(57)【要約】  漏れセンサのようなセンサおよび器具を送水管内に搬送するための受動的ロボット。ロボットは、送水管内にぴったりと嵌合する直径を有する漏れセンサを含む。漏れセンサは、実質的に対称的な第１および第２の軟体部の側面に位置し、それらに接合される。エンドキャップが、第１および第２の軟体部のそれぞれに設けられる。軟体部はそれぞれ、ネック部分を備えた先細構成を有し、軟体部長さとネック幅との比率は、軟体部を屈曲させ、受動的ロボットが鋭い屈曲部およびＴ字型接合部を通過することを可能にするように選択される。
2020520436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送水管の内側を移動する受動的ロボットにおいて、
機能するのに前記管内で特定の位置または向きを必要とするセンサまたは器具に接続された、少なくとも１つの軟体部と、
各軟体部上のエンドキャップと、
を含み、
前記軟体部がそれぞれ、ネック部分を備えた先細構成を有し、軟体部長さとネック幅との比率は、前記軟体部を屈曲させ、前記受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択されている、受動的ロボット。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットにおいて、
前記鋭い屈曲部が、９０°である、ロボット。
【請求項３】
請求項１に記載のロボットにおいて、
前記エンドキャップは、キャップがＴ字型接合部における段部障害物を避けるのを容易にするために、半円未満の曲率を有するか、または同等に前記キャップの後部に曲率中心を有する、ロボット。
【請求項４】
請求項１に記載のロボットにおいて、
全ての電子機器が、前記少なくとも１つの軟体部の内側に埋め込まれている、ロボット。
【請求項５】
請求項１に記載のロボットにおいて、
前記軟体部が、シリコーンゴムなどの軟質材料で作られている、ロボット。
【請求項６】
請求項５に記載のロボットにおいて、
前記シリコーンゴムが、ショア００−５０硬度を有する、ロボット。
【請求項７】
請求項１に記載のロボットにおいて、
前記軟体部長さとネック幅との比率が約２であるので、前記軟体ロボットは、常に前記ネックにおいて屈曲する、ロボット。
【請求項８】
ロボットの軟質材料に基づいたデザインにおいて、
少なくとも１つの軟体部と、
少なくとも、前記軟体部上のエンドキャップ、および前記軟体部が他の剛性装置に接合することを可能にする前記軟体部上のインターフェースと、
を含み、
前記軟体部が、ネック部分を有し、
軟体部長さとネック幅との比率は、前記軟体部を屈曲させ、前記受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択されている、軟質材料に基づいたデザイン。
【発明の詳細な説明】
【開示の内容】
【０００１】
〔発明の背景〕
本発明は、送水管の内側でのセンサおよび器具の輸送に関し、より具体的には、漏れ検出センサを運びながら管内の鋭い９０°の屈曲部およびＴ字型接合部を通って動くことができる、軟質で押しつぶすことができる本体を有する受動的ロボットに関する。
【０００２】
世界中のあらゆる都市の街路の下で、送水管システムはこの貴重な資源を静かに分配し、それらの重要な問題は、通常、注目されていない。そのような１つの問題は、管の漏れである。世界中のほぼ全ての国における清浄水供給の約２０％が、漏れのために失われることが報告されている［１］、［２］。サウジアラビアのような水不足の地域では、漏れ率はさらに高く、３０％超である［３］。漏れを減らすことによって、社会は現在の生産能力でより多くの水需要を満たすことができる。漏れの減少は、人口が増加するにつれてより深刻になりつつある地球規模の清浄水不足を直接緩和することができる。
【０００３】
水漏れは見つけにくい。送水管の破裂が時々起こるが、地下送水管１マイル毎に常に小さな漏れが存在する。それらの小さな漏れは、水の損失の大部分を占め、大きな漏れに発展し、最終的には管の破裂を引き起こす可能性がある。ほとんど全ての水道当局によって使用される典型的な地上での手動検出手順は、特に管が、例えば建物の下で届きにくい場合に、小さな漏れを見つけるのに効果的ではない。カメラ、音響システム、および圧力感知システムを用いた管内漏れ検出方法は、それらの漏れの場所をより確実かつ正確に見つけることができる。研究者らは、圧力勾配に基づく管内漏れセンサを開発している［４］、［５］。それらは、漏れ口で発生する吸引力を検出するために膜を使用する。それは、低圧の小径管において小さな漏れを見つけるのに特に良好である。
【０００４】
