(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配管内でロール姿勢角を変えることによって、前記配管の屈曲部の屈曲方向に合った姿勢で走行可能な管内走行装置であって、
前記配管内の進行方向の画像を撮像する撮像手段と、
前記配管の中心軸線に直交する平面的な位置が、前記撮像手段の固定位置からずらして固定された状態で、前記進行方向に光を照射する光源と、
前記撮像手段によって撮像された前記画像から前記撮像手段と前記光源との位置関係によって前記屈曲部に発生する影の画像を抽出する画像処理手段と、
前記画像処理手段によって抽出された前記影の画像情報に基づいて、前記屈曲部の屈曲方向に合うように姿勢を制御する姿勢制御手段と、を備えることを特徴とする管内走行装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、前記配管の中心軸線上に位置するように固定されていることを特徴とする請求項１に記載の管内走行装置。
【請求項３】
前記画像処理手段は、予め設定される第１の閾値と、前記撮像手段によって撮像された前記画像の各画素の明るさの平均を算出して設定される第２の閾値とを用いて、前記画像に対して二値化処理することにより、それぞれの二値化画像を生成し、前記それぞれの二値化画像の互いに共通する画素において、互いに黒である画素を前記影の画像として抽出す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内を走行する管内走行装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インフラ設備の耐用年数超過が問題視され始めており、中でも流体の輸送に使用される配管設備の老朽化が深刻化している。未然に漏洩事故を防ぐためには定期的な配管検査が必要になるが、人間は小さな配管内に入ることができないため、埋設された配管を掘り起こしたり、配管そのものを分解する必要がある。しかし、人手によるこれらの作業は時間や労力が掛かり、危険も伴う。そのため、近年は、カメラや肉厚測定センサを管内走行装置に搭載した配管検査ロボットによる検査が注目されており、様々な配管検査ロボットが開発されている。
【０００３】
このような配管検査ロボットとしては、例えば、移動速度の速い自走式の管内走行装置を用いたものが多く提案されている。自走式の管内走行装置としては、独立した複数のクローラ式走行体からなる駆動モジュールが車体の周方向に支持機構を介して放射状に取り付けられた管内走行装置がこれまでに開発されている（例えば、特許文献１参照）。このような管内走行装置では、それぞれの駆動モジュールの速度を調整することにより前進後退だけなく、その場で上下左右への方向転換を行うことができる。しかしながら、このような配管走行装置では、バネ等を用いた支持機構によって直径が常に放射状に膨らもうとするため、分岐管等では、空いた空間に駆動モジュールの一部が逃げてしまい、進行が妨げられてしまう虞がある。また、径方向に空間的に余裕のない配管内で複数の駆動モジュールを配置しなければならないため、小型化が難しいという問題がある。
【０００４】
そこで、本発明者らは、小型化を実現し、狭く細長い空間に適した構造となるように、４つのリンクと、５つの車輪ユニットを連結させてジグザグ状に構成した管内走行ロボットをこれまでに提案している（例えば、非特許文献１参照）。この管内走行ロボットでは、リンク間内部にねじりコイルばねが取り付けられており、ばねの弾性力によって配管の内壁面を押し付けることができるようになっている。また、この管内走行ロボットは、リンク間に取り付けられているオムニホイールによって配管内での前後移動、リンク前後に取り付けられている半球状の車輪によって配管内でのロール姿勢角の変更が可能であり、配管の屈曲部では、ロール姿勢角を変えて屈曲部の屈曲方向に姿勢を合わせることによって走行可能な構成になっている。一方で、このような管内走行ロボットでは、屈曲部を有する配管内を自律走行するためには、屈曲部の屈曲方向に合わせて姿勢を変える必要があるため、屈曲方向を推定する必要がある。
【０００５】
また、配管の屈曲部の屈曲方向を判別して走行する管内走行ロボットとしては、カメラと光源（ＬＥＤ）を用いて、配管の屈曲によって発生する影を認識するものがこれまでに提案されている（例えば、非特許文献２参照）。この非特許文献２の管内走行ロボットでは、カメラの周囲に複数の光源を奥行方向にずらして配置することによって影を発生させ、画像処理によって影の位置から配管の屈曲方向を判別し、その判別した屈曲方向に基づいて、搭載されている３つのアクチュエータを制御することによって屈曲部での走行を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−０７２３５９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】A. Kakogawa and S. Ma “An Articulated Wheeled In-pipe Inspection Robot with Holonomic Rolling Motion”, Int Conf Realtime Computing and Robotics, pp.C2-2, 2015.
