(57)【要約】【課題】相互に独立して配置される可撓性の索状部材を伸縮動作させることで、安価、軽量、シンプルな構造で、柔軟に大幅な伸縮が可能な駆動装置を提供することである。【課題を解決する手段】相互に独立して配置される２本以上の索状の可撓性部材と、各可撓性部材の相互間に適宜間隔を保持しつつ挿通され、個々の該可撓性部材に対し独立して摺動させる駆動部を有する２個以上の駆動部ユニットと、個々の前記可撓性部材の適宜位置に装着され、各可撓性部材の相互間に適宜間隔を保持しつつ固定してなる固定部とを備えることを特徴とする可撓性索状駆動装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に独立して配置される２本以上の索状の可撓性部材と、
各可撓性部材の相互間に適宜間隔を保持しつつ挿通され、個々の該可撓性部材に対し独立して摺動させる駆動部を有する２個以上の駆動部ユニットと、
個々の前記可撓性部材の適宜位置に装着され、各可撓性部材の相互間に適宜間隔を保持しつつ固定してなる固定部と
を備えることを特徴とする可撓性索状駆動装置。
【請求項２】
前記固定部は、前記可撓性部材の先端を固定するものである請求項１に記載の可撓性索状駆動装置。
【請求項３】
前記駆動部ユニットに挿通される前記可撓性部材の相互間に保持される間隔は、前記固定部に固定される前記可撓性部材の相互間に保持される間隔と同一である請求項１または２に記載の可撓性索状駆動装置。
【請求項４】
前記駆動部ユニットは、適宜な肉厚を有し、該肉厚方向に向かって前記可撓性部材を挿通する挿通部を備え、該挿通部に挿通される該可撓性部材が該肉厚方向に延出させるものである請求項１〜３のいずれかに記載の可撓性索状駆動装置。
【請求項５】
前記可撓性部材は、長手方向にネジ山が連続するラック部を有しており、前記駆動部は、前記ラック部に噛合するピニオンギアと、該ピニオンギアを回転駆動するモータとを備えるものである請求項１〜４のいずれかに記載の可撓性索状駆動装置。
【請求項６】
前記ラック部は、小径部と大径部とを交互に所定ピッチで配置して構成された前記可撓性部材の表面によって形成されたものである請求項５に記載の可撓性索状駆動装置。
【請求項７】
前記可撓性部材は、表面に雄ネジが刻設されたものであり、前記駆動部は、前記可撓性部材の雄ネジに螺合する雌ネジ部と、該雌ネジ部を回転駆動させるモータとを備えるものである請求項１〜４のいずれかに記載の可撓性索状駆動装置。
【請求項８】
前記駆動部は、前記可撓性部材の軸線に直交する方向を軸とするローラと、該ローラを回転駆動させるモータとを備え、前記可撓性部材は、少なくとも前記ローラの表面の当接を受ける被当接領域を有するものである請求項１〜４のいずれかに記載の可撓性索状駆動装置。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれかに記載の可撓性索状駆動装置を使用する可撓性索状ロボットであって、
２個以上の前記駆動部ユニットにおける前記モータを備える駆動部において、該モータの回転力を制御する制御部を備えることを特徴とする可撓性索状ロボット。
【請求項１０】
前記駆動部ユニットの少なくとも１つは、ロボット本体に固定されるものである請求項９に記載の可撓性索状ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数本の索状体を駆動機構によって屈曲させ、動作させる長尺な索状駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
倒壊した家屋や工業プラントの配管など狭く複雑な環境を探査するために、能動的に屈曲しうる関節ユニットを直列に多数連結し、索状をなす駆動装置が考えられている。従来の索状駆動装置には主に２つの構造が用いられてきた。
【０００３】
