(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの物体を付着させるよう構成された固定式の静電付着装置であって、
第１の表面および第２の表面を備える本体であって、絶縁材料により構成されている絶縁層を含む本体と、
前記第１の表面の第１の位置に第１の電圧を印加するよう構成され、第１の共通電極から延伸する第１の直線状電極配列を含む第１の電極セットと、
前記第１の表面の第２の位置に第２の電圧を印加するよう構成され、第２の共通電極から延伸する第２の直線状電極配列を含み、前記絶縁層において前記第１の電極セットと同一の面に配置されている第２の電極セットと、
前記静電付着装置の前記本体の横に配置されているサイドバーであって、人間が前記静電付着装置オン、オフすることを可能にするスイッチを含むサイドバーと、
を備え、
前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の電圧差は、第１の物体の表面を前記第１の表面に付着させるのに適した第１の静電付着力を前記静電付着装置と前記第１の物体との間で生み出す静電付着電圧を含み、
前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の前記電圧差は、第２の物体の表面を前記第２の表面に付着させるために適した第２の静電付着力を前記静電付着装置と前記第２の物体との間で生み出す静電付着電圧を含む、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記絶縁層は、前記第１の電極セットと前記第２の電極セットとの間の前記静電付着電圧差を実質的に維持するよう構成されている、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、前記絶縁層は、約２ミリメートル未満の厚さを有する、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、前記第１の電極セットおよび前記第２の電極セットは前記第１の表面上にある、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、前記第１の表面および前記第２の表面は変形可能であり、前記本体は変形可能な絶縁材料を備える、装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置であって、前記変形可能な絶縁材料は、約１０ＭＰａ未満の弾性率を有するコンプライアントな材料を含む、装置。
【請求項７】
請求項５に記載の装置であって、前記変形可能な表面は、屈曲可能であるが実質的に弾性伸縮しない材料または構造の表面を含む、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であって、さらに、前記第１の電極セットと前記第２の電極セットとの間の前記静電付着電圧を提供するよう構成された回路であって、前記サイドバーに組み込まれている回路を備える、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であって、前記回路は、約４０ボルト未満の電圧源から電圧を受けるよう構成されると共に前記電圧源からの前記電圧を約５００ボルト以上の前記静電付着電圧に上昇させるよう構成されている電圧上昇回路を含む、装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置であって、前記第１の電圧は、約２キロボルトより高い、装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置であって、前記第２の電圧は、約０ボルトである、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気的に制御可能な付着に関し、特に、２つの物体の間に付着力を提供するために、電気エネルギおよび静電力を利用することに関する。
【背景技術】
【０００２】
制御可能な付着については、未だ満たされていない技術的な要求がある。例えば、２０年以上の間、ロボット工学分野では、移動（wall crawling）ロボットのために広範囲の対象物に対して信頼性の高い制御可能な付着を発明しようとしてきたが、成功には至っていない。制御可能な付着における成功とは、十分な範囲のありふれた壁および天然物質上、および、実際の環境条件下（湿った表面または埃っぽい表面、傾斜のきつい表面、もしくは、滑りやすい表面など）の壁および天然物質上、での作業に十分なほど、制御可能であり、信頼性が高く、ロバストである技術として定義可能である。
【０００３】
壁移動については、既存の技術（それらの多くは、未だ研究段階であり、市販の製品ではない）は、上記の能力を完全には実現できていない。化学的な付着が、常に「オン」状態になっている。それらは、その場に留まるためのエネルギを必要としないが、化学的な付着クランプ技術を利用するロボットは、オフに切り替えることができない付着に抗しつつ登ったり横移動したりするために多大なエネルギを必要とする（多くのバッテリが必要になり重量が増す）。また、化学的な付着技術は、それらの効果を急速に低下させる埃およびその他のごみを引き付けうる。吸着（能動的または受動的）は、滑らかな表面上でしか効果的に機能しない。また、従来の吸着カップは、漏れの問題があり、埃っぽい表面には対応できない。機械的な爪は、非常に粗い表面または爪の刺さりうる表面上でしか機能せず、しばしば、損傷の痕を残す。人工のヤモリ様の皮膚は、繰り返し利用すると（わずか５回程度）、簡単に損傷または汚れうるものであり、湿った表面では機能しない。
【０００４】
制御可能な付着は、ロボット工学以外でも有用である。付着を提供するロバストな装置および方法があれば有益である。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、２つの物体の間の制御可能な付着を可能にする静電付着技術を提供する。静電付着は、静電付着電圧によって生み出される静電引力を利用する。静電付着電圧は、静電付着装置の電極を用いて印加される。静電付着電圧は、電界および静電付着力を生成する。静電付着装置および電極が、垂直の壁などの物体の表面の近くに配置されると、静電付着力が、表面および物体に対する静電付着装置の位置を保持する。これは、静止摩擦を増大させるため、または、表面に対する静電付着装置の位置を維持するために利用されてよい。静電付着電圧の電気制御により、制御可能かつ容易に付着のオンオフを行うことが可能になる。本明細書に記載されている装置（移動装置およびロボットなど）は、この制御可能な静電付着を利用して、垂直の壁およびその他の平坦でない表面を移動する。
【０００６】
一態様では、本発明は、移動装置に関する。移動装置は、本体と、本体に機械的に結合された少なくとも１つの静電付着装置を備える。少なくとも１つの静電付着装置は、対象物に着脱可能に付着するよう構成されており、対象物の表面と接触するための変形可能な表面と、変形可能な表面の第１の位置に第１の電圧を印加するよう構成された第１の電極と、変形可能な表面の第２の位置に第２の電圧を印加するよう構成された第２の電極と、を備える。第１の電圧と第２の電圧との間の電圧差は、対象物に対する少なくとも１つの静電付着装置の現在の位置を維持するのに適した静電力を少なくとも１つの静電付着装置と対象物との間で生み出す静電付着電圧を含む。絶縁材料は、第１の電極と第２の電極との間に配置され、第１の電極と第２の電極との間の静電付着電圧差を実質的に維持するよう構成されている。
【０００７】
別の態様では、本発明は、２つの物体を付着させるよう構成された静電付着装置に関する。静電付着装置は、第１の表面および第２の表面を備えた本体を備える。静電付着装置は、さらに、第１の表面の第１の位置に第１の電圧を印加するよう構成された第１の電極と、第１の表面の第２の位置に第２の電圧を印加するよう構成された第２の電極と、を備える。第１の電圧と第２の電圧との間の電圧差は、第１の物体の表面を第１の表面に付着させるのに適した第１の静電付着力を静電付着装置と第１の物体との間で生み出す静電付着電圧を含む。第１の電圧と第２の電圧との間の電圧差は、第２の物体の表面を第２の表面に付着させるために適した第２の静電付着力を静電付着装置と第２の物体との間で生み出す静電付着電圧を含む。
【０００８】
さらに別の態様では、本発明は、壁を登る方法に関する。本方法は、壁の表面に近接するように静電付着装置を配置することを備える。本方法は、さらに、静電付着装置の第１の位置にある第１の電極と、静電付着装置の第２の位置にある第２の電極との間に、静電付着電圧差を印加することを備える。本方法は、さらに、静電付着電圧差によって引き起こされる静電引力を利用して、静電付着装置を壁の表面に付着させることを備える。本方法は、さらに、静電付着装置が壁に付着している間に壁を登ることを備える。
【０００９】
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、以下で行う本発明の説明および関連の図面において説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に従って、静電付着装置を簡略に示した図。
【図２】図１の静電付着装置が垂直の壁の表面に取り付けられた様子を示す図。
【図３】図１の静電付着装置の電極間における電圧差の結果として構造の対象物内に形成された電界を示す図。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態に従って、絶縁材料に埋め込まれた１組の電極を備えた静電付着装置を示す図。
【図４Ｂ】図４Ａの静電付着装置の電極への適切な静電付着電圧の供給と、その結果生じる電界とを示す図。
【図４Ｃ】本発明の別の実施形態に従って、絶縁層の内面上に配置された１セットの電極を備えた静電付着装置を示す図。
【図４Ｄ】図４Ｃの静電付着装置の電極への適切な静電付着電圧の供給と、その結果生じる電界とを示す図。
【図４Ｅ】本発明の別の実施形態に従って、絶縁層の内面上に配置された第１の電極セットと絶縁層の反対面上に配置された第２の電極セットとを備えた静電付着装置を示す図。
【図４Ｆ】図４Ｅの静電付着装置についての電界を示す図。
【図４Ｇ】本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置を示す図。
【図４Ｈ】静電付着装置について、結果として生じる電界を示す図。
【図４Ｉ】本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置を示す図。
【図４Ｊ】本発明の具体的な一実施形態に従って、図４Ｉの３電圧パターンのための位相シフト入力の適切な一例を示す図。
【図５Ａ】本発明の具体的な一実施形態に従って、粗い表面に形状を合わせる変形可能な静電付着装置を示す図。
【図５Ｂ】本発明の具体的な一実施形態に従って、装置が構造の表面と接触した当初の変形可能な静電付着装置の表面を示す図。
【図５Ｃ】初期の静電引力とコンプライアンスとによって静電付着装置が変形した後の図５Ｂの静電付着装置の表面形状と壁面とを示す図。
【図６Ａ】本発明の別の実施形態に従って、パターニングされた電極を備えた静電付着装置を示す図。
【図６Ｂ】本発明の別の実施形態に従って、パターニングされた電極を備えた静電付着装置を示す図。
【図６Ｃ】本発明の別の具体的な実施形態に従って、導電性のまつげ構造を用いた図６Ａの装置の変形例を示す図。
【図７Ａ】静電付着装置に対する引きはがしを示す概念図。
【図７Ｂ】静電付着装置に対する引きはがしを示す概念図。
【図７Ｃ】静電付着装置に対する引きはがしを示す概念図。
【図７Ｄ】静電付着装置の部分的な離脱を示す図。
【図７Ｅ】静電付着装置の部分的な離脱を示す図。
【図７Ｆ】本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置の領域全体を分割する格子構造を備える静電付着装置を示す図。
【図７Ｇ】本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置の領域全体を分割する格子構造を備える静電付着装置を示す図。
【図７Ｈ】本発明の別の実施形態に従って、引きはがし耐性がある静電付着装置を示す図。
【図７Ｉ】本発明の別の実施形態に従って、引きはがし耐性がある静電付着装置を示す図。
【図８】本発明の一実施形態に従って、適切な静電付着電圧を静電付着装置の電極に供給するのに適した制御・調整回路を示す図。
【図９】本発明の一実施形態に従って、静電付着を用いて物体を付着させる方法を示す図。
【図１０Ａ】本発明の具体的な一実施形態に従って、静電付着装置を備えるよう改造された軌道付き壁移動ロボットを示す図。
【図１０Ｂ】本発明の具体的な一実施形態に従って、静電付着装置を備えるよう改造された軌道付き壁移動ロボットを示す図。
【図１０Ｃ】図１０Ｂの壁移動ロボットが、水平の表面から、垂直の壁、さらに別の水平の表面へと移動する様子を示す図。
【図１１Ａ】本発明の別の具体的な実施形態に従って、静電付着を用いた壁移動ロボットを示す図。
【図１１Ｂ】図１１Ａのロボットのタイヤを示す拡大斜視図。
【図１２】本発明の別の具体的な実施形態に従って、ロボットを示す図。
【図１３】本発明の別の実施形態に従って、ロボットを示す図。
【図１４】具体的な用途の実施形態に従って、静電付着ハンドウェアおよび静電付着脚用パッドを示す図。
【図１５Ａ】具体的な用途の実施形態に従って、静電付着よじ登り装置を示す図。
【図１５Ｂ】具体的な用途の実施形態に従って、静電付着よじ登り装置を示す図。
【図１６Ａ】本発明の別の具体的な実施形態に従って、着脱可能な両面静電付着装置を示す図。
【図１６Ｂ】本発明の別の具体的な実施形態に従って、着脱可能な両面静電付着装置を示す図。
【図１６Ｃ】本発明の別の具体的な実施形態に従って、着脱可能な両面静電付着装置を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
添付の図面に図示したいくつかの好ましい実施形態を参照しつつ、本発明について詳細に説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、多くの具体的な詳細事項が記載されている。しかしながら、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全部がなくとも実施可能であることは、当業者にとって明らかである。また、本発明を不必要にわかりにくくしないように、周知の工程および／または構造については、詳細には説明していない。
【００１２】
電気的に制御可能な付着
本明細書で用いられているように、「静電付着」とは、静電力を用いた２つの物体の機械的結合を意味する。静電付着は、本明細書で説明するように、これらの静電力を電気的に制御することで、２つの物体間の一時的かつ着脱可能な付着を可能にする。この静電付着は、印加された電界によって生じる静電力によって、これらの物体の２つの表面を結び付ける、または、２つの物体間の静止摩擦または摩擦を増大させる。一実施形態では、１つの材料を別の材料に静電付着させるために、絶縁性の変形可能な材料を横切る電界を利用する。
【００１３】
従来、静電クランプは、２つの平坦かつ滑らかな導電性の表面を結び付けることに限定されていた。発明者は、付着される側である対象物の材料特性または表面粗さに制限されない静電付着装置および技術を開発した。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に従って、静電付着装置１０を簡略に示した図である。図２は、表面１２に付着した静電付着装置１０を示す図である。表面１２は、材料（すなわち対象物）１６を含む大きい構造１４の一部であり、この例では、垂直の壁のようなものである。本発明は、主に装置および構造として説明されているが、本発明が、静電付着を用いて物体を付着させる方法にも関連することは、当業者にとって明らかである。
