JP7016520B2 - アクチュエータ及び自走式ロボット - Google Patents
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本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、蠕動運動に基づいて移動する自走式ロボットの移動速度を向上可能なアクチュエータ及び自走式ロボットを提供することを目的とする。
本構成によれば、閉空間に流体を供給して外筒を膨張させたときに、外筒が規制手段を備えることにより、外筒は規制手段により区画された区間毎に径方向に膨張することになるため、外筒を一体的に膨張させたときに比べての軸方向への収縮量を大きくすることができる。そこで、例えば、このアクチュエータを自走式ロボットに適用することで移動速度を向上させることができる。また、外筒は、前記規制手段により区画された区間毎に、前記閉空間への流体の供給により軸方向への伸張を拘束する軸方向拘束手段を備えるので、伸長時や収縮時に曲がり易くできる。
また、アクチュエータの他の構成として、外筒は、前記区間を跨いで前記軸方向拘束手段の各端部に重複し、径方向への膨張を拘束する周方向拘束手段をさらに備えることで、曲がり易さを維持しつつ収縮効率の低下を防ぐことができる。
また、アクチュエータの他の構成として、規制手段は、閉空間を軸方向に均等に区画する位置に設けられたので、規制手段により区画された各区間が同期するように径方向に膨張するため、アクチュエータを一度に軸方向に収縮させることができる。
また、アクチュエータの他の構成として、規制手段は、閉空間の一端側の軸方向長さが最も長尺となるように、閉空間を軸方向に不均等に区画する位置に設けられたので、軸方向に収縮させるタイミングを変化させることができる。
なお、外筒は、一端側から他端側に延長し、閉空間への流体の供給により軸方向への伸張を拘束する軸方向拘束手段を備えても良い。これにより、アクチュエータの軸方向の収縮量を最大化できる。
また、自走式ロボットの構成として、請求項1乃至請求項4いずれかに記載されたアクチュエータを備えた自走式ロボットであって、進行方向前側に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張して走行面との間に摩擦を生じさせて走行面を把持する前側把持部と、前側把持部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張し、膨張時の走行面に対する摩擦が、前側把持部の膨張により生じる摩擦よりも小さい推進部と、推進部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張して走行面との間に摩擦を生じさせて走行面を把持する後側把持部とを備え、アクチュエータが推進部を構成するので、移動速度を向上させることができる。
また、自走式ロボットの他の構成として、請求項4に記載されたアクチュエータを備えた自走式ロボットであって、進行方向前側に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張して走行面との間に摩擦を生じさせて走行面を把持する前側把持部と、前側把持部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張し、膨張時の前記走行面に対する摩擦が、前側把持部の膨張により生じる摩擦よりも小さい推進部と、推進部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張して走行面との間で摩擦を生じさせて前記走行面を把持する後側把持部とを備え、アクチュエータの長尺の区間部分が前側把持部、他の部分が推進部を構成するようにしたので、移動速度を向上させることができるとともに、一つの閉空間に流体を供給することで、一つのアクチュエータに複数の機能を持たせることができる。
