特開 2024-177710 剛性可変索状体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024177710

(43)【公開日】2024-12-24

(54)【発明の名称】剛性可変索状体

(51)【国際特許分類】

   F15B 15/10 20060101AFI20241217BHJP

【ＦＩ】

F15B15/10 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023095994

(22)【出願日】2023-06-12

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100143834

【弁理士】

【氏名又は名称】楠 修二

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 将広

(72)【発明者】

【氏名】恩田 一生

(72)【発明者】

【氏名】佐野 峻輔

(72)【発明者】

【氏名】多田隈 建二郎

(72)【発明者】

【氏名】田所 諭

【テーマコード（参考）】

3H081

【Ｆターム（参考）】

3H081AA18

3H081CC29

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高剛性状態のときの剛性をより高めることができ、長尺化および細径化が可能で、内部空間を確保することができる剛性可変索状体を提供する。
【解決手段】索状体本体１１が、細長い管状で可撓性を有し、内部に中空の圧力室２６を有している。２つ以上の軸方向紐体１２が、それぞれ索状体本体１１の外側面に沿って、索状体本体１１の伸張方向に伸びるよう配置されている。周方向紐体１３が、索状体本体１１の外側面に沿って、索状体本体１１の周方向に巻くよう配置され、各軸方向紐体１２と交差する位置で、各軸方向紐体１２に１周または複数周巻き付けられている。圧力室２６の圧力を上げたとき、索状体本体１１がその伸長方向に対して垂直方向に膨張して周方向紐体１３に押し付けられ、それにより周方向紐体１３が各軸方向紐体１２を締め付けて固定するよう構成されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

細長い管状で可撓性を有し、内部に伸張方向に沿って設けられた中空の圧力室を有し、前記圧力室の圧力を上げたとき、伸長方向に対して垂直方向に膨張可能に設けられた索状体本体と、
２つ以上から成り、それぞれ前記索状体本体の外側面に沿って、前記索状体本体の伸張方向に伸びるよう配置された軸方向紐体と、
前記索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて、前記索状体本体の外側面に沿って、前記索状体本体の周方向に巻くよう配置され、各軸方向紐体と交差する位置で、各軸方向紐体に１周または複数周巻き付けられた周方向紐体とを有し、
各軸方向紐体は、それぞれ一端が前記索状体本体の一方の端部または他方の端部に固定され、前記索状体本体が撓んだとき、その前記索状体本体の形状に沿うよう、他端が前記索状体本体の伸張方向に沿って相対的にスライド可能に設けられ、
前記圧力室の圧力を上げたとき、前記索状体本体がその伸長方向に対して垂直方向に膨張して前記周方向紐体に押し付けられ、それにより前記周方向紐体が各軸方向紐体と交差する位置で、各軸方向紐体を締め付けて固定するよう構成されていることを
特徴とする剛性可変索状体。

【請求項2】

前記軸方向紐体は、３つ以上から成り、隣り合う軸方向紐体との間隔が、前記索状体本体の中心軸周りに１８０度より小さい間隔で配置されていることを特徴とする請求項１記載の剛性可変索状体。

【請求項3】

各軸方向紐体は、２つを１組として２組以上から成り、各組は、２つの軸方向紐体が並んで配置され、一方の軸方向紐体の一端が前記索状体本体の一方の端部に固定され、他方の軸方向紐体の一端が前記索状体本体の他方の端部に固定され、
前記周方向紐体は、各軸方向紐体の各組と交差する位置で、各組の２つの軸方向紐体を束ねるよう、その２つの軸方向紐体に１周または複数周巻き付けられていることを
特徴とする請求項１記載の剛性可変索状体。

【請求項4】

各軸方向紐体は、３組以上から成り、その各組は、隣り合う組との間隔が、前記索状体本体の中心軸周りに１８０度より小さい間隔で配置されていることを特徴とする請求項３記載の剛性可変索状体。

【請求項5】

前記索状体本体の一方の端部に設けられた複数の滑車を有し、
各軸方向紐体は、４組以上の偶数の組から成り、各組が前記索状体本体の中心軸周りに等角度間隔で配置され、
各滑車は、前記索状体本体の中心軸を挟んで反対側に配置された２つの各軸方向紐体の組の組合せに対応して設けられ、
各組合せの２つの組にそれぞれ含まれる２つの軸方向紐体のうち、前記索状体本体の他方の端部に固定された軸方向紐体が、一方の端部で互いに接続されて１本の紐から成っており、その紐が対応する滑車に巻き掛けられてスライド可能に構成されていることを
特徴とする請求項３または４記載の剛性可変索状体。

【請求項6】

前記周方向紐体は、前記索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて、前記索状体本体の外側面に螺旋状に複数回巻き付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の剛性可変索状体。

【請求項7】

前記周方向紐体は３つ以上から成り、前記索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて間隔をあけて配置され、それぞれ前記索状体本体の外側面に円環状に１周巻き付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の剛性可変索状体。

【請求項8】

前記周方向紐体は、各軸方向紐体と交差する位置で、前記索状体本体に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体が内側になるよう、各軸方向紐体に巻き付けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の剛性可変索状体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、剛性可変索状体に関する。