【００１５】
電極１８と電気通信する外部の制御電子回路（図８参照）を用いて、静電付着電圧が電極１８を介して印加される。図２に示すように、静電付着電圧は、互いに隣接する電極１８に対して、交互に正および負の電荷を適用する。電極１８の間の電圧差の結果、図３に示すように、構造１４に含まれる対象物１６内で、電界２２が形成される。電界２２は、誘電材料１６を局所的に分極させるため、電極１８（および装置１０）と、対象物１６上の誘導電荷との間で静電付着を引き起こす。誘導電荷は、誘電分極の結果であってもよいし、弱い導電材料および漏れ電流から生じてもよい。理論に縛られたくないが、誘導された静電力は、ジョンソン・ラーベック効果を用いて、より低い電力レベルにおいて、さらに大きい力を提供してもよい。
【００１６】
したがって、静電付着電圧は、静電付着装置１０と表面１２の下の材料１６との間に、静電力を提供し、その静電力が、表面に対する装置１０の現在の位置を維持する。適切な静電付着電圧については、以下で詳細に説明する。壁またはその他の比較的垂直な表面については、静電付着装置１０と表面１２との間の静電力は、装置１０に掛かる重力に打ち勝って、装置１０を高所に保持する。装置１０は、他の構造に取り付けられて、これらのさらなる構造を高所に保持してもよいし、通常の摩擦力を増大させるために、傾斜した表面または滑りやすい表面上で利用されてもよい。
【００１７】
電極１８から静電付着電圧を取り除くと、装置１０と表面１２との間の静電付着力がなくなる。したがって、電極１８間に静電付着電圧がない時には、静電付着装置１０は、表面１２を自由に動くことができる。この条件によると、静電付着装置１０は、静電付着電圧の印加の前後に移動することが可能である。この制御を壁移動に利用するロボットおよびその他の装置について、後に詳述する。さらに、以下で詳述するように、電気的な駆動および停止によって、少ない消費電力で、迅速な付着および離脱（例えば、約５０ミリ秒未満の反応時間）が可能になる。
【００１８】
図１の静電付着装置１０は、絶縁材料２０の外面に電極１８を含む（例えば、それらの電極は、絶縁材料２０の外面上で露出されており、壁面１２に接触することができる）。この実施形態は、絶縁性および弱い導電性の材料および対象物１６への制御可能な付着に適している。静電付着装置１０について、電極１８と絶縁材料２０との間の別の関係も考えられ、それらの関係は、導電材料を含む幅広い範囲の材料の利用に適する。
【００１９】
図４Ａは、本発明の別の実施形態に従って、絶縁材料２０に埋め込まれた１セットの電極１８を備えた静電付着装置１０ｂを示す図である。図４Ｂは、静電付着装置１０ｂの電極１８への適切な静電付着電圧の供給と、対象物１６への付着時に生じる電極１８上の電荷による電界２２とを示す図である。
【００２０】
図４Ｃは、本発明の別の実施形態に従って、壁に接触して付着するよう意図された絶縁層２０の表面２５と反対側の面である絶縁層２０の内面２３上に配置された１セットの電極１８を備えた静電付着装置１０ｃを示す図である。図４Ｄは、静電付着装置１０ｃの電極への適切な静電付着電圧の供給と、電極１８上の電荷から結果として生じる電界２２とを示す図である。
【００２１】
図４Ｅは、本発明の別の実施形態に従って、絶縁層２０の内面２３上に配置された第１のセット４０の電極１８と絶縁層２０の反対面２５上に配置された第２のセット４２の電極とを備えた静電付着装置１０ｄを示す図である。図４Ｆは、静電付着装置１０ｄについて、電極１８上の電荷から生じる電界２２を示す図である。
【００２２】
静電付着引力について詳述すると、力発生のための正確な機構は、表面１２の下の材料１６の導電率および誘電率によって決まる。特に、本発明は、静電付着が主に電気的な原理に基づいているにもかかわらず、付着対象物の電気的特性によって制限されることがない。実際に、本明細書に記載した静電付着は、導電性および非導電性（すなわち絶縁性）の対象物１６の両方に対して良好に機能する。
【００２３】
再び図２および３に戻ると、材料１６が、電極１８によって印加される交互の正および負の電荷の間の電圧差に対する絶縁体として機能する場合には、電極１８上の電荷から生じた電界２２は、誘電および絶縁性の対象物を分極させるため、静電付着装置１０と、構造１４の材料１６における誘導分極電荷との間の静電付着を引き起こす。
【００２４】
しかしながら、材料１６が導電性である場合には、自由電荷が対象物１６内を流れ、荷電した電極１８は、静電力によって導電材料に引き付けられる。同じ機構が、湿った絶縁性の対象物１６にも適用され、この場合、表面に留まった湿気またはその他の導電性の粒子は、それらがなければ絶縁性である材料の上で導線性の表面として機能する。もちろん、対象物１６の導電性が高すぎる場合には、制御電子回路は、十分な静電付着電圧を維持できない場合があり、図４Ａに示したような絶縁された実施形態が利用される。
【００２５】
静電付着装置１０は、導電性および絶縁性の対象物１６の両方に対して良好に付着するが、装置１０が付着できる材料の範囲を示す助けとなるように、それら２種類の対象物を区別することが有効である。導電材料は、約１０12Ω・ｃｍより小さい抵抗率を有する材料として定義されてよい。絶縁材料は、約１０12Ω・ｃｍより大きい抵抗率を有する材料として定義されてよい。この定義では、導電材料は、金属などの真の導電体、さらに、半導体材料、および、通常は絶縁性であると見なされるコンクリート、ほとんどの木材および岩石などの材料を含む。しかしながら、後に説明するように、絶縁および導電性の材料の間の実際の境界は、部分的には、静電付着装置の形状およびフィーチャのサイズによって決まる。
【００２６】
特に、上述の同じ静電付着装置については、絶縁性および導電性の両方の対象物に付着するために、同じ静電付着装置１０の形状および動作（静電付着電圧を電極１８に印加する動作）を用いることができる。これは、静電付着装置１０の顕著な特徴の１つである。
【００２７】
一部の例では、静電付着装置は、対象物を絶縁材料として利用するよう設計される。図４Ｇは、本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置１０ｇを示す図である。図４Ｈは、静電付着装置１０ｇについて、結果として生じる電界２２を示す図である。
【００２８】
静電付着装置１０ｇは、対象物１６と直接接触する２つの電極１８を備える。電極１８は、機械的に別個のパッド５７に取り付けられている。例えば、各パッド５７は、ロボットの別々の足に備えられてよい。
【００２９】
特に、静電付着装置１０ｇについては、静電付着装置に備えられた電極１８の間に、絶縁材料２０が存在しない。この例では、対象物１６が、電極間の絶縁材料として機能する。この設計も、静電付着力の発生を可能とするが、導電性の対象物１６上では機能しない（図４Ａないし図４Ｆに示したような、電極１８の一方または両方の間に絶縁材料が利用されてよい）。
【００３０】
本明細書に記載された静電付着装置の他の顕著な特徴は、図５に示すように、静電付着装置１０において変形可能な表面および材料を利用できる点である。一実施形態では、静電付着装置１０の１または複数の部分が変形可能になっている。具体的な実施形態において、これは、装置１０の表面３０を含む。別の実施形態では、電極１８の間の絶縁材料２０が変形可能になっている。静電付着装置１０は、変形を可能にするために、材料のコンプライアンスを利用してもよいし（例えば、絶縁材料２０として柔軟な材料を用いるなど）、構造的な設計を利用してもよい（例えば、図６Ｃに示すまつげまたは髪の毛のような構造、または、図１０Ａの軌道３５２を参照）。具体的な実施形態では、絶縁材料２０は、屈曲可能であるが、実質的に弾性伸縮しない材料（例えば、マイラーの薄層）を含む。別の実施形態では、絶縁材料２０は、１０ＭＰａ未満の弾性率、特に１ＭＰａ未満の弾性率を有する柔軟なポリマである。
【００３１】
電極１８も、コンプライアントであってよい。絶縁材料２０および電極１８のコンプライアンスは、上述の静電付着装置１０のいずれの構成で利用されてもよい。静電付着装置１０のコンプライアンスは、装置１０の付着面３０が、付着対象になる物体の表面１２に形状を合わせることを可能にする。図５Ａは、本発明の具体的な実施形態に従って、粗い表面１２に形状を合わせるコンプライアント静電付着装置１０を示す図である。
【００３２】
付着面３０は、付着されている対象物表面１２に接触する静電付着装置の表面として定義される。付着面３０は、電極を含んでもよいし含まなくてもよい。一実施形態では、付着面３０は、薄いコンプライアント保護層を含んでおり、この保護層は、それがない場合には露出される電極を保護するために追加されている。別の実施形態では、付着面３０は、（例えば、静電力が取り除かれた時に）、ごみが付着したまま残らないようにする材料を含む。あるいは、付着面３０は、壁の表面への付着を助けるための粘着性または接着性の材料を含んでもよいし、与えられた垂直抗力について滑りを良好に防止するための高摩擦性の材料を含んでもよい。
【００３３】
静電付着装置１０のコンプライアンスは、しばしば、付着力を向上させる。電極１８および絶縁材料２０の両方が変形可能である場合、付着面３０は、最初の電荷が印加された後、最初に、動的に、粗い表面１２の巨視的および微視的な外形に形状を合わせるができる。この動的なコンプライアンスについては、図５Ｂを参照しつつ詳述する。この表面静電付着装置１０のコンプライアンスにより、電極１８が、表面１２にさらに近づくことが可能になり、装置１０によって提供される全体のクランプ力が増大する。一部の例では、静電力は、（電極と壁面との間の）距離の２乗で低下しうる。しかしながら、静電付着装置１０のコンプライアンスにより、装置１０は、表面１４との密着性を確立して動的に改善および維持することができるため、電極１８によって印加される印加保持力が増大される。さらに、この追加されたコンプライアンスにより、表面１２および３０の間の微視的な規模での機械的なかみ合いが大きくなるため、有効な摩擦を増大させて滑りを防止することも可能である。
【００３４】
コンプライアンスにより、静電付着装置１０は、電気エネルギが印加された後、最初に、かつ、動的に、壁面１２に形状を合わせることができる。この静電付着を改善する動的な方法は、本発明の別の実施形態に従って、図５Ｂないし５Ｃに図示されている。
【００３５】
図５Ｂは、装置１０が、材料１６を有する構造の表面１２に接触した当初の静電付着装置１０の表面３０を示す図である。表面１２は、巨視的な（すなわち、可視的な）レベルでの粗さおよび不均一性（例えば、コンクリートの粗さは、容易に観察できる）と、顕微レベルでの粗さおよび不均一性（ほとんどの材料）とを含みうる。
【００３６】
両者が、図５Ｂに示すように接触している時に、静電付着電気エネルギが電極１８に印加される。これにより、電極１８と壁面１２との間に引力が発生する。しかしながら、最初に、ほとんどの粗い表面についての実際問題として、図５Ｂに見られるように、数多くのギャップ８２が、装置の表面３０と壁面１２との間に存在する。
【００３７】
ギャップ８２の数およびサイズは、静電付着クランプ圧に影響する。例えば、巨視的な規模では、静電クランプは、対象物１６と荷電した電極１８との間のギャップの二乗に反比例する。また、電極部の数が多いと、装置の表面３０は、より局所的な表面粗さに形状を合わせるようになるため、全体の付着が改善する。微視的な規模では、ギャップが小さくなった時のクランプ圧の増大は、さらに劇的である。この増大は、パッシェンの法則によるものであり、その法則は、小さいギャップでは空気の破壊強度が劇的に増大すると述べている。破壊強度が高くギャップが小さいことは、電界が非常に強く、すなわち、クランプ圧が非常に大きいことを意味する。発明者は、静電付着装置１０のコンプライアント表面３０、または、表面粗さに形状を合わせる静電付着機構を用いることにより、クランプ圧を増大させ、静電付着を改善することができることを解明した。
【００３８】
引力が、静電付着装置１０のコンプライアンスに打ち勝った時、これらのコンプライアント部分が変形して、表面３０の部分が表面１２に近づく。この変形は、静電付着装置１０と壁面１２との間の接触面積を増大させて、静電付着クランプ圧を増大させ、装置１０と壁１４との間により強い静電付着を提供する。図５Ｃは、初期の静電引力とコンプライアンスとによって静電付着装置１０が変形した後の静電付着装置１０の表面形状と壁面１２とを示す図である。ギャップ８２の多くが小さくなっている。
【００３９】
この適応可能な成形は継続してよい。装置の表面３０と壁面１２が近づくほど、多くの位置でそれらの間の距離が小さくなって、静電付着力がさらに増大し、それにより、静電付着装置１０の多くの部分がさらに変形するため、装置の表面３０のさらに多くの部分が、さらに壁面１２に近づく。また、これによって、接触面積が増大し、クランプ圧が増大して、装置１０と壁１４との間により強い静電付着が提供される。静電付着装置１０は、装置のコンプライアンスがさらなる変形を許容せず、装置の表面３０が変形を止めた時に、形状の適合に関する安定状態に到達する。
【００４０】
別の実施形態では、静電付着装置１０は、電極１８、絶縁材料２０、および、裏打ち２４の内の１または複数に多くの孔を含む。空気のポケットが、表面１２と表面３０との間に閉じ込められるため、これらの空気ポケットが適応可能な成形を低減しうる。絶縁体２０、裏打ち２４、および／または、電極１８の小さい孔すなわち多孔質材料により、閉じ込められた空気は、動的な変形の際に逃げることができるようになる。
【００４１】
したがって、静電付着装置１０は、粗い表面、すなわち、巨視的な湾曲または複雑な形状を有する表面での利用に適している。一実施形態において、表面１２は、約１００ミクロンより大きい粗さを含む。特定の実施形態において、表面１２は、約３ミリメートルより大きい粗さを含む。
【００４２】
図１、２、または、５Ａに示す、随意的な裏打ち構造２４は、絶縁材料２０に取り付けられ、剛性または伸縮しない材料を含み、構造的な支持をコンプライアント静電付着装置１０ｂに提供する。裏打ち層２４は、さらに、静電付着装置１０ｂを機械的に外部に結合できるようにすることで、より大きい装置（以下で説明する壁移動ロボット、その他の装置および用途など）内で利用されることを可能にする。
【００４３】
一部の静電付着装置１０では、より柔軟な材料が、機械的負荷によって過度に屈曲および変形して、不十分なクランプにつながる場合がある。これらの影響を軽減するために、静電付着装置１０は、段階的な１セットの層または材料を備えてよく、この構成では、第１の材料が、壁面に結合するために低い剛性すなわち弾性を有し、第２の材料が、第１の受動層に取り付けられ、より厚い、および／または、剛性の高い材料を有する。裏打ち構造２４は、より剛性の高い第２の材料に取り付けられてよい。特定の実施形態では、静電付着装置１０は、より柔軟な層としての約５０ミクロン厚のアクリル弾性体と、第２の支持層としての１０００ミクロン厚のより厚いアクリル弾性体とを含む。他の厚さが利用されてもよい。
【００４４】
図５Ｂおよび５Ｃの変化に掛かる時間は、静電付着装置１０の材料、静電付着装置１０の設計、印加される制御信号、および、静電付着力の大きさ、によって変化しうる。動的な変化は、一部の静電付着装置では、視覚的に観察できる。一実施形態では、装置の表面３０が変形を止めるのに掛かる時間は、約０．０１秒ないし約１０秒の間である。その他の例では、形状の適合が終了する時間は、約０．５秒ないし約２秒の間である。
