JP4660213B2

JP4660213B2 - 管内走行装置および配管検査装置

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Publication number: JP4660213B2
Application number: JP2005017384A
Authority: JP
Inventors: アリフォローナシライアミル
Original assignee: Roboplus
Current assignee: Roboplus
Priority date: 2005-01-25
Filing date: 2005-01-25
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: JP2006205790A

Description

本発明は、管内走行装置、特に上下水道配管、ガス配管、発電所等の蒸気配管、冷却水配管、その他各種プラントの配管内を自走する管内走行装置および配管検査装置に関する。

上下水道配管、ガス配管、発電所等の蒸気配管、冷却水配管、その他各種プラントの配管は安全性の確保の為に定期的な検査が必要とされる。大口径の配管は、検査員が中に入って検査できるが、小口径の配管の内部には検査員が入ることができない。特に、地下に埋設された上下水道配管等は、Ｘ線等を用いる外部からの検査もできないので、配管内を走行して、配管の内部を検査する管内検査装置、あるいはそのための管内走行装置が各種、提案されている。

例えば、特許文献１には、カメラと超音波センサを搭載してガス配管内を走行する管内走行ロボットと地上に設置した制御装置をケーブルで結んで、地下に埋設されたガス配管の内部を検査する配管検査装置が開示されている。

また、特許文献２には、走行駆動輪の走行方向を転換する操舵機構と操舵モータおよび位置検出センサを備えた管内走行ロボットと管外に設置したコントローラをケーブルで結んで、前記コントローラで前記操舵機構を制御して、前記管内走行ロボットをＴ字分岐管内へ直角に向きを変えて進入走行させる方法が開示されている。

また、特許文献３には、先端部に駆動車輪を有する１対のアームと先端部に従動車輪を有する１対の作動アームと、前記１対のアームおよび前記１対の作動アームを押し拡げて前記駆動車輪および前記従動車輪を管の内壁に押圧する押圧手段と、差動歯車装置を介して１対の前記駆動車輪を回転駆動する１台の駆動用モータを備えた管内走行装置が開示されている。

特開２００４−１３２７６３号公報特開２０００−５２２８２号公報特開平７−３０９２２８号公報

しかしながら、特許文献１の配管検査装置は、配管内を走行する管内走行ロボットと地上に設置した制御装置をケーブルで結んでいるので、ケーブルの長さによって検査可能な範囲が制限されるという問題があった。また、操舵機構を備えていないので、検査経路の
途中に分岐の配管には対応できないという問題があった。

また、特許文献２の管内走行ロボットも、ケーブルの長さによって検査可能な範囲が制限されるという問題があった。また、センサと操舵機構とコントローラを電気的に結合して操舵制御を行うので、機構と制御装置が複雑であり信頼性が低いという問題があった。特にＴ字分岐管の途中で操舵不能に陥ると、管内走行ロボットの回収が極めて困難であった。

特許文献３の管内走行装置は、差動歯車装置を介して、１台の駆動用モータと１対の駆動車輪を結合しているので、１対の駆動車輪の一方が管壁から離れると、管壁から離れた方の駆動車輪は高速で空転し、管壁に接触している他方の駆動車輪は停止する現象が生じる。このため、分岐管を通過する際に管内走行装置の運動が不安定になるおそれがあった。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、複雑な操舵機構あるいは外部制御装置を用いずに、湾曲した管路、内径の変化する管路、分岐のある管路等を自律走行できる管路走行装置を提供することを目的とする。

本発明の管内走行装置の第１の構成は、フレームと前記フレームの左右に設けられた回動軸に軸支されて水平面内で自在に回動する２本のアームと、前記アームのそれぞれの先端に軸支されて、水平面内で回転駆動される駆動輪と、前記アームに前記回動軸まわりの復元力を印加する付勢手段を備えることを特徴とする。

第１の構成によれば、付勢手段によってアームを所定の方向に回動させるので、管路の湾曲や、内径の変化にかかわらず、駆動輪は管路の内壁への接触を保つことができる。このため、この管内走行装置は管路に倣って走行することができる。

なお、付勢手段はアームが回動軸まわりに回動するように付勢する弾性部材であり、実施例に示すようなアーム同士を連結する弦巻ばねには限られない。回動軸まわりにねじり変位するねじりばねでアームとフレームを連結してもよいし、アームとフレームをばねあるいはゴム材等で連結してもよい。

