JP2023173410A

JP2023173410A - 配管経路作成装置

Info

Publication number: JP2023173410A
Application number: JP2022085649A
Authority: JP
Inventors: 篤加古川; Atsushi Kakogawa; 書根馬; Shugen Ma; 千大廣瀬; Chihiro Hirose
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2022-05-26
Filing date: 2022-05-26
Publication date: 2023-12-07

Abstract

【課題】配管経路を正確に作成することができる配管経路作成装置を提供する。【解決手段】配管内を移動する牽引車１の移動距離を検出するロータリエンコーダ９と、牽引車１の配管内での姿勢を検出する慣性計測装置１１と、ロータリエンコーダ９にて検出した移動距離と、慣性計測装置１１にて検出した姿勢に基づいて、配管内での牽引車１の現在の座標位置を算出するマイコン１２と、マイコン１２にて算出された現在の座標位置を結ぶことにより、配管経路を作図するＰＣ２０と、ＰＣ２０にて作図される配管経路のうち、曲管部分を予め決定されている角度に置き換えて作図できるような補正データを生成するマイコン１２と、を有してなる。【選択図】図４

Description

本発明は、配管経路作成装置に関する。

従来、配管の内部にロボットを進入させて配管の内部を検査し、そのロボットの配管の内部での位置を正確に推定する配管検査ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－４３１２号公報

しかしながら、上記のような配管検査ロボットは、配管経路を正確に作成することができないという問題があった。この点、詳しく説明すると、現在、ガス管、水道管、プラントなどの配管設備の図面が存在しないケースが多数存在している。多くの配管は、１９６０年代～１９７０年代に敷設され、高度経済成長による急速な発展とそれに伴う人手不足により図面などの記録がなおざりになっていた。そのため、大まかな配管の敷設・埋設場所は分かっていても、詳細な経路は不明であることが多い。この問題は重大で、配管メンテナンス作業時に補修・交換工事などが非効率化してしまうだけでなく、電気やインターネット回線などの別の工事にも影響を与えてしまう恐れがあるという問題があった。しかしながら、配管設備の図面を作成するために、地面を掘り返したり、建物を全て解体して配管図面を作成し直すことは多大な時間と労力を要するという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑み、配管経路を正確に作成することができる配管経路作成装置を提供することを目的としている。

上記本発明の目的は、以下の手段によって達成される。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に係る配管経路作成装置は、配管（Ｋ）内を移動する移動装置（例えば、牽引車１）の移動距離を検出する移動距離検出手段（ロータリエンコーダ９）と、
前記移動装置（例えば、牽引車１）の前記配管（Ｋ）内での姿勢を検出する姿勢検出手段（慣性計測装置１１）と、
前記移動距離検出手段（ロータリエンコーダ９）にて検出した移動距離と、前記姿勢検出手段（慣性計測装置１１）にて検出した姿勢に基づいて、前記配管（Ｋ）内での前記移動装置（例えば、牽引車１）の現在の座標位置を算出する座標位置算出手段（マイコン１２）と、
前記座標位置算出手段（マイコン１２）にて算出された現在の座標位置を結ぶことにより、前記配管（Ｋ）経路を作図する作図手段（ＰＣ２０）と、
前記作図手段（ＰＣ２０）にて作図される前記配管（Ｋ）経路のうち、曲管（Ｋａ）部分を予め決定されている角度に置き換えて作図できるような補正データを生成する補正データ作成手段（マイコン１２）と、を有してなることを特徴としている。

請求項２に係る配管経路作成装置は、上記請求項１に記載の配管経路作成装置において、前記補正データ作成手段（マイコン１２）は、
前記曲管（Ｋａ）部分を予め決定されている角度に置き換える際の開始地点と終了地点を決定し、さらに、前記曲管（Ｋａ）部分をどの方向に曲げるのかの方向を決定することによって、前記補正データを生成してなることを特徴としている。

