(57)【要約】【課題】  自律推進型で外側に可動部を持たない超小型化可能なカプセルロボットを提供する。【解決手段】  カプセルロボット（１）は、筒状の本体（３）と、この本体の内部に該本体の進行方向と平行に移動自在に収納された可動体（４）と、本体（３）内において可動体（４）を前記本体の進行方向と反対の方向には高速で移動させ、前記本体の進行方向には低速で移動させる駆動手段（５）とを備える。可動体（４）の移動により運動量保存則及び静止摩擦に基づき本体（３）を進行させる。【選択図】  図４
2006305695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の本体と、該本体の内部に該本体の進行方向と平行に移動自在に収納された可動体と、前記本体内において該可動体を前記本体の進行方向と反対の方向には高速で移動させ、前記本体の進行方向には低速で移動させる駆動手段とを備え、前記可動体の高速移動時には運動量保存則に従って前記本体を進行させ、前記可動体の低速移動時には前記本体とその周囲との間の静止摩擦力により前記本体を静止させたまま、前記可動体を前記本体に対する当初位置に戻すことを特徴とする小型ロボット。
【請求項２】
請求項１記載の小型ロボットにおいて、前記駆動手段は、次の４つのステップを繰り返すように構成されていることを特徴とする小型ロボット。
（１）前記可動体が前記本体の進行方向と反対の方向に高速度で移動し、前記本体がその進行方向に大きい加速度で移動するステップ、
（２）前記可動体が前記反対の方向に減速移動し、前記本体が停止するまでその進行方向に減速移動するステップ、
（３）前記本体が静止している状態で、前記可動体が所定の停止位置で停止するまで前記反対の方向に減速移動するステップ、及び
（４）前記本体が静止している状態で、前記可動体が前記停止位置から前記本体の進行方向に低速度で移動し、前記本体に対する初めの停止位置にて停止するステップ。
【請求項３】
請求項２記載の小型ロボットにおいて、
前記駆動手段は、外部の駆動制御手段からの制御信号に応じて、前記各ステップにおける前記可動体の駆動を制御する駆動信号を発生するように前記本体内に収納されていることを特徴とする小型ロボット。
【請求項４】
請求項２記載の小型ロボットにおいて、
前記可動体は磁石で構成され、
前記駆動手段は、前記本体の周囲に巻いたコイルと、前記本体に対抗して前記磁石を前記４つのステップの順次繰返しで駆動する電圧を前記コイルに加える駆動回路とで構成されていることを特徴とする小型ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外側に可動部を持たない自動推進式の小型ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
カプセルロボット或いはマイクロロボットと称される（超）小型の自律走行型ロボットには、以下のタイプがある。一つは、可動脚を持つロボット又は尺取虫型の（inchworm）ロボットである。このタイプのロボットは、外側に可動部を有し、ボディの形状変化させることで動く。このため、構造が複雑で小型にするのが難しく、容易に故障し、特に医療への応用では人体を損傷する可能性がある。
【０００３】
もう１つのタイプは、外部から推進駆動するロボットである。このタイプのロボットは、例えば、外部の磁界で動かされる磁石を有する。このため、強い磁界を必要とし、制御するのが難しい。医療に用いる場合は、ロボットを入れる人体を外部磁界に置く必要があり、そのためのシステムが大掛かりなものとなり、高価である。
【０００４】
また、人体に経口投入して臓器を検査するための、自律走行型ではないマイクロカプセル型ロボットが提案されている（下記特許文献１参照）。このロボットは、カプセル状のロボット本体に、カメラ装置、照明装置、送受信装置、制御装置及び電源装置を内蔵するとともに、送受信装置が人体の外部から無線で受信した停止制御信号に基づいて作動して、臓器の特定検査部位でロボットの移動を停止させ又は遅くするための停止手段を搭載し、人体の外部からの停止制御信号により特定検査部位でロボットの移動を停止させるものである。しかしながら、このマイクロカプセル型ロボットは、上記停止手段として、ロボット本体から突出する掛止部材又は膨張部材、或いはロボット本体の外周に配設された吸着部を備えており、これら停止手段は、ロボットの外側でボディの形状を変化させる可動部であるから、前述のような問題点がある。