JP4208245B2 - 管路内自動走行ロボット - Google Patents

Description

本発明は、管路や狭隘な空間内を自動走行し、その点検、探査、清掃あるいは位置の明示を行うことができる管路内自動走行ロボットに関する。

配管内や狭隆な空間の点検あるいは清掃を行う際に使用する種々のロボットが提案されている。例えば、特許文献１の特開平６−１９１４０１号「管内自動走行装置」に、下水道管や石油導管等の配管内部の検査や補修に使用する管内自動走行装置が提案されている。

特開平６−１９１４０１号

この特許文献１に記載されている管内自動走行装置は、複数の駆動輪を外部に有するハウジング内に収納され、電気ケーブルを介して外部電源装置に接続された電動モータと油圧ポンプと油圧タンクを有する圧力源部と、圧力源部から送られる作動油で回転する油圧モータと油圧モータの出力軸と各駆動輪の車軸間を連結するギヤ群とを有する走行駆動手段と、圧力源部から送る作動油の流量と方向を制御する電磁弁ブロックとを備えたものである。

上記従来の駆動輪の回転を推進力とする管内自動走行装置では、平坦な管路内であれば走行させることができる。しかし、配管内壁に凹凸や段差があるような複雑な形状の管路のときは、その管路内を円滑に走行させることができず、管路の途中で進退不能になることが多かった。例えば、推進力としてゴム製のタイヤのみでは、管路が細かく曲がり、傾斜しているようなときは、そのタイヤが空回りして進めなかった。また、従来のタイヤ等の駆動輪を回転させる管内自動走行装置は、この装置自体も構造が複雑であるために、実用的でないという問題を有していた。

一方、従来から道路下の古い埋設管路等の探査は、地上から超音波などを照射して行っているが精度やコスト、交通障害などの問題があった。そこで、この管路内を自走する装置の提案が望まれていた。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、単純な構成の装置であってもその推進力手段として、管路内壁面に対して広く接触するように、その形状を大きく変形しえる回転体を用いると共に、ロボット本体並びに付属物を安定に支持し、かつ後戻りを防止するために弾力性を有する毛状体を利用することで、複雑な形状の管路内でも自由に走行させることができる、管路内自動走行ロボットを提供することにある。

本発明によれば、形状変形率の高い材質からなる回転体（４）の回転力により推進力を発生させる回転推進力部（２）と、棒状の毛状体支持軸（１２）の周囲に、弾力性を有する複数本の毛状体（１１）の束を所定間隔毎に複数個所に植設し、毛状体ガイド管（１３）に開けた複数の挿通孔（１４）から各毛状体（１１）の束をそれぞれ突出させ、該毛状体支持軸（１２）に対して該毛状体ガイド管（１３）を軸方向に前後動させることにより、各毛状体（１１）の束の傾斜する方向を変換させるように構成した、前記回転推進力部（２）の後戻りを防止する進行方向規制部（３）と、を備えた、ことを特徴とする管路内自動走行ロボットが提供される。

また、進行方向規制部（３）は、毛状体ガイド管（１３）に対して該毛状体支持軸（１２）を軸方向に前後動させることにより、各毛状体（１１）の束の傾斜する方向を変換させるように構成することができる。

前記回転推進力部（２）は、回転駆動する回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結したものである。前記回転推進力部（２）は、回転駆動機（９）の回転軸（６）に２個の略半球状の回転体（４）の平面側同士を離間して連結したものである。

前記回転体（４）の表面に多数の突起（１０）を設けることが好ましい。

前記回転体（４）はスポンジ材又は袋体の内部に気体又は液体等の流体を充填したものである。

前記回転推進力部（２）は、回転駆動する第一回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結した第一回転駆動部（５）と、回転駆動する第二回転軸（８）に２個の回転体（４）を連結した第二回転駆動部（７）と、前記第一回転軸（６）の軸方向と第二回転軸（８）の軸方向とが交差状になるように、前記第一回転駆動部（５）と第二回転駆動部（７）を並列配置させたものである。

または、前記回転推進力部（２）は、回転駆動する回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結した前側回転駆動部（２２）と、該前側回転駆動部（２２）に並列するように連結した、回転駆動する回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結した後側回転駆動部（２３）と、前記前側回転駆動部（２２）と前記後側回転駆動部（２３）とを連結するために、曲折可能かつ一方向に曲折するように弾性材（２４）を取り付けた連結部（２５）と、から成る。

