JP7319629B2 - 自己伸展型推進装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体エネルギーにより、所定部分を伸展させながらその先端側を移動させる自己伸展型推進装置に関する。

日本国内には、約８８００種の維管束植物が存在するとされている。ところが、これらの生態調査は全てに対して完全に行われている訳ではなく、当該調査のためには、花や果実、葉の観察、採取が必要となるが、樹木の中には、それらを高所にしかつけないものも存在する。このような場合には、高所での樹木の観察や採取等の軽作業を行うための道具が必要となる。当該道具としては、例えば、特許文献１に示されるように、地上側からの操作によって伸縮自在となるパイプの先端にカメラ等を取り付けた高所移動装置が知られている。

また、建物の床下、天井裏等、建築構造物を破壊しなければ人間の立ち入りが困難となる狭い空間において、その周囲環境を調査、点検する際に、当該環境のモニタリングを可能にする無人の自律移動装置が必要となる。そこで、特許文献２では、床下、屋根裏等の作業困難な場所での調査や点検を行う作業ロボットが提案されている。

特開２００２－２２８０８８号公報 特開２００９－１２５８８９号公報

前記特許文献１の高所移動装置については、パイプの上下方向の移動しか許容されておらず、複雑に延びる枝等の障害物を避けながら高所にアクセス可能にするためには、複数のパイプを相対的に屈曲可能に接続する関節構造が更に必要となる。ところが、高所までアクセス可能にする程、その屈曲自由度を高めるために前記関節構造をより多くの部分に設ける必要があり、地上側から各関節部分を操作できるようにするには、複雑な機構等が必要になる。また、機構上の関節構造では、関節部位が固定されており、任意の部位での屈曲に制約が生じる。

前記特許文献２の作業ロボットにおいては、複数の車輪を使って地面を移動する構造が採用されており、当該車輪を動作させるための複雑な駆動機構が必要となるため、ロボット本体の小型軽量化の阻害要因となり、高所や狭い場所へのへのロボット本体の移動に制約が生じることになる。

本発明は、このような課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、簡易な構成により、複雑な作業環境にも対応可能となる自己伸展型推進装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、主として、流体エネルギーにより、所定部分を伸展させながらその先端側を移動させる自己伸展型推進装置において、前記流体エネルギーを有する流体を供給する流体供給部と、前記流体エネルギーによる推進力が作用する本体とを備え、前記本体は、前記流体供給部に繋がり、前記流体が通過する内部空間が形成されたチューブと、当該チューブの伸展により移動可能なヘッドとを備え、前記ヘッドは、前記流体供給部から前記チューブ内に供給される前記流体の流れを規制しながら前記チューブを支持する支持部と、前記チューブの一部分を加工する加工部とを備え、前記支持部は、前記流体供給部側となる上流側の前記内部空間に供給される前記流体の圧力により、前記チューブを前記上流側に引き出しながら、その反対方向に前記ヘッドを推進させる支持構造をなし、前記加工部では、前記内部空間を部分的に狭小させるように、前記チューブの内周面内の所定部分同士が接合されてなる接合部位を形成し、前記接合部位は、前記上流側に引き出されて前記内部空間に前記流体が供給されたときに、当該流体の圧力によって、前記チューブの一部分が屈曲可能となるように形成される、という構成を採っている。

本発明では、チューブ内に供給される流体の流れを規制しながらチューブを支持する支持部により、支持部より上流側におけるチューブ内の流体圧でチューブをその下流側から伸展させながらヘッドを移動させる。このため、ヘッドを移動する車輪等の複雑な駆動機構が不要となり、移動するヘッドを含む本体の装置構成を簡易且つ軽量にすることができる。また、チューブの一部分を加工する加工部では、ヘッドを移動させながら接合部位を任意に形成することが可能になる。このため、ヘッドの移動過程において、今後ヘッドが通過する場所での障害物の存在状況等に応じ、ヘッドの進行方向を変換するチューブの屈曲部位を任意に設定することができる。従って、本発明によれば、複雑な関節機構を設けることなく、障害物を避けるように伸びる植物の蔓のように、チューブを伸展させながら任意の場所で屈曲させるヘッドの移動が可能になる。しかも、カメラやセンサ等のモニタリング用の作業機器等をヘッドに搭載することで、人間のアクセスが困難であって障害物が不規則に点在するような複雑な作業環境にも対応可能となる。