良好な管内漏れセンサは、可動プラットフォームが送水管を通してそれを運ぶことができる場合にのみ有用である。水道水分配システムは、一般に、５０〜１５０ｍｍ（２〜６インチ）の小径管からなる。多くのＴ字型接合部およびエルボがある。それらは、ほとんど常に、内部の水流で動作している。可動プラットフォームは、流れ条件下で、Ｔ字型接合部およびエルボを有する小径管システムを通過することができなければならない。さらに、典型的な漏れセンサは、漏れを検出するために膜を使用し、これらの膜は、漏れを検出するために管壁に対して一定の距離内に保たれなければならない。それに、プラットフォームは、位置および向きの安定性を有していなければならない。既存の管内プラットフォームは、両方の基準を同時に満たすことができない。この一連のもの（spectrum）の一端において、スマートボール［６］のような自由浮動システムは、エルボを有する管を通る水流についていくことができる。［７］のような管内水泳ロボットは、Ｔ字型接合部およびエルボにおいて能動的に回ることができる。両システムは小型であり、管壁に接触することなく管内を移動する。しかしながら、それらは、管内の乱流の影響を受けやすい。それらは、漏れセンサの適切な位置および向きを維持することができない。他方、パイプライン検査ゲージ（ＰＩＧ）は、流れ駆動ロボットであり、管壁上をスライドする。それらは、パイプラインを通して、超音波トランスデューサ、磁束漏れセンサ、ならびに同様の位置および向きの安定性要件を有する他のセンサを運ぶことができる［８］。通常のＰＩＧは、剛性があり、単一部品である。いくつかの他のものは、［９］のように、継ぎ手で接続された複数のセクションを有する列車により似ている。単一部品ＰＩＧは、配管エルボの周りで鋭く回ることはできないが、列車のようなＰＩＧはそれができる。しかしながら、全てのＰＩＧは、より大きな直径の管のために開発されており、小径管のためのものは、構築するのが困難である。
【０００５】
さらに、既存のロボットを送水管に出し入れするには、通常、特別な入口点および出口点を設置する必要がある。これは、法外なコストがかかる可能性がある。好ましいオプションは、ロボットを管に挿入し、消火栓などの既存の管インフラストラクチャからロボットを取り出すことである。消火栓は、本質的に、９０°の屈曲部に、送水管に接続するＴ字型接合部が続いたものである。既存の剛性の単一部品または多セクションロボットが、これらの屈曲部およびＴ字型接合部を通過することは困難である。消火栓を介して送水管に出入りするロボットの能力がなければ、ロボットを実際の送水管に配備するのに費用がかかる。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、わずかな障害物と共にエルボおよびＴ字型接合部を含む小径の複雑な送水管システムを通って漏れセンサを運ぶ一方で、運ばれる漏れセンサの位置および向きの安定性を維持するための、ロボットを提供することである。
【０００７】
〔発明の概要〕
一態様では、本発明は、送水管内にぴったりと嵌合する直径を有する漏れセンサを含む漏れ検出ロボットである。漏れセンサは、実質的に対称的な第１および第２の軟体部の側面に位置し、それらに接合される。軟体部はエンドキャップを有する。軟体部の各々は、ネック部分を有する先細構成を有し、軟体部長さとネック幅との比は、軟体部を屈曲させ、受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択される。
【０００８】
好ましい実施形態では、ロボット本体は、約９０°の鋭い屈曲を行うことができる。エンドキャップは、キャップがＴ字型接合部における段状の突出部（step obtrusion）から逃れるのを容易にするために、半円未満の曲率を有することが好ましい。また、軟体部のうちの少なくとも１つが、ロボットの感知、制御、意思決定、データ処理、データ記憶、および通信のための電子機器を収容していることが好ましい。軟体部に適した材料は、ショア００−５０硬度を有するシリコーンゴムである。適切な軟体部長さ対ネック幅は、約２である。
【０００９】
別の態様では、本発明の受動的ロボットは、送水管中心線に対する位置および向きを必要とするものを含む、任意のセンサおよび器具を運ぶことができる。一実施形態では、器具は、送水管内にぴったりと嵌合する直径を有する漏れセンサである。漏れセンサは、ロボットの軟体部分に接合される。軟体部はネック部分を有し、軟体部長さ対ネック幅の比率は、軟体部を屈曲させ、受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】送水管システム内のＴ字型接合部を通過する軟体ロボットの概略図である。
【図２Ａ】送水管システムを通る双方向運動のための実質的に対称な第１および第２の軟体部を含む本発明の実施形態である。
【図２Ｂ】送水管システムを通る一方向運動のための単一の軟体部を有する本発明の実施形態である。
【図３Ａ】本発明のロボットの材料を評価する実験の概略図である。
【図３Ｂ】軟体部のゴム材料のショア硬度に対する必要な力のグラフである。
【図４Ａ】屈曲を強化するためのネック部分を含む軟体部の概略図である。
【図４Ｂ】軟体部の高さ対幅の比率に対する必要な力のグラフである。
【図５Ａ】段部を含む接合部を通過する能力を分析するための様々なエンドキャップ構成の概略図である。