各毛状体（１１）の先端に滑り止め（１５）を取り付けることが好ましい。

前記回転推進力部（２）に、カメラ、発信機、清掃ブラシ又はケレン装置等の作業装置（１６）を支える支持用毛状体（１８）と、該作業装置（１６）を支持するように取り付けた作業装置支持具（１７）とを備えることができる。

この発明では、回転推進力部（２）の回転体（４）がスポンジ等の形状を大きく変形し得る材質であるために、管路（Ｐ）等の凹凸面や曲折面における段差に対してその回転体（４）の接触面を広くして摩擦抵抗を高めて推進力を生じさせる。

更に、この回転推進力部（２）の回転体（４）が大きく変形し得る材質であっても、一旦進行方向に進めば、進行方向規制部（３）が、毛状体（１１）の束の傾斜する方向を容易に切り替えることにより、ロボット（１）の前進・後退の何れの方向のときにもロボット（１）の後戻りを防止する機能を有するので、管路（Ｐ）や空間の大きさ、形状、その管路（Ｐ）内の他の構進物の設置状況などの多様な条件の場所でもロボット（１）を走行させることができる。

回転推進力部（２）の第一回転駆動部（５）と第二回転駆動部（７）とを交差状に連結したロボット（１）は、管路（Ｐ）の内径が一定せずに、太さが変化するような場合でも、推進力が管路（Ｐ）の下壁面の他に側壁面にも回転体（４）を接触させることにより、推進力を確実に生じさせることができる。

前側回転駆動部（２２）と後側回転駆動部（２３）とを、弾性材（２４）を有する連結部（２５）で連結したロボット（１）では、一方の回転駆動部（２２又は２３）を跳ね上げるようになるので、大きな内径を有する管路（Ｐ）であっても、管路（Ｐ）の内壁面に必ず両方の回転駆動部（２２，２３）が接触しているので、推進力を確実に生じさせることができる。

本発明の自動走行ロボットは、装置の推進力手段として、管路内の接触面を広くとるように形状を大きく変形し得る回転体を用いる共に、後戻り防止のために弾力性を有する毛状体を利用することで、複雑な形状の管路内でも自由に走行させることができる装置である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１の自動走行ロボットを示す側断面図である。図２は実施例１の自動走行ロボットを示す正面図である。
本発明の実施例１の自動走行ロボット１は、推進力を発生させる回転推進力部２と、この回転推進力部２が後戻りしないように所定の進行方向へ規制する進行方向規制部３とを備えたものである。実施例１に係る回転推進力部２は、２個の回転体４からなる第一回転駆動部５と、２個の回転体４からなる第二回転駆動部７とを備えたものである。第一回転駆動部５は回転駆動する第一回転軸６に２個の回転体４を連結したものであり、第二回転駆動部７も同様に回転駆動する第二回転軸８に２個の回転体４を連結したものである。

各回転軸６，８は、それぞれモータ等の駆動機９から直結したものであり、この駆動機９の回転力を各回転体４に伝達する。なお、図示例では、２個の回転体４で挟むように駆動機９を配置しているが、回転力を回転体４に伝達できる構成であれば、図示例のような構造に限定されない。例えば、回転体４から離れた位置に駆動機９を配置してギヤやリンクで駆動力を伝達する手段を講ずることも可能である。また、１機の駆動機９で２組の回転駆動部５，７を駆動させることも可能である。

実施例１に係る回転推進力部２は、図２の正面図に示すように、第一回転軸６の軸方向と第二回転軸８の軸方向とが交差状になるように、第一回転駆動部５と第二回転駆動部７とを配置させたものである。このように、第一回転駆動部５と第二回転駆動部７とを交差状に連結したロボット１は、管路Ｐの内径が変化する場合、推進力が管路Ｐの下壁面の他に側壁面にも回転体４を接触させ、推進力を確実に生じさせることができる。即ち、４個の回転体４を常時管路Ｐの内壁面に接触させることができる。

図３は管路内における回転体の走行中における変形状態を示す説明断面図であり、管路の上下面に凸部がある状態（ａ）、管路が部分的に細く変化している状態（ｂ）と管路が部分的に太くなっている状態（ｃ）を示すものである。
回転推進力部２を構成する各回転体４は、スポンジのような形状変形率の高い材質からなるものである。このスポンジの他に、ゴムマリのようにゴム製の袋体の内部に気体又は液体等の流体を充填したものでもよい（図示していない）。このように回転体４が大きく変形し得る材質であれば、管路Ｐ等の凹凸面や曲折面における段差に対してその回転体４の接触面を広くすることにより推進力を生じさせることができる。例えば、図３は（ａ）に示すように、管路Ｐの上下面に凸部Ｐ１，Ｐ２がある状態では、回転体４がこの凸部Ｐ１，Ｐ２で凹むように変形しながら回転走行する。