次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１に係る発明によれば、座標位置算出手段（マイコン１２）にて算出された現在の座標位置を結ぶことにより、作図手段（ＰＣ２０）にて配管（Ｋ）経路を作図する。そして、作図手段（ＰＣ２０）にて作図される配管（Ｋ）経路のうち、曲管（Ｋａ）部分を予め決定されている角度に置き換えて作図できるような補正データを生成することによって、曲管（Ｋａ）部分を予め決定されている角度に置き換えて作図できるから、配管（Ｋ）経路を正確に作成することができる。

請求項２に係る発明によれば、補正データ作成手段（マイコン１２）は、曲管（Ｋａ）部分を予め決定されている角度に置き換える際の開始地点と終了地点を決定し、さらに、曲管（Ｋａ）部分をどの方向に曲げるのかの方向を決定することによって、補正データを生成しているから、正確な曲管（Ｋａ）の経路を作図することが可能となる。

本発明に係る配管経路作成装置が有する牽引車の一実施形態を示す斜視図である。同実施形態に係る牽引車が配管内に配置されている状態を示し、（ａ）は、側面図、（ｂ）は、正面図である。同実施形態に係る牽引車を上方向から見た斜視図である。同実施形態に係るロータリエンコーダと、慣性計測装置と、マイコンと、ＰＣとの電気的な接続関係を示すブロック図である。配管経路の作図方法を説明する説明図である。曲管が９０度方向に曲がっているものとして置き換えることを説明する説明図である。曲管が９０度方向に曲がっているものとして置き換える際の開始点と終了点を決定する方法を説明する説明図である。曲管がどの方向に曲がっているのかを決定する方法を説明する説明図である。曲管が９０度方向に曲がっているものとして置き換える際の処理方法を説明するフローチャート図である。ｊ＋１番目の配管の方向が一意に決まった後、牽引車の走行開始時、Ｚ軸周りに、進行方向の誤差α_ｉだけ回転させて牽引車の姿勢を補正することを説明する説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係る配管経路作成装置を、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明において、上下左右の方向を示す場合は、図示正面から見た場合の上下左右をいうものとする。

＜配管経路作成装置の説明＞
本実施形態に係る配管経路作成装置は、上記説明した従来の配管検査ロボットに牽引されるセンシングユニットで構成されてなるものである。具体的に説明すると、配管経路作成装置は、図１に示すような、牽引車１を備えている。この牽引車１は、図２に示すように、配管Ｋ内を牽引されるもので、図１に示すように、Ｖ字状に形成されており、１輪で構成されている前輪車２と、１輪で構成されている後輪車３と、で構成されている。この前輪車２は、図１及び図２（ａ）に示すように、側面視、横長半楕円状の前輪車支持部４に回転可能に支持されている。そして、後輪車３は、図１及び図２（ａ）に示すように、側面視、横長半楕円状の後輪車支持部５に回転可能に支持されている。なお、前輪車２と後輪車３とは、受動輪の役割を担うものである。

かくして、このような前輪車支持部４の端部及び後輪車支持部５の端部には、それぞれ、図１及び図２（ａ）に示すように回転軸６ａが回転可能なように取り付けられている。これにより、前輪車支持部４と後輪車支持部５が取り付け固定されている。

一方、この回転軸６ａには、図１に示すように、一対の受動輪６が取り付けられている。この一対の受動輪６間には、前回転部材７と、後回転部材８とが、回転軸６ａに回転可能に取り付けられている。これにより、前回転部材７と、後回転部材８とは、回転軸６ａ周りを回転できるようになっている。そして、この前回転部材７と、後回転部材８とが、回転軸６ａ周りを回転した際、元に戻ることができるように、図３に示すように、回転軸６ａには、コイルばね６ａ１が巻き付けられている。

ところで、この前回転部材７には、図２（ａ）に示すように、コネクタ７ａが設けられており、このコネクタ７ａには、図１に示すケーブル７ｂが差し込み可能となっている。このケーブル７ｂは、上記説明した従来の配管検査ロボットに接続されるもので、これによって、配管検査ロボットが自走すると、それに合わせて、前輪車２と後輪車３とが回転し、牽引車１が配管検査ロボットに牽引されることとなる。