【図５Ｂ】段部を含む接合部を通過する能力を分析するための様々なエンドキャップ構成の概略図である。
【図５Ｃ】段部を含む接合部を通過する能力を分析するための様々なエンドキャップ構成の概略図である。
【図６】ロボットを送水管システムに挿入するための開示された技術の概略図である。
【図７】ロボットを水流システムに挿入するためのバイパスループ構成の概略図である。
【図８】送水管システムからロボットを回収するための金属メッシュを利用する本発明の実施形態の概略図である。
【図９】本明細書に開示されるロボットを試験するために使用されるパイプラインの２２１メートルセグメントの概略図である。
【００１１】
〔好ましい実施形態の説明〕
近年のソフトロボットの開発は、管内水漏れ検出のためのアプローチを提供している。軟質ゴムで作られたロボットは、押しつぶされたり屈曲されたりしながら移動することができる［１０］、［１１］。ソフトセンサ［１２］、［１３］は、複数方向の歪みを都合よく測定している。軟質材料はまた、本物の魚の泳ぎを模倣する水泳ロボットを構築するために使用された［１４］、［１５］。軟質材料は、管内システムを構築するための多くの可能性を提供し、弾性があり、変形可能であり、防水性があり、調整が容易であり、電子機器の埋め込みが容易である。
【００１２】
軟質材料は、その押しつぶしおよび屈曲能力で魅力的である。送水管では、ロボットの経路に突き出す（obtruding）破片、スケール、および他の管直径の減少を見ることが一般的である。これらの領域を押し分けて進むことができれば、ロボットはより信頼できるものになる。軟体ロボットは、自然に流れについていき、屈曲してエルボの周りを回ることができる。さらに、正しいヘッドデザインにより、軟体ロボット１０は、図１に示すように、Ｔ字型接合部で屈曲することができる。この図では、明るい色のロボットは、暗い色の漏れセンサ１２を運んでいる。漏れセンサ１２は、ほとんど適応性または柔軟性を有していない。システムが垂直分岐部からＴ字型接合部に入ると、そのヘッドはＴ字型接合部の底部に接触し、流れの方向に沿って屈曲する。ロボットの前部が屈曲し、水平管と整列すると、管の流れがロボットのこの部分を引っ張り、したがって、漏れセンサ１２を水平管内に引っ張る。ロボットのヘッドは、回るのを容易にしなければならず、水平管内でスライドし、ブレーキをかけるのではなく、システム全体を回すように案内しなければならない。ロボットが水平管の左側からＴ字型接合部に入り、垂直分岐部まで上昇しようとする、別のケースでは、ロボットは、作動なしではそうすることができない。たとえ作動されても、水平管内の流速が速く、ロボットが大きな運動量でＴ字型接合部に入る場合、ロボットは依然として垂直に回るのが困難である。したがって、軟体ロボットは、特定の場合にのみＴ字型接合部を通過することができる。したがって、このロボットを管システムで使用する場合、ロボットが進むことができる場所は、Ｔ字型接合部のレイアウトおよび管の流れによって制限される。しかしながら、場合によってはエルボおよびＴ字型接合部において回ることができるのは、通常のＰＩＧと比較した場合に、既に大きな前進である。さらに、この制限は、この流れ駆動ロボットがどこに行くことができるかを予測するのをより容易にする。
【００１３】
したがって、本明細書に開示されるロボットの概念は、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように定式化される。その主要本体は軟質であり、屈曲してエルボおよびＴ字型接合部の周りを回ることができる。これは、作動を有さず、流れ駆動される。これは非常に小型である。電子機器（図示せず）は、一体性および防水性のために軟体部に埋め込まれる。ロボットは、ロボットを案内し、ロボットがＴ字型接合部およびエルボに入る際に接触したときの摩擦を低減するために、前部に中実のエンドキャップ１４を有する。
【００１４】
ロボット１０は、後部に漏れセンサ１２を有する。適切な漏れセンサは［１６］に記載されている。４つの膜センサおよび４つの支持体があり、これらは、ロボットの背面から見たときに円形パターンを形成する。各膜センサは、伸張され得、伸張力を測定することによって漏れを検出する。膜が漏れの上部にあるとき、漏れからの吸引力は、膜を壁に押し付ける。システムが先へ進んでいるとき、膜は伸張され、よって、漏れを示す。支持体は傘のようなものであり、ばね荷重を受け、拡張するように強制される。それらは、膜センサを管壁の近くに保つ。
【００１５】
ロボットが回る能力は、その可撓性によって決定され、その可撓性は、その材料および幾何学的形状によって決まる。材料の選択は、最初に対処される。次に、図２Ａおよび図２Ｂ中の形状係数Ｌ、Ｈｎ、およびＷｎについて論じる。図１に示されるＴ字型接合部のケースから、ロボットの長さＬは、漏れセンサ１２が入る前に水平管内で屈曲することができるように、管の直径と同様でなければならないことが分かる。ロボット上で最も容易に変形する場所は、そのネック、すなわちその本体の最も薄い部分である。したがって、ネックの場所Ｈｎおよびネック幅Ｗｎは、ロボットが屈曲する能力に影響を及ぼす。
