報告日
報告者

2011 年（平成23 年） 11 月 18 日

東京工業大学 大学院理工学研究科 准教授
塚越秀行

１． 研究概要（和文）(1)課題名（日本語）複雑狭隘経路でも無摺動で移動できる流体駆動ホースの開発(2)研究者氏名

塚越秀行(3)研究概要（日本文）本研究では、先端から外皮を繰り出しながら推進することにより、外部環境と無摺動で移動できるアクチュエータの駆動原理を構築した。目標方向に能動的に湾曲しながら推進する機能・探査機を搬送する機能も兼備している。さらに、当該原理に基づいて試作したアクチュエータを利用して、配管の亀裂検査や災害現場の情報収集作業のための狭隘湾曲地形を移動する探査ロボットを開発し、提案手法の有用性と発展性を示すことができた。
(4)キーワード

アクチュエータ、空気圧、移動探査ロボット（英文）(1) Research title Development of Fluid Powered Hose Moving Without Rubbing
Even in Complex Narrow Spaces(2) Name of researcher with title of position
Associate Professor, Hideyuki Tsukagoshi(3) Summary
In this research, a driving principle of drawing out the outer skin from the tip wasconstructed, aimed to realize the mechanism which can propel without rubbing
against the outer environment with steering the directions and carrying the cameraand sensing devices. Furthermore, by taking advantage of the proposed principle, theinline pipe robot to search for the crack in pipes was developed, which could
demonstrate the usefulness and the validity of “Plant Growing Actuator.”(4) Key Words

Actuator, Pneumatics, Mobile Robot for Search Operation

２．本研究の意義・特色

１）最大の特徴は、断面の潰れた偏平チューブの折り曲げ点において、流体経路を遮断できる特徴を生かした、全く新しい流体駆動方法を用いている点にある。
２）そのため、折り曲げた偏平チューブ複数本を円筒形に対向させて配置し、外周部に位置する偏平チューブ末端から空圧で加圧すると、折り曲げ点が前方に押されて、下流側チューブが手繰り出される。この動作により、外周と全く摺動せずに移動する新しい推進方式が生まれる。
３）偏平チューブの内圧を調整することにより、方向操舵が容易に可能となる。
また、湾曲した形状を保持するには、偏平チューブを柔軟ボディで包んで無加圧状態では双方がスライド可能な状態にし、加圧されて偏平チューブが膨らむと柔軟ボディとグリップする構造により、実現可能となる。
３．実施した研究の具体的内容、結果 (本文)

3.1 背景工場内の配管検査や災害現場での人命探査・延命用水の供給（Fig.1）など、人間の潜入しにくい狭隘複雑な経路を移動し探査・作業が行えるロボットが求められている。従来までの棒カメラやファイバースコープでは、移動経路が長くなるにつれて、凹凸瓦礫面との摺動摩擦が増加し、推進が困難な状況に陥っていた。ホース表面に進行波を送り推進する方式も提案されているが、接触する摩擦条件に大きく左右される問題を有していた。
Fig.1 移動式ホースによる災害現場での延命救助
3.2 推進原理
熱処理で断面を偏平化したウレタン製チューブ(以下、偏平チューブ(Fig.2)) に着目する。この偏平チューブを折り曲げて一方より流体で加圧すると，座屈点で流路を遮断しつつ、座屈点が上流側から下流側に移動する現象がみられる(Fig.3)．

Fig.2 偏平チューブの座屈

Fig.4
Fig.3 下流側を繰り出しながら座屈点が推進対向配置した偏平チューブによる繰り出し推進次に、偏平チューブ 2 本を Fig.4 のように対向配置させたうえで、外側のチューブの一端から流体圧で加圧すると，内側のチューブが繰り出されながら推進することが可能となる．このように構成された流体駆動ホースは、外部環境とホースの外壁とは全く摺動しないため，複雑な瓦礫環境の中でも深淵部まで進入する可能性を有している．
3.3 方向操舵手法
偏平チューブを外皮で覆い、外皮の外側から一定間隔毎にホルダーを装備する構成を導入した。このような構成により、座屈点を境に無加圧側では偏平チューブが外皮に対して相対的に可動できる状態を保ち、加圧側ではホルダーが偏平チューブに食い込むため、偏平チューブは外皮に対して動けない状態が生成される。
上記構成において、双方のチューブの内圧を Ps に保つと直進動作が生成される。チューブ A の内圧を Ph, チューブ B の内圧を Pl に設定すると、チューブ A が湾曲外側になるように湾曲動作が生成される。ただし、圧力の大小関係は Ph>Ps>Pl とする。双方のチューブともに、外皮に対してホルダーを介して固定されているため、ホルダーが緩む圧力 Ps 以下に達しない限り、チューブの形状は保たれる。よって、上記の湾曲動作後に、チューブ A,B の双方の内圧を Ps にすると、湾曲形状を保ちながら直進動作が生成されることが可能となる。
holderholderbody
fixed
inside body
holderoutsideFig.5 外皮とホルダーを導入した構成
rollerBA