【背景技術】

【0002】

索状体は、狭隘環境や障害物の多い環境など、アクセスが困難な生体や自然環境、人工環境での作業に適した構造を有しているため、例えば、管腔の処置治療を行う内視鏡や、配管の点検を行う工業用のビデオスコープなど、様々な工業的用途で使用されている。

【0003】

索状体は、可動範囲を拡大したり、環境への追従性を高めたり、接触時の損傷を防止したりするために、柔軟性を高めることが有効である。一方で、柔軟性を高めることにより、外力に抗する力が低下するため、先端への力の伝達性や位置精度が低下したり、自重によるたわみ量が増加したりするという問題もある。そこで、索状体の剛性を可変にすることにより、状況に応じて、柔軟な低剛性の状態および高剛性の状態の性質を生かすことができるため、これまで適用できなかった用途にも利用可能になることが期待される。

【0004】

従来、外力を与えたときに変形しやすい柔軟な状態と、接触時に外部に力を伝えることが可能な高剛性の状態とを切り替える機構を利用した索状体として、例えば、数珠を通るワイヤに張力を加えることにより接触力を高め、摩擦により剛性を高めるもの（例えば、特許文献１、非特許文献１または２参照）や、粉体の入った袋内を吸引して負圧を与えることにより、粉体同士の接触圧を高めてジャミング転移現象を起こし、その摩擦力により剛性を高めるもの（例えば、非特許文献３または４参照）がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９－２０２３７６号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Amir Degani and Howie Choset, “Highly Articulated Robotic Probe for Minimally Invasive Surgery”, IEEE International Conference on Robotics and Automation Orlando, May 2006, p.4167-4172

【非特許文献2】藤本敏彰、清水杜織、藤田政宏、高根英里、林聡輔、渡辺将広、多田隈建二郎、昆陽雅司、田所諭、「１次元柔剛切替メカニズムを活用したトーラスグリッパ機構－線状ジャミング転移機構を基軸とした構造例」、第36回日本ロボット学会学術講演会、2018年、RSJ2018A C3K1-01

【非特許文献3】Yong-Jae Kim and Shanbao Cheng, “A Novel Layer Jamming Mechanism With Tunable Stiffness Capability for Minimally Invasive Surgery”, IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS, August 2013, Vol. 29, No. 4, p.1031-1042

【非特許文献4】藤田政宏、藤本敏彰、清水杜織、高根英里、小松洋音、多田隈建二郎、昆陽雅司、田所諭、「房状ジャミング膜グリッパ機構」、ロボティクス・メカトロニクス講演会2018、June 2018、2P1-J06

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１、非特許文献１および２に記載のような、数珠にワイヤを通した索状体は、数珠を硬い材料で構成することにより、高強度化・高耐久化が可能であるが、長尺化すると、数珠とワイヤとの接触面積が増えるため、摩擦による力の損失が大きくなり、高剛性状態にするのが困難になるという課題があった。また、数珠を使用するため、内部空間を確保するのが困難であるという課題もあった。

【0008】

非特許文献３または４に記載のような、粉体を利用した索状体は、大変形が可能であり、対象物の形状にも良くなじむが、負圧を利用するものであり、圧力を０．１ＭＰａ程度まで低下させるのが限界であるため、高剛性化に限界があるという課題があった。また、高剛性状態での保持力を高めるためには、袋体を太くする必要があるため、細径化が困難であるという課題があった。

【0009】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、高剛性状態のときの剛性をより高めることができ、長尺化および細径化が可能で、内部空間を確保することができる剛性可変索状体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】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明に係る剛性可変索状体は、細長い管状で可撓性を有し、内部に伸張方向に沿って設けられた中空の圧力室を有し、前記圧力室の圧力を上げたとき、伸長方向に対して垂直方向に膨張可能に設けられた索状体本体と、２つ以上から成り、それぞれ前記索状体本体の外側面に沿って、前記索状体本体の伸張方向に伸びるよう配置された軸方向紐体と、前記索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて、前記索状体本体の外側面に沿って、前記索状体本体の周方向に巻くよう配置され、各軸方向紐体と交差する位置で、各軸方向紐体に１周または複数周巻き付けられた周方向紐体とを有し、各軸方向紐体は、それぞれ一端が前記索状体本体の一方の端部または他方の端部に固定され、前記索状体本体が撓んだとき、その前記索状体本体の形状に沿うよう、他端が前記索状体本体の伸張方向に沿って相対的にスライド可能に設けられ、前記圧力室の圧力を上げたとき、前記索状体本体がその伸長方向に対して垂直方向に膨張して前記周方向紐体に押し付けられ、それにより前記周方向紐体が各軸方向紐体と交差する位置で、各軸方向紐体を締め付けて固定するよう構成されていることを特徴とする。

