(57)【要約】  例えば人間の結腸などの管状構造体（２００）、又は対向する２つの壁（２０２，２０４）を含む任意の構造体の内部で、自らを前後に駆動し、自らを固定及び操縦することができるロボット移動装置（１）を提供する。この装置は、弾性材料で覆われて内部作動機構によって駆動される２つ又は３つのセグメント（１０２，１０４，１０６）で構成されている。すべてのセグメント（１０２，１０４，１０６）は、動きを短くしたり長くしたりできるようにするコンチェルティーナ構成を有する。長さの収縮及び伸長に加えて、少なくとも一方の端部セグメント（１０２，１０６）は、管状構造体（２００）の壁（２０２，２０４）の間に嵌まり込ませる又は押し込まれるように、長手方向軸線からある角度離れた方向に曲がることができる。すなわち、両端部セグメント（１０２，１０６）は、曲げ作動と収縮及び伸長作動との両方が可能である。装置（１）は、管状構造体（２００）の壁（２０２，２０４）の間でセグメント（１０２，１０４，１０６）を交互につかえさせることによって移動し、その後、セグメント（１０２，１０４，１０６）を収縮又は伸長させることによってより効果的な移動動作で前方に少しずつ進む。したがって、本発明は、そのような装置に要求される性能レベルを依然として維持しながら、過酷な又は清浄ではない周囲に対してより堅牢で単純化された設計を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する壁を有する構造体の内部で用いるための移動ロボット装置であって、前記装置は細長い本体を有し、前記本体は：
第１のセグメントと；
前記第１のセグメントに隣接する第２のセグメントと；を備え、
前記第１及び前記第２のセグメントは、前記細長い本体の長手方向軸線に沿って収縮及び伸長するように構成され、
前記第１のセグメントは、前記細長い本体の前記長手方向軸線に対してある角度で曲がるように更に構成され、それにより、曲がる際に、前記第１のセグメントは、前記構造体の第１の壁と第２の壁との間に嵌まり込ませる、
移動ロボット装置。
【請求項２】
前記第１のセグメントは、前記第１のセグメントが前記構造体の壁を挟む程度まで曲がるように更に構成された、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のセグメントが曲がる前記角度は、前記構造体の直径に依存する、
請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第２のセグメントに隣接する第３のセグメントを更に備え、前記第３のセグメントは、
前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿って収縮及び伸長し、
前記細長い本体の前記長手方向軸線に対してある角度で曲がり、曲がる際には、前記第３のセグメントが前記構造体の前記第１と前記第２の壁の間に嵌まり込むように構成された、
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記第３のセグメントは、前記構造体の壁を挟む程度まで曲がるように更に構成された、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第３のセグメントが曲がる前記角度は、前記構造体の前記直径に依存する、
請求項４又は請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記細長い本体が外側スリーブを備えた、
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記外側スリーブが、使用時に前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿って第１の方向に摩擦を増加させるように構成される表面を備えた、
請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記外側スリーブは、使用時に前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿って第１の方向及び第２の反対方向の摩擦を増加させるように構成される表面を備えた、
請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記表面が、第１の姿勢と第２の姿勢との間で移動可能な複数の魚鱗又は繊毛様突起を備えた、
請求項８又は請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の姿勢は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に実質的に平行である前記複数の魚鱗又は繊毛様突起を備え、前記第２の姿勢は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に実質的に垂直である前記複数の魚鱗又は繊毛状突起を備えた、
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記外側スリーブが弾性のメッシュである、
請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
前記外側スリーブは、前記細長い本体の１つ以上の部分の動きに応じて直径及び／又は剛性が変化するように構成された、
請求項７又は請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１及び前記第２のセグメントは、液圧又は空圧で作動する、
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１及び前記第２のセグメントは、貫通する１つ以上の作動室を有する可撓性本体を備え、前記１つ以上の作動室は流体を受けるように構成された、
請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記可撓性本体は、前記可撓性本体を貫通して延びる少なくとも１つの空洞を更に備え、前記少なくとも１つの空洞は、内部補強手段を備えた、
請求項１４又は請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記可撓性本体が２つ以上の空洞を含む、
請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記内部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成された、
請求項１６又は請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記内部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成された、
請求項１６乃至請求項１８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２０】
前記内部補強手段の前記半径方向の剛性によって、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張が制約されるように構成された、
請求項１６乃至請求項１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記内部補強手段が、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つである、
請求項１６乃至請求項２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの空洞が、医療機器、画像装置、及び流体のうちの１つ以上を受け入れるように構成された、
請求項１６乃至請求項２１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
前記可撓性本体が外部補強手段に囲まれた、
請求項１５乃至請求項２２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２４】
前記外部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成された、
請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記外部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成された、
請求項２３又は請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記外部補強手段の前記半径方向の剛性によって、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張が制約されるように構成された、
請求項２３乃至請求項２５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２７】
前記外部補強手段が、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つである、
請求項２３乃至請求項２６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２８】
前記可撓性本体がエラストマ材料で形成された、
請求項１５乃至請求項２７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２９】
前記細長い本体は、遠隔制御システムと通信するように構成された、
請求項１乃至請求項２８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３０】
前記細長い本体は、前記構造体内の前記細長い本体の前記位置及び／又は向きに関する情報を前記制御システムへ出力するように構成されたセンサシステムを備える、
請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記装置は内視鏡である、
請求項１乃至請求項３０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３２】
対向する壁を有する構造体の内部で用いるための移動ロボット装置であって、前記移動ロボット装置は細長い本体を有し、前記本体は： 
少なくとも第１の方向に移動するように構成される複数のセグメントと；
前記複数のセグメントを囲む外側スリーブと；を備え、
前記外側スリーブの直径及び／又は剛性は、前記第１の方向における前記複数のセグメントのうちの１つ以上の動きに応じて変化するように調整される、
移動ロボット装置。
【請求項３３】
前記外側スリーブは、弾性材料を備えた、
請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記弾性材料が弾性のメッシュである、
請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
記第１の方向は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿っており、前記複数のセグメントが長さを増減するように構成された、
請求項３２乃至請求項３４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３６】
前記外側スリーブの前記直径及び／又は剛性は、長さの減少に応じて増加するように構成された、
請求項３４に記載の装置。
【請求項３７】
前記外側スリーブの前記直径及び／又は剛性は、長さの増加に応じて減少するように構成された、
請求項３５又は請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記装置は内視鏡である、
請求項３２乃至請求項３７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項３８】
請求項１乃至請求項３７のいずれか１項に記載の装置と、駆動信号を前記装置へ出力するように構成された制御システムとを備えたシステム。
【請求項３９】
移動装置であって、前記移動装置は細長い本体を有し、前記細長い本体は複数のセグメントを備え、前記セグメントは：
可撓性のある本体と；
前記可撓性のある本体の前記長さに沿って延びる１つ以上の作動室と；を備え、
前記１つ以上の作動室は、流体によって作動するように構成され、それにより、前記装置の前記長手方向軸線に沿って前記可撓性本体を収縮及び伸長する並びに／又は前記装置の前記長手方向軸線に対してある角度で曲がる、
移動装置。
【請求項４０】
前記可撓性本体は、前記可撓性本体を貫通して延びる少なくとも１つの空洞を更に備え、前記少なくとも１つの空洞は、内部補強手段を備えた、
請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記可撓性本体が２つ以上の空洞を備えた、
請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記内部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成された、
請求項４０又は請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記内部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成された、
請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記内部補強手段の前記半径方向の剛性によって、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張が制約されるように構成された、
請求項４０乃至請求項４３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４５】
前記内部補強手段が、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つである、
請求項４０乃至請求項４４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの空洞が、医療機器、画像装置、及び流体のうちの１つ以上を受け入れるように構成された、
請求項４０乃至請求項４５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４７】
前記可撓性本体が外部補強手段に囲まれた、
請求項３９乃至請求項４６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項４８】
前記外部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成された、
請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記外部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成された、
請求項４７又は請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記外部補強手段の前記半径方向の剛性によって、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張が制約されるように構成された、
請求項４７乃至請求項４９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５１】
前記外部補強手段が、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つである、
請求項４７又は請求項４８に記載の装置。
【請求項５２】
前記可撓性本体がエラストマ材料で形成された、
請求項３９乃至請求項５１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５３】