B’A’flexible

flexible rail

rail

A-A’ section

B-B’ section
Fig.7 探査機を搬送する構造

airFig.6 湾曲動作の基本原理

3.4 探査機を搬送する構造
繰り出し駆動において、探査機を搭載したヘッドユニットの搬送方法は最も困難な課題である。本研究では、Fig.7 に示す柔軟レールを外皮の側面に配置し、ヘッドユニットに装備した受動回転する 2 つのローラーで当該レールを挟みながら推進する構造を導入した。これにより、チューブの繰り出す力を利用してヘッドユニットの搬送が可能となる。
3.5 試作した流体駆動ホースと実験試作した流体駆動ホースは、Table1 を満たす仕様であり、Table2 に示すようにマイク付きカメラを搭載したヘッドユニットを搬送することができる。試作機は直進状態で500mm/s, 湾曲状態で 20mm/s の速度で繰り出し推進できることを確認した。Fig.8 に示す湾曲パイプ内では 50mm/s の速度で形状を保ちながら、スムーズに繰り出し推進できることを確認した。さらに、Fig.9 に示すような湾曲環境でも、形状を保持しながら推cameraunit

Fig.8 内径 70mm の湾曲パイプ内の移動 Fig.9 ヘッドユニットを搬送しながらの湾曲
Table.1 Specification of Drawn-out hose robot
Size of Robot

Length:3.0m Diameter:50mm

TubeFlat Tube made of Urethane(width :20mm)×2(inside : 10 outside : 12)
Max Air Pressure

0.5MPaHolder Span

25mm-35mm

Hose Body

Spark Satin(Polyester :62%,Nylon :38%)

Tube Span

45mmRailφ2.0

Table.2 Specification of Camera Module進できるため、外部環境に変化を与えることなくヘッドユニットを搬送できることが確かめられた。
さらに、試作した流体駆動ホースの推力 F は圧力だけでなく、設計時の 2 つの偏平チューブ間の距離に応じても変化することが Fig.10, 11 より明らかとなった。チューブ間の距離が狭すぎると、上流側チューブと下流側チューブの速度の差により生じる摺動摩擦が推力の損失を増す傾向にある。一方、チューブ間の距離が広すぎると、座屈部で流体が漏れやすくなるため駆動力が減衰する。したがって、推力を最大化する最適なチューブの間隔が存在すると考えられる。

Fig.10 推力を計測したときの実験装置

Fig.11 推力の実験結果

４．本研究を実施したグループに属するおもな研究者の氏名・役職名

塚越秀行・准教授
北川能・教授５．研究実施時期

2008 年（平成 20 年）

3月

1 日から

2010 年（平成 22 年）2 月 28 日

６．本研究に関連して発表した主な論文等

1)Kenichi HOSAKA, Hideyuki TSUKAGOSHI, Ato KITAGAWA, "Mobile Robot by aDrawing-out Type Actuator for Smooth Locomotion inside Narrow and Curving Pipes," 8thJFPS International Symposium on Fluid Power OKINAWA 2011,2D3-2(2011)2)Hideyuki Tsukagoshi, Nobuyuki Arai, Ichiro Kiryu, and Ato Kitagawa, “Smooth Creeping
Actuator by Tip Growth Movement Aiming for Search and Rescue Operation,” 2011 IEEE
International Conference on Robotics and Automation,1720-1725(2011)3) 穂坂憲一,塚越秀行,北川能,”繰り出し式柔軟流体アクチュエータで構成された狭隘地形内の移動探査ロボット,” ロボティクス・メカトロニクス講演会2011, 1A2-J07(2011)
4) Hideyuki Tsukagoshi, Yotaro Mori, and Ato Kitagawa, “Flexible Fluid Sliding Actuator
Referring to Wave Shifting Motion Shown in Octopus Arms,”IEEE International Conference on

