JP2013199247A - 管内自走機 - Google Patents

Abstract

【課題】螺旋板からなる機体に駆動車輪を装着した管内自走機において、車輪以外の機体部分の管内壁面への接触可能性を低減させる。
【解決手段】管内自走機は、長手軸心周りで螺旋状に延びた径方向に弾性拡縮可能な螺旋板１０からなる螺旋機体１と、螺旋板１０に所定間隔で配置された球状車輪２と、球状車輪２の中心を通って螺旋板１０の延び方向を横断する横断方向に球状車輪２の内部を延びて球状車輪２を駆動する車輪駆動軸を駆動する駆動ユニットとを備えている。車輪駆動軸が螺旋板１０の外面１０ａより外方に位置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、管内壁面を自走する管内自走機に関する。

ガス管などの様々な管の状態を管内から検査するとき、管内に検査用センサーを送り込む必要があり、そのために管内壁面を自走する管内自走機が必要となる。
管内自走機が送り込まれる管の内部は一様な形状とは限らない。例えば、断面が円形の管であっても、その内径が大きく変化する場合もある。また、管の途中に設けられているプラグバルブなどでは、管の断面が円形ではなく台形などであったりもする。また、管は真っ直ぐ伸びているだけでなく、エルボや分岐部などで曲っていることもある。このため、管内自走機には、管の内部形状が変化してもスムーズに管内壁面を走行する機能が要求される。

特許文献１には、弾性変形自在の板状部材を軸方向に沿って螺旋状に形成して構築された螺旋体と、この螺旋体の長手方向に所定ピッチで配設されている複数の駆動機構とを備えた管内移動装置が記載されている。各駆動機構は、螺旋体を一方向に進行させる駆動力を作り出すために、モータと円板状の車輪とから構成され、その際、駆動機構は、そのモータなどが管に接触しないように車輪の一部だけを螺旋体の径方向外側面から突出させる状態で螺旋体の径方向内面側に装着されている。つまり、この管内自走機では、管の内径が変動しても螺旋体の径方向外側に拡張している力によって車輪を管壁に押し付けることができ、例えばネジが旋回しながら狭い部分に入り込んで行くように、螺旋体の全体が旋回しながら管の奥へ入り込んで行くことができる。

特開２０１１‐１６４６７号公報（段落番号〔０００４−００３３〕、図１、図４）

しかしながら、この特許文献１に記載された管内自走機では、駆動装置の大部分を螺旋体の径方向内面側に収納させ、車輪のごく一部を螺旋体の径方向外側面から突出させているだけであり、螺旋体を構成する板状部材が径方向に拡縮しやすい弾性体であるので、不測に板状部材が管内壁面に接触する危険性がある。
上記実情に鑑み、螺旋板からなる機体に駆動車輪を装着した管内自走機において、車輪以外の機体部分の管内壁面への接触可能性を低減させる構造が要望されている。

本発明による、管内壁面を自走する管内自走機は、長手軸心周りで螺旋状に延びた径方向に弾性拡縮可能な螺旋板からなる螺旋機体と、前記螺旋板に所定間隔で配置された球状車輪と、前記球状車輪の中心を通って前記螺旋板の延び方向を横断する横断方向に前記球状車輪の内部を延びて前記球状車輪を駆動する車輪駆動軸と、前記車輪駆動軸を駆動する駆動ユニットとを備え、前記車輪駆動軸が前記螺旋板の外面より外方に位置している。

上記構成では、車輪駆動軸を介して駆動ユニットによって駆動される車輪が球状に形成されるとともに、その車輪駆動軸が機体を構成する螺旋板の外面より外方に位置しているので、上述した従来の管内自走機と比べて、螺旋板の外面から管内壁面までの距離はより大きくなり、車輪以外の機体部分の管内壁面への接触可能性は低くなる。さらに、走行中に車輪が傾いても車輪が球状であることから、安定した走行性が得られる。また、車輪が球状体であることから、車輪が横滑りしやすくなるが、この横滑りを利用することで、螺旋機体の管軸方向への走行を管径の変換、管軸の曲がり、管断面形状の変化に対して適切に対応することができる。従って、本発明の管内自走機は、車輪にステアリング機能を必要としない。

