(57)【要約】      （修正有）【課題】大きな負荷運搬能力を備え、ボアスコープポートを通ることができるフレキシブルツール。【解決手段】使用に際して、相対的に低い剛性の第１状態から相対的に高い剛性の第２状態へ、および、前記第２状態から前記第１状態へ変更可能である硬化手段を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレキシブルツール（１０）であって、前記ツールは、使用に際して、相対的に低い剛性である第１状態から相対的に高い剛性である第２状態へ、および、前記第２状態から前記第１状態へ変更可能な硬化手段（２８）を有する、フレキシブルツール。
【請求項２】
請求項１に記載のツールであって、前記硬化手段は、熱可塑性物、ファイバ補強熱可塑性物、低融点合金、または紫外線硬化性接着剤を有する、フレキシブルツール。
【請求項３】
請求項１または２に記載のツールであって、前記硬化手段は、前記第１状態および前記第２状態を繰り返し変更可能である、フレキシブルツール。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のツールであって、前記変更は、前記硬化手段に選択的に熱（３２）を与えることにより達成される、フレキシブルツール。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載のツールであって、前記第１状態から前記第２状態への変更は、選択的に紫外線を前記硬化手段に付与することにより達成される、フレキシブルツール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のツールであって、前記ツールは、互いに対して移動可能な複数の連結されたセグメントを有し、前記硬化手段は、前記第２状態において前記セグメント間の連結をロックして相対的な運動を防止するように機能する、フレキシブルツール。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のツールであって、さらに、前記ツールを屈曲を誘導するための遠隔操作される制御手段を有する、フレキシブルツール。
【請求項８】
請求項７に記載のツールであって、前記制御手段はワイヤ（２２）、液圧アクチュエータ、気圧アクチュエータ、または形状記憶合金素子を有する、フレキシブルツール。
【請求項９】
請求項７または８に記載のツールであって、前記ツールは、独立に屈曲することができる複数の部分またはセグメントを有する、フレキシブルツール。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のツールであって、さらに、前記ツールを通って長手方向に延びる導管（１４）を有する、フレキシブルツール。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のツールであって、使用時に前記ツールを位置決めまたは固定するために駆動することができるグリップセグメントを有する、フレキシブルツール。
【請求項１２】
請求項１１に記載のツールであって、前記グリップセグメント（４６）は膨張可能である、フレキシブルツール。
【請求項１３】
請求項１乃至１２に記載のフレキシブルツールを用いて操作を実行する方法であって、前記方法は、
前記ツールを作業空間内に挿入するステップと、
前記ツールの先端を前記作業空間内の所望の位置に位置決めするステップと、
前記硬化手段を前記第２状態へ変更するステップと、
前記操作を実行するステップと、
前記硬化手段を前記第１状態へ変更するステップと、
前記作業空間から前記ツールを取り除くステップと、
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、しばしば「スネークアームロボット」と呼ばれるフレキシブルツールに関する。
【背景技術】
【０００２】
スネークアームロボットは、危険な制限された空間内、特に自然の空間、または、関心領域へのアクセスへの見通し線がない障害物がある場所などにおいての検査および他の操作を実行するために広く用いられている。そのような閉ざされた空間は、幅広い技術分野にわたり多くの異なる工業環境において存在し、たとえば、原子核工学、航空、エンジン工業プラント、造船、建設、道路、パイプラインなどの分野である。
【０００３】
ガスタービンエンジンは、多くの目的のために用いられ、船および航空機の推力エンジン、ガスまたはオイルのためのパワーポンプ、および発電などに用いられる。
【０００４】