本発明の管内走行装置の第２の構成は、前記第１の構成において、前記付勢手段は、前記２本のアームの間に架け渡されたばねであることを特徴とする。

本発明の管内走行装置の第３の構成は、フレームと前記フレームの前方右側、前方左側、後方右側及び後方左側に設けられた回動軸に軸支されて水平面内で自在に回動する第１乃至第４のアームと、前記第１乃至第４のアームの一端に軸支されて水平面内で回転駆動される第１乃至第４の駆動輪と、前記第１乃至第４のアームに前記回動軸まわりの復元力を印加する付勢手段を備えることを特徴とする。

第３の構成によれば、管内走行装置を４組のアーム及び駆動輪で支持および駆動するので、管内走行装置の姿勢を安定させることができる。

本発明の管内走行装置の第４の構成は、前記第３の構成において、前記付勢手段は、前記第１のアームと前記第２のアームの間、および前記第３のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねであることを特徴とする。

この構成によれば、第１乃至第４のアームは、前記第１のアームと前記第２のアームの間、および前記第３のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねで付勢されて、第１の駆動輪と第２の駆動輪の間隔及び第３の駆動輪と第４の駆動輪の間隔を拡げるので、走行経路の途中で配管の内径が拡大しても、第１乃至第４の駆動輪は配管の内壁との接触を保ち続けることができる。

本発明の管内走行装置の第５の構成は、前記第３の構成において、前記付勢手段は、前記第１のアームと前記第３のアームの間、および前記第２のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねであることを特徴とする。

この構成によれば、第１乃至第４のアームは、前記第１のアームと前記第３のアームの間、および前記第２のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねで付勢されて、第１の駆動輪と第２の駆動輪の間隔及び第３の駆動輪と第４の駆動輪の間隔を狭めるので、走行経路の途中で配管の内径が縮小しても、スムーズに通り抜けることができる。

本発明の管内走行装置の第６の構成は、前記第３の構成において、前記付勢手段は、前記第１のアームと前記第２のアームの間、前記第３のアームと前記第４のアームの間、前記第１のアームと前記第３のアームの間、および前記第２のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねであることを特徴とする。

この構成によれば、第１乃至第４のアームが、第１乃至第４のばねで連結されているので、駆動輪が管路から離れて、駆動輪に印加されていた反力が消滅しても、第１乃至第４のアームは、第１乃至第４のばねの力がバランスする位置で保持されるので、管路内に段差や障害物があっても、スムーズに通過することができる。

本発明の管内走行装置の第７の構成は、前記第３乃至第６の構成において、前記第１、第３のアームの回転面および前記第１、第３駆動輪の回転面は、前記フレームの右側が、前記第２、第４のアームの回転面および前記第２、第４駆動輪の回転面は、前記フレームの左側が、それぞれ低くなるように、前記水平面に対する傾斜角を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、前記第１乃至第４のアームの回転面および前記第１乃至第４の駆動輪の回転面は正面から見て「ハ」の字形に傾斜しているので、管内走行装置の回頭がスムーズに行える。

本発明の管内走行装置の第８の構成は、前記第３乃至第７の構成において、前記第１、第２、第３および第４の駆動モータの回転方向の正逆を個別に切り替える制御装置を備えることを特徴とする。

この構成によれば、前記第１、第２、第３および第４の駆動モータの回転方向の正逆を個別に切り替えることができるので、管内走行装置を右左折させることができる。

本発明の管内走行装置の第９の構成は、前記第８の構成において、管路の分岐を検出するセンサを備えることを特徴とする。

この構成によれば、センサによって管路の分岐を検出できるので、外部の制御装置や遠隔操作装置に依らず、管内走行装置が自律的に当該分岐を、直進または右左折することができる。なおセンサは、例えばＣＣＤカメラで撮像した画像を利用するものなど、各種公知のものを利用できる。また、配管検査用に搭載するＣＣＤカメラ等のセンサ類を分岐検出の用途に兼用してもよい。