本発明の好適な実施形態の１つでは、前記駆動ユニット３からの動力が減速機構４を介して前記車輪駆動軸２３に伝達され、前記減速機構４が前記球状車輪２に内蔵されている。減速機構４の採用により、モータを定格駆動させながらも、球状車輪を適切な回転数で回転させることができる。しかも、減速機構４を球状車輪に内蔵させることで、駆動ユニットに要求されるスペースは実質的にモータが専有する大きさだけとなり、走行駆動系がコンパクトなものとなる。

本発明の別な実施形態では、前記駆動ユニット３は前記螺旋機体１の内部に配置され、前記螺旋板１０に固定されており、前記減速機構４は前記駆動ユニット３にサスペンションユニットを介して支持されている。この構成では、球状車輪を支持する減速機構４がサスペンションユニットを介して支持されているので、球状車輪が走行中に受ける走行振動がサスペンションユニットで吸収され、走行安定性が向上する。

好適な実施形態として、前記車輪駆動軸２３を前記減速機構４によって支持すると、球状車輪を軸受けする軸受けが不要となり、球状車輪への駆動力伝達系の構造が簡単でコンパクトになる。

さらに、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記球状車輪は、左半球状車輪と右半球状車輪とからなり、前記左半球状車輪に形成されたボス部に前記車輪駆動軸の左端部が固着されており、前記右半球状車輪に形成されたボス部に前記車輪駆動軸の右端部が固着されている。このような球状車輪の分割構成により、球状車輪の製作や組み付けが簡単化されるだけでなく、２つに分割されたそれぞれの半球状車輪が車輪駆動軸の両端に割り当てられ、車輪駆動が安定する。

管内自走機の側面図である。 管内自走機の中央部分の軸方向に沿って見た正面図である。 車輪を組み付けた駆動ユニットの斜視図である。 車輪を組み付けた駆動ユニットの側面図である。 駆動ユニットの分解図である。 車輪と減速機構と車輪駆動軸を示す分解図である。 管内自走機の移動状態を説明する図である。 管内自走機の移動状態を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

以下に図面を参照して本発明に係る管内自走機について説明する。図１は管内自走機の側面図であり、図２は管内自走機の中央部分の軸方向に沿って見た正面図である。

図１と図２に示すように、管内自走機は、長手軸心ＸＬ周りに螺旋状に延びている螺旋機体１と、この螺旋機体１に装着される複数の駆動ユニット３と、この駆動ユニット３によって駆動される球状車輪２を備える。管内自走機は、ガス管などの各種の管９の内部を移動できるように構成されている。管内自走機は、管９の状態を管壁内面９１側から確認及び検査するための機器（カメラ、検査センサーなど）を管９の内部に送り込むために使用される。管内自走機が走行する管９には、管９の内径が変化する箇所、管９が曲っている箇所（エルボや分岐等）、管９の断面形状が円形でなくなる箇所（例えば、プラグバルブ等）などが含まれる。従って、この管内自走機では、管９の内径の変化や管９の曲りに追従すべく螺旋機体１の螺旋外径を変化させ、さらにはそのような螺旋外径の変化を可能にする変形性にも関わらず螺旋機体１が管壁内面９１と衝突する可能性をできるだけ低くなる構造が採用されている。また、螺旋機体１の良好な走行性を得るために、螺旋機体１に装着される駆動ユニット３と球状車輪２とがコンパクトとなるような構造が採用されている。

螺旋機体１は、弾性変形自在の板材を長手軸心ＸＬの方向に沿って（つまり、長手軸心ＸＬの周りに）螺旋状に成形して作られた螺旋板１０である。本実施形態において、この螺旋板１０は金属製の弾性を有する板材から作られている。螺旋機体１は、螺旋ばねのような弾性変形性を有するので、あらゆる方向に屈曲できる。よって、管内自走機は、管９の曲りに応じて自身を屈曲できる。加えて、螺旋機体１は、長手軸心ＸＬの方向に変形して伸び縮み可能であり、例えば螺旋機体１が長手軸心ＸＬの方向に伸びると螺旋機体１は細くなる（つまり、螺旋径が小さくなる）。これにより、管内自走機は、自身の外径を変えることができる。