一方、後回転部材８には、図２（ａ）に示すように、コネクタ８ａが設けられており、このコネクタ８ａには、図１に示すケーブル８ｂが差し込み可能となっている。このケーブル８ｂは、配管Ｋの外に配置されるＰＣ（ＰｅｒｓｏｎａｌＣｏｍｐｕｔｅｒ）２０（図４参照）に接続されている。

かくして、このように構成される牽引車１には、図３に示すように、前輪車支持部４内にロータリエンコーダ９が配置されている。このロータリエンコーダ９は、図３に示すように、ロータリエンコーダ９の歯車９ａが、前輪車２の駆動軸２ａの回転に伴って回転する歯車１０に噛み合っている。これにより、ロータリエンコーダ９は、前輪車２の回転数を検出することができる。

さらに、牽引車１には、図２（ａ）及び図３に示すように、前輪車支持部４内に慣性計測装置１１（ＩＭＵ（ＩｎｅｒｔｉａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＵｎｉｔ））が配置されている。この慣性計測装置１１は、３次元の慣性運動（直行３軸方向の並進運動および回転運動）を検出するもので、加速度センサにより並進運動を、角速度(ジャイロ)センサにより回転運動を検出するものである。これにより、牽引車１の姿勢、すなわち、上記説明した従来の配管検査ロボットの姿勢を検出することができる。

またさらに、牽引車１には、図２（ａ）及び図３に示すように、後輪車支持部５内にマイコン１２が配置されている。このマイコン１２は、図４に示すように、ロータリエンコーダ９からの信号、及び、慣性計測装置１１からの信号を受信することができるものである。そして、このマイコン１２は、ロータリエンコーダ９からの信号を受信、又は、慣性計測装置１１からの信号を受信することで、所定の処理を行い、その処理された信号を、図１に示すケーブル８ｂを介して、配管Ｋの外に配置されるＰＣ２０に出力するものである。なお、以下、詳しく説明するが、この処理された信号に基づいて、ＰＣ２０は、配管Ｋの経路を作図できることとなる。

＜配管経路作成装置の使用例の説明＞
次に、上記のように構成される配管経路作成装置を使用する使用例を説明することとする。

まず、図２（ａ）に示す慣性計測装置１１のセンサ座標系Ｓにおける牽引車１（上記説明した従来の配管検査ロボット）の進行方向は、以下の数式を用いて、マイコン１２によって算出される。

θは、図２（ａ）に示すセンサ座標のｘ軸と、進行方向ベクトルｕ_ｉｍｕがなす角度であり、Ｄ_ｐ（図２（ｂ）参照）は、配管Ｋの直径であり、Ｄ_ｗ（図２（ａ）参照）は、前輪車２又は後輪車３の直径であり、Ｌ（図２（ａ）参照）は、前輪車２又は後輪車３から、受動輪６までの距離、Ｗ（図２（ｂ）参照）は、牽引車１の幅である。

次いで、絶対座標系Ｅにおける牽引車１（上記説明した従来の配管検査ロボット）の進行方向は、以下の数式を用いて、マイコン１２によって算出される。

かくして、このように算出されたｉ回目のサンプリングにおける進行方向ベクトルを以下の数式に当てはめることにより、マイコン１２は、牽引車１（上記説明した従来の配管検査ロボット）の現在位置を算出することができる。

Ｐ_ｉは、ｉ回目のサンプリングにおける現在位置の座標を示し、ｄ_ｉは、ロータリエンコーダ９から受信した信号に基づいて算出される単位時間における走行距離である。

かくして、このように算出された現在位置の座標を、マイコン１２は、図１に示すケーブル８ｂを介して、配管Ｋの外に配置されるＰＣ２０（図４参照）に出力する。これにより、ＰＣ２０は、図５に示すように、現在位置座標を結ぶことで総走行距離を算出することができるため、配管Ｋの経路の作図が可能となる。したがって、このような回転行列を用いた手法を採用することにより、簡単に配管Ｋの経路の作図が可能となる。