走行部10は、走行面との間に摩擦を生じさせ、走行面Zを把持する把持部として機能する把持ユニット20と、推進力を生みだす推進部として機能する推進ユニット40とを主たる構成として備える。以下の説明では、矢印X1に沿う方向を自走式ロボット1の進行方向とし、この進行方向に沿って前側、逆を後側としてその前後方向を特定する。また、同図に示すZは、管を示し、走行部10は、管Zの内壁面を走行面として移動する。
端部部材23;24は、例えば樹脂や硬質のゴム、金属等により構成された円環体であって、それぞれ外周に、内筒21を固定する内筒固定部28と、弾性膨張体22を固定する膨張体固定部29とを備える。
内筒固定部28は、一方の端面から他端側に向けて軸方向に窪み形成され、外形寸法が内筒21の内周を挿入可能に他端側よりも小径に設定される。
膨張体固定部29は、内筒固定部28と他端面側との間において端部部材23の外周を円周方向に沿って一周に亘り連続して窪む環状溝として形成される。
一方の端部部材23に設けられる連結手段33は、内筒固定部28が形成された軸方向と逆側の他端側の内周に設けられる。連結手段33は、例えば、端部部材23の内周面を円周方向に沿って所定長さ円弧状に延在するように突設される複数の係合片33Aにより構成される。
また、他方の端部部材24の連結手段34は、内筒固定部28が形成された軸方向と逆側の他端側の外周に設けられる。連結手段34は、端部部材24の外周面を円周方向に沿って窪む外周溝34Aと、円周方向に沿って所定間隔を空けて端面から外周溝34Aに到達する円弧状の複数の切欠き34Bとにより構成される。
したがって、端部部材23及び端部部材24は、端部部材23の係合片33Aを、端部部材24の切欠き34Bに挿入し、外周溝34Aに沿って回転させることにより、互いに連結可能に構成される。
これにより、把持ユニット20には、内筒21の外周面と端部部材23の外周面、及び弾性膨張体22の内周面によって囲まれた密閉空間としての空気室S20が形成される。
また、把持ユニット20を伸長させるときには、流入口14aからの圧縮空気の流入を遮断するとともに、給排口14b及び排出口14cとを開放し、空気室S20と内筒21の内部空間とを連通させることで空気室S20の空気を内筒21の内部空間に排出させる。本実施例では、この状態を切替弁14の閉鎖という。
空気室S20からの空気の排出は、弾性膨張体22の張力(復元力)が駆動源となって空気室S20から内筒21内への空気の排出が促される。即ち、把持ユニット20は、空気室S20内に圧縮空気が供給された場合、繊維22Bが弾性膨張体22の軸方向への膨張を規制する一方で、径方向への膨張を許容するため、結果として図4で示すように、把持ユニット20全体が軸方向へ収縮動作することとなる。一方で、空気室S20内に供給された圧縮空気を排出すれば、把持ユニット20全体が軸方向へ伸長動作することとなる。
端部部材23;24は、推進ユニット40の外径が、伸長時の把持ユニット20の外径d20と同一径、また把持ユニット20との接続を可能とするため、上述の把持ユニット20と同一構成のものを適用した。よって、端部部材23;24の説明については省略する。
これにより、推進ユニット40には、内筒41の外周面と端部部材23の外周面、及び弾性膨張体42の内周面によって囲まれた密閉空間としての空気室S40が形成される。
なお、軸方向拘束手段の他の形態として、例えば、上述の繊維42Bを用いて一方向にのみ伸縮を許容する網を形成し、この網の伸縮を許容する方向が軸方向に沿うように筒状に形成したものを用いても良い。この場合、弾性膨張体42の内部に繊維42Bを軸線に沿って延長するように設けずに、(弾性体のみで形成した)筒本体42Aの外周を筒状の網で覆うようにしても良い。
また、筒本体42Aの素材は、後述する空気室S40への圧縮空気の給排によってその形状が変化し得る材質であれば如何なる材質であっても良い。また、その厚さや繊維42Bの配置については、弾性膨張体22の空気排出時の伸長する力等を考慮して決められる。
規制部42Cは、弾性膨張体42の外周を取り巻くように、例えば、上述の繊維42Bと同様な素材の繊維を巻き付けて形成される。即ち、弾性膨張体42は、節を有する。これにより、弾性膨張体42は、規制部42Cが設けられた箇所の半径方向への膨張が規制され、図7に示すように、複数の膨張部分が形成される。