【非特許文献２】Jung-Sub Lee, Se-gon Roh, Do Wan Kim, Hyungpil Moon, Hyouk Ryeol Choi “In-pipe Robot Navigation Based on the Landmark Recognition System Using Shadow Image”, IEEE Int Conf Robotics and Automation, pp.1857-1862, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献２のような管内走行ロボットでは、カメラの周囲に複数の光源を奥行方向にずらして配置する必要があるため、前後方向にそのためのスペースを確保する必要があり、構造が複雑化と共にコストも増大する。また、非特許文献２の管内走行ロボットでは、画像処理によって判別した屈曲方向に基づいて、搭載されている３つのアクチュエータをそれぞれ精確に制御する必要がある。
【０００９】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、コストを抑制しつつ簡易な構成で、配管の屈曲部の屈曲方向を認識し、その屈曲方向に姿勢を合わせることによって配管内を自律走行することができる管内走行装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る管内走行装置は、配管内でロール姿勢角を変えることによって、前記配管の屈曲部の屈曲方向に合った姿勢で走行可能な管内走行装置であって、前記配管内の進行方向の画像を撮像する撮像手段と、前記配管の中心軸線に直交する平面的な位置が、前記撮像手段の固定位置からずらして固定された状態で、前記進行方向に光を照射する光源と、前記撮像手段によって撮像された前記画像から前記撮像手段と前記光源との位置関係によって前記屈曲部に発生する影の画像を抽出する画像処理手段と、前記画像処理手段によって抽出された前記影の画像情報に基づいて、前記屈曲部の屈曲方向に合うように姿勢を制御する姿勢制御手段と、を備えることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る管内走行装置は、前記撮像手段が、前記配管の中心軸線上に位置するように固定されていることを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る管内走行装置は、前記画像処理手段が、予め設定される第１の閾値と、前記撮像手段によって撮像された前記画像の各画素の明るさの平均を算出して設定される第２の閾値とを用いて、前記画像に対して二値化処理することにより、それぞれの二値化画像を生成し、前記それぞれの二値化画像の互いに共通する画素において、互いに黒である画素を前記影の画像として抽出することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る管内走行装置によれば、配管内の進行方向の画像を撮像する撮像手段と、配管の中心軸線に直交する平面的な位置が、撮像手段の固定位置からずらして固定された状態で、進行方向に光を照射する光源とを備えており、撮像手段によって撮像された画像から前記撮像手段と前記光源との位置関係によって屈曲部に発生する影の画像を抽出し、抽出した影の画像情報に基づいて、屈曲部の屈曲方向に合うように姿勢を制御するので、カメラの周囲に複数の光源を奥行方向にずらして配置するような必要がないため、コストを抑制しつつ簡易な構成で、配管の屈曲部の屈曲方向を認識し、その屈曲方向に姿勢を合わせることによって配管内を自律走行することができる。
【００１４】
また、本発明に係る管内走行装置によれば、撮像手段は、配管の中心軸線上に位置するように固定されているので、配管内でロール姿勢角が変わった場合でも、配管の中心軸と撮像手段によって撮像される撮像画像の中心とが一致するため、画像処理が容易になる。
【００１５】