一つはいわゆるヘビ型ロボットで、駆動源を含めたアクチュエータを各ユニットに内蔵し、あるユニットのアクチュエータを駆動させることで前側のユニットが関節部を軸として複数の方向に回動（例えばヨーイング、ピッチング）するように構成する方法である（非特許文献１参照）。また、これらのヘビ型ロボットは一般にその体幹を能動的にＳ字に屈曲させ、進行波を発生させることで推進力を得るため、横幅が狭く屈曲運動を行えない環境（例えば細い配管等）では推進力を得ることが出来ない問題があった。これを解決する方法として、大型のヘビやミミズなどが行う体幹を伸縮させて推進する方法が提案されている（特許文献１参照）。このロボットは空気室内への圧縮空気等の流体の供給により径方向に膨張しつつ軸方向に収縮する弾性膨張体を備えた伸縮ユニットを軸方向に複数個連結し、伸縮ユニットを規則的に伸縮動作させることにより狭い管内を進行させるものである。
【０００４】
もう１つの方法はワイヤ駆動で体幹を屈曲させるものである（特許文献2参照）。複数の関節部を有する管状部材を備え、管状部材には一端が関節部の近傍に固定され、他端がアクチュエータに固定された複数の線状動力伝達部材が挿通している。アクチュエータは管状部材から離れた場所に設置され、線状動力伝達部材を引っ張ることで、管状部材を屈曲させる。線状動力伝達部材には一般に細いワイヤが用いられ、電磁モータが回転することで、その回転軸に繋がったプーリが回転し、ワイヤを巻き取る構造となっている。管状部材内部に機械的な装置を有さないため、関節部は比較的柔軟で外部からの衝撃にも強いが、その外部に設置されたアクチュエータおよびプーリ等の装置が大きな設置スペースを必要とするため、主に内視鏡などの据え置きのマニピュレータとして用いられる。もしマニピュレータが体軸方向に伸長することで、その全体の長さを延長することが出来れば、マニピュレータが周囲の障害物によって前進できないような環境または、マニピュレータの一端が固定された場合においても、その先端部だけを伸ばすことによってより深い場所まで探査することが出来る。
【０００５】
前述の２つの手法は索状駆動装置における最も一般的な屈曲手法であるが，特殊な構造を用いて長軸方向の伸縮と曲げを両立する機構が開発されている（非特許文献２参照）。複数の電磁モータを有する駆動部と、これら電磁モータの出力軸にその端部を接続されるコイルばね、これらコイルばねのもう片側の端部と接続される先端部から構成される。先端部にはコイルばねを収納するためのらせん状の溝を有する穴が設けられている。電磁モータに接続されたコイルばねが回転すると、ちょうど送りネジのように，先端部のらせん状の溝によって回転運動が直線運動に変換され、先端部と駆動部間のコイルばねの長さが変わる。このように各コイルばねの長さの比を変えることで，長軸方向の伸縮と曲げ運動を両立できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２４０７１３
【特許文献２】特開ＷＯ２０１１−０５８８９３
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】広瀬茂男、他２名、３次元索状能動体 ACM-R3 の設計開発とその基本操舵制御、「日本ロボット学会誌」、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．７、８８６−８９７（２００５）
【非特許文献２】A. Sadeghi, etc., A plant-inspired robot with soft differential bending capabilities, Bioinspiration & Biomimetics, １２ (２０１７)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前掲の非特許文献１に開示される技術は、モータがロボット本体に内蔵されているため主に移動体として用いられ、大きな自由度を生かして高い不整地走破性を有する。しかし関節ユニットに衝撃が加わった際に、ユニット同士をつなぐ剛体のリンクと接続されているアクチュエータにも大きな負荷がかかるため壊れやすい問題があった。
