０１２−８１１３０号公報 特開平５−２９３０７７号公報

従来の流体圧を利用したアクチュエータは、軸方向への伸縮動作、あるいは、ある一方向への湾曲動作を提供するものに限られていた。軸周りに回転可能なアクチュエータが存在すれば、流体圧アクチュエータの利用価値は大きくなるものと考えられる。

本発明はかかる状況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、従来と異なる動作が可能なアクチュエータの提供にある。また別の態様の例示的な目的のひとつは、狭い管路から広い管路において推進可能な移動体の提供にある。

本発明のある態様は、アクチュエータに関する。アクチュエータは、加圧によって径方向および軸方向に膨張する伸縮バルーンを備える。伸縮バルーンは、螺旋に沿う方向に伸びにくく、かつ径方向に膨張しにくく拘束されている。

伸縮バルーンを加圧すると、径方向には膨張できないため、軸方向に伸びようとする力が、螺旋を軸方向にさらに傾ける向きに作用する。その結果、伸縮バルーンは、軸周りに回転する。このアクチュエータによれば回転運動を提供でき、回転角度は圧力に応じて制御できる。

伸縮バルーンはさらに湾曲した状態で拘束されていてもよい。これにより、加圧によって湾曲した部材を回転させることができる。

伸縮バルーンは、軸方向の伸びやすさが、周方向に関して不均一であってもよい。伸縮バルーンを加圧すると、伸縮バルーンは伸展しながら、湾曲していく。これにより伸展、湾曲および回転運動が混在した動作を生成できる。

伸縮バルーンの断面の厚みは、周方向に不均一であってもよい。これにより、伸縮バルーンに、軸方向の伸びやすさに周方向の分布を持たせることができる。

本発明の別の態様も、アクチュエータに関する。アクチュエータは、先端が閉じられており、加圧によって径方向および軸方向に膨張するチューブと、チューブの表面に螺旋状に巻き付けられた糸状の部材と、を備える。
チューブを加圧すると、径方向には膨張できないため、軸方向に伸びようとする力が、螺旋を軸方向にさらに傾ける向きに作用する。その結果、チューブは、軸周りに回転する。このアクチュエータによれば回転運動を提供でき、回転角度は圧力に応じて制御できる。

アクチュエータは、チューブの内部に設けられ、チューブを湾曲した状態で拘束する湾曲拘束部材をさらに備えてもよい。

チューブは、軸方向の伸びやすさが、周方向に関して不均一であってもよい。チューブを加圧すると、チューブは伸展しながら、湾曲していく。これにより伸展、湾曲および回転運動が混在した動作を生成できる。

チューブの断面の厚みは、周方向に不均一であってもよい。これにより、伸縮バルーンに、軸方向の伸びやすさに周方向の分布を持たせることができる。

本発明の別の態様は、管路内の移動体に関する。移動体は、上述のアクチュエータが設けられた先端部分と、推進部と、を備える。アクチュエータの伸縮バルーンは、湾曲した状態で拘束されてもよい。伸縮バルーンを加圧すると、湾曲した状態で回転する。これにより、移動体の進む方向を選択できる。

推進部は、後端に外部から制御可能な圧力を受けるインナーチューブと、加圧によって径方向に膨張し、軸方向に収縮可能であり、インナーチューブの外側に軸方向に複数Ｎ個（Ｎ≧２）のチャンバー室を形成する伸縮部材と、を含んでもよい。インナーチューブは、チャンバー室ごとに少なくともひとつの開口を有し、ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のチャンバー室の軸方向の長さをＬ_ｉ、ｉ番目のチャンバー室に対応する少なくともひとつの開口の総面積をＳ_ｉとしたとき、チャンバー室ごとにＳ_ｉ／Ｌ_ｉが異なっていてもよい。
この推進部によると、インナーチューブの他端に供給する１系統の圧力を制御することにより、複数のチャンバー室を、比Ｓ／Ｌの大きさに応じて異なるタイミングで膨張、収縮させることができ、これにより移動体をミミズのように変形させて、推進力を発生させることができる（蠕動運動）。

伸縮バルーンには、インナーチューブを介して圧力が供給されてもよい。インナーチューブには、伸縮バルーンに圧力を供給するための少なくともひとつの開口が設けられてもよい。伸縮バルーンに対応する少なくともひとつの開口の総面積をＳ_０とするとき、Ｓ_０＜Ｓ_ｉ（ｉ＝１，…Ｎ）が成り立ってもよい。
これにより一本のインナーチューブによって、言い換えれば圧力系統によって、推進と方向の両方を制御できる。

推進部は、隣接するチャンバー室の境界に設けられた複数の拘束部材をさらに含んでもよい。この構造によれば、太い管路内を、蠕動運動ではなく、屈曲動作によって推進することができる。