本実施形態に係る自己伸展型推進装置の概略構成図である。 本体の概略斜視図である。 図３の概略断面側面図である。 ヘッドの概略斜視図である。 カバーを取り外した状態のヘッドの概略斜視図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、チューブに空気が供給されたときの各種動作を説明するための概念図である。 （Ａ）～（Ｃ）は、自己伸展型推進装置でのヘッドの移動を説明するための平面視における概念図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１には、本実施形態に係る自己伸展型推進装置の概略構成図が示されている。この図において、前記自己伸展型推進装置１０は、流体エネルギーにより所定部分を伸展させながらその先端側を移動させる構造となっており、当該流体エネルギーを有する流体を供給する流体供給部１１と、進行方向の前側となる先端側に位置し、流体エネルギーによる推進力が作用する本体１２とを備えている。

前記流体供給部１１は、流体として用いられる空気を圧縮して本体１２に供給するコンプレッサーからなる。なお、図示省略しているが、流体供給部１１には、本体１２への空気の流量を制御するバルブ等が取り付けられている。

前記本体１２は、図２及び図３に示されるように、流体供給部１１に繋がり、流体供給部１１からの空気が通過する内部空間が形成されたチューブ１４と、チューブ１４の伸展により移動可能なヘッド１５とを備えている。

本実施形態におけるチューブ１４は、特に限定されるものではないが、ポリエチレンとナイロンとの２層構造からなり、熱溶着可能なラミネートフィルムで形成されている。なお、チューブ１４としては、後述する部分加工が可能な限りにおいて、種々の材質からなるものを採用可能である。

前記ヘッド１５は、図２～図４に示されるように、左右一対のフレーム１７，１８と、内部空間の殆ど無いシート状としたチューブ１４が未伸展状態で保持されるチューブ保持部２０と、チューブ保持部２０の隣に設けられ、シート状のチューブ１４の一部分を加工する加工部２１と、加工部２１の隣に設けられ、シート状のチューブ１４を支持する支持部２２とを備えている。

前記チューブ保持部２０は、フレーム１７，１８に回転可能に取り付けられており、チューブ１４が外周面に多重に巻回されるローラからなる。ここで、チューブ１４は、内部空間の脱気によりその内周面が層状に密着してなるシート状でローラに巻回保持されており、シート状のまま加工部２１側に繰り出し可能となっている。

なお、チューブ保持部２０としては、シート状のチューブ１４を未伸展状態で保持可能である限り、前述の構成に限定されるものではなく、また、移動するヘッド１５と別配置することもできる。

前記加工部２１は、各フレーム１７，１８に固定されており、上側のカバー２４と、カバー２４の下側でチューブ１４を加熱する加熱部材２５とからなり、これらカバー２４及び加熱部材２５の間には、シート状のチューブ１４が図３中左右方向に摺動可能な状態で挟み込まれる。なお、カバー２４及び加熱部材２５にチューブ１４が当接する表面は、チューブ１４の幅方向に対し、ほぼ同一若しくは広いサイズの平面形状をなしている。

前記加熱部材２５は、図５に示されるように、表面にチューブ１４が当接するベース２７と、ベース２７の表面における左右両側の２箇所にそれぞれ配置されたニクロム線２８，２９とからなる。これらニクロム線２８，２９は、ヘッド１５と別に配置された図示しない電源から延びる電線に繋がっており、外部操作による通電によって発熱するようになっている。また、ニクロム線２８，２９は、ベース２７の左右方向の中央寄りを頂点とする向きの三角形状で左右対称に配置されており、それらが独立して通電可能になっている。従って、ニクロム線２８，２９の何れか一方が通電すると、通電したニクロム線２８，２９に接触するチューブ１４の部分が熱溶着される。つまり、ここでは、チューブ１４の内周面が相互に密着したシート状のまま、その平面視における外縁側領域の一部が熱溶着されることで、チューブ１４の内周面内の所定部分同士が接合されてなる接合部位が形成される。この接合部位となる熱溶着部分は、チューブ１４が拡がったときに、熱溶着部分の周囲の内部空間をその他の未加工部位よりも狭小させるように作用し、後述するチューブ１４の膨張過程でチューブ１４が屈曲する部位となる。なお、本実施形態の熱溶着部分では、加熱されたニクロム線２８，２９の形状に従ってチューブ１４の内周面同士が三角形の線状に熱溶着される。

なお、ニクロム線２８，２９の形状や配置は、本実施形態の態様に限定されるものではなく、本発明の実現に必要となる前述の作用を奏する限りにおいて、他の形状を採用し、及び／又は、ベース２７の表面上において、更に複数箇所に独立して加熱可能にすることも可能である。また、前述のベース２７での加熱構造に代えて、或いは、当該加熱構造とともに、カバー２４にニクロム線２８，２９を配置してチューブ１４を加熱可能な構造を採ることもできる。

