(57)【要約】【課題】  螺旋ピッチを広範囲かつ高い再現性で制御でき、外形が連続的な螺旋形状に変形可能なソフトデバイスを提供する。【解決手段】  柔軟な柱状部材と、線状に変形可能なアクチュエータと、を備えたソフトデバイスであって、前記柱状部材は、その中心軸に対して螺旋状のガイド空間を含んでおり、該ガイド空間に前記アクチュエータが配置され、前記アクチュエータを駆動させることで前記柱状部材を変形させるソフトデバイス。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柔軟な柱状部材と、線状に変形可能なアクチュエータと、を備えたソフトデバイスであって、
前記柱状部材は、その中心軸に対して螺旋状のガイド空間を含んでおり、該ガイド空間に前記アクチュエータが配置され、前記アクチュエータを駆動させることで前記柱状部材を変形させることを特徴とするソフトデバイス。
【請求項２】
前記ガイド空間は、前記柱状部材に作り込んであることを特徴とする請求項１に記載のソフトデバイス。
【請求項３】
前記アクチュエータは、前記ガイド空間に、部分的に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のソフトデバイス。
【請求項４】
前記アクチュエータは、線状に伸縮することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のソフトデバイス。
【請求項５】
前記柱状部材は、複数の前記ガイド空間を含んでいることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のソフトデバイス。
【請求項６】
前記複数のガイド空間は、少なくとも１つの右巻きの螺旋状ガイド空間と、少なくとも１つの左巻きの螺旋状ガイド空間と、を含むことを特徴とする請求項５に記載のソフトデバイス。
【請求項７】
前記複数のガイド空間は、第１の螺旋ピッチのガイド空間と、第２の螺旋ピッチのガイド空間と、を含むことを特徴とする請求項５に記載のソフトデバイス。
【請求項８】
前記柱状部材は、前記螺旋状のガイド空間に加えて直線状のガイド空間を含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のソフトデバイス。
【請求項９】
前記柱状部材は、エラストマーからなることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のソフトデバイス。
【請求項１０】
前記柱状部材は、内部に中空領域を含むことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載のソフトデバイス。
【請求項１１】
前記アクチュエータは、形状記憶合金、イオン導電性高分子金属複合体、モータ駆動ワイヤの少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載のソフトデバイス。
【請求項１２】
請求項１乃至１１の何れか１項に記載のソフトデバイスの複数を、前記柱状部材の中心軸方向に直列に連結したことを特徴とする複合ソフトデバイス。
【請求項１３】
請求項１乃至１２の何れか１項に記載のソフトデバイスと、前記アクチュエータの制御ユニットと、を備えたことを特徴とするマニピュレータシステム。
【請求項１４】
請求項１乃至１２の何れか１項に記載のソフトデバイスと、前記アクチュエータの制御ユニットと、を備えたことを特徴とするロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、柔軟な物体を構成要素とするロボティクスであるソフトロボティクス技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、柔軟な物体を主な構成要素とするロボティクスであるソフトロボティクスが注目されている。従来の、剛体を主な構成要素とするロボットは、大きな発生力を持ち、また精密な位置決め制御が可能であるため、工場や建設現場におけるミッションに適している。しかし、従来のロボットは、何らかの故障により重いボディが高速で暴走するなどのリスクが想定されるため、人に近い現場には本質的に向いていない。一方、エラスマー、布、紙など柔軟な物体で構成されたソフトロボットは、故障しても人に危害を加える恐れは少ない。そのため、ソフトロボティクスは、家庭、農場、医療施設、福祉施設などの生体に近い現場で、生体に接触する可能性のあるミッションに適している。
【０００３】
従来のロボットシステムの代表例としては、物体を操作するマニピュレータがある。マニピュレータの形態に着目すると、初めに、回転アクチュエータや直動アクチュエータなどの駆動関節と、剛体リンクとから構成された多関節マニピュレータが提案され、次に、各駆動関節を冗長に備えた、超冗長（hyper redundant）マニピュレータが提案された。これは様々な形態を実現できる。また、一端をフリーにして、平面や、管内を移動するロボットも実現できる。しかし、一般にこの構成は入力が多く、制御システムが複雑になる。非特許文献１には、ソフトロボティクスにおける超冗長マニピュレータとして、タコの足を模して、柔軟な材質で構成され、曲げ関節を冗長に備えた構成が開示されている。