本発明の配管検査装置の構成は、配管内検査用センサと前記第１乃至第９の構成を備えた管内走行装置からなることを特徴とする。

この構成の配管検査装置は、配管内を自律的に走行して、配管内を検査することができる。

以上説明したように、本発明の管内走行装置は、複雑な操舵機構や外部制御装置を用いずに、湾曲した管路、内径の変化する管路、分岐のある管路等を自在に走行できるので、各種配管、特に地中に埋設された上下水道配管、ガス配管等の内部を検査する検査装置用の走行装置として有用である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施例１に係る管内走行装置の平面図である。なお、本明細書における「前方」とは管内走行装置の通常の走行方向（図１で矢印で示した方向）であり、「左右」とは、管内走行装置の上に立って「前方」を見た時の左右をいうことにする。

図１において、１は管内走行装置であり、管内走行装置１はフレーム２、第１〜第４のアーム３〜６、第１〜第４の駆動用モータ７〜１０、第１〜第４の駆動輪１１〜１４および第１、第２のばね１５、１６を備えている。

フレーム２は、第１〜第４のアーム３〜６等の構成部材を支持する構造駆体であるとともに、第１〜第４の駆動用モータ７〜１０に動力を供給するバッテリー（図示せず）、第１〜第４の駆動用モータ７〜１０の回転方向、速度、トルクを制御する制御装置（図示せず）およびペイロード１７（例えば、ＣＣＤカメラ、超音波センサなどの配管検査用センサ類）を搭載するプラットフォームでもある。

第１〜第４のアーム３〜６はそれぞれフレーム２の前方右側、前方左側、後方右側および後方左側にあって、フレーム２に固定された回動軸１８〜２１に回転支持されて、水平面内で回動する。駆動用モータ７〜１０はそれぞれ第１〜第４のアーム３〜６の先端に固定されて、第１〜第４の駆動輪１１〜１４を回動駆動する。

第１のばね１５は、第１のアーム３および第２のアーム４の他端（回動軸１８，１９を鋏んで、第１および第２の駆動輪１１，１２の取り付け端と反対の端）の間に架け渡されて、第１のアーム３および第２のアーム４が回動軸１８、１９まわりに回転して、第１および第２の駆動輪１１，１２の間隔を拡げるような復元力を印加している。同様に、第２のばね１６は、第３のアーム５および第４のアーム６の他端の間に架け渡されて、第３のアーム５および第４のアーム６が回動軸２０、２１まわりに回転して、第３および第４の駆動輪１３，１４の間隔を拡げるような復元力を印加している。

図２は、管路２２に置かれた管内走行装置１を正面から見た図である。図２に示すように、第１〜第４の駆動輪１１〜１４（第３、第４の駆動輪１３、１４は図では見えない）が管路２２の壁面に接触して、管内走行装置１の重量を支持している。

このように構成されているので、図３に示すように、第１〜第４のアーム３〜６は管路２２から受ける反力によって回動し、第１〜第４の駆動輪１１〜１４は湾曲した管路２２の壁面に常に接触する。そのため、管内走行装置１は湾曲した管路２２の壁面に倣って走行することができる。

また、第１の〜第４の駆動輪１１〜１４は、第１および第２のばね１５，１６によって、フレーム２の外側に変位するように付勢されているので、管路２２の内径が経路の途中で拡大した場合にも、第１の〜第４の駆動輪１１〜１４は管路２２の壁面と接触を続けることができる。

また、管内走行装置１は２本の配管の合流部を走行することもできる。図４は、主管２３に支管２４が合流する管継手２５における管内走行装置の動きを説明する図である。主管２３を走行する管内走行装置Ａは、主管２３に倣って直進するが、支管２４を走行する管内走行装置Ｂは管継手２５の手前の湾曲部分で右方向に向きを変えられて、左前方の駆動輪を主管２３の内壁に接触させて右回頭を続け、管継手２５を右折する。

図５は本発明の実施例１に係る管内走行装置の変形例を示す平面図である。このように、第１のばね１５および第２のばね１６に代えて、第３のばね３１を第１のアーム３および第３のアーム５の間に架け渡し、第４のばね３２を第２のアーム４および第４のアーム６の間に架け渡して、第１の駆動輪１１と第２の駆動輪１２の間隔および第３の駆動輪１３と第４の駆動輪１４の間隔が狭くなるように、第１のアーム３乃至第４のアーム６を付勢してもよい。