そのようなエンジンが航空機に用いられる場合、これらは定期的な検査、メンテナンス、および修繕が必要である。エンジンを航空機から取り外し、分解することによってこれを行うことが可能であるが、このアプローチには重大な欠点がある。ガスタービンエンジンは複雑な機構であり、その分解（およびその後の再組立）は、時間がかかり高価である。さらに、エンジンを航空機から取り外すことは、それ自体時間がかかり、また高価な手順である。エンジンが取り外されると、航空機は使用することができず、これは、操業に対する不利益であり経済的な損失を生じさせる。それゆえ、近年においては、エンジンが搭載されたままで検査および他の可能な操作を実行することが一般的になってきている。
【０００５】
エンジンは、一般に、外側ケーシングに多数のポートを備え、ここを通じて検査ツールを挿入することができる。これらのツールは、エンジン内の要素を検査できるようにする。いくつかの場合、検査ツールは、エンジンの正面または背面を通してブレードおよび羽根の間で操作することができる。非常に限られた数のメンテナンスおよび修繕操作は、特別に構成されたツールをボアスコープポートを通じて導入することによって実行することができる。このように一般に実行されるこれらの操作の中で、この方法はボアスコープ検査、挿入検査、超音波検査である。
【０００６】
現場検査および修繕技術により提供される多大な利点により、そのようなツールを用いて広範囲の操作を実行できるようにすることが望ましい。しかし、そのような操作の範囲は、ボアスコープポートの寸法（典型的には直径１２ｍｍ以下）により制限され、また、エンジン内のその後の開口部のサイズ（たとえば羽根の間）により制限される。また、曲がりくねったルートおよび相対的に長い距離であるので、ポートから最も遠い要素にアクセスするのは不可能でないまでも、困難である。
【０００７】
可撓性のボアスコープが知られており、これは原理において、医療用の内視鏡に類似しており、これらはエンジン内のアクセスしにくい場所に到達するのに有効となり得る。しかし、これらは、ばたばたし、低い剛性のために正確に位置決めするのが困難である。一般に、そのような装置は、予め決定された経路に沿ってこれらの装置を導くための機械的なガイドを必要とする。
【０００８】
従来の可撓性のロボットアームは、少数の分離した「肘部」により提供され、ここに回転ジョイントが設けられる。これは、可撓性を制限し、また、閉ざされた空間内での有用性を制限する。スネークアームロボット（また、しばしば連続体ロボット、エレファントトランク、オクトパスアーム、テンタクルス、または、誘導エンドスコープとも呼ばれる）は、回転可能なジョイントにより連結された多数のセグメントを有し、これらは、それゆえ、従来のロボットアームよりも可撓性である。スネークアームロボット内の制御ワイヤは、選択的にセグメントを連結し、分離したセグメントの独立した制御または操作を可能にする。操作者は、典型的には、スネークアームロボットの先端を閉ざされた空間内の所望の経路を通るように「駆動」し、また、ソフトウェアは、ロボットの残りが追従し、空間内の障害物に衝突しないようにする。また、そのようなロボットのジョイント間の、または、デカルト座標系または他の固定座標系により参照される屈曲を制御することが可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
スネークアームロボットはガスタービンボアスコープポートを通るのに十分に小さいことが知られているが、それらの負荷運搬能力は小さく（典型的には６００ｍｍの長さで数グラムのオーダーである）、修理操作には使用できない。大きな負荷運搬能力を備える公知のスネークアームロボットは、それに応じて直径が大きく、それでボアスコープポートを通ることができない。さらに、スネークアームロボットが長くなると、先端における負荷運搬能力が小さくなる。公知のスネークアームロボットは、それゆえ、そのような現場での操作を実行するのに用いることができない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者は、取り付けられたエンジンにおいて実行される検査および修理操作のより大きな範囲を可能にする、負荷運搬能力が有意に改良されたスネークアームロボットを発明した。また、本発明によるスネークアームロボットは、与えられる負荷運搬能力において公知のロボットよりも長く形成することができる。
【００１１】
本発明は、可撓性ツールを提供し、また、請求項に記載される可撓性ツールを用いて操作を実行する方法を提供する。
【００１２】
本発明の実施形態が例として以下で説明され、本発明を効果的に実施する方法がよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態によるフレキシブルツールの一部の長手方向断面図である。