【０００４】
このような従来のロボットシステムにない形態として、螺旋変形ロボットが考えられる。このコンセプトには従来のような関節という概念がなく、螺旋のピッチを変えることで外形を大きく変えることができ、従来の駆動関節から構成されるロボットにはない、螺旋形状に特化した複雑なミッションを行うことができる可能性がある。
【０００５】
螺旋変形を生じさせる例として、非特許文献２に開示されたものがある。非特許文献２では、円柱状ゴムの外周に、貫通孔を有する剛体ガイドを複数、軸に対して角度をずらしながら離間して固定し、そのガイドの貫通孔にリニアアクチュエータを連通させることで、リニアアクチュエータを略螺旋状とする構成が開示されている。そして複数のリニアアクチュエータを順番に収縮させることで、螺旋捻転運動を発生させ、管内の走行を実現している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Ｓｏｆｔ  Ｒｏｂｏｔ  Ａｒｍ  Ｉｎｓｐｉｒｅｄ  ｂｙ  ｔｈｅ  Ｏｃｔｏｐｕｓ”，Ｃｅｃｉｌｉａ  Ｌａｓｃｈｉ，Ｍａｔｔｅｏ  Ｃｉａｎｃｈｅｔｔｉ，Ｂａｒｂａｒａ  Ｍａｚｚｏｌａｉ，  Ｌａｕｒａ  Ｍａｒｇｈｅｒｉ，Ｍａｕｒｉｚｉｏ  Ｆｏｌｌａｄｏｒ，Ｐａｏｌｏ  Ｄａｒｉｏ，Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｉｓｓｕｅ  ７，２０１２
【非特許文献２】“形状記憶合金を用いたらせん捻転管内移動の原理と検証”、高山俊男、倉田稔、小俣透、日本ロボット学会誌、２０１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献２は、螺旋捻転運動を発生させるものであるが、複数の剛体ガイドを用いるものであり、不連続なアクチュエータ配置となっている。そのため、外周形状が非連続的であり、短ピッチの螺旋形状が得られていない。また、外周面に剛体が存在するため、被接触面を傷つける懸念がある。
【０００８】
従って、従来の技術では、螺旋ピッチが広範囲で可変な、外形が連続的な螺旋形状に変形可能なソフトデバイスは実現できていない。そこで、本発明は、螺旋ピッチを広範囲かつ高い再現性で制御でき、外形が連続的な螺旋形状に変形可能なソフトデバイス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】
【０００９】
本発明のソフトデバイスは、柔軟な柱状部材と、線状に変形可能なアクチュエータと、を備えたソフトデバイスであって、前記柱状部材は、その中心軸に対して螺旋状のガイド空間を含んでおり、該ガイド空間に前記アクチュエータが配置され、前記アクチュエータを駆動させることで前記柱状部材を変形させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、柱状部材がその中心軸に対して螺旋状のガイド空間を含んでいることから外形が連続的なソフトデバイスを構成でき、広範囲かつ高い再現性で特定のピッチの螺旋状態の変形を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のソフトデバイスを説明する図
【図２】図１のソフトデバイスの組立工程を説明する図
【図３】本発明のソフトデバイスの運動学モデルの構成とパラメータを説明する図
【図４】曲率と参照円柱との関係を表すグラフ
【図５】断面モデルの構成とパラメータを説明する図
【図６】無負荷状態アクチュエータひずみと曲率との関係を表すグラフ
【図７】４つの右巻きの螺旋状ガイドを含む構成を説明する図
【図８】８つの右巻きの螺旋状ガイドを含む構成を説明する図
【図９】４つの左巻きの螺旋状ガイドを含む構成を説明する図
【図１０】８つの左巻きの螺旋状ガイドを含む構成を説明する図
【図１１】左巻きの螺旋状ガイドと右巻きの螺旋状ガイドとを含む構成を説明する図
【図１２】螺旋状ガイドと直線状ガイドとを含む構成を説明する図
【図１３】ピッチの異なる複数の螺旋状ガイドを含む構成を説明する図
【図１４】本発明に適用される柱状部材の製造工程を説明する図
【図１５】本発明のソフトデバイスの組立工程を説明する図
【図１６】拡張ユニットを含む構成を説明する図
【図１７】複数のソフトデバイスを軸方向に連結した構成を説明する図
【図１８】管の中の移動ロボットのふるまいを説明する図
【図１９】マニピュレータのふるまいを説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明するが、本発明は、以下に限定されるものではない。本発明は、ソフトデバイスとして捉えられるが、このソフトという表現は、発明の主たる構成要素として柔軟な柱状部材（または軟質な柱状部材）備えることに起因するものである。本発明のソフトデバイスは、ソフトロボット、ソフトロボット用アクチュエータ、あるいは柔軟な柱状部材を備えた駆動デバイス等と捉えることもできる。本発明により提供されるソフトデバイスは、柔軟な柱状部材と、線状に変形可能なアクチュエータと、を備えたソフトデバイスである。そして、柱状部材は、その中心軸に対して螺旋状のガイド空間を含んでおり、ガイド空間にアクチュエータが配置され、アクチュエータを駆動させることで柱状部材に変形を生じさせる。
