JP2011088485A

JP2011088485A - 水中清掃装置

Info

Publication number: JP2011088485A
Application number: JP2009241592A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Ishii; 和男石井; Ali Forough Nassiraei Amir; アリフォローナシライアミル
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP5099788B2

Abstract

【課題】水中ロボット導入により部分的な作業工程の自動化を実現して、船底や船腹の清掃のコスト削減を図る。
【解決手段】本発明は、装置本体を移動可能にすると共に浮力材として機能する車輪と、円筒カバーとスラスタの働きをさせるプロペラ及び清掃用ブラシを同軸に配置したスラスタ兼ブラシとを備える。このスラスタ兼ブラシは、減速用ギアをプロペラ用及び清掃用ブラシ用として別に設け、それぞれの回転数を個別に設定可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中を移動可能にして水中の壁面に付着した付着物を除去すると共に、水中観測を行うことも可能にした水中清掃装置に関する。

日本の輸出入における船舶を用いた海上輸送は貿易量の99.8%を占め、海運大手３社が保有する船舶数は、大型船だけでも１５００隻を数える。海上輸送によって発生するCO₂排出量は年間７３００万トンと推定され、CO₂排出量の削減が求められている（海上技術安全研究所資料より）。船舶の船底には、時間の経過とともに海洋生物が付着し、最初の一年間で燃費が２０％程度悪化し、更に清掃を行わず放置した場合、５０％悪化するとも言われている。海中において、水中生物が船底等に付着する前にこまめに水中生物を除去することにより、船舶等の燃費を維持することが可能となる。

図８は、特許文献１に開示の無人潜水機を使用して遠隔操作で清掃出来る海生物除去装置を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、(Ｃ)はスクリュー型ハンマーの詳細図である。この海生物除去装置は、例えばふじつぼ等の貝類や海藻類等の海生物が付着生長した通水路内面を、海水を水路に通水したまま清掃して海生物の除去を行うことができる。図示のように、装置本体のフレ−ムにはスクリュー型ハンマーが下向きに取り付けられており、このハンマーを管壁等に対向させて除貝する。上下移動スラスタ及び前後移動スラスタを遠隔操作で操作して、前後・上下に本装置を移動し、除去すべき海生物の位置まで接近する。

装置本体の底部に装着されるスクリュー型ハンマーは、モータ、減速機を介して駆動される。図８（Ｃ）に詳細を示すように、回転軸の下端に３枚の羽根が放射状に取り付けられている。羽根の先端下部に打撃ブロックが取り付けられている。装置本体はケーブルを介し、地上のコントロール装置に接続されている。海生物の除去は、打撃ブロックを回転して行うが、このとき除去面に対する回転体の押し付け力（推力）を、羽根の回転により発生するスクリュー効果で発生させている。このため余分な機構を削除することができ、装置全体の負荷を小さくすることが可能となっている。

しかし、図８に示される海生物除去装置は、送水管内の海生物を除去、清掃することは可能であるものの、船底や船腹の清掃をする場合、清掃面の曲面や海中移動が多様であることからその適用は困難である。また羽根の先の方にふじつぼ等を砕く部品を配置し、羽根の回転により清掃面に押圧する力を発生させているために、押圧力が強ければ清掃面を傷つけるし、弱ければ当然、清掃の役をなさず、押圧力の調整が難しいという問題がある。また、打撃ブロック部にはカウル（羽根の回転により流れる水の整流を目的とする覆い）が無いため羽による吸引力は小さく、壁面に対して装置前方（スクリュー型ハンマー装着側）が接地した場合は、前方が吸引されて後方が壁から離れるため、壁伝い行動が不安定になる可能性がある。

特許第３４９１２０７号

従来、船底や船腹の清掃及び検査は、主にダイバーによる水中作業、或いはドッグ入りした時に陸上において行われている。ダイバーによる清掃は、危険を伴う作業であり、コストも高い。船舶の定期検査、中間検査は１年毎に実施されるが、効率よい燃費を維持するには清掃の頻度をできるだけ増やす必要がある。船舶をドッグ入りさせることなく、港湾における係留中に頻繁に船底や船腹を清掃することにより、効率の良い燃費の維持が可能となり、運行費用の削減、CO₂発生量の削減にもつながる。現在、ダイバーの目視による検査では、多額の費用がかかっている。