また、このマイクロカプセル型ロボットは、それ自体で移動可能な自律走行型ではない。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上記の課題を解決するものとして、自律推進型で外側に可動部を持たない超小型化可能なカプセルロボットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の小型ロボットは、筒状の本体と、該本体の内部に該本体の進行方向と平行に移動自在に収納された可動体と、前記本体内において該可動体を前記本体の進行方向と反対の方向には高速で移動させ、前記本体の進行方向には低速で移動させる駆動手段とを備え、前記可動体の移動により運動量保存則及び静止摩擦に基づき前記本体を進行させることを特徴とする。詳しくは、前記可動体の高速移動時には運動量保存則に従って前記本体を進行させ、前記可動体の低速移動時には前記本体とその周囲との間の静止摩擦力により前記本体を静止させたまま、前記可動体を前記本体に対する当初位置に戻すように駆動する。
【０００８】
本発明の実施態様では、前記駆動手段は、次の４つのステップを繰り返すように構成される。
（１）前記可動体が前記本体の進行方向と反対の方向に高速度で移動し、前記本体がその進行方向に大きい加速度で移動するステップ、
（２）前記可動体が前記反対の方向に減速移動し、前記本体が停止するまでその進行方向に減速移動するステップ、
（３）前記本体が静止している状態で、前記可動体が所定の停止位置で停止するまで前記反対の方向に減速移動するステップ、及び
（４）前記本体が静止している状態で、前記可動体が前記停止位置から前記本体の進行方向に低速度で移動し、前記本体に対する初めの停止位置にて停止するステップ。
【０００９】
上記実施態様において、前記駆動手段は、外部の駆動制御手段からの制御信号に応じて、前記各ステップにおける前記可動体の駆動を制御する駆動信号を発生するように前記本体内に収納されることが好ましい。
【００１０】
また、一の実施形態では、前記可動体は磁石で構成され、前記駆動手段は、前記本体の周囲に巻いたコイルと、前記本体に対抗して前記磁石を前記４つのステップの順次繰り返しで駆動する電圧を前記コイルに加える駆動回路とで構成される。
【発明の効果】
【００１１】
上記のとおり、本発明の小型ロボットは、カプセル状の本体の外側に可動部を持たない極めて単純な機械的及び電気的な構造を有する。従って、非常に信頼性が高く、極めて小型にすることができる。例えば、直径６ｍｍ、長さ３０ｍｍ以下のサイズに作ることができる。また、高価な部品は不要であるから、安価に造ることができる。
【００１２】
また、本発明の小型ロボットは外側に可動部を持たないので、人体内に投入されても、人体内を損傷する可能性が最少であり、消化器などの臓器の検査や手術のような医学分野での応用に大きい将来性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施例として、動作試験用に製作されたカプセルロボット１を示す。（Ａ）及び（Ｂ）は、長さ方向及び直径方向の断面図である。このカプセルロボット１は、その外周面にコイル２を巻いた円筒形のカプセル状本体３と、この本体３の内部において長さ方向に移動自在に収納された可動体としての円柱形のＮｉＦｅＢ磁石４と、本体３の内部において円筒の一端側（図では左側）に円筒の長さのほぼ半分に亘って収納固定された駆動回路部５とから成る。この実施例では、本体３の長さは９８ｍｍ、その外径（コイル２を含む）及び内径はそれぞれ１６ｍｍ及び１２ｍｍ、磁石４の長さ及び直径はそれぞれ２０ｍｍ及び１０ｍｍである。従って、磁石４は、コイル２に電圧を加えることで磁界が発生すると、本体３内をほぼ４０ｍｍの長さ範囲に亘って移動するスライダとして動作することができる。
【００１４】
駆動回路部５は、図２に示すように、４個のＭＯＳ型トランジスタ（ＦＥＴ）６〜９を接続したＨ−ブリッジ駆動回路から成り、これに１５ボルトのＤＣ電源１０が接続されると共に、入力側の２つのＦＥＴ６，７のゲートに接続したパラレル入力ポート（Input 1，Input 2）には、駆動制御手段としてのコンピュータ（図示省略）から制御信号が供給される。
【００１５】