また、本発明に係る管内走行装置によれば、画像処理手段は、予め設定される第１の閾値と、撮像手段によって撮像された画像の各画素の明るさの平均を算出して設定される第２の閾値とを用いて、撮像手段によって撮像された画像に対して二値化処理することにより、それぞれの二値化画像を生成し、前記それぞれの二値化画像の互いに共通する画素において、互いに黒である画素を影の画像として抽出するので、ノイズの発生を抑制し、より正確に屈曲部に発生する影の画像を抽出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る管内走行装置の一例を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る管内走行装置の一例を示す概略側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る管内走行装置の一例を示す概略平面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る管内走行装置の一例を示す概略正面図である。
【図５】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図５の部分拡大断面図である。
【図７】本発明の実施形態に係る管内走行装置の自動走行動作の一例について説明するためのフローチャートである。
【図８】撮像画像中の配管の屈曲部に発生する影の画像を抽出するための画像処理（二値化処理）の一例について説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態に係る管内走行装置の自律走行する際の動作の一例について説明するための概略側面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る管内走行装置の自律走行する際に取得される撮像画像、及び、その二値化画像の一例について説明するための概略模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る管内走行装置１について、図面を参照しつつ説明する。管内走行装置１は、例えば、配管１０内の点検等を行うために配管１０内を走行するためのであって、図１〜図４に示すように、配管１０の軸方向に対してそれぞれ屈曲した状態でジグザグ状に配列され、配管１０の軸方向に対して直交する軸方向周りに回動可能に設けられる４つのリンク部２（２ａ〜２ｄ）と、リンク部２ａ、２ｂ間に設けられる移動ユニット３ａ、リンク部２ｃ、２ｄ間に設けられる移動ユニット３ｂ、リンク部２ｂ、２ｃ間に設けられる移動ユニット５、配管１０の軸方向の前後両端側に位置するリンク部２ａ、２ｄの開放側の端部にそれぞれ設けられる移動ユニット４ａ、４ｂの５つの移動ユニットとを備えている。また、この管内走行装置１は、リンク２ａの外周面に取り付けられている固定部９に固定された状態で、配管１０内の進行方向の画像を撮像するカメラ（撮像手段）６と、進行方向に光を照射するＬＥＤ（光源）７とを備えており、管内走行装置１の外部や配管１０の外部には、カメラ６から不図示のケーブル等を介して送られてくる画像に対して画像処理を行う画像処理部（画像処理手段）８１や配管１０内での姿勢の制御を行うための制御信号を生成する姿勢制御部（姿勢制御手段）８２等の機能を有するコンピュータ８を備えている。尚、管内走行装置１は、上記の用途に限定されるものではなく、配管１０内を走行して行われる他の作業等にも利用できるものである。また、図１，３，４では、配管１０は省略して図示している。
【００１８】
４つのリンク部２ａ〜２ｄは、それぞれ略同形状の円筒状に形成されている。これらの４つのリンク部２ａ〜２ｄは、ジグザグ状に配列されており、前後方向に隣り合うそれぞれのリンク部２（２ａ〜２ｄ）の軸方向のなす角及びそれぞれのリンク部２（２ａ〜２ｄ）の寸法は略同一に形成されている。尚、隣り合うそれぞれのリンク部２（２ａ〜２ｄ）の軸方向のなす角及びそれぞれのリンク部２（２ａ〜２ｄ）の寸法は、管内走行装置１が走行する配管１０の径等に応じて、適宜設定されるものであり、特に限定されるものではない。また、隣り合うそれぞれのリンク部２（２ａ〜２ｄ）の軸方向のなす角及びそれぞれのリンク部２（２ａ〜２ｄ）の寸法は、必ずしも全て略同一である必要はなく、異なるように構成されていても良い。
【００１９】