【００１３】
（基本的な実施形態）
図１は本発明のソフトデバイスの一例を示す模式図である。図１（Ａ）において、本例のソフトデバイスは、柔軟な柱状部材２１と、線状に変形可能なアクチュエータ１１と、を備えており、柱状部材２１は、その中心軸５に対して螺旋状のガイド空間２５を備えている。そして、線状に変形可能なアクチュエータ１１は、螺旋状のガイド空間２５に配置されており、アクチュエータ１１は、固定点２９でガイド空間２５に固定されている。そのため、線状に変形可能なアクチュエータ１１は、固定点２９以外の部分では、螺旋状のガイド空間２５から外れることなく、自由に伸縮することができる。ここで、ガイド空間２５は、柱状部材２１に作り込んである。なお、線状に変形可能なアクチュエータ１１は、柱状部材２１よりも直径が小さく、柔軟に曲がる一方で、何らかの入力刺激に応じて軸方向に伸縮できるものである。ここで、アクチュエータの軸方向は、アクチュエータの中心軸に大よそ沿った方向のことである。また、本発明におけるアクチュエータは、伸縮方向を長手方向とする線形に変形可能なアクチュエータとして捉えることもできるし、軸方向に伸縮可能は略線状のアクチュエータとして捉えることもできる。そして、略線状のアクチュエータは、略直線状のアクチュエータに加えてコイル状のアクチュエータをも包含する。従って、アクチュエータ１１を収縮させると、螺旋状ガイド空間２５も、それと同じ収縮率（以降、「ひずみ」と表現する。）で収縮する。その際、アクチュエータ１１は、ガイド空間２５により、柱状部材２１の中心に位置する曲線（以降、「背骨曲線」と表現する。）に対して常に同じ方向の位置に維持される。その結果、図１（Ｂ）の螺旋状態に示すように、アクチュエータ１１を駆動させることで柱状部材２１及びその背骨曲線（図１（Ａ）における中心軸５が変位した曲線に相当）を螺旋状態に変形させることができる。アクチュエータ１１は、螺旋状のガイド空間２５による位置の制約を維持しながら、大きなひずみで収縮できるため、柱状部材２１を螺旋状に大変形させることができる。また、その螺旋変形の程度（例えば、螺旋ピッチ）は、柔軟で線状に変形可能なアクチュエータ１１のひずみの程度と、連続かつ正確な関係がある。そのため、アクチュエータ１１のひずみを制御することで、柱状部材を、広い範囲のうち特定のピッチの螺旋状態に、高い再現性で、変形させることができる。ここで、図１（Ａ）、図１（Ｂ）において、柔軟な柱状部材２１として、円柱を示してあり、以降の説明でも円柱を例に説明するが、本発明の柱状部材は、円柱に限られるものではない。本発明の効果を逸脱しない範囲であれば、背骨曲線に垂直な断面が多角形、楕円、卵形線またはそれ以外の形状であったり、または、背骨曲線に沿って断面の面積や形状が異なっていてもよい。
【００１４】
螺旋変形可能な本発明のソフトデバイスを管の内部を移動するソフトロボットとして用いる場合、位置によって内径が異なる管や、柔軟に内径が変動する管（例えば、生体の消化器系）に対し、螺旋ピッチと同時に最外形を高い再現性で変化させることによって、適応することができる。この効果は消化器系の内視鏡ロボットに応用する場合に特に有利となる。また、本発明のソフトデバイスをマニピュレータとして用いる場合、高い再現性で螺旋ピッチを変えることで、デバイスの先端で物体を搬送したり、螺旋変形したデバイスの内側面で物体を把持するなどのマニピュレーションが可能となる。いずれの構成においても、このソフトデバイスは最外形が柔軟な部材で構成されているため、被接触物に対し、過剰な押し付け力を与えることがなく、また、傷つけるリスクが少ないという効果も奏される。
【００１５】
図１に示したソフトデバイスの組立工程の例を図２に示す。柔軟な円柱部材２１の各螺旋状ガイド空間２５に、線状に変形可能なアクチュエータ１１を載置し、螺旋状ガイド空間２５の微小領域に接着剤３１を付着させ、硬化させると、固定点２９が形成される。これにより図１のソフトデバイスを得ることができる。ただし本発明では、組立工程を特に限定しておらず、図２はその一例である。
【００１６】
（運動学モデル）
より定量的に本発明の効果を説明するため、螺旋変形の運動学モデル及び力学モデルを用いて説明する。はじめに、螺旋変形の幾何学的な特長を明確にするため、螺旋変形の運動学モデルを導出する。図３にソフトデバイスの運動学モデルの構成及びパラメータを示す。
【００１７】
図３（Ａ）の基準状態において、複数の線状に変形可能なアクチュエータ１１、１２、１３、及び１４が、ｅｚ軸に対して捩率（ｔｏｒｓｉｏｎ）τの常螺旋となるよう配置されている。図示のとおり、柱状部材２１の長さをＬｂとし、捩率τは次式のように仮定する。
【００１８】
【数１】