【図２】図１の線分Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】図１のフレキシブルツールの外側表面の一部を示す図であり、カバー層が一部取り除かれている状態で示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態によるフレキシブルツールの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、図１、２を参照すると、本発明によるフレキシブルツールは、全体が符号１０で示されており、高温度抵抗性シリコーンゴムのような可撓性材料から形成される背骨１２を備える。背骨１２は管状であり、また、中央導管１４を画定する。使用に際して、この導管は、光ファイバの束、ツール駆動ケーブルなど１６を収容することができる。背骨１２に沿って離間しているのは、半径方向に延びる突起部１８であり、複数の長手方向に離間した円形リブ２０を支持する。この実施形態において、半径方向の延びる突起部１８は、各軸方向位置において、背骨の円周の周りで等間隔に配置される。ツールの直径は、ガスタービンエンジンのボアスコープポートを通ることができるように、１２ｍｍ以下とすることができる。
【００１５】
ツールの曲げは以下のように公知の方法で制御することができる。複数の被覆された制御ワイヤ２２は、ツールの長さに沿って延び（図１に２つだけ示す）、リブ１８内の貫通孔２４、２６を通る。ワイヤは、孔２４を通って自由に移動することができ、また、孔２４に案内され、対照的に、孔２６においてワイヤは固定位置にある。図示の実施形態において、ツール内のジョイントは、４つの突起部のグループにより効果的に画定される。第１の突起部は、孔２６内において前のジョイントから制御ワイヤを固定し、制御ワイヤはこのためおよび後続のジョイントのために、孔２４を通る。次の２つのリブは、孔２４を通じて制御ワイヤを支持および案内し、このジョイントのための制御ワイヤはこのグループの４番目のリブ内の孔２６内において固定される。
【００１６】
図１に示される４つの突起部を１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄと考えると、ワイヤ２２は突起部１８ｄ内の孔２６内に固定されるが、突起部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ内の孔２４を自由に通って移動する。それゆえ、ワイヤ２２を引っ張ることにより、突起部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが互いに近づくように引っ張られ、背骨１２の一部が図示のように曲がる。複数のワイヤ２２を望ましく制御することにより、４つの突起部１８の任意のグループを同様に制御することができ、また、それゆえ（突起部１８は、背骨１２から異なる半径方向に延びるので）、背骨の任意の部分を所望の方向に曲げることができる。このようにして、一般的にコンピュータ制御により、ツールの先端を作業空間内の障害物を通って操作することができ、関心領域に到達でき、また、ツールの追従する部分は、障害物にからむことなく必要に応じて先端に追従するよう操作することができる。
【００１７】
この制御機構は、フレキシブルツール１０の先端を作業空間内の任意の所望の位置へ操作することを可能にし、また、障害物を避けるのを可能にする。使用に際して、フレキシブルツールの先端は、所望の検査または操作を実行するための適当なツールを収容する。そのようなツールは、光学プローブ、光源、機械加工先端（フレキシブルツールの中央導管を通って保持されるフレキシブル駆動シャフトにより駆動される）を含むことができる。
【００１８】
しかし、上述したように、公知のスネークアームロボットが、ガスタービンエンジンのアクセス空間を通るように十分に小さく形成される場合、負荷運搬能力は所望の操作を実行するには不十分となる。負荷運搬能力は、ツールの重量を支持する能力、および、たとえばグラインド操作の間に発生する力に耐える能力の両方に関係する。反対に、負荷運搬能力が増加すると、アクセス空間を通るには大きくなりすぎることが避けられない。本発明は、ガスタービンエンジン内の限られた空間内に入るのに十分に小さく、実行される操作の範囲をより広くするのに十分な負荷運搬能力を備えるフレキシブルツールを提供する。
【００１９】