【0011】

本発明に係る剛性可変索状体は、可撓性の索状体本体が撓んだとき、索状体本体の外側面に沿って、索状体本体の伸張方向に伸びるよう配置されて、周方向紐体が巻き付けられた各軸方向紐体が、索状体本体の伸張方向に沿って相対的にスライドし、索状体本体の形状に沿うようになっている。索状体本体が撓んだ状態または真っ直ぐな状態で、索状体本体の中空の圧力室の圧力を上げると、索状体本体がその伸長方向に対して垂直方向に膨張するため、索状体本体の外側面に沿って、索状体本体の周方向に巻くよう配置された周方向紐体に押し付けられ、周方向紐体に張力が発生する。このとき、周方向紐体が各軸方向紐体と交差する位置で各軸方向紐体に巻き付けられているため、周方向紐体の張力により各軸方向紐体が締め付けられる。これにより、周方向紐体と各軸方向紐体との間に接触圧が発生し摩擦が大きくなるため、周方向紐体に対して各軸方向紐体が固定される。これにより、索状体本体に対する各軸方向紐体のスライド運動が拘束されるため、索状体本体の形状を保持することができる。

【0012】

本発明に係る剛性可変索状体は、圧力室が索状体本体の内部に伸張方向に沿って設けられているため、圧力室の圧力を上げたとき、索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて、索状体本体を膨張させることができる。また、このとき、周方向紐体が索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて配置されているため、索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて各軸方向紐体の運動を拘束することができ、索状体本体全体の形状を保持することができる。

【0013】

本発明に係る剛性可変索状体で、周方向紐体は各軸方向紐体に対して何周巻き付けられていてもよい。各軸方向紐体に対する周方向紐体の巻き数が多いほど、圧力室の圧力を上げたときの、周方向紐体と各軸方向紐体との間の摩擦を大きくすることができ、索状体本体の形状を保持する力を大きくすることができる。

【0014】

本発明に係る剛性可変索状体は、圧力室に加える圧力を大きくすることにより、索状体本体全体の形状を保持した高剛性状態のときの剛性を高めることができるが、それ以外にも、各軸方向紐体に対する周方向紐体の巻き数を多くしたり、周方向紐体と各軸方向紐体とが交差する位置の数を増やしたりすることにより、高剛性状態のときの剛性をより高めることができる。また、索状体本体や周方向紐体、各軸方向紐体の構成を維持したまま、高剛性状態のときの剛性を低下させることなく、長尺化や細径化を図ることができる。また、索状体本体の内部の空間を、例えば、中心部の内部空間とその外周部の圧力室とに区分することにより、内部空間を確保することができる。

【0015】

本発明に係る剛性可変索状体は、軸方向紐体が２つのとき、所定の平面に沿った索状体本体の撓みに対して、高剛性状態にして索状体本体の形状を保持することができる。また、各軸方向紐体は、３つ以上から成るとき、隣り合う軸方向紐体との間隔が、前記索状体本体の中心軸周りに１８０度より小さい間隔で配置されていることが好ましく、この配置により、索状体本体の撓み方向によらず、高剛性状態のときの索状体本体の形状を保持することができる。

【0016】

本発明に係る剛性可変索状体で、各軸方向紐体は、２つを１組として２組以上から成り、各組は、２つの軸方向紐体が並んで配置され、一方の軸方向紐体の一端が前記索状体本体の一方の端部に固定され、他方の軸方向紐体の一端が前記索状体本体の他方の端部に固定され、前記周方向紐体は、各軸方向紐体の各組と交差する位置で、各組の２つの軸方向紐体を束ねるよう、その２つの軸方向紐体に１周または複数周巻き付けられていることが好ましい。この場合、索状体本体の伸張方向に沿った、周方向紐体が各軸方向紐体と交差する位置によらず、圧力室の圧力を上げたときの、周方向紐体と各軸方向紐体との間の摩擦をほぼ等しくすることができる。このため、索状体本体をほぼ均一に高剛性状態に保持することができる。

【0017】

また、この各組の２つの軸方向紐体が並んで配置されている場合、各軸方向紐体が２組のとき、所定の平面に沿った索状体本体の撓みに対して、高剛性状態にして索状体本体の形状を保持することができる。また、各軸方向紐体が、３組以上から成るとき、その各組は、隣り合う組との間隔が、前記索状体本体の中心軸周りに１８０度より小さい間隔で配置されていることが好ましく、この配置により、索状体本体の撓み方向によらず、高剛性状態のときの索状体本体の形状を保持することができる。

【0018】

また、この各組の２つの軸方向紐体が並んで配置されている場合、前記索状体本体の一方の端部に設けられた複数の滑車を有し、各軸方向紐体は、４組以上の偶数の組から成り、各組が前記索状体本体の中心軸周りに等角度間隔で配置され、各滑車は、前記索状体本体の中心軸を挟んで反対側に配置された２つの各軸方向紐体の組の組合せに対応して設けられ、各組合せの２つの組にそれぞれ含まれる２つの軸方向紐体のうち、前記索状体本体の他方の端部に固定された軸方向紐体が、一方の端部で互いに接続されて１本の紐から成っており、その紐が対応する滑車に巻き掛けられてスライド可能に構成されていてもよい。この場合、滑車に巻き掛けられた紐が、その滑車を挟んで索状体本体の反対の外側面に沿って配置されているため、索状体本体の撓みに合わせて、滑車を挟んだ一方が圧縮方向に他方が伸展方向に、滑車を介してスライドすることができる。また、滑車に巻き掛けられた紐の長さにより、索状体本体の伸張方向への伸びを抑えることができる。