【００１６】
このロボット１０に利用可能な最良の軟質材料を見つけるために、一連の実験を行った。Ｓｍｏｏｔｈ−ｏｎ  ＬＬＣからのＥｃｏｆｌｅｘおよびＭｏｌｄｓｔａｒ製品ラインは、広範囲にわたる、十分に記録されていて製造が容易なシリコーンゴム材料である。しかしながら、硬度は、軟体部の形状が重要であるため、解析的にばね定数に厳密には変換されない。ショア硬度値が近接した６つの製品を実験した。図３Ａに示すような半楕円体形状のダミーロボットを各材料について作製した。軟質部分は、長さが５０ｍｍ、基部の直径が４５ｍｍである。先端部には、高さ１５ｍｍの剛性キャップ１４があった。この試験では、各軟体部の先端部を動力計で左に３ｃｍ引っ張りながら各軟体部を基部上に固定した。定常状態の力を測定し、図３Ｂにプロットした。低い力の要件は、管の流れが屈曲部を通してロボットを押すための低い圧力の要件につながったので、好適であった。ショア００−３０および００−５０硬度の、より軟質シリコーンゴムは屈曲させるのにほとんど力を必要としなかったが、ショアＡ１０−２０の、より硬質シリコーンゴムは屈曲させるのに２倍超の力を必要とした。ショアＡ−４０の最後のものは屈曲させることができず、したがってプロットすることができなかった。ショア００−３０のゴムで作られた軟体部は、最初に軸方向の力で座屈し、その他のものは、同じ荷重を与えられて最初に屈曲することも観察された。座屈は、Ｔ字型接合部で回るのには望ましくない。したがって、次に屈曲させ易い材料である、ショア００〜５０硬度のＥｃｏｆｌｅｘシリコーンゴムをロボット用に選択した。この材料は、内径約５０．８ｍｍ（約２インチ）の小さい管に適している。より大きな管は、同じ全体的な剛性を維持するために、より軟質の材料を必要とする。このより軟質の材料は、より低いショア硬度グレードのシリコーンゴムまたは異なる種類のゴムのいずれかであり得る。
【００１７】
同様の実験を使用して、実現可能なロボットの幾何学的形状も決定した。幾何学的形状にネックがある場合、軟体部は常にネックで屈曲し、屈曲するのに必要な力はネックの大きさに依存するという仮説であった。いくつかのトライアルでは、軟体部がネックにおいて常に屈曲していることが確認された。次に、ネック幅を決定するために一連の実験を設計した。図４Ａに示すように、幅対高さの比率が異なる凹形状を有するダミーロボットを作製し、試験した。軟質部分の高さＨは全体的に５０ｍｍであり、基部は直径４５ｍｍであった。ネックは、ネックと基部との間の空間が電子機器を収容するために必要とされることを考慮して、基部から３５ｍｍに設定された。剛性キャップ１４の高さは１５ｍｍであった。この試験では、各軟体部の先端部を左に２ｃｍ引っ張りながら各軟体部を基部上に固定する。定常状態の力を測定し、図４Ｂにプロットする。第１のデータ点は、以前の材料試験からの同じ半楕円体の軟体部のものであり、これは凸状である。その他の３つの軟体部は凹状であり、それらは全て、屈曲力の要件がはるかに低かった。ネックが薄くなるにつれて、屈曲させるのに必要な力は、ロボット内の空間を犠牲にして、より低かった。したがって、Ｈ：Ｗ＝２付近の中央値比率は、屈曲させ易く、軟体部内に大きな空間を有するために選択される。このＨ：Ｗ比率では、屈曲中のほとんどの変形がネックで起こり、基部とネックとの間の空間はほとんど影響を受けなかった。電子機器がその空間に配置された場合、それらは、屈曲中、著しく押しつぶされたり、伸張させられたりしない。
【００１８】
頑強性のために、エンドキャップ１４のデザインも考慮されている。エンドキャップ１４は、第１の接触点であり、屈曲部およびＴ字型接合部を通してロボットのその他の部分を案内する。エンドキャップ１４の曲率は、障害物での詰まりを回避するロボットの能力に著しく影響を及ぼす。既知の障害物の１つは、いくつかのＴ字型接合部における段部であり、これは急激な管直径の変化である。ロボットがＴ字型接合部で屈曲するように押されているとき、そのエンドキャップは管壁に沿ってスライドし、段部に当たる。これが起こると、２つの接触点における反力は、キャップが回転するのを妨げる摩擦力に加えて、キャップにモーメントを生じさせる。図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃに示すケースでは、回転中心、または同等にキャップの曲率中心がどこにあるかに応じて、２つの反力は、キャップを異なる方向に回転させることになる。図５Ａに見られるような鋭い曲率は、回転中心（黒い点）をキャップの前方先端部の近くに置き、キャップに対する２つの垂直力Ｆ１およびＦ２は、キャップに反対のモーメントを課す。したがって、キャップ上の全モーメントは、ほぼゼロであるか、または最小限に反時計回りである。これは、キャップを段部の上に載せるために、摩擦力および小さな反時計回りのモーメントに打ち勝つための作動力のみを必要とする。図５Ｂでは、キャップの曲率は、あまり鋭くなく、より半円に似ている。回転中心は、後方にシフトされ、ここで、Ｆ１の延長線と整列される。したがって、Ｆ１はキャップにゼロモーメントを生じ、Ｆ２はキャップに反時計回りのモーメントを生じる。キャップを段部上に持ち上げるため、より大きな時計回りのモーメントを生成するために、より多くの作動を必要とする。図５Ｃに示す最良のデザインでは、キャップは非常に大きな曲率半径を有し、回転中心は後部にある。両方の力が、キャップに時計回りのモーメントを生じ、キャップを段部上に載せるための作動力の要件を低減する。