【００４５】
一部の実施形態では、本明細書に記載された静電付着は、迅速なクランプおよびクランプ解除の時間を可能とし、ほとんど瞬時といってもよい。一実施形態では、クランプまたはクランプ解除は、約５０ミリ秒未満で実現されうる。特定の実施形態では、クランプまたはクランプ解除は、約１０ミリ秒未満で実現されうる。その速さは、いくつかの手段によって増大されてよい。電極が、より狭い線幅およびより狭い間隔で構成されている場合、静電付着力を確立するために電荷が流れるのに必要な時間が短くなる（基本的に、静電付着装置および対象物の両方を含む分布抵抗容量回路の「ＲＣ」時定数が小さくなる）ため、導電性または弱い導電性の対象物を用いると、速さが増大される。装置１０において、より柔軟、より軽量、より適応性の高い材料を用いても、速さが増大する。より高い電圧を用いて、より迅速に所与のレベルの静電付着力を確立することも可能であり、電圧を一時的にオーバードライブして電荷分布および適応を迅速に確立することによって、速さを増大させることも可能である。クランプ解除の速さを増大させるために、一定の速度で電極１８の極性を効果的に逆転させる駆動電圧が利用されてよい。かかる電圧は、電荷が、対象物の材料１６内に蓄積することを防止するため、より速いクランプ解除を可能にする。あるいは、必要な駆動電力を追加して、放電時間を速くするために、電極１８の間に、中程度の導電性の材料２０を用いてもよい。
【００４６】
本明細書で用いられているように、静電付着電圧とは、静電付着装置１０を壁または対象物に結合させるのに適切な静電力を発生させる電圧を意味する。静電付着装置１０に必要な最小電圧は、以下のような多くの要素によって変化しうる。すなわち、要因とは、静電付着装置１０のサイズ；電極１８の材料の導電率および間隔；絶縁材料２０；壁の材料１６；埃、その他の粒子、または、湿気など、静電付着に対する障害物の存在；静電付着装置１０に機械的に結合された任意の構造の重量；静電付着装置のコンプライアンス；対象物の誘電特性および抵抗特性；電極と対象物との間の関連のあるギャップ、などである。一実施形態では、静電付着電圧は、約５００ボルトないし約１０キロボルトの電極１８間の差動電圧を含む。特定の実施形態では、差動電圧は、約２キロボルトないし約５キロボルトの間である。ある電極の電圧がゼロであってよい。また、交互の正および負の電荷が、隣接する電極１８に印加されてもよい。静電付着装置１０の電気回路および電気特性については、本願の次の章において、詳述している。
【００４７】
結果として生じるクランプ力は、特定の静電付着装置１０の仕様、付着先の材料、任意の粒子状障害物、壁面の粗さなどによって変化する。一般に、本明細書に記載した静電付着は、幅広いクランプ力を提供する。クランプ力は、一般に、静電付着装置によって掛けられる引力を、静電付着装置が壁と接触する面積で割ったものとして定義される。説明のために、静電付着のためのクランプ力を、垂直クランプ圧（ＰN）、対象物とクランプとの間の摩擦係数（μ）、および、有効水平付着圧（ＰL）に関して簡略化することができる。有効水平付着圧ＰLは、滑りを起こさずに測定された最大横力を表面３０の面積で割ったものである。これら３つの量は、以下の関係を有する。
ＰL＝μＰN    （式１）
【００４８】
ＰLは、壁登りの用途に重要であり、その時、重力が、静電付着装置１０に横力を与える。なお、ＰLは、垂直クランプ圧ＰNまたは摩擦係数を増大させることによって増大できる。ＰNは、天井での移動性に重要であり、その時、重力は、静電付着装置１０に逆向きの垂直力を与える。
【００４９】
実際の静電付着力および圧力は、設計および多くの要素に応じて変化する。一実施形態では、静電付着装置１０は、約０．７ｋＰａ（約０．１ｐｓｉ）ないし約７０ｋＰａ（約１０ｐｓｉ）の間の静電付着引圧を提供する。特定の実施形態では、静電付着装置１０は、約２ｋＰａ（約０．３ｐｓｉ）ないし約２０ｋＰａ（約３ｐｓｉ）の間の圧力を提供する。そのため、静電付着装置１０の接触する活性表面を変更することによって、用途に必要な力の量を容易に実現することができる。一般に、電圧を増大させると、静電付着力が増大する。また、電極と表面との距離を小さくすると、静電付着力が増大する。さらに、活性接触表面３０および静電付着装置のサイズを大きくすると、静電付着力が増大する。後に説明するロボット工学用途では、各ロボットに利用される静電付着装置のサイズは、利用するパッドの数、ロボットの重量、および、ロバスト係数（例えば、ロバストな動作のためには、１．５ないし１０の乗数）など、数多くの要素に応じて決まる。例えば、０．１２５ｐｓｉ（０．８６２ｋＰａ）のクランプ圧では、ロバストな動作のための安全係数を除けば、一辺が２インチの正方形パッド２つで、１ｌｂ（４５３．６ｇ）のロボットを支えることができる。
【００５０】
理想的ではない条件（例えば、埃、困難な材料、粗い表面、極度に湿った表面など）に打ち勝つための適切な解決法の１つは、単に、壁の障害物にかかわらず十分なクランプ力を実現できるまで、静電付着装置１０の面積を大きくすることである。静電付着装置１０は軽いため、それらの面積を大きくしても、例えば、ロボットの総重量が大幅に増大することがない。
【００５１】
ロボットについて、付着力または静電付着装置のサイズを大きくすると、理想的ではない表面および条件（例えば、粗い表面、など）、ならびに、ロボットに対する予測不能な障害に対処する余裕が得られる。また、（より低い電圧動作で同じクランプ圧の提供が可能になることにより）所要電力が小さくなり、より大きい最大積載量が可能になり、より速くよりロバストな移動が可能になる。さらに、大きいまたは追加の静電付着装置１０をロボットの他の領域に取り付けるだけで、付着能力を強化することができる。
【００５２】
ここまで、静電付着装置１０において単一の接触面３０が壁に付着する構成を参照して、本発明の説明を行った。１つの静電付着装置１０において、複数の表面３０を利用することも可能である。通常、１つの壁に付着する場合には、複数の表面３０は、１つの装置１０のために協働で動作するため、個々の表面３０については力およびサイズが低減される。例えば、ロボットは、表面３０を壁面上に配置するよう構成されたロボットアクチュエータに結合された２以上の静電付着面３０を備えてよい。
【００５３】
電極１８は、さらに、様々な手段によって改良されてよく、例えば、静電付着性能を改善するように付着装置の表面上にパターン化されてよい。図６Ａは、本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置１０ｅを示す図である。静電付着装置１０ｅは、絶縁層４４の両面に、交互に配置された上側電極セット４０および下側電極セット４２を備える。一部の例では、電極および絶縁層４４が、コンプライアントであって、コンプライアンスを増大させるために弾性体から成っていてよい。好ましい一実施形態では、弾性体の弾性率は、約１０ＭＰａより低く、別の好ましい実施形態では、約１ＭＰａ未満であることがより好ましい。
【００５４】
電極セット４２は、絶縁層４４の上面２３上に配置されており、直線パターンの電極１８の配列を備える。共通電極７１が、電極セット４２の電極１８に対して電気的に接続しており、共通電極７１への１つの入力リード線を用いて、電極セット４２の電極１８すべてに対する電気通信を可能にしている。
【００５５】
電極セット４０は、絶縁層４４の下面２５上に配置されており、上面の電極１８から横方向にずらして配置された直線パターンの電極１８の第２の配列を備える。電極セット４０も、共通電極（図示せず）を備えてよい。
【００５６】
電極セット４０および４４の個々の電極１８間のピッチまたは平面上での間隔は、様々であってよい。図の断面における間隔は、電極の幅４５およびピッチ４７によって特徴付けられてよい。ピッチ４７は、異なる極性の電極が、絶縁層４４の同じ面または異なる面のいずれに存在する場合でも、それらの間の間隔を表す。具体的な実施形態では、静電付着装置１０ｅは、約１ミリメートルの電極幅４５と約１ミリメートルの電極間のピッチ４７とを有するコンプライアントな炭素電極を備える。他の線幅およびピッチも利用に適している。別の実施形態では、ピッチ４７は、約１センチメートルである。一般的に、ピッチ４７および線幅４５が狭いと、より絶縁性の高いすなわち抵抗の高い対象物へのクランプが速くなるが、ピッチ４７および幅４５が広いと、より大きい距離から静電付着装置１０を対象物に引き付ける。一実施形態では、様々な形状の電界を設定できるように、電極間のピッチは、クランプ１０の長さに沿って非一様になっていてもよい。別の実施形態では、電極は、異なる二次元形状（例えば、同心円配列）で配列されてもよい。
【００５７】
電極は、電極間の空隙における絶縁破壊によって制限されることなく、より高い電圧差に耐えるよう静電付着装置１０ｅおよび１０ｆの能力を向上させるために、絶縁層４４の両面にパターニングされてよい。通例、電極１８が、絶縁層４４の両面にパターニングされた場合、各電極セット４０および４２における電極１８の間隔は、弾性層４４の厚さよりもはるかに大きい（説明のために、図面では、間隔が誇張されており、また、電極の厚さも誇張して図示されているが、数ミクロンの厚さしかなくてよい）。「アスペクト比」が、電極の配列すなわち電極１８の間隔と、電極１８を隔てる絶縁材料２０の厚さｔとの比（４７：ｔ）として定義される。アスペクト比は、クランプ圧に影響する。アスペクト比が大きいと、ほぼ平面分布の電界源が可能になる。電極の間隔が小さいと、静電付着装置１０ｅの片側に付着される対象物に対して、より良好な接触が実現される。
【００５８】
絶縁層４４は、比較的平面であり、互いに反対側の面２３および２５を有し、絶縁材料２０を含む。一実施形態では、絶縁層４４は、コンプライアントであり、それに掛けられた力に従った形状になる。具体的な実施形態では、絶縁層４４は、約２ミリメートル未満の厚さを有する。別の具体的な実施形態では、絶縁層４４は、約０．１ミリメートル未満の厚さを有する。層４４は、さらに、屈曲可能であるが実質的に伸縮しない材料（マイラーなど）を含んでもよい。
【００５９】
アクリル弾性体が、絶縁層４４としての利用に適している。アクリル弾性体は、その絶縁耐力を増大させるために、予ひずみを与えられてもよい。ポリマの予ひずみは、１または複数の方向において、予ひずみ前の一方向での寸法に対する予ひずみ後のその方向での寸法の変化として説明できる。予ひずみは、ポリマの弾性変形を含みうるものであり、例えば、張力によってポリマを伸長させて、伸長されている状態で縁部の内の１または複数を固定することによって形成されてよい。一実施形態では、予ひずみは弾性的である。弾性的に予ひずみを与えられたポリマは、原理的には、固定されておらず、元の状態に戻りうる。予ひずみは、剛性のフレームを用いて境界において与えられてもよいし、ポリマの一部に対して局所的に与えられてもよい。一実施形態では、予ひずみは、ポリマの一部にわたって一様に与えられ、両方向において、例えば３００％×３００％だけ予ひずみを付与された等方性の予ひずみポリマを形成する。本発明での利用に適した予ひずみについては、米国特許Ｎｏ．７，０３４，４３２に詳述されており、その特許は、参照によって本願に組み込まれる。
【００６０】
クランプ力を向上させる一実施形態では、静電付着装置１０ｅは、装置１０ｅが壁面１２の表面粗さに対してより良好に適合する助けとなるように、絶縁層４４の厚さ、および／または、電極１８間のピッチ４７を低減する。これにより、逆の極性を有する複数の電極が、対象物の材料１６に、より近づくようになるため、電界効果が増大する。具体的な実施形態では、装置１０ｅは、１６ミクロン厚の誘電材料を備えており、電極の間隔４７は約１ミリメートルである。
【００６１】
電極１８は、絶縁層４４の同じ表面上にパターニングされてもよい。図６Ｂは、本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置１０ｆを示す図である。静電付着装置１０ｆは、コンプライアント絶縁層４４の同じ表面２３上に、交互に配置された電極セット６０および６２を備える。
【００６２】
この実施形態では、電極セット６０の正電極１８と電極セット６の負電極１８との間の距離が小さく、静電付着装置１０ｅの同じ表面上に両セットの電極を配置することが可能になっている。機能的には、これによって、電極セット６０および６２の間の間隔の内、絶縁層４４に由来する部分がなくなる。また、上面２３が壁に付着した時に、一方のセットの電極（先の実施形態において下面２５に配置されていた電極）と、壁面１２との間のギャップがなくなる。これらの変更はいずれも、静電付着装置１０ｅと、付着対象物１６との間の静電付着力を増大させるものである。
【００６３】
ミクロン規模での電極１８のパターニングにより、クランプ圧の増大が可能である。マイクロマシニングについての別の実施形態は、絶縁された「まつげ」状の構造または規模に、電極をパターニングすることを含む。図６Ｃは、本発明の別の具体的な実施形態に従って、導電性のまつげ構造５５を用いた静電付着装置１０ｉ（装置１０ｅの変形例）を示す図である。まつげ構造５５は、小さい変形可能な繊維状の構造を含み、粗い表面１２との密着性を増大させる（図５参照）。
【００６４】
一実施形態では、各静電付着まつげ構造５５は、シリコーンなどの誘電絶縁体に埋め込まれた２つの電極を有する。静電付着まつげ構造が、壁面１２上の局所的な表面粗さに形状を合わせると共に、静電付着まつげ構造が取り付けられている柔軟な裏打ち（絶縁層４４など）が、壁面１２の全体的な凹凸に形状を合わせる。別の具体的な実施形態では、絶縁被覆を有する導電性のワイヤが、別の導電層で被覆されている。この場合、静電付着電圧は、絶縁被覆を介して、内部の中心にある電極と外部のリングとの間に印加される。図６Ｃの実施形態では、各まつげ構造５５は、１つの電極だけを有しており、それらのまつげ構造は、図６Ａまたは６Ｂのものと同様な平面的な電極に結合された容易に変形可能なコンプライアント毛状構造である。この実施形態のまつげ構造は、付着対象物の予想導電率によっては、絶縁体（図示せず）で被覆されてもよい。このような形状は、マイクロマシニングを用いて、規模によっては伝統的な成形または手作業を用いて実施可能であり、壁面１２と静電付着まつげ構造の電極との間の有効ギャップが、上述のように、最初に、かつ、動的に、減少することを可能とすることで、大きいクランプ圧および静電付着力を実現する。まつげ構造を用いれば、全引きはがしラインが長い（各まつげ構造が、より大きい構造に比べて、断面積に対して長い周囲長を有する）ことから、引きはがし力への耐性も向上する。
【００６５】
パターニングされた電極１８によって実現されるクランプ圧の増大は、設計によって変化および増大しうる。一実施形態では、サイズ４５、および、静電付着装置における電極１８間のピッチ４７を小さくすることで、単位面積当たりの電界強度を増大させる。一般に、静電付着力は、電界強度の２乗の平均に比例する。また、サイズ、および、電極１８間の間隔を大きくすると、電界分布における弱い領域または無電界領域が低減される。別の実施形態では、層４４の絶縁材料２０は、静電付着装置を通しての内部電荷漏れを最小限に抑えるように選択または変更される。また、これにより、クランプのための所要電力が低減される。また、材料が、装置の付着面として追加され、摩擦係数を増大させるように選択されてよく、そうすれば、同じ垂直クランプ圧であっても有効水平クランプ圧が増大する。
【００６６】