本発明のさらに別の態様もまた、移動体である。この移動体は、後端に外部から制御可能な圧力を受けるインナーチューブと、加圧によって径方向に膨張し、軸方向に収縮する伸縮部材であって、インナーチューブの外側に軸方向に複数Ｎ個のチャンバー室を形成する伸縮部材と、隣接するチャンバー室の境界に設けられた複数の拘束部材と、を備える。インナーチューブは、チャンバー室ごとに少なくともひとつの開口を有する。ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のチャンバー室の軸方向の長さをＬ_ｉ、ｉ番目のチャンバー室に対応する少なくともひとつの開口の総面積をＳ_ｉとしたとき、チャンバー室ごとにＳ_ｉ／Ｌ_ｉが異なっていている。

この態様によると、細い管路内では、拘束部材が伸縮部材に作用せず、蠕動運動により推進することができる。管路の内径が太くなると、拘束部材が伸縮部材に作用するため、屈曲動作により推進することができる。

伸縮部材は管状であり、インナーチューブは伸縮部材に挿入されており、複数のチャンバー室それぞれの境界部分において、伸縮部材の内壁とインナーチューブの外壁が密着していてもよい。

長さＬは先端ほど短く、面積Ｓは先端ほど大きくてもよい。これにより、先端方向への大きな推進力を得ることができる。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、従来と異なる動作が可能なアクチュエータを提供できる。またまた別の態様によれば、狭い管路から広い管路において推進可能な移動体を提供できる。

回転アクチュエータの基本構成を示す図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、図１の回転アクチュエータの動作を説明する図である。 回転アクチュエータの構成例を示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、第１変形例に係る回転アクチュエータを示す図である。 第１変形例に係る回転アクチュエータの圧力と回転角の関係の測定結果を示す図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、第２変形例に係る回転アクチュエータを示す図である。 図７（ａ）は、回転アクチュエータを備える移動体を示す図であり、図７（ｂ）は、管路内における移動体の方向操舵を説明する図である。 図８（ａ）は、実施の形態に係る推進部の断面図であり、図８（ｂ）はその外観図である。 図９（ａ）〜（ｇ）は、図８の推進部の動作を説明する図である。 図１０（ａ）〜（ｇ）は、別の推進部の動作を説明する図である。 図１１（ａ）〜（ｃ）は、面積Ｓ_ｉと長さＬ_ｉの設計例を示す図である。 図１２（ａ）〜（ｃ）は、Ｓ_１＞Ｓ_２＞Ｓ_３の場合の面積Ｓの設計例を示す図である。 図１３（ａ）〜（ｄ）は、推進部の製造方法を示す図である。 移動体を示す図である。 回転アクチュエータの伸縮バルーンの内部の圧力（i）と、推進部の伸縮部材の内部の空気室の圧力（ii）の応答性を示す図である。 図１６（ａ）〜（ｇ）は、図１４の移動体の動作を説明する図である。 図１７（ａ）は、変形例に係る推進部を示す図であり、図１７（ｂ）には、拘束部材による拘束の様子が示される。 図１８（ａ）〜（ｇ）は、図１７（ａ）の推進部の動作を示す図である。

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。

１． 回転アクチュエータ
流体圧を利用したアクチュエータであって、伸縮動作やある特定方向への湾曲動作とは異なる新たな動作を提供可能なアクチュエータ（回転アクチュエータ）について説明する。

１．１ 基本構成
図１は、回転アクチュエータ１００の基本構成を示す図である。本明細書において参照する図面に示される各部材の寸法は、理解の容易化、説明の簡潔化のため適宜拡大縮小されている。回転アクチュエータ１００は、伸縮バルーン１０２を備える。伸縮バルーン１０２は、内部に空気室１０４を有し、空気圧チューブ１０６を介して図示しない圧力コントローラ１１０と接続される。を加圧することにより、径方向および軸方向に膨張する。伸縮バルーン１０２は、螺旋１０８に沿う方向に伸びにくく、かつ径方向に膨張しにくく拘束されている。なおこの螺旋１０８は、数学的に厳密な螺旋である必要はない。

以上が回転アクチュエータの基本構成である。続いてその動作を説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、図１の回転アクチュエータの動作を説明する図である。図２（ａ）は、無加圧状態を、図２（ｂ）は加圧状態を示す。図２（ａ）、（ｂ）には、Ｚ方向から見た断面図が併せて示される。伸縮バルーン１０２を加圧すると、径方向および軸方向に伸びようとする。拘束により径方向（Ｒ方向）には膨張できず、軸方向（Ｚ方向）に伸びる。このとき伸縮バルーン１０２の螺旋１０８は、軸方向にさらに傾き、角度φが増大する（φ_１＞φ_０）。