なお、規制部42Cは、繊維を巻き付ける他に、筒本体42Aと同一の素材により、肉厚となるように形成しても良い。
また、規制部42Cは、金属や非金属からなるリングを規制部材として別途作成しておき、このリングに弾性膨張体42を挿通して構成しても良い。このように規制部42Cを弾性膨張体42に設ける場合には、例えば、推進ユニット40の駆動時には弾性膨張体42に対して不動であり、非駆動時には人手によって軸方向に位置を可変とすると良い。これにより、規制部42Cの配置される数量や、規制部42Cにより複数に区画される空気室S40の区間長さを自由に設定できる。
また、推進ユニット40を伸長させるときには、流入口15aからの圧縮空気の流入を遮断するとともに、給排口15b及び排出口15cとを開放し、空気室S40と内筒41の内部空間とを連通させることで空気室S40の空気を内筒41の内部空間に排出させる。本実施例では、この状態を切替弁15の閉鎖という。
なお、空気室S40からの空気の排出は、弾性膨張体42の張力(復元力)及び空気室S40と外部との間に生じる気圧差が駆動源となって空気室S40から内筒41内に空気の排出が促される。即ち、推進ユニット40は、空気室S40内に圧縮空気が供給された場合、繊維42Bが弾性膨張体42の軸方向への膨張を規制する一方で、径方向への膨張を許容するため、結果として図7で示すように、推進ユニット40全体が軸方向へ収縮動作することとなる。一方で、空気室S40内に供給された圧縮空気を排出すれば、推進ユニット40全体が軸方向へ伸長動作することとなる。
推進ユニット40に設定される収縮時の外径D40は、把持ユニット20の収縮時の外径D20よりも小さく設定することにより、軸方向への収縮時に弾性膨張体42が管内壁と接触しない、或いは接触したとしても管内壁と摩擦が生じないかほとんど摩擦が生じないため、推進ユニット40を効率良く軸方向に収縮させることができる。
また、推進ユニット40に設定される収縮時の外径D40が把持ユニット20の収縮時の外径D20と等しいか、或いは略等しい場合には、弾性膨張体42の表面に例えば、テフロン(登録商標)等の低摩擦部材を配設しておき、推進ユニット40を軸方向に収縮させたときに、低摩擦部材を介して管内壁に接する弾性膨張体42と管内壁との摩擦(力)が、把持ユニット20の弾性膨張体22が管内壁に達したときに生じる摩擦(力)よりも小さくなるように構成すれば良い。したがって、規制部42Cは、必ずしも推進ユニット40の軸方向に均等に区画する位置に限定されず、各規制部42Cによって区画される長さが異なり、区間毎の膨張時(軸方向に収縮時)の外径が異なっていても良い。
チューブ64及びチューブ65は、空気供給手段16から走行部10まで延長する空気供給管16C内を流通する圧縮空気を、分岐管61A~61Dにより分岐させて各把持ユニット20A~20Cの切替弁14及び推進ユニット40A;40Bの切替弁15にそれぞれ供給する。各分岐管61A~61Dは、図1に示すように、流入した空気を二股に分岐させるY字状の二股分岐管からなり、空気供給手段16から走行部10に到達する空気供給管16Cの端部に、圧縮空気の流路を二股に分岐する分岐管61Aが取り付けられる。この分岐管61Aには、最後尾の把持ユニット20Cの切替弁14に接続されるチューブ64と、把持ユニット20A;20B及び推進ユニット40A;40Bへ供給する空気の流路となるチューブ65とが接続される。
なお、上述のチューブ64及びチューブ65が、走行部10の内部に延在することは言うまでもない。また、各チューブ64及び各チューブ65の長さは、把持ユニット20A~20Cの伸縮動作及び推進ユニット40A;40Bの伸縮動作を考慮して設定される。好ましくは、把持ユニット20A~20D及び推進ユニット40A;40Bの伸縮動作を妨げないように可能な限り長さが短くなるように設定すると良い。
したがって、空気供給手段16から走行部10までの距離が長くなっても、常時コンプレッサ16Aで加圧された圧縮空気をロス無く供給させるので、走行部10の進行速度の低下を防止できる。なお、複数のチューブ64や複数のチューブ65及び分岐管61A~61Dにより形成される流路は、一体に形成することも可能である。