ここまで、２つの利用電圧の場合について、静電付着装置を説明した。さらに複雑な電力供給を想定する。図４Ｉは、本発明の別の実施形態に従って、静電付着装置１０ｉを示す図である。
【００６７】
静電付着装置１０ｉは、電極１８に印加される複数の電圧の組み合わせを有する。この例では、３つの電圧Ｖ1、Ｖ2、および、Ｖ3が、交互に電極１８に印加される。例えば、Ｖ1は約５キロボルトであってよく、Ｖ2は約０ボルトであってよく、Ｖ3は約−５キロボルトであってよい。この構成によれば、図４Ｉに示すように、電極上の電荷により、対象物１６内で強度が異なるフラクタルな電界２２が生成される。フラクタルな電界とは、電極およびそこに印加された電圧によって生成される異なった強度を有する電界を意味する。電極に関する他の間隔構成と共に、４つ以上の電圧レベルを用いてもよい。
【００６８】
対象物１６内で異なる電界強度を有するフラクタルな電界２２を生成するための別の実施形態では、位相シフトされた入力を電極１８に印加する。この例では、制御回路は、時間的に変化する電圧を電極１８に印加する。図４Ｉの３電圧パターンのための位相シフト入力の適切な一例を、図４Ｊに示す。他の電圧変化パターンを用いてもよい。電極間のピッチを変更しても、図に示したような異なる強度を有するフラクタルな電界２２を実現することができる。
【００６９】
付着力を増大させるための複合的な一方法では、静電付着を、既存の壁移動方法と組み合わせる。例えば、角度の付いた小さいスパイク（表面に食い込む）を、静電付着クランプ装置１０に追加して、重力に逆らって前進運動を可能にする横力を増大させてもよい。
【００７０】
第２の複合型付着の実施形態は、静電付着を吸着カップと併用することを含む。例えば、吸着カップは、カップ用のリングの周囲に静電付着装置を備えてよく、それにより、その周囲が、壁面との密着を維持する能力が高まり、漏れが低減されて吸着力が改善される。吸着カップは、空気圧手段、ポンプ、または、電気活性ポリマ作動など、任意の適切な吸着カップ技術によって作動されてよい。
【００７１】
静電付着装置１０は、引きはがしへの耐性を増大させるように改良されてもよい。図７Ａないし７Ｃは、静電付着装置１０に対する引きはがしを示す概念図である。図７Ａおよび７Ｃは、引きはがしが起きうる場合に、垂直壁および天井について、結果として生じる引きはがしモーメント８０および引きはがし力８２を、それぞれ示す図である。
【００７２】
上述のように、静電付着装置１０は、壁１４に垂直および平行な力には強いが、図７Ｂに示す時計回りの引きはがしモーメント８０など、装置１０の一部が壁１４から離れて回転および離脱する原因になる引きはがし力およびモーメントには弱い場合がある。静電付着装置１０を対象物から引きはがすのに必要な力は、静電付着力（クランプ力によって測定されるもの）と、引きはがしラインの長さ（すなわち、付着している領域と離脱した領域とを分ける引きはがし領域におけるラインの長さ）とによって決まる。静電付着装置１０を対象物から引きはがすのに必要な最小限の力は、ここで定義したように、その対象物に対する装置の最小引きはがし力である。
【００７３】
装置１０についての最小引きはがし力が大きいことに加えて、総引きはがしエネルギが大きいとしばしば有利である。ここで定義される総引きはがしエネルギは、静電付着装置１０を対象物から離脱させるのに必要な力学的エネルギである。材料の強度と同様に、総引きはがしエネルギは、引きはがし靱性の尺度と考えてよく、最小引きはがし力は、引きはがし強さの尺度である。総引きはがしエネルギは、しばしば、最小引きはがし力と、引きはがしによって取り外すために装置１０を引く距離とを掛けたもので近似されてよい。本発明のコンプライアントおよび弾性の特性は、総引きはがしエネルギを増大させるために特に有用である。例えば、コンプライアンスが、柔軟な弾性体の層、フラップ、または、まつげ構造によるものであり、引きはがし力が、これらの弾性形状を目に見えるほど伸ばすのに十分である場合には、総引きはがしエネルギは、弾性引張エネルギによって増大される。高い総引きはがしエネルギは、一時的な衝撃、揺れ、および、振動などのかく乱に対する装置１０の耐性を高めるため、これらの場合に有用である。
【００７４】
引きはがしモーメント８０は、静電付着装置１０が、まず部分的に、そして潜在的には上から下まで完全に、離脱することを引き起こしうる。部分的な離脱が、図７Ｄ（平面図）および７Ｅ（側面図）に示されており、図中、１１２は、まだ壁１４に付着している静電付着装置１０の表面の部分を示し、１１４は、すでに引きはがしの起きた壁１２の一部を示している。引きはがしライン１１０の長さは、引きはがしが起きずに静電付着によって耐えることのできる力またはトルクの尺度になる。
【００７５】
一実施形態では、静電付着装置１０は、引きはがし耐性を増大させるよう適合される。具体的な実施形態において、静電付着装置１０は、引きはがしライン１１０の積算の長さを増大させることにより、壁から離脱させるための引きはがし力を増大させる。図７Ｆおよび７Ｇに示す静電付着装置１０ｇでは、この解決法は、静電付着装置の領域３０の全体（付着領域１１２および離脱領域１１４の両方から成る領域、図７Ｆを参照）を分割する格子構造１１６を用いて実現される。格子構造１１６は、ラインを分けることにより、静電付着装置１０の引きはがしライン１１０の積算の長さを増大させる。格子構造１１６が、より引きはがし耐性の高い静電付着装置を提供すると、結果として装置１０の曲げ剛性が増大することで、静電付着装置１０が壁面１２との密着を維持する能力を低下させ、クランプ力を低下させうる。クランプ力を補償して増大させる技術については、上述した。
【００７６】
図７Ｈおよび７Ｉは、本発明の別の実施形態に従って、引きはがし耐性のある静電付着装置１０ｈを示す図である。静電付着装置１０ｈは、付着面の反対側に、絶縁層４４の表面によって少なくとも部分的に密閉された空間１３２内で相対的な減圧を形成する密閉されたプレナム構造１３０を備える。空間１３２の減圧は、コンプライアントな絶縁層４４の変形を制限する。図７Ｈおよび７Ｉでは、密閉された空気室を示しているが、空洞内で、空気の代わりに、柔軟な弾性体、ゲル、または、液体を利用して、同様の引きはがし耐性を実現してもよい。
【００７７】
機能的には、静電付着装置１０ｈが、壁１４に付着すると、静電付着装置１０ｈの引きはがしが、密閉された空間１３２の容積を増大させることになる。これは、空間１３２内の圧力を低下させ、それにより、減圧空間１３２は、さらなる引きはがしに抵抗する。この受動的な構造の変形例によると、壁および天井の静電付着力について、それぞれ、２．６倍および１．８倍の引きはがし力の増大が見られた。
【００７８】
以上、いくつかの単純な静電付着装置について説明してきたが、以下では、電極１８および絶縁材料２０について詳述する。
【００７９】
電極１８は、電気エネルギを伝導する導電材料を含む。一般に、本発明での利用に適した電極は、付着のための電界を近くの壁または構造内に誘導する静電付着電圧を供給および伝達できれば、任意の導電体、形状、および、材料を含んでよい。電極は、静電付着装置の表面上に導電被覆として蒸着されてもよいし、内部に埋め込まれてもよい。導電被覆１８または導電層は、炭素含浸ポリマ、金属溶射またはスパッタ被覆、もしくは、当業者が利用可能なその他の任意の適切な導電体など、任意の適切な電気の担体を含んでよい。電極１８は、絶縁された電線または絶縁されていない電線から形成されてもよい。静電力は、通例、高電圧かつ低電流で作用するため、導電材料１８は、高い導電性を有する必要はない。実際、炭素繊維またはその他の炭素粒子の通常の導電率は、非導電性のポリママトリクス内に混合されることによって低下したとしても、多くの場合、十分な大きさである。絶縁材料２０内、または、別の材料の下に、電極１８を埋め込めば、電極が保護される。
【００８０】
本発明は、様々な電極１８の材料を利用してよい。一実施形態では、電極１８は剛性である。剛性電極１８に適切な材料は、銅、アルミニウム、金、真鍮などの金属、および、導電ポリマを含んでよい。
【００８１】
一部の例では、「剛性」電極の材料は、十分に薄い場合には、変形可能であるとみなされてもよい。例えば、アルミめっきされたマイラーまたは金めっきされたポリイミドは両方とも、薄い形状では容易に曲がりうるため、通例、かなり柔軟およびコンプライアントであるが、非伸縮性（非伸長性）である。電界を再び保持できるまで電極材料を局所的に蒸発させることにより、局所的な電気的破壊が自己回復しうることから、非常に薄い金属およびその他の導電体も有用である。この自己回復プロセスは、静電付着装置１０をよりロバストにする。その関連の自己回復方法は、例えば、コンデンサの従来技術において、装置をよりロバストにする方法として周知である。「剛性」すなわち伸縮性のない材料からコンプライアントな電極を形成する別の方法では、電極を伸長することなく拡大できる面内または面外のコルゲーション（ジグザグ形状など）を備えるよう電極を形成する方法である。別の実施形態では、電極１８は、コンプライアントであり、装置１０に伴って形状を変化させる、または、伸長する。適切なコンプライアントかつ伸長可能な電極材料としては、炭素グリースまたは銀グリースなどの導電性のグリース、コロイド懸濁液、カーボンフィブリルおよびカーボンナノチューブなどの高アスペクト比の導電材料、並びに、イオン伝導性材料の混合物が挙げられる。他の適切な材料としては、グラファイト粉末、カーボンブラック、コロイド懸濁液、銀充填および炭素充填ゲルおよびポリマ、イオン伝導性または電子伝導性の伸長可能なポリマが挙げられる。具体的な実施形態では、本発明での利用に適した電極は、金めっきされたポリイミドまたはカプトンを含む。よりコストの低い代替物として、アルミめっきされたマイラーを用いてもよいが、特に接続領域において、ひびが入って「開」回路になる傾向が高い。別の具体的な実施形態では、カリフォルニア州カーペンテリアのＮｕｓｉｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社が製造するＬＳＲ ５８１０シリコーン弾性体と、ジョージア州アルファレッタのＣａｂｏｔ社が製造する導電性カーボンブラック（Ｖｕｌｔａｎ（Ｒ）ＸＣ７２Ｒ）とを、５：１の比率で混合することによって、伸長可能な電極を形成してよい。ナフサまたはヘキサンなどの溶媒を用いれば、混合または蒸着中の電極の粘度を下げることができる。本発明での利用に適した様々な種類の電極が、コンプライアントな導電体の従来技術において周知であり、その例は、共同所有の米国特許Ｎｏ．７，０３４，４３２に記載されている。この特許は、参照によって全体が本願に組み込まれる。
【００８２】
炭素系の電極が、例えば、噴霧蒸着およびスクリーン印刷によってパターニングされてもよい。具体的な実施形態では、コンプライアントな電極１８は、絶縁材料２０の表面に対して選択領域またはパターンで施された薄い被覆を含む（図６Ａおよび６Ｂ）。例えば、コンプライアントな電極は、ステンシルでパターニングされた炭素含浸弾性体を含んでよい。コンプライアントな電極１８は、変形可能な静電付着装置１０に対して、ほとんど剛性を追加しない。さらに、炭素含浸ポリマは、静電付着装置１０に対して、ほとんど厚さを追加しない。具体的な一実施形態では、炭素系の電極は、静電付着装置１０上で、図６Ｃで説明したまつげ形状の構造を形成するように蒸着されてよい。別の実施形態では、電極は、材料を除去することによってパターニングされてよい。例えば、アルミめっきされたマイラーシート上のアルミニウム被覆の特定領域をエッチング除去または剥離除去すれば、マイラー基板上に、パターニングされた電極を残すことができる。
【００８３】
絶縁材料２０は、隣接する電極１８から電荷を分離して、第１の電極と第２の電極との間の静電付着電圧を実質的に維持しうる、または、その他の方法で、静電付着電圧を供給する電源が、静電付着電圧を維持することを可能にする任意の材料を含む。一実施形態では、電極１８間の間隔が、絶縁材料２０の導電率の限界を決定する。つまり、電極１８が近すぎる場合、良好な絶縁体であっても、装置１０で利用されうる高電圧では弱い導電性を有しうる。一部の例では、エアポケットが、電極１８間の効果的な絶縁体として機能しうる（例えば、図４Ｇまたは５Ｂ参照）。
【００８４】
一実施形態では、絶縁材料２０は、コンプライアントな材料を含む。具体的な一実施形態では、絶縁材料２０は、約１０ＭＰａ未満の弾性率を有する。別の実施形態では、絶縁材料２０は、約１ＭＰａ未満の弾性率を有する。
【００８５】
絶縁材料２０は、より剛性の材料を含んでもよい。マイラーなど、一部の剛性材料は、薄く成形されることが可能であり、それによって、その薄い材料は、屈曲可能で形状を合わせることが可能になるが、実質的に弾性伸縮しない。より大きい荷重を支えるために、より剛性で強い絶縁材料２０を用いてもよい。
【００８６】
絶縁材料２０の具体的な例としては、コンプライアントなゴムまたは弾性体、アクリル弾性体、マイラー、ポリイミド、シリコーン、シリコーンゴム、パイラリン、ＰＭＤＳ弾性体、シリコーンゴムフィルム、ポリウレタン、ポリプロピレン、アクリル樹脂、ニトリル、ラテックス、グラスファイバ、グラスファイバ布、ガラス、および、セラミックが挙げられる。１つの適切な絶縁材料２０は、コネチカット州ウィルトンのＧＥ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ社が提供するシリコーンＲＴＶ１１８である。ＰＶＣフィルム（食品包装用のラップとして広く利用されている）も、利用に適しており、良好なバランスの弾性、弾性率、および、絶縁破壊強度を有する。これらの材料は、強化された静電気を有するよう形成されるため、低い漏れ率および高い絶縁破壊強度を有する。ＰＶＣフィルムに対する絶縁破壊試験により、２５０ないし５５０Ｖ／ミクロンの絶縁破壊強度を有することがわかったが、これは、静電付着に必要な最小値よりも十分に高い。別の適切な材料は、マイラーであり、絶縁破壊強度が優れていると共に固有の漏れが低い（そして、電力消費が小さい）。
【００８７】
静電付着装置１０は、任意のフォームファクタ、形状、および、サイズでパッケージングされてよい。パッド付きの平坦な静電付着装置１０については、すでに説明した。静電付着軌道（地面での移動に適している）が、図１０Ａないし１０Ｃに図示されている。静電付着装置タイヤが、図１１Ａおよび１１Ｂに図示されている。また、支持構造２４を硬くまたは柔軟にすることができれば、様々な表面性状を有する特注の形状が可能になる。静電付着装置１０は、実質的にスケールの影響を受けないことに注意することが重要である：静電付着装置のサイズは、表面積で１平方センチメートルから数平方メートルの範囲であってよい。それよりも大きいまたは小さい表面積も可能であり、サイズは、用途に応じて決められてよい。
【００８８】
静電付着装置１０は、様々な材料１６、構造１４、および、表面１２に付着できる。表面１２の例としては、以下のものが挙げられる：屋内および屋外の壁；自然環境で見られる岩、木、およびその他の障害物；橋梁および貯蔵タンクの側面などの傾斜構造；天井；ドアおよび窓。屋内および屋外の壁は、垂直の壁、傾斜した壁、天井などを含んでよい。構造１４の例としては、以下のものが挙げられる：建造物およびその部分；木；車；飛行機；ボート；装置または装置１０を利用するロボットよりも大きいその他の乗り物；橋梁；貯蔵タンク；配管。
【００８９】