【０００９】
前掲の特許文献１に開示される技術を実現する圧縮空気を使った移動構造体では、流体を供給するコンプレッサはサイズが大きく重いため移動体本体に搭載できない。また前述のヘビ型ロボットと組み合わせることで屈曲運動を行うことも可能だが、体幹を伸縮させる構造と関節部を屈曲させる構造を両立させなければならないため、アクチュエータの数が増え装置が複雑になる問題がある。
【００１０】
前掲の特許文献２では、マニピュレータを挿入または前進させるためには、外部に設置したアクチュエータ及びプーリを含むマニピュレータ全体を別の駆動装置によって動かさなければならず、装置がさらに大型化する問題があった。
【００１１】
長軸方向の伸縮と曲げを両立する機構を開示した前掲の非特許文献２では、先端部に格納できるコイルばねの長さの分しか伸縮できないため、大きなストロークを得るためにはコイルばねを収納している先端部を非常に長くしなければならない。また、この構造を複数用いることで多関節を達成できることは容易に想像できるが、各関節にコイルばねを収納するための大きなスペースが必要となり、さらなるロボットの大型化につながる。
【００１２】
本発明では、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、安価、軽量、シンプルな構造で、柔軟に大幅な伸縮が可能な索状構造を有する駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
請求項１の可撓性索状駆動装置は、相互に独立して配置される２本以上の索状の可撓性部材と、各可撓性部材の相互間に適宜間隔を保持しつつ挿通され、個々の該可撓性部材に対し独立して摺動させる駆動部を有する２個以上の駆動部ユニットと、個々の前記可撓性部材の適宜位置に装着され、各可撓性部材の相互間に適宜間隔を保持しつつ固定してなる固定部とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２の可撓性索状駆動装置は、請求項１の固定部が請求項１の可撓性部材の先端を固定するものであることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項３の可撓性索状駆動装置は、請求項１の駆動部ユニットに挿通される請求項１の可撓性部材の相互間に保持される間隔が、請求項１の固定部に固定される請求項１の可撓性部材の相互間に保持される間隔と同一であることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項４の可撓性索状駆動装置は、請求項１の駆動部ユニットが、適宜な肉厚を有し、該肉厚方向に向かって前記可撓性部材を挿通する挿通部を備え、該挿通部に挿通される該可撓性部材が該肉厚方向に延出させるものである請求項１〜３のいずれかを特徴とするものである。
【００１７】
請求項５の可撓性索状駆動装置は、請求項１の可撓性部材が長手方向にネジ山が連続するラック部を有しており、請求項１の駆動部は、請求項１のラック部に噛合するピニオンギアと、該ピニオンギアを回転駆動するモータとを備えるものである請求項１〜４のいずれかを特徴とするものである。
【００１８】
請求項６の可撓性索状駆動装置は、請求項５のラック部が小径部と大径部とを交互に所定ピッチで配置して構成された請求項５の可撓性部材の表面によって形成されたものであることを特徴とするものでる。
【００１９】
請求項７の可撓性索状駆動装置は、請求項１の可撓性部材が表面に雄ネジが刻設されたものであり、請求項１の駆動部が請求項１の可撓性部材の雄ネジに螺合する雌ネジ部と、該雌ネジ部を回転駆動させるモータとを備えるものである請求項１〜４のいずれかを特徴とするものである。
【００２０】
請求項８の可撓性索状駆動装置は、請求項１の駆動部が請求項１の可撓性部材の軸線に直交する方向を軸とするローラと、該ローラを回転駆動させるモータとを備え、請求項１の可撓性部材が少なくとも前記ローラの表面の当接を受ける被当接領域を有するものである請求項１〜４のいずれかを特徴とするものである。