【0019】

本発明に係る剛性可変索状体で、前記周方向紐体は、前記索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて、前記索状体本体の外側面に螺旋状に複数回巻き付けられていてもよい。あるいは、前記周方向紐体は３つ以上から成り、前記索状体本体の一方の端部から他方の端部にかけて間隔をあけて配置され、それぞれ前記索状体本体の外側面に円環状に１周巻き付けられていてもよい。これらのどちらの場合であっても、圧力室の圧力を上げることにより、索状体本体全体の形状を保持することができる。

【0020】

本発明に係る剛性可変索状体で、前記周方向紐体は、各軸方向紐体と交差する位置で、前記索状体本体に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体が内側になるよう、各軸方向紐体に巻き付けられていることが好ましい。この場合、圧力室の圧力を上げたとき、周方向紐体の張力により、各軸方向紐体を締め付けるだけでなく、各軸方向紐体を索状体本体の外側面に押し付けることもできる。これにより、索状体本体の形状を保持する力を大きくすることができると共に、周方向紐体と各軸方向紐体とが交差する位置がずれないよう、安定させることもできる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、高剛性状態のときの剛性をより高めることができ、長尺化および細径化が可能で、内部空間を確保することができる剛性可変索状体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施の形態の剛性可変索状体を示す斜視図である。

【図2】本発明の実施の形態の剛性可変索状体を示す（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）Ａ－Ａ線断面図、（ｄ）Ｂ－Ｂ線断面図である。

【図3】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、（ａ）１つの周方向紐体が索状体本体の外側面に螺旋状に巻き付けられ、周方向紐体が軸方向紐体の各組に１周巻き付けられた状態を示す斜視図、（ｂ）１つの周方向紐体が索状体本体の外側面に螺旋状に巻き付けられ、周方向紐体が軸方向紐体の各組に２周巻き付けられた状態を示す斜視図、（ｃ）複数の周方向紐体が索状体本体の外側面に円環状に１周巻き付けられ、軸方向紐体の各組に１周巻き付けられた状態を示す斜視図である。

【図4】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、（ａ）周方向紐体が索状体本体に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体が内側になるよう、各軸方向紐体に巻き付けられた状態で、圧力室の圧力を上げていないときの状態を示す断面図、（ｂ）周方向紐体が索状体本体に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体が内側になるよう、各軸方向紐体に巻き付けられた状態で、圧力室の圧力を上げたときの状態を示す断面図、（ｃ）周方向紐体が索状体本体に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体が外側になるよう、各軸方向紐体に巻き付けられた状態で、圧力室の圧力を上げていないときの状態を示す断面図である。

【図5】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、圧力室の圧力を上げていないときの、（ａ）真っ直ぐな状態、（ｂ）撓んだ状態を示す縦断面図である。

【図6】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、Ｓ字形状の形状に撓んだ状態を示す側面図である。

【図7】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、軸方向紐体が１２組から成る変形例を示す斜視図である。

【図8】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、（ａ）索状体本体の中心軸を挟んで反対側に配置された組の２本の軸方向紐体をそれぞれ接続した変形例を示す斜視図、（ｂ）その接続された軸方向紐体をそれぞれ滑車に巻き付けた変形例を示す斜視図である。

【図9】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、膨張チューブの内側を全て圧力室とし、膨張チューブの内側にコイルスプリングが配置された変形例を示す縦断面図である。

【図10】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、外側チューブと共に、各軸方向紐体および周方向紐体を覆う編組チューブを有する変形例を示す斜視図である。

【図11】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、図１０に示す編組チューブの代わりに、保護用の布を被せ、周方向紐体をその布に縫い付けた変形例を示す斜視図である。

【図12】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、索状体本体を所望の方向に能動的に曲げるための変形例を示す側面図である。

【図13】本発明の実施の形態の剛性可変索状体の、複数を直列に連結した変形例を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面等に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図１３は、本発明の実施の形態の剛性可変索状体を示している。
図１および図２に示すように、剛性可変索状体１０は、索状体本体１１と軸方向紐体１２と周方向紐体１３とを有している。

【0024】

索状体本体１１は、膨張チューブ２１と内側チューブ２２と外側チューブ２３と１対のキャップ２４と接続部２５とを有している。膨張チューブ２１は、細長いシリコンゴム製のチューブから成り、可撓性を有している。内側チューブ２２は、細長い樹脂製のコルゲートチューブから成り、可撓性を有している。内側チューブ２２は、膨張チューブ２１の内径よりも外径が小さく、膨張チューブ２１よりやや短い長さを有している。内側チューブ２２は、膨張チューブ２１の内側面との間に間隔をあけて、膨張チューブ２１の内側に配置されている。索状体本体１１は、内側チューブ２２と膨張チューブ２１との間の中空の空間が、圧力室２６を成している。