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ただし、本発明において、捩率τを限定しているわけではなく、例えば、τ＝２π／Ｌｂとなるように構成してもよい。また、アクチュエータ間は、図のｅｚ軸回りに等分割角度２π／ｎｄ［ｒａｄ］毎に離間されて配置されている。図の構成ではｎｄ＝４としているが、本発明では特にアクチュエータ数を限定しない。
【００１９】
なお、このアクチュエータの配置に関する捩率τは、任意の曲率κで螺旋変形している状態の柱状部材２１の捩率と等しくなる。この螺旋状態を図３（Ｂ）に示す。この螺旋状態は、アクチュエータ１１の収縮によって、柔軟な柱状部材２１の背骨曲線（ｂａｃｋｂｏｒｎ  ｃｕｒｖｅ）ｐｂｃが曲率κ、捩率τの常螺旋となっている状態を表している。このとき、背骨曲線ｐｂｃの弧長ｓ＝０からｓ＝Ｌｂまでのｅｚ軸回りの回転量θは次式で表される。
【００２０】
【数２】
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また、背骨曲線ｐｂｃは、図の仮想的な円柱ｒｃの側面上に存在しているとみなすことができる。この円柱を以降、「参照円柱ｒｃ」と呼ぶ。参照円柱ｒｃの寸法は螺旋変形の程度を表している。参照円柱ｒｃの長さＬｒと直径ｄｒは次式となる。
【００２１】
【数３】
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また、背骨曲線ｐｂｃの螺旋ピッチＰは次式となる。
【００２２】
【数４】
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捩率τは一定なので、曲率κが決まると、回転量θ、参照円柱ｒｃの長さＬｒ、直径ｄｒ及び螺旋ピッチＰは一意に決まる。以降、螺旋変形の程度を表すパラメータとして、曲率κあるいは、捩率τで正規化した（κ／τ）を用いる。
【００２３】
なお、幾何学的に生成しうる螺旋変形状態のうち、限界となる変形状態は、ピッチＰが柔軟な柱状部材２１の直径ｄｂに等しくなる状態である。このことから、幾何学的条件に依存して曲率κが取りうる範囲は、次式となる。
【００２４】
【数５】
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すなわち、曲率κの幾何学的上限値は、柔軟な柱状部材２１のアスペクト比Ｌｂ／ｄｂによって決まる。
【００２５】
ただし、後述するように、アクチュエータが生成できるひずみの限界値に依存した力学的上限値が存在するため、曲率κは上記の幾何学的上限値を実際に生成できるとは限らない。
【００２６】
この際、柔軟な柱状部材２１の背骨曲線ｐｂｃは、次式となる。
【００２７】
【数６】
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また、微分幾何学の定義から背骨曲線ｐｂｃの弧長ｓの位置における動標高（ｍｏｖｉｎｇ  ｆｒａｍｅ）は次式となる。
【００２８】
【数７】
2017024117.tif 000009
この際、収縮しているアクチュエータ（この場合は１１）は、主法線ベクトルｅ２の方向に位置することになる。そのため、各アクチュエータの位置を表す曲線は次式で表される。
【００２９】
【数８】
2017024117.tif 000010
ここで、ｐａ，１（κ，ｓ）は、アクチュエータ１１についてであり、アクチュエータ１２については、ｐａ，２（κ，ｓ）となる。
【００３０】
（螺旋状ガイドに配置されたアクチュエータのひずみ）
アクチュエータ１１の収縮により柱状部材２１が螺旋変形しているとき、柱状部材２１に形成された螺旋状ガイドに設置されたアクチュエータａｉ（ｉ＝１，…，４）のひずみεａｉは次式で表される。ここで、アクチュエータａｉ（ｉ＝１，…，４）は、アクチュエータ１ｉ（ｉ＝１，…，４）に対応している。
【００３１】
【数９】
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従って、アクチュエータ１１のひずみεａ１が決まれば、背骨曲線ｐｂｃの曲率κが一意に決まり、柱状部材２１の螺旋形状が一意に決まる。すなわち、アクチュエータのひずみεａ１を制御することによって、柱状部材２１の螺旋形状が、高い再現性で、曲率κ、捩率τを満たすように得られる。また、アクチュエータ１１の収縮ではなく、アクチュエータ１３の伸長によって同様の形状を得ることもできる。
【００３２】
（運動学モデルに基づく数値例）
式３に基づき、曲率κと、参照円柱ｒｃの長さＬｒ及び直径ｄｒとの関係を表す数値例を図４のグラフに示す。なお、柔軟な円柱部材２１のアスペクト比をＬｂ／ｄｂ＝１０と仮定した。また、各グラフの横軸を（κ／τ）とし、（κ／τ）の各代表値における柱状部材２１の変形のふるまいを付記した。この条件の場合、図示のとおり、参照円柱ｒｃの直径ｄｒは柱状部材２１の直径ｄｂの約３倍まで変化させることができる。この特性のおかげで、例えば、このソフトデバイスを用いた移動ロボットが管の内径部分に接触しながら移動する場合、位置によって異なる内径を有する管や、同じ位置で内径が変動する管に適応しながら、特定の位置にとどまったり移動したりさせることができる。この際、管の内径はｄｒ＋ｄｂである。また、この特性に起因して、例えば、この移動ロボットが円柱の外部に巻きついて移動する場合、位置によって異なる直径を有する円柱や、同じ位置で直径が変動する管に適応しながら、特定の位置にとどまったり移動したりさせることができる。この際、円柱の直径はｄｒ−ｄｂである。