また、本明細書に記載されている静電付着は、様々な壁の材料に対するロバストな付着を提供する。壁の材料としては、コンクリート、木材、ガラス、プラスチック、セラミック、御影石、岩石、アスファルト、および、金属、が挙げられるが、それらに限定されない。例えば、本発明は、日常的に建造物内で一般的に見られるほとんどの壁材料（コンクリート、木材、鋼鉄、ガラス、乾式壁など）に対して機能する。湿った表面、埃っぽい表面、平坦でないおよび／または粗い表面など、完全ではない条件および表面も、付着に適する。粗い表面は利用に適しており、すでに、図５Ａないし５Ｃを参照して上述した。
【００９０】
電気制御および回路
静電付着装置は、通例、電気制御および入力に依存する。例えば、少なくとも、静電付着電圧を静電付着装置１０に供給するために、最小限の回路が必要である。図８は、本発明の一実施形態に従って、適切な静電付着電圧を静電付着装置１０の電極１８に供給するのに適した制御・調整回路１５０を示す図である。
【００９１】
制御回路１５２は、適切な静電付着電圧が電極１８に印加される時を決定するよう構成されている。回路１５２は、静電付着電圧が印加される時とそれらの大きさとを決定するオン／オフ信号を供給するプロセッサまたはコントローラを備えてよい。回路１５２は、静電付着装置１０の充放電サイクルに関する時間を決定してもよい。
【００９２】
調整回路１５４は、以下の動作の１または複数を実行するよう構成された任意の回路を備えてよい。それらの動作とは、電圧の上昇（電極１８に電圧を印加する際に利用される）、ＡＣおよびＤＣ電力間の変換、電圧の平滑化、および、蓄積された静電エネルギの回収、である。調整回路１５４は、低電圧バッテリ１５６から電力を受けるよう設計されてよい。例えば、ロボット工学用途では、調整回路１５４は、従来のバッテリ（４０ボルト未満のものなど）から電圧を受けて、その電圧を、約１キロボルトの静電付着電圧に上昇させてよい。バッテリなどの低電圧電源の代わりに、多くの手持ち式の計算機で利用されているものと同様の小型太陽電池パネルなど、別の電源を用いてもよい。一実施形態では、調整回路１５４は、本明細書に記載した静電付着電圧への電圧上昇を実現するよう構成された変圧器を備える。具体的な一実施形態では、調整回路１５４は、カリフォルニア州サッタークリーク、フォレストプロダクツロード７０のＥＭＣＯ Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ社が提供するモデルＮｏ．Ｑ５０−５を備える。リード線１５８が、調整回路１５４から共通電極７１に伸びており、共通電極７１は、静電付着装置１０の複数の電極１８と同時に通信する。
【００９３】
静電付着装置１０の構成によっては、より複雑な充電制御回路が開発されてもよく、図８の設計には限定されない。また、回路機能の一部が統合されてもよい。例えば、１つの集積回路が、電圧上昇回路１５４および充電制御回路１５２の両方の機能を実行してもよい。
【００９４】
静電付着装置１０に供給される電圧は、様々であってよい。一実施形態では、ＡＣ駆動が電極に対して用いられる。一部の例では、誘電性の対象物における静電力は、安定したＤＣ駆動下で時定数にわたって緩和することが示されている。この現象は、電荷をトラップした場合の絶縁体２０でも起こりうる。しかしながら、コンプライアントな電極１８の各々における電荷の極性を高頻度で交代させることにより、静電力を維持または強化することができる。具体的な一実施形態では、ＡＣ信号は、１Ｈｚ以上の周波数を有する。それよりも高いまたは低い他の周波数が用いられてもよい。別の実施形態では、複数セットの電極１８が、時間オフセットまたは位相シフトされた複数のＡＣ電圧を印加されて利用される。これは、あるセットのＡＣ電圧が一時的に０電圧差を通過する時に、別のセットの電極１８が静電付着力を維持することを可能にする。別の実施形態では、ＤＣ駆動が、電極に提供されてよい。ＤＣ駆動の例の一部では、電圧がオフに切り替えられた時に迅速な解除を実現するために、適度に低い絶縁体の抵抗が、漏れ経路を提供してよい。別の例では、所望の時に解除を行うために、ＤＣ駆動と逆極性の一定量の電荷が、電極１８にパルス供給されてよい。この場合、一定量の電荷は、静電クランプ２０と等しい静電容量を有する外部のコンデンサまたは調整回路１５４の一部であるコンデンサから供給されてよい。
【００９５】
静電付着装置１０の切り替え時間および応答時間は、電極１８に対して用いられる電気装置および信号によって異なる。５Ｈｚの信号は、時間周期の１０分の１の電圧上昇時間を有し、２０ミリ秒の充放電サイクルを提供する。
【００９６】
一般に、静電付着は、対象物に付着するための少量の電力を必要とする。静電付着は、主に、容量性の装置と考えてよいため、所要電力は小さい。これは、漏れ電流を最小限に抑える（ほとんどの例では、マイクロアンペアまたはナノアンペアのオーダー）ために絶縁材料２０の適切な選択をすれば、無効電力が小さいままになることを示している。絶縁体２０の抵抗率は、漏れ電流が許容可能である限りは、トラップされた電荷が問題になる場合に、低減されてよい。
【００９７】
ロボット工学およびその他の用途における所要電力を評価する助けとなるように、静電付着の迅速な電力モデリングを提供する。これは、移動を行わないパーチ（perch）位置すなわち停留位置にあるロボットの持久力を理解するのに、特に有効である。その時も、ロボットは、長時間、壁または天井への付着を維持する必要がある。
【００９８】
説明のための例として、１５平方インチの静電付着面積は、０．１ｐｓｉ（０．６８９６ｋＰａ）の静電圧力（湿った表面および粗い表面ならびに粒子が存在する可能性に対応できる控えめなクランプ圧）で、１．５ｌｂ（６８０．４ｇ）のロボットの重量を支えることができる。この面積は、多くの設計について、３平方インチまで低減されてよい。電極の面積は、装置１０の接触面８０の総面積の５０％と概算することができる（例えば、１ミリメートルの間隔で配置された１ミリメートル幅の電極）。静電付着の静電容量は、装置１０が付着されている対象物１６によって決まるが、対象物２０が鋼鉄などの導電材料である場合には、絶縁材料２０の厚さを介して静電容量を近似することによって、簡単な推定値を得ることができる。非導電性の対象物についての有効電荷経路がより大きく、その結果、静電容量が小さいことから、この推定値は控えめなものになっている。平行板コンデンサの静電容量は、以下の式で表される。
Ｃ＝εoεrＡ／ｄ    （式２）
【００９９】
ここで、εrは、対象となる材料の誘電率であり、εoは、自由空間の誘電率であり、Ａは、装置１０の電極の面積であり、ｄは、電極１８間の絶縁された電気路の長さである（すなわち、導電性の対象物およびその他の導電体を通る長さを除く）。４．７の誘電率と約２５ミクロンの厚さとを有するアクリルを絶縁材料２０として用いる場合、式１によると、３平方インチ（１９．３５平方センチメートル）の面積に対しては、０．８ｎＦの静電容量となる。この抵抗器を充放電するために必要な電力は、以下の式によって与えられる。
Ｐ＝１／２・ＣＶ2Ｆη    （式３）
【０１００】
ここで、Ｖは、静電容量が充電される電圧（例えば、３ないし４ｋＶ）であり、ηは、低電圧から高電圧への変換の効率であり、Ｆは、充放電の周波数である。以下で説明するような車輪付きのロボットについては、車輪が回転すると充電および放電が起きる。例えば、以下で説明するような整流器が利用される。しかしながら、ロボットが静止している場合には、一部の対象物ではクランプ力を徐々に低下させうる対象物内での電荷の蓄積を防止するために、コンプライアント電極は、双極ＡＣ電圧で充電されてよい。説明のために、２０ＨｚのＡＣ充電／放電周波数と、５０％の効率とを仮定して、装置１０は、０．２６Ｗの電力を利用することとする。
【０１０１】
一部の例では、絶縁材料２０の漏れ抵抗に打ち勝つために、さらなる電力が必要になりうる。２つの連続する電極１８の間の抵抗は、かなり大きい（例えば、ギガオームのオーダー）ため、それに関連する漏れ電流は、マイクロアンペアまたはナノアンペアのオーダーである。そのため、Ｉ2Ｒの抵抗損失は、コンプライアント電極の間の実効静電容量を充電および放電するために必要な電力のごく一部である。
【０１０２】
次の章で説明するような完全に機能するロボットでは、移動のための電力のほとんどは、地上車両と同様に、駆動モータおよび通信装置のためのものである。上述の解析は、各サイクルからの電荷が、抵抗器またはその他の手段を通して散逸されることを仮定していることに注意されたい。電荷を回収し、コンデンサを横切って往復させるさらなる回路を用いれば、電子効率は、８０％を超えることが可能であり、それにより、クランプによって停留するために必要な電力が小さくなり、パーチモードのロボットの持久力が増大する。多くの場合そうであるが、ＡＣの充放電が必要なければ、必要な電力ははるかに小さくなることにも注意されたい。例えば、多くの表面および静電付着装置１０の構成では、ＤＣ電圧が良好に作用し、電力をオフにする必要なしに、簡単に装置１０を引きはがして取り外すことができる。引きはがしは、手動で、または、ロボット側で行われてよく、静電付着装置の一部が、他の部分が付着された状態で引きはがされてもよい（例えば、静電付着車輪またはトレッドを用いる。以下のロボットの説明を参照）。ＤＣ電力を利用できる場合には、電力消費を劇的に低減することが可能であり、一実施形態では、１ｌｂ（０．４５ｋｇ）のロボットを壁上で保持するために必要な電力は、１００マイクロワットだけでよいと推定された。
【０１０３】
図９は、本発明の一実施形態に従って、静電付着を用いて物体を付着させる方法２００を示す図である。
【０１０４】
方法２００は、通例、対象物の表面に近接するように静電付着装置を配置する工程（２０２）で始まる。ロボットに関連して以下で述べるように、これは、車輪または軌道などの機械的な手段を用いて自動化されてよい。図１６Ａの両面静電付着装置６００の場合には、ユーザが手動で配置してもよい。
【０１０５】
次いで、静電付着装置の電極と電気通信する制御回路が、差動静電付着電圧を電極に印加する（２０４）。一部の例では、工程２０２および２０４は逆転されてもよく、すなわち、最初に、電圧が電極に印加された後に、静電付着パッドを対象物の近くに配置するようにしてもよい。電圧差は、実質的に同時に印加されてもよいし、異なる時に印加されてもよい。静電付着装置と対象物との間に付着のための電界および静電力を生成するための適切な静電付着電圧については、すでに説明している。
【０１０６】
絶縁材料２０が、電極の隔離を維持すると共に、静電付着のための電圧差を維持する（２０６）。これは、静電付着装置と対象物との間で、付着のための電界および静電力を維持する。
【０１０７】
次いで、装置は、対象物に付着する（２０８）。別の実施形態では、静電力は、表面に対する静電付着装置の静止摩擦を増大させるために利用される。増大された静止摩擦は、傾斜または低くて滑りやすい表面（例えば、氷など）での（ロボットまたはその他の装置）の移動に有用である。
【０１０８】
一実施形態では、静電付着装置が、電極の間に、および、対象物の表面に、変形可能な材料を含む場合に、コンプライアンスによって、電極がより表面に近づくことを可能にし、静電付着力および付着の強さを動的に増大させる（２１０）。これについては、図５Ａないし５Ｃを参照して上述した。
【０１０９】
例えば、静電付着装置を壁に対して移動させるために、静電付着を停止したい場合には、制御回路が、静電付着差動電圧を取り除く（２１２）。静電付着装置が別の位置に移動される場合には、方法２００は、必要に応じて繰り返されてよい。他の例では、静電付着電圧は、常にオン状態であってよく、ロボットは、電圧をオフにすることなく静電付着装置を機械的に引きはがすことによって移動される。
【０１１０】
装置および用途
電気的に制御された付着は、様々な装置および用途での幅広い利用が可能である。例えば、壁移動のために設計および適合された多くの装置が、本明細書に記載された静電付着装置および方法の利用に適している。以下で詳述するいくつかの例は、壁移動ロボット、壁移動のために人間が身につける静電付着装備、および、梯子の上側または全長が壁に付着して人間が梯子を登ることを可能にする静電付着梯子を含む。多くの他の装置が、本明細書に記載された静電付着装置および方法を用いてよい。
【０１１１】
この章の多くの装置（ロボットなど）は、ロバスト性能を可能にする。それらの装置は、１秒未満の静電付着の応答速度で付着および離脱すること、粗い表面に形状を合わせて付着すること、埃っぽいまたは湿った環境で動作すること、互いに直角の壁の表面の間で移動すること、などが可能である。さらに、静電付着装置による重量の追加はほとんどなく、多くの独立型のパッドは、１オンス（２８．３５ｇ）未満の重さであってよい。
【０１１２】
以下では、多くのロボットの設計例について説明する。一実施形態では、壁移動ロボットを実現するために、静電付着を利用する。これは、車輪または軌道を用いるもの（図１０ないし１２）など、回転式の移動手段を有するロボットに静電付着装置を追加することを含んでよい。
【０１１３】
図１０Ａは、本発明の具体的な一実施形態に従って、壁移動ロボット３５０ａを示す図である。ロボット３５０ａは、シャーシ３５４の左右に２つの軌道３５２を備える。一部の例では、シャーシ３５４の左右それぞれの側に取り付けられる１つの連続的な静電付着装置が用いられてよい（コンベヤベルトと同様）。
【０１１４】
シャーシ３５４は、ホイール３５４の間の構造的な支持を提供し、ホイールは、１または複数の軌道３５２と連動する。シャーシは、さらに、バッテリまたはその他の電源、ホイール３５４を回転させるための１または複数のモータ、無線通信装置およびインターフェースなど、ロボット３５０の移動に必要な小型の構成要素すべてと、カメラなどの積載物と、を備える。
【０１１５】
軌道３５２は、外面上に１または複数のコンプライアント静電付着装置を備える。一実施形態では、静電付着装置は、途切れることなく、軌道の長さに沿って、連続的に連なっている。軌道３５２の機械構造、および、その上に配置されたコンプライアント静電付着装置の両方が、粗いまたは平坦でない表面に形状を合わせることができる。軌道３５２は、それほどの質量を必要とせずに、大きい静電付着表面積を提供する。さらに、軌道は、非構造的および予測不能な地形（平地および垂直の両方）上で移動するために、信頼性の高い、ロバストな、実証された方法を提供する。
【０１１６】
旋回するために、片方または両方の軌道３５２が、表面に対して滑る。旋回中には、片方または両方の軌道３５２と表面との間の静電付着は、低減されてよい。さらに、個々の軌道３５２上の静電付着圧の制御を利用して、追加の機構なしに車両の操縦を行うことが可能であり、それによって、単純および軽量の操縦機構を実現できる。別の例では、軌道３５２の速さを、ロボットの一方の側において、他方の側に対して変化させてもよい。
【０１１７】
図１０Ｂは、本発明の別の具体的な実施形態に従って、壁移動ロボット３５０ｂを示す図である。ロボット３５０ｂは、複数の部分３７２および３７４と、部分３７２および３７４の間の旋回を実現するヒンジ３７６とを備える。以下で説明するように、これにより、水平の表面（床または天井）と垂直の表面（壁）との間の移行が容易になる。図１０Ｃは、壁移動ロボット３５０ｂが、水平の表面３８０から、垂直の壁３８２、さらに別の水平の表面３８４へと移動する様子を示す図である。
【０１１８】
図１０Ｂによると、部分３７２および３７４は、それぞれ、ヒンジ３７６を中心に互いに対して旋回することが可能であると共に、それぞれ、壁面への付着を独立的に維持することができる。これにより、壁移動ロボット３５０は、例えば、建造物の内側および外側の角を首尾よく通過することができる。図には示していないが、ロボット３５０は、３、４、１０、または、それ以上など、３以上の部分を備えてもよい。
【０１１９】
