JP2008114163A

JP2008114163A - 管内清掃ロボット

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Publication number: JP2008114163A
Application number: JP2006300195A
Authority: JP
Inventors: Rikio Hikichi; 力男引地
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-06
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2008-05-22

Abstract

【課題】小径円管の清掃が可能な、簡素且つ小型の管内清掃ロボットを提供する。
【解決手段】前部に配設される第１マシン部２と、後部に配設される第２マシン部３と、第１マシン部２及び第２マシン部３を連結する弾性体の連結体４とを備えた管内清掃ロボット１であって、第１マシン部２は、第１振動モータ１１と、第１振動モータ１１を収納する第１モータハウジング１２と、第１モータハウジング１２の外周部に第１スペーサ１３を介して装着される第１ベアリング１４と、第１ベアリング１４の外周部に装着される第１外周体１５と、第１外周体１５の外周部に後方斜め放射方向に傾斜して植設された複数の斜毛から成り、複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設された第１斜毛列１６とを備え、第２マシン部３は、第１マシン部２と同構成であって、前後逆向きに配設される。
【選択図】図３

Description

本発明は、小径円管の清掃が可能な、簡素且つ小型の管内清掃ロボットに関する。

管内清掃ロボットはこれまで清掃部および移動部としての機能が分離しており、清掃部としては、例えば、ジェット水噴射を用いたもの（特許文献１参照）やブラシを用いたもの（特許文献２参照）がある。これらは移動部として主に車輪を用いているが、弾性体を用いたものもある（特許文献３参照）。弾性体の一つに斜毛があげられる。斜毛の振動によって円管壁との摩擦力によりロボット本体は毛の傾いている向きとは反対方向に進行する。斜毛を振動させるための励起機構のアクチュエータとしては、電磁石（特許文献４参照）や圧電素子（特許文献５参照）、およびそれらを同時に取り入れたもの（特許文献６参照）等が知られている。
特開平７−１３６６０７号公報特開平７−９０９２１号公報特開平５−３１９２５９号公報特開平５−１９３５３６号公報特開平８−１１７６８６号公報特開平９−７４７７３号公報

然しながら、一般家庭の水道管、ガス管、排水管等は内径が５０ｍｍ前後のものが多く、前述した従来の管内清掃ロボットはそれ自体の大きさが１００ｍｍを超えるため小径円管内での作業は不可能である。小径円管内でも作業が可能なロボットを検討するには、前記管内清掃ロボットのメカニズムを簡略化する必要がある。更に、清掃が目的の場合は清掃部と移動部とを完全に切り離すことなく併用するメカニズムを検討した方が小型化に有効となる。又、アクチュエータの一つである圧電素子は変位量が微小なため走行速度の向上に限界がある。

又、これまで斜毛を用いた小型ロボットは、一方向しか移動制御ができないものであり、逆方向への移動を可能にする場合は、その機能を満足させるための装置を付加することになるのでロボット本体が大型化し、小径円管への対応が困難であった。

更に、これまでの管内清掃ロボットは、清掃作業にブラシを用いたり、高圧ジェット水を用いたりして管壁に対しランダムに作業を行うため、未清掃領域が残る可能性があった。

以上の現状に鑑み、本発明は、小径円管の清掃が可能な、簡素且つ小型の管内清掃ロボットを提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、前部に設けられる第１振動モータと、前記第１振動モータを収納する第１モータハウジングと、前記第１モータハウジングの外周部に第１スペーサを介して装着される第１ベアリングと、前記第１ベアリングの外周部に装着される第１外周体と、前記第１外周体の外周部に後方斜め放射方向に傾斜して植設された複数の斜毛から成り、前記複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設された第１斜毛列と、後部に設けられる第２振動モータと、前記第２振動モータを収納する第２モータハウジングと、前記第２モータハウジングの外周部に第２スペーサを介して装着される第２ベアリングと、前記第２ベアリングの外周部に装着される第２外周体と、前記第２外周体の外周部に前方斜め放射方向に傾斜して植設された複数の斜毛から成り、前記複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設された第２斜毛列と、前記第１モータハウジングの後端と前記第２モータハウジングの前端とを連結する弾性体の連結体とを備えた管内清掃ロボットであって、前記管内清掃ロボットは、前記第１斜毛列と第２斜毛列とが円管内壁全周に接触するように円管内に挿入した時、前記第１振動モータの振動によって、前記第１外周体が回転しながら前進し、前記第２振動モータの振動によって、第２外周体が回転しながら後退し、前記第１斜毛列又は第２斜毛列の回転移動により円管内の清掃を行なうように構成されたことを特徴とする管内清掃ロボットを提供するものである。