螺旋機体１は、螺旋板１０の一方の面（外面１０ａ）が一様に螺旋機体１の径方向外側（長手軸心ＸＬから離れる側）に向き且つ螺旋板１０の他方の面（内面１０ｂ）が一様に螺旋機体１の径方向内側（長手軸心ＸＬに近づく側）に向いた状態で螺旋状に形成されている。つまり、板状の螺旋板１０の一つの面（外面１０ａ）が一様に管９の管壁内面９１に対して対面するので、管内自走機が管壁内面９１をスムーズに走行することができる。加えて、螺旋機体１の長手方向両端領域の螺旋径が長手方向中央領域の螺旋径よりも小さく形成されている。そのため、管内自走機が前進及び後進の何れの方向に移動するときでも（図８参照）、螺旋径の小さい形態で進入することでき、螺旋機体１の先頭となる螺旋板１０の先端が管壁内面９１に引っ掛かる可能性は少ない。

更に、螺旋機体１は、螺旋機体１が管９の内部にないときの自然状態の最大螺旋径が、管９の内径に対して等しいか又は大きくなるように形成されている。よって、螺旋機体１が管９の内部にあるとき、螺旋機体１は、螺旋径を大きくしようとする押圧力を螺旋板１０から径方向外側に突き出した球状車輪２を介して管壁内面９１に与える。これにより、球状車輪２は管壁内面９１に押し付けられ、駆動力を管壁内面９１に対して確実に与えることができる。

管９の状態を確認及び検査するための機器（カメラ、検査機器など）は、螺旋機体１の進行方向先端部や、螺旋機体１の中央領域の空洞部分などに設置されるが、それらの機器を管内自走機で牽引するような形態を採用してもよい。

次に、球状車輪２とこの球状車輪２に駆動力を与える駆動ユニット３を説明する。図３と図４は球状車輪２を組み付けた駆動ユニット３の斜視図と側面図であり、図５は駆動ユニット３の分解図であり、図６は球状車輪２と減速機構４と車輪駆動軸２３を示す分解図である。
この駆動ユニット３は球状車輪２を前進方向または後進方向に回転駆動させるが、球状車輪の向き、つまり操向角を変えるステアリング機能は有さない。つまり、車輪は螺旋機体１に対して回転可能に支持されているが、操向角度は螺旋機体１を構成する螺旋板１０の延び方向に一致した状態で不動である。

各駆動ユニット３が、管壁内面９１に螺旋機体１の径方向押し付け力により押し付けられた球状車輪２に駆動力を伝達して、回転させることで、螺旋機体１が管９の内部を管軸心９０に沿って走行する。この実施形態において、駆動ユニット３は、モータ３２と、このモータ３２の回転速度を減速して球状車輪２に伝達する減速機構４とを備えている。モータ３２は螺旋機体１に牽引されているケーブル６０を介して外部から給電される。図６の分解図から明らかなように、減速機構４は球状車輪２の内部に収納されている。

駆動ユニット３は、螺旋板１０に装着できるように、扁平なベース部３０ｂと、このベース部３０ｂの両端から立ち上がっているアーム状の左右一対の取付部３０ａとからなるハウジング３０を有する。モータ３２は、ベース部３０ｂにサスペンションユニット３３を介して縦姿勢で保持されている。サスペンションユニット３３は、モータ３２の取付板として機能するサスペンションブラケット３１と、サスペンションブラケット３１とベース部３０ｂとに渡って配設されたサスペンションロッド３３ａと、サスペンションブラケット３１とベース部３０ｂとの間に配置されるとともにサスペンションロッド３３ａを外嵌しているコイルスプリング３３ｂとからなる。このサスペンションユニット３３により、モータ３２及びモータと連結している減速機構４さらには球状車輪２がベース部３０ｂに対して、つまり螺旋板１０に対してクッション性を有して取り付けられている。なお、ベース部３０ｂの中央にはモータ３２の後端部が突き出せるように開口が形成されている。