ヒンジ３７６は、部分３７２および３７４に結合して、部分３７２および３７４の間の回転運動を可能にする。ヒンジ３７６は、受動的なものであってもよいし、関節付きのものでもよい。関節付きヒンジ３７６は、アクチュエータを用いて、ヒンジを制御可能に回転させ、一方の部分を他方の部分に対して動かす。例えば、アクチュエータは、トルクを供給するために、送りネジ・モータ装置、または、ギヤボックスを備えたモータを備えてよい。関節は、互いに直角な表面を通過するために、９０度またはそれ以上回転するよう動作してよい。受動的なヒンジ３７６は、部分３７２および３７４から掛けられる力に反応する。
【０１２０】
図１０Ｃに示すように、内側の角３８１（例えば、床３８０から垂直の壁３８２）に対しては、前の（上側の）部分３７４は、登ることで上に向かって折り曲がり、後ろの（下側の）部分３７２は、上側の部分３７４が垂直の表面１２にクランプするまで、静止摩擦および静電付着を提供する。図には示していないが、壁移動ロボット３５０は、（例えば、ホイールの方向を逆転させることにより）前向きおよび後ろ向きの両方に移動することが可能であってよい。この例では、部分３７２が、前の部分になり、部分３７４が、後ろの部分になる。
【０１２１】
外側の角３８５（垂直の壁３８２が上面すなわち屋根３８４につながる部分）に対しては、前の部分３７４が、最初に、屋根３８４（垂直の壁３８２に対してほぼ直角）に接触し、次いで、それによってロボット３５０の残り部分を引っ張る。ロボット３５０の半分の移行が達成されると、後ろの部分３７２の付着をオフに切り替えることが可能であり、その場合、後ろの軌道が屋根３８４の表面に付着するまでは、ロボット３５０は前輪駆動車として動作する。これにより、互いに直角な表面間を容易に移行できるようになると共に、電力消費が低減される。
【０１２２】
具体的な一実施形態では、ホイール３５４の一部が、受動的なホイールであり、回転動力を提供しない。別の具体的な実施形態では、ホイール３５４の一部は、バネが設けられており、ロボットが上を向く時に壁との接触の量を維持および増大させるために少し移動することができる。
【０１２３】
図７Ａないし７Ｉを参照して上述したように、静電付着装置は、引きはがしに耐えるよう適合されてよい。また、ロボットの重心は壁面から離れているため、引きはがしは、ロボットが静電付着装置にトルクを掛ける時に、ロボットにとって問題となる。
【０１２４】
ロボットに対する引きはがしトルクを低減するための一技術は、ロボットをできるだけ薄く平坦にすることである。ロボット３５０は、また、ロボットが壁からはがれないように、壁１４に垂直なクランプ力を作用させる。簡単な例では、５Ｎ（約０．５ｋｇまたは１ｌｂの質量）の重さの薄型のロボットは、壁面１２から０．０７５ｍ（約３インチ）に位置する質量中心を有する。この例では、作用する引きはがしトルクは、５Ｎ×０．０７５ｍ、すなわち、約０．３７５Ｎ・ｍ（約３ｉｎ−ｌｂｓ）である。底部で旋回し、長さに沿って大体一様に分布した静電付着クランプ力を有する０．２５ｍ（１０インチ）長のロボットについては、平均のモーメントアームは、底部から約０．１２５ｍ（５インチ）となり、必要な垂直のクランプ力は、約０．３７５Ｎ・ｍ／０．１２５ｍ＝３Ｎである。１．５ｋＰａ（約０．２ｐｓｉ）の適度なクランプ力を想定すると、必要な３Ｎのクランプ力は、様々な壁面上のほとんどの静電付着材料について、３Ｎ／（１５００Ｐａ）＝０．００２ｍ2すなわち３．１平方インチのサイズを有する静電付着装置で実現可能である。一般に、より粗い表面は、ロボットをさらにロバストにするために、より大きいクランプ力すなわちより大きい静電付着装置を必要とする。
【０１２５】
引きはがしを低減するための別の技術は、図１０Ｂに示すように、２連結の軌道付きロボット３５０ｂを利用する。ロボット３５０ｂは、２つの軌道部分、すなわち、前方部分３７４と後方部分３７２とを備える。一実施形態では、前方部分３７４は、受動的な後方部分３７２よりも小さく、後方部分によって前方に押される。この例では、後方部分３７２は、ロボット３５０ｂを移動させるためのモータおよびギア装置を備える。
【０１２６】
垂直の壁を登るロボット（図１０Ｃ参照）については、通例、重心のずれによる引きはがしモーメントが、最下点を中心にロボットを回転させようとする。前方部分３７４は、後方部分３７２に掛かるこの引きはがしモーメントを打ち消す力およびモーメントを提供する。静電付着装置を軌道３５４に沿って効果的に分割して完全に引きはがされることを妨げるために、各部分の軌道３５４上に、リブすなわち剛性の横材を追加してもよい。静電付着を利用する多くのロボットに、機械的な延長部分すなわち「テール」を追加することができる。テールは、回転点を低くするため、モーメントアームを長くすることにより、引きはがしトルクに耐える静電付着の有効性を増大させる。
【０１２７】
図１１は、本発明の別の具体的な実施形態に従って、つぶれタイヤ（フラットタイヤ）構成の静電付着を利用する壁移動ロボット４００を示す図である。簡単のために、装置３５０に含まれないロボット４００の特徴だけを説明する。したがって、シャーシ３７２およびバッテリなどの構成要素については詳述しない。
【０１２８】
ロボット４００は、４つの低圧のタイヤ４０２の外面上の外周のまわりに配置されたコンプライアントおよび弾性の静電付着装置１０を備える。各タイヤ４０２は、その上に配置された静電付着装置１０と、付着されるべき表面との間の接触面積を増大させるために、低圧のタイヤに似せている。
【０１２９】
各タイヤ４０２は、２セットのコンプライアント電極４０４、すなわち、内側の電極セット４０６のコンプライアント電極４０４と、外側の電極セット４０８のコンプライアント電極４０４とを備える。電極セット４０６および４０８は、それぞれ、実質的にタイヤ４０２の幅にわたって伸びると共に互いに円周方向にずれて配置された指状の電極４０４を備える。
【０１３０】
一実施形態では、絶縁性およびコンプライアントな層（コンプライアントな材料を含む層であり、図１１Ａには図示されていない）が、電極セット４０６および４０８を分離している。具体的な一実施形態では、絶縁層は、絶縁性の弾性体層を含む。電極セット４０６および４０８は、電極４０６および４０８の間のギャップにわたって電気的破壊を防止するために、絶縁層を挟んで互いに反対側に配置される。別の実施形態では、電極４０６および４０８は、コンプライアントな基板の同じ側に配置されてもよい。これは、薄い絶縁層の内側であってもよいし、基材に直接接触するその層の外側であってもよい。
【０１３１】
電極セット４０６および４０８は両方とも、外側層の下でタイヤ４０２内に埋め込まれる。ただし、外側層は、図１１Ａでは電極が見えるように透明になっているため図示されていないが、実際には、透明である必要はない。電極間絶縁層および外側層は、電極４０６および４０８がタイヤ表面の近くに留まるように、通常は薄くなっている。
【０１３２】
動作の際に、つぶれタイヤ４０２は、電極と表面１２との間の接触表面積を増大させる。図５Ａないし５Ｃの方法に関して上述したように、タイヤおよびその上に配置された静電付着装置１０のコンプライアンスにより、接触表面積を動的に増大させて、より大きい表面積での付着、および、より大きい付着力を提供することが可能になる。一部の例では、膨張したタイヤからの静電付着力が壁登りの際の支えに十分である場合には、タイヤをつぶす必要はない。かかる例では、ロボットを前方へ駆動するのに必要な電力は、つぶれタイヤを用いる場合よりも低くなりうる。
【０１３３】
電気的に、対象物表面の近くのコンプライアント電極４０４の駆動は、ロバストなクランプおよび迅速な離脱（車両の移動を妨害しないように）の両方を実現するために、双極ＡＣ電圧を利用してよい。ＡＣ電圧は、ロボットが静止している時に、対象物または絶縁体にトラップされた電荷によって時間と共にクランプ力が低下することを防止するのにも有効である。電極の駆動停止により、通常の動作中に車輪４０２（または、軌道）に付着して付着の効率を低下させうる埃、湿気、またはその他の物質の除去が可能になる。したがって、付着面の静電付着をオフに切り替えることにより、埃の粒子が、車輪４０２（または、ロボット３５０の軌道）に積極的に付着しないようになるため、以下で詳述するように、単純で受動的なクリーニング装置（ブラシ４３２など）によって、車輪または軌道上の任意のさらなるごみを除去すること可能になる。一部の例では、上述したように、ＤＣ電圧を用いれば、十分な静電付着力を維持するのに十分である。ブラシは、対象物に付着する静電付着面をきれいに掃除することにより、ＤＣ動作でも役立ちうる。ＤＣモードでは、埃およびごみは、臨界面（critical surface）から落ちうるまでは、ブラシの位置に蓄積しうる。
【０１３４】
ＡＣモードでは、タイヤ４０２の回転における選択された時間に、コンプライアント電極に対して電荷を行き来させるために、電気整流器が利用されてよい。整流器は、タイヤが表面１２と接触している時（または直前）に、回転する車輪４０２の最下部の角度において電極４０４に電荷を印加して、対象物と接触しない最上部または側方での回転角度で、クリーニングのために、この電荷を除去するように構成されている。したがって、整流器は、電気エネルギが電極セット４０６および４０８に供給される時間を制御することによって、静電付着装置の回転中の静電付着および駆動を選択的に実行できるようにする。整流器は、比較的簡単なものであり、車輪の回転の適切な部分への双極ＡＣ信号の印加と、多くの信号を必要とせずに、車輪の回転の他の部分からの電荷の除去とを可能にする。本発明での利用に適した多くの整流器が、様々な製造供給元によって市販されている。整流器は、適切な高電圧能力を有する場合には、静電付着装置に対して高電圧をやり取りしてもよい。あるいは、整流器は、タイヤ内部の小型電圧変換器に、または、１つの高電圧源を複数の適切な電極につなぐタイヤ上の高電圧スイッチ（半導体高電圧スイッチ）に、低電圧電力を送ってもよい。整流器の代わりに、選択的な回転電気駆動のためのスリップリングまたはその他の機構を、場合によっては、高電圧に対応するために絶縁性の強化または有効チャネルの数の低減と組み合わせて、利用してよい。利用に適したスリップリングの一例としては、バージニア州ブラックスバーグのＭｏｏｇ社が提供するモデルＡＣ２４６が挙げられる。制御された回転電気供給のための整流器またはその他の機構は、小さい改造を行うだけで、本明細書に記載した他のロボット（すなわち、軌道またはフラップ付きタイヤを備えたもの）で利用可能であることに注意されたい。
【０１３５】
電力を電極に供給するための別の技術も利用に適している。また、ブラシを備えずに、電圧バスが、所望の回転位置でスポーク４１８に接触することで所望の角度において静電付着装置を駆動するように、ロボット４００の本体３７２に対して固定されてもよい。別の具体的な実施形態では、ロボットは、回転する静電付着面に信号を供給するために、４ないし８のチャネルを有する高電圧スリップリングを用いてもよい。車輪または軌道の各領域は、対象物の表面に近づいた時に、スリップリングの１つのチャネルに接続して駆動される。この例では、壁または地面に対する各領域の位置を判定するトリガーセンサを用いて、入力電圧を指示してよい。
【０１３６】
ロボット４００は、簡単な操縦を実現する。実際に、変形された車輪を備えた既製のロボット（例えば、つぶれタイヤ４０２および整流器の追加などをするために）を、ロボット４００に利用することができる。さらに、独立した車軸４３６を各車輪に備えれば、旋回を実現するのに必要な滑りが最小限になり、必要であれば、常に、完全な静電付着クランプ力を適用することが可能になる。ロボット４００に対する変形例が可能である。他の適切な構成は、ロボットの剛性車輪に組み込まれた同様の静電付着装置１０を含む。
【０１３７】
ロボット４００は、さらに、静電付着装置１０とタイヤ４０２の表面とをクリーニングするよう構成されたクリーニングシステムを、随意的に備える。クリーニングシステムは、パッドと壁面との間に存在しうる湿気、埃、および、その他の異物粒子を除去してよい。クリーニングシステムは、本明細書に記載した他のロボットに追加されてもよい。例えば、クリーニングシステムは、軌道３５２から粒子および湿気を除去するために、ロボット３５０に追加されてもよい。
【０１３８】
クリーニングシステムの構成要素は、付着パッドから除去される物体によって変更されてよい。例えば、クリーニングシステムは、通常は壁に接触しない位置にタイヤが回転した時にタイヤ４０２上の静電付着装置に接触するブラシ４３２（図１１Ｂまたは１０Ａ参照）を備えてよい。ブラシ４３２は、非常に良好に粒子を除去する。あるいは、クリーニングシステムは、タイヤ４０２または軌道３５２の非付着位置において、それらの静電付着装置から、埃粒子および湿気の両方を除去する発泡材料を備えてもよい。除去されうる他の物質としては、オイル、土、ガラス、および、その他のごみが挙げられる。
【０１３９】
一実施形態では、クリーニングシステムは、パッド１０がロボットのために壁にクランプする場所に干渉しないような静電付着装置１０の移動経路上に配置される。ロボット４００は、タイヤ４０２の回転経路に沿った側方位置（最下位置および最上位置ではない）を利用して、静電付着装置１０がブラシ４３２に接触することを可能にすることで、各タイヤ４０２の表面を連続的にクリーニングする単純な受動的クリーニングシステムを実現する。通例、車輪または軌道がクリーニングパッドに接触する時には、付着を（例えば、整流器を用いて）オフにすることで、ごみおよび液体の除去を可能にする。付着状態ではない装置をクリーニングするために掛ける必要のある圧力は小さいため、クリーニングシステムは、パッドのクリーニングを持続するために、追加の電力をほとんど必要としない。
【０１４０】
図１２は、本発明の別の具体的な実施形態に従って、壁移動ロボット４５０を示す図である。ロボット４５０は、車輪４５４から外に向かって放射状に伸びる柔軟な静電付着装置４５２を備える。
【０１４１】
各静電付着装置４５２は、比較的平坦であり、車輪４５４に結合する第１の端と、第２の自由端とを有する。構造的には、各装置４５２は、フラップに似ている。各車輪４５４が回転すると、各車輪における静電付着装置４５２は、車軸を中心に回転し、そのうちに、ａ）対象物１６の表面に接触し、ｂ）車輪４５４の下で平らになる。両方の位置で、静電付着装置４５２は、付着力を対象物１６に提供する。累積的に、対象物１６の表面に接触する複数の静電付着装置４５２は、垂直の壁、傾斜した壁、天井などで、ロボット４５０を高所に保持するために十分な力を提供する。一実施形態では、静電付着装置４５２は各々、ゴムなどの柔軟な材料を絶縁材料２０として備えており、それによって、装置は、容易に変形できるようになっている。
【０１４２】
フラップ型静電付着装置４５２は、上述のロボット３５０の軌道３５２に追加されてもよい。この例では、屈曲可能であるが実質的に伸縮しないフラップ４５２の一端が、トラック３５２に結合し、他端が、結合端に対して自由に変形できるようになっている。各軌道３５２が回転すると、各軌道の上のフラップ型静電付着装置４５２は、そのうちに、ａ）対象物１６の表面に接触して、ｂ）フラップが壁に付着した軌道の下側にある状態で、軌道３５２の下で平らになる。この設計は、フラップ型静電付着装置４５２が壁に接触する期間を長くして、ロボットと壁との間の静電付着接触面積を増大させる。さらに、ロボットを支えて駆動するための荷重が、各フラップの底面に掛けられ、実質的にフラップの面内の方向にあることから、フラップ４５２は、引きはがしへの耐性を増大させる。また、フラップ４５２は、軌道の下側において、長くなった接触時間を利用して、図５Ｂおよび５Ｃに示したように、動的に接触を増大させてもよい。かかるロボットが、構成され、多くの材料の垂直壁を登ることが可能であり、毎秒約１フィートの速度に達する。
