(57)【要約】      （修正有）【課題】軽量且つ単純な機構を有し、水中を移動可能な潜水体を提供する。【解決手段】水中を移動可能な潜水体１が、本体部材２と、本体部材２が前方に向かう推進力を発生させる少なくとも３つのスラスタ３であって該スラスタ３の各々が本体部材２に対して一方向にのみ推進力を発生させるように本体部材２に固定されたスラスタ３と、本体部材２後部の牽引点に連結される紐状部材４と、を具備する。スラスタの推進力によって紐状部材を張った状態に保ちながら、各スラスタの推進力の大きさを独立して制御する。【選択図】図１
2014058177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中を移動可能な潜水体であって、
本体部材と、
該本体部材が前方に向かう推進力を発生させる少なくとも３つのスラスタであって、該スラスタの各々が前記本体部材に対して一方向にのみ推進力を発生させるように前記本体部材に固定されたスラスタと、
前記本体部材後部の牽引点に連結された紐状部材と、を具備することを特徴とする潜水体。
【請求項２】
前記少なくとも３つのスラスタの各々が発生させる推進力の方向が、同一方向であることを特徴とする請求項１に記載の潜水体。
【請求項３】
前記少なくとも３つのスラスタのうち少なくとも２つのスラスタは、その各々が発生させる推進力の方向が同一平面上に配置され且つ該同一平面が前記本体部材の中心軸線と平行となるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の潜水体。
【請求項４】
前記少なくとも３つのスラスタが、前記本体部材の中心軸線周りに等間隔に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の潜水体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は海や河川等の水中の探査や観察等に用いられる潜水体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、海や河川等の水中の探査や観察等のニーズに応えるため、様々な遠隔操作型潜水ロボット（ＲＯＶ：Ｒｅｍｏｔｅｌｙ  Ｏｐｅｒａｔｅｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）の開発が行われている。例えば、非特許文献１に記載のＲＯＶによれば、ワイヤ等の紐状体に連結されたＲＯＶを碇によって水底に固定することで、安定した水中での停留と発電を行い、長期間の水中作業を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Proceedings of the 2008 JSME Conference on Robotics and Mechatoronics, Nagano, Japan, June 5-7, 2008 [No. 08-4] page 2A1-A04(1)-(3) 「海底定在型潜水艇ロボットの開発」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
その他にも、水難救助活動の場で実際に水中探索に使用されているＲＯＶも存在する。しかしながら、そのＲＯＶは複数のスラスタを前後左右方向、さらには上下方向に向けた構造であり、装置全体が大型で高価であり、現場への搬送と現場での準備作業が非常に困難であるという問題を有する。また、一刻を争う救助作業に適さないという問題がある。さらに、潜水作業中に、スラスタを３方向に噴射して定位置に止まるような制御をするため潮流などの外乱に弱く、ＲＯＶが潮流に流されその位置が分からなくなり、効率的な探索ができないという問題もある。さらに、全方向に移動可能なＲＯＶの運動を阻害しないように、ＲＯＶに接続されている送電ワイヤや制御ケーブル等は弛ませておかなければならないが、この弛んだ送電ワイヤ等が水底の障害物等に絡まるという問題もある。
【０００５】