前記支持部２２は、図２～図４等に示されるように、チューブ保持部２０から加工部２１を経たチューブ１４の上下両側を挟み込む一対のニップローラ３１，３２と、下側のニップローラ３２を回転させるモータ３３とを備えている。

前記各ニップローラ３１，３２は、各フレーム１７，１８の間でそれぞれ回転可能に掛け渡されるように配置され、モータ３３の駆動により、シート状のチューブ１４が、チューブ保持部２０からヘッド１５の外側に繰り出し可能に動作する。ニップローラ３１，３２からヘッド１５の外側に繰り出されたチューブ１４の内部空間には、流体供給部１１（図１参照）からの空気が供給されるようになっており、流体供給部１１からニップローラ３１，３２までの上流側では、チューブ１４が伸展しながら膨らんだ状態となる。一方、各ニップローラ３１，３２に挟まれたシート状のチューブ１４の部分は、上下両側からニップローラ３１，３２で押さえ付けられ、その部分で空気の流通が阻止される。このため、ニップローラ３１，３２からチューブ保持部２０までの下流側におけるチューブ１４の内部空間には、空気の侵入が規制され、チューブ１４がシート状に維持される。

前記自己伸展型推進装置１０の動作について、図６及び図７をも用いて以下に説明する。

流体供給部１１からチューブ１４の上流部分に空気Ａが供給されると、図６（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、ニップローラ３１，３２よりも上流側（同各図中下側）のチューブ１４が空気圧ｐにより膨らんだ状態となる。この際、ニップローラ３１，３２でその下流側の空気の流通が遮断されるため、前記上流側で膨らんだチューブ１４の内周面に作用する空気圧ｐにより、下流側のヘッド１５に推進力が付加される。この推進力とニップローラ３１，３２の回転により、図７（Ａ）の矢印方向に、チューブ保持部２０からニップローラ３１，３２にチューブ１４が向かって引き出され、同図（Ｂ）に示されるように、チューブ１４の前記上流側における伸展部分の長さを増大させながら、チューブ保持部２０側を先端側として、チューブ１４の引き出し方向と反対方向にヘッド１５が前進することになる。つまり、上流側のチューブ１４の内部空間への空気の供給により、チューブ保持部２０のチューブ１４が、加工部２１、支持部２２の順に通過するように繰り出されながら伸展する。

この際、モータ３３（図４等参照）の駆動により、ニップローラ３１、３２が、ヘッド１５の外側にチューブ１４を繰り出せるように強制的に回転させられるが、前記推進力及びニップローラ３１、３２に対するチューブ１４の接触摩擦力等の調整により、モータ３３を省略し、同繰り出し方向に受動的に回転可能な構造にすることもできる。

そして、今後、ヘッド１５を通過させる場所で、障害物等の存在により、ヘッド１５の移動方向を変えたい場合には、当該方向変換に必要となるチューブ１４の屈曲方向に対応する部分のニクロム線２８、２９を発熱させる。すると、ニクロム線２８、２９に当接するシート状のチューブ１４の部分が熱溶着加工され、当該部分に三角形状の熱溶着部分Ｈ（図６（Ａ）参照）が形成される。当該熱溶着部分Ｈにおけるチューブ１４の内部空間が、他の部分より空気の通過流量が減少する狭小部位となる。そして、当該熱溶着部分Ｈが形成されたチューブ１４の部分が、ニップローラ３１，３２からヘッド１５の外側に繰り出されて流体供給部１１からの空気圧ｐにより膨張したときに、図６（Ｃ）に示されるように、三角形の熱溶着部分Ｈが折り畳まれた状態で熱溶着部分Ｈの外方にチューブ１４が屈曲する。その状態で前述の推進力が作用することにより、図７（Ｃ）に示されるように、チューブ１４を伸展させながら、その屈曲方向にヘッド１５が方向転換して前進することになる。

以上の実施形態によれば、チューブ１４に供給される空気圧によって、チューブ１４を伸展しながらヘッド１５を直進させることができる。加えて、チューブ１４を部分的に熱溶着することにより、伸展状態のチューブ１４が膨らんだときに、その平面視における左右両側の長さが非対称となり、ヘッド１５の移動時に伸展するチューブ１４の任意の部位を任意の方向に屈曲させることができる。また、本実施形態では、作動流体として空気を使っているため、本体１２の構造を簡単且つ軽量にすることができ、より広範なヘッド１５の移動が可能となる。つまり、本体１２は、チューブ１４の長さ分、植物の蔓のように鉛直方向に移動し、或いは、地面に沿って移動することが可能となり、ヘッド１５にカメラやセンサ等の機器を取り付けることで、人間がアクセスし難い場所のモニタリング等への利用が可能となる。