【００３３】
また、例えば、曲率κを約２．０τまで変化させられる場合、参照円柱ｒｃの長さＬｒは、柱状部材２１の長さＬｂの約１／２まで縮めることができる。この特性により、例えば、このソフトデバイスをマニピュレータとして用いる場合、広い可動範囲を実現することができる。
【００３４】
（力学モデル）
次に、無負荷状態でアクチュエータが生成できるひずみのエネルギによって柔軟な柱状部材をどの程度変形させることができるかを、定量的に明確にするため、力学モデルを導出する。常螺旋変形した柱状部材２１の接線ベクトルｅ１（ｓ）に直交する微小断面要素は、曲率κに依存した弾性自由エネルギを持つ。またこの弾性自由エネルギは、任意の弧長ｓの位置に依らずいたるところ同じ値である。従って、その微小断面要素に着目し、そのモデルとパラメータを図５に示す。
【００３５】
（柔軟な柱状部材の弾性自由エネルギ）
図示のように、円柱座標ｐｂ（α，ｒ，ｓ）を定義し、基準状態から螺旋状態への変化から、座標ｐｂ（α，ｒ，ｓ）における微小体積要素ｄｐｂの変形倍率λｉ（ｉ＝｛α，ｒ，ｓ｝）は次式となる。図５（Ａ）は、基準状態、図５（Ｂ）は、螺旋状態を表わしている。
【００３６】
【数１０】
2017024117.tif 000012
なお、柱状部材２１はエラストマーのような材質であると仮定して、微小体積要素ｄｐｂの体積が略一定となるよう考慮した。これより、微小体積要素の弾性自由エネルギ密度はエラストマーなどの大変形を考慮した弾性理論に基づいて次式となる。
【００３７】
【数１１】
2017024117.tif 000013
なお、Ｇｂ［Ｐａ］は、柱状部材２１のずり弾性率（ｓｈｅａｒ  ｍｏｄｕｌｕｓ）を表す。ｆｅｌ（κ，ｒ，α）に微小要素ｄｐｂの面積ｒｄαｄｒを掛けて積分することによって、接線ベクトルｅ１（ｓ）に沿った単位長さあたりの弾性自由エネルギは次式となる。
【００３８】
【数１２】
2017024117.tif 000014
（アクチュエータの弾性自由エネルギ）
柔軟で線状に変形可能なアクチュエータの弾性自由エネルギは次式で表すことができる。
【００３９】
【数１３】
2017024117.tif 000015
なお、εａはアクチュエータが発生することができるひずみである。また、Ｋａ［Ｎ］は、ばね特性を表す定数である。なお、アクチュエータがコイル状の形状記憶合金ワイヤ（以降、「ＳＭＡ」：  Ｓｈａｐｅ  Ｍｅｍｏｒｙ  Ａｌｌｏｙと表現する。）の場合は次式となる。
【００４０】
【数１４】
2017024117.tif 000016
ＧａはＳＭＡの横弾性係数、ｄａはワイヤ直径、Ｄａはコイル直径を表す。
【００４１】
（無負荷状態アクチュエータひずみと曲率との関係式）
背骨曲線に沿った単位断面の弾性自由エネルギのつりあいは次式となる。
【００４２】
【数１５】
2017024117.tif 000017
左辺は、無負荷状態のアクチュエータがひずみεａ０を生成しているときの弾性自由エネルギを表す。右辺は螺旋変形したソフトデバイスの弾性自由エネルギの総和を表す。そのうち、右辺第一項は、柱状部材２１の成分、右辺第二項は、ソフトデバイスに設けられたアクチュエータの成分を表す。なお、ｎａは略同一位置に配置されたアクチュエータの数を表す。
【００４３】
ひずみがゼロの状態のアクチュエータの長さＬａと柱状部材の長さＬｂとの比は次式となる。
【００４４】
【数１６】
2017024117.tif 000018
上記のつりあいの式１５に、各パラメータを代入して整理すると、無負荷状態アクチュエータひずみεａ０と、それによって得られる曲率κとの線形関係式が次のように得られる。
【００４５】
【数１７】
2017024117.tif 000019
係数ｃｏｅｆａが小さいほど、小さいεａ０で、大きい曲率κを生成できる。
【００４６】
（力学モデルに基づく数値例）
無負荷状態アクチュエータひずみεａ０と、それによって得られる曲率κとの関係を表したグラフを図６に示す。なお、柱状部材は、柔軟なエラストマーを想定し、長さＬｂ＝８０［ｍｍ］、直径ｄｂ＝８［ｍｍ］、ずり弾性率Ｇｂ＝４３［ｋＰａ］とした。また、アクチュエータはコイル状ＳＭＡを想定し、ワイヤ直径ｄａ＝０．１５［ｍｍ］、コイル直径Ｄａ＝０．６０［ｍｍ］、ずり弾性率Ｇａ＝１７．７［ＧＰａ］とした。またｎａ＝２とし、ｎｄ＝１，４，８の３通りについて図示した。ここで、ｎｄは、図３に関連して説明した通り、アクチュエータをｅｚ軸回りに等分割角度２π／ｎｄ［ｒａｄ］毎に離間配置した場合のアクチュエータの数である。ｎｄが増えると、ソフトデバイス全体の剛性が高くなるため、得られる曲率κは小さくなる。また、ｎｄ＝４のとき、コイル状ＳＭＡが生成できる現実的な値としてεａ０の上限を０．５とすると、曲率κを約２．０τ程度まで変化させることができる。このとき、図４に示した変形のふるまいから分かるとおり、十分広い範囲で変形を得ることができる。