そこで本発明は、軽量且つ単純な機構を有し、水中を移動可能な潜水体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、水中を移動可能な潜水体であって、本体部材と、該本体部材が前方に向かう推進力を発生させる少なくとも３つのスラスタであって、該スラスタの各々が前記本体部材に対して一方向にのみ推進力を発生させるように前記本体部材に固定されたスラスタと、前記本体部材後部の牽引点に連結された紐状部材と、を具備することを特徴とする潜水体が提供される。
【０００７】
すなわち、請求項１に記載の発明では、スラスタの推進力によって紐状部材を張った状態に保ちながら、各スラスタの推進力の大きさを独立して制御する。それによって、紐状部材に対する本体部材が生ずる牽引力の方向をある立体角の範囲で自在に制御することが可能となる。そして、本体部材は、紐状部材をピンと張りながら、紐状部材の長さ方向と直交する方向の推進力を生成できるようになる。そのため、紐状部材の牽引点に対する他端を母船や海岸等の陸地や水底等に固定した場合、紐状部材に連結された潜水体は、固定位置を中心とし紐状部材の長さを半径とする球面軌道内で牽引力の方向に応じて移動可能となる。その結果、潜水体を任意の目標位置に移動させることが可能となる。
【０００８】
従って、本発明によれば、目標位置へ移動可能な潜水体を軽量且つ単純な機構で実現することが可能となる。また、潜水体は、スラスタの推進力によって、紐状部材が常に張った状態に保持されるため、従来のＲＯＶでしばしば問題となっていたような紐状部材が水底の障害物等に絡まるようなことがないという利点もある。
【０００９】
なお、本明細書では、潜水体において、紐状部材を固定した場合に紐状部材が張る方向、すなわち固定位置に対する遠位方向を「前」とし、その反対側、すなわち牽引点のある側を後とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記少なくとも３つのスラスタの各々が発生させる推進力の方向が、同一方向であることを特徴とする潜水体が提供される。
【００１１】
すなわち、請求項２に記載の発明では、各スラスタが発生させる推進力の方向が同一方向であることから、全スラスタが同じ推進力を生成するとき、潜水体のその方向への推進力を最大化できる。また各スラスタの推進力を変化させた場合に、紐状部材に対する潜水体の姿勢、例えば紐状部材の長さ方向と潜水体の中心軸線とが成す角度を変えることができ、紐状部材の長さ方向に直交する方向に潜水体を移動させることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記少なくとも３つのスラスタのうち少なくとも２つのスラスタは、その各々が発生させる推進力の方向が同一平面上に配置され且つ該同一平面が前記本体部材の中心軸線と平行となるように配置されることを特徴とする潜水体が提供される。
【００１３】
すなわち、請求項３に記載の発明では、各スラスタが発生させる推進力の方向が本体部材の中心軸線に向かう方向、すなわち横方向であることから、各推進力の方向が同一方向である場合に較べて、各スラスタの推進力を変化させた場合に、紐状部材に対する潜水体の姿勢、例えば紐状部材の長さ方向と潜水体の中心軸線とが成す角度の変化を大きくすることができ、紐状部材の長さ方向に直交する方向への潜水体の移動性を大きくすることができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明によれば請求項１から３いずれか１つに記載の発明において、前記少なくとも３つのスラスタが、前記本体部材の中心軸線周りに等間隔に配置されることを特徴とする潜水体が提供される。
【００１５】
すなわち、請求項４に記載の発明では、各スラスタが本体部材の中心軸線周りに等間隔に配置されることから、紐状部材の長さ方向に直交する方向への潜水体の移動のうち、上下左右方向への運動性能が全方向で略同一の特性となるようにすることが可能となる。また各スラスタの推進力を変化させた場合に潜水体に生じる牽引力の方向及び大きさを制御することが容易となる。
【発明の効果】
【００１６】