制御部17Aは、演算処理手段としてのCPU、RAM,ROMなどの記憶手段、入出力ポート等の入出力手段などのハードウェアを備えるコンピュータであって、ROMに記憶させたプログラムをCPUで演算処理することでプログラムに書かれた制御信号を図示しない出力ポートから把持ユニット20A~20Cの切替弁14A~14C及び推進ユニット40A;40Bの切替弁15A;15Bに個別に出力することにより、管Z内において走行部10を進行させるための駆動力を制御する。
収縮信号s1とは、切替弁14A~14Cに供給された圧縮空気を最大の圧力で空気室S20に供給するように切替弁14A~14Cを制御する信号であって、本実施例では、切替弁14A~14Cの許容する最大の圧力で圧縮空気を空気室S20に供給するように切替弁14A~14Cを制御する信号である。
また、収縮維持信号s2とは、切替弁14A~14Cの許容する最大の圧力よりも低い圧力で空気室S20に空気を供給するように切替弁14A~14Cを制御する信号である。
また、伸長信号s3とは、収縮信号s1、収縮維持信号s2に対する便宜上の信号であって、切替弁14A~14Cに出力されている収縮信号s1や収縮維持信号s2を停止させる信号であり、実質的には出力されない信号である。
収縮信号s5とは、切替弁15A;15Bに供給された圧縮空気を最大の圧力で空気室S40に供給するように切替弁15A;15Bを制御する信号であって、本実施例では、切替弁15A;15Bの許容する最大の圧力で圧縮空気を空気室S40に供給するように切替弁15A;15Bを制御する信号である。
また、収縮維持信号s6とは、切替弁15A;15Bの許容する最大の圧力よりも低い圧力で空気室S40に空気を供給するように切替弁15A;15Bを制御する信号である。
また、伸長信号s7とは、収縮信号s5、収縮維持信号s6に対する便宜上の信号であって、切替弁15A;15Bに出力されている収縮信号や収縮維持信号を停止させる信号であり、実質的には出力されない信号である。
このように、電気的に弁の開閉が可能となる切替弁14A~14C及び切替弁15A;15BをPWM制御で周期的に開閉させることにより、切替弁の小型が可能となり、把持ユニット20及び推進ユニット40内に収めることが可能となる。
なお、切替弁14A~14C及び切替弁15A;15Bの制御は、PWM制御に限らず、その他の制御方法でも良く、空気室S20及び空気室S40への空気の供給圧力を時間的に変える制御が可能であればさらによい。
以下、進行パターンによる走行部10の進行動作について詳述する。
図8(a)は、走行部10の初期状態を示し、例えば、管Z内に走行部10を配置した状態を示している。このとき、走行部10を構成する把持ユニット20A~20C及び推進ユニット40A;40Bの全てが伸長状態にある。
以上説明したように、本実施形態に係る走行部10は、進行方向側に位置する把持ユニット20Aを収縮させて把持ユニット20Aを管Zに固定し、これに連結された推進ユニット40Aを収縮させて後方の把持ユニット20B;20C及び推進ユニット40Bを前方に引くように移動させ、前方に移動した把持ユニット20Bを収縮させて管Zに固定し、把持ユニット20Bよりも前方の把持ユニット20A及び推進ユニット40Aを伸長させるとともに、後方の推進ユニット40Bを収縮させて、後方の把持ユニット20Cを引くように移動させて、最後尾の把持ユニット20Cを収縮させて把持ユニット20Cを管Zに固定し、前方の把持ユニット20B及び推進ユニット40Bを伸長させて移動することにより、常に、把持ユニット20A;20Bや推進ユニット40A;40Bの収縮により後端が前方に移動するとともに、収縮後の把持ユニット20A;20Bや推進ユニット40A;40Bの伸張によって先頭の把持ユニット20Aが前方へと押されて移動するので、従来に比べて移動速度を向上させることができる。
また、推進ユニット40の推進力が圧縮空気の供給により収縮する力によって生じるため、推進ユニット40よりも後方に連結された把持ユニット20や推進ユニット40を圧縮空気の力によって進行方向前方に移動させることができるので、進行パターンの実行時の効率が良くなり、その結果として移動速度の向上が可能となる。