螺旋１０８上の２点Ｐ_０およびＰ_１に着目する。２点の相対的な位置関係を考えて、点Ｐ_０の位置が固定されているものと仮定する。点Ｐ_０とＰ_１の間の螺旋１０８に沿う長さｌは一定に拘束されるから、角度φが大きくなると、点Ｐ_２はＺ方向から見たときに、θ方向に回転する。この２点Ｐ_０とＰ_１を１つの変形要素として考えると、その関係は、別の２点Ｐ_１とＰ_２の間の変形要素、２点Ｐ_２とＰ_３の間の変形要素、・・・と、任意の２点間の変形要素においても同様に成立する。回転アクチュエータ１００の先端の点Ｐ_ｚに着目すると、この点Ｐ_Ｚの変位は、複数の変形要素の変形の積分とみなすことができ、軸周りにθ回転する。

この回転アクチュエータ１００によれば、軸方向（Ｚ）方向に伸展しながら回転（捩れる）する運動を提供でき、さらに回転角θを圧力（あるいは空気の供給量）に応じて制御できる。

１．２ 具体的な構成例
図３は、回転アクチュエータ１００の構成例を示す図である。回転アクチュエータ１００は、伸縮性を有するチューブ１２０と、伸縮性を有しない糸状部材１２２を備える。チューブ１２０はたとえばシリコンチューブであり、その先端は閉じられており、伸縮バルーン１０２を形成する。シリコンチューブに代えてゴムチューブを用いてもよい。糸状部材１２２はたとえば繊維であり、チューブ１２０の表面に螺旋状に巻き付けられる。以上が回転アクチュエータ１００の構成例である。

１．３ 第１変形例
図４（ａ）、（ｂ）は、第１変形例に係る回転アクチュエータ１００Ａを示す図である。図４（ａ）に示すように回転アクチュエータ１００Ａは、伸縮バルーン１０２が湾曲した状態で拘束されている。たとえば図３の回転アクチュエータ１００を基本構成とする場合、チューブ１２０の内部に湾曲拘束部材１２４を設ければよい。図４（ｂ）には、図４（ａ）の回転アクチュエータ１００Ａを加圧したときの動作が示される。加圧することにより、チューブ１２０の湾曲を維持しつつ、その方向を回転することができる。

図５は、圧力と回転角の関係の測定結果を示す図である。測定に用いたサンプルには、内径１．６ｍｍ、外径２．６ｍｍ、長さ５０ｍｍのシリコンチューブ１２０を用いた。また糸状部材１２２としては、水糸を用いた。湾曲拘束部材１２４は、ビニールタイである。図５から明らかなように、回転アクチュエータ１００Ａによれば、可動範囲として３６０°以上の回転運動を実現できる。なお可動範囲は、糸状部材１２２のピッチ、傾きに応じて設計することができる。

１．４ 第２変形例
図６（ａ）、（ｂ）は、第２変形例に係る回転アクチュエータ１００Ｂを示す図である。図６（ａ）には、断面図および斜視図が示される。伸縮バルーン１０２は、軸方向（Ｚ方向）の伸びやすさが、周方向に関して不均一となるように構成される。たとえば断面図に示すように、伸縮バルーン１０２の断面の厚みは、周方向に不均一であってもよい。これにより、伸縮バルーンに、軸方向の伸びやすさに周方向の分布を持たせることができる。図３と同様に、回転アクチュエータ１００Ｂは、チューブ１２０と糸状部材１２２で形成してもよい。この場合、チューブ１２０の肉厚に不均一性を持たせればよい。たとえばチューブ１２０の中空部１２１を中心軸Ｚに対して偏心させてもよい。

図６（ｂ）には、加圧状態の回転アクチュエータ１００Ｂが示される。伸縮バルーン１０２（チューブ１２０）の内部を加圧すると、肉厚が薄い側が厚い側より軸方向に伸長しやすいため、伸縮バルーン１０２が伸展しながら湾曲し（図中、矢印Ａ）、それと同時に、上述した捩れの運動（図中、矢印Ｂ）が発生する。結果として、伸展・湾曲・回転（捩れ）が混在した動作が生成され、圧力に応じて、湾曲方向を制御することが可能となります。

なお、第２変形例に係る回転アクチュエータ１００Ｂにおいて、伸縮バルーン１０２に軸方向の伸びやすさの不均一性を導入する手段は限定されない。たとえば均一な伸びやすさを有するチューブ１２０に、糸状部材１２２とは別の拘束部材を貼り合わせて、不均一性を導入してもよい。具体的には、伸縮バルーン１０２の周囲に、軸方向に伸びやすさの異なる２つのシート状あるいはストリップ状の拘束部材を貼り付けてもよい。

あるいは、伸縮バルーン１０２を周方向に２つの領域に分割し、チューブ１２０を２つの領域に対応する２つの半チューブの貼り合わせで構成してもよい。そして２つの半チューブの材料や特性を異ならしめてもよい。