ところで、本実施形態においては、慣性計測装置１１から受信した信号に基づいて推定された牽引車１（上記説明した従来の配管検査ロボット）の姿勢を、マドヴィックフィルタを使用して算出しているが、これは、慣性計測装置１１から受信した信号だけでは、誤差が大きく、使用に耐え得るもので無いためである。そのため、誤差を最小限にするため、マドヴィックフィルタを使用している。

しかしながら、配管Ｋには、図５に示すように、必ず、曲管Ｋａが存在する。この曲管Ｋａは、マドヴィックフィルタを使用しても、どうしても誤差が生じ、正確な曲管Ｋａの経路を作図することができない。

そこで、本実施形態においては、配管Ｋの規格として、多くの配管Ｋの曲管Ｋａが９０度方向の分岐のみで構成されていることに着目し、曲管Ｋａの補正を行うようにしている。すなわち、図６に示すように、ｊ番目の配管Ｋの配管方向ベクトルｕ_ｓ,ｊとし、ｊ＋１番目の配管Ｋの配管方向ベクトルｕ_{ｓ,ｊ＋１}とした際、ｊ番目の配管Ｋの曲管Ｋａにおける牽引車１（上記説明した従来の配管検査ロボット）の走行時の計測を、曲管Ｋａが９０度方向に曲がっているものとして置き換えるというものである。この点、以下、図７～図９を用いて詳しく説明することとする。

まず、マイコン１２は、図９に示すように、牽引車１の現在の角度を算出する（ステップＳ１）。具体的には、図７に示すｊ番目の配管Ｋに牽引車１が侵入した際と、現在の進行方向ベクトルのｕ_Ｅ，ｊ，ｕ_Ｅ，ｉとがなす角度を、マイコン１２は、以下の数式を用いて算出する。これにより、牽引車１の現在の角度を算出できることとなる。なお、進行方向の変化は牽引車１の姿勢に依存しないため、応答性を考慮し、マイコン１２は、ｕ_Ｅ，ｉを、慣性計測装置１１の角速度(ジャイロ)センサのみから算出するようにしている。

次いで、図９に示すように、マイコン１２は、算出した牽引車１の現在の角度と、現在位置（上記説明した数式４を用いて算出）から０．０５ｍ前に算出した牽引車１の角度との差分を取る（ステップＳ２）。そして、この差分が５度以上でなければ（ステップＳ２：Ｎｏ）、ステップＳ１の処理に戻り、この差分が５度以上であれば（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、ステップＳ３の処理に移行する。

次いで、図９に示すように、マイコン１２は、直近０．１ｍの区間、すなわち、現在位置（上記説明した数式４を用いて算出）を含む前後０．１ｍ区間（図７に示すＡ矢印部分参照）における角度変化の極小値から、置き換えの開始点Ｐ_e,j（図７参照）を決定する（ステップＳ３）。これにより、曲管Ｋａの補正開始位置が決定されることとなる。

次いで、図９に示すように、マイコン１２は、上記説明した数式５を用いて、牽引車１の現在の角度を算出する（ステップＳ４）。そして、マイコン１２は、この算出した現在の角度が７５度以上か否かを確認する（ステップＳ５）。現在の角度が７５度以上でなければ（ステップＳ５：Ｎｏ）、ステップＳ４の処理に戻り、現在の角度が７５度以上であれば（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、ステップＳ６の処理に移行する。

次いで、図９に示すように、マイコン１２は、算出した牽引車１の現在の角度と、現在位置（上記説明した数式４を用いて算出）から０．０５ｍ前に算出した牽引車１の角度との差分を取る（ステップＳ６）。そして、この差分が１度以下でなければ（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ４の処理に戻り、この差分が１度以下であれば（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、ステップＳ７の処理に移行する。