Ｈ−ブリッジ駆動回路は、入力ポートに供給される制御信号に応じて、ブリッジを構成する各ＦＥＴのオン・オフを切替えることにより、ブリッジの出力ポート間に接続したコイル２に加える電圧を制御する。この電圧は、図３に示すように、一定振幅（例えば10ボルト）の正及び負のパルスから成り、後述 (図６) のように、速い移動状態（Fast Mode）では高周波数のパルスとして、遅い移動状態（Slow Mode）では低周波数のパルスとして、コイル２に加えられる。図３に示した電圧は、後述のステップ１〜４による１ストローク動作のための供給電圧である。この電圧によるロボットの駆動制御動作については、後述する。
【００１６】
この実施例では、電源１０と、制御信号を発生する駆動制御手段としてのコンピュータは、カプセルロボット１の外部にあって、リード線のような電気的接続手段により駆動回路部５と接続されるが、電源は、超小型のバッテリーを用いて本体３内の駆動回路部５に収納することが望ましい。また、駆動制御手段と駆動回路部５は、無線で通信可能に構成してもよい。特に、カプセルロボット１を人体内の検査或いは診断に用いる場合には、その動作を制御する信号を無線方式で送信することが好ましい。
【００１７】
図４は、本発明のカプセルロボットの動作を説明するための基本構成図である。図において、ｘ１及びｘ２はｘ軸上における本体３（質量ｍ１）及び磁石４（質量ｍ２）の位置、μはカプセルロボットとこれが移動する環境(例えば、カプセルを人体内に入れたとき、これを移動させる食道や内臓の壁面)との間の静止摩擦係数、ｕは本体３と磁石４との間に作用する内力である。
【００１８】
このカプセルロボットを前方（図の右方向：ｘ＞０）に動かすために必要な制御動作は、次の４つのステップから成る。なお、速度（dx/dt）をｖ，加速度（d2x/dt2）をαと表す。
（１）磁石４を後方へ大きく加速するとき（α2<<０）、本体３は前方へ加速運動を行う（α１＞０）。
（２）磁石４を後方へ減速するとき（α2＞０）、本体３は前方へ減速して停止する（α１＜０）。
（３）磁石４を更に減速するとき（α2＞０）、本体３は静止している（ｖ１＝０）。
（４）磁石４を前方へ低速度で動かすとき（ｖ2≦ε）、本体３は静止している（ｖ１＝０）。
【００１９】
このカプセルロボットの動作は、次のようになる。
【００２０】
図５に示すように、初めに（時刻ｔ＝０）、本体３は開始位置（ｘ1(0)＝０）にあり、磁石４は本体３内の最前方位置（開始位置から所定距離ａだけ前方に離れた位置：ｘ2(0)＝ｘ1(0)＋ａ）にあって、停止している。
【００２１】
コイル２に所定の電圧を加えて、磁石４を後方に加速移動させると、ステップ１で、本体３は前方に加速移動する。その後、コイル電圧が０になると（ｔ＝ｔ1）、ステップ２で、磁石４は減速し、本体３も減速して停止する（ｔ＝ｔ２）。その後、ステップ３で、磁石４が本体３内の最後方位置で停止したとき（ｔ＝ｔ３）、本体３は停止している。ここで、コイル２に逆の電圧を加えて、磁石４を反対方向すなわち前方へ低速度で移動させると、ステップ４で、本体３は停止したまま磁石４が本体３内の最前位置に戻る（ｔ＝ｔ４）。これらのステップ１〜４において、磁石４の速度は、図６に示すように変化する。
【００２２】
上記４つのステップにより、本体３は、ステップ１の開始位置ｘ1(0)からステップ２の停止位置ｘ1(t2)まで一定の距離ｄを移動する。この距離ｄは、後述のように式(14)で表される。これを１ストロークとして上記４つのステップの動作を繰り返すことで、カプセルロボットは前進運動を続けることができる。
【００２３】
図７は、上記カプセルロボットの動作状態の遷移を表した図である。すなわち、カプセルロボットの動作状態は、速い移動（Fast Mode）と遅い移動（Slow Mode）とに分けられる。前者の状態は上記ステップ１及び２を含み、後述の運動方程式(3)及び(4)で表される。後者の状態は上記ステップ３及び４を含み、本体３の速度ｖ１＝０及び後述の式(4)で表される。
【００２４】
これらの状態遷移は、次のように行われる。初めに、速い移動が開始され、最後に本体３が停止して（ｖ１＝０）、遅い移動へ移行し、遅い移動の最後に磁石４が停止して（ｖ２＝０）、速い移動の開始前に戻る。このとき、磁石４と本体３の位置は一定距離だけ離れている（ｘ2−ｘ1＝ａ）。
【００２５】
以下、本発明のカプセルロボットの動作原理を説明する。
【００２６】
まず、図４のカプセルロボットの運動方程式は、次のように表される。