【００１９】
内径５２ｍｍ（２インチ）の管システムの試作品を、上記のデザイン解析から得られた寸法で構築した。それを図２Ａおよび図２Ｂに示す。その寸法を表Ｉに列挙する。ロボット１０の外径は、可能性のある錆および汚れを管内に収容するために、５０ｍｍであった。漏れセンサの直径は５２ｍｍであった。漏れセンサとロボットとの間には、シリコーンゴムに埋め込まれた直径４４ｍｍの剛性プレートがあった。電子機器もシリコーンゴムに埋め込まれ、剛性プレート上に構築された。これは、３．７Ｖ  １１０ｍＡｈリポバッテリー、Ａｒｄｕｉｎｏ  ｍｉｎｉ  ｐｒｏ３．３Ｖ／８ＭＨｚマイクロコントローラ、およびＰｏｌｏｌｕ社の９自由度の慣性測定装置（ＩＭＵ）を含んでいた。キャップ１４もシリコーンゴムに接続した。キャップ１４の直径は３５ｍｍであった。それは中空であった；キャップの上部は、マイクロＳＤカードリーダーおよび内部のバッテリープラグにアクセスするために取り外すことができた。この構成は、実験後のデータダウンロードおよびバッテリー充電を可能にする。ゴム製のＯリングを使用して、キャップ１４を閉じたときにキャップ１４を密封した。キャップはプラスチックであり、３Ｄ印刷した。エポキシコーティングをそれらに適用して、それらを水不透過性にした。全ての非シリコーンゴム構成要素を組み立てた後、それらを金型内に配置した。次に、Ｓｍｏｏｔｈ−ｏｎ  ＬＬＣ製のＥｃｏｆｌｅｘ  ００５０シリコーンゴムを、その液体形態で、金型内に注いだ。シリコーンゴムが硬化すると、ロボットが作られ、それは一体である。
【表１】
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【００２０】
本発明のロボットを送水管に挿入する２つの方法が考案されている。第１の方法は、Ｙ字型接合部またはＴ字型接合部を通る挿入であり、既存の管に対する最小限の修正を必要とする。カスタマイズされた接合部を図６に示す。接合部の側部分岐部には、２つの弁が設置されている。弁１を開き、弁２を閉じた状態で、ロボットおよび作動ピストンを側部分岐管内に配置する。次に、弁１を閉じ、弁２を開く。ピストンは、リンク機構または電磁装置のいずれかによって作動され、弁２を通してロボットを主管内に押し込む。Ｔ字型接合部の場合、ピストンは、ロボットの照準を合わせるのを助けるために、片側に傾斜を有することができる。図６に示すピストンでは、ロボットは、主管内に強い水流がないときには、常に主管の右側に行く。強い水流がある場合、ロボットは常に流れの方向に従う。
【００２１】
Ｔ字型接合部を通してロボットを挿入するこの方法は、実験室の設備で実証された。直径５０．８ｍｍ（２インチ）の透明なスケジュール４０プラスチック管システムを実証のために使用した。最初に、Ｔ字型接合部への水引入れ口を閉鎖したので、挿入中に流れはなかった。次に、操作者は、ロボットを垂直管内に配置し、ロッドを用いてロボットをＴ字型接合部内に押し込んだ。ロボットの前部がＴ字型接合部の底部に到達したとき、操作者は、それにもうひと押し与えて、ロボットを左に屈曲するように強制した。ロボットの前部は屈曲したが、水平管と完全には整列していなかった。このとき、前方のキャップは、直管とＴ字型接合部との間に形成された段部と接触していた。操作者は、ロボットを打つ前にロッドを引き戻した。この打撃により、キャップを段部から押し出し、前部および漏れセンサを水平管内に押し込んだ。次に、操作者は、ロボットの後部を水平管内に静かに押し込んだ。次のステップでは、Ｔ字型接合部の垂直部上のキャップを閉じ、Ｔ字型接合部の右側への水引入れ口を作動させた。次に、水流は、ロボットを管の下流に推進させた。
【００２２】
この方法は、消火栓を通してロボットを地下送水管に入れるために使用することができる。消火栓は、Ｔ字型接合部を通じて送水管に接続される。消火栓を開け、内部の機構を取り外すことによって、技師はロボットを消火栓に挿入し、ロボットをＴ字型接合部まで押し下げ、したがって送水管に入れることができる。
【００２３】