図３（ｂ）に示すように、管路Ｐの内径が部分的に細くなるようなときも、この回転体４がこの段差Ｐ３で凹むように変形しながら回転走行する。逆に、図３は（ｃ）に示すように、管路Ｐの内径が部分的に太くなるようなときも、この回転体４がこの段差Ｐ４で変形しながら回転走行する。このように、本発明のロボット１は管路Ｐや空間の大きさ、形状、その管路Ｐ内の他の構進物の設置状況などの多様な条件の場所でも走行させることができる。

図４は回転体の表面に多数の突起を設けた他の実施例を示す一部断面図である。
本発明の回転体４の表面に多数の突起１０を設けることにより、管路Ｐの内壁面との摩擦抵抗を高め、より確実に走行することができる。なお、突起１０に代えて、穴を多数形成したものであってもよい。

図５は進行方向規制部の動作状態を示す側断面図であり、前進状態（ａ）と後退状態（ｂ）である。
進行方向規制部３は、弾力性を有する複数本の毛状体１１を回転推進力部２の進行方向と反対の方向へ傾斜配置したものである。この進行方向規制部３は、走行中の回転推進力部２が管路Ｐ内において障害物で走行しづらくなったときに、後戻りを防止する作用を有する。回転推進力部２の回転体４は、大きく変形し得る材質であるため、管路Ｐ内の変形した壁面では回転体４が空回りしやすいことがある。そこで、この進行方向規制部３が後戻りを防止して、管路Ｐや空間の大きさ、形状、その管路Ｐ内の他の構造物の設置状況などの多様な条件の場所でもロボット１を走行させるようになっている。

進行方向規制部３は、棒状の素材からなる毛状体支持軸１２は、その周囲に複数本の毛状体１１の束が例えばリング状になるように、所定間隔をあけて複数個所に植設してある。図示例では、５本列の毛状体１１のリングが３箇所あるがこの数値に限定されず、大型の自動走行ロボット１のときは、この数より毛状体１１のリングを多く設け、逆にコンパクトな自動走行ロボット１のときは、この毛状体１１のリングの数を減らすことができる。

各毛状体１１の束は、毛状体ガイド管１３に開けた複数の挿通孔１４からそれぞれ突出させる。この毛状体１１は、弾力性を有し、水分の多い配管等の管路Ｐにおいて耐水性を有する合成樹脂であれば何れのものでも使用することができる。例えば、ポリエチレン、アクリル系樹脂、塩化ビニル系樹脂のいずれでも使用することができる。また、毛状体１１は合成樹脂材に限定されず、金属材を用いることも可能である。

進行方向規制部３は、毛状体支持軸１２に対して毛状体ガイド管１３を前後動させることにより、毛状体１１の束の傾斜する方向を変換させるように構成したものである。例えば、電磁コイル中に可動鉄心を入れ、この可動鉄心が励磁電流により、吸引されたり離れたりすることによって、この可動鉄心に連結した毛状体ガイド管１３を進退させるように構成することも可能である。または平ギヤと駆動ギヤを用いて毛状体１１の方向を変換させるだけでなく、その傾斜角度を微調整することも可能である。

なお、毛状体１１は必ずしも毛状体支持軸１２に対して完全なリング状となるように植設する必要はない。例えば、本発明の自動走行ロボット１を平坦な場所において走行させるとき、又は自動走行ロボット１の上下関係を一定に保ちながら走行させたいときは、下面となる毛状体１１の束をやや平面に近い形状になるように揃えて植設する。あるいは毛状体支持軸１２の位置(重心)をやや下方へずらした形になるように毛状体１１を配置する。

図５（ａ）の「前進状態」に示すように、毛状体１１の束が毛状体ガイド管１３の各挿通孔１４で傾斜(図示上で右側)させられている。この傾斜方向は、自動走行ロボット１の進行方向（回転推進力部２の進行方向）と反対の方向へ傾斜させたものである。この傾斜させた毛状体１１は、自動走行ロボット１が走行するときは、走行の邪魔にならないが、逆戻りは防止する。この毛状体１１の先端部に滑り止め１５を取り付けてあるので、自動走行ロボット１を前進方向（図示例では左方向）へ走行させることができる。なお、摩擦抵抗の高い場所であれば、この滑り止め１５を省略することも可能である。

図５（ｂ）の「後退状態」に示すように、自動走行ロボット１を後退させるときは、毛状体ガイド管１３の動作で、毛状体１１の束が毛状体ガイド管１３の各挿通孔１４で傾斜(図示上で左側)させる。