各請求項に記載の発明によれば、軽量且つ単純な機構を有し、水中を移動可能な潜水体を提供するという共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による潜水体の実施形態を示す正面方向からの斜視図である。
【図２】本体部材と本体部材に取り付けられたスラスタとを示す斜視図である。
【図３】図１に示された潜水体の背面図である。
【図４】本発明による潜水体の使用状態を示す図である。
【図５】本発明による潜水体の移動原理を説明するための図である。
【図６】本発明による別の実施形態の潜水体の移動原理を説明するための図である。
【図７】本発明によるさらに別の実施形態の潜水体を示す図である。
【図８】本発明によるさらに別の実施形態の潜水体を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
【００１９】
図１は、本発明による潜水体１の実施形態を示す正面方向からの斜視図であり、図２は、本体部材２と本体部材２に取り付けられたスラスタ３とを示す斜視図であり、図３は、図１に示された潜水体１の背面図である。
【００２０】
潜水体１は、円筒状で耐圧性の本体部材２と、本体部材２に取り付けられた３つのスラスタ３と、一端を本体部材２後部の牽引点Ｐに連結され且つ他端を所定の固定位置に連結されるワイヤ等の紐状部材４とを有する。なお、固定位置とは母船や海岸等の陸地や水底等がある。水底の場合には碇等によって固定される。
【００２１】
各スラスタ３は、本体部材２の外周面に対して脚部３ａを介して、円筒状の本体部材２の中心軸線Ｃ周りに等間隔に、すなわち中心軸線Ｃから見て１２０度間隔で配置される。また、各スラスタ３は、各々の中心軸線、すなわち推進力の方向が本体部材２の中心軸線Ｃに対して平行、すなわち同一方向となるように配置される。さらに、各スラスタ３の軸線方向の位置は、例えば、各スラスタ３の端面が本体部材２の中心軸線Ｃに対して垂直な同一平面上に配置されるように決定されるが、これに限定されない。
【００２２】
各スラスタ３は、紐状部材４と共にこれに沿って配設された電源ケーブル及び制御ケーブルによって、その推進力が独立して遠隔制御可能となっている。なお、本発明では、特に図２からも明らかなように、各スラスタ３は、完全に固定されており、本体部材２に対する姿勢及び位置、すなわち推進力の方向は、制御することができない。各スラスタ３の推進力の大きさのみが、制御可能となっている。従って、余計なリンク機構や駆動機構等は不要であることから、本発明によれば、より軽量で且つ単純な機構の潜水体を実現することが可能となる。また、その結果、非常に高い構造的信頼性が実現される。
【００２３】
本体部材２及びスラスタ３は、本体部材２の外周面周方向に等間隔に配置された６つの支持壁５を介して、帯状の保護カバー６によって略三角形状に包囲される。そのため、潜水体１は、突出する部位が最小限に抑えられ、使用時に、障害物等が絡まるような事態の発生が軽減される。各スラスタ３は、本体部材２、支持壁５及び保護カバー６によって形成された６つの空間のうち、三角形状の頂点に相当する位置の空間内にそれぞれ配置される。
【００２４】
また、各スラスタ３の配置された空間の間の３つの空間内には、２つの浮力材７と、１つのグリッパ８とが配置される。２つの浮力材７は、水中において潜水体１全体の浮力と重力とが釣り合うように、材質及び大きさが決定される。潜水体１は、２つの浮力材７によって上方へ移動しようとするが、潜水体１の重力、特にグリッパ８の重さによって、下方へ移動しようとする。その結果、潜水体１は、水中での姿勢を維持することが可能となる。潜水体１の浮力と重力とが釣り合っていることから、潜水体１は、水中において中性浮力状態にあると言える。
【００２５】
潜水体１は、グリッパ８に代えて、またはこれと共に水中の探査、探索、観察等を行うための装置、例えば超音波センサ等を有してもよい。グリッパ８やセンサ等を有しない場合には、潜水体１の姿勢を安定させるために、重りとなる部材を配置してもよい。
【００２６】