請求項２に係る発明は、前記第１スペーサは、２分割円筒体状に形成され、前記第１振動モータに連結される第１リード線が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第１溝部内に配設されると共に、前記第１モータハウジングに固着され、同様に、前記第２スペーサも、２分割円筒体状に形成され、前記第２振動モータに連結される第２リード線が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第２溝部内に配設されると共に、前記第２モータハウジングに固着されることを特徴とする請求項１記載の管内清掃ロボットを提供するものである。

請求項３に係る発明は、前記第１斜毛列又は前記第２斜毛列の傾き角を変化させて、前記第１外周部又は前記第２外周部の回転ピッチを変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の管内清掃ロボットを提供するものである。

請求項４に係る発明は、前記第１振動モータ又は第２振動モータへ加える電圧を変化させて、前記第１外周部、又は、前記第２外周部の回転速度を変化させることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一に記載の管内清掃ロボットを提供するものである。

本発明の請求項１記載の発明によれば、次のような効果が期待できる。
１．小径円管の清掃が可能な、簡素且つ小型の管内清掃ロボットを提供することができる。
２．斜毛による走行メカニズムのため、走行と同時に円管内壁の清掃も同時に行なうことができる。
３．斜毛に振動を与える手段として電磁石や圧電素子を用いず、市販の振動モータを使用できるため構造の簡略化が可能である。
４．一般家庭で使用される水道管、ガス管、排水管等の小径の円管にも適応できる。
５．前進用のマシンと後退用のマシンが連結体で接続されており、振動モータの電源入力スイッチを切り替えることでロボット本体の進行方向を前進又は後退に任意に切り替えることが可能である。
６．同型の２体のマシンが連結体で連結されているため、前方のマシンの移動に伴い後方のマシンも連結体を介して移動し、前方のマシンで未清掃領域が残った場合に於いても、後方のマシンによって確実な清掃が可能である。
７．同型の２体のマシンが弾性体連結体で連結されているため、管継ぎ手やベンドも走行可能である。
８．斜毛だけが円管内壁に弾性変形接触しながら移動するので、管継ぎ手の段差や円管内壁に多少の凹凸があっても斜毛のたわみで通過することができる。
９．斜毛による走行メカニズムであり、斜毛と円管内壁との間に発生する摩擦力が大きく、十分な押接力が発生するため、水平方向のみならず鉛直方向にも移動および静止が可能である。

請求項２記載の発明によれば、前記第１スペーサは、２分割円筒体状に形成され、前記第１振動モータに連結される第１リード線が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第１溝部内に配設されると共に、前記第１モータハウジングに固着され、同様に、前記第２スペーサも、２分割円筒体状に形成され、前記第２振動モータに連結される第２リード線が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第２溝部内に配設されると共に、前記第２モータハウジングに固着されるので、請求項１記載の発明の効果に加え、リード線がベアリングの内側に設けられるスペーサの溝部に配設され、且つ、モータハウジングに固着されるので、リード線は、確実に固定され、且つ、捩れたり、絡んだりする虞がない。

請求項３記載の発明によれば、前記第１斜毛列又は前記第２斜毛列の傾き角を変化させて、前記第１外周部又は前記第２外周部の回転ピッチを変化させるので、請求項１又は２記載の発明の効果に加え、斜毛列の傾き角を変えることにより、回転ピッチを任意に設定でき、それによって、任意に速度調節、推進力の調節ができる。