【0025】

外側チューブ２３は、膨張チューブ２１の外径よりも内径がやや大きい細長い樹脂製のコルゲートチューブを、その中心軸方向に沿って、その中心軸周りにほぼ均等に４分割して形成されている。外側チューブ２３は、４分割された各部分が、可撓性を有し、膨張チューブ２１と同じ長さを有している。外側チューブ２３は、４分割された各部分が、膨張チューブ２１の外側面に沿って、周方向に互いに隙間をあけて配置されている。

【0026】

１対のキャップ２４は、内側チューブ２２から外側チューブ２３までの両端をそれぞれ覆うよう設けられ、内側チューブ２２の内部に連通する連通口２４ａを有している。各キャップ２４は、接着剤などを用いて、内側チューブ２２と膨張チューブ２１との間の開口を気密的に塞ぎ、圧力室２６を密閉するよう取り付けられている。また、各キャップ２４のうちの少なくとも一方のキャップ２４は、圧力室２６に連通する供給口２４ｂを有している。

【0027】

接続部２５は、一方のキャップ２４の供給口２４ｂに取り付けられ、供給口２４ｂに連通する接続口２５ａを有している。接続部２５は、図１２に示すように、ポンプ（図示せず）のホース５１を接続可能に設けられている。接続部２５は、そのポンプのホース５１を接続したとき、接続口２５ａから供給口２４ｂを介して、圧力室２６の内部に対して流体を供給可能かつ排出可能に構成されている。なお、圧力室２６の内部に供給する流体は、気体であっても液体であってもよい。

【0028】

索状体本体１１は、圧力室２６の内部に流体を供給して圧力室２６の圧力を上げることにより、伸長方向に対して垂直方向に膨張可能になっている。また、索状体本体１１は、膨張した状態のとき、圧力室２６の内部の流体を排出して圧力室２６の圧力を下げることにより、膨張した状態から元の状態に収縮するようになっている。また、索状体本体１１は、膨張していないとき、伸長方向に対して垂直方向に撓んで湾曲するよう構成されている。

【0029】

軸方向紐体１２は、８本のステンレス製のワイヤから成り、２本を１組として４組から成っている。各軸方向紐体１２は、それぞれ索状体本体１１の外側チューブ２３の外側面に沿って、索状体本体１１の伸張方向に伸びるよう配置され、各組の２本の軸方向紐体１２が並んで配置されている。各軸方向紐体１２は、各組がそれぞれ、外側チューブ２３の４分割された各部分の隙間に配置され、隣り合う組との間隔が、索状体本体１１の中心軸周りに約９０度で配置されている。軸方向紐体１２の各組の一方の軸方向紐体１２は、その一端が一方のキャップ２４に固定され、他端が他方のキャップ２４を貫通するよう設けられている。また、軸方向紐体１２の各組の他方の軸方向紐体１２は、その一端が他方のキャップ２４に固定され、他端が一方のキャップ２４を貫通するよう設けられている。

【0030】

周方向紐体１３は、編組のパラ系アラミド繊維から成り、索状体本体１１の一方の端部から他方の端部にかけて、外側チューブ２３の外側面に沿って、索状体本体１１の周方向に巻くよう配置されている。周方向紐体１３は、外側チューブ２３の溝に配置され、その溝に沿って、外側チューブ２３の外側面に螺旋状に複数回巻き付けられている。図３（ａ）に示すように、周方向紐体１３は、軸方向紐体１２の各組と交差する位置で、各組の２つの軸方向紐体１２を束ねるよう、その２つの軸方向紐体１２に１周巻き付けられている。また、図４（ａ）および（ｂ）に示すように、周方向紐体１３は、軸方向紐体１２の各組と交差する位置で、索状体本体１１に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体１２が内側になるよう、各軸方向紐体１２に巻き付けられている。

【0031】

図４（ａ）および図５に示すように、剛性可変索状体１０は、圧力室２６の圧力を上げていない状態のとき、自由に撓み、そのときの索状体本体１１の形状に沿うよう、各組の２本の軸方向紐体１２の他端がそれぞれ索状体本体１１の伸張方向に沿って相対的にスライド可能に構成されている。例えば、索状体本体１１の曲げの内側の各軸方向紐体１２は、圧縮方向にスライドし、曲げの外側の各軸方向紐体１２は、伸張方向にスライドするようになっている。なお、索状体本体１１の曲げは、一様な曲率に限らず、局所的に湾曲した形状や、図６に示すようなＳ字形状、三次元的な曲線の形状も可能である。

【0032】

図４（ｂ）に示すように、剛性可変索状体１０は、圧力室２６の圧力を上げたとき、索状体本体１１がその伸長方向に対して垂直方向に膨張し、外側チューブ２３を介して周方向紐体１３に押し付けられ、周方向紐体１３に張力が発生する。これにより、周方向紐体１３が各軸方向紐体１２と交差する位置で、各軸方向紐体１２を締め付けて固定するよう構成されている。これにより、各軸方向紐体１２のスライド運動が拘束されて、索状体本体１１の形状を保持可能になっている。