【００２１】
請求項９の可撓性索状ロボットは、請求項５〜８のいずれかに記載の可撓性索状駆動装置を使用する可撓性索状ロボットであって、２個以上の駆動部ユニットにおけるモータを備える駆動部において、該モータの回転力を制御する制御部を備えることを特徴とするものである。
【００２２】
請求項１０の可撓性索状ロボットは、請求項９の駆動部ユニットの少なくとも１つは、ロボット本体に固定されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の可撓性索状駆動装置によれば、安価、軽量、シンプルな構造で、柔軟に大幅な伸縮が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】可撓性索状駆動装置の実施例の斜視図である。
【図２】駆動部ユニットの実施例の構造図である。
【図３】可撓性部材への動力伝達方法の実施例の構造図である。
【図４】可撓性索状駆動装置をマニピュレータとしたロボットの斜視図である。
【図５】可撓性索状駆動装置の基本動作を示す模式図である。
【図６】可撓性索状駆動装置の移動動作（屈曲）を示す模式図である。
【図７】可撓性索状駆動装置の移動動作（蠕動）を示す模式図である。
【図８】可撓性索状駆動装置のマニピュレータ動作（直動）を示す模式図である。
【図９】可撓性索状駆動装置のマニピュレータ動作（屈曲）を示す模式図である。
【図１０】可撓性索状駆動装置の移動動作（屈曲）の実験結果の写真である。
【図１１】可撓性索状駆動装置の移動動作（蠕動）の実験結果の写真である。
【図１２】可撓性索状駆動装置のマニピュレータ動作（直動）の実験結果の写真である。
【図１３】可撓性索状駆動装置のマニピュレータ動作（屈曲）の実験結果の写真である。
【図１４】可撓性索状駆動装置の剛性特性の実験結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に本発明の実施形態の構造について詳細に説明する。図１は本発明の実施形態を示す斜視図である。本実施形態は、可撓性索状駆動装置の先端から後端を挿通する２本以上（図は３本を例示）の可撓性部材３１、３２、３３と、可撓性部材３１、３２、３３を貫通させ長手方向に移動する２台以上（図は２台を例示）の駆動部ユニット２１、２２と、これら可撓性部材３１、３２、３３を所定の間隔で固定する固定部１から構成される。駆動部ユニット２１、２２に可撓性部材３１、３２、３３を挿通することで、可撓性部材３１、３２、３３が一組をなして可撓性索状駆動装置の先端から後端へ移動することを可能にする。固定部１は、専ら可撓性部材３１，３２，３３の先端において当該可撓性部材３１、３２、３３を固定するものであり、固定部１によって固定される場合の可撓性部材３１、３２、３３の端部を固定端と称し、固定されない場合の端部を自由端と称する。可撓性部材３１、３２、３３が索状で柔軟性があり、片端を固定部１で固定しない場合には、容易に巻き取ることができるため、収納するための空間を設ける必要がなく装置の小型化につながる。各駆動部ユニット２１，２２間または駆動部ユニット２１、２２と固定部１間の長さは、駆動部ユニット２１、２２を移動させることによって可撓性部材３１、３２、３３のほぼ全長に相当する範囲で自由に変更できるため、駆動部ユニット２１，２２を基準点とした場合に非常に大きなストロークを有する。図１では可撓性部材３１、３２、３３は片側の端部のみを固定部１によって締結することで、自由端になったもう片側の端部を例えば螺旋状に巻きとることで、非常に長い可撓性部材を用いた場合であってもそれらをコンパクトに収納することができる。可撓性部材３１、３２、３３の両端を固定部１によって締結すると、コンパクトに収納することは難しくなるが、可撓性索状駆動装置がねじりモーメントを受けた際に、両端の固定部がモーメントを受けることで、ねじり剛性を高くすることができる。片端が固定されず自由端であっても、もう一端の固定部１から駆動部ユニット２１、２２の間は、同様にねじれ剛性を高くすることができる。