本発明は、係る問題点を解決して、水中ロボット導入により部分的な清掃作業工程の自動化を実現して、船底や船腹の清掃のコスト削減を図るだけでなく、水中ロボットによる船底等の水中観測を実現することを目的としている。

本発明の水中清掃装置は、装置本体を前後及び左右に移動させるスラスタを備えて、水中を移動可能にして水中の壁面に付着した付着物を除去する。この水中移動装置は、装置本体を移動可能にする車輪と、円筒カバーと、スラスタの働きをさせるプロペラ及び清掃用ブラシを同軸に配置したスラスタ兼ブラシとを備える。このスラスタ兼ブラシは、減速用ギアをプロペラ用及び清掃用ブラシ用として別に設け、それぞれの回転数を個別に設定可能にした。

スラスタ兼ブラシは対構成にして配置し、各対構成の２個のプロペラの回転方向を互いに逆にする。車輪が水中の壁面に着地したときに前記清掃用ブラシが水中の壁面と所定の間隔を維持できるように前記スラスタ兼ブラシを装置本体に装着する。或いは、前記車輪が水中の壁面に着地したときに前記円筒カバー端部と水中の壁面との間に所定の間隔を維持できるように前記スラスタ兼ブラシを装置本体に装着する。また、水中構造物を観測するためのカメラを装置本体に装着することができる。

車輪は、装置本体の前端部と後端部にそれぞれ１対取り付け、かつ、この車輪を取り付けた装置本体が水中の壁面に対して一定距離を保たせながら走行できるようにするサスペンション機構を備えている。装置本体の姿勢に応じて、重心が浮心の下部になるように重心を重力方向に下げる重心移動装置を備える。この重心移動装置は、略円筒形状の容器内に粘性の高い液体を入れて構成する。或いは、この重心移動装置は、装置本体の姿勢に応じて移動するバランスウェイトと、該バランスウェイトを移動可能に挿通したガイドバーにより構成する。

本発明によれば、水中ロボット導入により部分的な作業工程の自動化を実現して、コスト削減を図ることができる。また、スラスタの働きをさせるプロペラおよび清掃用ブラシを同軸に配置し、減速用ギアをプロペラ用、清掃用ブラシ用として別に設け、各機能に最適な回転数を設定できる。

プロペラは円筒カバーの中に配置し、清掃面と円筒カバー端部との間に適切な間隔を維持し、そしてまた車輪の配置により、水中ロボットの安定した移動が可能となる。円筒カバー端部と船の外面との間のすきまから海水が吸い込まれることで、船の外面への押し当て力は充分に確保できると共に、清掃により吸い込んだ付着物の破片を、船の外面から遠ざける方向に排出することで、清掃面近くから迅速に不要なものを排除できるので、清掃効率がよい。このプロペラは対構成に配置し、互いに回転方向を逆にすることで、清掃の際、回転の反作用で本体が不安定になることを防ぐことができる。

水中ロボットを例示する図であり、（Ａ）は底面側から見た斜視図、（Ｂ）は上面側から見た斜視図である。船側面清掃時のロボットの重心と浮心の位置関係を説明する図であり、（Ａ）は、その水中ロボットの底面図、（Ｂ）は（Ａ）を右側から見た側面図である。船底清掃時の図２と同様な図であり、（Ａ）は、その水中ロボットの底面図、（Ｂ）は（Ａ）を右側から見た側面図である。図１に示したスラスタ兼ブラシの拡大図である。スラスタ兼ブラシの駆動機構を説明する図であり、（Ａ）は円筒カバーを取り去った状態で示す側面図、（Ｂ）はその斜視図である。図１（Ａ）に示したサスペンション機構の詳細を示す図である。重心移動装置の別の例を示す図であり、（Ａ）は水中ロボットの全体構成を示し、（Ｂ）は、（Ａ）中に示したＸ部を拡大して示している。特許文献１に開示の無人潜水機を使用して遠隔操作で清掃出来る海生物除去装置を示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、(Ｃ)はスクリュー型ハンマーの詳細図である。