リンク部２ａは、管内走行装置１の進行方向の最前方に位置しており、開放側の端部である前端には、リンク部２ａの軸方向上に位置するロール回転軸１２を介して移動ユニット４ａが設けられており、後端には、略コの字型に形成されている第１連結部１３が設けられている。リンク部２ｂは、リンク部２ａの後方に位置しており、前端には、略コの字型に形成されている第１連結部１３の溝内に納まる幅に形成されている第２連結部１４が設けられており、後端には、略コの字型に形成されている第１連結部１３が設けられている。リンク部２ｃは、リンク部２ｂの後方に位置しており、前端及び後端のそれぞれには、略コの字型に形成されている第１連結部１３の溝内に納まる幅に形成されている第２連結部１４が設けられている。リンク部２ｄは、リンク部２ｃの後方であり、管内走行装置１の進行方向の最後方に位置しており、前端には、略コの字型に形成されている第１連結部１３が設けられており、開放側の端部である後端には、リンク部２ｄの軸方向上にあるロール回転軸１２を介して移動ユニット４ｂが設けられている。
【００２０】
リンク部２ａの後端に設けられる第１連結部１３とリンク部２ｂの前端に設けられる第２連結部１４は、それぞれ配管１０の軸方向に直交する移動ユニット３ａの車軸３１周りに不図示のベアリング等を介して回動可能に連結されている。また、リンク部２ｂの後端に設けられる第１連結部１３とリンク部２ｃの前端に設けられる第２連結部１４は、それぞれ配管１０の軸方向に直交する移動ユニット５の車軸５１周りに不図示のベアリング等を介して回動可能に連結されている。また、リンク部２ｃの後端に設けられる第２連結部１４とリンク部２ｄの前端に設けられる第１連結部１３は、それぞれ配管１０の軸方向に直交する移動ユニット３ｂの車軸３１周りに不図示のベアリング等を介して回動可能に連結されている。これにより、管内走行装置１は、配管１０の径に応じてそれぞれのリンク部２ａ〜２ｄが回動して、配管１０内に挿入される。
【００２１】
移動ユニット３ａ及び移動ユニット３ｂは、それぞれリンク部２ａ、２ｂ間及びリンク部２ｃ、２ｄ間に設けられるものであって、図２に示すように、それぞれ移動ユニット４ａ、４ｂ及び移動ユニット５とは反対側の配管１０の径方向の一方側（図２中の山側）に張り出すように設けられている。移動ユニット３ａ及び移動ユニット３ｂは、それぞれ配管１０の軸方向に直交する車軸３１と、車軸３１に固定され、配管１０の軸方向へ配管１０の内壁面１１ａ上を転動するオムニホイール（第１全方向移動部材）３２とを備えている。
【００２２】
このオムニホイール３２は、車軸３１の両端側にそれぞれホイール本体３３が固定されており、それぞれのホイール本体３３には外周の接線方向に配置された不図示の軸が外周方向に所定角度間隔で複数設けられ、それらの軸にゴム等で外周を被膜した略樽型のローラ３４がそれぞれ取り付けられている。このローラ３４が取り付けられる軸は、車軸３１の軸方向に対して直交するように設けられている。また、第２連結部１４を挟み込むように取り付けられたそれぞれのホイール本体３３は、周方向に所定角度だけ互い違いにずれた状態で対向するように車軸３１に固定されており、車軸３１の回転に伴って一体として回転するように構成されている。これにより、オムニホイール３２は、ホイール本体３３が配管１０の軸方向へ回転するだけでなく、ローラ３４が配管１０の周方向へと受動的に回転することにより、周方向へも移動することが可能である。
【００２３】
また、リンク部２ｂの内部には、図５及び図６に示すように、移動ユニット３ａのオムニホイール３２を配管１０の軸方向へ能動的に回転させるための駆動力を発生させるモータ（第１駆動手段）１６が内蔵されている。尚、図５及び図６では、説明の便宜のため、カメラ６、ＬＥＤ７、及び固定部９は省略して図示している。
【００２４】
モータ１６の回転軸１７は、図６に示すように、モータ１６からの駆動力を伝達する傘歯車機構２０に連結されている。傘歯車機構２０は、回転軸１７に固定され、回転軸１７の回転に伴って回転する傘歯車と、回転軸１７に直交する車軸３１に固定されている傘歯車とが噛み合うように構成されている。従って、モータ１６の駆動力によって回転軸１７が回転することにより、傘歯車機構２０を介して車軸３１に駆動力が伝達され、車軸３１が回転する。これにより、車軸３１に固定されているオムニホイール３２が配管１０の軸方向へ能動的に回転することができる。尚、ここでは、リンク部２ｂの内部に内蔵されるモータ１６によって、移動ユニット３ａのオムニホイール３２を配管１０の軸方向へ能動的に回転させる場合のみについて説明しているが、リンク部２ｃの内部にもリンク部２ｂと同様に移動ユニット３ｂのオムニホイール３２を配管１０の軸方向へ能動的に回転させるための駆動力を発生させるモータ１６が内蔵されており、同様の原理によって移動ユニット３ｂのオムニホイール３２も配管１０の軸方向へ能動的に回転することができる。このように管内走行装置１では、前後に独立したモータ１６等の駆動手段を持つことにより、互いの出力を干渉させてより高い推進力を得ることができる。また、曲管やＴ字管等においては、前部が後部を牽引し、後部が前部を押し出すことにより、それらの配管内を安定的に移動することができる。また、モータ１６は、外部に設けられるコンピュータ８から不図示のケーブルを介して送られる制御信号によって制御できるように構成されており、モータ１６の駆動方向を制御することにより、オムニホイール３２の回転方向を切り替えることができる。尚、コンピュータ８からモータ１６へと送られる制御信号は、無線により送られるように構成されていても良い。