請求項４記載の発明によれば、前記第１振動モータ又は第２振動モータへ加える電圧を変化させて、前記第１外周部、又は、前記第２外周部の回転速度を変化させるので、請求項１乃至３のうちいずれか一に記載の発明の効果に加え、電圧制御により管内清掃ロボットの速度調節が可能である。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１に於いて、１は、円管内を自動走行し、走行時に清掃も行なう本発明の管内清掃ロボットであり、管内清掃ロボット１は、前部に配設される第１マシン部２と、第１マシン部２と同構成であって、前後逆向きに後部に配設される第２マシン部３と、第１マシン部２及び第２マシン部３を連結する弾性体チューブ状の連結体４とを備えている。

図２及び図３に示すように、前記第１マシン部２は、第１振動モータ１１と、第１振動モータ１１を収納する第１モータハウジング１２と、第１モータハウジング１２の外周部に第１スペーサ１３を介して装着される第１ベアリング１４と、第１ベアリング１４の外周部に装着される円筒体状又は２分割された円筒体状の第１外周体１５と、第１外周体１５の外周部に後方斜め放射方向に傾斜して植設された複数の斜毛（図３参照）から成り、複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設された第１斜毛列１６とを備えている。

又、前記第２マシン部３は、第２振動モータ２１と、第２振動モータ２１を収納する第２モータハウジング２２と、第２モータハウジング２２の外周部に第２スペーサ２３を介して装着される第２ベアリング２４と、第２ベアリング２４の外周部に装着される円筒体状又は２分割された円筒体状の第２外周体２５と、第２外周体２５の外周部に前方斜め放射方向に傾斜して植設された複数の斜毛（図３参照）から成り、複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設された第２斜毛列２６とを備えている。
尚、前記第１モータハウジング１２、第１スペーサ１３、第１外周体１５、前記第２モータハウジング２２、第２スペーサ２３、第２外周体２５は、例えば、アルミニウム合金製とし、前記第１斜毛列１６及び第２斜毛列２６の斜毛は、例えば、ナイロンもしくはポリプロピレン製とする。

そして、前記弾性体の連結体４は、第１モータハウジング１２の後端と第２モータハウジング２２の前端とを連結するように構成されている。
尚、前記連結体４は、材質が過軟質の場合、第１マシン部２と第２マシン部３と間に捩れが発生するので、捩れが生じない程度の硬度を有する弾性体を採用する。
更に、連結体４の長さは、ベント曲がり管でも柔軟に走行できるように、走行対象のベント曲り管の曲率半径を考慮して決定する。

図３及び図４に示すように、前記第１スペーサ１３は、２分割円筒体状に形成され、第１振動モータ１１に連結される第１リード線３１が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第１溝部３２（図１参照）内に配設されると共に、第１モータハウジング１２に固着され、同様に、前記第２スペーサ２３も、２分割円筒体状に形成され、第２振動モータ２１に連結される第２リード線３３が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第２溝部３４内に配設されると共に、第２モータハウジング２２に固着される。そして、第１リード線３１は、第１マシン部２の第１振動モータ１１から第１スペーサ１３の第１溝部３２（図１参照）を通り、連結体４の内部を通過し、第２マシン部３の第２振動モータ２１の第２リード線３３と共に、第２スペーサ２３の第２溝部３４から管内清掃ロボット１の後方に配置される直流電源装置（図示せず）に接続される。

而して、図３に示すように、前記管内清掃ロボット１を、第１斜毛列１６と第２斜毛列２６とが円管４１内壁全周に接触するように円管４１内に挿入し、第１振動モータ１１を駆動すると、第１振動モータ１１の振動によって、第１斜毛列１６が振動し、第１斜毛列１６が後方に傾斜して円管４１内壁面に接触していることから、第１斜毛列１６が円管４１内壁との摩擦の少ない方向に移動し、即ち、第１斜毛列１６がＦ方向に前進する。そして、第１斜毛列１６は、複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設されているので、その傾き角方向に移動し、第１斜毛列１６が回転しながら前進する。