第２の挿入方法は、バイパスでロボットを管に挿入することである。バイパスは、パイプラインへの並列ループの追加（parallel loop addition）であり、水流に、地点Ａから地点Ｂへ進む２つの経路オプションを与える。このループは、図７に記載されている。ロボット１０を挿入する前に、弁１、２、３を閉じ、弁４を開く。水流は、ループをとばして、弁４を通って放水口へと進む。次に、弁１を開き、弁１を通してロボットを挿入し、Ｔ字型接合部を通り過ぎて弁２に近い地点に移動させる。次に、弁１を閉じ、弁３を開く。この動作により、ループに水が補充され、ロボットが弁２に押し付けられる。次に、弁２が開かれ、同時に弁４が閉じられる。水流はループを通過し、ロボットを放水口に向かって運ぶ。この種の並列ループは、Ｔ字型接合部挿入装置と比べて機械的に複雑ではない。それは、送水管システムの既存の屈曲部またはＵ字型転回部に容易に追加することができる。
【００２４】
管システムの他端部には、ロボットを回収するためのＹ字型接合部を有する別のバイパスが実装されている。回収ツール設備を図８に示す。ロボットが、並列ループの出発点である左側のＴ字型接合部に入る前に、弁１および３が閉じられ、弁２および４が開かれる。これにより、流れおよびロボットが並列ループに入り、Ｙ字型接合部に向かって移動する。ロボットがＹ字型接合部における金属メッシュ１６に到達すると、その運動量およびその背後の流体力がロボットを弁３に向かって押す。一方、流れはメッシュを通過し、引き続き並列ループを通る。次に、ロボットは弁３に衝突し、明確な「ゴーン」という音を発生する。この音を検出した後、または他の方法でロボットの到着を感知した後、操作者は弁１を開き、次いで弁２および４を閉じる。ここで、流れは並列ループをとばして、弁１を通って放水口に向かって移動する。その後、弁３からロボットを回収することは安全となる。
【００２５】
ロボットを回収するこの方法は、実際の水系における消火栓に実施することができる。ロボットが既存の消火栓（exiting fire hydrant）に到達する前に、消火栓は開放され、金属メッシュ１６が消火栓の下のＴ字型接合部に挿入される。メッシュは、Ｔ字型接合部内の水流を遮断する。ロボットが金属メッシュ１６に到達すると、流体はロボットをメッシュに沿って屈曲させ、Ｔ字型接合部から出す。したがって、ロボットは消火栓から出る。一方、水流は金属メッシュを通って下流に流れ続ける。
【００２６】
本発明のロボットは、サウジアラビアのＰｉｐｅｔｅｃｈ  ＬＬＣの工業施設でうまく試験された。試験の目的は、このロボットが、小径の送水管システムを通してセンサを運ぶための良好な移動プラットフォームであることを検証することであった。試験のための５０．８ｍｍ（２インチ）パイプラインのセグメントは、４つの屈曲部を有し、２２１メートルにわたった（図９）。パイプライン全体は水平面内にあった。
【００２７】
２つの圧力レベルで試験を行った。第１の試験では、パイプライン入力圧力は４００ｋＰａ（４バール）のゲージ（4 bar gauge）であった。試験手順は、以下のとおりであった：操作者が挿入ツールを用いてロボットを配備し、数分間待機し、回収ツール内へのロボットの到着を聞き、ロボットを取り出し、ロボットから運動情報をダウンロードした。
【００２８】
この試験を１３回繰り返し、ロボットは、１３回の試験全てにおいて、首尾よく発射され、回収された。平均実行時間は３４５秒であり、ロボットの平均速度は約０．６４ｍ／ｓと評価された。同じ試験を、パイプライン引入れ口における２００ｋＰａ（２バール）のゲージ圧について７回繰り返した。平均実行時間は５５０秒であり、ロボットの平均速度は０．４０ｍ／ｓであった。全距離４，４２０メートルで、ロボットは１００％の成功率で８０個のエルボおよび４０個のＴ字型接合部（各挿入および回収ツールにおいて１個のＴ字型接合部）のすべてを通過した。これにより、漏れセンサの性能を検証するための漏れ測定値の収集を成功させることができ、これは［１６］に示されている。我々の知る限りでは、これは、屈曲部およびＴ字型接合部を有する小径の送水管の長距離を、送水管が動作条件下にあるときにうまく通過した最初の係留されていないロボットであった。
【００２９】
小径の送水管システムを通してセンサを運ぶための軟体ロボットのデザインと、ロボットを挿入し、送水管から回収するための方法と、を提示した。ロボットは、パイプライン検査ゲージに類似しており、管の流れによって推進され、したがって、電力をほとんど消費せずに長距離をカバーする。通常のＰＩＧとは異なり、軟質材料で作られ、配管エルボを通る水流についていくことができる。これにより、ロボットは、長い真っ直ぐな管システムよりも複雑な管システムで使用することができる。内径５２ｍｍの工業用管システムで試作品を作り、試験した。このロボットは、小径パイプラインにおける任務に対して非常に競争力がある。
【００３０】
任意の管内ロボットを給水本管内で使用するには、それらを管内に入れなければならない。１つの方法は、ロボットの挿入および退出のため管に新しい継手を追加することであるが、そのために必要とされる建設作業は、米国では非常に高価である。その他の方法は、消火栓のような既存の管特徴部を利用することであり、これは、建設作業が必要とされない場合、かなり安価である。消火栓は、配管エルボおよびＴ字型接合部を用いて給水本管に接続されている。消火栓を通してロボットを管内に挿入するためには、ロボットが配管エルボおよびＴ字型接合部で回れることが必要である。本文書における研究はまさに、これらの能力を確実かつ効果的に実現する方法に取り組むものである。したがって、実際には非常に価値がある。