次いで、図９に示すように、マイコン１２は、直近０．１ｍの区間、すなわち、現在位置（上記説明した数式４を用いて算出）を含む前後０．１ｍ区間（図７に示すＢ矢印部分参照）における角度変化の極大値から、置き換えの終了点Ｐ_ｓ,j＋１（図７参照）を決定する（ステップＳ７）。これにより、曲管Ｋａの補正終了位置が決定されることとなる。

かくして、このようにすれば、曲管Ｋａの補正開始位置と補正終了位置が決定されることとなる。

次いで、図９に示すように、マイコン１２は、ステップＳ７の処理を終えた後、配管方向ベクトルの決定を行う（ステップＳ８）。具体的には、図７に示すｊ＋１番目の配管Ｋの方向を決定する。この点、更に詳しく説明すると、マイコン１２は、まず、以下の数式を用いて、図８に示すベクトルｖ_s,iの算出を行う。

そして、本実施形態において、図７に示すｊ番目の配管Ｋの方向は、＋Ｙ軸方向であるから、図８に示すベクトルｖ_s,iと、Ｚ軸とがなす角φ_ｓによって、ｊ＋１番目の配管Ｋの方向を決定する。すなわち、マイコン１２は、以下の数式を用いて、角φ_ｓの値を算出する。

Ｒは、２つの直交軸を導出するための行列であり、本実施形態においては、以下のように定義することができる。

次に、マイコン１２は、算出した角φ_ｓの値が、どの閾値に該当するかを確認する。すなわち、本実施形態において、図７に示すｊ番目の配管Ｋの方向が、＋Ｙ軸方向であるから、ｊ＋１番目の配管Ｋの方向は、図８に示すように、＋Ｚ軸方向、－Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向、－Ｘ軸方向の何れかである。そのため、図８に示すような閾値を設定しておき、どの範囲に該当するかを確認する。具体的には、図８に示すように、０≦φ_ｓ＜π／４、又は、－π／４≦φ_ｓ＜０であれば、ｊ＋１番目の配管Ｋの方向は、＋Ｚ軸方向、π／４≦φ_ｓ＜３π／４であれば、ｊ＋１番目の配管Ｋの方向は、－Ｘ軸方向、３π／４≦φ_ｓ＜π、又は、－π≦φ_ｓ＜－３π／４であれば、ｊ＋１番目の配管Ｋの方向は、－Ｚ軸方向、－３π／４≦φ_ｓ＜－π／４であれば、ｊ＋１番目の配管Ｋの方向は、＋Ｘ軸方向となる。したがって、本実施形態においては、図７に示すようにｊ＋１番目の配管Ｋの方向は、＋Ｘ軸方向であるから、φ_ｓの値は、－３π／４≦φ_ｓ＜－π／４内にあることとなる。なお、本実施形態においては、ｊ番目の配管Ｋの方向が＋Ｙ軸方向であることを例に説明したが、－Ｙ方向、±Ｘ方向、±Ｚ方向の何れにも適用できることは言うまでもなく、閾値の関しては、想定される全ての方向に合わせて、予め閾値を設定しておけば良い。

かくして、このようにして、算出した角φ_ｓの値が、どの閾値に該当するかを確認した後、マイコン１２は、曲管Ｋａをどの方向（本実施形態においては、＋Ｘ軸方向）に９０度曲げるかの情報、及び、曲管Ｋａの補正開始位置と補正終了位置の情報を、図１に示すケーブル８ｂを介して、配管Ｋの外に配置されるＰＣ２０（図４参照）に出力する。これにより、ＰＣ２０は、図５を用いて説明した現在位置座標を結ぶことで作図していた曲管Ｋａの経路部分を、強制的に＋Ｘ軸方向に９０度曲げた曲管の経路に置き換えて作図することとなる。

かくして、マイコン１２は、上記ステップＳ８の処理を終えた後、再び、ステップＳ１の処理に戻り、処理を繰り返すこととなる。したがって、このようにすれば、正確な曲管Ｋａの経路を作図することが可能となる。