第１斜毛列１６が回転することによって、第１外周体１５も第１ベアリング１４の外輪１４ａと共に回転しながら前進する。
第１ベアリング１４の外輪１４ａが回転しながら前進すると、第１ベアリング１４の内輪１４ｂは、回転しないが前進し、管内清掃ロボット１の第１マシン部２を図中矢印Ｆ方向に前進させる。この時、第１マシン部２は前進しながら、第１斜毛列１６の回転によって、円管４１内壁全周を清掃する。

一方、管内清掃ロボット１の第１マシン部２の前進によって、連結体４で連結された第２マシン部３も牽引されて前進し、第２斜毛列２６は、回転はしないが、第２斜毛列２６が円管４１内壁面に接触しながら前進することにより、円管４１内壁面の清掃を行なう。この時、第２斜毛列２６の斜毛の植設状態はＦ方向、即ち前方に斜設されているので、円管４１内壁と斜毛との摩擦係数が高くなり、清掃効果が向上する。

次に、第１マシン部２の第１振動モータ１１の作動により円管４１内を目的位置まで進行した管内清掃ロボット１を、元の位置、つまり、円管４１の入り口まで後退させる場合、又は、管内清掃ロボット１を途中で後退させる場合は、第２振動モータ２１を駆動すると、第２振動モータ２１の振動によって、第２斜毛列２６が振動し、第２斜毛列２６が前方に傾斜して円管４１内壁面に接触していることから、第２斜毛列２６が円管４１内壁との摩擦の少ない方向に移動し、即ち、第２斜毛列２６がＢ方向に後退する。そして、第２斜毛列２６は、複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設されているので、その傾き角方向に移動し、第２斜毛列２６が回転しながら後退する。

第２斜毛列２６が回転することによって、第２外周体２５も第２ベアリング２４の外輪２４ａと共に回転しながら後退する。
第２ベアリング２４の外輪２４ａが回転しながら後退すると、第２ベアリング２４の内輪２４ｂは、回転しないが後退し、管内清掃ロボット１の第２マシン部３を図中矢印Ｂ方向に後退させる。この時、第２マシン部３は後退しながら、第２斜毛列２６の回転によって、円管４１内壁全周を清掃する。

一方、管内清掃ロボット１の第２マシン部３の後退によって、連結体４で連結された第１マシン部１も牽引されて後退し、第１斜毛列１６は、回転はしないが、第１斜毛列１６が円管４１内壁面に接触しながら後退することにより、円管４１内壁面の清掃を行なう。この時、第１斜毛列１６の斜毛の植設状態はＢ方向、即ち、後方に斜設されているので、円管４１内壁と斜毛との摩擦係数が高くなり、清掃効果が向上する。

尚、前記管内清掃ロボット１の前進又は後退時に、第１外周体１５又は第２外周体２５は回転するので、第１振動モータ１１又は第２振動モータ２１は、第１ベアリング１４又は第２ベアリング２４を介する場合に於いても、若干の連れ回りが発生する虞がある。しかし、第１振動モータ１１又は第２振動モータ２１に接続している第１リード線３１又は第２リード線３３自身の抵抗力により、連れ回りが抑止されて第１リード線３１又は第２リード線３３の捩れが防止される。

図５（ａ）は、前記第１斜毛列１６の傾き角と、その傾き角による第１マシン部２の回転ピッチと、円管４１の内径の説明図である。即ち、円管４１の内径がｄであり、第１斜毛列１６の螺旋状に配設された傾き角が軸方向に対してθである場合に、その回転ピッチはλとなる。即ち、第１斜毛列１６の傾き角θの場合に第１マシン部２は、１回転で回転ピッチλ前進することになる。
同様にして、第２マシン部３に於いても、第２斜毛列２６の傾き角θの場合に第２マシン部３は、１回転で回転ピッチλ後退することになる。