２． 移動体
２．１ 操舵アクチュエータ
続いて、回転アクチュエータ１００Ａあるいは１００Ｂの用途を説明する。回転アクチュエータ１００Ａ、１００Ｂの用途は限定されないが、一例として、管路内を推進する移動体の先端部に取り付けて、方向を選択する操舵アクチュエータとして利用できる。図７（ａ）は、回転アクチュエータ１００Ａを備える移動体３０を示す図である。なお、以降の説明において、回転アクチュエータ１００Ａを１００Ｂに置き換えてもよい。移動体１３０は、回転アクチュエータ１００Ａおよび推進部１を備える。回転アクチュエータ１００Ａは、移動体１３０の先端部分１３４に設けられ、操舵アクチュエータとして機能する。

図７（ｂ）は、管路１４０内における移動体１３０の方向操舵を説明する図である。管路１４０の内部には分岐１４２が存在する。分岐１４２の手前に移動体１３０が位置した状態で、回転アクチュエータ１００Ａを加圧し、進行したい枝１４４Ａの方向に回転アクチュエータ１００Ａを回転させる。その状態で、推進部１を駆動して推進力を発生すると、移動体１３０を枝１４４Ａの方向に推進させることができる。反対側の枝１４４Ｂ側に推進させたい場合、圧力を調節して、回転アクチュエータ１００Ａを破線で示すように分岐１４２Ｂの方向に回転させればよい。

このように、回転アクチュエータ１００Ａによれば、分岐の存在する管路において、所望の枝を選択して移動体１３０を推進させることができる。

なお、回転アクチュエータ１００Ａに代えて回転アクチュエータ１００Ｂを用いた場合、通常の進行動作中は、回転アクチュエータ１００Ｂは直線形状を保つことができる。したがって管路の壁面との抵抗の観点からは回転アクチュエータ１００Ｂの方が有利であり、また湾曲の角度を制御できる点でも回転アクチュエータ１００Ｂの方が有利であると言える。

２．２ 推進部
続いて、推進部１の構成例を説明する。操舵アクチュエータとして回転アクチュエータ１００Ａを利用する場合、推進部１も空気圧で駆動可能であることが望ましい。以下では、推進部１の好適な構成について説明する。

図８（ａ）は、実施の形態に係る推進部１の断面図であり、図８（ｂ）はその外観図である。推進部１は、柔軟な線状のアクチュエータであり、ミミズのように変形しながら推進する（蠕動運動）。推進部１は、伸縮部材１０およびインナーチューブ２０を備える。

伸縮部材１０は、内側からの加圧によって径方向に膨張し、軸方向に収縮する。このような性質を有する伸縮部材１０としては、マッキベン（McKibben）型の空気圧ゴム人工筋あるいはそれに類似する構造のチューブを用いることができる。またチューブの材料は特に限定されないが、たとえばシリコーンゴム製のものを用いることができる。

インナーチューブ２０は、その一端（先端ともいう）２２が閉じられている。インナーチューブ２０の他端（後端ともいう）２４には、圧力コントローラ２が接続され、後端２４の圧力（空気の流量および向き）が外部から制御可能となっている。たとえば圧力コントローラ２は、空気圧ポンプやコンプレッサと、圧力制御弁とを備えてもよい。

伸縮部材１０は、インナーチューブ２０の外側に軸方向に複数のチャンバー室４０＿１〜４０＿Ｎを形成する。チャンバー室４０＿１は最先端に、チャンバー室４０＿Ｎは最後端に位置する。図８にはＮ＝３が例示されるが、Ｎは任意である。

たとえば伸縮部材１０は管状であり、インナーチューブ２０は伸縮部材１０に挿入される。複数のチャンバー室４０＿１〜４０＿３それぞれの境界部分において、伸縮部材１０の内壁とインナーチューブ２０の外壁が密着している。たとえば推進部１は、伸縮部材１０を外部から径方向に押さえつける環状の拘束部材５０を備えてもよい。拘束部材５０は、糸、紐やゴム、金属線などを用いることができ、その材料は特に限定されない。あるいは、伸縮部材１０の内壁とインナーチューブ２０の外壁は、隣接するチャンバー室４０の境界において接着あるいは溶着されてもよい。

インナーチューブ２０は、チャンバー室４０＿ｉ（ｉ＝１，２，…Ｎ）ごとに少なくともひとつの開口２６＿ｉを有する。ここでは理解の容易化の説明の簡潔化のため、チャンバー室４０ごとに１個の開口２６が設けられている。インナーチューブ２０の内部の流路２１は、開口２６＿ｉを介して対応するチャンバー室４０＿ｉと連通している。

ｉ番目のチャンバー室４０＿ｉの軸方向の長さをＬ_ｉ、そのチャンバー室４０＿ｉに対応する少なくともひとつの開口２６＿ｉの総面積をＳ_ｉしたとき、複数のチャンバー室４０＿ｉそれぞれにおける比Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉが異なっている。好ましくは比Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉは、軸方向に単調に変化する。