図５からよく理解できるように、モータ３２の出力軸には、先端に回転軸の向きを９０°変えるためのギヤを備えた減速機構４の変速入力軸４０が連結されている。減速機構４は、底板５１と、底板５１の両端から立ち上がっている左右の側板５２と、左右の側板５２を連結するクロスロッド５３からなるギヤボックス５の内部に組み込まれており、ここでは、複数のギヤと中間軸とからなるギヤ変速機構４１として構成されている。このギヤ変速機構４１の構造自体は、よく知られているので、詳しい説明は省略するが、変速入力軸４０に固定されたギャと９０°異なる回転軸で噛み合うギヤを通じて受け取った回転を減速する平ギヤ群と、この減速機構４の出力軸である車輪駆動軸２３とから構成されている。車輪駆動軸２３の両端はそれぞれ左右の側板５２から外側に突き出て延びている。ギヤボックス５の底板５１には、ハウジング３０のベース部３０ｂに設けられた２本の段付支持ポール３４に装着される装着孔が設けられている。この段付支持ポール３４により、減速機構４は、ベース部３０ｂから所定高さをあけて組み付けられる。

球状車輪２は、二分割構成であり、右半球状車輪２１と左半球状車輪２２とからなる。それぞれ、内部にボス部２４とこのボス部２４を補強するリブ２５が形成されている。右半球状車輪２１が車輪駆動軸２３の右端と連結し、左半球状車輪２２が車輪駆動軸２３の左端と連結することで、減速機構４を内蔵した実質的に球状の球状車輪２が作り出される。従って、車輪駆動軸２３の軸心が球状車輪２の車輪回転軸心ＸＷとなる。なお、球状の球状車輪２の直径は螺旋板１０の幅の１／２から４／５程度に設定されている。また球状車輪２の車輪回転軸心ＸＷつまり車輪駆動軸２３の延び方向は螺旋板１０の長手方向にほぼ直交する方向となっており、球状車輪２による走行方向は基本的には螺旋板１０の長手方向となる。右半球状車輪２１と左半球状車輪２２の対向領域の周面が管壁内面９１と接触するため、この領域に接触抵抗を高めて走行性をよくするための車輪ラバー２６と２７が装着されている。なお、この実施形態では、この車輪ラバー２６と２７は、右半球状車輪２１及び左半球状車輪２２が作り出す球状体の外周面より外側にわずかに突出している。

図１に示されているように、駆動ユニット３のハウジング３０は、螺旋板１０の内面１０ｂ側に装着されており、螺旋板１０に所定ピッチで設けられた貫通孔１１から球状車輪２が突き出している。また、図２から理解できるように、球状車輪２は、その車輪回転軸心ＸＷが螺旋板１０の外面１０ａからさらに間隔をとって配置されており、螺旋板１０が走行中に変形したり、管壁内面９１に凹凸があったりしても、螺旋板１０が管壁内面９１に接触する可能性は低減されており、安定した走行が保証される。また、減速機構４が球状車輪２に内蔵され、モータ３２を含む駆動ユニット３のハウジング３０が螺旋板１０の内面１０ｂ側に位置しているので、これらが管壁内面９１に接触することはない。

駆動ユニット３のモータ３２の回転方向を変えることで、螺旋機体１の前進及び後進を変更できる。モータ３２の回転方向の変更は、ケーブル６０に接続されている電源の極性を変更するなど、簡単な方法で実現できる。

なお、駆動ユニット３、つまり球状車輪２の螺旋板１０への取り付けピッチは、走行すべき管９の内径等に依存するが、螺旋板１０の１周回で３個以上の球状車輪２が配置されるように設定することが好ましい。また、走行安定性のために多数の球状車輪２を配置する場合には、全ての球状車輪２を駆動車輪タイプとせずに、駆動ユニット３を省いてガイド車輪タイプとしてもよい。

次に、図７及び図８を参照して、管内自走機が管９の内部を移動しているときの状態を説明する。図６は、管９の曲り部を管内自走機が移動しているときの状態である。管内自走機は、弾性変形自在の螺旋板１０を螺旋状にした螺旋機体１で構成されているので、管９の曲り状態に適応して自身が屈曲する。管内自走機の形状変化（この場合は「曲り」）は、螺旋板１０の弾性力によって自動的に行われる。そのため、螺旋機体１の形状変化のために特別な制御機構は不要である。