【００２６】
図２は駆動部ユニット２１、２２の一つの実施例の構造詳細図である。駆動部ユニットは電磁モータ５１、５２、５３に接続されている歯車４１、４２、４３が回転することによって、その駆動力が円筒スライダ部７１、７２、７３に挿通されている可撓性部材に伝達され、可撓性部材または駆動部ユニットが移動する。このようにモータを可撓性部材が挿通される軸上に配置しない（または中空のモータを使用する）ことで、可撓性部材が装置の先端から後端に挿通することが可能になる。モータ５１、５２、５３の回転軸には回転計測計６１、６２、６３が取り付けられており、これが回転数を測定することによって、可撓性部材３１、３２、３３または駆動部ユニット２１，２２が移動した距離を測定できる。モータ５１、５２、５３は電磁式または圧電式が適用可能である。圧電式を用いれば、１ｍｍサイズまで小型化が可能で、駆動部ユニットの小型化につながる。
【００２７】
本発明の可撓性索状駆動装置を移動動作に使う場合、装置全体を床面などの板面に横置きするため、駆動部ユニットが板面に接触状態となる。移動動作時には、後述するように可撓性部材の長さを制御することで駆動部ユニットと板面との摩擦力を上回る力を移動方向に順次個々の駆動部ユニットに与えることで移動することになる。このため、板面と接触する駆動部ユニットの外周辺部の摩擦係数は、可撓性部材の伸縮によって得られ、板面に加わる力を考慮して決める。摩擦係数が大きすぎると可撓性部材の変形による力が大きくなりすぎ、摩擦係数が小さすぎると駆動部ユニットが滑って、上手く移動できないこととなる。
【００２８】
図３は螺旋状の溝を有する可撓性部材への動力伝達方法の例を示す。（a）は可撓性部材３１を円筒スライダ部７４に挿通し、モータに取付けた歯車７５を可撓性部材３１に形成された溝に押し付けながら回転することで、可撓性部材３１をその長手方向に動かす方法である。（ｂ）は円筒状部品７６の穴の内側に螺旋状の溝を掘り、その溝に合わせて可撓性部材３１を挿通し、円筒状部品が回転すると可撓性部材の端部が固定部１によって締結され、その回転が抑えられることで可撓性部材をその長手方向に動かす方法である。
【００２９】
図４は可撓性索状駆動装置の片端の可撓性部材を構造物（土台）８に固定してマニピュレータ機能を有するロボットとして使用する際の構造図の実施例の一例である。図では、土台８の内側（図４では、土台８の左側）の可撓性部材の片端が自由端で、自由端側の駆動部ユニットを土台８に固定した実施例であるが、固定端を固定することでも同様なマニピュレータ機能が実現可能である。図示のような自由端を土台８の内側に配置する構造では、土台８の内側に位置する可撓性部材を小さく巻き取ることができ、当該部分（図における土台８の左の構造物）が小型化できる。なお、マニピュレータ機能を発揮させるための前記モータ等の作動は、操作者が手動によって操作する場合のほか、コンピュータによって制御させる場合などがある。ロボットの機能として作動させる場合には、前記モータ等は制御された状態となるが、そのための制御装置については説明を省略する。
【００３０】
可撓性部材は、柔軟な構造を持つ索状体で、主に金属やプラスチックで作られている。可撓性部材はその断面形状を問わないが、効率的に移動させるため好適には、歯車等がかみ合うための溝（例えば蛇腹状または螺旋状）が表面にあることである。これを満たす構造としては、コイルばね、配管保護用または流体輸送用のチューブ、柔軟な歯竿（通称、フレキラックと呼ばれる）などが挙げられる。コイルばねは入手しやすくコストを抑えることができるが、ねじれやすく、またねじれた際にその直径が変化してしまうことで、可動しづらくなる問題がある。配管保護用または流体輸送用のチューブは、その内部に気体や液体などの流体を容易に通すことができ、駆動装置の片端から他方の端部に流体を輸送することができる。例えば駆動装置先端に取り付けた流体による稼働装置（空圧のハンドなど）を動作できる。また、先端にノズルを取付け、流体を噴射することも可能である。柔軟な歯竿は単純な溝に比べて、精度の高い歯車同士のかみ合わせを実現し駆動力の伝達効率を向上できるが、一方これらの可撓性部材は曲げ癖が付きやすい欠点がある。駆動伝達機構としてこのような簡単な歯車を用いた機構を説明したが、摩擦車や電磁力、また振動などを用いて可撓性部材と駆動部ユニットの動力伝達を行うこともでき、歯車や溝は必ずしも必要ではない。