以下、例示に基づき本発明を説明する。図１は、水中ロボットを例示する図であり、（Ａ）は底面側から見た斜視図、（Ｂ）は上面側から見た斜視図である。この水中ロボットが、本発明を具体化した水中清掃装置に相当する。なお、以下、例示の水中ロボットにおいて、２対の車輪の車軸方向を側面側（後ろから見て右側及び左側）と言い、この車軸と直角の方向を前部或いは後部と言う。例示の水中ロボットが、船底を清掃しているとき、水中ロボットの底面側が船底に下側から当接し、また、船側面（船腹）を清掃しているとき、水中ロボットの底面側が船側面の側方から当接することになる。

図示の例において、水中ロボットの移動は、装置本体の左側の複数個（２個として例示）のサイドスラスタ、後部の複数個（４個として例示）のスラスタ、及び装置本体の底部に向けて取り付けた対構成（２個として例示）のスラスタ兼ブラシにより制御される。図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、水中ロボットの前進方向をx軸、横方向をy軸、上下方向をz軸とする。x軸方向の移動には後部の４個のスラスタを使用し、y軸方向には左側の２個のスラスタ、z軸方向には２個のスラスタ兼ブラシ、x軸周りの運動には左右のスラスタ兼ブラシを互いに逆回転させ、y軸周りの運動には後部の上下のスラスタを逆回転（差動回転）させ、z軸周りの運動にはサイドスラスタの前後で逆回転（差動回転）させ、或いは後部の左右のスラスタを逆回転（差動回転）させる。

このような対構成のスラスタ兼ブラシが同時にではなく、一方が船底或いは船側面に接地した場合は、反モーメントによりピッチ運動が発生することになるが、ピッチ運動（z軸周りの運動）は、上述のように、複数個のサイドスラスタ、後部の複数個のスラスタのそれぞれの差動、或いは組み合わせで制御する。このような制御は、装置の前後にカメラを搭載して、遠隔制御により行う。図示の電子機器収納部には、制御用基板、電源、センサ、カメラ等の電子機器（図示省略）が収納されている。カメラ（図示省略）は、遠隔制御に用いるだけでなく、船底等の水中観測を行うために使用する。カメラは水中ロボット中央部のシリンダ形状をした電子機器収納部の前後に配置している。前方カメラはドーム形状のアクリル内部に配置され、パン・チルト機能により前方、側方、下方を観測できる。この例では、後方は清掃面を観測するために下方を観測できるよう固定カメラを配置している。後方カメラも前方カメラと同様にドーム形状のアクリル内部にパンチルト機能を有するカメラを搭載してもよい。前後のカメラ映像から清掃面を確認することができる。また、中央部に清掃面確認用のカメラを配置してもよい。水中ロボットを移動可能にするために、装置本体の前後に浮力材を兼ねた２対の車輪を有する。車輪は、空気などの気体や軽量の素材を封入したゴムタイヤにより構成する。車輪はバンパーも兼ねるため、前端部と後端部に取り付けられている。

図示の重心移動装置は、船側面及び船底において、安定して密着させながら動作させることを可能にする。略円筒形状の容器内に粘性の高い液体を入れ、船側面走行姿勢或いは船底走行姿勢に応じて、円筒内で液体を円筒軸方向に、或いはそれと直角の側面方向に移動させることにより、姿勢を安定に保つ（その原理は、図２及び図３を参照して後述する）。粘性が高いのは、簡単に移動させないためである。水中ロボットにおいては、ロボットの重心と浮心の位置関係が安定性に大きく関係する。水中ロボットを安定に保つためには、浮心を上部、重心を下部になるようにし、その距離をできるだけ離す必要がある。これに加えて、船底清掃時は、ロール制御用のブラシ兼スラスタによりロボット本体を回転させ、重心移動装置内部の液体を移動させることにより、姿勢を安定に保つ。