【０１４３】
図に示すように、ロボット４５０は、さらに、ヒンジ３７６と、それに結合された２つの部分とを備える。ロボット４５０の別の実施形態は、図１０Ａまたは１１Ａのシャーシと同様の１つ部分を備える。旋回時に、ロボット４５０は、図１１Ａのつぶれタイヤ設計と同様に、低減されたパッド４５２の滑りを利用する。別の例では、表面に対する滑りを必要とせずに旋回するために、間に関節付きのヒンジを備えた２つの並列配置の装置を用いることができる。図には示していないが、ヒンジ３７６と、複数の部分３７２および３７４とは、図１１Ａおよび１２の車輪付き設計で利用されてもよい。
【０１４４】
上述のロボットは、粗い、埃っぽい、および、時に湿った環境など、様々な外部の表面をロバストに登ること、内部の表面上で移動すること、少なくとも１つの表面への付着を維持しつつ、互いに直角および他の角度の付いた表面の間で移行すること、垂直の壁または天井上にかなりの期間動かずに留まること（「パーチング」とも呼ぶ）、が可能である。上述の静電付着を利用するロボット以前には、これらの機能すべてを実行できるロボットは、長年研究されていたものの存在しなかった。これは、制御可能な静電付着によって壁移動が飛躍的に進歩することを示唆する。
【０１４５】
本明細書に記載されたロボットは、様々な作業に適しており、これらの作業に従って積載物を運んでよい。例えば、ロボットは、危険な領域または離れた領域での調査のためにカメラを運んでよい。他の積載物を運んでもよい。カメラで撮った画像を中継するための通信装置および／または遠隔制御を可能にするための通信装置などの通信装置も有用であり、ロボットに積載されてよい。かかる調査ロボットは、複雑で非構造的な地形（ランダムな建造物など）での移動に有用であり、特に、様々な偵察およびその他の軍隊または警察での任務のために都会の環境で有用である。
【０１４６】
警察署、消防署、軍隊、および、産業界で、アクセス不能および／または敵地の環境に送り込むことができる小型のロボットの必要性がある。本明細書に記載されたロボットは、それが可能であり、一般的に遭遇する対象建築物における地面、壁、および、天井で三次元的に移動することが可能であり、必要であれば、容易にそれらの表面をまたいで移動できる。壁または天井の長期間（６０時間以上）パーチする能力、または、バッテリの充電を必要とせずに三次元的に３時間連続移動できる能力も、これらの用途の多くで有用である。ユーザインターフェースによるロボットの制御を可能にする通信リンクを運ぶ能力も、敵地環境での利用を広げる。
【０１４７】
中東およびその他の地域での最近の軍事行動は、市街戦での有効なツールが必要であることを示している。かかるツールの１つは、三次元的に移動できるロボットである。都市環境で垂直方向へのアクセスを可能にすることにより、かかるロボットは、はるかに高い位置に通信アンテナを設置して、地上において制限されていた通信範囲を強化することができる。あるいは、ロボットは、兵士がやみくもに侵入する前に、調査カメラを運んで、建築物のドア、窓、または、穴から侵入し、部屋の内壁または天井を移動してもよい。これらのより小さい壁登りロボットは、兵士が、地面に降ろして操縦することによって、建造物内の市街戦領域に配備してもよい。それから、これらのロボットは、こっそりと壁を移動し、内部の視界のよい位置から視覚的な手がかりを兵士に提供してよい。
【０１４８】
上述のロボットで実現可能な別の共通な特徴は、３つの軸（前後、左右、および、上下）に沿った対称性である。対称性は、ロボットが、任意の位置から、すなわち、向きに関係なく、働くことを可能にする。上下の対称性は、例えば、必要に応じて迅速な移動を行うために、ロボットが、天井から離脱して床に着地することを可能にする。かかる状況では、良好な衝撃耐性に加えて、ロボットは、どの向きで着地しても、向きを変えようとする際の電力または時間の浪費なしに動作できる。さらに、前後両方にカメラを有することにより、遠隔操作のオペレータが、登っていくロボットの下方で起きていることを見ること、または、最大のクランプ能力および視野のためにパーチ位置を最適化することが可能になる。
【０１４９】
また、ロボットは、驚異的に高速である。上述の壁移動ロボットの実施形態の多くは、壁を登る際に、毎秒約０．２（６．０９６ｃｍ）ないし約１フィート（３０．４８ｃｍ）の速度で動作できる。これよりも速いまたは遅い速度も可能である。ロボットが、地面または他の水平面で水平に移動している時には、静電付着をオフに切り替えることができるため、静電付着装置は、（移動のために静電付着を必要としない）通常動作時のロボットにさらなる摩擦を追加せず、地上での速度にほとんど影響を与えない。
【０１５０】
一実施形態では、ここでの利用に適した上述のロボットの多くは、市販のロボットに少しの改造を施すこと、または、市販のロボットキットの部品を利用することによって実現される。例えば、軌道付きロボット４００は、ニューヨーク州トナウォンダのＥｄｍｕｎｄｓ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社が提供するＴａｍｉｙａ Ｔｒａｃｋｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｈａｓｓｉｓ Ｋｉｔ Ｓｋｉｌｌ Ｌｅｖｅｌ Ｉ、モデルＮｏ．３０８１２４６を改造した軌道付き車両を備えてよい。市販のロボット部品（そのほとんどは、すでに軽量ロボット用に設計されており、利用に適している）としては、モータ、速度コントローラ、バッテリパック、ソーラーパネル、マイクロレシーバまたはその他のトランスミッタ、および／または、トランスミッタを備えたカメラユニット、が挙げられる。１つの適切なモータとしては、フロリダ州ブラデントンのＴｈｅ Ｒｏｂｏｔ Ｍａｒｋｅｔｐｌａｃｅが提供するＣｏｐａｌ ６０：１ギアモータ、モデルＮｏ．０−ｃｏｐａｌ６０が挙げられる。このモータは、すでに、６０：１のギア比を備えている。１つの適切な速度コントローラとしては、Ｔｈｅ Ｒｏｂｏｔ Ｍａｒｋｅｔｐｌａｃｅが提供するＡｎｔ １５０ Ｄｕａｌ ５Ａ高速コントローラ（部品Ｎｏ．ＬＢ−ＡＮＴ１５０−２）が挙げられる。１つの適切なバッテリとしては、コネチカット州ウィンステッドのＲＣ Ｈｏｂｂｉｅｓ ａｎｄ Ｍｏｒｅが提供するＡｐｏｇｅｅ ２４８０ｍＡｈリチウムポリマ充電バッテリが挙げられる。
【０１５１】
静電付着によって垂直またはその他の壁を登るためのクランプ面積および電力消費が、ロボットの重量によって増大することから、壁移動ロボットの重量は重要である。幸運にも、上述の部品の多くは、小型ロボットを意図したものであり、すでに適度に軽量である。また、静電付着の部品も、ほとんど重量の追加にならない。
【０１５２】
また、静電付着によって小型ロボットに追加される所要電力は最小限である。なお、小型ロボットは、通常、バッテリまたはその他の形態の小型エネルギに依存する必要がある。例えば、Ｃｏｐａｌモータは、６Ｖおよび４００ミリアンペアの定格電流で動作する。上述のロボットの車輪を独立的に駆動するために４つのかかるモータを組み込むと、最大消費電力は、９．６Ｗになる。関節付きヒンジ３７６を備える場合には、それを駆動するための電力も間欠的に利用されうる。前の章で静電付着のための所要電力について説明したように、壁登りのための電力利用（一部の例では、約０．３Ｗ）は、車両の全電力を少し増大させるに過ぎない。
【０１５３】
追加の電力が最小限である結果、全体の持久力の減少も小さくなる。ロボットの持久力は、要因の中でも特に、電力消費、重量、および、電源によって決まる。多くの市販の軽量ロボットは、１キログラム未満の重量であり、約１０インチ（２５．４ｃｍ）×１０インチの典型的なサイズと、約４〜５インチ（１０．１６〜１２．７ｃｍ）の車輪直径または約８インチ（２０．３２ｃｍ）×２インチ（５．０８ｃｍ）の軌道寸法と、を有する。それらの持久力は、キットに含まれるバッテリパックのエネルギ容量によって決まり、多くの例では、２時間以上の持久力の提供が可能であり、バッテリの容量を追加することで増大させることも可能である。ニューヨーク州トナウォンダのＥｄｍｕｎｄｓ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社が提供するＴａｍｉｙａ Ｔｒａｃｋｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｃｈａｓｓｉｓ Ｋｉｔ Ｓｋｉｌｌ Ｌｅｖｅｌ Ｉ、モデルＮｏ．３０８１２４６に、静電付着軌道を備えるよう改造することで、ロボットを製作できる。大型で軽量の静電付着車輪または軌道を備えるように、これらのロボットを改造すれば、ほとんどコストを掛けることなく移動ロボットを実現できる。
【０１５４】
他の例では、ロボットは、静電付着の利点を完全に利用するために、特注で製造される。具体的な一実施形態では、ロボット本体は、高い強度重量比を提供する軽量のカーボンファイバを含む。
【０１５５】
他のロボット設計も想定され、実施可能である。図１３は、本発明の別の実施形態に従って、ロボット５００を示す図である。ロボット５００は、平坦な静電付着装置５０２（それらのパッドは、図７Ｆの格子状の静電付着装置設計と同様のものである）を利用し、それらは、４棒連結部５０４を用いてモータ付きの車輪または軌道に各々結合されている。図１３に示す一実施形態では、車輪が回転した時に、パッド５０２は、ロボットから離れるよう動くが、壁に対して平行なほぼ一定の向きを維持する。別の実施形態では、車輪の回転は、面外の動き（パッドを壁から離す動き）と、面内の動き（パッドを壁から離しつつ前進させる動き）との組み合わせた動きを生み出すことができる。壁から離れるようにパッドを機械的に移動させることを含むこれらの例の一部では、ロボットの移動中に静電付着をオフに切り替えることが必要であってもよい。これらの実施形態のいずれかを用いれば、静電付着装置５０２のための電源は、装置自体に配置されることが可能であり、回転するフレームと、固定されたフレームとの間の電荷の移動を必要としない。静電付着の切り替えは、車輪の回転と同期されてよく、そうすれば、電子機器の要件を簡略化できる。複数の自由度を有する関節付きアームを備えたより複雑なロボットは、末端部に取り付けられた静電付着装置５０２をさらに備えてよい。
【０１５６】
具体的な一実施形態では、静電付着装置を備えたロボットが「歩行する」。これらのロボットは、装置が壁面に接触した時に、オン／オフを制御されるクランプおよび静止摩擦を提供する静電付着装置を備える。別の具体的な実施形態では、パッド５０２は、「常にオン」である。この構成では、静電付着装置５０２は、常に、ロボットと壁との間の垂直力を提供する。ロボット５００は、ロボットが移動する際に、パッド５０２の付着による摩擦に打ち勝って、パッドを壁（例えば、垂直の壁）に沿って引っ張るか、もしくは、壁から引きはがすためのモータを備える。この方法は、単純であり、クランプが連続的に動作することを許容する。
【０１５７】
移動を補助するために静電付着を用いる歩行ロボットは、小さい改造を加えた市販の歩行ロボットを用いてよい。これは、ほふく（crawring）ロボットの脚に静電付着装置を追加すること、および、脚の動きと連携して静電付着の駆動を順序づける手段を準備すること、を含んでよい。かかる市販のロボットの例としては、ニューヨーク州トナウォンダのＥｄｍｕｎｄｓ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社が提供するロボットのＣｌｉｍｂ＠ｔｒｏｎシリーズなど、吸着カップを用いて壁を登るよう構成されたロボットが挙げられる。多くのかかる例では、吸着カップを静電付着パッドに直接置き換えることで、より広い種類の対象物にわたって、よりロバストな壁登りを実現できる。既製のほふく車両は、一般に遅いが、静電付着装置を簡単に追加できることが魅力的である。静電付着装置のための電源および制御電子回路が、ロボットに追加されてもよいが、上述のように、静電付着装置は、ロボットの移動よりも消費電力がかなり小さく、制御電子回路も、無視できるほど小型および軽量である。
【０１５８】
他のロボットおよびロボット設計は、本明細書に記載した静電付着装置を１または複数用いてよい。車輪または軌道による移動の代替物の１つとして、シャクトリムシ型ロボットがある。このロボットは、別個のアクチュエータを用いて、壁に沿って複数の静電付着装置を互いに対して移動させる。静電付着装置は、順番にクランプして、シャクトリムシ型ロボットの他の端部が移動できるようにする。かかるアクチュエータを備える壁登りロボットで、静電付着装置を備えないものは、当業者に周知である。
【０１５９】
静電付着は、また、他の装置の実施を可能にする。図１４は、具体的な用途の実施形態に従って、静電付着ハンドウェア５５０および静電付着脚用パッド５５２を示す図である。ハンドウェア５５０は、静電付着装置５５４と、静電付着装置５５４に取り付けられ人間の手または手首に着脱可能に結合するインターフェース５５６とを備える。同様に、脚用パッド５５２は、図に示すように、静電付着装置５５８と、静電付着装置５５４に取り付けられ人間の膝の周りに着脱可能に結合するインターフェース５５６とを備える。
【０１６０】
静電付着ハンドウェア５５０および脚用パッド５５２は、人間が、壁５６０を登ることを可能にする。
【０１６１】
静電付着装置５５４のサイズは、静電付着装置５５４によって提供される付着圧によって様々である。控えめな許容可能面積は、４つのパッド（２つはハンドウェアパッド５５０で、２つは脚用パッド５５２）を用いる静電付着装置５５４について１００平方インチ（６４５．１６平方センチ）であってよい。３ｐｓｉ（２０．６８５ｋPa）のクランプ（滑り抵抗）圧を仮定すると、各２５平方インチ（１６１．２９平方センチ）のパッド（例えば、５インチ（１２．７ｃｍ）×５インチ）は、７５ｌｂｓ（３４．０２ｋｇ）の滑り抵抗を提供するため、それらのパッドで３００ｌｂｓ（１３６．０８ｋｇ）までを支えることができる。それよりも大きいまたは小さい静電付着面積を、ハンドウェア５５０および脚用パッド５５２に対して用いてもよい。
【０１６２】
インターフェース５５６は、ハンドウェア５５０および脚用パッド５５２の両方にストラップを備えるが、他のパッド／人間インターフェースが、静電付着装置を人間の一部に着脱可能に取り付けるよう構成されてもよい。例えば、ハンドウェア５５０は、グローブ、ミトンなどを備えてよく、脚用パッド５５２は、靴、ブーツ、または、人間の脚に着脱可能に結合するよう構成された他の脚もしくは足用の着用物を備えてよい。一部の例では、静電付着電極は、人間の布すなわち衣類上に直接パターニングされてもよいし、衣類の上に被覆物として着用されてもよい。
【０１６３】
静電付着は、人間が壁を登るための他の装置および方法を可能にする。それらの方法は、１）人間よりも上方の壁上に静電付着装置を配置すること、２）静電付着装置を壁に付着させること、および、３）静電付着装置と壁との間の結合を利用して壁を登ること、として説明されてよい。この方法について、２つの例を図１５Ａおよび１５Ｂに示す。
【０１６４】