以上が推進部１の構成である。続いてその動作を説明する。

（i） Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉ≧Ｓ_ｊ／Ｌ_ｊ （ｉ＜ｊ）
図９（ａ）〜（ｇ）は、図８の推進部１の動作を説明する図である。２つのチャンバー室４０＿ｉ，４０＿ｊ（ｉ＜ｊ）に関して、Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉ≧Ｓ_ｊ／Ｌ_ｊが成り立つものとする。推進部１は、管路１４０の内部を右方向に推進する。図９（ａ）は初期状態を示す。圧力コントローラ２によってインナーチューブ２０を加圧すると、インナーチューブ２０の開口２６を介してチャンバー室４０内に空気が流れ込む。インナーチューブ２０の内部の空気圧が一定であると仮定すると、各チャンバー室４０に流れ込む空気の流量は、そのチャンバー室４０に対応する開口２６の面積Ｓに比例する。チャンバー室４０の膨張速度は、その単位体積当たりの流量に比例する。伸縮部材１０の内径が均一であると仮定すれば、各チャンバー室の体積は、軸方向の長さＬに比例する。したがってチャンバー室４０＿ｉはそれぞれ、比Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉに応じた膨張速度で膨張する。

つまり、図９（ｂ）に示すように比Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉの大きな先端２２側のチャンバー室４０＿１が先に膨張する。膨張したチャンバー室４０＿１は管路１４０の内壁１４１と接触することにより、推進方向（軸方向）の位置が固定される。チャンバー室４０＿１が膨張すると、伸縮部材１０の性質により、チャンバー室４０＿１の長さが短くなり、後続のチャンバー室４０＿２、４０＿３が前方に引き寄せられる。さらに加圧を続けると、図９（ｃ）に示すように２番目のチャンバー室４０＿２が膨張し、その長さが短くなり、後続のチャンバー室４０＿３が前方に引き寄せられる。そして図９（ｄ）に示すようにすべてのチャンバー室４０＿１〜４０＿３が膨張した状態となる。

続いて圧力コントローラ２によって、インナーチューブ２０を減圧状態に切りかえられる。そうすると、図９（ｅ）に示すように比Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉの大きな先端２２側のチャンバー室４０＿１が先に収縮する。チャンバー室４０＿１が収縮すると、伸縮部材１０の性質により、チャンバー室４０＿１の長さが長くなり、チャンバー室４０＿１が軸方向に繰り出される。さらに減圧を続けると、図９（ｆ）に示すように２番目のチャンバー室４０＿２が収縮し、その長さが長くなり、チャンバー室４０＿１、４０＿２が軸方向に繰り出される。さらに減圧を続けると、図９（ｇ）に示すように３番目のチャンバー室４０＿３が収縮し、その長さが長くなり、チャンバー室４０＿１〜４０＿３が軸方向に繰り出される。圧力コントローラ２によって加圧、減圧を繰り返すことで、図９（ａ）〜（ｇ）の動作が繰り返され、推進部１は右方向つまり先端２２側に推進する。

なお、ここでは明確化のために、チャンバー室４０＿１〜４０＿３が順に膨張、収縮する様子を示しているが、実際には、チャンバー室４０＿１が膨張している間、チャンバー室４０＿２、４０＿３も膨張してもよく、反対にチャンバー室４０＿１が収縮している間、チャンバー室４０＿２、４０＿３も収縮してもよい。

（ii） Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉ≦Ｓ_ｊ／Ｌ_ｊ （ｉ＜ｊ）
図１０（ａ）〜（ｇ）は、別の推進部１の動作を説明する図である。ここではｉ＜ｊを満たす２つのチャンバー室４０＿ｉ、４０＿ｊに関して、Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉ≦Ｓ_ｊ／Ｌ_ｊが成り立っている。この場合、複数のチャンバー室４０が膨張、伸縮する順序が、図９（ａ）〜（ｇ）とは逆となる。これにより推進部１は、左方向つまり後端２４側に推進する。

以上が推進部１の動作である。この推進部１によれば、比Ｓ_ｉ／Ｌ_ｉに勾配を持たせることにより、インナーチューブ２０への１系統の圧力を制御するのみで、複数のチャンバー室４０＿１〜４０＿３を、順に膨張、収縮させることができ、これにより推進部１をミミズのように変形させて、推進力を発生させることができる。

また、図９、図１０で説明したように、勾配の方向に応じて、推進力の向きを設計することができる。さらに、開口２６の面積Ｓ、空間の長さＬにもとづいて、推進力や推進速度を設計することができる。さらに、推進部１では、複数のチャンバー室４０を１系統の空気圧源によって制御可能であり、従来の移動体に比べてコスト、サイズを大幅に削減できる。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、面積Ｓ_ｉと長さＬ_ｉの設計例を示す図である。図１１（ａ）では、長さＬ_１〜Ｌ_３は等しく、Ｓ_１＞Ｓ_２＞Ｓ_３が成り立っている。