図２は、船側面清掃時のロボットの重心と浮心の位置関係を説明する図であり、図３は、船底清掃時の同様な図である。それぞれの図において、（Ａ）は、その水中ロボットの底面図、（Ｂ）は（Ａ）を右側から見た側面図である。ブラシが船側面に接触して清掃している時は、図２（Ａ）に示すように、自動調整用の重りを下方に（重力方向に）移動させ、その状態で安定化させる。このとき、車輪は横を向いた状態にあり、浮心が重心の上に位置する。

これに対して、ブラシが船底に接触して清掃している時は、図３（Ｂ）に示すように、自動調整用の重りを車輪とは反対側に重力方向に移動させ、車輪が上を向いた状態で安定させる。安定な状態では浮心の鉛直下に重心が来ることになる。これによって、船側面或いは船底清掃時のいずれにおいても、浮心を上部、重心を下部になるようにして、水中ロボットを安定に保っている。

図４は、図１に示したスラスタ兼ブラシの拡大図である。図５は、そのスラスタ兼ブラシの駆動機構を説明する図であり、（Ａ）は円筒カバーを取り去った状態で示す側面図、（Ｂ）はその斜視図である。清掃用のブラシと推進用のスラスタを備えたスラスタ兼ブラシを、水中ロボット前後方向の中央部に偶数個(２個として例示)備える。対構成の左右のスラスタ兼ブラシは、船底或いは船側面からの反モーメントを打ち消し合うために、互いに逆回転させる。たとえば、正回転時に、右側ブラシを時計回り、左側ブラシは反時計回りとし、逆回転時には、右側ブラシを反時計回り、左側ブラシは時計回りとする。

プロペラ周囲は、吸引力を形成する円筒カバーで囲われている。図４に例示した円筒カバーは、図５（Ｂ）に示した円筒カバー取付部に対して、そのネジ穴及びそれにねじ込まれるネジによって固定する。車輪が船壁面に着地したときに、円筒カバー先端の清掃用ブラシと船壁面との距離は、船壁面の材質・塗料や清掃用ブラシの強度をもとに適切な値を選択する。即ち、ブラシ先端が船壁面に十分に接する程度（例えば、円筒カバーと船壁面の距離が数センチ）となるようにスラスタ兼ブラシの円筒カバーと車輪を装置本体に取り付ける。このため、円筒カバーの先端側は、ブラシのリング部材及び毛部材の根本部を径方向外側から覆う程度の長さにしている。これによって、ブラシのリング部材は、円筒カバーによって隠されるように配置され、ブラシの毛部材は、円筒カバーの先端側内周から適当な長さが出る程度の長さにされる。これによって、水中ロボットが船底或いは船側面方向に進む場合、負圧による吸引効果が働き、ロボットを船底或いは船側面に密着させる効果がある。

円筒カバーと、スラスタの働きをさせるプロペラおよび清掃用ブラシを同軸に配置し、減速用ギアをプロペラ用（第１のギア）、清掃用ブラシ用（第２のギア）として別に設け、各機能に最適な回転数（例えば、プロペラ：ブラシ=５：１程度）を設定する。即ち、プロペラとその駆動用のＤＣモータは第１のギアを介して接続され、ブラシとプロペラは、第２のギアを介して接続される。第２のギアの出力軸には、ブラシが取り付けられている。ブラシは、図５（Ｂ）に示すように、出力軸取付部、及びそこから径方向に伸びる複数本の支持部、及びその先端側に結合されるリング部材を、例えば、合成樹脂或いは金属、木材により一体に形成し、かつ、このリング部材に、多数の樹脂製繊維や金属製針金などからなる毛部材を植毛して構成することができる。このブラシは清掃面の状況によって、硬柔交換可能である。

第１及び第２のギアには、遊星歯車、或いは、磁性流体等の粘度を変化させられる液体を封入したギアを用い、プロペラの回転数とブラシの回転数を適度に変化させる。プロペラ及びブラシの回転数は、モータ回転数を外部より制御することにより変化させることができる。さらに、電磁石等により磁場を変化させることにより磁性流体の粘性を変化させて、ギア比を変化させることも可能である。ＤＣモータは、そのコントローラを介して駆動制御される。コントローラには、外部より電源線及び制御線が導入される。第２のギアを省略し、ブラシとプロペラの回転数を同一にしてもよい。