前記１つ以上の作動室に流体を出し入れするように構成されるポンプを更に備えた、
請求項３９乃至請求項５２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５４】
前記複数のセグメントを囲む外側スリーブを更に備えた、
請求項３９乃至請求項５３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５５】
前記外側スリーブが、使用時に前記装置の前記長手方向軸線に沿って第１の方向に摩擦を増加させるように構成された表面を備えた、
請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
前記外側スリーブが、使用時に前記装置の前記長手方向軸線に沿って第１の方向及び第２の反対方向の摩擦を増加させるように構成された表面を備えた、
請求項５４に記載の装置。
【請求項５７】
前記表面が、第１の姿勢と第２の姿勢との間で移動可能な複数の魚鱗又は繊毛様突起を備えた、
請求項５５又は請求項５６に記載の装置。
【請求項５８】
前記第１の姿勢は、前記装置の前記長手方向軸線に実質的に平行である前記複数の魚鱗又は繊毛様突起を備え、前記第２の姿勢は、前記装置の前記長手方向軸線に実質的に垂直である前記複数の魚鱗又は繊毛状突起を備えた、
請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記装置は内視鏡である、
請求項３９乃至請求項５８のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、適応性がある固定方法をともなう自己操縦ロボット移動装置に関する。特に、本発明は、小さな管状構造体の、とりわけ到達が困難な場所にあって、かなりの長さの、非常に曲がりくねった、及び／又は柔軟性のある、既存の技術では効果的な操作に苦労する、小さな管状構造体の診査で用いるセグメント曲げ固定方法を伴う複数のセグメント移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
小さな管状構造体を含む、天然又は人工の構造体は、数多く存在する。自然界で発生するこのような構造体の例は、腸や食道などの管状構造体を持つ人体である。人工の構造体の例は、配管作業による配管網を有する建物である。多くの場合、管状構造体の内部をその場で調査する必要がある。しかし、管状構造体が非常に長くて、及び／若しくは、曲がりくねっていて到達するのが難しい場合、又は、人体のようにできるだけ侵襲性を低くする必要がある場合、装置は、外から制御されつつ、管状構造体の内側に沿って容易に操作できる必要がある。
【０００３】
このような装置の例は、図１に示すような内視鏡であり、結腸癌又は胃癌の検診に普通に用いられている。内視鏡を用いて、疑わしい組織を検査するために生検を実施したり、腫瘍やポリープをまとめて除去したりすることもできる。典型的な内視鏡は、遠位端にカメラとライトとを備える長くて細い可撓性器具であり、この可撓性器具を導入するための作業チャンネルを有している（段落０２０２に記載の文献１参照）。人の結腸内で装置を移動するには、内視鏡医がこれを手動で押し進める。装置の遠位端を操縦して、移動方向をある程度制御できる。本体の残りの部分は受動的可撓性がある。内視鏡医が内視鏡の端を押して内視鏡を前へ進めると、内視鏡の受動的可撓性部分が結腸を大きく変形させる可能性がある。その結果、結腸内視鏡検査などの操作手順によって、患者は極めて不快な思いをすることになる。この不快感に対する恐怖は、患者が定期検診を避ける主な理由の１つであり、結果として大腸癌の症例数に対する大きな要因である、という証拠（段落０２０２に記載の文献２参照）がある。
【０００４】
これら内視鏡の可撓性により、内視鏡を押し進めることが可能になり、内視鏡はその可撓性により体内を容易に移動できるが、まさに同じ可撓性がさまざまな困難の原因になる場合がある。例えば、可撓性のある内視鏡が腸を通って前進するとき、内視鏡医は一端からこれを押し進める。結腸内の可撓性軸体の一部は、腸壁に力を加える。さらに、内視鏡の本体の可撓性は非常に高いので、押されたときに、結腸内の抵抗によって、遠位端の前進が妨げられる可能性もある。その結果、可撓性軸体の一部がそれ自身で折り返り、再び腸の大きな変形を引き起こす可能性がある。両者の状況は患者に大きな不快感を引き起こす（段落０２０２に記載の文献３参照）。
【０００５】
ダブルバルーン小腸内視鏡（プッシュプル小腸内視鏡）は、小腸での完全な視覚化、生検、及び治療を行える新しい方法である（段落０２０２に記載の文献４参照）。ダブルバルーン小腸内視鏡は、２個のバルーンを用いて腸内を進行する。すなわち、一方はオーバチューブの端にあり、他方は内視鏡の端に取り付けられている（段落０２０２に記載の文献５参照）。２個のバルーンと腸壁との接触面の摩擦を利用することによって、不要なループを形成せずに小腸内視鏡を更に小腸へ挿入できる。
【０００６】
カプセル内視鏡検査では、患者は、カメラが内部に取り付けられた小さな錠剤型装置を飲み込む。続いてこの装置は、食物と同様に、消化管全体を受動的に移動し、その途中で画像を取り込み、これを外部観察画面へ送信する（段落０２０２に記載の文献６、７参照）。このような装置に伴う問題点は、装置を制御できないということであり、数時間の映像を生成して、当該映像を徹底的に調べて診断しなければならない。不審な領域が見つかったとしても、カメラを再配置してより詳細に検査するという選択肢もない。
【０００７】
何人かの研究者が、従来の内視鏡に代わる可能性を秘めたロボットによる解決策を開発してきた。そのような装置では、移動は不可欠な要素である。ロボットは、処置に必要な小型カメラ、生検ツール及び送水チャンネルを運びながら、結腸を通って自ら推進できなければならない。さらに、カメラの視野角を制御し、生検ツールを積極的に誘導するために、操縦可能な遠位端も必要である。さらに、結腸内を移動する工程が自動化されているならば、医師は装置によって取り込まれた画像に従って診断を行うことに完全に集中することができる（段落０２０２に記載の文献８参照）。
【０００８】
ロボット内視鏡の多くの移動技術は、ぜん虫のような生物の動きに基づいている。例えば、米国特許第４，１７６，６６２号は、シャクトリムシが用いる匍匐（ほふく）法を採用したロボット大腸内視鏡検査のための装置に関する。１９９５年には、ＭＥＤＩ−ＷＯＲＭに基づく内視鏡システムが設計された。これは、動力源として圧縮ガスを用い、駆動装置としてゴム風船を用いて、ミミズのぜん動運動をシミュレートしたものである（段落０２０２に記載の文献９参照）。１９９６年には、結腸内で半自律的に移動できる自走式ロボット内視鏡が開発されたが、前進はできたものの後退することはできなかった（段落０２０２に記載の文献１０参照）。１９９９年の後半、視覚誘導マイクロロボットの大腸内視鏡検査システムが造られた。このシステムは、人の結腸内で、移動、試験、分析、及び診断が可能な視覚誘導自律システムであった。この研究には、マイクロロボットの操縦に関する数学モデルの確立と、センサデータに基づく経路計画に関する理論的研究が含まれていた（段落０２０２に記載の文献１１参照）。他の設計は、セグメント間のリンクを作動させるために歯車を設けた直流モータに依存し、それによってぜん動運動が生成され（段落０２０２に記載の文献１２参照）、最前又は最後のいずれかのセグメントが周囲環境に対する摩擦を増加させる固定機構を有している（段落０２０２に記載の文献１３参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ぜん虫から触発された設計の多くが、軟らかいメッシュ本体を導入している。初期のメッシュベースのロボットは、結腸内視鏡検査での使用を具体的に意図した３個の空圧作動セグメントで構成されていて（段落０２０２に記載の文献１４参照）、人工筋肉に基づく袋型構造体を膨張させることにより、特定のセグメントで膨張と収縮を引き起こしていた。これを適切な順序で行って、ぜん動運動が得られた。他の装置は、形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータに依存し、それによってぜん虫のような匍匐運動が生成される（段落０２０２に記載の文献１５、１６参照）。そのような装置が確実に前方に移動するように、小さなフックがロボットの外皮に埋め込まれ、一方向への摩擦を増加させる。ただし、この機能は前方への移動中は効果的であるが、後方への装置の移動を妨げる。
【００１０】
さらなる設計は、一連のＳＭＡアクチュエータによって変形するバネ状の軟らかいメッシュから構成される（段落０２０２に記載の文献１７参照）。このアクチュエータの配置は、一般的なミミズにおいて輪状筋及び縦走筋がどのように機能するかに思い付きを得ている。その結果、動きはぜん動運動を介して得られる。
【００１１】
ぜん虫から思いついた装置に加えて、ロボット内視鏡によっては、蛇の蛇行運動から思いつきを得ており、その本体は、一連のＳ字形の水平ループを形成し、各ループは表面抵抗に抗して前進する（段落０２０２に記載の文献１８参照）。
【００１２】
当技術分野で既知の内視鏡処置用のロボット装置の更なる例は、米国特許第５，６６２，５８７号によって提供されている。この文書に記載された装置は、互いに接続された複数のセグメントを備えている。
【００１３】
牽引セグメントは管腔壁を利用するが、他のセグメントには、内視鏡の形状を曲げたり、伸長させたり、又は、曲げと伸長とを組み合わせたりすることで局所的に変形させるアクチュエータが含まれる。ある方法は、湾曲した可撓性のある管腔を通るシャクトリムシのような若しくは蛇のような移動、又はそれらの組み合わせの移動を引き起こすセグメントの作動をシーケンス化することを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施の形態は、例えば人間の結腸などの管状構造体、又は対向する２つの壁を含む任意の構造体、の内部で、自らを前後に駆動し、自らを固定及び操縦することができる、ロボット移動装置を提供することによって、上記の課題に対処する。この点で、この装置は、弾性材料で覆われて内部作動機構によって駆動される２つ又は３つのセグメントで構成されている。すべてのセグメントは、動きを短くしたり長くしたりできるようにするコンチェルティーナ（蛇腹）構成を有する。長さの収縮及び伸長に加えて、少なくとも一方の端部セグメントは、管状構造体の壁の間に嵌まり込ませる（くさびで止める、割り込ませる）又は押し込まれる（jammed）ように、長手方向軸線からある角度離れた方向に曲がることができる。すなわち、両端部セグメントは、曲げ作動と収縮及び伸長作動との両方が可能である。装置は、管状構造体の壁の間でセグメントを交互につかえさせ又は固定することによって移動し、その後、セグメントを収縮又は伸長させることによってより効果的な移動動作で前方に少しずつ進む。セグメントは、周囲の角や突起に引っかかるように曲がることもできる。周囲に柔軟性がある（compliantenvironment）場合、セグメントは、構造体の壁に折り目を形成しそれを挟むように進めるために、曲がることができる。したがって、本発明は、そのような装置に要求される性能レベルを依然として維持しながら、過酷な又は清浄ではない周囲に対してより堅牢で単純化された設計を提供する。
【００１５】
セグメントが曲がる角度は、管状構造体の大きさに応じて調整できる。すなわち、セグメントは、曲げが管状構造体の壁と接触するが過度の力を及ぼす程度ではないことを保証するのに十分な角度で曲げられることとなり、その角度の大きさは正確なアクチュエータ制御を介して調整できる。この動きのシーケンスは繰り返され、その結果、装置は、ぜん虫の動きに類似する移動動作で管状構造体を通って移動する。
【００１６】
さらに、弾性材料のハウジングは適応性があり、装置の特性を作動中に調整できる。この点で、メッシュは、セグメントの長手方向の動きに合わせて伸縮し、セグメントの直径と剛性とを調整する。セグメントが長手方向に収縮して短くなると、メッシュハウジングが膨張し、それによってセグメントの直径と剛性とが増加する。それにより、より安全な固定点を作り出し、装置を所定の位置に保持して、装置が後方へ滑らないようにしている。逆に、セグメントが長手方向に伸びて長くなると、メッシュは元の形状に収縮し、それによってセグメントの直径と剛性とが低下する。このことは、装置が前方に移動するときに、装置による管状構造体の円滑な移動に役立つ。
【００１７】
本発明の第１の態様に係る装置は、対向する壁を有する構造体の内部で用いるための移動ロボット装置であって、前記装置は細長い本体を有し、前記本体は、第１のセグメントと、前記第１のセグメントに隣接する第２のセグメントとを備え、前記第１及び前記第２のセグメントは、前記細長い本体の長手方向軸線に沿って収縮及び伸長するように構成され、前記第１のセグメントは、前記細長い本体の前記長手方向軸線に対してある角度で曲がるように更に構成され、それにより、曲がる際に、前記第１のセグメントは、前記構造体の第１の壁と第２の壁との間に嵌まり込ませるように構成されている。
【００１８】
そのため、構造体内で装置を固定するために用いられるセグメントは、固定を提供するために曲がることができるし、構造体内で装置を前方へ駆動するために収縮及び伸長することができる。したがって、両方のセグメントが前方への動きに貢献できる。
【００１９】
前記第１のセグメントは、前記第１のセグメントが前記構造体の壁を挟む程度まで曲がるように更に構成されいてもよい。このことは、装置を構造体内に更に固定するのに役立つ。第１のセグメントは、この第１のセグメントが構造体の壁の角に引っ掛かる程度にまで曲がるように構成することもできる。
【００２０】
前記第１のセグメントが曲がる前記角度は、前記構造体の直径に依存してもよい。そのため、第１のセグメントが曲がる角度は、構造体の壁の間に第１のセグメントを固定するのに十分である一方で、第１のセグメントが構造体の壁に過剰な力を及ぼす程度ではないように制御してもよい。これは、構造体の損傷を防ぐために重要である。この点に関して、壁に加えられる力の量は、第１のセグメントを作動させるために用いられる手段によって制御できる。
【００２１】
前記装置は、前記第２のセグメントに隣接する第３のセグメントを更に備えてもよく、前記第３のセグメントは、前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿って収縮及び伸長し、前記細長い本体の前記長手方向軸線に対してある角度で曲がり、曲がる際には、前記第３のセグメントが前記構造体の前記第１と前記第２の壁の間に嵌まり込むように構成されている。
【００２２】
この第３のセグメントを装置に追加すると、移動のシーケンスに追加のステップが提供され、これによって装置の速度と有効性が向上する。例えば、第３のセグメントは、曲がることによって構造体の壁間に固定される前に直線的に収縮することができ、第２のセグメントをともなって直線的に伸びて第１のセグメントを前進させる。さらに、収縮及び伸長作動並びに曲げ作動が可能な第３のセグメントを含むことによって、装置は構造体に沿って両方向に移動できる。
【００２３】
前記第３のセグメントは、前記構造体の壁を挟む程度まで曲がるように更に構成されてもよい。前記第３のセグメントが曲がる前記角度は、前記構造体の前記直径に依存してもよい。第３のセグメントは、この第３のセグメントが構造体の壁の角に引っ掛かる程度にまで曲がるように構成することもできる。
【００２４】
前記細長い本体は、また、外側スリーブを備えてもよく、前記外側スリーブは弾性のメッシュであってもよい。
【００２５】
前記外側スリーブは、使用時に前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿って第１の方向に摩擦を増加させるように構成される表面を備えてもよい。すなわち、装置が特定の方向に動く場合、外側スリーブは、装置が配置された管状構造体の壁との間の摩擦を増加させるように構成されている。これは、装置が後へ滑るのを防ぎ、更に装置が角を曲がって動くのを助ける。