【００４７】
（試作実験検証結果）
図６のｎｄ＝１の条件における構成のプロトタイプを製作し、実験検証を行った。図６によると、アクチュエータとして用いたコイル状ＳＭＡの無負荷状態ひずみεａ０を０．５とした場合、曲率κは約２．５τとなると予想される。プロトタイプを用いてこれらの条件で実験検証を行った結果、実際にこの予想に近い螺旋変形が確認された。従って、上記の力学モデルは妥当性があること、また、本発明のソフトデバイスが実施可能であることが確認された。
【００４８】
（ソフトデバイスのサイズ）
本発明の螺旋変形可能なソフトデバイスのサイズは特に限定されるものではないが、本発明のソフトデバイスは、その柔軟性のため、重力や慣性力の影響に抗しにくい。そのため、本発明においては、小さいサイズであるほど、螺旋変形の効果は得やすい。そのため、本発明のソフトデバイスのサイズは、現実的には数１０ミリメートル以下が望ましい。また、マイクロスケール以下で構成してもよい。特に、液体はマイクロスケール以下では粘性抵抗が支配的となるが、そのような低レイノルズ数の液体環境において、螺旋変形による泳動は効果的である。一方、数１０ミリメートル以上とする場合は、低剛性による自重変形の影響が無視できなくなってくるため、柱状部材の内部に中空領域を形成し、剛性を補償する機構を付加することが望ましい。
【００４９】
（ソフトデバイスの形状）
柔軟な柱状部材は、前記と同様の原理の螺旋変形を阻害せず、外形が連続的であれば、完全な円柱状でなくともよく、弧長ｓの位置によって断面形状や面積が異なったりしてもよい。例えば、断面形状が、多角形、楕円、卵形線またはそれ以外の形状であってもよい。また、柱状部材は、内部に中空領域を有していてもよい。この中空領域には、前記の螺旋変形を阻害しなければ、剛性可変機構や、電気実装などを配置することができる。
【００５０】
（周方向複数アクチュエータ）
柔軟な柱状部材２１は、周方向に複数の螺旋状ガイド空間を含み、この各ガイド空間に線状に変形可能なアクチュエータを配置することが望ましい。この構成により、異なる周方向に螺旋変形を生じさせることができる。図７にこの例を示す。図７の例では、柔軟な柱状部材２１に右巻きの螺旋状ガイド空間２６が４個形成され、各ガイド空間２６に線状に変形可能なアクチュエータ１１が配置されている。ただし、ガイド空間は、図８に示したように８個であってもよい。また、ガイド空間は図９、図１０に示したように左巻きの螺旋状ガイド空間２７であってもよい。
【００５１】
（右巻き＋左巻きガイド空間）
図１１に示すように、柔軟な柱状部材２１は、右巻きの螺旋状ガイド空間２６と、左巻きの螺旋状ガイド空間２７とを含む構成であってもよい。この構成により、柱状部材２１は、より複雑な螺旋形状を生成することができる。
【００５２】
（螺旋＋直線ガイド空間）
図１２に示すように、柱状部材２１は、螺旋状ガイド空間２６（左巻きのガイド空間２７であっても良い）と、直線状のガイド空間２８とを含む構成であってもよい。この構成により、柱状部材２１は、螺旋状のガイド空間２６による螺旋変形に加え、直線状ガイド空間２８による曲げ変形を生成することができる。
【００５３】
（複数螺旋ピッチ）
図１３に示すように、柱状部材２１は、第１の螺旋ピッチの第１螺旋状ガイド空間２６−１と、第２の螺旋ピッチの第２の螺旋状ガイド空間２６−２とを含む構成であってもよい。この構成では、第１の螺旋状ガイド空間２６−１の捩率をτ１＝π／Ｌｂとし、第２の螺旋状ガイド空間２６−２の捩率をτ２＝２π／Ｌｂとした。この構成により、柱状部材２１は、より広範囲の螺旋ピッチで螺旋形状を生成することができる。
【００５４】
（柱状部材の材質）
柱状部材の材質は、柔軟なエラストマーが望ましい。特に、モールドによって多様な形状を製作できるため、硬化性の液状エラストマーが望ましい。ただし、本発明のソフトデバイスを生体内での使用に適用する場合は、生体適合性のある材質が適している。
【００５５】
（柱状部材の製造工程例）
螺旋状のガイド空間を有する（作り込んである）柱状部材の製造工程の一例を図１４に示す。まず、注入・硬化工程（Ｐｏｕｒ  ａｎｄ  ｃｕｒｅ）について図１４（Ａ）を用いて説明する。螺旋状ガイド空間の形状の型となる螺旋状ガイドパターン４５（図１４（Ｂ）参照）を予め形成したモールド４１−１、４１−２及び、その支持部品４２−１、４２−２を製作し、それらモールド部品を組立てたモールドアセンブリ４０を用意する。モールドアセンブリ４０の注入口４３に液状エラストマー４６を注入し、硬化させる。
【００５６】