円筒状の本体部材２は、その前部開口には、透明で耐圧性に優れた半ドーム状に形成された保護ドーム９が取り付けられている。本体部材２内には、図示しないがカメラが配置されている。従って、遠隔で操作する作業者は、水中での様子を確認したり、グリッパ８を操作して物体を把持したりすることが可能となる。また、潜水体１は、その周囲を照らすための光源１０も有している。さらに、潜水体１は、搬送を容易にするため、ハンドル１１を有してもよい。
【００２７】
図３に示されるように、円筒状の本体部材２の後部開口には、円形の蓋部材１２が設けられている。蓋部材１２中央には、例えばフック状の部材によって紐状部材４が連結され、牽引点Ｐを形成する。
【００２８】
図４は、本発明による潜水体１の使用状態を示す図である。潜水体１は、紐状部材４によって、固定位置としての水面に浮かぶ母船２０又は操作者２１に連結されている。操作者２１は、潜水体１に取り付けられたカメラ１３によって撮影された水中の状況を表示するモニター２２を見ながら、操作することが可能となっている。
【００２９】
母船２０には、スラスタ３の電源及び制御装置（図示せず）も搭載し、操作者２１が無線又は有線経由でスラスタ３を制御する。操作者２１は、例えばリールのような長さ調節機構又は手で手繰り寄せることによって、紐状部材４の長さを調節することもできる。
【００３０】
潜水体１を牽引する紐状部材４は、スラスタ３による前方への推進力によって、常にピンと張った状態にある。このとき、浮力材７による浮力によって、ハンドル１１が水面側となる姿勢が維持される。各スラスタ３が、それぞれ同じ大きさの推進力を発生させている場合には、潜水体１の紐状部材４に作用する張力と、推進力とが釣り合い、潜水体１は移動することない。従って、この状態では、作業者２１は、グリッパ８による作業を行ったり、入念な観察を行ったりすることができる。
【００３１】
この釣り合いの状態から各スラスタ３の推進力を変化させることによって、潜水体１を、図４に示されるように水面又は水底の方向である上下方向Ｘ、及び、紙面垂直方向である左右方向Ｙに移動させることが可能となる。以下、図５を参照しながら潜水体１の移動原理について説明する。
【００３２】
図５は、本発明による潜水体１の移動原理を説明するための図である。図５において、上を水面側とし、下を水底側とする。例えば、図３に示される３つのスラスタ３のうち、上の１つスラスタ３の推進力Ｆ１を、下の２つのスラスタ３の推進力Ｆ２に較べて強くするように制御した場合に、潜水体１のＱ点に作用する力を考える。なお、牽引点Ｐは、潜水体１の後部より距離ｒだけ離間しており、Ｑ点は、Ｆ１とＦ２の大きさの比で決まる位置である。Ｆ１＝Ｆ２のときは、Ｑ点は蓋部材１２の中央であり、θ＝０となる。また、Ｆ２＝０の場合には、Ｑ点はスラスタ３上の点Ｑ１となる。
【００３３】
推進力Ｆ１及びＦ２によって潜水体１のＱ点に作用する紐状部材４の長さ方向の力成分は、紐状部材４の長さ方向と本体部材２の中心軸線Ｃとの成す角θ及び張力Ｔを用いて以下のような釣り合いの式で表される。
（Ｆ１＋Ｆ２）ｃｏｓθ＝Ｔ
【００３４】
その結果、潜水体１には、（Ｆ１＋Ｆ２）ｓｉｎθで表される紐状部材４の長さ方向と直交する方向、すなわち横方向の力成分が作用し、潜水体１は、水底方向に向かって進行する。すなわち、図５に示されるように、潜水体１には推進力Ｆ１＋Ｆ２の分力（Ｆ１＋Ｆ２）ｓｉｎθが作用し、結果として下方、すなわち水底方向に進行する。なお、張力Ｔは、本体部材２の牽引点Ｐに作用する紐状部材４の牽引力である。
【００３５】
他方、図３に示される上の１つのスラスタ３の推進力を、下の２つのスラスタ３の推進力に較べて弱くするように制御すると、推進力Ｆ１及びＦ２の横方向の分力（Ｆ１＋Ｆ２）ｓｉｎθの方向が反転し、潜水体１は、水面方向に向かって進行する。
【００３６】
このように、水面側に位置するスラスタ３と、水底側に位置するスラスタ３との推進力を相対的に変化させることによって、潜水体１の水面方向及び水底方向である上下方向Ｘの移動を制御することが可能となる。
【００３７】
また、例えば、図３に示される３つのスラスタ３のうち、右下のスラスタ３の推進力を、左下のスラスタ３の推進力に較べて強くするように制御すると、潜水体１は、図４において、紙面手前方向に向かって進行する。