したがって、以上説明してきた本実施形態に係る配管経路作成装置によれば、配管経路を正確に作成することができる。

＜変形例の説明＞
なお、本実施形態において示した形状等はあくまで一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、図１０に示すように、ｊ＋１番目の配管Ｋの方向が一意に決まった後、牽引車１の走行開始時、マイコン１２によって、Ｚ軸周りに、進行方向の誤差α_ｉだけ回転させて、牽引車１（上記説明した従来の配管検査ロボット）の姿勢を補正するようにしても良い。これは、慣性計測装置１１の加速度センサによる姿勢補正では、重力方向周りの推定誤差が生じる可能があるためである。そのため、このような補正をするようにしても良い。なお、誤差α_ｉは、以下の数式９～１１を用いて算出される。

また、本実施形態においては、牽引車１にロータリエンコーダ９、慣性計測装置１１、マイコン１２を配置する例を示したが、それに限らず、上記説明した従来の配管検査ロボットに配置するようにしても良い。しかしながら、従来の配管検査ロボットは自走するため、この従来の配管検査ロボットがスリップした際、実際は、進んでいないのに、ロータリエンコーダ９が進んだとして、回転を検出してしまう可能性がある。そのため、本実施形態のように、自走しない牽引車１に配置するようにすれば、従来の配管検査ロボットがスリップしたとしても、進んでいなければ、牽引車１の前輪車２と、後輪車３は回転しないため、ロータリエンコーダ９が進んだとして、回転を検出してしまう可能性はない。そのため、自走しない牽引車１に配置するのが好ましい。

また、本実施形態においては、前輪車２と、後輪車３とをそれぞれ１輪で構成する例を示したが、それに限らず、２輪で構成するようにしても良い。しかしながら、１輪で構成するのが好ましい。２輪で構成すると、牽引車１が曲管Ｋａに侵入した際、曲管Ｋａに引っ掛かりやすいという欠点がある。そのため、スムーズに曲管Ｋａに侵入できるように、前輪車２と、後輪車３とをそれぞれ１輪で構成するのが好ましい。

また、本実施形態においては、曲管Ｋａが９０度方向に曲がっているものを前提に説明したが、４５度方向に曲がっているものにも対応可能である。この場合、図８では、閾値をπ／４ずつ分割する例を示したが、π／８ずつ分割するようにすれば良い。

また、本実施形態においては、マイコン１２から、ケーブル８ｂを介して、配管Ｋの外に配置されるＰＣ２０に出力する例を示したが、それに限らず、無線によって、ＰＣ２０にデータを出力するようにしても良い。

また、本実施形態において例示した曲管Ｋａをどの方向に９０度曲げるかの情報、及び、曲管Ｋａの補正開始位置と補正終了位置の情報の作成方法は、あくまで一例であり、どのような方法でも良い。

１牽引車（移動装置）
９ロータリエンコーダ（移動距離検出手段）
１１慣性計測装置（姿勢検出手段）
１２マイコン（座標位置算出手段、補正データ作成手段）
２０ＰＣ（作図手段）
Ｋ配管
Ｋａ曲管

Claims

配管内を移動する移動装置の移動距離を検出する移動距離検出手段と、
前記移動装置の前記配管内での姿勢を検出する姿勢検出手段と、
前記移動距離検出手段にて検出した移動距離と、前記姿勢検出手段にて検出した姿勢に基づいて、前記配管内での前記移動装置の現在の座標位置を算出する座標位置算出手段と、
前記座標位置算出手段にて算出された現在の座標位置を結ぶことにより、前記配管経路を作図する作図手段と、
前記作図手段にて作図される前記配管経路のうち、曲管部分を予め決定されている角度に置き換えて作図できるような補正データを生成する補正データ作成手段と、を有してなる配管経路作成装置。
前記補正データ作成手段は、
前記曲管部分を予め決定されている角度に置き換える際の開始地点と終了地点を決定し、さらに、前記曲管部分をどの方向に曲げるのかの方向を決定することによって、前記補正データを生成してなる請求項１に記載の配管経路作成装置。