【００２６】
前記外側スリーブは、使用時に前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿って第１の方向及び第２の反対方向の摩擦を増加させるように構成される表面を備えてもよい。そうすることで、外側スリーブは、スリーブがどちらの方向にも滑らないことを助けるように構成される。
【００２７】
この態様では、前記表面が、第１の姿勢と第２の姿勢との間で移動可能な複数の魚鱗又は繊毛様突起を備えてもよい。前記第１の姿勢は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に実質的に平行である前記複数の魚鱗又は繊毛様突起を備えてもよく、また、前記第２の姿勢は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に実質的に垂直である前記複数の魚鱗又は繊毛状突起を備えてもよい。そのため、一方向に移動すると、魚鱗又は繊毛のような突起が装置の表面に対して平らになる場合がある。反対方向に移動すると、魚の鱗又は繊毛のような突起が上向きに立ち、細長い本体の表面に対して垂直になり、配置された管状構造体の壁をつかむことができるようになる。そのため、魚鱗又は繊毛のような突起は、装置が曲げ角度を変更したときに、表面摩擦を調整するために方向を変更するように構成されている。
【００２８】
前記外側スリーブは、前記細長い本体の１つ以上の部分の動きに応じて直径及び／又は剛性が変化するように構成されていてもよい。例えば、セグメントが長手方向軸線に沿って収縮すると、外側スリーブの直径と剛性とが増加する場合がある。逆に、セグメントが長手方向軸線に沿って伸びると、外側スリーブの直径と剛性とが低下する場合がある。
【００２９】
前記第１及び前記第２のセグメントは、液圧又は空圧で作動するように構成されてもよい。
【００３０】
この態様では、前記第１及び前記第２のセグメントは、貫通する１つ以上の作動室を有する可撓性本体を備え、前記１つ以上の作動室は流体を受けるように構成されていてもよい。そのため、流体は圧送されて作動室に出入りし、そしてその作動室が細長い本体の長手方向軸線に沿って伸縮し、及び／又は、細長い本体の長手方向軸線に対してある角度で曲がる。
【００３１】
前記可撓性本体は、前記可撓性本体を貫通して延びる少なくとも１つの空洞を更に備えてもよく、前記少なくとも１つの空洞は、内部補強手段を備えてもよい。
【００３２】
好ましくは、前記可撓性本体が２つ以上の空洞を含む。
【００３３】
前記内部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成されてもよい。作動室の横方向の膨張を制約することによって、作動室は、流体が作動室を出入りすると、代わりに長手方向に伸縮する。さらに、内部補強手段によって提供される横方向の膨張に対する制約は、作動室が互いに干渉するのを防ぐことによって、作動室間の相互結合を低減する。その結果、これらの内部補強手段は、隣接する作動室が作動したときに空洞が内側につぶれることも防ぐ。これは、空洞内に入れられる可能性のある他の機器や装置を保護するためにも重要である。
【００３４】
前記内部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成されてもよい。すなわち、内部補強手段は、作動室が横方向に膨張するのを防ぐように十分に剛性が高い一方、装置の長手方向軸線に沿って伸縮し、且つ長手方向軸線に対してある角度で曲げることができるように構成されている。
【００３５】
前記内部補強手段の前記半径方向の剛性は、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張が制約されるような剛性であってもよい。すなわち、内部補強手段は、作動室による半径方向外向きの膨張を防ぐのに適した構造を有する。
【００３６】
前記内部補強手段は、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線（巻かれた縫い糸状の太さの細い線）、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つであってもよい。
【００３７】
前記少なくとも１つの空洞が、医療機器、画像装置、及び流体のうちの１つ以上を受け入れるように構成されていてもよい。
【００３８】
前記可撓性本体は外部補強手段に囲まれていてもよく、前記外部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成されていてもよい。このように、作動室の横方向の膨張を制約することによって、作動室は、流体が作動室に出入りすると、代わりに長手方向に伸縮する。
【００３９】
前記外部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成されていてもよい。すなわち、外部補強手段は、作動室が横方向に膨張するのを防ぐように十分に剛性が高い一方、装置の長手方向軸線に沿って伸縮し、且つ長手方向軸線に対してある角度で曲げることができるように構成されている。
【００４０】
前記外部補強手段の前記半径方向の剛性によって、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張が制約されるように構成されていてもよい。
【００４１】
前記外部補強手段は、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つであってもよい。
【００４２】
前記可撓性本体はエラストマ材料で形成されていてもよい。可撓性のある本体は、任意の適切なエラストマ材料、例えばゴム材料、で形成されていてもよいことが理解されよう。
【００４３】
前記細長い本体は、遠隔制御システムと通信するように構成されていてもよい。、
請求項１乃至請求項２８のいずれか１項に記載の装置。この点で、前記細長い本体は、前記構造体内の前記細長い本体の前記位置及び／又は向きに関する情報を前記制御システムへ出力するように構成されたセンサシステムを備えてもよい。
【００４４】
一の態様は、対向する壁を有する構造体の内部で用いるための移動ロボット装置を提供し、前記移動ロボット装置は細長い本体を有し、前記本体は、少なくとも第１の方向に移動するように構成される複数のセグメントと、前記複数のセグメントを囲む外側スリーブとを備え、前記外側スリーブの直径及び／又は剛性は、前記第１の方向における前記複数のセグメントのうちの１つ以上の動きに応じて変化するように調整される、
移動ロボット装置。
【００４５】
そのため、外側スリーブは、より確実な固定と構造体に沿ったより円滑な動きを提供するために、装置の動きに適応する。
【００４６】
前記外側スリーブは、弾性材料を備えてもよく、前記弾性材料は弾性のメッシュであってもよい。
【００４７】
記第１の方向は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿っていてもよく、前記複数のセグメントが長さを増減するように構成されていてもよい。
【００４８】
記第１の方向は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿っていてもよく、前記外側スリーブの前記直径及び／又は剛性は、長さの減少に応じて増加するように構成されていてもよい。そのため、セグメントの長さが短くなると、外側スリーブはより拡がり、より硬くなる。このことは、セグメントを構造体へ固定するのに役立ち、装置が後方へ滑らないようにするのに役立つ。
【００４９】
前記第１の方向は、前記細長い本体の前記長手方向軸線に沿っており、前記外側スリーブの前記直径及び／又は剛性は、長さの増加に応じて減少するように構成されていてもよい。そのため、セグメントが元通り長く伸びると、外側のスリーブはより狭くなり、より軟らかくなる。これにより、装置は、前方への移動の際に構造体の曲率に容易に適合でき、装置が構造体に沿って円滑に移動できるようになる。大腸内視鏡検査などの用途では、これは患者の不快感を防ぐために重要である。
【００５０】
一つの適用として、上記の配置のいずれかによる装置は、内視鏡であってもよい。
【００５１】
さらなる態様では、上記の態様のいずれかの装置と、駆動信号を前記装置へ出力するように構成された制御システムとを備えたシステムを提供する。
【００５２】
さらなる態様は、移動装置を提供し、前記移動装置は細長い本体を有し、前記細長い本体は複数のセグメントを備え、前記セグメントは、可撓性のある本体と、前記可撓性のある本体の前記長さに沿って延びる１つ以上の作動室とを備え、前記１つ以上の作動室は、流体によって作動するように構成され、それにより、前記装置の前記長手方向軸線に沿って前記可撓性本体を収縮及び伸長する並びに／又は前記装置の前記長手方向軸線に対してある角度で曲がるように構成されている。
【００５３】
そのため、流体は圧送されて作動室に出入りし、そしてその作動室が細長い本体の長手方向軸線に沿って伸縮し、及び／又は、細長い本体の長手方向軸線に対してある角度で曲がる。
【００５４】
前記可撓性本体は、前記可撓性本体を貫通して延びる少なくとも１つの空洞を更に備えてもよく、前記少なくとも１つの空洞は、内部補強手段を備える。
【００５５】
前記可撓性本体は２つ以上の空洞を備える。
【００５６】
前記内部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成されていてもよい。作動室の横方向の膨張を制約することによって、作動室は、流体が作動室を出入りすると、代わりに長手方向に伸縮する。さらに、内部補強手段によって提供される横方向の膨張に対する制約は、作動室が互いに干渉するのを防ぐことによって、作動室間の相互結合を低減する。その結果、これらの内部補強手段は、隣接する作動室が作動したときに空洞が内側につぶれることも防ぐ。これは、空洞内に入れられる可能性のある他の機器や装置を保護するためにも重要である。
【００５７】
前記内部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成されていてもよい。すなわち、内部補強手段は、作動室が横方向に膨張するのを防ぐように十分に剛性が高い一方、装置の長手方向軸線に沿って伸縮し、且つ長手方向軸線に対してある角度で曲げることができるように構成されている。
【００５８】
前記内部補強手段の半径方向の剛性は、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張を抑制するようなものとしてもよい。すなわち、内部補強手段は、作動室による半径方向外向きの膨張を防ぐのに適した構造を有する。
【００５９】
前記内部補強手段は、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線（巻かれた縫い糸状の太さの細い線）、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つであってもよい。
【００６０】
前記少なくとも１つの空洞が、医療機器、画像装置、及び流体のうちの１つ以上を受け入れるように構成されていてもよい。
【００６１】
前記可撓性本体は外部補強手段に囲まれていてもよく、前記外部補強手段は、流体を受け入れるときに前記１つ以上の作動室の横方向の膨張を抑制するように構成されていてもよい。このように、作動室の横方向の膨張を制約することによって、作動室は、流体が作動室に出入りすると、代わりに長手方向に伸縮する。上述のように、作動室の横方向の膨張を制約することによって、作動室は、流体が作動室に出入りすると、代わりに長手方向に伸縮する。
【００６２】
前記外部補強手段は、前記可撓性本体と共に収縮する、伸長する、及び／又は曲がるように構成されていてもよい。すなわち、外部補強手段は、作動室が横方向に膨張するのを防ぐように十分に剛性が高い一方、装置の長手方向軸線に沿って伸縮し、且つ長手方向軸線に対してある角度で曲げることができるように構成されている。
【００６３】
前記外部補強手段の前記半径方向の剛性によって、前記１つ以上の作動室の半径方向の膨張が制約されるように構成されていてもよい。
【００６４】
前記外部補強手段は、ばね、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線、蛇腹状支持構造、ベローズ構造、又は一連の弾性輪状体のうちの１つであってもよい。
【００６５】
前記可撓性本体はエラストマ材料で形成されていてもよい。可撓性のある本体は、任意の適切なエラストマ材料、例えばゴム材料、で形成されていてもよいことが理解されよう。
【００６６】
前記１つ以上の作動室に流体を出し入れするように構成されるポンプを更に備えてもよい。
【００６７】
前記装置は、前記複数のセグメントを囲む外側スリーブを更に備えてもよい。
【００６８】
前記外側スリーブは、使用時に前記装置の前記長手方向軸線に沿って第１の方向に摩擦を増加させるように構成された表面を備えてもよい。すなわち、装置が特定の方向に動く場合、外側スリーブは、装置が配置された管状構造体の壁との間の摩擦を増加させるように構成されている。これは、装置が後へ滑るのを防ぎ、更に装置が自ら角を曲がって操作するのを助ける。
【００６９】
前記外側スリーブが、使用時に前記装置の前記長手方向軸線に沿って第１の方向及び第２の反対方向の摩擦を増加させるように構成された表面を備えてもよい。そうすることで、外側スリーブは、スリーブがどちらの方向にも滑らないことを助けるように構成されている。
【００７０】
この点で、前記表面は、第１の姿勢と第２の姿勢との間で移動可能な複数の魚鱗又は繊毛様突起を備えてもよい。
【００７１】
前記第１の姿勢は、前記装置の前記長手方向軸線に実質的に平行である前記複数の魚鱗又は繊毛様突起を備えてもよく、前記第２の姿勢は、前記装置の前記長手方向軸線に実質的に垂直である前記複数の魚鱗又は繊毛状突起を備えてもよい。そのため、一方向に移動すると、魚鱗又は繊毛のような突起が装置の表面に対して平らになる場合がある。反対方向に移動すると、魚の鱗又は繊毛のような突起が上向きに立ち、細長い本体の表面に対して垂直になり、それらが中に配置された管状構造体の壁をつかむことができるようになる。そのため、魚鱗又は繊毛のような突起は、セグメントが曲げ角度を変更したときに、表面摩擦を調整するために方向を変更するように構成されている。
【００７２】
一つの応用では、前記構成のいずれか１の装置は、内視鏡であってもよい。
【００７３】
本発明の更なる特徴及び利点は、ほんの一例として、図面を参照することによって示される、実施の形態の以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】図１は、従来技術の内視鏡を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態による装置を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態の作動を示す図である。
【図４ａ】図４ａは、本発明の実施の形態の第１の部分の断面図である。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明の実施の形態の第２の部分の断面図である。
【図５】図５の（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施の形態の３つの部分の断面図である。
【図６】図６は、本発明の作動を示す断面図である。
【図７ａ】図７ａは、本発明の動作を示す断面図である。
【図７ｂ】図７ｂは、本発明の別の動作を示す断面図である。
【図７ｃ】図７ｃは、本発明の別の動作を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明の作動を示すブロック図である。
【図９】図９は、本発明の代替の作動を示すブロック図である。
【図１０】図１０は、本発明で用いられるセンサシステムを示す図である。