【００３８】
このように、推進力の方向に向かって、右側に位置するスラスタ３と、左側に位置するスラスタ３との推進力を相対的に変化させることによって、潜水体１の左右方向Ｙの移動を制御することが可能となる。
【００３９】
従って、３つのスラスタ３について、上述した上下方向Ｘの制御及び左右方向Ｙの制御を組み合わせることによって、潜水体１を任意の方向に移動させることが可能となる。すなわち、紐状部材４に対する本体部材２が生ずる牽引力の方向をある立体角の範囲で自在に制御することが可能となる。また、全スラスタ３が同じ推進力を生成するとき、潜水体１のその方向への推進力を最大化できる。さらに、各スラスタ３が本体部材２の中心軸線Ｃ周りに等間隔に配置されることから、紐状部材４の長さ方向に直交する方向への潜水体１の移動のうち、上下左右方向への運動性能が全方向で略同一の特性となるようにすることが可能となる。
【００４０】
図６は、本発明による別の実施形態の潜水体１００の移動原理を説明するための図である。図５においては、上を水面側とし、下を水底側とする横からの視点であったが、図６は上から、すなわち水面側からの視点である。また、移動原理の説明の簡略化ために、本体部材２の右側にスラスタ１０３α、左側にスラスタ１０３βが取り付けられているとし、３つ目のスラスタの影響は考慮しないものとする。本実施形態による潜水体１００と上述の実施形態による潜水体１とは、スラスタの取り付け方のみが異なる。本実施形態による潜水体１００では、各スラスタ１０３α及び１０３βは、各々の推進力Ｆα及びＦβの方向、すなわち中心軸線Ｃα及びＣβが前方の交点Ｒで交差するように配置される。また、中心軸線Ｃα及びＣβ並びに交点Ｒは、本体部材２の中心軸線Ｃに対して平行な平面上に配置される。なお、交点Ｒが本体部材２の中心軸線Ｃに対して直交する直線上であれば、任意の位置に配置されるように、スラスタ１０３α及び１０３βを配置してもよい。
【００４１】
図５での説明と同様に、各スラスタ１０３α及び１０３βが、各々の推進力Ｆα及びＦβを発生させた場合に、潜水体１００のＱ点に作用する力を考える。Ｑ点は、交点Ｒと、交点Ｒでの推進力Ｆα及びＦβのバランスを考慮した点Ｒ’とを通る直線上にある。Ｑ点と交点Ｒを通る直線ＱＲと推進力Ｆαの方向とが成す角をαとし、直線ＱＲと推進力Ｆβの方向とが成す角をβとする。Ｑ点に作用する推進力Ｆα及びＦβの合力は、（Ｆαｃｏｓα＋Ｆβｃｏｓβ）となる。そうすると、推進力Ｆ１及びＦ２の合力によって潜水体１００のＱ点に作用する紐状部材４の長さ方向の力成分は、紐状部材４の長さ方向と直線ＱＲとの成す角φ及び張力Ｔを用いて以下のような釣り合いの式で表される。
（Ｆαｃｏｓα＋Ｆβｃｏｓβ）ｃｏｓφ＝Ｔ
【００４２】
その結果、潜水体１００には、（Ｆαｃｏｓα＋Ｆβｃｏｓβ）ｓｉｎφで表される紐状部材４の長さ方向と直交する方向、すなわち横方向の力成分が作用し、潜水体１００は、左方向に向かって進行する。角度α、β、φ及び上記横方向の力成分の関係を考慮すると、スラスタ１０３α及び１０３βの各々の推進力Ｆα及びＦβを変化させた場合に、潜水体１００に対する推進力の横方向成分（Ｆαｃｏｓα＋Ｆβｃｏｓβ）ｓｉｎφの変化を最初の実施形態の潜水体１に較べて大きくすることができる。従って、本実施形態の潜水体１００によれば、最初の実施形態の潜水体１に較べて、紐状部材の長さ方向に直交する方向への潜水体の移動性を大きくすることができる。
【００４３】
以上より、本発明によれば、複数のスラスタ各々の推進力を独立して制御することによって、母船等の固定位置を中心とし紐状部材の長さを半径とする球面軌道内で潜水体を移動させることが可能となる。さらに、紐状部材の手繰り出し量を調整することによって、潜水体を任意の目標位置に移動させることが可能となる。これら制御の間は、スラスタの推進力によって紐状部材は常にピンと張られた状態にあることから、水底の障害物等に紐状部材が絡まることはない。
【００４４】