【0033】

なお、軸方向紐体１２は、高い強度および座屈しない程度の剛性を有し、周方向紐体１３に対して適度に滑りやすいものが好ましい。軸方向紐体１２は、例えば、金属製のワイヤや、高弾性な樹脂製のモノフィラメントなどが好ましい。また、周方向紐体１３は、高い強度を有し、曲げられる曲率が大きく、締め付けた軸方向紐体１２を容易に開放できるよう、バネ性を有するものが好ましい。周方向紐体１３は、例えば、編組のパラ系アラミド繊維や超高分子量ポリエチレン繊維、ＰＢＯ繊維などが好ましい。

【0034】

次に、作用について説明する。
剛性可変索状体１０は、圧力室２６の圧力を上げていない状態のとき、索状体本体１１を自由に撓ませて湾曲させることができる。また、剛性可変索状体１０は、索状体本体１１が撓んだ状態または真っ直ぐな状態で、索状体本体１１の中空の圧力室２６の圧力を上げると、索状体本体１１がその伸長方向に対して垂直方向に膨張し、周方向紐体１３が各軸方向紐体１２を締め付ける。これにより、周方向紐体１３と各軸方向紐体１２との間に接触圧が発生し摩擦が大きくなるため、周方向紐体１３に対して各軸方向紐体１２が固定され、索状体本体１１の形状を保持することができる。また、この状態で圧力室２６の圧力を下げることにより、膨張した索状体本体１１が収縮するため、周方向紐体１３が各軸方向紐体１２を解放し、索状体本体１１を再び自由に撓む状態に戻すことができる。

【0035】

剛性可変索状体１０は、圧力室２６が索状体本体１１の内部に伸張方向に沿って設けられているため、圧力室２６の圧力を上げたとき、索状体本体１１の一方の端部から他方の端部にかけて、索状体本体１１を膨張させることができる。また、このとき、周方向紐体１３が索状体本体１１の一方の端部から他方の端部にかけて配置されているため、索状体本体１１の一方の端部から他方の端部にかけて各軸方向紐体１２の運動を拘束することができ、索状体本体１１全体の形状を保持することができる。

【0036】

また、剛性可変索状体１０は、軸方向紐体１２の各組が、索状体本体１１の中心軸周りに約９０度間隔で配置されているため、索状体本体１１の撓み方向によらず、高剛性状態のときの索状体本体１１の形状を保持することができる。

【0037】

剛性可変索状体１０は、軸方向紐体１２が２本を１組とし、各組の２本の軸方向紐体１２が、それぞれ反対側のキャップ２４に固定されているため、索状体本体１１の伸張方向での周方向紐体１３が各軸方向紐体１２と交差する位置によらず、圧力室２６の圧力を上げたときの、周方向紐体１３と各軸方向紐体１２との間の摩擦をほぼ等しくすることができる。このため、索状体本体１１をほぼ均一に高剛性状態に保持することができる。

【0038】

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、剛性可変索状体１０は、周方向紐体１３が、索状体本体１１に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体１２が内側になるよう、各軸方向紐体１２に巻き付けられているため、圧力室２６の圧力を上げたとき、周方向紐体１３の張力により、各軸方向紐体１２を締め付けるだけでなく、各軸方向紐体１２を索状体本体１１の外側面に押し付けることもできる。これにより、索状体本体１１の形状を保持する力を大きくすることができると共に、周方向紐体１３と各軸方向紐体１２とが交差する位置がずれないよう、安定させることもできる。

【0039】

剛性可変索状体１０は、内側チューブ２２および外側チューブ２３により、圧力室２６の圧力を上げたり下げたりしたときに、膨張チューブ２１が伸張方向に沿って伸縮するのを防止することができる。また、剛性可変索状体１０は、内側チューブ２２により、膨張チューブ２１が撓んだときに、座屈するのを防止することができる。

【0040】

図２に示すように、剛性可変索状体１０は、内側チューブ２２の内部に空間を確保することができる。このため、その内部空間を収納空間として利用したり、その内部空間と各キャップ２４の連通口２４ａとを利用して、図１２に示すように、カメラ等の各種装置やケーブル５２などを通したりすることができる。これにより、剛性可変索状体１０は、例えば、内視鏡やビデオスコープなどの狭隘部を探索する装置として使用することができる。

【0041】

剛性可変索状体１０は、圧力室２６に加える圧力を大きくすることにより、索状体本体１１全体の形状を保持した高剛性状態のときの剛性を高めることができるが、それ以外にも、各軸方向紐体１２に対する周方向紐体１３の巻き数を多くしたり、周方向紐体１３と各軸方向紐体１２とが交差する位置の数を増やしたりすることにより、高剛性状態のときの剛性をより高めることができる。その他にも、索状体本体１１の直径を大きくしたり、周方向紐体１３と各軸方向紐体１２との間の摩擦係数を高めたり、各組の軸方向紐体１２同士の摩擦係数を高めたり、軸方向紐体１２の本数を増やしたり、周方向紐体１３の曲げ剛性を小さくしたりすることにより、高剛性状態のときの剛性を高めることができる。これらのうちの１つまたは２つ以上を組み合わせて調整することにより、索状体本体１１や周方向紐体１３、各軸方向紐体１２の構成を維持したまま、高剛性状態のときの剛性を低下させることなく、長尺化や細径化を図ることができる。また、圧力室２６の圧力を上げない状態で索状体本体１１を撓ませるときの曲げ抵抗を小さくすることもできる。