【図１１】図１１は、センサシステムの有効性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明で用いられる制御システムのブロック図である。
【図１３】図１３は、本発明のステップ応答を示すグラフである。
【図１４】図１４は、使用中である本発明の実施の形態の時間経過シーケンス図である。
【図１５】図１５の（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の有効性を評価するために用いられる試験の結果を示すグラフである。
【図１６】（ａ）は、本発明の実施の形態を用いた形状推定を示すグラフである。（ｂ）は、本発明の実施の形態を用いた形状推定を示す図である。
【図１７】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態を用いた形状推定を示す図である。
【図１８ａ】図１８ａは、本発明の実施の形態を用いた接触力推定を示す図である。
【図１８ｂ】図１８ｂは、本発明の実施の形態を用いた接触力推定を示す図である。
【図１９ａ】図１９ａは、本発明の実施の形態を用いた接触力及び剛性の推定を示す図である。
【図１９ｂ】図１９ｂは、本発明の実施の形態を用いた接触力及び剛性の推定を示す図である。
【図１９ｃ】図１９ｃは、本発明の実施の形態を用いた接触力及び剛性の推定を示す図である。
【図２０ａ】図２０ａは、本発明の実施の形態を用いた接触力推定を示すグラフである。
【図２０ｂ】図２０ｂは、本発明の実施の形態を用いた接触力推定を示すグラフである。
【図２０ｃ】図２０ｃは、本発明の実施の形態を用いた接触力推定を示すグラフである。
【図２１ａ】図２１ａは、本発明の実施の形態による装置を示す図である。
【図２１ｂ】図２１ｂは、本発明の実施の形態による装置を示す図である。
【図２２ａ】図２２ａは、本発明の実施の形態による装置の一部の斜視図である。
【図２２ｂ】図２２ｂは、本発明の実施の形態による装置の一部の断面図である。
【図２３】図２３は、本発明の実施の形態による装置を駆動するために用いられるポンプを示す図である。
【図２４ａ】図２４ａは、本発明の実施の形態による装置の一部の斜視図である。
【図２４ｂ】図２４ｂは、本発明の実施の形態による装置の一部の斜視図である。
【図２４ｃ】図２４ｃは、本発明の実施の形態による装置の一部の断面図である。
【図２５】図２５は、本発明の実施の形態による装置の構成を示すブロック図である。
【図２６】図２６は、本発明の実施の形態による装置の第１の表面を示す図である。
【図２７ａ】図２７ａは、本発明の実施の形態による装置の第２の表面を示す図である。
【図２７ｂ】図２７ｂは、本発明の実施の形態による装置の第２の表面を示す図である。
【図２８ａ】図２８ａは、本発明の実施の形態による装置の第３の表面を示す図である。
【図２８ｂ】図２８ｂは、本発明の実施の形態による装置の第３の表面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
図２は、本発明の実施の形態によるロボット装置１を示す。装置１は、３個のセグメントを備える細長い本体を有し、その３個のセグメントは、第１の端部セグメント１０２と、中央セグメント１０４と、第２の端部セグメント１０６とである。細長い本体１００は、弾性特性を有する材料でできている外側スリーブ１１６で覆われている。この例では、外側スリーブ１１６は弾性メッシュである。この実施例では、装置１は、第１の端部セグメント１０２の先端１１２にあるハウジング１１０内に配置されたカメラ１０８も含む。しかしながら、カメラは、第２の端部セグメント１０６の先端１１４に配置されてもよく、及び／又は、意図される用途に応じて他のいくつかの検出機器と交換してもよい。
【００７６】
各セグメント１０２、１０４、１０６は、各セグメント１０２、１０４、１０６の動きを駆動するための作動機構（不図示）からなる。各セグメント１０２、１０４、１０６は、多関節ストロー（articulated straw）の曲げ可能部分の構成に類似したコンチェルティーナ型構成を有する。そのため、各セグメント１０２、１０４、１０６は、装置１の長手方向軸線に沿って収縮及び伸長できるような直線自由度（ＤＯＦ）を有する。中央セグメント１０４がこの単一の直線自由度のみを有する一方、第１の端部セグメント１０２及び第２の端部セグメント１０４は、２つの軸周りの曲げを可能にする２つの回転自由度も有する。したがって、端部セグメント１０２、１０６は３つの自由度を有する。しかしながら、配置によっては、端部セグメント１０２、１０６は、２つの自由度、すなわち、直線自由度及び単一軸周りの曲げを可能にする単一の回転自由度、のみを有してもよい。そのような構成では、単一の新しい自由度が追加されることにより、２つの端部セグメント１０２、１０６が互いに対してそれらの長手方向軸線の周りを回転できるようになる。この新しい自由度は、端部セグメント１０２と端部セグメント１０６との間に相対回転を生成する限り、本体１００のどこに配置してもよい。そのような構成は、端部セグメント１０２、１０４が３自由度を有する装置１と同じ移動運動が可能である。上記の配置のすべてにおいて、装置１はまた、その長手方向軸線を中心に回転することもまた可能であろう。
【００７７】
装置１を収容するソフトメッシュ１１６は、装置１の動きとともに収縮及び伸長するという点で適応性もある。この点で、セグメント１０２、１０４、１０６が長手方向軸線に沿って収縮すると、セグメント１０２、１０４、１０６を覆っているメッシュ１１６は外側に拡がり、それによりセグメント１０２、１０４、１０６の直径が増加する。セグメントの長さが短くなるにつれてメッシュ１１６は圧縮され、セグメント１０２、１０４、１０６の剛性も高まる。逆に、セグメント１０２、１０４、１０６が長手方向軸線に沿って伸長すると、メッシュ１１６を元の形状に引き戻し、それによりセグメント１０２、１０４、１０６の直径が減少する。同様に、セグメント１０２、１０４、１０６の伸長により、メッシュ１１６が軟らかくなる。これについては、以下詳細に説明する。
【００７８】
装置１を動かすために用いられる作動機構は、装置１内に設けられたフィードバックシステムとの間で通信する適切な制御機器（不図示）によって遠隔制御される。例として、作動機構は、図４ａ及び図４ｂを参照して以下詳細に説明するように、直流モータに取り付けられたプーリに巻かれた腱を備えることができる。腱を制御するモータは、図１０及び図１２を参照して以下詳細に説明するように、外部制御システムによって制御され得る。この目的のため、作動機構には、制御システムにフィードバックを提供するセンサシステムが装備されている。制御システムは、センサシステムから受信したフィードバック信号を処理して、モータへ出力される制御信号を生成する。したがって、作動機構と制御システムとの間の連続的なフィードバックループは、装置１が挿入された管状構造体を通して装置１が自らを操縦できることを意味する。
【００７９】
図３を参照して、装置１の作動を以下に説明する。図３（ａ）に示すように、装置１は、最初に管状構造体２００内に配置される。この段階で、３個のセグメント１０２、１０４、１０６のすべてが完全に伸長し、同じ長手方向の平面に横たわるため、装置１は全体として真っ直ぐな構成をとる。管状構造体２００に沿って移動を開始するためには、第１の端部セグメント１０２が、図３（ｂ）に示すように、長手方向軸線に対してある角度で曲がる。これを行う際に、第１の端部セグメント１０２の先端１１２は、管状構造体２００の一方の壁２０２を押し、続いて第１の端部セグメント１０２の本体２０６を反対側の壁２０４に押し付ける。これにより、管状構造体２００の壁２０２、２０４の間に第１の端部セグメント１０２を嵌まり込ませる。第１の端部セグメント１０２が曲げられる角度は、管状構造体２００の直径に従って適応させることができる。その目的は、第１の端部セグメント１０２を、２つの壁２０２、２０４へ過度の力を加えることなく、管状構造体２００内にしっかりと嵌まり込ませる程度に曲げることである。これは、管状構造体２００の直径がその長さに沿って変化する場合の内視鏡処置などの適用において特に有用である。さらに、固定力の大きさを制御する能力は、管状構造体２００への損傷を防ぐのに特に有用である。
【００８０】
次に、図３（ｃ）に示すように、中央セグメント１０４は、直線的に収縮する。第１の端部セグメント１０２が管状構造体２００に固定されているので、中央セグメント１０４の収縮により、第２の端部セグメント１０６が、管状構造体２００の長さに沿って、第１の端部セグメント１０２に向かって前方に引っ張られる。
【００８１】
中央セグメント１０４が収縮位置にある間に、図３（ｄ）に示すように、第１の端部セグメント１０２は真っ直ぐに戻り、管状構造体１０２の把持を解放する。次に、図３（ｅ）に示すように、第２の端部セグメント１０６が曲がり、管状構造体２００の壁２０２、２０４の間に自らを嵌まり込ませる。そのため、第２の端部セグメント１０６の先端部１１４は、管状構造体２００の１つの壁２０２を押し、続いて、第２の端部セグメント１０６の本体２０８を反対側の壁２０４に押し付ける。上述のように、第２の端部セグメント１０６が曲げられる角度は、管状構造体２００のサイズに応じて調整できる。第２の端部セグメント１０６が管状構造体２００の壁２０２、２０４の間に固定されると、中央セグメント１０４は伸びて元に戻り、それにより図３（ｆ）に示すように第１の端部セグメント１０２を前方に駆動する。
【００８２】
この工程を繰り返して、ぜん虫の動作に似た方法で装置１を前方へ少しずつ動かす。同様に、装置１は、逆の順序で実行される全く同じ移動の動きを用いて反対方向に移動できる。
【００８３】
装置１が各作動で移動する距離及び速度を増加させるために、第１の端部セグメント１０２及び第２の端部セグメント１０６も直線的に収縮及び伸長する。すなわち、第１の端部セグメント１０２が管状構造体２００の壁２０２、２０４の間に嵌まり込むと、中央セグメント１０４と第１の端部セグメント１０２との両方が長手方向に収縮して第２の端部セグメント１０６を前方に引く。同様に、第２の端部セグメント１０６は、管状構造体２００に自らを固定する前に直線的に収縮し、次いで、第１の端部セグメント１０２を前方に駆動するために中央セグメント１０４と共に直線的に伸びる。
【００８４】
上述のように、セグメント１０２、１０４、１０６が長手方向に収縮又は伸長すると、装置１を収容しているソフトメッシュ１１６は、この動きに伴って膨張又は収縮する。例えば、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように、中央セグメント１０４が収縮すると、メッシュ１１６は外側に膨張し、中央セグメント１０４は、管状構造体２００の幅を満たすように直径が大きくなる。これを行う際には、ソフトメッシュ１１６は剛性が増加し、これにより、装置１と管状構造体２００の壁２０２、２０４との間の摩擦をより大きくすることができる。これにより、第１の端部セグメント１０２が図３（ｄ）でその把持を解放して、第２の端部セグメント１０６が図３（ｅ）でそれ自体を固定する間、装置１が後方に滑らないようになる。同様に、メッシュ１１６のこのような膨張は、管状構造体２００の壁２０２、２０４の間で第１の端部セグメント１０２及び第２の端部セグメント１０６の固定を強化するのに役立つことができる。したがって、セグメント１０２、１０４、１０６のそれぞれは、完全に収縮した構成にあるとき、それらの最大直径となり且つ最も硬い。
【００８５】
逆に、セグメント１０２、１０４、１０６が伸びて元に戻ると、メッシュ１１６は収縮して元の構成に戻り、セグメント１０２、１０４、１０６の直径が減少して軟らかくなる。そのため、セグメント１０２、１０４、１０６のそれぞれは、完全に伸長された構成にあるとき、それらの最小直径にあり且つ最も軟らかい。その結果、セグメント１０２、１０４、１０６を軟らかくすることができるため、前方移動中に管状構造体２００の湾曲に容易に適合することができ、管状構造体２００を通る滑らかで障害のない動きの確保に役立つ。このことは、管状構造体２００の内部に最小限の損傷しか生じないことを保証するために重要である。このことは、患者が感じる不快感の大きさの制限に役立つため、例えば管状構造体２００が人間の結腸である場合には大腸内視鏡検査のような用途で特に重要である。
【００８６】
そのため、適応性があるメッシュ１１６により、装置１の特性、すなわち装置１の剛性及び直径、をその場で調整でき、したがって周囲環境に適応させることができる。これは、長さに沿って同じ構成を持たない人間の結腸などの管状構造体２００に特に有用である。
【００８７】
装置１の固定を更に改善するために、第１の端部セグメント１０２及び第２の端部セグメント１０６は、図７ａ〜図７ｃに示すように、挟む動作ができる。図７ａは、管状構造体２００内の真っ直ぐな構成にある装置１を示す。図７ｂでは、第１の端部セグメント１０２は、管状構造体２００の壁２０２、２０４の間で自らが嵌まり込む又は押し込まれるように角度をつけて曲げられており、それにより前述のように「Ｊ」形状を作り出す。固定の量を増やすために、第１の端部セグメント１０２は更に曲がって「Ｃ」形状を形成し、それによって管状構造体の１つの壁２０２を挟んでもよい。これにより、中央セグメント１０４及び／又は第２の端部セグメント１０６が長手方向に収縮して装置１を前方に少しずつ動かすときに、管状構造体２００内で後方に滑らないことが保証される。
【００８８】
上記の配置では、装置１は３個のセグメントを含むが、装置１は２個のセグメントを含むものでもよい。この点において、装置１は、中央セグメント１０４と、端部セグメント１０２及び１０６のうちの１つとを含んでもよい。すなわち、２つ又は３つの自由度を持つ単一のセグメントと、単一の直線的な自由度を持つ単一のセグメントとである。このような配置では、動きの方向が装置１を管状構造体２００に固定しているセグメント１０２、１０６によって特定されるので、装置１は管状構造体２００内で一方向にのみ移動できる。あるいは、装置１は、端部セグメント１０２、１０６の２個、すなわち、２つ又は３つの自由度を有する２個のセグメントを含むものでもよい。そのような配置は、管状構造体２００内で双方向に移動できる。
【００８９】
ここに記載された例では、装置１は管状構造体２００に沿って移動するように示されている。しかしながら、当業者は、端部セグメント１０２、１０６が自らを固定できるような２つの対向する壁を有する任意の構造体に沿って装置１が移動できることを理解するであろう。
【００９０】
例として、装置１を、以下説明するように、医療検診用の内視鏡として使用してもよい。
【００９１】
−例−
[Ｉ．はじめに]
大腸癌は世界の既知の癌症例の約１０％を占めており、そのため医療サービスにとって深刻なコスト負担となっている（段落０２０２に記載の文献２参照）。不快感への恐怖が、患者が定期的な腸検診に参加しない重要な理由であることを示唆する証拠がある。定期的な検診は、腸癌の予防にとって最良且つ最も効果的な方法の１つであるため（段落０２０２に記載の文献１９参照）、検診対象患者の半数よりわずかに多い人が大腸内視鏡検査を受けることを拒否するという事実は、検診計画の努力を損なうものである。従来のプッシュ型内視鏡に対してより快適な代替品を見つけることができれば、定期的な事前検診への参加を大幅に増やすことができる。ぜん虫のようなロボットは、内視鏡を押し進めるためのまさにそのような代替手段を提供し、ぜん虫のようなロボット内視鏡の設計の改善に向けた研究は、人々の健康と幸福に大きな影響を及ぼす可能性がある。ここでは、軟らかな複数のセグメントからなるぜん虫ロボットの新規な設計を紹介する。
【００９２】