図６は、図１（Ａ）に示したサスペンション機構の詳細を示す図である。水中ロボット前後の車輪は、船底或いは船側面にある一定距離を保たせながら走行できるようにするサスペンション機構を備えている。サスペンション機構は、凹凸がある面を走行する場合にも、ある程度の曲面に対応させる。これによって、ブラシが船の表面を傷つけることが無いように、ブラシを清掃面からできるだけ一定距離に保ちつつ、安定走行することを可能にする。図６に例示のサスペンション機構は、回転軸を中心として揺動可能の支持部材を介して車軸を取り付けている。この支持部材には引張りバネを装着して、車輪を船底或いは船側面に押し付ける方向の力を加えている。

図７は、重心移動装置の別の例を示す図であり、（Ａ）は水中ロボットの全体構成を示し、（Ｂ）は、（Ａ）中に示したＸ部を拡大して示している。例示の重心移動装置は、位置ＰとＱの間に、ガイドバーを設け、このガイドバーを挿通したバランスウェイトによって構成している。位置Ｐにおいては車軸方向に配置したガイドバーは、連続的に湾曲させて、位置Ｑにおいては、側面方向（ブラシ清掃面方向）に配置している。水中ロボットが、船側面を走行する場合、図示の車軸方向が重力方向となり、バランスウェイトは図７（Ｂ）の位置Ｑに移動して、重心を下げる。これに対して、船底を走行する場合は、ブラシ清掃面とは反対方向が重力方向となり、バランスウェイトは図７（Ｂ）の位置Ｐに移動して、上方に位置する車輪側とは反対方向に重心を下げることにより、水中ロボットの姿勢を安定させる。

同様な動作は、２つのサイドスラスタ（図１（Ａ）参照）を高出力にし、差動回転させることにより実現可能である。但し、姿勢を保持するために多くのエネルギを要するとともに、２つのサイドスラスタを差動回転させるためにロボットが接地した場合、ロボット全体を回転させる反トルクが生じ、制御が複雑なものとなる。

Claims

装置本体を前後及び左右に移動させるスラスタを備えて、水中を移動可能にして水中の壁面に付着した付着物を除去する水中清掃装置において、
装置本体を移動可能にする車輪と、
円筒カバーと、スラスタの働きをさせるプロペラ及び清掃用ブラシを同軸に配置したスラスタ兼ブラシとを備え、
前記スラスタ兼ブラシは、減速用ギアをプロペラ用及び清掃用ブラシ用として別に設け、それぞれの回転数を個別に設定可能にした水中清掃装置。
前記スラスタ兼ブラシは対構成にして配置し、各対構成の２個のプロペラの回転方向を互いに逆にした請求項１に記載の水中清掃装置。
車輪が水中の壁面に着地したときに、前記清掃用ブラシが水中の壁面と所定の間隔を維持するように前記スラスタ兼ブラシを装置本体に装着した請求項２に記載の水中清掃装置。
前記車輪が水中の壁面に着地したときに、前記円筒カバー端部と水中の壁面との間に所定の間隔を維持するように前記スラスタ兼ブラシを装置本体に装着した請求項２に記載の水中清掃装置。
水中構造物を観測するためのカメラを装置本体に装着した請求項１に記載の水中清掃装置。
前記車輪は、装置本体の前端部と後端部にそれぞれ１対取り付け、かつ、この車輪を取り付けた装置本体が水中の壁面に対して一定距離を保たせながら走行できるようにするサスペンション機構を備えている請求項１に記載の水中清掃装置。
装置本体の姿勢に応じて、重心が浮心の下部になるように重心を重力方向に下げる重心移動装置を備えた請求項１に記載の水中清掃装置。
前記重心移動装置は、略円筒形状の容器内に粘性の高い液体を入れて構成した請求項７に記載の水中清掃装置。
前記重心移動装置は、装置本体の姿勢に応じて移動するバランスウェイトと、該バランスウェイトを移動可能に挿通したガイドバーにより構成した請求項７に記載の水中清掃装置。