図１１（ｂ）では、面積Ｓ_１〜Ｓ_３が等しく、Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３が成り立っている。図１１（ｃ）では、Ｓ_１＞Ｓ_２＞Ｓ_３かつＬ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３が成り立っている。進行方向を反対とする場合、不等号の向きを反対とすればよい。

図１２（ａ）〜（ｃ）は、Ｓ_１＞Ｓ_２＞Ｓ_３の場合の面積Ｓの設計例を示す図である。図１２（ａ）では、各チャンバー室４０に異なる面積の開口がひとつずつ設けられる。図１２（ｂ）では、同じサイズの開口が、異なる個数設けられている。図１２（ｃ）では、異なるサイズの開口が、異なる個数設けられている。あるいは後出の図１３（ａ）に示すように、異なるサイズの開口を、複数の同数個ずつ設けてもよい。

続いて、推進部１の具体的な製造方法の一例を説明する。図１３（ａ）〜（ｄ）は、推進部１の製造方法を示す図である。図１３（ａ）に示すように、インナーチューブ２０に、複数の開口２６＿１〜２６＿３が形成される。たとえば開口２６は、針状の器具を用いて形成してもよい。

図１３（ｂ）を参照して、伸縮部材１０の製造方法の一例を説明する。カーボンチューブ１２を回転させながらシリコン（たとえばEcoflex00-50：登録商標）１４を表面に塗布し、シリコンチューブを作製する。そしてシリコンチューブの表面に、糸１６をマッキベンのような網目構造となるように巻き付ける。そして糸１６にシリコン１４を染みこませて、減圧状態（負圧）とし、糸１６の上からシリコン１４をコーティングし、硬化させる。なお伸縮部材１０としては市販のマッキベン型人工筋ゴムを利用してもよい。

図１３（ｃ）に示すように、伸縮部材１０にインナーチューブ２０を挿入する。そして句６（ｄ）に示すように、複数のチャンバー室４０それぞれの境界において、伸縮部材１０がインナーチューブ２０と密着するように拘束部材５０を装着する。たとえば拘束部材５０は、ナイロン繊維やポリアミド系合成繊維、あるいは針金やピアノ線などの金属線であってもよい。

以上が推進部１の製造方法である。本発明者がこの製造方法によって製造した推進部１の試作品は、重量２．５ｇ、長さ１８．５ｃｍ、伸縮部材１０の内径２ｍｍ、外径４ｍｍであった。この試作品により、内径６ｍｍ〜８ｍｍの管路での推進を確認しており、移動速度として８ｍｍ／ｓｅｃ（５０ｃｍ／分）が得られており、能動カテーテルをはじめとする医療用途としても実用性が高いことを確認している。

なおこの試作品では、内径６ｍｍより狭い管路１４０では、伸縮部材１０が十分に膨張することができず、推進力の低下が見られた。言い換えれば、伸縮部材１０の径は、管路１４０の内径を考慮して最適化すればよい。

回転アクチュエータ１００Ａと推進部１を組み合わせることにより、空気圧制御のみで、推進と、方向操舵を制御することができる。

２．３ 空気圧系統の統合
回転アクチュエータ１００Ａと推進部１を単純に組み合わせただけでは、回転アクチュエータ１００の圧力制御系統と、推進部１の圧力制御系統の２系統が必要となる。これは、圧力コントローラ１１０から推進部１の間に、２本の空気圧チューブが設けられることになるため、推進部１３０の細径化の障害となる。以下では、１本の圧力系統により、回転アクチュエータ１００Ａと推進部１を制御可能な移動体１３０Ｂを説明する。

図１４は、移動体１３０Ｂを示す図である。この移動体１３０Ｂにおいて、回転アクチュエータ１００Ａの伸縮バルーン１０２には、推進部１のインナーチューブ２０を介して圧力が供給されるようになっている。すなわちインナーチューブ２０が、空気圧チューブ１０６を兼ねている。

インナーチューブ２０には、伸縮バルーン１０２に圧力を供給するための少なくともひとつの開口２８が設けられ、当該少なくともひとつの開口２８の総面積をＳ_０とするとき、Ｓ_０＜Ｓ_１，…，Ｓ_Ｎが成り立っている。Ｎ＝３の場合、Ｌ_１＝Ｌ_２＝Ｌ_３であるとき、Ｓ_０＜Ｓ_３＜Ｓ_２＜Ｓ_１が成り立っている。