なお、前記実施形態では、作動流体として圧縮空気を用いているが、本発明はこれに限らず、他の気体や液体等を利用することもできる。

また、前記加工部２１としては、チューブ１４の一部分にその内部空間を部分的に狭小させ、流体の供給によって屈曲可能となる接合部位を形成するとともに、当該接合部位の形状を経時的に維持できるように、チューブ１４の任意の部位を固定的に加工できる限りにおいて、種々の態様を採用することができる。つまり、加工部２１としては、チューブ１４が膨らんだときに前述の屈曲変形が可能となるように、チューブ１４の一部分を接合できる限りにおいて、接着剤の塗布による接着加工や針等による係止加工等を含め、種々の構造のものを採ることができる。

更に、前記実施形態において、加工部２１は、支持部２２でのチューブ１４の支持部位（接触部位）よりも、供給される流体の下流側に配置されているが、本発明はこれに限らず、加工部２１にて接合部位を形成可能な限り、例えば、加工部２１と支持部２２を一体的に配置する等、種々の配置態様を採用することができる。

また、支持部２２としては、前述のように、流体供給部１１側となる前記上流側のチューブ１４内に供給される流体圧により、前記下流側に位置するチューブ１４を前記上流側に引き出しながら、その反対方向にヘッド１５を推進させる支持構造であれば、前述の構成に限定されるものではない。例えば、支持部２２において、前述のようにチューブ１４の支持部位を通過する際の流体の流れを遮断する態様の他に、当該流体の流れを一部許容する態様であっても良い。つまり、本発明においては、支持部２２を挟む流体の上流側と下流側との間で、チューブ１４を通過する流体に流れ抵抗を付与し、前記上流側と前記下流側への流体の流れを規制可能な構造であれば、ニップローラ３１、３２を必ずしも利用しなくても良い。

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。

１０ 自己伸展型推進装置
１１ 流体供給部
１２ 本体
１４ チューブ
１５ ヘッド
２０ チューブ保持部
２１ 加工部
２２ 支持部
Ａ 空気（流体）
Ｈ 熱溶着部分（接合部位）

Claims (4)

1. 流体エネルギーにより、所定部分を伸展させながらその先端側を移動させる自己伸展型推進装置において、
   前記流体エネルギーを有する流体を供給する流体供給部と、前記流体エネルギーによる推進力が作用する本体とを備え、
   前記本体は、前記流体供給部に繋がり、前記流体が通過する内部空間が形成されたチューブと、当該チューブの伸展により移動可能なヘッドとを備え、
   前記ヘッドは、前記流体供給部から前記チューブ内に供給される前記流体の流れを規制しながら前記チューブを支持する支持部と、前記チューブの一部分を加工する加工部とを備え、
   前記支持部は、前記流体供給部側となる上流側の前記内部空間に供給される前記流体の圧力により、前記チューブを前記上流側に引き出しながら、当該チューブの引き出し方向と反対方向に前記ヘッドを推進させる支持構造をなし、
   前記加工部では、前記内部空間を部分的に狭小させ、他の未加工部位よりも前記流体の通過流量が減少するように、前記チューブの内周面内の所定部分同士が接合されてなる接合部位を形成し、
   前記接合部位は、前記上流側に引き出されて前記内部空間に前記流体が供給されたときに、当該流体の圧力によって、前記チューブが前記接合部位の外方に屈曲可能となるように形成されることを特徴とする自己伸展型推進装置。
2. 前記加工部では、前記チューブを所定の形状に熱溶着することにより、前記接合部位が形成されることを特徴とする請求項１記載の自己伸展型推進装置。
3. 前記加工部では、前記チューブを前記内部空間が殆ど無いシート状とした状態で、その平面視での外縁側領域を熱溶着することを特徴とする請求項２記載の自己伸展型推進装置。
4. 前記ヘッドは、前記内部空間の殆ど無いシート状とした前記チューブが未伸展状態で保持されるチューブ保持部を更に備えるとともに、前記上流側の前記内部空間への前記流体の供給により、前記チューブ保持部の前記チューブが、前記加工部、前記支持部の順に通過するように繰り出されながら伸展する構造をなすことを特徴とする請求項１記載の自己伸展型推進装置。

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