近年、ぜん虫のようなロボットが数多く提案されてきている。初期のメッシュベースのロボットは、特に大腸内視鏡検査での使用を目的とした３個の空気圧作動セグメントで構成されていた（段落０２０２に記載の文献１４参照）。人工筋肉に基づいた袋型構造体を膨らませて、特定のセグメントで膨張と収縮とを起こし、これを適切なシーケンスで行って、ぜん動運動を達成した。この装置は、人間の腸に近い剛性のあるプラスチック管でテストされ、５ｍｍ／秒の速度を達成した。メンシアッシ（Ｍｅｎｃｉａｓｓｉ）他は、［段落０２０２に記載の文献１５］及び［段落０２０２に記載の文献１６］で、形状記憶合金（ＳＭＡ）アクチュエータに依存してぜん虫のような匍匐運動を生成する装置を作成した。装置が確実に前方へ移動するように、小さなフックがロボットの外皮に埋め込まれ、一方向の摩擦を増加させた。この特徴は、前方への移動中は効果的であるが、装置の後方への移動を妨げる。［段落０２０２に記載の文献１２］及び［段落０２０２に記載の文献１３］に示された設計は、歯車を設けた直流モータに依存してセグメント間のリンクを作動させ、ぜん動運動を生成する。さらに、最前又は最後のいずれかのセグメントが周囲環境に対する摩擦を増加させることができる［段落０２０２に記載の文献１３］に示されたシステム内に、固定機構を組み込んだ。この固定機構は制御可能であり、装置は前後に移動できた。［段落０２０２に記載の文献１７］に示された設計は、一連のＳＭＡアクチュエータによって変形する、バネのような軟らかいメッシュで構成されている。アクチュエータの配置は、一般的なミミズで輪状筋及び縦走筋がどのように機能するかで思い付きを得ている。運動はぜん動運動によって達成される。さらに、各セグメントの位置フィードバック制御を実現するために、検出システムを利用した。
【００９３】
従来の内視鏡に代わる多くの商用代替品が存在する。これには、エアロスコープ（Ａｅｒｏｓｃｏｐｅ（段落０２０２に記載の文献２０参照））、インベンドスコープ（Ｉｎｖｅｎｄｏｓｃｏｐｅ（登録商標）（段落０２０２に記載の文献２１、２２参照））、ネオガイド（ＮｅｏＧｕｉｄｅ（段落０２０２に記載の文献２３、２４参照））、及びエンドティックスシステム（Ｅｎｄｏｔｉｃｓ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（段落０２０２に記載の文献２５参照））が含まれる。推進方法に関しては、Ｅｎｄｏｔｉｃｓのみがオンボードのぜん虫から思いついた移動システムを用いている。Ｅｎｄｏｔｉｃｓシステムは、２つの端部のいずれかを固定するために、局所結腸組織の吸引とクランプを含む技術に依存している。まず、吸引とクランプを用いて前部セグメントを固定する。次に、中央セグメントを収縮させて後部セグメントを前方に移動させ、その後、後部セグメントを固定する。次に、中央セグメントが伸長し、このシーケンスが繰り返され、シャクトリムシ（inchworm）の動きと同様に装置が前方に駆動される。カメラと生検ツールを備える前部セグメントが、端部セグメントを方向付けることができる。
【００９４】
一般に、上記の研究試作品は、単自由度（ＤＯＦ）のセグメントを用いる。内視鏡検査でカメラの向きと操縦とを制御する必要があることを考えると、単自由度システムは十分ではない。（ほとんどの場合）商用設計では、カメラの方向づけと操縦とが可能である。Ｅｎｄｏｔｉｃｓのみが、内視鏡を推進するために局所的に結腸に加えられる力に依存している。Ｅｎｄｏｔｉｃｓの設計では、固定及びカメラの向き／操縦のために２つの分離した機構を用いている。ここで提案される設計の利点は、１つの機構だけで、固定及びカメラの方向／操縦の両方を実現することである。したがって、設計の複雑さはＥｎｄｏｔｉｃｓに比べて軽減される。内視鏡の直径を非常に小さくする必要があることを考えると、複雑さを減らすことで信頼性を高めることができる。さらに、この装置は、曲げ固定法を用いることにより、さまざまな結腸の直径に適応できる。
[ＩＩ．設計]
Ａ．概要
【００９５】
ロボット（図２を参照、装置１の一端１１２に内視鏡カメラ１０８が取り付けられた組み立て済み試作品１を示す）は、３個の別々のセグメント１０２、１０４、１０６で構成される。各セグメント１０２、１０４、１０６は、図４ａ及び４ｂに示すように、腱４０２によって拮抗的に駆動される弾性メッシュ構造体１１６からなる。腱４０２は、直流モータに取り付けられた滑車に巻きついている。モータが回転すると、腱４０２の長さが変化し、メッシュ本体１１６を圧縮する又は伸長する。各セグメント１０２、１０４、１０６の収縮は、腱４０２を短くすることによって達成され、メッシュ１１６が能動的に引っ張られる。伸長は、腱４０２に緩みを与えることによって達成され、メッシュ１１６はその自然な弾性のために受動的に拡張できる。前部及び後部セグメント１０２、１０６は、３個のモータ４０４によって作動する。したがって、収縮と伸長を達成するための１つの直線自由度と、２つの軸線の周りの曲げを可能にする２つの回転自由度がある。中央セグメント１０４は、収縮及び伸張のための単一の直線自由度のみを有する。これに関して、中央セグメント１０４は、単一のモータアセンブリ４０８によって作動する。設計はモジュール式であり、セグメントは任意の順序で組み合わせることができ、モータハウジングは意のままにメッシュ間で交換できる。これを念頭に置くと、任意のセグメント１０２、１０４、１０６の基本構造は同じである。この目的のために、端部セグメント１０２、１０６は、中央セグメント１０４上の雄カラー４１０と連結するように配置された雌カラー４０６を備えてもよい。この基本構造を図４ａ及び図４ｂに示す。図４ａ及び図４ｂは、３自由度セグメント（４ａ）及び１自由度セグメント（４ｂ）のコンピュータモデルの断面を示す。
【００９６】
システムの内視鏡としての機能を評価するために、照明ＬＥＤを備えた小型のＵＳＢカメラ（直径６ｍｍ、解像度６４０ｘ４８０）を試作品の端部に取り付けた。最終的な試作品の長さは約５０ｃｍであった。カメラケーブルは、特別に設計した通路を使って駆動組立体に通した（図５を参照）。図５は、２つの駆動組立体２０４、２０８及び端部キャップ２１２の正面図を示し、ワイヤ及び作業チャンネルが通過できる場所を示す。これらの通路の大きさは、後で簡単に拡大できる。カメラは、前部の先端に取り付けられたプラスチック製ハウジングに固定されており、後で生検ツールなどの追加機器を取り付けることが可能になる。
【００９７】
ロボットの本体は、段落０２０２の参考文献２６で提案されているポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のメッシュ材料で構成される。メッシュは、特殊設計の型の周りで熱処理されて、リブ構造を備えている。各メッシュの可撓性部分の長さは約８０ｍｍであり、ひずみ範囲０〜５０％で剛性は０．２２３Ｎ／ｍｍであり、この設計には十分であった。外側メッシュは、滅菌を確実にするために水密で使い捨てにすることができ、最小限の洗浄と滅菌をすることで駆動組立体を再利用できる。
【００９８】
すべてのカラーの外径は２６ｍｍである。非圧縮時のメッシュの最大外径は約３１ｍｍであり、圧縮時のそれは３５ｍｍである。メッシュが軟らかい素材であることを考えると、これらの直径は、剛性カラー／駆動組立体の直径と比較してそれほど重要ではない。ただし、結腸の直径は最も狭いところで直径が約２６ｍｍであるため（段落０２０２に記載の文献２７参照）、今後の設計の繰り返しにて装置の直径を小さくする必要がある。検出システムを再設計することによって、直径を大幅に縮小できる（セクションＩＩＩ−Ｂを参照）。
Ｂ．移動戦略
【００９９】
提案の移動戦略（提案の移動シーケンスの単一の反復を示す図３を参照）は、結腸の壁とロボットの皮膚との間の摩擦力を選択的に増加させるために、端部セグメントの曲がる能力を利用している。装置は常に管状の環境の中で移動すると仮定されるため、１個のセグメントを十分に大きな角度に曲げると、所定の位置に「押し込まれる」。曲げセグメントの先端が結腸壁の片側に押し付けられると、セグメントの湾曲した中央部分が反対側の壁に押し付けられる。メッシュは柔軟性のため、変形し、結腸の損傷を防ぎ、結腸壁と曲げられたセグメントとの間の摩擦を増加させ、それにより所定の位置に固定する。この方法の主な利点は、変化する結腸の直径に適応するようにセグメントの曲げ角度を調節できることである。人間の結腸の直径は結腸内の場所によって大きく異なるため（段落０２０２に記載の文献２６参照）、この適応性は内視鏡検査に非常に役立つ。
【０１００】
「押し込まれる」方法に加えて、３自由度セグメントの１つを十分に大きな角度に曲げて、ぜん虫が管腔を「挟む」こともでき（図６を参照。これは、押し込まれるだけでなく管腔を「挟む」ような端部セグメントの能力を示す）、３自由度セグメントの両端の間にある管腔の小さな部分を押さえる。これにより、装置が管腔に自分自身を固定する能力が更に向上する。
【０１０１】
前進運動は、端部セグメントの１個のみを固定することで実現される。中央セグメントは、収縮又は伸長することによって、固定端に対して固定されていない端部セグメントを移動できる。したがって、正しいシーケンスで行われると、前方又は後方への移動が達成できる。さらに、各端部セグメントは曲がることができるため、装置を曲折部にて積極的に操縦し、端部に取り付けたカメラの向きを制御できる。人間の結腸は非常に曲がりくねっている可能性があることを考えると（段落０２０２に記載の文献２６参照）、この操縦能力は重要である。
Ｃ．移動解析
【０１０２】
提案の移動シーケンスの各反復で、ロボットの先端が前進する理論上の距離は、下記の式（Ａ）で示す中央セグメントの収縮距離に等しい。これを図８に示す。図は、移動シーケンスの簡略図を提供する。また、各反復にかかる合計時間は下記の式（Ｂ）で示す値に等しい。したがって、ロボットの理想的な速度は以下の式（１）ように表すことができる。
【数Ａ】
2020509803.tif 000003
【数Ｂ】
2020509803.tif 000004
【数１】
2020509803.tif 000005
式（１）から、速度ｖidealを上げるには式（Ａ）（Δｘe,ideal）を上げる又は式（Ｂ）（Δｔtot）を下げる必要があることは明らかである。各セグメントをできるだけ速く動かすだけで速度は向上するが、シーケンス自体を変更することによっても、パフォーマンスを向上させる可能性がある。図８に示すシーケンスでは、任意の定められた時間に１つのセグメントだけが移動を許容される。セグメントの同時移動を許容することにより、元のシーケンスの段階がスキップされ、式（Ｂ）で示す値を減らすことができる。これは、セグメントが同時に移動するように、基本シーケンスの段階を組み合わせることによって達成される。例えば、固定段階と非固定段階が２つの端部セグメントに対して同時に実行された場合、６段階に対して４段階のみが必要になる。換言すれば、ｔ0及びｔ3の段階は削除される。これを図９に示す。図９は、非理想性が発生する改善された移動シーケンスの１回の繰り返しの図を示す。ここで、Δｓiは滑った距離を示し、Δｘeは中央セグメントの実際の伸長距離を示す。
【０１０３】
装置のパフォーマンスをより明確に理解するために、移動の効率を次のように定義できる。
【数２】
2020509803.tif 000006
ここでηlocは移動効率であり、ｖrealは装置の測定速度である。図９に示すように、移動の効率の低下は主な２通りがある。第１に、外部摩擦により中央セグメントが完全には伸長しない場合である。メッシュの伸長を直接制御することはできないため（受動的に伸長することを「許容する」ことのみが可能である）、この中央セグメントが操作中に完全に伸長しない可能性がある。第２に、固定力は端部セグメントの１つでは不十分であり、固定されたセグメントが滑る可能性がある。したがって、各反復で前方に移動した実際の距離Δｘｆを以下のように定義できる。
【数３】
2020509803.tif 000007
ここでｘsは式Ｃであらわされる。次に、実際の速度ｖrealは、以下の式（４）ように定義できる。
【数Ｃ】
2020509803.tif 000008
【数４】
2020509803.tif 000009
【０１０４】
このことから、装置の作動をより良く理解するために、追加の移動効率を定義できる。式（１）と式（４）とを式（２）に代入すると次式（５）を得る。
【数５】
2020509803.tif 000010
ここでηe＝Δｘe／Δｘe,ideal及びηa＝Δｘf／Δｘeである。
膨張効率ηeは、どのくらい理論効率が達成されたかを評価する。固定効率ηaは、移動シーケンスの間にどのくらい効率的にシステムが固定できたかを評価する。したがって、２つの個別の量を測定して、装置の２つの主要なパフォーマンスの側面を評価できる。
Ｄ．シーケンスの実装
【０１０５】
移動シーケンスを簡単に実装するには、各シーケンスを２つの個別の部分に分割すると便利である。すなわち固定／非固定と収縮／伸長である。個々の部分が常に同じ時間で実行されると仮定するのは理にかなっている。また、移動シーケンスの詳細に関係なく、前進運動を生成するには、必然的に中央セグメントの収縮段階と伸長段階が必要になる。それゆえ、式（１）を次のように書き換えることができる。
【数６】
2020509803.tif 000011
ここで、Ｎanchは、シーケンス内に存在する固定／非固定段階の回数を示し、Δｔanchは、単一の固定／非固定段階に費やす時間を示し、Δｔconは、単一の圧縮／伸長段階に費やされる時間を示す。式（６）では、Ｎanchのみが移動シーケンス自身の設計に依存する。変数Δｘe,ideal、Δｔcon及びΔｔanchは、この装置に用いられるアクチュエータ及びハードウェアの限界に依存する。したがって、Ｎanchは、与えられた移動シーケンスを確認できる設定変数である。この場合、Ｎanch＝２である。
[ＩＩＩ．設計上の特徴]
Ａ．アクチュエータの選択
【０１０６】
幅広い可用性と低コストの故に、ロボットを作動させるための小型直流モータを選択した。Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｄｒｉｖｅｓ  ２０６−１０Ｃを選択して３自由度セグメントを駆動した。１自由度セグメントには、より大きなＰｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｄｒｉｖｅｓ  ２１２−１０３  １２ｍｍ  直流モータが選択された。これらのモータの関連特性を表１にまとめる。
【表１】
2020509803.tif 000012
【０１０７】
これらの値を用いて、移動シーケンスのパラメータを以下のように選択した：Δｘe,ideal＝４５ｍｍ、Δｔanch＝３秒及びΔｔcon＝４秒。
Ｂ．検出
【０１０８】
各腱にフィードバック制御を実行するために、ホール効果ベースのセンサシステムを用いた。この原理を図１０に示す。図１０は、検出システムの機能を図示するためのプーリの下面図である。直径方向に磁化されたリング形状の磁石１００２が、各直流モータの軸体１００４に取り付けられた各プーリ１０００の底部に埋め込まれている。２個のホール効果センサ１００６、１００８を、プーリ１０００の周囲に９０°離れて配置した。各センサ１００６、１００８の信号は、プーリの角度位置によって正弦波的に変化した。２つのセンサ１００６、１００８は物理的に９０°離れていたため、正弦波のセンサ信号も９０°位相がずれていた。それぞれが範囲［１、−１］の値を持つように２つの信号を線形にマッピングした後、プーリ１０００の角度は以下を用いて計算できる。
【数７】
2020509803.tif 000013
ここでｈ1（ｔ）及びｈ2（ｔ）は、マッピング後のホール効果センサの読みである。プーリ１０００の絶対角度はいつでも分かるため、いくつかの初期の腱の長さと関連するプーリ角度の知見で、各腱の長さを計算することが可能であった。
【数８】
2020509803.tif 000014
【０１０９】
検出システムを評価するために、ポテンショメータをプーリへ堅固に取り付けてプーリ角度の信頼できる測定を得た。２つの測定値の比較を図１１に示す。これは、ポテンショメータで測定された角度（「真の角度」）とホール効果検出システムで測定された角度（「計算された角度」）との比較プロットを示している。
Ｃ．制御
【０１１０】