次に、分解工程（Ｂｒｅａｋ  ｕｐ）について図１４（Ｂ）を用いて説明する。エラストマー４６が硬化した後、モールドアセンブリ４０を分解すると、螺旋状ガイド空間２５が形成された柱状部材２１が得られる。この方法は、特に、柱状部材の寸法が数ｍｍから数１０ｍｍの場合に適している。図１４に示した柱状部材２１は直径８ｍｍ、長さ８０ｍｍである。各モールド部品は、例えば、ＡＢＳ樹脂製であれば市販の３Ｄプリンタで容易に製作できる。あるいは、柔軟な樹脂を素材とする３Ｄプリンタを用いて、螺旋状ガイド空間を有する柔軟な柱状部材をボトムアップ的に製作してもよい。
【００５７】
（アクチュエータの種類）
線状に変形可能なアクチュエータは、前記に定義した無負荷状態での全長に対するひずみεａ０を大きく発生できるものが望ましい。例えば、ＳＭＡ、イオン導電性高分子金属複合体（ＩＰＭＣ  ：Ｉｏｎｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ−Ｍｅｔａｌ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）、モータ駆動ワイヤのいずれか、もしくはそれらの組み合わせであればよい。特にコイル状のＳＭＡはεａ０が大きく好適である。また、ＩＰＭＣを用いて大きな変位が得られるよう構成した柔軟な線状に変形可能なアクチュエータもいくつか存在し、それらを用いてもよい。ただし、本発明のソフトデバイスを生体内での使用に適用する場合は、生体適合性のある材質のアクチュエータが適している。
【００５８】
（ソフトデバイスの組立工程例）
本発明のソフトデバイスの組立工程の一例を図１５に示す。図１５（Ａ）に示すように柱状部材２１の各螺旋状ガイド空間２５に、アクチュエータ１１を載置し、螺旋状ガイド空間２５の微小領域に接着剤３１を付着させ、硬化させる。なお、接着剤３１の材質は、柱状部材２１と同じものが望ましい。接着剤３１が硬化すると、固定点２９となる。図１５（Ｂ）に示すように固定点２９において、柱状部材２１とアクチュエータ１１とが部分的に固定される。そのため、アクチュエータ１１は、２つの固定点２９の間で、螺旋状ガイド空間２５に形状を規制されつつ、軸方向に自由に収縮することができる。なお、図示のソフトデバイス１００では、アクチュエータ入力端５１を柱状部材２１の１つの端部に集約させるために、アクチュエータ１１を柱状部材２１の軸方向に対し１往復するように配置させている。また、アクチュエータ１１を柱状部材の表面から外側に露出させない構成にする場合は、柱状部材２１と同程度の柔軟性を持つフィルム状材料で外周を被覆してもよい。あるいは、接着剤を用いずに、前記のような液状エラストマーの注入・硬化工程を複数回行うことによって、アクチュエータ１１を柱状部材２１の内部に埋め込んでもよい。
【００５９】
（拡張ユニット追加構成）
本発明のソフトデバイスでは、実施するミッションに応じて、ソフトデバイスに拡張ユニットを付加することが望ましい。図１６にその構成例を示す。この構成では、ソフトデバイス１００の一端に制御ユニット７１を付加し、もう一端にエンドエフェクタユニット７２を付加している。制御ユニット７１は、各アクチュエータの制御器、バッテリ、通信機器、マイクロコンピュータ、メモリなどをミッションに応じて備えることが望ましい。また、エンドエフェクタユニット７２は、カメラ、センサ、ハンドなどをミッションに応じて備えることが望ましい。また、これら拡張ユニットの外周部分は、ソフトデバイス１００と同程度に柔軟な材質で構成されていることが望ましい。また、前記の螺旋変形を阻害しなければ、何らかの拡張ユニットが柱状部材の内部に配置されていてもよい。
【００６０】
（カスケード構成）
図１７に示すように、複数の螺旋形状に変形可能なソフトデバイス１００−１、１００−２、及び１００−３を、柱状部材２１の中心軸方向に直列に連結させた複合ソフトデバイスとしてもよい。この構成にすると、それぞれのソフトデバイスごとに異なる変形状態を得ることができる。
【００６１】
（移動ロボット構成）
本発明のソフトデバイスを用いた移動ソフトロボットについて説明する。本例のソフトデバイスは、図１８に示すように拡張ユニットを含み、何らかの外部信号と制御方策に基づいて各アクチュエータを制御することができる。移動のふるまいの一例として、この螺旋ソフトロボットが管８１の内径部分を移動する様子を図１８に示す。この構成は、柱状部材の周方向に均等に配置されたアクチュエータ１１、１２、１３、及び１４を含むが、アクチュエータ１１及び１４のみが図示されている。初めの状態として、ソフトロボットは、アクチュエータ１１をＯＮ状態とし、管８１の内側面につっぱって滑らずに螺旋変形状態を維持している。このとき、螺旋の曲率はκ、捩率はτ＝π／Ｌｂ（一定）、管８１の内径はｄｐである。周期ｔ０で、１１、１４、１３、１２、１１の順にＯＮ状態とするアクチュエータを切り替える。すなわち、次に示すようなシーケンスＳｅｑ０〜Ｓｅｑ４を実行する。
Ｓｅｑ０｛１１（ｔ＝０）：ＯＮ｝
Ｓｅｑ１｛１４（ｔ＝ｔ０／４）：ＯＮ｝
Ｓｅｑ２｛１３（ｔ＝ｔ０／２）：ＯＮ｝
Ｓｅｑ３｛１２（ｔ＝３ｔ０／４）：ＯＮ｝
Ｓｅｑ４｛１１（ｔ＝ｔ０）：ＯＮ｝
図１８には、各シーケンスにおけるソフトロボットの状態を表示している。各状態は、同じ螺旋変形状態であるが、ＯＮ状態のアクチュエータを切り替えることによって、任意の弧長ｓの位置において、接線ベクトルｅ１（ｓ）を軸とする次式の平均角速度が生じる。