上述した実施形態において、固定位置（母船等）から張られる紐状部材の方向と、紐状部材の長さ、すなわち手繰り出し量とから、固定位置に対する潜水体の相対的な位置を算出することが可能となる。さらに、固定位置である母船に全地球測位システム（ＧＰＳ）を搭載することによって、潜水体の絶対的な位置を算出することが可能となる。
【００４５】
上述した実施形態において、スラスタの数は３つであったが、少なくとも３つあればよく、４つ又はそれ以上であってもよい。また、スラスタは、本体部材の中心軸線周りに等間隔に配置されていたが、等間隔でなくてもよい。例えば、簡略化して表しているが、図７は、本発明によるさらに別の実施形態の潜水体２００を示す図であり、図８は、本発明によるさらに別の実施形態の潜水体３００を示す図である。
【００４６】
図７において、（ａ）は潜水体２００の上面図であり、（ｂ）は潜水体２００の背面図である。図７によれば、スラスタ２５１及び２５２は、各々の推進力の方向、すなわち中心軸線が前方の交点Ｒ１で交差し、スラスタ２５３及び２５４は、各々の中心軸線が前方の交点Ｒ２で交差している。スラスタ２５１及び２５２の各中心軸線及び交点Ｒ１は、同一平面上にあり、スラスタ２５３及び２５４の各中心軸線及び交点Ｒ２は、同一平面上にある。各平面と本体部材２の中心軸線Ｃとは、すべて互いに平行に配置される。また、各スラスタは、本体部材２の中心軸線Ｃ周りに等間隔に配置されてはいない。当該構成によれば、図７（ｂ）において、左右方向の移動性を上下方向の移動性と較べて大きくすることができる。なお、本実施形態において、交点Ｒ１と交点Ｒ２とを通る直線は、本体部材２の中心軸線Ｃと直交するが、これに限定されない。
【００４７】
図８において、（ａ）は潜水体３００の上面図であり、（ｂ）は潜水体３００の背面図である。図８によれば、スラスタ３５１及び３５２は、各々の推進力の方向、すなわち中心軸線が前方の交点Ｒ３で交差している。スラスタ３５１及び３５２の各中心軸線及び交点Ｒ３は、同一平面上にある。この平面と本体部材２の中心軸線Ｃとスラスタ３５３の中心軸線とは、すべて互いに平行に配置される。当該構成によれば、図８（ｂ）において、左右方向の移動性を上下方向の移動性と較べて大きくすることができる。
【００４８】
紐状部材の固定位置として母船以外にも、海岸等の陸地や水底に碇等で固定してもよい。また、本体部材は、円筒状以外にも、矩形の筒状体でもよい。さらに、以上の説明では、移動媒体としては、海洋や河川での水中としたが、水以外の流体中においても同様な効果が期待できる。
【００４９】
当然のことながら、本発明による潜水体に付随するスラスタや各種機器の制御や監視は、紐状部材の外部又は内部に沿って配置されたケーブルによって行われてもよく、又は、無線によって行われてもよい。また、これら機器への電源の供給は、紐状部材の外部又は内部に沿って配置された電源ケーブルによって行われてもよく、潜水体自体がそのための電池を搭載していてもよい。
【００５０】
本発明による潜水体は、スラスタによる推進力と紐状部材の張力とが釣り合った状態にあることから、水中での作業又は移動に際して外力を受けたとしても、その外力の大きさが推進力の大きさ以下である限り、安定した状態を維持することが可能である。すなわち、本発明による潜水体は、あたかも長い剛体の棒を水中に出し入れするような感覚で操作することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１    潜水体
２    本体部材
３    スラスタ
４    紐状部材
５    支持壁
６    保護カバー
７    浮力材
８    グリッパ
９    保護ドーム
１０    光源
１１    ハンドル
Ｐ    牽引点
【図１】
2014058177.tif 000003
【図２】
2014058177.tif 000004
【図３】
2014058177.tif 000005
【図４】
2014058177.tif 000006
【図５】
2014058177.tif 000007
【図６】
2014058177.tif 000008
【図７】
2014058177.tif 000009
【図８】
2014058177.tif 000010