【0042】

なお、剛性可変索状体１０で、各軸方向紐体１２は、周方向紐体１３よりも索状体本体１１の伸張方向との成す角が小さくなるよう、索状体本体１１に螺旋状に巻き付けられていてもよい。この場合、索状体本体１１をねじった状態で剛性を高め、その形状を保持することができる。

【0043】

また、剛性可変索状体１０は、軸方向紐体１２の組が２つから成っていてもよい。この場合、所定の平面に沿った索状体本体１１の撓みに対して、高剛性状態にして索状体本体１１の形状を保持することができる。また、図４に示すように、軸方向紐体１２の組が３つから成っていてもよく、図７に示すように、５つ以上から成っていてもよい。なお、図７に示す一例では、軸方向紐体１２が１２組から成っている。また、軸方向紐体１２の各組が、３本以上の軸方向紐体１２から成っていてもよい。軸方向紐体１２の組が３つ以上から成る場合、軸方向紐体１２の各組を、隣り合う組との間隔が、索状体本体１１の中心軸周りに１８０度より小さい間隔になるよう配置することにより、索状体本体１１の撓み方向によらず、高剛性状態のときの索状体本体１１の形状を保持することができる。

【0044】

また、剛性可変索状体１０は、軸方向紐体１２が組ではなく、１本ずつ独立して配置されており、各軸方向紐体１２の一端がいずれかのキャップ２４に固定されていてもよい。この場合でも、軸方向紐体１２が２つのときには、所定の平面に沿った索状体本体１１の撓みに対して、高剛性状態にして索状体本体１１の形状を保持することができる。また、軸方向紐体１２が３本以上のときには、各軸方向紐体１２を、索状体本体１１の中心軸周りに１８０度より小さい間隔で配置することにより、索状体本体１１の撓み方向によらず、高剛性状態のときの索状体本体１１の形状を保持することができる。

【0045】

また、剛性可変索状体１０で、周方向紐体１３は、図３（ｂ）に示すように、各軸方向紐体１２に対して２周巻き付けられていてもよく、３周以上巻き付けられていてもよい。各軸方向紐体１２に対する周方向紐体１３の巻き数が多いほど、圧力室２６の圧力を上げたときの、周方向紐体１３と各軸方向紐体１２との間の摩擦を大きくすることができ、索状体本体１１の形状を保持する力を大きくすることができる。ただし、周方向紐体１３の巻き数が多いほど、圧力室２６の圧力を上げない状態での、索状体本体１１を撓ませるときの曲げ抵抗が大きくなる可能性があるため、多くとも２周または３周程度が好ましいと考えられる。

【0046】

また、剛性可変索状体１０は、１本の周方向紐体１３が、索状体本体１１に螺旋状に巻き付けられているものに限らず、複数本の周方向紐体１３が、それぞれ索状体本体１１に同じ向きまたは逆向きに螺旋状に巻き付けられていてもよい。また、図３（ｃ）に示すように、３つ以上の周方向紐体１３が、索状体本体１１の一方の端部から他方の端部にかけて間隔をあけて配置され、それぞれ索状体本体１１の外側面に円環状に１周巻き付けられていてもよい。これらの場合であっても、圧力室２６の圧力を上げることにより、索状体本体１１全体の形状を保持することができる。

【0047】

また、剛性可変索状体１０で、周方向紐体１３は、図４（ｃ）に示すように、軸方向紐体１２の各組と交差する位置で、索状体本体１１に巻き付いた外周部分よりも各軸方向紐体１２が外側になるよう、各軸方向紐体１２に巻き付けられていてもよい。この場合でも、圧力室２６の圧力を上げたとき、周方向紐体１３の張力により、各軸方向紐体１２を締め付けることができ、高剛性状態のときの索状体本体１１の形状を保持することができる。

【0048】

また、剛性可変索状体１０は、図６および図８（ａ）に示すように、各軸方向紐体１２は、４組以上の偶数の組から成り、各組が索状体本体１１の中心軸周りに等角度間隔で配置されており、索状体本体１１の中心軸を挟んで反対側に配置された２つの各軸方向紐体１２の組の組合せについて、各組合せの２つの組にそれぞれ含まれる２つの軸方向紐体１２のうち、索状体本体１１の他方の端部に固定された軸方向紐体１２が、一方の端部で互いに接続されて１本の紐から成り、索状体本体１１の一方の端部に固定された軸方向紐体１２が、他方の端部で互いに接続されて１本の紐から成っていてもよい。

【0049】

さらに、図８（ｂ）に示すように、各組合せのそれぞれ２本の軸方向紐体１２が接続された位置に対応して、索状体本体１１の両端部に設けられた複数の滑車４１を有し、接続された２本の軸方向紐体１２が、対応する滑車４１に巻き掛けられてスライド可能に構成されていてもよい。この場合、滑車４１に巻き掛けられた紐が、その滑車４１を挟んで索状体本体１１の反対の外側面に沿って配置されているため、索状体本体１１の撓みに合わせて、滑車４１を挟んだ一方が圧縮方向に、他方が伸展方向に、滑車４１を介してスライドすることができる。また、滑車４１に巻き掛けられた紐の長さにより、索状体本体１１の伸張方向への伸びを抑えることができる。