自動走行ロボット１における、自動走行ロボット１の動力源となる振動や回転駆動機９を作動させる電源は、内部電池又はケーブル等による外部供給の電源（図示していない）とし、用途により使い分けることができる。

自動走行ロボット１には、図１に示すように、カメラ、発信機、清掃ブラシ又はケレン装置等の作業装置１６を支持するための作業装置支持具１７を取り付けることができる。作業装置１６には支持毛状体１８を取り付け、カメラ等への振動を吸収し撮影に支障のないようになっている。なお、カメラの設置位置は自動走行ロボット１の後方でもよく、他の部材の位置等についてもこの形に限定するものではない。

例えば、本発明の自動走行ロボット１を管路Ｐ内も点検に使用するときは、小型カメラの画像や操作指令の送受信は、カメラ付携帯電話機を応用した小型軽量のものを、自動走行ロボット１に取り付け、発光ダイオードなどの照明で鮮明な画像の撮影することができる。

また、自動走行ロボット１に清掃用ブラシやケレン装置を設置することで、軽易な清掃を可能とする。その清掃量が多い場合などには、管路Ｐの点検により確実な清掃処理するときに利用することができ、別の方法で対処することも可能である。

交通量の多い道路下の埋設配管などは、この自動走行ロボット１に小型の超音波などの発信装置を装備して管路Ｐ内を走行させ、これを歩道上などから追尾することで位置確認を行うことができる。

図６は実施例２の自動走行ロボットを示す側断面図である。
実施例２の自動走行ロボット１は、回転推進力部２を１組のみを配置したものである。例えば、管路Ｐの内径が一定しており、かつ内壁面が平滑なときは、推進力となる回転駆動部２を１組のみでも走行させることができる。この回転推進力部２に連続して進行方向規制部３を連結させ、後戻りすることなく、進行させことができる。

図７は実施例３の自動走行ロボットを示す側断面図である。
実施例３の自動走行ロボット２１は、２組の回転駆動部２２，２３を並列配置したものである。例えば、大きな内径を有する管路Ｐではその内壁面に回転駆動部の回転体４が接触しないで推進力を確実に伝達しないおそれがある。そこで、実施例３では、回転推進力部２の前側回転駆動部２２と後側回転駆動部２３とを弾性材２４を取り付けた連結部２５で連結した。２組の回転駆動部２２，２３が常時走行方向の軸線から離れる方向へ飛び出すようになっているので、大きな内径を有する管路Ｐの内壁面に、必ず両方の回転駆動部２２，２３が接触しているので、推進力を確実に生じさせることができる。これらの後側回転駆動部２３に連続して進行方向規制部３を連結させ、後戻りすることなく、進行させことができる。

この上下面に前側回転駆動部２２と後側回転駆動部２３とが、別々の壁面に接触しているときは、それぞれの回転体４の回転方向は逆向きにする必要がある。

図８は実施例３の自動走行ロボットを細い管路内を走行させている状態を示す断面図である。
実施例３の自動走行ロボット２１は、細い管路Ｐ内を走行させるときは、連結部２５の弾性材２４は、略平行な状態になり、細い管路Ｐ内でも収まることができる。なお、このときでも前側回転駆動部２２と後側回転駆動部２３とが、別々の壁面に接触しているのでそれぞれの回転体４の回転方向は逆向きになる。

なお、上述した例では、弾力性を有する回転推進力部２に進行方向規制部３を連結させる構成であれば、図示例の形状に限定されず、種々の形状や組み合わせることができ、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の自動走行ロボットは、ケーブルを挿通させるような管路内を円滑に前進、後退させることができる。更に、従来から道路下の古い埋設管路等の配管内壁に凹凸や段差があるような複雑な形状の管路、災害地の瓦礫の空間内であっても円滑に走行させ、その探査のために利用することができる。

本発明の実施例１の自動走行ロボットを示す側断面図である。 実施例１の自動走行ロボットを示す正面図である。 管路内における回転体の走行中における変形状態を示す説明断面図であり、管路の上下面に凸部がある状態（ａ）、管路が部分的に細く変化している状態（ｂ）と管路が部分的に太くなっている状態（ｃ）を示すものである。 回転体の表面に多数の突起を設けた他の実施例を示す一部断面図である。 進行方向規制部の動作状態を示す側断面図であり、前進状態（ａ）と後退状態（ｂ）である。 実施例２の自動走行ロボットを示す側断面図である。 実施例３の自動走行ロボットを示す側断面図である。 実施例３の自動走行ロボットを細い管路内を走行させている状態を示す断面図である。