各腱の長さを制御するために、簡単なＰＩＤコントローラを選択した。このコントローラは、各セグメントのホール効果センサからの信号を処理し、ＰＩＤ制御出力を計算する単一のマイクロコントローラ（ＭＣＵ）ボード上に実装した。第２の経路計画（path planning）を行うＭＣＵは、高レベルの経路制御情報を計算し、Ｉ２Ｃバスを介してこの情報を他のＭＣＵへ送信する。これを図１２に示す。図１２は、実装された制御システムのブロック図である。
［ＩＶ．実験］
【０１１１】
２つの実験を行った。第１に、収縮／伸長運動の有効性を調査するために、中央セグメントのステップ応答を評価した。第２に、擬似結腸を通じて試作品を実行した。
Ａ．ステップ応答
【０１１２】
中央セグメントが正確に収縮していることを確認するために、完全に組み立てた試作品で簡単なステップ応答テストを実行した。これには、中央セグメントに、伸張されていない状態から指定された新しい長さに収縮し、元の長さに戻るように命令することが含まれていた。視覚システムを用いて、中央セグメントの端にあるマーカの真の位置を評価した。
【０１１３】
この結果を図１３に示す。図１３は、さまざまな収縮距離に対する中央セクションのステップ応答を示す。破線は要求される経路を示し、実線はセグメントの端部の実際の位置を示す。このことから、システムが動的経路に追従することに関していくつかの問題を示していることは明らかである。ただし、システムは最終目標位置に到達する点で十分に精確である。一方、元の長さへ伸長して戻ると、セグメントは元の位置には到達しない。これは、低伸長での、摩擦を克服するには十分でない低復元力が原因であると考えられる。
Ｂ．擬似結腸
【０１１４】
試作品を、擬似結腸を通じて走らせた。可撓性プラスチック「バブルラッピング」のシートを管状に丸めて擬似結腸を作成した。これは、主に、軟らかく柔軟な特性を持つがゆえに、適切な実験的シミュレーションとして選択したものである。管の直径は凡そ５０ｍｍ、長さ１２００ｍｍであった。その内面は乾燥して滑らかであった。管は、多くのバブルラッピングの追加層の上にあるベンチに置かれた。結腸は部分的にしか垂れ下がっていないので、腹腔内で可動性であるという事実をより良く説明するために、管の一端のみをテーブルに固定し、他端は自由に動けるようにした。ロボットは管の自由端で動き始め、固定端へ向かって移動する。
【０１１５】
両端セグメントの曲げ角度は、擬似結腸でのテスト中に試行錯誤によって選択された。すべてのセグメントが真っ直ぐに伸びた状態で、ロボットは約１．１Ｎの静止摩擦力を受けることが分かった。前部セグメントが曲がると、この摩擦力は約２．０Ｎに増加し、このため、セグメントのつかえ戦略（jamming strategy）が実際の結腸で機能する可能性があることが検証された。
【０１１６】
移動シーケンスの単一反復の時間経過シーケンスを図１４に示す。ぜん虫のような構造体の２つのマーカの位置を用いて、セクションＩＩで論じた移動パラメータを計算した。図１４では、マーカの位置がドットで示されており、搭載カメラからの対応する画面が各写真の右側に表示される。図１５（ａ）に、中央セグメントの後方及び前方ポイント（それぞれｘ１とｘ２）の位置のプロットを示す。図１５（ａ）は、実験全体の位置を理論上の位置と比較して示す。
【０１１７】
移動距離の合計と、ぜん虫が最終位置に到達するまでの合計時間とを測定することで装置の平均速度を計算した。これにより、前述の理想的な速度の知見を用いてηｌｏｃを計算した。
【０１１８】
次に、生データを分離して、各反復を個別に分析できるようにした。個々の反復からのデータを、固定の１秒間隔で比較した。このデータを用いて、１回の反復中に特定のマーカの平均軌跡を作成することができた。これらの結果は、図１５（ｂ）及び（ｃ）に見ることができる。図１５（ｂ）は、１つのシーケンス反復中の中央セグメントの平均位置を示す。簡単にするために、中央セグメントが常にゼロから始まることを示すように、結果は正規化されている。図１５（ｃ）は、１回のシーケンス反復での中央セグメントの平均伸長を示す。
【０１１９】
ΔＬoとして示されるｘ1とｘ2の間の最初の距離に着目することによって各反復での伸長を計算する。次に、各反復に対して、各反復の総伸長を以下に従って計算した。
【数９】
2020509803.tif 000015
ここで、各反復の開始時に関連する値としてはそれぞれｔ3＝１０秒及びｔ4＝１４秒である。また、セグメントが収縮したときにゼロの値が取得され、完全な伸長が発生した場合Δｘe,idealに等しい値が取得されるようにΔｘe,idealを追加した。平均軌道の分析結果を表２に示す。
【表２】
2020509803.tif 000016
[Ｖ．検討及び結論]
【０１２０】
試作品は全体としてかなり良好に機能した。実験で判明した平均速度は１．２１ｍｍ／秒であり、装置は１８５０ｍｍの長さの平均的な人間の結腸（段落０２０２に記載の文献１７参照）の一方の端から３０分以内に他方の端まで移動できる（又は往路と復路の両方の行程を完了するためにかかる時間は１時間弱）。これは、手順全体で約４５分を要する可撓性を有する内視鏡の検査の既存の技術と一致する（段落０２０２に記載の文献２８参照）ものの、鎮痛剤がなくても、潜在的に痛みが少ない（痛みが全くない場合もある）という利点があり、これは標準の可撓性のある大腸内視鏡検査中に要求されていることである。
【０１２１】
伸長効率はかなり高かった。図１５（ｃ）のt＝１０秒からt＝１４秒を見ると、セグメントはその希望する長さのほとんどを伸長できる。しかし圧縮エネルギーが減少するにつれて、外部摩擦がより大きな役割を果たし始め、伸長速度は遅くなる。したがって、割り当てられた４秒間に完全な伸長を完了することはできない。
【０１２２】
その結果、各シーケンスの第１の固定／非固定の段階で、前のシーケンスで発生した伸長に加えて、何らかの伸長が発生する。これは、図１５（ｂ）及び図１５（ｃ）のt＝０秒から３秒までに見ることができる。図１５（ｂ）から分かるように、この期間は両端とも十分に固定されていないので、この意図しない伸長はｘ２に対して前向きの、だがｘ１に対しては後ろ向きの動きを許容することになる。割り当てられた時間枠内でのみ伸長が行われるようにするために、中央セグメントに硬いメッシュを用いると、外部摩擦を克服するためにより多くの圧縮力が利用できるようになる。
【０１２３】
両方の端部セグメントが固定されている間に、両方の端部セグメントでは滑りの発生が観察された。これを改善するには、曲げ角度を大きくする、又は、曲げの間の把持を高めるためにメッシュの表面品質を変更することで可能となる。
【０１２４】
向きを変える装置の能力を評価する実験を行った。３自由度セグメントで用いられるモータのトルクは限られているので、最大曲げ角度として９０°が利用可能であった。ロボットはおよそ７０°の曲げを操縦できることが分かった。これを超えると、摩擦が大きくなり過ぎる。したがって、先端が遭遇すると予想される最大角度より大きい角度で曲がる必要がある、と結論付けることは合理的である。設計の究極の改善点は、前部セグメントを１８０°曲げることである。これは、より強力なアクチュエータを調達する、メッシュの剛性をより低くする、又は、固定させるセグメントによって生成される摩擦を増加することで実現できる。
【０１２５】
ロボット自体の設計に関しては、次の設計の反復で多くの課題に対処する必要がある。装置を小型化し、空気と水の作業チャンネルを組み込む必要がある。さらに、装置を固定できる結腸の最大直径は主に２つの端部セグメントの長さの関数であるため、各セグメントに必要な理想的な長さを特定するには更に調査が必要である。
【０１２６】
擬似結腸については、結腸の重要な特性の一部を複製した。それは、つぶれ、部分的に垂れ下り、柔軟性の特性である。ただし、結腸組織の弾性は、実験で使用した材料よりも著しく高い（段落０２０２に記載の文献２９参照）。これらの課題に取り組むには、固定中の各３自由度セグメントと結腸壁との間の相互作用を詳細に調査する必要があると予想される。これにより、最適化された固定システムが可能になり、今後の研究のテーマになる。
【０１２７】
いずれ、制御インタフェースも必要になろう。移動シーケンスの完全な詳細が確立するとともに、制御インタフェースが開発されるだろう。
【０１２８】
結論としては、大腸内視鏡検査で用いるロボット式メッシュ製ぜん虫（roboticmesh worm）の新規な設計を提示した。この装置は、単一の機構のみで前方移動、カメラの向き、及び固定を達成できる新規な固定技術を採用している。装置の移動性能を理解するための理論的枠組みを確立した。この装置は、製造されて、擬似結腸でテストされ、平均速度１．２１ｍｍ／秒、理論上の最大値の約３８％、を達成した。将来的には、理論的枠組みを活用して、装置の効率を高め、より高い速度を達成できる設計の改良を特定することになろう。
【０１２９】
更なる開発と実装の考慮事項について、以下述べる。
形状及び接触力の推定
【０１３０】
上記の装置では、３つの自由度を持つ２つのフィードバックシステム、すなわち腱の長さの検出とモータのトルクの検出、が端部セグメント１０２、１０６で用いられる。これらのフィードバックシステムはそれぞれ、所与のセグメントの形状（曲率と長さ）をシステム自身で推定するために用いることができる。これらのアプローチを組み合わせることによって、形状推定の精度を高めることができる。これは、セグメント１０２、１０４、１０６とその周囲環境との間の相互作用力を推定する能力を改善するために重要であり、したがって、人間の結腸に展開するときの装置の安全性を改善する。
皮膚摩擦機構
【０１３１】
装置１のメッシュ本体１００と周囲環境との間の摩擦の相互作用は、それがどのように移動できるかの基本的な部分である。したがって、この相互作用を制御して、ある時点では摩擦を増加させ、他の時点では摩擦を減少させることが重要である。上記の構成では、摩擦は、セグメント１０２、１０４、１０６が表面をどれだけ強く押すかによって調整される。しかし、曲げ部分１０２、１０６の形状に応じて、メッシュスキン１１６の固有の摩擦特性を変化させることが可能である。これら２つの方法を用いて、摩擦相互作用を制御できる。このことは、摩擦の量を最大化しながら、周囲に適用される力の量を最小化するのに役立つ。このことは、装置が展開されている周囲への損傷を制限するのにも役立ち、大腸内視鏡検査に用いる場合の装置の安全性の改善に有用である。
液圧作動、コスト削減、及び小型化
【０１３２】
構成によっては、装置は、上記のように直流モータではなく、液圧で装置を作動できる。これにより、装置の製造コストは削減され、装置自体（外部制御機器を含まない）が使い捨てで一回のみの使用になり、臨床環境での使用が簡素化される。液圧作動は、力の推定を可能にする圧力フィードバックと、形状の検出を可能にする体積フィードバックとを提供する。さらに、液圧システムを用いると、設計上のサイズを小さくすることができ、上部内視鏡検査や気管支鏡検査など、より小さな管にかかわる他の臨床処置で使用できるようになる可能性がある。
オンボード生検ツール
【０１３３】
装置には、組織サンプルを採取するためのオンボード生検ツールも含まれる場合がある。これは、内視鏡の遠位端から突出するために外部からパイプを通して供給される従来の生検ツールとは対照的である。そのため、オンボード生検ツールは、装置の直径を可能な限り小さくするのに役立つ。
最適なツールの向きと力の構成
【０１３４】
端部取り付けツールの利用可能な力を最適化するために、端部セグメント１０２、１０６の最適な構成を検討する。これにより、端部セグメントのどのような形状が、端部が取り付けられたツールで適用できる利用可能な力を最大化しながら、作業スペースと最適な視野との両方を得られるかを検討する。これは、装置の形状の再構成可能な性質により可能である。
形状及び接触力の推定
【０１３５】
形状及び接触力の推定の更なる展開について、更に詳しく以下説明する。
形状推定
【０１３６】
曲げの際の単一セグメント１０２、１０４、１０６の形状を推定すると、セグメント１０２、１０４、１０６は一定の曲率を持つ円弧の一部を形成すると仮定される。各腱４０２の長さの知見を用いて、３次元空間におけるセグメント形状の合理的な近似を行うことができる。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、曲げの際のモデルからの推定形状と、セグメントの実際の測定形状との比較を示す。
【０１３７】
この近似は、各腱４０２の張力を考慮した、より複雑なモデルを用いることで改善できる。ただし、これにより、モデルの精度に大きな影響を与える多数の追加パラメータが導入され、測定が難しく、曲げの間に非線形に変化する傾向がある。例えば、各セグメント１０２、１０４、１０６の曲げ剛性は、曲げの結果としてセグメント本体が腱４０２に及ぼす復元力を推定するために必要とされる。試作品で用いられる弾性メッシュは、圧縮されると直径が変化する。曲げ剛性は、曲げられている構造体の直径に依存するため（局所圧縮も発生する）、曲げが発生すると曲げ剛性が変化する。
【０１３８】
腱の長さのみを用いる形状推定の精度は、接触力推定などの他の計算（図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示す）での使用を許容するには十分であり、これについては詳細に以下説明する。
【０１３９】
セグメント１０２、１０４、１０６の形状は、腱の長さを用いて推定される。この推定は、セグメント１０２、１０４、１０６が一定の曲率を持っていると仮定している。正確な推定方法は、セグメント１０２、１０４、１０６及び作動腱４０２の形状と配置に依存する。この場合、セグメント１０２、１０４、１０６は直径が一定の長尺円筒であり、３つの腱４０２は１２０°の間隔で等間隔に配置されていると仮定した。
【０１４０】
円筒型セグメント１０２、１０４、１０６の内部の腱４０２の配置が、図１７（ａ）（段落０２０２に記載の文献３０，３１参照）に示され、３次元空間の単一セグメント１０２、１０４、１０６の形状を説明する変数は図１７（ｂ）（段落０２０２に記載の文献３２参照）に示される。
【０１４１】
周知のモデルを用いて段落０２０２に記載の文献３１，３２参照）、３つの腱の長さｌ1、ｌ2，ｌ3の知見から以下の式を用いて３つのセグメント変数θ、Φ、ｓを計算できる（すなわち順運動学）。
【数１０】
2020509803.tif 000017
【数１１】
2020509803.tif 000018
【数１２】
2020509803.tif 000019
ここで、ｄはセグメントの中心から腱の位置までの半径方向の距離である。 
【０１４２】
同様に、逆運動学は次のように与えられる。
【数１３】
2020509803.tif 000020
【数１４】
2020509803.tif 000021
【数１５】
2020509803.tif 000022
したがって、オンボード検出機器から得られる腱の長さの知見により、セグメント１０２、１０４、１０６の形状を推定できる。このモデルには、結果の精度に影響する動的効果や重力効果は含まれない。ただし、一般に、各セグメントの質量が小さく、動きが遅い場合には、上記のモデルは適切な結果を生成する。
接触力の推定
【０１４３】
（提案の３セグメント内視鏡の設計のように）一連の他のセグメント１０２、１０４、１０６に接続されたときに、一つのセグメント１０２、１０４、１０６によってその周囲に働く接触力は、セグメント１０２、１０４、１０６がいかにうまく自らを周囲に固定するかを把握するために重要である。実施例として、内視鏡の遠位端に位置する単一の曲げセグメント１０２が、柔軟性の表面と接触しているようにモデル化される。この点に関して、図１８ａ及び図１８ｂは、囲まれた周囲１８００に固定するときのセグメント１０２の構成を示し、またいかにこれらの力がモデル化され、３つの接触点１８０２、１８０４、１８０６に分離されるかを示す。
【０１４４】
各腱４０２の張力は、接触力を生み出すものである。したがって、この張力を知ることが、接触力を正確に推定するために重要である。腱４０２を作動するために用いる直流モータ４０４からの電流測定値は、理論的には張力を計算するために用いることができるが、実際にはこれは、高い比のギヤボックスゆえに問題がある。したがって、より良い張力測定を実現するために、歪ゲージを用いてロードセル１８０８を設計し、セグメント１０２の端に配置した。このようにして、張力の直接測定が可能となった。