図１、２を参照すると、本発明によるフレキシブルツールにおいて、突起部１８とリブ２０との間の空間は、キャビティ充填材料２８で満たされる。図示の実施形態において、材料２８は、ツールの通常の動作温度においては剛性である熱可塑性材料である。ツール１０の外側の周りにおいて、リブ２０および材料２８を取り囲むのは外側カバーまたはスキン３０であり、これは、埋め込まれた加熱素子を組み込む。図３において、加熱素子３２を示すためにスキン３０の一部が剥かれている。
【００２０】
使用に際して、加熱素子３２は、溶融または軟化するように材料２８をガラス遷移温度より上に加熱するように制御される。この第１状態において、材料２８は、ツール１０の運動を妨害せず、また、ツールは（上述したように）先端が作業空間を通って関心領域に移動するように曲げることができる。材料は、必要に応じて突起部１８とリブ２０との間の空間を通って流れる。制御機構は、材料２８が第１状態にあり、流体のように効果的にふるまうとき、フレキシブルツールの剛性をより正確に制御するために圧力を増加または減少させることができる。一般に、高い流体圧力は、ツールをより剛性にし、低い圧力は剛性を低下させる。このより正確な制御は、ツールの作業空間内での展開を支援することができる。
【００２１】
ツールの先端が所望の位置に来たら、加熱素子のスイッチが切られ材料２８が冷却される。材料２８がガラス遷移温度よりも低く冷めると、ツールは相対的に剛性になり、この第２状態において、効果的にリブ２０および突起部１８がその位置にロックされることになる。ツール全体が有効に剛性になる。こうして、ツール１０に有意により高い剛性を備えることができ、それゆえ、負荷運搬能力は類似の公知のツールよりも高くなる。１２ｍｍより小さな直径のツールに関して、１００ｍｍの突出距離において０．２ｋｇのオーダーの負荷運搬能力を達成することができると考えられる。
【００２２】
検査または修理の操作が完了したら、加熱要素３２は、再び材料２８を第１状態に戻って有用または軟化するまで加熱するように制御され、その後、ツール１０は作業空間から引き戻すことができる。
【００２３】
このようにして、本発明によるツール１０は、小さく且つ閉ざされた空間内に適合してガスタービンエンジンのポートのような小さなアクセスポートを通るのに十分に柔軟に形成することができ、また、同時に適切な負荷を支持するのに十分な程度に剛性に（第２状態に変化させることにより）形成することができ、それにより、たとえば、航空機の翼からガスタービンエンジンを取り外すことなくより広範囲の検査および修理操作を実行できるようにする。
【００２４】
ツール１０の長さに沿って離間して別個の加熱要素が提供される場合、さらなる利点を得ることができる。これらの加熱要素が別個に制御される場合、セグメント毎またはジョイント毎に、長さに沿ってツールの硬さを制御することが可能である。これは作業空間の困難な領域を通ってツールを操作することを容易にすることができる。代替的に、ツールの一部を剛性に形成することができるようにして操作を実行することを可能にし、一方、ツールの他の部分をフレキシブルに維持し、たとえば、他の部分の運動を可能にする。
【００２５】
本発明の代替実施形態において、材料２８に異なる材料を使用することができる。たとえば、ファイバ補強熱可塑性材料とすることができ、または、加熱および冷却することにより剛性を増減させることができる任意の好適な材料とすることができ、たとえば、低融点合金である。上述のコメント（たとえば、ツールのセグメント毎の制御に関するもの）は、スイッチ機構に必要な変更を加えるとともにそれらの実施形態に等しく適用できることを理解されたい。
【００２６】
上述の実施形態において、材料２８の硬化および軟化は、繰り返し可能なプロセスである。さらなる代替実施形態において、材料はＵＶ硬化性接着剤であり、ツールは、必要なときにＵＶ光を材料に伝達するための光ファイバまたは類似の光伝達要素を備える。初期状態において、接着剤は軟化しており、ツールはフレキシブルである。ツールが望ましい位置にくると、材料を硬化させるために好適な光源からのＵＶ光を材料に導き、硬化させてツールを所定位置にロックする。操作が完了した後、剛性を失う程度に接着剤が劣化するまで接着剤に熱が付与される（上述した第１実施形態のような埋め込まれた加熱素子により）。ツールはその後、作業空間から引き戻すことができる。そのような実施形態において、接着剤は再使用することができない。しかし、劣化した接着剤を取り除くことができ、そして、ツールの次の使用時に新しい接着材を再配置することができる。
【００２７】