【００２７】
【数１】
2006305695.tif 000003
【００２８】
故に、
【００２９】
【数２】
2006305695.tif 000004
【００３０】
ここで、
【００３１】
【数３】
2006305695.tif 000005
【００３２】
とすると、
【００３３】
【数４】
2006305695.tif 000006
【００３４】
本体３の速度が正のとき、式(1)を２回積分すると次のようになる。
【００３５】
【数５】
2006305695.tif 000007
【００３６】
式(8)は、運動量保存則である。
【００３７】
上記のように、ステップ１及び２では、
【００３８】
【数６】
2006305695.tif 000008
【００３９】
すなわち、ｔ＝ｔ2のとき
【００４０】
【数７】
2006305695.tif 000009
【００４１】
であるから、式(8)より
【００４２】
【数８】
2006305695.tif 000010
【００４３】
ここで、時間ｔ2 は、後述のように小さいほどよい（t2<<0 ）。
【００４４】
次に、カプセルロボットの動作を上記のように制御するために必要な力ｕは、本体３が１ストローク移動した時点ｔ2で、条件
【００４５】
【数９】
2006305695.tif 000011
【００４６】
を満たすものでなければならないが、この条件を満たすユニークな解はない。そこで、全ての可能な制御力ｕのうち最小のエネルギーを最小化するものを見つける。これは、エネルギー関数
【００４７】
【数１０】
2006305695.tif 000012
【００４８】
を最小にするｕを見つけることである。
【００４９】
まず、上記式(3)について積分すると、式(16)の第１条件から
【００５０】
【数１１】
2006305695.tif 000013
【００５１】
ここで、ｕは次のように平均の力ｕ0と変化分δuとに分解できる。
【００５２】
【数１２】
2006305695.tif 000014
【００５３】
従って、エネルギー関数は、次のようになる。
【００５４】
【数１３】
2006305695.tif 000015
【００５５】
故に、変化分
【００５６】
【数１４】
2006305695.tif 000016
【００５７】
を最小化すればよい。
【００５８】
次に、式(7)について２回積分すると、式(16)の第２条件により
【００５９】
【数１５】
2006305695.tif 000017
【００６０】
右辺に式(19)及び(20)を代入すると、
【００６１】
【数１６】
2006305695.tif 000018
【００６２】
故に、δuについての方程式
【００６３】
【数１７】
2006305695.tif 000019
【００６４】
を得る。この制約条件で上記エネルギー関数の変化分η’を最小にするδuを求めるために、次の補助定理を用いる。
［定理］
定数Ｔ，Ｍ及び一定でない関数α(t)を与えるとき、次の最適化問題：
【００６５】
【数１８】
2006305695.tif 000020
【００６６】
の解は、
【００６７】
【数１９】
2006305695.tif 000021
【００６８】
で、最小コスト（エネルギー）は、
【００６９】
【数２０】
2006305695.tif 000022
【００７０】
である。
【００７１】
［証明］
Cauchy-Schwartzの不等式に従えば、α0を任意の定数としたとき、
【００７２】
【数２１】
2006305695.tif 000023
【００７３】
ここで、βを定数として、
【００７４】
【数２２】
2006305695.tif 000024
【００７５】
とすれば、式(28)の第１条件から
【００７６】
【数２３】
2006305695.tif 000025
【００７７】
これを式(33)に代入すると、
【００７８】
【数２４】
2006305695.tif 000026
【００７９】
また、式(28)の第２条件から
【００８０】
【数２５】
2006305695.tif 000027
【００８１】
これが、最小のｕを与える。
関数α(t)における変化分が全エネルギーを最小にする機会を与える。
【００８２】
ここで、α(t)をｔ、Ｔをｔ2、Ｍを
【００８３】
【数２６】
2006305695.tif 000028
【００８４】
とすると、エネルギーを最小にする解は、式(29)より
【００８５】