図７は、管９の内径が変化している部位を管内自走機が移動しているときの状態である。螺旋機体１は、長手軸心ＸＬの方向に沿った端部の螺旋径が中央部の螺旋径よりも小さく形成されているので、管９の内径の小さい部分にその端部からスムーズに入り込むことができる。更に、螺旋機体１が回転しながら進むので、例えばネジの先端が狭い部分に旋回しながら入り込んで行くように、螺旋機体１の全体が管９の奥の狭い部分に旋回しながら入り込んで行くことができる。このとき、本来の螺旋径が比較的大きい螺旋機体１の中央領域は、管９の内径の変化に応じて自身の外径を変化させながら、管９の内径の小さい部分に進入する。

以上のように、螺旋機体１は、弾性変形自在であるので、長手軸心ＸＬの方向及び長手軸心ＸＬに直交する径方向に沿って変形して拡縮自在であり、円形以外の断面形状の管９にも対応できる。

〔別な実施形態〕
（１）上記実施形態において、螺旋機体１を構成する螺旋板１０は、弾性変形自在であれば樹脂製などの金属以外の材料で製造してもよい。更に、螺旋板１０は板状でなくてもよい。例えば、螺旋板１０の断面が円形又は楕円形などの他の形状でもよい。
（２）上記実施形態において、モータ３２への給電はケーブル６０を介して行われたが、螺旋機体１にバッテリを備えて自己給電することも可能であり、各モータ３２にバッテリを割り当てもよいし、グループ単位で１つのバッテリから給電してもよい。その際、モータ３２のＯＮ・ＯＦＦ制御を無線や有線で一括に操作すると好都合である。
（３）上記実施形態において、球状車輪２は、２分割構成であったが、それ以上の分割数で構成してもよい。また、減速機構４を内蔵しない場合には、特に分割構成にしなくてもよい。

本発明に係る管内自走機は、ガス管などの様々な管の状態を管内から検査するための機器を管内に送り込むときに利用できる。

１ 螺旋機体
ＸＬ 長手軸心
１０ 螺旋板
１０ａ 外面
１０ｂ 内面
１１ 貫通孔
２ 球状車輪
２１ 左半球状車輪
２２ 右半球状車輪
２３ 車輪駆動軸
３ 駆動ユニット
３０ ハウジング
３２ モータ
３３ サスペンションユニット
４ 減速機構
５ ギヤボックス
９ 管
９０ 管軸心
９１ 管壁内面
ＸＷ 車輪回転軸心

Claims (5)

1. 管内壁面を自走する管内自走機であって、
   長手軸心周りで螺旋状に延びた径方向に弾性拡縮可能な螺旋板からなる螺旋機体と、
   前記螺旋板に所定間隔で配置された球状車輪と、
   前記球状車輪の中心を通って前記螺旋板の延び方向を横断する横断方向に前記球状車輪の内部を延びて、前記球状車輪を駆動する車輪駆動軸と、
   前記車輪駆動軸を駆動する駆動ユニットと、
   を備え、
   前記車輪駆動軸が前記螺旋板の外面より外方に位置している管内自走機。
2. 前記駆動ユニットからの動力が減速機構を介して前記車輪駆動軸に伝達され、前記減速機構が前記球状車輪に内蔵されている請求項１に記載の管内自走機。
3. 前記駆動ユニットは前記螺旋機体の内部に配置され、前記螺旋板に固定されており、前記減速機構は前記駆動ユニットにサスペンションユニットを介して支持されている請求項２に記載の管内自走機。
4. 前記車輪駆動軸は、前記減速機構に支持されている請求項２または３に記載の管内自走機。
5. 前記球状車輪は、左半球状車輪と右半球状車輪とからなり、前記左半球状車輪に形成されたボス部に前記車輪駆動軸の左端部が固着されており、前記右半球状車輪に形成されたボス部に前記車輪駆動軸の右端部が固着されている請求項１から４のいずれか一項に記載の管内自走機。

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