以上が移動体１３０Ｂの構成である。続いてその動作を説明する。図１５は、回転アクチュエータ１００Ａの伸縮バルーン１０２の内部の圧力（i）と、推進部１の伸縮部材１０の内部の空気室の圧力（ii）の応答性を示す図である。図１５から分かるように、回転アクチュエータ１００Ａの流路面積Ｓ_０は最も小さいため、加圧した際の応答速度は最も遅くなる。具体的には伸縮バルーン１０２の応答速度は１秒程度、伸縮部材１０の応答速度の０．１秒程度であり、前者の方が１０倍程度大きい。

図９（ｂ）〜（ｇ）に示したように、インナーチューブ２０に供給される圧力はパルス状となる。通常の推進運動における、インナーチューブ２０の加圧時間は、伸縮バルーン１０２の応答時間より短く設定されており、したがって通常の推進運動に際しては、伸縮バルーン１０２には圧力変化が実質的に発生せず、回転アクチュエータ１００Ａは回転しない。

回転アクチュエータ１００Ａを回転させたい場合、インナーチューブ２０の加圧時間を長くする。これにより、伸縮バルーン１０２が加圧され、回転アクチュエータ１００Ａを回転させることができる。

図１６（ａ）〜（ｇ）は、図１４の移動体１３０Ｂの動作を説明する図である。図１６（ａ）〜（ｃ）は、図９（ｂ）〜（ｄ）に対応する。これらの状態では、回転アクチュエータ１００Ａにおいて圧力変化は発生していない。

図１６（ｃ）の状態からさらに加圧を持続すると、図１６（ｄ）に示すように、回転アクチュエータ１００Ａの伸縮バルーン１０２が加圧され、回転アクチュエータ１００Ａが回転する。回転アクチュエータ１００Ａが所望の角度まで回転すると、図１６（ｅ）に示すように、減圧状態に切り替えられる。図１６（ｅ）〜（ｇ）は、図９（ｅ）〜（ｇ）に対応する。減圧状態では、圧力変化は、チャンバー室４０＿１，４０＿２，４０＿３の順に発生し、回転アクチュエータ１００Ａの伸縮バルーン１０２の圧力変化はほとんど発生しない。したがって、回転アクチュエータ１００Ａの角度を保ったまま、推進部１を推進させることができる。

回転アクチュエータ１００Ａの向きを変えずに推進させたい場合、図１６（ｄ）の状態を経ずに、すなわち加圧状態の時間を短くして、図１６（ａ）〜（ｃ）、（ｅ）〜（ｇ）の状態を繰り返せばよい。

以上が移動体１３０の動作である。この移動体１３０によれば、回転アクチュエータ１００Ａと推進部１とを１系統の圧力制御によって制御することができる。

２．４ 推進部１の変形例
上述の推進部１は、膨張したチャンバー室４０が管路１４０の内壁１４１に接触する必要があるため、内径が大きな管路１４０を推進することができない。以下、内径の大きな管路を推進可能な推進部１Ａについて説明する。

図１７（ａ）は、変形例に係る推進部１Ａを示す図である。推進部１Ａは、図８の推進部１に加えて複数の拘束部材５２を備える。複数の拘束部材５２は、隣接するチャンバー室４０の境界に設けられる。具体的には拘束部材５２＿１と５２＿２は、周方向に実質的に１８０°ずれて配置されている。図１７（ｂ）には、拘束部材５２による拘束の様子が示される。加圧してチャンバー室４０＿２，４０＿３が膨張すると、それらの境界（関節）は、拘束部材５２と反対側に屈曲する。

続いて推進部１Ａの動作を説明する。図１８（ａ）〜（ｇ）は、図１７（ａ）の推進部１Ａの動作を示す図である。太い管路内において推進部１Ａを加圧し続けると、図１８（ｂ）〜（ｄ）に示すように第１関節、第２関節、第３関節が順に屈曲する。続いて減圧すると、図１８（ｅ）〜（ｇ）に示すように、第１関節、第２関節、第３関節の順に伸張する。この動作を繰り返すことにより、推進部１Ａを太い管路内で推進させることができる。

推進部１Ａは、細い管路の中では図９（ａ）〜（ｇ）に示したように蠕動運動で推進する。つまり推進部１Ａは、管路の径に応じて、蠕動運動と屈曲運動が受動的に切り替わるという利点を有する。

推進部１Ａと回転アクチュエータ１００Ａを組み合わせることにより、内径が一定でなく、かつ分岐が存在する管路内を、自在に推進可能な移動体を提供できる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、空気圧を利用する場合を説明したが、用途によっては、水圧や油圧などの流体圧を利用しうる。

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。

１…推進部、２…圧力コントローラ、１０…伸縮部材、１２…カーボンチューブ、１４…シリコン、２０…インナーチューブ、２１…流路、２２…先端、２４…後端、２６…開口、４０…チャンバー室、５０，５２…拘束部材、１４０…管路、１４２…分岐、１４４…枝、１００…回転アクチュエータ、１０２…伸縮バルーン、１０４…空気室、１０６…空気圧チューブ、１０８…螺旋、１１０…圧力コントローラ、１２０…チューブ、１２２…糸状部材、１２４…湾曲拘束部材、１３０…移動体。