【0050】

また、図４、図５および図９に示すように、剛性可変索状体１０は、内側チューブ２２が無く、膨張チューブ２１の内側を全て圧力室２６とし、各キャップ２４が、膨張チューブ２１の両端を気密的に塞いでいてもよい。この場合でも、圧力室２６の圧力を上げて高剛性状態にし、索状体本体１１の形状を保持することができる。また、図９に示すように、索状体本体１１の柔軟性や弾力性を高めるため、膨張チューブ２１の内側にコイルスプリング４２を配置してもよい。

【0051】

また、図１０に示すように、全体を保護するために、外側チューブ２３と共に、各軸方向紐体１２および周方向紐体１３を覆うよう、外側チューブ２３の外側面に被せられた編組チューブ４３を有していてもよい。編組チューブ４３は、柔軟性があれば、いかなるものから成っていてもよく、例えばポリエステル製である。また、図１１に示すように、編組チューブ４３の代わりに、保護用の布４４などを被せてもよい。また、このとき、周方向紐体１３を編組チューブ４３や布４４などに縫い付けてもよい。また、外側チューブ２３を用いず、膨張チューブ２１の外側に編組チューブ４３や布４４などを被せてもよい。この場合、コルゲートチューブから成る外側チューブ２３を用いるよりも細径化することができる。

【0052】

また、図１２に示すように、剛性可変索状体１０は、各軸方向紐体１２の各キャップ２４に固定されていない側の端部を、索状体本体１１の一方の端部側または他方の端部側に引いたり解放したりする操作手段４５を有していてもよい。この場合、操作手段４５により、いずれかの軸方向紐体１２を引くことにより、索状体本体１１を所望の方向に能動的に曲げることができ、その曲げた形状で剛性を高めることにより、その形状を保持することができる。このため、例えば、内視鏡やビデオスコープなどの狭隘部を探索する装置として使用したときに、環境に沿って変形させたり、移動させたりすることができる。また、グリッパや、ロボットの関節、ゆび等に使用することもできる。

【0053】

また、剛性可変索状体１０は、湾曲変形するアクチュエータなどを、内側チューブ２２の内部や各キャップ２４の連通口２４ａに挿入し、そのアクチュエータの外側を覆っていてもよい。この場合にも、アクチュエータを湾曲変形させた状態で剛性を高めることにより、その形状を保持することができる。

【0054】

また、剛性可変索状体１０は、図１３に示すように、複数から成り、互いに直列に連結されていてもよい。この場合、各剛性可変索状体１０の各キャップ２４の連通口２４ａが連通するよう、連結されていることが好ましい。各剛性可変索状体１０をそれぞれ独立して高剛性状態にできるよう、手元側で、各剛性可変索状体１０の圧力室２６の圧力をそれぞれ調整可能に構成されていてもよい。また、全体をまとめて高剛性状態にできるよう、全ての剛性可変索状体１０の圧力室２６が連通するよう構成されていてもよい。この場合、さらなる長尺化が可能であり、各剛性可変索状体１０の連通孔２４ａにケーブルを通して、先端部にカメラなどのセンサ５３や、首振り機構、グリッパなどを取り付け、狭隘環境や障害物の多い環境での探索などに好適に使用することができる。

【実施例0055】

図１に示す剛性可変索状体１０の試作機を製造した。試作機では、膨張チューブ２１として、外径が27 mm、厚さが1 mm、長さが200 mmのシリコンゴムチューブを用いた。内側チューブ２２および外側チューブ２３として、厚さが2 mm、波形の周期が4.2 mm、長さが200 mmのコルゲートチューブを用いた。周方向紐体１３として、直径が0.5 mmの編組ケブラー（登録商標）糸を用い、軸方向紐体１２として、直径1.6 mmのSUS304ワイヤを用いた。試作機は、直径が32 mm、質量が49.1 gである。また、内側チューブ２２から外側チューブ２３までの肉厚が、約5 mmである。

【0056】

製造した試作機を用いて、形状保持テストを行った。まず、圧力室２６に対して無加圧のとき、試作機を、曲率半径100 mm程度で湾曲した形状や、Ｓ字形にすることができた。また、圧力室２６に30 kPa程度の低い圧力を加えたとき、それらの形状が保持されることが確認された。また、圧力室２６に加える圧力をさらに高めることにより、保持力や剛性が高まることが確認された。

【符号の説明】

【0057】

１０ 剛性可変索状体
１１ 索状体本体
２１ 膨張チューブ
２２ 内側チューブ
２３ 外側チューブ
２４ キャップ
２４ａ 連通口
２４ｂ 供給口
２５ 接続部
２５ａ 接続口
２６ 圧力室
１２ 軸方向紐体
１３ 周方向紐体

４１ 滑車
４２ コイルスプリング
４３ 編組チューブ
４４ 布
４５ 操作手段

５１ ホース
５２ ケーブル
５３ センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】