【００３１】
次に可撓性索状駆動装置の動作について説明する。図５は可撓性部材の本数を２本から４本の場合の基本動作を表している。駆動部ユニットは２台以上あれば，本発明の機能を満たすことが出来る。図５では、駆動部ユニットを１台と固定部１台の部分のみ表現し、駆動部ユニットを基準に動作状況を示している。駆動部ユニットが２台以上ある場合では、例えばヘビのように駆動装置の体幹をＳ字に屈曲させる、またはミミズのように蠕動運動を行うことで、駆動装置に推進力を発生できる。図５（a）は可撓性部材を互い違いに摺動動作させ長さを変えることで平面的な（２次元の）屈曲運動を行うことを示している。また、２本の可撓性部材を同じ方向に同じ長さ（ストローク）だけ摺動動作させることで図５（ｂ）のように伸長運動を行うことができる。可撓性部材が３本あれば図５（ｃ）のように可撓性部材の内１本だけ異なる方向に摺動動作させることで空間的な（３次元の）屈曲でき、図には示していないが、（ｂ）と同じように３本同時に同じ方向に長さを変える摺動動作をさせることで直線的な伸縮ができる。可撓性部材は４本以上あれば図５（ｄ）のように、例えば駆動部ユニット２１の円周上に配置された３本の可撓性部材３１、３２、３３に縮む動作をさせ、その円周の中心部に配置された可撓性部材３４に伸長動作させたとき、それぞれの可撓性部材３１、３２、３３、３４が固定部１に与える力F１、F２、F３、F４がF１＋F２＋F３＝F４を満たすと、固定部１の位置を変えることなく、力が拮抗することで駆動装置全体の剛性を高めることができる。可撓性部材は柔軟性があり柔らかいため、剛性を高めた状態でも一定以上の力を与えると座屈してしまうが、これは可撓性部材の材質や直径、構造等を変えることでその座屈強度を変化させることができる。また４本以上の可撓性部材を同時に同じ方向に動作させることで伸縮することもできる。このように空間的な屈曲および伸縮動作以外に可撓性部材へ加わる力で拮抗動作を行うことができる。駆動部ユニットおよび可撓性部材はその数を増やすほど多彩な動作を行うことが出来る。
【００３２】
図６は屈曲動作の模式図である。可撓性索状駆動装置は全体で正弦波をつくり、その正弦波が図６（a）から（ｃ）のように駆動装置の前方から後方へ移動するように連続的に駆動部ユニットを起点に屈曲させ、駆動ユニットが板面を押すことで推進力を得る。ここでは板面と平行な正弦波の振幅を０とし、板面に対して垂直な正弦波成分のみを有する。固定部１と駆動部ユニット２１間の可撓性部材がある形状をとると（例えば正弦波カーブのある一部）、次に駆動部ユニット２１と駆動部ユニット２２間の可撓性部材が時間的に少し遅れて同様の形状をとる。この図では駆動部ユニットが２つのみの場合を記載しているが、駆動部ユニットが複数ある場合でも同様に、ある駆動部ユニット間の可撓性部材が、その1つ前方の駆動部ユニット間の可撓性部材の時間的に少し前の形状をとるということを連続的に繰り返すことで、可撓性索状駆動装置全体で正弦波を作り出すことができる。
【００３３】