【数２７】
2006305695.tif 000029
【００８６】
となる。また、対応する最小コストは、
【００８７】
【数２８】
2006305695.tif 000030
【００８８】
である。
【００８９】
エネルギー効率を増すために、終端時間ｔ2の選択により、一の変位(１ストローク)についてエネルギー使用を最小にすることができる。
【００９０】
【数２９】
2006305695.tif 000031
【００９１】
このη1のｔ2についての変化分dη1/dｔ2＝0を数値的に解くことが必要である。
【００９２】
次に、上記ステップ３及び４では、本体３の速度ｖ＝dｘ1/dt＝０であり、図５に示すように、本体３（ｍ1）と磁石４（ｍ2）との間に力Ｆを加えて、磁石４を本体３に対しステップ１の開始時の位置、すなわちｘ2(t4)＝ｘ１(t2)+ａに戻すことができる。
【００９３】
このとき、本体３の静止状態を維持するためには、力Ｆの大きさは、本体３とその環境との間の最大摩擦力より小さい、すなわち、|Ｆ|＜μ(ｍ1＋ｍ2)ｇでなければならない。ここで、静止摩擦係数と摺動摩擦係数は互いに僅かに異なるが、その違いは区別しない。ここでは、ステップ３及び４に費される時間を最小にする、すなわち min(t4-t2)を求めることが必要である。
【００９４】
磁石４に加えられる最大加速度の大きさをβとすれば、
【００９５】
【数３０】
2006305695.tif 000032
【００９６】
ステップ４に費やされる時間(t4-t3)は、次式を満足する。
【００９７】
【数３１】
2006305695.tif 000033
【００９８】
また、式(14)より
【００９９】
【数３２】
2006305695.tif 000034
【０１００】
故に、時間ｔ2をできるだけ短くすると、カプセルの平均速度は次のようになる。
【０１０１】
【数３３】
2006305695.tif 000035
【０１０２】
従って、カプセルの平均速度を増大するためには、本体３と磁石４の質量の比（ｍ1／ｍ2）をできるだけ小さくすることが必要である。
【０１０３】
最後に、上記実施例のカプセルロボットを、図３の電圧信号で駆動したときの結果を示す。カプセルロボットは、平均２０ストロークで１５８ｍｍ前進、すなわち１ストロークで７．９ｍｍ、１秒あたり１９．８ｍｍ移動した。
【０１０４】
以上、実施例について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、可動体は磁石に限らず、筒状の本体内を移動可能なスライダでよい。また、駆動手段も、電気信号で駆動するものに限らず、可動体を空気圧で駆動するものでもよい。この場合、本体内で可動体を上記のように駆動する駆動信号は、外部に用意した空気ポンプのような空気供給手段から本体に接続したチューブを介して供給される空気である。
【０１０５】
上記のように本発明のカプセルロボットは、外側に可動部分がなく、人体内に投入可能な大きさに小型化できるものであるから、例えば自動推進式内視鏡として、医療分野において大きな応用性を有する。或いは、工場や研究設備などで細い管路やチューブ内を点検する場合のように、小型の自動推進マシンを必要とする分野で有用性がある。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施例として動作試験用に製作されたカプセルロボットを示す図。
【図２】図１のカプセルロボットに用いられる駆動回路の構成を示す回路図。
【図３】図１のカプセルロボットが１ストローク動作するための供給電圧の例を示す図。
【図４】本発明のカプセルロボットの基本構成図。
【図５】図４のカプセルロボットの動作説明図。
【図６】ステップ１〜４における磁石の速度の変化を示す図。
【図７】カプセルロボットの動作状態の遷移を示す図。
【符号の説明】
【０１０７】
１…カプセルロボット、２…コイル、３…カプセル状本体、４…磁石、５…駆動回路部、６〜９…ＦＥＴ。
【図１】
2006305695.tif 000036
【図２】
2006305695.tif 000037
【図３】
2006305695.tif 000038
【図４】
2006305695.tif 000039
【図５】
2006305695.tif 000040
【図６】
2006305695.tif 000041
【図７】
2006305695.tif 000042