【００６２】
【数１８】
2017024117.tif 000020
本例のソフトロボットは管の内径部分に接触しているため、各接触点を上記の各速度で転がる。そのため、図１８の拡大図に示すように、アクチュエータを切り替える毎に、各接触点は並進方向ｅｚ、回転方向θｚに移動する。その平均並進速度および平均回転角速度は、幾何学的に次式となる。
【００６３】
【数１９】
2017024117.tif 000021
なお、管８１の内径の条件（ｄｐ＝ｄｒ＋ｄｂ）を満たすために、曲率κは、次のいずれかの値にする必要がある。
【００６４】
【数２０】
2017024117.tif 000022
従って、周期ｔ０の間に得られる並進量、及び回転量は次式となる。
【００６５】
【数２１】
2017024117.tif 000023
このように、管８１の内径ｄｐに適応して螺旋の曲率κを変化させることで、管８１の内径部分にとどまることができ、また、周方向の複数のアクチュエータを切り替えることにより、並進移動することができる。そのため、この能力は、位置によって異なる内径を有する管や、同じ位置で内径が変動する管に対して特に有効である。例えば、生体の消化器系内部にとどまったり、移動したりする内視鏡ロボットとして用いることができる。また、このソフトロボットは柔軟な部材で構成されているため、被接触面に対し、過剰な押し付け力を与えることがなく、また、傷つけるリスクが少ない。
【００６６】
（マニピュレータ構成）
本発明のソフトデバイスをマニピュレータとして用いる構成（マニピュレータシステム）について説明する。マニピュレータのふるまいの１例を図１９に示す。図示の構成は、柱状部材２１の周方向に均等に配置されたアクチュエータ１１、１２、１３、及び１４を含む。柱状部材２１の片方の端部６１を固定し、もう一方の端部６２をエンドエフェクタとして用いる。なお、固定端６１が固定される被固定部は、静止した物体の一部分であってもよいし、移動体の一部分であってもよい。図１９（Ａ）に示す曲率制御では、１つのアクチュエータ（図では１１）について、曲率κの変化によって得られる変形状態を示している。図に示すように、自由端６２の位置を広い範囲で変化させることができる。自由端６２の位置は、前述した柱状部材の背骨曲線ｐｂｃの式６を用いて決定することができる。また、図１９（Ｂ）に示す方向制御では、ＯＮ状態とするアクチュエータを切り替えることで、図のｚ軸回りの方向を制御することができる。従って、例えば、自由端６２に何らかの物体保持機構を付与すれば、広い作業空間で、物体を保持し、搬送するなどの操作を行うことができる。また、曲率制御によって、柱状部材の側面に物体を巻きつけて操作することもできる。その際、このマニピュレータは柔軟な部材で構成されているため、操作される物体を破損するリスクが少ない。従来の超冗長多関節型マニピュレータでも図示のような形状を生成することはできるが、駆動関節及び制御入力が多くなり、構造及び制御方策が複雑となる。本発明の構成によれば、比較的少ない入力で、図示のような形状を生成することができる。
【００６７】
（その他のロボットシステム構成）
上記の構成の他にも、前記したソフトデバイスを変形要素としてロボットシステムを構成することができ、本発明はそのような形態を包含する。例えば、ボディに対して複数のソフトデバイスの端部を固定し、ソフトデバイスを腕、あるいは脚として用いることも可能である。
【００６８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１１  線状に変形可能なアクチュエータ
２１  柔軟な柱状部材
２５  螺旋状のガイド空間
【図１】
2017024117.tif 000024
【図２】
2017024117.tif 000025
【図３】
2017024117.tif 000026
【図４】
2017024117.tif 000027
【図５】
2017024117.tif 000028
【図６】
2017024117.tif 000029
【図７】
2017024117.tif 000030
【図８】
2017024117.tif 000031
【図９】
2017024117.tif 000032
【図１０】
2017024117.tif 000033
【図１１】
2017024117.tif 000034
【図１２】
2017024117.tif 000035
【図１３】
2017024117.tif 000036
【図１４】
2017024117.tif 000037
【図１５】
2017024117.tif 000038
【図１６】
2017024117.tif 000039
【図１７】
2017024117.tif 000040
【図１８】
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【図１９】
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