このように、第３のばね３１および第４のばね３２によって、第１の駆動輪１１と第２の駆動輪１２の間隔および第３の駆動輪１３と第４の駆動輪１４の間隔が狭く保たれると、図６のように、管路２２の途中で内径が縮小したり、図７のように、管路２２の内壁に障害物があってもスムーズに通過することができる。

図８は本発明の実施例１に係る管内走行装置の別の変形例を示す平面図である。このように、第１のばね１５、第２のばね１６、第３のばね３１および第４のばね３２を、第１〜第４のアーム３〜６の間に架け渡してもよい。このように、第１〜第４のばね１５、１６、３１，３２を備えると、第１〜第４の駆動輪１１〜１４は、管路２２の内壁からの反力を受けて自在に変位するとともに、段差や分岐の通過の際に第１〜第４の駆動輪１１〜１４が一時的に管路の内壁から離れて反力が消滅すると、第１〜第４のアーム３〜６は、第１のばね１５、第２のばね１６、第３のばね３１および第４のばね３２の力がバランスする位置で保持される。このため、管路に段差があっても、乗り越えることができる。また、管路の内径が拡大縮小する場所や、管路の内部の障害物をスムーズに通過することができる。

図９は本発明の実施例２に係る管内走行装置の正面図である。実施例２に係る管内走行装置４１の基本的な構成は、実施例１に係る管内走行装置１と共通するので同一の符号を付している。

管内走行装置４１は、第１〜第４のアーム３〜６および第１〜第４の駆動輪１１〜１４の回転面をフレーム２の外側が低くなるように、つまり正面から見て「ハ」の字形になるように傾けたことが特徴である。なお、第１〜第４のアーム３〜６および第１〜第４の駆動輪１１〜１４の回転面の傾きは水平面から１０°以下が望ましく、特に傾きを５°にすると最も良好な結果を得られた。

この管内走行装置４１は、２つの管路が直交するＴ字管継手をスムーズに走行できる。
図１０は、主管２６と支管２７が直交するＴ字管継手２８において、管内走行装置４１が直進する状態を示す図であり、図１１は管内走行装置４１がＴ字管継手２８を右折して主管２６から支管２７に進入する状態を示す図であり、図１２は管内走行装置４１が支管２７から主管２６に進出する状態を示す図である。なお、図１０乃至図１２において、管内走行装置４１に付した矢印は、管内走行装置４１の走行方向を示し、第１乃至第４の駆動輪１１〜１４の横に付した矢印付の円弧は、各駆動輪の回転方向を示している。

図１０に示すように、主管２６内を直進してＴ字管継手２８を通過する場合は、右側の駆動輪（第１および第３の駆動輪１１，１３）を時計回りに駆動し、左側の駆動輪（第２および第４の駆動輪１２，１４）を反時計回りに駆動して、管内走行装置４１を前進させる。また、進路の保持と修正は、フレーム２上の制御装置で、第１〜４の駆動用モータ７〜１０の回転方向、速度、トルクを調整して行う。例えば、外乱により管内走行装置４１が右を向いたら、第２の駆動輪１２の回転方向を時計回りに変えて、管内走行装置４１に左向きの回頭モーメントを与えて進路を修正する。なお、管内走行装置４１の進行方向のずれはフレーム２に搭載するセンサ（例えば、配管検査用に搭載するＣＣＤカメラ等のセンサ類をこの用途に兼用すればよい）で検出する。

図１１に示すように、主管２６を右折して支管２７に進入する場合は、主管２６と支管２７の分岐において、第１の駆動輪１１の回転方向を反時計回りに変えて、管内走行装置４１に右向きの回頭モーメントを与えて、右回頭を行う。この場合も、駆動輪３の回転方向の変更は、管内走行装置４１に搭載された制御装置（図示せず）によって第１の駆動用モータ７の回転方向の正逆を切り替えて行う。また、管内走行装置４１の主管２６と支管２７との分岐への到達は、フレーム２に搭載するセンサ（例えば、配管検査用のセンサ類をこの用途に兼用すればよい）で検出する。

図１２に示すように、Ｔ字管継手２８を左折して支管２７から主管２６に進出する場合は、主管２６と支管２７の分岐において、第２の駆動輪１２の回転方向を時計回りに変えて、管内走行装置４１に左向きの回頭モーメントを与えて、左回頭を行う。なお、分岐における、直進または右左折は事前に前記制御装置に書き込まれたプログラムに従う。