図７は蠕動動作の模式図である。複数の可撓性部材に対して駆動部ユニットが同じ速度で移動することで、各駆動部ユニット間の長さ、または駆動部ユニットと固定部１間の長さを変えることが出来る。（a）から（ｃ）はこの動作の模式図の時間的変化を示している。（a）ではまず固定部１を可撓性索状駆動装置前方に伸ばしている。このとき駆動装置の重心は駆動部ユニット２１と駆動部ユニット２２間付近にあるため、駆動装置は床面との滑りをほとんど生じない。固定部１を前方に送り出したのちに、（ｂ）では駆動部ユニット２１を同様に前方へ送り出している。このとき駆動部ユニット２１は可撓性部材を上方にそらせることでわずかに板面から浮かせており、駆動装置は板面からの反作用を受けないため滑りをほとんど生じない。最後に（ｃ）では駆動部２２を前方に送り出している。駆動部ユニット２１と同様にわずかに板面から浮かせることで板面からの反作用を軽減できるが、実際には可撓性部材が大きくたわむため、板面と接触し、やや大きな滑りを生じる。この（ａ）から（ｃ）の動作を繰り返すことで、滑りながらではあるが前方に進むことができる。
【００３４】
図８に一例として２台の駆動部ユニットと３本の可撓性部材で構成した可撓性索状駆動装置において、固定部１から見て離れた位置にある駆動部ユニットを固定構造物である土台８に固定し、マニピュレータとして機能させる固定式ロボットとした場合の動作模式図である。（ａ）は動作開始状態を示し、（ｂ）（ｃ）は、３本の可撓性部材３１、３２、３３を同時に同じ速度で押し出した時の駆動装置の状態を示し、（ｂ）から（c）へ可撓性部材３１、３２、３３を同時に押し出すことで全体の長さが長くなっていることがわかる。固定部１と最後端の駆動部ユニット２２間の距離を変化させることができる。
【００３５】
図９は、駆動部ユニット２１，２２がそれぞれの可撓性部材３１、３２、３３を異なる速度で送り出す場合のマニピュレータの動作模式図である。（a）は動作開始状態を示し、（ｂ）（ｃ）は、３本の可撓性部材３１、３２、３３を異なる速度で押し出した時のロボットの状態を示している。それぞれの可撓性部材３１、３２、３３に対して異なる速度で駆動部ユニット２１，２２が移動する場合、それらの速度の比によって、各駆動部ユニット２１，２２間の曲がり具合、または駆動部ユニット２１，２２と固定部１間の曲がり具合を変えることが出来る。
【実施例】
【００３６】
本発明の構成による効果を検証するための実施例について説明する。試作した駆動装置は、駆動装置の体幹をなす可撓性部材３本と、それらを保持する１つの固定部、２つの駆動部ユニットから構成した。可撓性部材には配管用のステンレスチューブ（KSN８−２００、ミスミ製）を用いた。このチューブは内径８ｍｍ、外径１０．２ｍｍで，その周囲に螺旋状の溝を有する。固定部と駆動部ユニットの一部はABS樹脂製で３Dプリンタを用いて作成した。駆動部ユニットには電磁モータ（７５：１  Micro Metal Gearmotor、Pololu）が３つ備えられており、モータが回転するとラックアンドピニオンの原理で、チューブを送り出すまたはチューブに沿って駆動部ユニットが移動できる。試作した可撓性索状駆動装置は全部で６つの自由度を有し、その直径は約８０ｍｍ、最大長さは６００ｍｍである。この実験では、可撓性索状駆動装置の移動動作およびマニピュレータ動作を検証した。
【００３７】
移動動作の実験結果を写真に基づいて説明する。ヘビやミミズのように，各関節を屈曲または伸縮させることにより、可撓性索状駆動装置が推進力を発生できるか調査した。図１０は各モータに位相の異なる正弦波の目標軌跡を与えた際の屈曲動作の様子を示す写真である。写真は（ａ）から（ｃ）への時間的変化を示している。（a）は今回の実験に用いた駆動装置の全景であるが、写真の右側の撮影範囲外は実験の都合上可撓性部材のチューブがつながって自由端となっている。また、ヘビのような各関節を屈曲させながら推進方法では、駆動装置と板面との摩擦が十分でないと推進力を得られないことが一般に知られるため、摩擦の強いゴム状のシートを板面に敷いてある。（a）の初期状態から（ｂ）は移動開始から３．０秒後、（ｃ）は移動開始から５．８秒後の動作を示したものである。この実験では１６ｍｍ／秒での移動が確認できた。少ない駆動部ユニット数でも、可撓性索状駆動装置全体が滑らかに曲がることでヘビのような動作を実現し推進力を得ていることが分かる。
【００３８】