【０１４５】
３つの反力を計算するために、先ず、上で述べた方法を使ってセグメント１０２の形状を利用可能にしなければならない。
【０１４６】
図１７（ａ）に示す座標系を用いて、セグメント中心とi番目の腱の位置との距離をベクトルｄiとして表すことができる。大きさｔjiでセグメント上のｊ番目の位置にあるｉ番目の腱の張力も、図１７（ａ）の座標系におけるベクトルｔjiとして表すことができる。この場合、張力はセグメント１０２の両端に作用している。したがって、後端部及び前端部に作用する各腱４０２の張力は、それぞれｔrear,i及びｔfront,iで示される。これにより、これらの各端（ｍrear及びｍfront）のモーメントは以下のように計算できる。
【数１６】
2020509803.tif 000023
ここで、ｊはセグメント上の位置を示す。
【０１４７】
接触力を計算するために、すべての力が単一の２次元平面で作用していると仮定する。そのため、本体上のすべての正味作用モーメントもこの同じ２次元平面でのみ作用していると仮定する。そのため、我々は各モーメントの大きさだけを考慮する必要がある。これは、式（Ｄ）のようなｍｊとして示される。また、セグメントの両端における両方のモーメントの大きさが等しいと仮定する。
【数Ｄ】
2020509803.tif 000024
【０１４８】
接触がいつ発生したかを特定するために、単一の２次元平面でセグメント１０２を所与の角度θに曲げるのに必要なモーメントのモデルを見出す必要がある。これは、セグメント１０２の前端部での張力の測定のみに基づいていた。
式（Ｅ）で示されるこのモデルは分析的に導くことができる、又は、実験データに適合させることができる。
【数Ｅ】
2020509803.tif 000025
今回の場合、実験データを用いて以下を見出した。
【数１７】
2020509803.tif 000026
ここで、Ａとｂは定数である。
【０１４９】
接触力を推定できる有限要素モデルに移行する前に、接触が発生したばかりの境界状況を考慮する必要がある。このモデルでは、セグメント１０２は、接触が発生する前には完全に自由で、接触が発生した後に静的に制約されると仮定される。そのため、接触が発生した際の静的状況に関連する唯一のモーメントは、正味モーメント、すなわち、アクチュエータによって加えられるモーメントからセグメント１０２自体からの反作用モーメントを差し引いたモーメントになる。この正味モーメントは、以下の式を用いて計算される。
【数１８】
2020509803.tif 000027
この正味モーメントを見つけることは、式（１６）及び式（１７）を用いて前端部に対してｍj及び下記の式（Ｆ）を求めることは容易である。
【数Ｆ】
2020509803.tif 000028
【０１５０】
接触が発生する前の接触力は（定義により）ゼロである。前端部で測定されたモーメントが式（Ｇ）のように、予測されたモーメントよりも一定量γだけ大きい場合、すべての場合に接触が発生すると仮定される。
【数Ｇ】
2020509803.tif 000029
ここでγは、ヒステリシス又は接触以外の現象により、測定されたモーメントが予測されたモーメントよりわずかに高くなり偽正値をとるような状況を最小限に抑えるために、経験に基づいて選択される。この条件が満たされると、接触角θ*が記録され、静的有限要素モデルのセグメントの初期構成を導くために用いられる。
【０１５１】
接触が発生すると、セグメントは静的状態にあり、すべての動的影響は無視できると仮定される。したがって、力とモーメントの静的平衡条件（Σｆ＝０及びΣｍ＝０）が仮定される。さらに、すべての動きは、動的影響が無視できるほど遅いと仮定される。
【０１５２】
有限要素モデルの詳細と構造はその用途に依存する。ここでは、最小限の要素数で簡単な実施例を示す。１つのセグメントは、合計５つの節点で直列に接続された４つの要素を用いてモデル化される。このモデルを図１９ａに示す。図１９ａは、固定を、実行する試作品セグメントの画像に重ねた有限要素モードを示す。節点と要素には、左から右へ順番に番号が付され、それぞれｎとｅで示される。両端の２つの要素は、作動モータ（ｅ１）並びにカメラ及びロードセルハウジング（ｅ４）を収容するセグメントの剛性セクションを表すことを意味する。要素ｅ２及びｅ３は、セグメントの軟らかな本体を表す。節点１は移動制約下にあると仮定されているが、自由に回転できる。節点３と５はｙ方向に制約されるが、それ以外は自由である。他のすべての節点は、自由に移動又は回転できる。
【０１５３】
有限要素計算を開始するには、各節点の位置を確定する必要がある。ソフトセグメントの形状は上記の手法から入手できるため（又は、ファイバブラッググレーティングや慣性検出装置などの直接的な検出手法を用いて見つけることができるため）、節点の位置と方向を見つけることは単純な幾何学の問題である。初期の節点位置は、接触角θ*を用いて計算される。接触の最初の瞬間の接触力は非常に小さいため、これらの力によるセグメントの変形は最小限であり、上記のモデルは依然として有効であると仮定される。後に示すが、一定の曲率モデルが無効であるようなより高い力の下では、有限要素モデルは節点変位から各要素において（したがって、柔軟性セグメントにおいて）発生する変形を推定することができる。
【０１５４】
各節点の位置は、下記のベクトル（Ｈ）を用いて表される。ここで、ｋは節点番号を示し、ｘkとｙkは図１９ａに示されるフレームによる平面座標である。akは、ｘ軸に対するｚ軸（ページから外側へ出る方向を指す）周りの回転である。ｋ番目の節点は下記（Ｉ）と記述される２つの力と１つのモーメントを受けている。これらには、反力と加えられた力の両方が含まれる。
【数Ｈ】
2020509803.tif 000030
【数Ｉ】
2020509803.tif 000031
【０１５５】
各要素には、剛性マトリックスが関連付けられる。このマトリックスは、各要素で用いられる材料の物理的特性と形状とに基づいた値で構成される。実際には、これらの特性（ソフトセグメントの断面積やヤング率など）は線形で一定であると仮定できる。これは単純化であるが、接触力の特定には十分であることが分かっている。文献３３で提案されている剛性マトリックスがいくつかある。ここでは、せん断力を無視するｋ番目の要素に対する単純な２次元剛性マトリックスを用いた。式は以下のように与えられる。
【数１９】
2020509803.tif 000032
【０１５６】
ここで用いられる有限要素法は、フックの法則に基づいて、未知の変位と未知の力の両方を解く。マトリックス形式では、フックの法則は以下のように記述される。
【数２０】
2020509803.tif 000033
ここで、ｐGとδｘGはそれぞれ全体の力と変位ベクトルの変化量であり、ＫGは全体剛性マトリックスである。δｘGは、最初の接触状態に対する節点位置の変化で構成されることに注意する必要がある。各剛性マトリックスは、各要素の方向を考慮して調整する必要がある。この回転されたマトリックスは、一定曲率モデルから見出された角度に基づいて計算される。この回転は以下のように計算される。
【数２１】
2020509803.tif 000034
ここで、αkは、図１９ｂに示すように、ｘ軸に対するｋ番目の要素の角度であり、図１９ｂは、有限要素モデルの座標と適用される力とを示す。
【０１５７】
Ｒ（αk）の構築方法の詳細については、後掲の参考文献３３を参照。
【０１５８】
力と変位のベクトルは以下のようにまとめられる。
【数２２】
2020509803.tif 000035
【数２３】
2020509803.tif 000036
【０１５９】
この構成と図１９ｂの有限要素構造とに基づいて、グローバル（全体の）剛性マトリックスは各辺に１５個の値を持つ正方マトリックスになる。各要素に１つの値があり（合計４）、以下によって与えられる。
【数２４】
2020509803.tif 000037
【０１６０】
剛性マトリックスの組み立て方法の詳細については、参考文献３３を参照。
【０１６１】
さて式２０を用いて、どの変数が既知で、どの変数が未知であるかを特定できる。前述のモデル化と測定から、既知の力は節点２、３、４に作用する３つのモーメントである。これらは以下のように定義される：
【数Ｊ】
2020509803.tif 000038
未知の力は、Ｒx1、Ｒy1、Ｒy3及びＲy5として示される反力又は接触力である。他のすべての力はゼロである。したがって、４つの未知の力の変数がある。変位ベクトルを見ると、制約により、δx1、δy1、δy2、及びδy5はすべてゼロに等しいことが示されている。したがって、他の１１の変位は未知である。
【０１６２】
これをすべてまとめると、１５個の式（節点ごとに３つの自由度を持ち、５つの節点）と１５個の未知数（４つの未知の接触力と１１の未知の変位）とがある、式（２０）で与えられる線形式系がある。各自由度において、力が判っている場合、変位は未知であり、逆も同様である。与えられた自由度に対して、力と変位の両方が不明な場合は決してない。その結果、この線形式系は完全に制約されており、行列変位法や行列力法などの多くの方法を用いて解くことができる（文献３３）。したがって、未知の変位と力を計算できる。
【０１６３】
この方法で達成可能な結果の実施例を図２０ａ乃至図２０ｃに示す。これは、固定中に柔軟性表面上のセグメントによって及ぼされる接触力の実験測定とモデル化された予測、及び測定された力と比較した力の予測の誤差を示す。
【０１６４】
概して、高精度ロードセルで測定される真の力とは良く一致している。接触検出は必ずしも完全ではないが、より複雑な接触検出システムを実装することで改善される可能性がある。通常、精度は＋／−０．２Ｎよりも良く、構造体の非線形性を考慮したより詳細なモデリングによって改善される可能性がある。この方法の制約事項は、周囲がセグメント自体の構造よりもはるかに硬く、したがってセグメントがそれに押し付けられる結果としての変形が最小限であると仮定していることである（それゆえに、拘束は、いくつかの方向ではゼロ変位を仮定する）。ただし、これは、十分な形状検出装置が利用可能な場合に考慮できる。これについて以下説明する。
剛性推定
【０１６５】
上記の接触力推定の方法は、以前は完全に剛性であると仮定されていた拘束において柔軟性を考慮して拡張できる。このためには、単に腱の長さだけに基づくのではなく、セグメントの形状をより正確に検出する必要がある。結果として、これにより、セグメントは柔軟性のある周囲の剛性の測定も可能である。
【０１６６】
連続ロボットのセグメントの形状検出に受け入れられている多くの方法を用いて、必要な追加の検出が実現され得る。これらには、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、磁場、ファイバブラッググレーティング（Fiber-Bragg-Gratings）や多くの他の方法（文献３４）の利用が含まれる。これらの方法の多くは、単一セグメントの本体に沿ったいくつかの点の相対的な方向を検出することに依存している。これらの各点間で一定の曲率を仮定することにより（まだ簡単化であるが）、形状検出の精度は、検出点の数に比例して向上する。
【０１６７】
セグメントが柔軟性のある周囲に接触している間、セグメントに正確な形状フィードバックを提供するのに十分な数のセンサが装備されていると仮定する場合、この情報を式２０に入力して周囲の剛性を解くことができる。
【０１６８】
この最も簡単な実装は、図１９ｃに示すように、適応性のある有限要素モデルを使用することである。図１９ｃは周囲の柔軟性を考慮した修正版の有限要素モデルを示す。ここでは、ｙ方向の剛性（ｋenvと表記）のみに注目すると仮定されている。この剛性を計算するには、前のセクションで概説した手順と同じ手順が、式２０を解く最終ステップまで行われる。ここでは、δy3＝０と仮定するのではなく、強化された形状センサの読み値から取得される。必要に応じて、他のすべての節点変位もこれらのセンサの読み値から取得され得る。参照すべき変位は、接触が発生した後の変位のみである。接触のモーメントの検出は、前述の手法と同様に実行できる。
【０１６９】
これらの節点変位を用いて、式２０を解いてｐＧを求める。ひとたび求められると、周囲の剛性は、スカラ型式のフックの法則又はその他の任意の剛性モデルから導くことができる。フックの法則に従う線形材料の場合、周囲の剛性は以下によって与えられる：
【数２５】
2020509803.tif 000039
【０１７０】
したがって、周囲の剛性（少なくとも１つの方向）を推定できる。内視鏡検査などの用途では、装置が展開されている周囲の剛性を測定できることは、診断の目的に役立つ。例えば、結腸の硬さの測定は、結腸壁の瘢痕を検出するために用いることができるが、この結腸壁の瘢痕は、過敏性腸症候群やクローン病などの内在する医学的問題を示すことができる。
液圧構成
【０１７１】
次に、液圧又は空圧で作動する装置についてより詳細に説明する。
セグメントの設計
【０１７２】
セグメントの構造を単純化及び小型化するために、複数の流体作動セグメントを備えるロボット装置が設計されてきた。そのような装置で用いられるセグメント２１００を図２１ａ及び図２１ｂ並びに図２２ａ及び図２２ｂに示す。セグメント２１００は、ゴムなどの軟らかく可撓性のある材料でできた、外部補強手段２１０８を伴ったコア２１０２と、ばね、コイル、一連の輪状構造又はワイヤのような弾性材料の巻きついた細い線などのいくつかの内部補強手段２１０４とからなり、変形中にコア２１０２を制約する。図２１ａ及び図２１ｂ並びに図２２ａ及び図２２ｂでは、内部補強手段２１０４及び外部補強手段２１０８は、コンチェルティーナ構造と同様の円筒形ベローズ構造の形態である。内部補強手段２１０４及び外部補強手段２１０８は、金属などの任意の適切な材料で作ることができる。
【０１７３】
複数の作動室２１０６が、コア２１０２の内側に空洞（キャビティ）の形態で提供される。使用中にこれらの空洞２１０６は、空気又は水などの流体で満たされ、流体が逃げるのを防ぐために封止される。外部ポンプ（不図示）を用いて、小さな管を介し各空洞２１０６内の流体の体積を増加又は減少させ、各セグメント２１００の作動を可能にする。ポンプについては、詳細に以下説明する。作動がセグメント２１００の形状をどのように変えるかは、コア２１０２内部のこれらの作動室２１０６の空間的配置に依存する。
【０１７４】
作動室２１０６が流体で膨張すると、軟質ゴムコア２１０２は「バルーン」になる傾向がある。これにより、予測が難しく、本発明に必要な純粋な曲げを生成するのに有用ではない望ましくない変形が生じる。これを防ぐために、コア２１０２の外側の周りに配置された外部補強手段２１０８は、半径方向により剛性が高く、曲げたり伸びたりするときに比較的低剛性にする。これに関して、外部補強手段２１０８は、例えば、バネ、コイル、弾性材料でできた巻きつき細線、又はコンチェルティーナのような構造の形態の、任意の適切な構成であってもよい。外部補強手段２１０８は半径方向に著しく高剛性なので、コア２１０２の膨張は妨げられる。外部補強手段２１０８は、曲げたり伸びたりする際の剛性が著しく低いため、単一の作動室２１０６への流体の圧送は、その特定の作動室２１０６を長くするだけの効果、すなわちセグメント２１００を長手方向に膨張させる効果がある。逆に、作動室２１０６から流体を送り戻すことは、その特定の作動室２１０６を短くさせ、それによりセグメント２１００を長手方向に収縮させる効果がある。セグメント２１００を曲げるために、作動室２１０６に流入又は流出する流体の量を変化させて、さまざまなレベルの膨張又は収縮を達成する。例えば、セグメント２１００を曲げるために、流体は１つの半径方向位置の作動室２１０６に送り込まれ、長手方向の膨張を引き起こし、流体は反対の半径方向位置の作動室２１０６から送り出され、長手方向の収縮を引き起こす。したがって、各作動室２１０６は、上記の実施の形態の腱４０２と同様の方法で制御される。
【０１７５】