上述の推進ユニット40は、空気室S40への圧縮空気の供給により径方向に膨張させて軸方向に収縮させるための繊維42Bを端部部材23;24間に延長するように内挿したが、例えば、規制部42Cにより区画される区間毎に繊維42Bが延長するように弾性膨張体42に内挿しても良い。即ち、弾性膨張体42の軸方向に延長する繊維42Bを規制部42Cが設けられた位置において不連続となるように、区間毎に設けるようにする。これにより、推進ユニット40は、曲がり管等の屈曲部を進行するときに、収縮状態や伸長状態に関わらず屈曲部に沿って曲がり易くなり進行速度の低下を防ぐことができる。
より好ましくは、繊維42Eを巻き回す際に、繊維42Bに重複する位置では、密度を高く、繊維42Bに重複しない位置では、密度が低くなるように繊維42Eを軸方向に分布させることで、曲がり易さの低下を防ぐことができる。
また、この場合、弾性膨張体42の両端まで連続する繊維(軸方向拘束手段)を一部に含ませるようにすることで、推進ユニット40の収縮動作をより安定させることができる。
また、上記推進ユニット40の構成を把持ユニット20に適用しても良い。即ち、走行面との摩擦を生じさせる把持ユニット20にも、推進力を生じさせる推進ユニット40と同様に弾性膨張体(外筒)21の一体的な膨張を規制する規制部(規制手段)を設けても良い。この場合、把持ユニット20が軸方向に収縮したときの走行面に対する摩擦が、推進ユニット40を軸方向に収縮させたときの摩擦よりも大きくなるように構成することは言うまでもない。
上記実施形態では、走行面との摩擦を生じさせる把持ユニット20と、推進力を生じさせる推進ユニット40とを個別に形成したが、把持ユニット20と推進ユニット40とを一体化させることができる。
本実施形態に係る推進ユニット40の構成は、推進ユニット40とほぼ同一であり、推進ユニット40よりも軸方向の自然状態における長さが長く設定され、規制部42Cの位置が異なる点で相違する。推進ユニット40の長さは、空気室S40の軸方向長さが、把持ユニット20の長さL20と、推進ユニット40の区間長さm40の2つ分の長さとを加えた長さを有するように設定される。また、規制部42Cは、空気室S40の一端側の長さが把持ユニット20の軸方向長さL20となる位置と、残りを2分する位置とに設けられる。ここで、区間長さL20は、区間長さm40よりも長尺に設定される。
したがって、図10に示す走行部10は、上述のように、推進ユニット40の空気室S40に低圧の圧縮空気を供給し、規制部42Cにより先端側に区画された長さL20の区間が管Zの内壁に到達するまで軸方向に収縮させた後、さらに空気室S40に高圧の圧縮空気を供給して、後方の部分を軸方向に収縮させる。次に、推進ユニット40の収縮状態を維持したまま、把持ユニット20の空気室S20に圧縮空気を供給して弾性膨張体22が管Zの内壁に到達するまで軸方向に収縮させる。次に、把持ユニット20の収縮状態を維持したまま、推進ユニット40を空気室S40から圧縮空気を排出して伸長させる。これらの行程を繰り返すことにより、走行部10は、尺取り虫のように前進する。
連結手段80は、把持ユニット20や推進ユニット40に取り付けられる一対の取付体81と、取付体81同士を結合する結合体82とを備える。取付体81は、筒状の基部81Aの一側側において互いに対向するように突設された突片81B;81Bを備える。結合体82は、取付体81の突片81B;81Bの内側に配設可能な外径を有する環状部材からなる。結合体82には、各取付体81の突片81B;81Bが互いに対向し、かつ90°捩れる位置に配置されるように取り付けられる。取付体81;81は、結合体82に、結合体82の肉厚方向、及び突片81Bの肉厚方向に貫通する軸部材83により、互いに軸部材83の軸線を中心に回転可能に構成される。
取付体81の基部81Aの内径や外径を把持ユニット20や推進ユニット40の端部部材23;24の外径や内径に対応させることにより、把持ユニット20や推進ユニット40を連結することができる。