図１５Ａは、具体的な用途の実施形態に従って、静電付着よじ登り装置５７０を示す図である。装置５７０は、綱５７２と、静電付着装置５７５とを備える。空気銃またはその他の射出装置が、静電付着装置５７５を壁５７６の上の方に発射し、人間よりも上方の壁上に装置５７５を配置する。静電付着装置５７５は、それ自身の電源、接触センサ、および、装置５７５が壁に当たった時に静電付着を開始するスイッチ、を備えてよい。あるいは、電子機器が、人間側に配置されて、綱５７２が、静電付着装置５７５への適切な電気接続を備えてもよい。静電付着装置５７５は、さらに、上述のように、付着を動的に改善するためのコンプライアントな表面を備えてもよい。一部の例では、装置５７５は、さらに、壁に対するさらなる付着を提供するために、機械的な鉤、フックなどを備えてもよい。装置５７５が壁に付着した後、人間５７７は、静電付着装置５７５と壁との間の結合を利用して、壁をよじ登ってよい。綱５７２は、ロープ、より糸、または、任意の他の適切な軽量のケーブルを含んでよい。
【０１６５】
図１５Ｂは、別の具体的な用途の実施形態に従って、静電付着よじ登り装置５８０を示す図である。この例では、装置５９０は、ロボット３５０と、ロボット３５０の後縁部に取り付けられた梯子５９２（または、その他の綱５７２）とを備える。人間５７７は、ロボット３５０の動きを制御することによって、ロボット３５０の静電付着装置を壁５７６上に配置する。所望の位置で、ロボットは停止してその現在位置に付着し、人間５７７は梯子５９２を登る。一部の例では、梯子が大きく動くことを防ぐために、梯子５９２をその長さに沿って壁５７６に付着させることが好ましい。かかる例では、梯子５９２にも、静電付着を備えてよい。壁または建造物に沿って人間がそこに留まるための手段を用いることで、大きいまたは高い構造物を登りたい場合に、このプロセスを繰り返してもよい。
【０１６６】
本明細書に記載された静電付着装置によって実現可能な別の装置は、ロボットグリッパを含む。グリッパは、物体をつかんで持ち上げるのに適した１または複数の静電付着装置を備える。これらのグリッパは、壊れやすい物品を大きい力を使わずに取り扱う必要がある製造および工業用のグリッパなど、ロボット工学において利用できる。また、グリッパにおけるコンプライアンスまたは駆動により、静電付着が適用される前に、１または複数の静電付着装置は、物体に対して全体的に形状を合わせることが可能になっているグリッパは、埃（静電付着による集塵装置）および葉（静電付着による葉除去装置）の捕捉、非致死的な昆虫トラップ（例えば、実験用）など、にも適している。
【０１６７】
別の実施形態では、壁またはその他の大きい構造物に対して１または複数の物体を制御可能に付着させるよう構成された装置で、静電付着装置が利用される。図１６Ａないし１６Ｃは、本発明の別の具体的な実施形態に従って、着脱可能な両面静電付着装置６００を示す図である。
【０１６８】
装置６００は、図１６Ｂに示すように、絶縁材料６０６の両側に配置された電極６０２および６０４を備える。より詳細には、絶縁体６０６は、比較的平坦な形状と、互いに反対側の２つの表面６０３および６０１とを有する。絶縁材料６０６は、剛性でも柔軟性でもよく、後者の場合、装置６００は、装置の付着先である、より硬い物体の剛性を想定する。電極の上に、１または複数の保護層６１５が配置されてよい。層６１５は、薄い層であり、マイラーなど、上述したような絶縁材料を含んでよい。
【０１６９】
静電付着装置６００は、同時に複数の物体に対して制御可能に付着するよう構成されている。これは、各表面６０１および６０３上の１または複数の物体を含んでもよい。同時に、反対側の各表面６０１および６０３に物体を付着させることにより、２つの別個の物体が、静電付着装置６００を用いて一時的に連結されることが可能になる。図１６Ａは、壁６１０と額縁６１２とに付着する装置６００を示す分解図である。換言すれば、装置は、額縁６１２を壁６１０に対して機械的に結合しており、額縁６１２を壁６１０に掛けるために利用されてよい。
【０１７０】
装置６００は、機械的に結合される物体に対して、釘によって残る穴のような機械的結合の名残を残さない非恒久的な付着の形態であると考えられてよい。ポストイットおよび両面テープは、非恒久的な付着の例であるが、明らかに化学的な付着に依存しているため、特に繰り返して利用した後には、埃の影響を受けやすい。また、それらは、かなりの加重を支える必要性と、壁への損傷なしにそれらを除去することができる必要性との間の望ましくないトレードオフを必要としうる（例えば、両面テープを壁から引きはがすと、塗装もはがれる場合など）。一方、静電付着は、より大きい構造および物体に対応できる。実際に、静電付着装置６００は、表面積で数平方センチメートルないし数平方メートルのサイズを有してよい。
【０１７１】
付着が可能な物体の例としては、額縁、カレンダー、ホッチキス、携帯電話、鍵、ポスター、コード、装飾、国旗、車のダッシュボード、平面スクリーンテレビおよびモニタ、ラジオ、軽量の棚、壁紙、ライトなどが挙げられる。また、壁６１０は、キャビネット、机の側面、家庭電化製品、車、掲示板などを含んでよい。静電付着装置６００は、非恒久的かつ非破壊的に、事務所または家屋において通常は利用していない表面および空間を利用することを可能にする。
【０１７２】
図１６Ａは、装置６００が各側において１つの物体に付着する様子を示しているが、装置６００は、各側で２以上の対象物に付着してもよい。例えば、装置６００を拡大して、装置６００（それ自体が壁に付着する）への静電付着を利用して複数の対象物が付着されるコルク板のような構成にしてもよい。
【０１７３】
サイドバー６１１上のスイッチ６０８は、人間が静電付着装置をオン／オフすることを可能にするよう構成される。従来の機械的なスイッチの他に、接触センサも利用に適している。制御バー６１１には、バッテリまたはその他の電源（ソーラーパネルなど）と、静電付着装置６００に電力供給するための上述のような制御回路（電圧上昇回路など）とが組み込まれる。多くの例では、小型の太陽電池パネルなど、再生可能なエネルギ源を用いることで、バッテリを備えなくてもよい。太陽電電池付きの計算機と同様に、屋内で動作するソーラーパネルから、必要な小さい電力量を生成することができる。
【０１７４】
別の実施形態では、装置６００は、片面の装置であり、付着面の反対側の表面においては恒久的な形態の取り付けを行う。この構成は、コルクボードと同様に、装置６００に複数の対象物を静電付着させるために利用されてよい。
【０１７５】
いくつかの好ましい実施形態を参照しつつ本発明について説明したが、本発明の範囲内で、代替物、置換物、および、等価物が可能であり、簡単のため、それらについては説明を省いている。例えば、本発明は、いくつかのポリマ材料および形状に関連して説明されているが、これらの材料および形状に限定されることはない。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定されるものである。
適用例１：移動装置であって、本体と、前記本体に対して機械的に結合され、対象物に対して着脱可能に付着するよう構成された少なくとも１つの静電付着装置と、を備え、
前記少なくとも１つの静電付着装置は、前記対象物の表面と接触するための変形可能な表面と、前記変形可能な表面の第１の位置に第１の電圧を印加するよう構成された第１の電極と、前記変形可能な表面の第２の位置に第２の電圧を印加するよう構成された第２の電極と、を備え、
前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の電圧差は、前記対象物に対する前記少なくとも１つの静電付着装置の現在の位置を維持するために適した静電力を前記少なくとも１つの静電付着装置と前記対象物との間で生み出す静電付着電圧を含み、
前記少なくとも１つの静電付着装置は、さらに、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記静電付着電圧差を実質的に維持するよう構成された絶縁材料を備える、移動装置。
適用例２：適用例１に記載のロボットであって、前記対象物は、垂直壁または天井に含まれる、ロボット。
適用例３：適用例１に記載のロボットであって、移動機構を備え、前記少なくとも１つの静電付着装置は、前記移動機構の一部に対して機械的に結合されている、ロボット。
適用例４：適用例３に記載のロボットであって、前記移動機構は、前記少なくとも１つの静電付着装置を前記対象物の表面上に配置するよう構成されている、ロボット。
適用例５：適用例３に記載のロボットであって、前記移動機構は、軌道を含む、ロボット。
適用例６：適用例３に記載のロボットであって、前記移動機構は、車輪を含む、ロボット。
適用例７：適用例１に記載のロボットであって、前記電極は、前記静電付着電圧が印加された時に、前記表面に合わせて変形するよう構成された１または複数のまつげ状の構造を含む、ロボット。
適用例８：適用例１に記載のロボットであって、前記絶縁材料は、前記変形可能な表面を含む、ロボット。
適用例９：適用例８に記載のロボットであって、前記絶縁材料は、さらに、前記第１の電極と前記対象物の表面との間、および、前記第２の電極と前記表面との間に配置されている、ロボット。
適用例１０：適用例９に記載のロボットであって、前記絶縁材料は、前記第１の電極と前記対象物の表面との間、および、前記第２の電極と前記対象物の前記表面との間において、約２ミリメートル未満の厚さを有する、ロボット。
適用例１１：適用例１に記載のロボットであって、前記変形可能な表面は、屈曲可能であるが実質的に弾性伸縮しない材料または構造の表面を含む、ロボット。
適用例１２：適用例１に記載のロボットであって、前記対象物の前記表面は、約１ミリメートルより大きい粗さを有する、ロボット。
適用例１３：適用例１に記載のロボットであって、前記対象物の前記表面は、湿った表面、油っぽい表面、または、埃っぽい表面のいずれかである、ロボット。
適用例１４：適用例１に記載のロボットであって、前記変形可能な表面と前記対象物の前記表面との間に粒子が存在する場合でも、前記装置と前記対象物との間の前記静電力は、前記対象物に対する前記装置の現在の位置の維持に適している、ロボット。
適用例１５：適用例１に記載のロボットであって、さらに、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記静電付着電圧を提供するよう構成された回路を備える、ロボット。
適用例１６：適用例１５に記載のロボットであって、前記回路は、約４０ボルト未満の電圧源から電圧を受けるよう構成されると共に前記電圧源からの前記電圧を約５００ボルト以上の前記静電付着電圧に上昇させるよう構成されている電圧上昇回路を含む、ロボット。
適用例１７：適用例１に記載のロボットであって、前記第１の電極および前記第２の電極は、前記静電付着電圧が印加される時に、前記対象物の前記表面から約１ミリメートル未満に位置する、ロボット。
適用例１８：２つの物体を付着させるよう構成された静電付着装置であって、第１の表面および第２の表面を備えた本体と、前記第１の表面の第１の位置に第１の電圧を印加するよう構成された第１の電極と、前記第１の表面の第２の位置に第２の電圧を印加するよう構成された第２の電極と、を備え、
前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の電圧差は、第１の物体の表面を前記第１の表面に付着させるのに適した第１の静電付着力を前記静電付着装置と前記第１の物体との間で生み出す静電付着電圧を含み、前記第１の電圧と前記第２の電圧との間の前記電圧差は、第２の物体の表面を前記第２の表面に付着させるために適した第２の静電付着力を前記静電付着装置と前記第２の物体との間で生み出す静電付着電圧を含む、装置。
適用例１９：適用例１８に記載の装置であって、前記本体は、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記静電付着電圧差を実質的に維持するよう構成された絶縁材料を備える、装置。
適用例２０：適用例１８に記載の装置であって、前記本体は、約２ミリメートル未満の厚さを有する絶縁材料を備える、装置。
適用例２１：適用例１８に記載の装置であって、前記第１の電極は前記第１の表面上にあり、前記第２の電極は前記第２の表面上にある、装置。
適用例２２：適用例１８に記載の装置であって、前記第１の表面および前記第２の表面は変形可能であり、前記本体は変形可能な絶縁材料を備える、装置。
適用例２３：適用例２２に記載の装置であって、前記変形可能な絶縁材料は、約１０ＭＰａ未満の弾性率を有するコンプライアントな材料を含む、装置。
適用例２４：適用例２２に記載の装置であって、前記変形可能な表面は、屈曲可能であるが実質的に弾性伸縮しない材料または構造の表面を含む、装置。
適用例２５：適用例１８に記載の装置であって、さらに、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記静電付着電圧を提供するよう構成された回路を備える、装置。
適用例２６：適用例２５に記載の装置であって、前記回路は、約４０ボルト未満の電圧源から電圧を受けるよう構成されると共に前記電圧源からの前記電圧を約５００ボルト以上の前記静電付着電圧に上昇させるよう構成されている電圧上昇回路を含む、装置。
適用例２７：適用例１８に記載の装置であって、前記第１の電圧は、約２キロボルトより高い、装置。
適用例２８：適用例２７に記載の装置であって、前記第２の電圧は、約０ボルトである、装置。
適用例２９：壁を登る方法であって、前記壁の表面に近接するように静電付着装置を配置し、前記静電付着装置の第１の位置にある第１の電極と、前記静電付着装置の第２の位置にある第２の電極との間に、静電付着電圧差を印加し、前記静電付着電圧差によって引き起こされる静電引力を利用して、前記静電付着装置を前記壁の表面に付着させ、前記静電付着装置が前記壁に付着している間に前記壁を登る、方法。
適用例３０：適用例２９に記載の方法であって、前記静電付着装置は、第２の静電付着装置を備えたロボットに備えられており、前記第２の静電付着装置は、前記第１の静電付着装置が前記壁に付着している時に移動する、方法。
適用例３１：適用例２９に記載の方法であって、前記静電付着装置は、ロープに取り付けられている、方法。
適用例３２：適用例２９に記載の方法はさらに、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記静電付着電圧差を取り除くことを備える、方法。
適用例３３：適用例３２に記載の方法はさらに、前記壁の表面に近接する新たな位置に前記静電付着装置を再配置することを備える、方法。
適用例３４：適用例３３に記載の方法はさらに、前記静電付着装置の前記第１の位置にある前記第１の電極と、前記静電付着装置の前記第２の位置にある前記第２の電極との間に、静電付着電圧差を印加し、前記新たな位置において前記静電付着装置を前記壁の表面に付着させること、を備える、方法。
適用例３５：適用例２９に記載の方法であって、前記壁の表面は、約１ミリメートルより大きい粗さを有する、方法。
適用例３６：適用例２９に記載の方法であって、前記壁の表面は、湿った表面、油っぽい表面、または、埃っぽい表面のいずれかである、方法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図４Ｇ】
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【図４Ｈ】
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【図４Ｉ】
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【図４Ｊ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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