Applied Bionics and Biomechanics(ICABB) Bio Robotics I No.2 (2010)
5) Akihisa Mikawa，Hideyuki Tsukagoshi，Ato Kitagawa, “Tube Actuator with Drawing Out
Drive Aimed for the Inspection in the Narrow and Curved Path,” 2010 IEEE/ASME
International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, FrC3.2 (2010)
6) Yotaro Mori, Hideyuki Tsukagoshi, and Ato Kitagawa, “Flexible Sliding Actuator Using A
Flat Tube And Its Application To The Rescue Operation,”2010 IEEE International Conferenceon Robotics and Automation, ThA2.3 (2010)7) 穗坂憲一，塚越秀行，北川能,”” 狭隘湾曲管路内のスムーズな移動を目指した繰り出し推進移動体の研究, 平成22年秋季フルードパワーシステム講演会，34-36(2010)8) 穗坂憲一，塚越秀行，北川能, “柔軟チューブによる繰り出し推進移動体の研究,” 計
測自動制御学会2010産業応用部門大会第11回流体計測制御シンポジウム講演論文集，59-64(2010)9) 小林敬，塚越秀行，北川能, “トンネル構築式流体アクチュエータ,” ロボティクス・メカトロニクス講演会2010, 2A2-C28(2010)10) 三川晃尚，塚越秀行，北川能, “任意位置で湾曲可能な繰り出し式チューブアクチュエータの開発,” ロボティクス・メカトロニクス講演会2010, 2A2-C29(2010)11) 三川晃尚，塚越秀行，北川 能, “狭隘地形の探査を目指した繰り出し型チューブア
クチュエータの開発,” 平成21年秋季フルードパワーシステム講演会講演論文集，70-72(2009)
12) 大沼宏陽，塚越秀行，三川晃尚，北川 能, “トンネル構築式移動探査ロボット-第3報 ： 探査機能の搭載-,” 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'09，
1A2-G16 (2009)13) Ichiro KIRYU, Hideyuki TSUKAGOSHI, Ato KITAGAWA, “Grow-Hose-I: a Hose Type
Rescue Robot Passing Smoothly through Narrow Rubble Spaces,”Proceedings of the 7th JFPSInternational Symposium on Fluid Power, Vol.3, 821-824 (2008)
14) 本田駿輔，塚越秀行，北川能，大沼宏陽, “トンネル構築式移動探査ロボットにおける方向操舵手法の研究,” 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'08，
2P2-A09 (2008)15) 吉柳一郎，塚越秀行，北川能, “がれきと摩擦なく推進・方向操舵可能なレスキュ

ー探査ホース：Grow-hose-I,” 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会'08，
2P1-A02 (2008)16) 吉柳一郎，塚越秀行，北川 能, “Grow-hose-I: 植物根の成長プロセスを参考にした
人命探査ホース,” フルードパワーシステムワークショップ講演論文集，33-34 (2008)
７．内外における関連研究の状況
複雑な狭隘経路内の探査方式として、従来まで用いられてきた方式とその問題点を列挙する。

（押し込み式）・棒カメラ →奥に行くほど摺動摩擦が増す。直進移動しか生成できなかった。

・ファイバースコープ →目標通りの方向操舵が不可能。

（能動推進式）・応募者の開発したホース周部に車輪を配置した方式
・多毛構造の振動方式→車輪の存在しない箇所で摩擦が生じスタックしやすかった。

推進の可否が移動面の接触条件に左右されやすかった。

これらと比較すると本研究で提案した方式は、移動面の摩擦に左右されず、目標方向に能動的に湾曲できる点で、従来課題を解決できる可能性を有していると期待できる。

８．今後の発展に対する希望

実用化に向けて、以下の課題が挙げられる。まず、現場で想定される 5m 以上の長い距離の探査へも対応できるように、上流側・下流側チューブ間の摩擦を低減し、移動効率を向上しやすい構造の導入が不可欠と考えられる。さらに、3 次元湾曲動作の実現・ヘッドユニットが存在する位置情報の取得方法の構築なども行う予定である。