上述のように、取付体81及び結合体82を環状にすることにより、把持ユニット20や推進ユニット40等を連結したときに、把持ユニット20の内筒21や推進ユニット40の内筒41の内側の空間を一続きにする空間を維持できるので、チューブ64;65や配線12の挿通を妨げることがない。
切替弁14;15を外部に纏めることにより、切替弁14;15として用いられる電磁弁のサイズの制限がなくなるので大型のものを用いることができ、空気圧応答を向上させることができる。また、切替弁14;15が露出するので故障の際に修理しやすくなる。特に、走行部10に追従させる場合には、切替弁14;15の防水、防塵加工が容易になる。
また、上記構成の推進ユニット40は、軸方向に駆動力を発揮するアクチュエータとして動作させることができる。
15;15A;15B 切替弁、16 空気供給手段、17 制御手段、
20;20A~20C 把持ユニット、40 推進ユニット、
22B;42B 繊維、42C 規制部、Z 管。
Claims (6)
- 外筒と、前記外筒の内側に設けられた内筒と、前記外筒及び前記内筒の軸方向各端部に設けられ、前記外筒の内周及び前記内筒の外周とともに閉空間を形成する端部部材と、を備え、前記閉空間に流体を供給することにより軸方向に収縮するとともに径方向に膨張するアクチュエータであって、
前記外筒は、前記流体の供給による前記収縮時に前記径方向への一体的な膨張を規制する規制手段と、前記規制手段により区画された区間毎に、前記閉空間への流体の供給により軸方向への伸張を拘束する軸方向拘束手段とを備えたことを特徴とするアクチュエータ。 - 前記外筒は、前記区間を跨いで前記軸方向拘束手段の各端部に重複し、径方向への膨張を拘束する周方向拘束手段をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記規制手段は、前記閉空間を軸方向に均等に区画する位置に設けられたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記規制手段は、前記閉空間の一端側の軸方向長さが最も長尺となるように、前記閉空間を軸方向に不均等に区画する位置に設けられたことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記請求項1乃至請求項4いずれかに記載されたアクチュエータを備えた自走式ロボットであって、
進行方向前側に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張して走行面との間に摩擦を生じさせて前記走行面を把持する前側把持部と、
前記前側把持部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張し、前記膨張時の前記走行面に対する摩擦が、前記前側把持部の前記膨張により生じる前記摩擦よりも小さい推進部と、
前記推進部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張して走行面との間に摩擦を生じさせて前記走行面を把持する後側把持部と、を備え、
前記アクチュエータが前記推進部を構成することを特徴とする自走式ロボット。 - 前記請求項4に記載されたアクチュエータを備えた自走式ロボットであって、
進行方向前側に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に膨張して走行面との間に摩擦を生じさせて前記走行面を把持する前側把持部と、
前記前側把持部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方
向に膨張し、前記膨張時の前記走行面に対する摩擦が、前記前側把持部の前記膨張により
生じる前記摩擦よりも小さい推進部と、
前記推進部よりも後方に設けられ、流体の供給により軸方向に収縮するとともに径方向に
膨張して走行面との間で摩擦を生じさせて前記走行面を把持する後側把持部と、を備え、
前記アクチュエータの前記長尺の区間部分が前記前側把持部、他の部分が推進部を構成す
ることを特徴とする自走式ロボット。
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