【００３１】
本明細書に列挙された参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３２】
本発明の修正および変形が企図され、全てのそのような修正および変形が特許請求の範囲に含まれることが意図されることが認識される。
【００３３】
〔参考文献〕
2020520436.tif 000004
2020520436.tif 000005
【００３４】
〔実施の態様〕
（１）  送水管の内側を移動する受動的ロボットにおいて、
機能するのに前記管内で特定の位置または向きを必要とするセンサまたは器具に接続された、少なくとも１つの軟体部と、
各軟体部上のエンドキャップと、
を含み、
前記軟体部がそれぞれ、ネック部分を備えた先細構成を有し、軟体部長さとネック幅との比率は、前記軟体部を屈曲させ、前記受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択されている、受動的ロボット。
（２）  実施態様１に記載のロボットにおいて、
前記鋭い屈曲部が、９０°である、ロボット。
（３）  実施態様１に記載のロボットにおいて、
前記エンドキャップは、キャップがＴ字型接合部における段部障害物を避けるのを容易にするために、半円未満の曲率を有するか、または同等に前記キャップの後部に曲率中心を有する、ロボット。
（４）  実施態様１に記載のロボットにおいて、
全ての電子機器が、前記少なくとも１つの軟体部の内側に埋め込まれている、ロボット。
（５）  実施態様１に記載のロボットにおいて、
前記軟体部が、シリコーンゴムなどの軟質材料で作られている、ロボット。
【００３５】
（６）  実施態様５に記載のロボットにおいて、
前記シリコーンゴムが、ショア００−５０硬度を有する、ロボット。
（７）  実施態様１に記載のロボットにおいて、
前記軟体部長さとネック幅との比率が約２であるので、前記軟体ロボットは、常に前記ネックにおいて屈曲する、ロボット。
（８）  ロボットの軟質材料に基づいたデザインにおいて、
少なくとも１つの軟体部と、
少なくとも、前記軟体部上のエンドキャップ、および前記軟体部が他の剛性装置に接合することを可能にする前記軟体部上のインターフェースと、
を含み、
前記軟体部が、ネック部分を有し、
軟体部長さとネック幅との比率は、前記軟体部を屈曲させ、前記受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択されている、軟質材料に基づいたデザイン。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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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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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月17日(2019.12.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送水管の内側を移動する受動的ロボットにおいて、
機能するのに前記管内で特定の位置または向きを必要とするセンサまたは器具に接続された、少なくとも１つの軟体部と、
各少なくとも１つの軟体部上のエンドキャップと、
を含み、
各少なくとも１つの軟体部が、ネック部分を備えた先細構成を有し、軟体部長さとネック幅との比率は、前記少なくとも１つの軟体部を屈曲させ、前記受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択され、
前記少なくとも１つの軟体部が、前記軟体部長さに沿って前記ネック部分まで先細になる湾曲プロファイルを有し、前記ネック部分が、前記軟体部長さの中間点を過ぎて位置している、受動的ロボット。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットにおいて、
前記鋭い屈曲部が、９０°である、ロボット。
【請求項３】
請求項１または２に記載のロボットにおいて、
前記エンドキャップは、半円未満の曲率を有する、ロボット。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
全ての電子機器が、前記少なくとも１つの軟体部の内側に埋め込まれている、ロボット。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記少なくとも１つの軟体部が、シリコーンゴムで作られている、ロボット。