Claims (13)

1. アクチュエータであって、加圧によって径方向および軸方向に膨張する伸縮バルーンを備え、前記伸縮バルーンは、螺旋に沿う方向に伸びにくく、径方向に膨張しにくく拘束され、かつ無加圧状態および加圧状態において湾曲した状態を維持するように拘束されており、湾曲した前記伸縮バルーンが加圧によって回動して前記アクチュエータの方向が変化することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記伸縮バルーンは、軸方向の伸びやすさが、周方向に関して不均一であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 先端が閉じられており、加圧によって径方向および軸方向に膨張するチューブと、
   前記チューブの表面に螺旋状に巻き付けられた糸状の部材と、
   前記チューブの内部に設けられ、前記チューブを湾曲した状態で拘束する湾曲拘束部材と、
   を備えることを特徴とするアクチュエータ。
4. 前記チューブは、軸方向の伸びやすさが、周方向に関して不均一であることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータが設けられた先端部分と、
   推進部と、
   を備えることを特徴とする管路内の移動体。
6. 前記推進部は、
   後端に外部から制御可能な圧力を受けるインナーチューブと、
   加圧によって径方向に膨張し、軸方向に収縮可能であり、前記インナーチューブの外側に軸方向に複数Ｎ個（Ｎ≧２）のチャンバー室を形成する伸縮部材と、
   を含み、
   前記インナーチューブは、前記チャンバー室ごとに少なくともひとつの開口を有し、
   ｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）のチャンバー室の軸方向の長さをＬ_ｉ、ｉ番目のチャンバー室に対応する少なくともひとつの開口の総面積をＳ_ｉとしたとき、チャンバー室ごとにＳ_ｉ／Ｌ_ｉが異なっていることを特徴とする請求項５に記載の移動体。
7. 前記伸縮バルーンには、前記インナーチューブを介して圧力が供給され、
   前記インナーチューブには、前記伸縮バルーンに圧力を供給するための少なくともひとつの開口が設けられ、当該少なくともひとつの開口の総面積をＳ_０とするとき、Ｓ_０＜Ｓ_１，…，Ｓ_Ｎが成り立つことを特徴とする請求項６に記載の移動体。
8. 前記推進部は、隣接するチャンバー室の境界に設けられた拘束部材をさらに含むことを特徴とする請求項６または７に記載の移動体。
9. 前記伸縮部材は管状であり、前記インナーチューブは前記伸縮部材に挿入されており、
   前記複数のチャンバー室それぞれの境界部分において、前記伸縮部材の内壁と前記インナーチューブの外壁が密着していることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の移動体。
10. 長さＬは先端ほど短く、面積Ｓは先端ほど大きいことを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の移動体。
11. 前記先端部分のアクチュエータの前記伸縮バルーンは、前記推進部の前記インナーチューブの先端に接続されており、
    前記インナーチューブの後端に対する１系統の圧力制御により、前記インナーチューブの加圧および減圧を繰り返すことにより前記推進部を制御して前記移動体を推進させることが可能であり、前記管路の分岐の手前において、前記インナーチューブを介して前記アクチュエータの前記伸縮バルーンの圧力を制御して、所望の枝の方向に前記アクチュエータを回動させることにより、当該枝を前記移動体が推進する方向とすることが可能であることを特徴とする請求項６に記載の移動体。
12. 管路内の移動体であって、
    後端に外部から制御可能な圧力を受けるインナーチューブを有し、前記インナーチューブの後端への加圧に応じて推進力を発生する推進部と、
    湾曲した形状を有したアクチュエータであって、前記インナーチューブの先端に接続されており、前記インナーチューブを介した加圧により前記アクチュエータが回動して前記アクチュエータの方向が変化するアクチュエータと、
    を備え、
    前記インナーチューブの後端に対する１系統の圧力制御により、前記インナーチューブの加圧および減圧を繰り返すことにより前記推進部に前記推進力を発生させて、前記移動体を推進させることが可能であり、前記管路の分岐の手前において、前記インナーチューブを介して前記アクチュエータへの前記加圧を制御して、所望の枝の方向に前記アクチュエータの方向を変化させることにより、当該枝を前記移動体が推進する方向とすることが可能であることを特徴とする移動体。
13. （i）前記インナーチューブの前記後端に対する加圧時間が短いときに前記アクチュエータの方向が変化せず、前記移動体を推進させることが可能であり、（ii）前記管路の分岐の手前で、前記加圧時間を長くすることで、加圧時間に応じて前記アクチュエータの方向が変化することにより、前記移動体が推進する枝の選択が可能であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の移動体。

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