図５（ｂ）は、斜毛列の傾き角θが１０，２０，３０，４０，５０又は６０度の場合の回転ピッチ（理論ピッチ）λを、円管４１の内径が２０，３０，４０，５０ｍｍ毎に示したものである。
これによると、傾き角θが小さくなるほど回転ピッチ（理論ピッチ）λが大になることがわかる。又、同じ傾き角θである場合には、円管４１の内径が大きくなるほど回転ピッチλが大になることがわかる。

従って、傾き角θを変化させることにより、回転ピッチλを変化させることが可能となり、傾き角θを適宜に設定することによって、管内清掃ロボット１の走行及び清掃に於いて、最適な回転ピッチλを得ることができる。
又、傾き角θを小さくすると、回転ピッチλが増加しロボットの走行速度も増加する。傾き角θを大きくすると、回転ピッチλが減少するため、走行速度が遅くなり、例えば、綿密な管内清掃作業が可能となり、又、管内検査の場合のように、細かい作業が可能となるだけでなく、ロボットによる牽引力が増大するため電気工事等での管内配線作業も可能となる。
更に、清掃ロボットとして使用する場合に於いて、斜毛による円管内壁の拭き残しが無いようにするには、傾き角θを大きくすればよい。尚、外周体に取り付ける斜毛列の数を増やすことでも同様な効果が期待できる。

図６は、第１マシン２の傾き角θが１０度で、円管４１の内径が２２ｍｍである場合の管内清掃ロボット１の第１振動モータ１１の電圧を２，３，４，５又は６Ｖに設定した場合の管内清掃ロボット１の推進速度を示している。
これによれば、第１振動モータ１１の電圧を上昇させると、管内清掃ロボット１の推進速度も略比例して上昇することがわかる。従って、第１振動モータ１１の電圧制御により管内清掃ロボット１の速度調節が可能である。
説明は省略するが、第２マシン３についても同様の効果が期待できる。

尚、前記管内清掃ロボット１に於いて、リード線の捻れ防止用にモータハウジングと外周体との間にベアリングを設置したが、走行距離が短距離の場合はリード線の捻れはさほど問題にならないので、ベアリングを取り外した構造に改良することで、更に、小径円管への適応も可能である。

又、前記管内清掃ロボット１に於いて、振動モータとして市販のＤＣモータを使用し、モータシャフトに振動発生用に任意の分銅を設置したり、前記ベアリングと前記外周体の間に弾性体のスペーサを設置することで、例えば、内径７５ｍｍの中型の円管への適用も可能となる。

更に、前記管内清掃ロボット１に於いて、走行距離は、リード線の長さに依存するが、試作ロボットでの走行試験では１０ｍ円管での走行も可能であった。

本発明の管内清掃ロボット１は、次のような利用が可能である。
１．水道管、ガス管、排水管、プラントの配管等のあらゆる目的で使用されている円管の内面のメンテナンスや付着物の除去を行う管内清掃ロボットとして利用可能である。
２．同型の２体のマシンが弾性体連結体で連結されているため、管継ぎ手やベンドも走行可能である。
３．同型の２体のマシンの連結構造であるが、前進のみの作業を行う場合は単体のマシンのみでその機能を満足させることができるので、単体のマシンのみとすれば、更に構造の簡略化が可能となり、なお一層小径円管への対応が可能となる。
４．連結体の長さの調整により、ベンド曲がり管への対応も可能である。予備実験では内径が２２ｍｍの場合、曲率半径が９０ｍｍまで可能であった。
５．斜毛による走行メカニズムであり、斜毛と円管内壁との間に発生する摩擦力が大きく、十分な押接力が発生するため、水平方向のみならず鉛直方向にも移動および静止が可能である。
６．モータハウジングにＣＣＤカメラや各種センサを設置することにより、管内検査ロボットとしても適応可能である。
７．円管内の清掃やメンテナンスのみならず、斜毛に、砥粒入りナイロンブラシを使用すると、円管の内面研削加工も可能となる。
８．本ロボットの牽引力を利用して、電気工事等での円管への配線作業も可能である。
９．水道管、ガス管、排水管のみならず、人間が立ち入り不可能な作業環境である原子力発電所や化学工場などのプラント配管での作業も可能となる。
１０．温泉給排水管等のスラッジ（垢）や髪の毛等の異物除去も可能となり、これまで化学薬品を用いた管内清掃作業の必要がなくなり、河川汚染等を防止することができる。