外側補強手段２１０８に加えて、任意の数の内側補強手段２１０４をコア２１０２の内側に配置することができ、作動中にセグメント２１００の残りの部分と共に曲がって伸びる管路２１１０の作成を可能にする。さらに、内部補強手段２１０４の半径方向の剛性の増加は、作動室２１０６の横向きの膨張を抑制し、流体が作動室２１０６へ圧送されるときに管路２１１０及び／又は他の作動室２１０６が閉じるのを防ぐ。これは、ヒステリシスを減らすことによって、すなわち作動室２１０６に出入りする流体に対する各セグメント２１００の応答を増やすことによって、及び相互結合を減らすことによって、すなわち、１つの作動室２１０６の作動が同じセグメント２１００内の他の作動室２１０６に及ぼす影響を制限することによって、装置の全体的なパフォーマンスと精度を改善するのに役立つ。
【０１７６】
しかしながら、内部補強手段２１０４の曲げ及び伸長特性により、各管路２１１０はコア２１０２と共に変形でき、同時に、更に詳しく以下説明するように、各管路２１１０を通る管、ワイヤ、又は器具の自由な通過が可能になる。
【０１７７】
外部補強手段２１０８と内部補強手段２１０４の両方の収縮特性は、セグメント２１００が元の構成に戻るのにも役立つ。すなわち、流体が作動室２１０６に出入りしないとき、外部補強手段２１０８及び内部補強手段２１０４は、セグメント２１００を真っ直ぐな姿勢に付勢するように構成される。
【０１７８】
外部補強手段２１０８及び内部補強手段２１０４は、作動室２１０６の任意の横方向を制約できる半径方向の剛性を有する任意の適切な手段を含むが、その他の点では、長手方向軸線に沿って収縮及び伸長し、長手方向軸線に対してある角度で曲がることができることが理解されよう。例えば、外部補強手段２１０８及び／又は内部補強手段２１０４は、図２１ａ及び図２１ｂ並びに図２２ａ及び図２２ｂに示すように、一連の金属輪状体、弾性材料でできた巻きつき細線、又はコンチェルティーナのような構造を有してもよい。ばねの形態の外部補強手段２１０８及び内部補強手段２１０４は、本質的に必要な特性を有するので、特に有利である。すなわち、ばねは、その長手方向軸線に沿って伸縮し、長手方向軸線に対してある角度で曲がる一方、作動室２１０６の横方向の膨張を制約するのに十分な程度に、半径方向に剛性を有するように構成されている。
【０１７９】
前述の実施の形態と同様に、いくつかのセグメント２１０２、例えば３個のセグメント２１０２を互いに結合して内視鏡などの装置を形成することができ、セグメント２１０２は、例えばラテックスなど任意の適切な材料でできている保護鞘２１１２で囲まれる。セグメント２１０２を包むために用いることができる材料の更なる詳細を以下述べる。
セグメント製造
【０１８０】
流体作動装置で用いるセグメント２１０２（２１００）を製造する方法の一例を以下説明する。流体で作動されるセグメント２１０２を製造するために、内側及び外側補強手段２１０４、２１０８は、金型の内側に望ましい構成で配置される。次に、未硬化状態の液体ゴム状化合物を金型に充填する。
【０１８１】
一旦硬化すると、この化合物はソフトコア２１０２を形成する。次に、同様の（理想的には、より硬い）ゴム状化合物をコアの開口端に注ぎ作動室２１０６を塞ぎ、それらを封止するためにキャップ又はプラグを形成し、一方で各作動室が依然として液体が圧送される十分な空きスペースを囲むよう確保する。実際には、キャップに用いられる化合物が硬化ゴムコア２１０２に結合して、圧力下で強力な封止を作り出すことが重要であるが、同様に作動室の封止をもたらすような方法（例えば作動室の開口部にプラグを固定する接着剤を用いるなど）でも十分であろう。
【０１８２】
キャップが硬化したら、管をそのキャップから各作動室２１０６に挿入して作動できるようにする。これらの管は、キャップ材料に接着される、又は、管材料が対応できる場合には硬化中にキャップ材料と結合できる。
【０１８３】
実際には、ゴムコア２１０２の作成にシリコンゴムが用いられた。キャップにはもっと著しく硬いシリコンゴムが用いられる。管はＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）でできており、管の外面を化学的にエッチングした後、シアノアクリレート（強力接着剤）を用いて接着される。シリコンゴムコア２１０２の剛性、そして、補強手段に用いられるワイヤの直径及び材料を変えることによって、個々のセグメントの剛性を特定の設計の要件に従って調整できる。
【０１８４】
この製造技術により、大量のセグメント２１００を迅速且つ低コストで生産できる。これは、個々の要素部品（ゴムコア、ゴムキャップ、補強手段）が比較的低コストであり、コアが硬化すれば各金型を再利用できるからである。また、労働力の観点から、各金型は機械で用意できる可能性があることから、製造コストは更に削減できる。
【０１８５】
セグメントの大きさについては、現行の試作品の直径が約１６ｍｍである。しかし、これは、特別に製造した補強手段を用いて管路２１１０のサイズを小さくすることにより著しく縮小できる。
ポンプ設計
【０１８６】
各セグメント２１００の作動室２１０６を作動させるために用いるポンプを、図２３を参照して説明する。図２３は、上述のように、単一の作動室２１０６を作動させるために用いられる単一のシリンジポンプ２３００を示す。
【０１８７】
ポンプ２３００は、電動モータ２３０４の回転をシリンジ２３０６上のプランジャ（不図示）を押したり引いたりできるような直線運動に変換するために用いるリードスクリュー２３０２を含む。水などの非圧縮性流体を用いて各作動室２１０６を作動させることによって、各作動室２１０６内の液体の体積は、シリンジプランジャによって移動した距離から推定できる。ここで、線形ポテンショメータ２３０８が、シリンジプランジャを駆動する架台に取り付けられ、したがって作動室２１０６に送り込まれる体積の推定が可能になる。
【０１８８】
体積フィードバックに加えて、圧力センサ（不図示）を、各ポンプを各作動室に接続する管へ取り付けることができ、各作動室２１０６内の圧力も測定できる。
【０１８９】
各作動室２１０６の内部圧力及び体積を知ることは、セグメント１０２、１０４、１０６にモータが付けられた上述の実施の形態における張力及び腱の長さに対して、それぞれ同様の働きを提供する。したがって、同様のアプローチを用いて、単一のセグメント２１００によって生成される接触力を推定できて、その後、上記のように装置が配置される周囲の壁の剛性を測定できる。
オンボード生検ツール
【０１９０】
図２１並びに図２２ａ及び図２２ｂに示す流体作動セグメント２１００の補強管路２１１０は、図２４ａ乃至図２４ｃを参照して説明するように、内視鏡検査に用いられる標準的な生検ツールを収容するように構成される。
【０１９１】
図２４ａ乃至図２４ｃは、例えば内視鏡目的で用いられる場合のリーディングセグメント２１００などの端部セグメント２１００の遠位端を示す。セグメント２１００の端部には、限定するものではないが、器具出口２４０２、第１の流体出口２４０４、撮像部出口２４０６、及び第２の流体出口２４０８を含む多数の出口を有するキャップ２４００が設けられている。器具出口２４０２は、生検ツール２４１０がセグメント２１００の遠位端から伸びることを可能にするように構成される。任意の適切な生検ツール２４１０をセグメント２１００に通してもよく、例えば、図２４ｂに示すように、生検ツール２４１０は、一対の顎部２４１４の形態の端部作動体を有してもよい。これらの顎部２４１４は、顎部２４１４が組織を切断及び凝固するよう構成されるように電極を含み得る。器具出口２４０２は、流体を出力し、流体を送り込み、吸引を生成するように構成することもできる。撮像部出口２４０６は、カメラ及び照明装置２４１２を保持するように構成され、第２の流体出口２４０８は、カメラ／照明装置２４１２のレンズを洗浄するための流体を出力するように構成される。
【０１９２】
図２４ｃから分かるように、生検ツール２４１０及びカメラ／照明装置２４１２に接続された各ケーブルは、内部補強手段２１０４によって形成された管路２１１０を通って延びている。管路２１１０の標準直径は約２．８ｍｍである。したがって、この管路以上の内径を有するばね又は弾性材料の巻きついた細い線などの内部補強手段２１０４がコア２１０２に埋め込まれており、上記のような生検ツール２４１０をその外側からセグメント２１００の遠位端へ通過させることができる。以下検討するように、一連の更なるセグメント２１００を介してもよい。
【０１９３】
図２５は、図２を参照に説明したロボット装置のモータが取付付けられた腱の実施の形態と同様の構成の３セグメントの装置が、管路２１１０を用いて、管、ケーブル、及び器具をさまざまなセグメントからどのようにして、取り付けられたテザー（tether）（活動領域）へ渡すかという方法の例を提供する。
【０１９４】
これらの管路２１１０は、管とワイヤとを、１つのセグメントから外側又は別のセグメントのいずれかに通すことを可能にする。例えば、図２の構成と同様の構成では３個のセグメントを使用し、７つの自由度を持つ。上記のように、器具チャンネル２４０２を通過する生検ツール２４１０と、外部ポンプを第１の流体出口２４０４に接続してウォータジェットを生成する管と、最後に遠位端に位置するカメラ／照明装置２４１２から装置の外側にあるコンピュータまで通す電気ケーブルとを提供することが必要な場合がある。そのため、７つの作動管と、１つのウォータジェットチューブと、１つのケーブルと、１つの器具チャンネルとがこれらの３個のセグメントを通ってテザーに到達する。次に、このテザーは、ポンプアクチュエータと画像可視化システムとを収容する作動兼処理ユニットに結合される。
皮膚摩擦機構
【０１９５】
上記の皮膚摩擦機構の実装について、詳細に以下説明する。装置を包むために用いられる材料は、セグメント１０２、１０４、１０６、２１００と、装置が配置される周囲の表面との間の摩擦相互作用を制御するように適応できる。材料の一例を図２６に示すが、これは、前述の材料の表面２６００の構成を示している。表面２６００は、後ろ向きの繊維状フック２６０２の列を含むフック状又は「繊毛」構成を有する。装置が結腸などの空洞に沿って矢印Ａの方向に前方へ移動すると、フック２６０２は反対方向に平らに横たわり、抵抗なしに装置が空洞を通って移動できる。装置が空洞に沿って矢印Ｂの方向へ滑って戻る場合、フック２６０２は反対方向に移動するので、フック２６０２は起立し、空洞の壁をつかみ、それによって装置が後方に滑らないようにする。しかしながら、装置が反対方向に作動するとき、すなわち空洞を出るときに作動する力はフック２６０２によって提供される抵抗を克服するのに十分であることが理解されるであろう。
【０１９６】
或いは、装置を包むために用いる材料は、フック配置と同様に機能するように構成される複数の小さな円盤状又は板状の構造又は「薄片（scales）」を含む「魚鱗（fishscale）」配置を含んでもよい。これにより、装置が前方へ移動するとスケールが平らになり、装置が後方へ滑ると外側に拡がる。
【０１９７】
図２７ａ及び図２７ｂ並びに図２８ａ及び図２８ｂは、装置が曲がる際の上記材料の効果を示している。図２７ａは、複数の単一方向薄片又は繊維２７０２を有する表面２７００を示しており、表面２７００は真っ直ぐな姿勢にある。ここで、繊維２７０２は、表面２７００に対して実質的に平らに横たわっている。図２７ｂは、表面が覆っているセグメントが曲がっている際の表面２７００を示す。ここで、繊維２７０２は、表面２７００に実質的に垂直に起立するように展開されており、それにより、特定の方向への装置の移動運動を促進する。
【０１９８】
図２８ａは、複数の多方向スケール又は繊維２８０２を有する表面２８００を示し、表面２８００は真っ直ぐな姿勢にある。ここで、繊維２８０２は、表面２８００に対して実質的に平らに横たわっている。図２８ｂは、表面が覆っているセグメントが曲がっている際の表面２８００を示す。ここで、繊維２８０２は、表面２８００に実質的に垂直に起立するように展開されており、それにより効果的な固定のために両方向への滑りを防止する。
【０１９９】
上記の構成を有する素材で装置を囲むことにより、装置が最大約１８０°の角度まで曲がって移動する能力が改善する。そのため、移動の動き、周囲の壁の間のセグメントの固定、及び装置の外面による引っ掛かり又は固定作動の複合効果によって、装置は角や曲がり部で自らを引っ掛けたり、引いたりすることが容易になる。
【０２００】
上記の表面は、例えばウレタンゴムＰＭＣ−７８０などの任意の適切な材料で作られていてもよい。
【０２０１】
さらなる実施の形態を提供するために、上記の実施の形態のすべてに対して、追加、削除、及び／又は置換による様々な改変を行うことができ、そのいずれか及び／又はすべてが添付の特許請求の範囲に含まれるように意図されている。
【０２０２】
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３３．Ｊ．Ｓ．Ｐｒｚｅｍｉｅｎｉｅｃｋｉ，マトリックス構造解析の理論  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，１９６８年
３４．Ｐ．Ｐｏｌｙｇｅｒｉｎｏｓ，Ｎ．Ｃｏｒｒｅｌｌ，Ｓ．Ａ．Ｍｏｒｉｎ，  Ｂ．Ｍｏｓａｄｅｇｈ，Ｃ．Ｄ．Ｏｎａｌ，Ｋ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ，Ｍ．Ｃｉａｎｃｈｅｔｔｉ，Ｍ．Ｔ．Ｔｏｌｌｅｙ，  ａｎｄ  Ｒ．Ｆ．Ｓｈｅｐｈｅｒｄ，「ソフトロボット工学：流体駆動型の本質的に軟らかい装置のレビュー；人間とロボットの相互作用における製造、検出、制御、及び応用」  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｖｏｌ．１９，ｎｏ．１２，２０１７年
【符号の説明】
【０２０３】
１００  本体
１０２  第１の端部セグメント
１０４  中央セグメント
１０６  第２の端部セグメント
１０８  カメラ
１１０  ハウジング
１１６  外側スリーブ１１６、ソフトメッシュ
４０２  腱
４０４  モータ
２１０４  内部補強手段
２１０６  作動室、空洞
２１０８  外部補強手段
２１１０  管路
２３００  ポンプ
２３０６  シリンジ
２４００  キャップ
２４１０  生検ツール
２４１２  照明装置
２６００  表面
２６０２  フック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９ａ】
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【図１９ｂ】
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【図１９ｃ】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２０ｃ】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２３】
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【図２４ａ】
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【図２４ｂ】
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【図２４ｃ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７ａ】
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【図２７ｂ】
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【図２８ａ】
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【図２８ｂ】
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【国際調査報告】
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