符号の説明

１，２１ 自動走行ロボット
２ 回転推進力部
３ 進行方向規制部
４ 回転体
５ 第一回転駆動部（回転駆動部）
６ 第一回転軸（回転軸）
７ 第二回転駆動部
８ 第二回転軸
９ 回転駆動機
１０ 突起
１１ 毛状体
１２ 毛状体支持軸
１３ 毛状体ガイド管
１４ 挿通孔
１５ 滑り止め
１６ 作業装置
１７ 作業装置支持具
１８ 支持毛状体
２２ 前側回転駆動部
２３ 後側回転駆動部
２４ 弾性材
２５ 連結部

Claims (11)

1. 形状変形率の高い材質からなる回転体（４）の回転力により推進力を発生させる回転推進力部（２）と、
   棒状の毛状体支持軸（１２）の周囲に、弾力性を有する複数本の毛状体（１１）の束を所定間隔毎に複数個所に植設し、毛状体ガイド管（１３）に開けた複数の挿通孔（１４）から各毛状体（１１）の束をそれぞれ突出させ、該毛状体支持軸（１２）に対して該毛状体ガイド管（１３）を軸方向に前後動させることにより、各毛状体（１１）の束の傾斜する方向を変換させるように構成した、前記回転推進力部（２）の後戻りを防止する進行方向規制部（３）と、
   を備えた、ことを特徴とする管路内自動走行ロボット。
2. 形状変形率の高い材質からなる回転体（４）の回転力により推進力を発生させる回転推進力部（２）と、
   棒状の毛状体支持軸（１２）の周囲に、弾力性を有する複数本の毛状体（１１）の束を所定間隔毎に複数個所に植設し、毛状体ガイド管（１３）に開けた複数の挿通孔（１４）から各毛状体（１１）の束をそれぞれ突出させ、該毛状体ガイド管（１３）に対して該毛状体支持軸（１２）を軸方向に前後動させることにより、各毛状体（１１）の束の傾斜する方向を変換させるように構成した、前記回転推進力部（２）の後戻りを防止する進行方向規制部（３）と、を備えた、ことを特徴とする管路内自動走行ロボット。
3. 前記回転推進力部（２）は、回転駆動する回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結したものである、ことを特徴とする請求項1又は２の管路内自動走行ロボット。
4. 前記回転推進力部（２）は、回転駆動機（９）の回転軸（６）に２個の略半球状の回転体（４）の平面側同士を離間して連結したものである、ことを特徴とする請求項1、２又は３の管路内自動走行ロボット。
5. 前記回転体（４）の表面に多数の突起（１０）を設けた、ことを特徴とする請求項1、２、３又は４の管路内自動走行ロボット。
6. 前記回転体（４）はスポンジ材から成る、ことを特徴とする請求項1、２、３、４又は５の管路内自動走行ロボット。
7. 前記回転体（４）は袋体の内部に気体又は液体等の流体を充填したものである、ことを特徴とする請求項1、２、３、４又は５の管路内自動走行ロボット。
8. 前記回転推進力部（２）は、回転駆動する第一回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結した第一回転駆動部（５）と、
   回転駆動する第二回転軸（８）に２個の回転体（４）を連結した第二回転駆動部（７）と、
   前記第一回転軸（６）の軸方向と第二回転軸（８）の軸方向とが交差状になるように、前記第一回転駆動部（５）と第二回転駆動部（７）を並列配置させたものである、ことを特徴とする請求項1又は２の管路内自動走行ロボット。
9. 前記回転推進力部（２）は、回転駆動する回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結した前側回転駆動部（２２）と、
   該前側回転駆動部（２２）に並列するように連結した、回転駆動する回転軸（６）に２個の回転体（４）を連結した後側回転駆動部（２３）と、
   前記前側回転駆動部（２２）と前記後側回転駆動部（２３）とを連結するために、曲折可能かつ一方向に曲折するように弾性材（２４）を取り付けた連結部（２５）と、から成る、ことを特徴とする請求項1又は２の管路内自動走行ロボット。
10. 各毛状体（１１）の先端に滑り止め（１５）を取り付けた、ことを特徴とする請求項1又は２の管路内自動走行ロボット。
11. 前記回転推進力部（２）に、カメラ、発信機、清掃ブラシ又はケレン装置等の作業装置（１６）を支える支持用毛状体（１８）と、該作業装置（１６）を支持するように取り付けた作業装置支持具（１７）とを備えた、ことを特徴とする請求項1又は２の自動走行ロボット。

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