本発明の代替実施形態において、ジョイントの制御は、上述のワイヤの制御によるもの以外の他の手段により達成することができる。たとえば、液圧アクチュエータまたは気圧アクチュエータを提供することができ、または形状記憶合金の要素をジョイントに設けることができ、これは電気的なインパルスを受けたときに形状または寸法を変化させる。そのような代替的なアクチュエータは、個別的に制御できることを理解されたい。
【００２８】
他の代替的な実施形態において、図示していないが、単一のフレキシブルな背骨部１２の代わりに、セグメント化された背骨部を設け、セグメント間に回転可能な球形状タイプのジョイントを設ける。この実施形態において、材料は硬化されるときにジョイントを所定位置にロックするように機能し、それにより、ツールに剛性を提供する。
【００２９】
図４は、本発明によるツールの随意選択の特徴を示し、これは、上述の任意の実施形態に組み合わせることができる。
【００３０】
図４において、本発明によるツール１０は、作業空間内に示されている。ツールの先端４２は、２つの障害物４４の間に操作されている。ガスタービンエンジンにおいて、そのような障害物は、ブレードまたは羽根の形態をとることがある。
【００３１】
２つの膨らむことができるグリップセグメント４６がツールの先端に向かってツールの各側部に設けられる。セグメントは、ツールのスキンに一体的に形成することができ、または、別個に形成し、繋ぎ合わせまたは他の方法でスキンに取り付けることができる。
【００３２】
ツールの先端が望ましい位置にあるとき、グリップセグメント４６は図４に示されるように膨張し、ツールを障害物４４の間に支持する。これは、ツールの比較的先端に近い部分に支持を提供し、それにより、ツールの有効な剛性を増加させる。これは、使用時のツールの剛性がツールの全体の長さに依存せず、支持部と先端との間の「突出」に依存することを意味する。これは、ツールの剛性または負荷運搬能力を犠牲にすることなく、よりアクセスが困難な作業空間に到達できるように、フレキシブルツールをより長く構成することを可能にする。
【００３３】
操作が完了すると、ツールを取り除くことができるようにグリップセグメントは縮小する。
【００３４】
用途の具体的な要求に応じてグリップセグメントの他の構成を用いることができる。たとえば、単一の環状グリップセグメントまたは多数のセグメントをツールの円周の周りに離間させる。グリップセグメントは、必要に応じてツールの長さに沿って複数の位置に設けられる。
【００３５】
また、グリップセグメントは、異なる目的に使用することもでき、フレキシブルツールの能力を増強する。たとえば、膨張可能なセグメントは、ガスタービンエンジンの２つの回転可能なブレードの間にツールを固定するために膨張させることができ、フレキシブルツールの先端をさらにエンジンの回転軸の周りに異なる位置に「引き寄せる」ためにエンジンの手動の回転を用いることができる。このようにして、フレキシブルツールは、アクセスポートからより離れたエンジンのさらに内側へのアクセスを提供することができる。
【００３６】
上述の膨張可能なセグメントと同様の利点を提供し得るグリップセグメントの代替設計を使用することができることを理解されたい。１つ以上の機械的または電気的に駆動されるグリップセグメントを使用することができ、これは、ツールの本体内に離たたむことができ、挿入または取り外しを可能にし、また、本体から外側に展開し必要なときに支持を提供することができる。
【００３７】
本発明は同様のフレキシブルツールにおいて応用することができ、ここで、ツールの屈曲のための制御機構は省略され、または、ツールの長さの一部に沿ってのみ提供され、たとえば、先端付近の領域に提供される。キャビティ充填材料およびそれに関連する軟化／硬化機構が存在し得る。そのようなツールは、より安価で製造が容易であり、また、上で詳述した実施形態に関連する剛性および負荷運搬能力の利点を提供し得る。
【００３８】
本発明の要素、すなわちキャビティ充填材料およびグリップセグメントは、本明細書で具体的に説明した設計に応用するのと同様に、スネークアームロボット等の他の設計に応用することができる。
【００３９】
本発明は、公知のスネークアームロボットに比べて概ね負荷運搬能力が増加した、閉ざされたまたは危険な空間に容易にアクセスするためのフレキシブルツールを提供する。追加の負荷運搬能力は、ツールの先端が保持する負荷に作用するには不十分な剛性であるために従来は不可能であった、グラインドまたはバリの取り除きのような操作を実行できるようにする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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