【請求項６】
請求項５に記載のロボットにおいて、
前記シリコーンゴムが、ショア００−５０硬度を有する、ロボット。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記軟体部長さとネック幅との比率が約２である、ロボット。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記少なくとも１つの軟体部が、他の剛性装置に接合するように構成されたインターフェースを含む、ロボット。
【請求項９】
請求項３に記載のロボットにおいて、
前記エンドキャップは、前記エンドキャップの上側が前記管内の段部に接触したときに前記エンドキャップに時計回りのモーメントを生じ、前記エンドキャップの下側が前記管内の段部に接触したときに前記エンドキャップに反時計回りのモーメントを生じるように構成された、曲率半径を有する、ロボット。
【請求項１０】
請求項３に記載のロボットにおいて、
前記エンドキャップは、前記エンドキャップの上側が前記管内の段部に接触したときに前記エンドキャップに時計回りのモーメントを生じ、前記エンドキャップの下側が前記管内の段部に接触したときに前記エンドキャップに反時計回りのモーメントを生じるように、前記エンドキャップの後部に曲率中心を有する、ロボット。
【請求項１１】
請求項４に記載のロボットにおいて、
前記電子機器が、前記ネック部分に隣接して前記少なくとも１つの軟体部の内側に埋め込まれている、ロボット。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記少なくとも１つの軟体部の前記軟体部長さが、管の直径にほぼ等しい、ロボット。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記少なくとも１つの軟体部の前記軟体部長さが、５０．８ｍｍ（２インチ）にほぼ等しい、ロボット。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記少なくとも１つの軟体部が、凹状部分を含む、ロボット。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記少なくとも１つの軟体部が、凸状部分を含む、ロボット。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記センサが、前記管の直径に実質的に等しい直径を有する漏れセンサを含む、ロボット。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記センサが、前記管内の漏れによる吸引力に応じて伸張するように構成された、膜センサを含む、ロボット。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか一項に記載のロボットにおいて、
前記ロボットが、流れ駆動ロボットである、ロボット。
【請求項１９】
送水管の内側を移動する受動的ロボットにおいて、
機能するのに前記管内で特定の位置または向きを必要とするセンサまたは器具に接続された、少なくとも１つの軟体部と、
各少なくとも１つの軟体部上のエンドキャップと、
を含み、
各少なくとも１つの軟体部が、ネック部分を備えた先細構成を有し、軟体部長さとネック幅との比率は、前記少なくとも１つの軟体部を屈曲させ、前記受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択され、
前記少なくとも１つの軟体部が、前記軟体部長さに沿って前記ネック部分まで先細になる湾曲プロファイルを有し、前記軟体部長さとネック幅との比率が、約２である、受動的ロボット。
【請求項２０】
送水管の内側を移動する受動的ロボットにおいて、
第１の端部および第２の端部を有する少なくとも１つの軟体部であって、前記第１および第２の端部が、前記少なくとも１つの軟体部のそれぞれ反対の側にあり、前記少なくとも１つの軟体部が、機能するのに前記管内で特定の位置または向きを必要とするセンサに接続されている、少なくとも１つの軟体部と、
各少なくとも１つの軟体部上のエンドキャップと、
を含み、
各少なくとも１つの軟体部が、ネック部分を備えた先細構成を有し、軟体部長さとネック幅との比率は、前記少なくとも１つの軟体部を屈曲させ、前記受動的ロボットが鋭い屈曲部を通過することを可能にするように選択され、前記少なくとも１つの軟体部が、前記軟体部長さに沿って前記ネック部分まで先細になる湾曲プロファイルを有し、
前記エンドキャップが、前記少なくとも１つの軟体部の前記第１の端部上に配され、前記センサが、前記少なくとも１つの軟体部の前記第２の端部に配されている、受動的ロボット。
【国際調査報告】
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