図１１は駆動部ユニット間の距離および駆動部ユニットと固定部間の距離を交互に同じ長さだけ伸長させた際の動作（蠕動）状況の写真である。写真は（a）から（ｃ）への時間的変化を示している。（a）は今回の実験に用いた可撓性索状駆動装置の全景であるが、写真より右側の撮影範囲外は実験の都合上可撓性部材のチューブがつながって自由端となっている。前述の図１０の写真に示す実験と異なり、板面には滑りやすい紙のシートを敷いてある。（a）の初期状態から（ｂ）は移動開始から１．５秒後、（ｃ）は移動開始から３．７秒後、（ｄ）は移動開始から６．０秒後の動作を示したものである。初めに駆動部ユニット２１、２２を固定しているとき固定部１を前方に押しだし、つぎに固定部１と駆動部ユニット２２を固定しているとき駆動部ユニット２１を前方に押しだし、最後に固定部１と駆動部ユニット２１を固定しているとき駆動部ユニット２２を前方に押しだす。この一連の動作を繰り返すことで滑りやすい床面でも推進力を得ることができる。この実験では１０ｍｍ／秒での移動が確認できた。蠕動運動を行う駆動装置は一般に伸縮のストロークが大きい程、移動に有利であることが知られており、本発明の駆動装置にも素早い動作が可能である。
【００３９】
図１２はマニピュレータ動作の実験結果の写真である。マニピュレータ動作の実験では、駆動部ユニットの１つを土台に固定し、それと反対側にあるチューブの片端を固定部で保持している。図１２の（a）から（ｃ）はこの動作の模式図の時間的変化を示している。固定されている側の駆動部ユニットが各可撓性部材を押し出すことで、駆動装置全体の長さを長くし、その動作範囲を拡大できることが分かる。図１２の（a）は初期状態でその全長は１３０ｍｍであるが、（ｂ）では全長が３３０ｍｍまで伸びている。
【００４０】
図１３の（a）は初期状態で固定部１と駆動部ユニット２１間の曲げ半径は７０ｍｍであるが、（ｂ）では曲げ半径が２４０ｍｍになっており、３倍以上曲げ半径を変化させることが出来る。ロボット全体の長さを一定とし、固定されていない側の駆動部ユニットを動作させている。この駆動部ユニットは固定部と固定されている駆動部ユニット間の任意の位置に移動し、また各可撓性部材のチューブの送り出す速度を変化させることで駆動装置の曲げ半径を自由に変えられることが分かる。
【００４１】
可撓性索状駆動装置の剛性の変化に関する実験を行った。本発明の可撓性索状駆動装置の最も大きな特徴は各駆動部ユニット間または駆動部ユニットと固定部間の長さを大きく変えられることである。駆動装置の曲げ剛性およびねじり剛性は構成部材の材質・構造が同一であれば各駆動部ユニット間または駆動部ユニットと固定部間の長さに依存するため、駆動部ユニットの位置を変えることでロボットの曲げ剛性およびねじり剛性を制御できる。そこで、駆動部ユニットと固定部間の長さを６０ｍｍ、８０ｍｍ、１００ｍｍと変化させたときの駆動装置先端部にねじりモーメントを与えた際の剛性を測定した。可撓性部材３１、３２、３３は固定部１によってその片側の端部のみを締結されている。図１４は駆動部ユニットと固定部１間の長さを変更した際のモーメントとねじれ角の関係である。駆動部ユニットと固定部間の長さが長くなるほど、モーメントに対するねじれ角が大きくなっていることから、ねじれ剛性が低下していることが明らかであり、駆動装置の剛性を制御できることを示した。本実験ではねじれ剛性を制御するために駆動部ユニットと固定部間の長さを変更したが、同様に各駆動部ユニット間の長さを変更することで剛性を制御することもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１  固定部
２１，２２  駆動部ユニット
３１、３２、３３、３４  可撓性部材
４１、４２、４３  歯車
５１、５２、５３  電磁モータ
６１、６２、６３  回転計測計
７１、７２、７３  円筒スライダ部
８  土台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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