本発明による管内清掃ロボットの斜視図である。（ａ）本発明による管内清掃ロボットの正面図である。（ｂ）本発明による管内清掃ロボットの側面図である。本発明による管内清掃ロボットの正面縦断面図である。本発明による管内清掃ロボットの第２マシン部の側面縦断面図である。（ａ）本発明による管内清掃ロボットの適用円管の内径と斜毛列の傾き角と回転ピッチを示す説明図である。（ｂ）本発明による管内清掃ロボットの適用円管の内径と斜毛列の傾き角と回転ピッチ（理論ピッチ）との関係を示すグラフである。本発明による管内清掃ロボットの印加電圧とロボットの走行速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１管内清掃ロボット
４連結体
１１第１振動モータ
１２第１モータハウジング
１３第１スペーサ
１４第１ベアリング
１５第１外周体
１６第１斜毛列
２１第２振動モータ
２２第２モータハウジング
２３第２スペーサ
２４第２ベアリング
２５第２外周体
２６第２斜毛列
３１第１リード線
３２第１溝部
３３第２リード線
３４第２溝部
４１円管
θ 傾き角
λ 回転ピッチ

Claims

前部に設けられる第１振動モータと、前記第１振動モータを収納する第１モータハウジングと、前記第１モータハウジングの外周部に第１スペーサを介して装着される第１ベアリングと、前記第１ベアリングの外周部に装着される第１外周体と、前記第１外周体の外周部に後方斜め放射方向に傾斜して植設された複数の斜毛から成り、前記複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設された第１斜毛列と、後部に設けられる第２振動モータと、前記第２振動モータを収納する第２モータハウジングと、前記第２モータハウジングの外周部に第２スペーサを介して装着される第２ベアリングと、前記第２ベアリングの外周部に装着される第２外周体と、前記第２外周体の外周部に前方斜め放射方向に傾斜して植設された複数の斜毛から成り、前記複数の斜毛が所定の傾き角で螺旋状に配設された第２斜毛列と、前記第１モータハウジングの後端と前記第２モータハウジングの前端とを連結する弾性体の連結体とを備えた管内清掃ロボットであって、前記管内清掃ロボットは、前記第１斜毛列と第２斜毛列とが円管内壁全周に接触するように円管内に挿入した時、前記第１振動モータの振動によって、前記第１外周体が回転しながら前進し、前記第２振動モータの振動によって、第２外周体が回転しながら後退し、前記第１斜毛列又は第２斜毛列の回転移動により円管内の清掃を行なうように構成されたことを特徴とする管内清掃ロボット。
前記第１スペーサは、２分割円筒体状に形成され、前記第１振動モータに連結される第１リード線が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第１溝部内に配設されると共に、前記第１モータハウジングに固着され、同様に、前記第２スペーサも、２分割円筒体状に形成され、前記第２振動モータに連結される第２リード線が、前記２分割円筒体の分割部によって形成される第２溝部内に配設されると共に、前記第２モータハウジングに固着されることを特徴とする請求項１記載の管内清掃ロボット。
前記第１斜毛列又は前記第２斜毛列の傾き角を変化させて、前記第１外周部又は前記第２外周部の回転ピッチを変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の管内清掃ロボット。
前記第１振動モータ又は第２振動モータへ加える電圧を変化させて、前記第１外周部、又は、前記第２外周部の回転速度を変化させることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一に記載の管内清掃ロボット。