また、管内走行装置４１は、第１〜第４の駆動輪１１〜１４の回転面を、フレーム２の外側が低くなるように傾けているので、水平面４２を走行することもできる。

このように、管内走行装置４１は、管路の中を自力で走行し、曲線路、内径の拡大縮小部分、障害物、段差等を通過することができ、Ｔ字管継手２８を検出するセンサを取り付ければ、Ｔ字管継手２８において直進、右折、左折を選ぶことができる。このように、管内走行装置４１は、プログラムされた経路に従って、管路内を自力で走行することができる。

なお、実施例１および実施例２では、４組のアームと駆動輪を備えた管内走行装置の例を取り上げたが、本発明の管内走行装置はこのような４輪の装置に限られるものではない。フレームの左右に取り付けた２組のアームと駆動輪からなる２輪の装置、６組のアームと駆動輪を備えた６輪の装置、あるいは４輪の装置を２台以上連結した列車型の装置など各種の応用変形例を構成することができる。

本発明の実施例１に係る管内走行装置の平面図である。本発明の実施例１に係る管内走行装置の正面図である。湾曲した管路を通過する管内走行装置を示す平面図である。主管に支管が合流する管継手を通過する管内走行装置を示す平面図である。本発明の実施例１に係る管内走行装置の変形例を示す平面図である。内径が変化する管路を通過する管内走行装置を示す平面図である。障害物がある管路を通過する管内走行装置を示す平面図である。本発明の実施例１に係る管内走行装置の変形例を示す平面図である。本発明の実施例２に係る管内走行装置の平面図である。Ｔ字管継手を直進する管内走行装置を示す平面図である。Ｔ字管継手を右折する管内走行装置を示す平面図である。Ｔ字管継手を左折する管内走行装置を示す平面図である。

符号の説明

１管内走行装置
２フレーム
３〜６第１〜第４のアーム
７〜１０第１〜第４の駆動用モータ
１１〜１４第１〜第４の駆動輪
１５、１６第１、第２のばね
１７ペイロード
１８〜２１回動軸
２２管路
２３主管
２４支管
２５管継手
２６主管
２７支管
２８Ｔ字管継手
３１、３２第３、第４のばね
４１管内走行装置
４２水平面

Claims

フレームと、
前記フレームの前方右側、前方左側、後方右側及び後方左側に設けられた回動軸に軸支されて水平面内で自在に回動する第１乃至第４のアームと、
前記第１乃至第４のアームの一端に軸支されて、駆動用モータにより個別に回転駆動される第１乃至第４の駆動輪と、
前記第１乃至第４のアームに前記回動軸まわりの復元力を印加する付勢手段と、を備え、
前記第１、第３のアームの回転面および前記第１、第３駆動輪の回転面は、前記フレームの右側が、前記第２、第４のアームの回転面および前記第２、第４駆動輪の回転面は、前記フレームの左側が、それぞれ低くなるように、前記水平面に対して１０°以下の傾斜角で傾斜していることを特徴とする管内走行装置。
前記第１、第３のアームの回転面および前記第１、第３駆動輪の回転面の水平面に対する傾斜角、並びに前記第２、第４のアームの回転面および前記第２、第４駆動輪の回転面の水平面に対する傾斜角は５°であることを特徴とする請求項１に記載の管内走行装置。
前記第１、第２、第３および第４の駆動モータの回転方向の正逆を個別に切り替える制御装置を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の管内走行装置。
前記付勢手段は、前記第１のアームと前記第２のアームの間、および前記第３のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の管内走行装置。
前記付勢手段は、前記第１のアームと前記第３のアームの間、および前記第２のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の管内走行装置。
前記付勢手段は、前記第１のアームと前記第２のアームの間、前記第３のアームと前記第４のアームの間、前記第１のアームと前記第３のアームの間、および前記第２のアームと前記第４のアームの間にそれぞれ架け渡されたばねであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の管内走行装置。
管路の分岐を検出するセンサを備えることを特徴とする請求項３に記載の管内走行装置。
配管内検査用センサと請求項１乃至７のいずれかに記載の管内走行装置からなることを特徴とする配管検査装置。