【００２５】
また、図５及び図６に示すように、移動ユニット３ａ、３ｂには、管内走行装置１が配管内１０に挿入された際に、図２に二点鎖線で示す矢印Ｂの回動方向にそれぞれのリンク部２を付勢することによって、移動ユニット３ａ、３ｂのそれぞれのオムニホイール３２を配管１０の一方側の内壁面１１ａに押し付けるためのコイルバネ（付勢手段）１５がそれぞれ設けられている。このコイルバネ１５は、詳しくは図示しないが、一端側が第１連結部１３に取り付けられており、他端側が第２連結部１４に取り付けられている。これにより、管内走行装置１は、配管１０内へ挿入されると、このコイルバネ１５によって移動ユニット３ａ、３ｂのそれぞれのオムニホイール３２が内壁面１１ａに押し付けられる。そして、この状態で、モータ１６の駆動力によってそれぞれのオムニホイール３２を配管１０の軸方向へ能動的に回転させることにより、それぞれのオムニホイール３２は内壁面１１ａ上を転動し、管内走行装置１は配管１０内を走行することができる。尚、移動ユニット３ａ、３ｂのそれぞれのオムニホイール３２を配管１０の一方側の内壁面１１ａに押し付けるための付勢手段は、コイルバネ１５に限定されたものではなく、それぞれのリンク部２を図２に二点鎖線で示す矢印Ｂの回動方向に付勢する付勢力を発生させることができるものであれば良い。
【００２６】
移動ユニット５は、リンク部２ｂ、２ｃ間に設けられるものであって、図２に示すように、移動ユニット３ａ、３ｂとは反対側の配管１０の径方向の他方側（図２中の谷側）に張り出すように設けられている。この移動ユニット５は、移動ユニット３ａ、３ｂと同形状に構成されており、配管１０の軸方向に直交する車軸５１と、車軸５１に固定され、配管１０の軸方向へ配管１０の内壁面１１ｂ上を転動するオムニホイール（第２全方向移動部材）５２とを備えている。
【００２７】
このオムニホイール５２は、オムニホイール３２と同様のものであり、車軸５１の両端側にそれぞれホイール本体５３が固定されており、それぞれのホイール本体５３には外周の接線方向に配置された不図示の軸が外周方向に所定角度間隔で複数設けられ、それらの軸にゴム等で外周を被膜した略樽型のローラ５４がそれぞれ取り付けられている。また、第２連結部１４を挟み込むように取り付けられたそれぞれのホイール本体５３は、周方向に所定角度だけずれた状態で対向するように車軸５１に固定されており、車軸５１の回転に伴って一体として回転するように構成されている。これにより、オムニホイール５２は、ホイール本体５３が配管１０の軸方向へ受動的に回転するだけでなく、ローラ５４が配管１０の内壁面１１ｂ上を周方向へと受動的に回転することにより、周方向へも移動することが可能である。尚、ここでのオムニホイール５２は、オムニホイール３２とは異なり、モータ等の駆動手段からの駆動力によって配管１０の軸方向へ能動的に回転するものではなく、配管１０の軸方向へも受動的に回転するものであるが、これに限定されるものではなく、オムニホイール５２もオムニホイール３２と同様にモータ等の駆動手段からの駆動力によって配管１０の軸方向へ能動的に回転するように構成しても良い。また、移動ユニット３ａ、３ｂ及び移動ユニット５に設けられる移動部材は、オムニホイール等の全方向移動車輪に限定されるものではなく、配管１０の軸方向に移動ができ、且つ、その移動方向に対して直交する方向（配管の周方向）に移動ができるものであれば良く、例えば、進行方向に対しては十分な摩擦を得ることができ（グリップ力が高く）、それに直交する方向には滑りやすいという特性を有する材質のものを複数互いに異なる方向に組み合わせて、それぞれを歩行時の脚の軌道に合わせて動かすことによって同様の機能を持たせるようにしても良い。
【００２８】
移動ユニット４ａ、４ｂは、リンク部２ａの開放側の端部である前端及びリンク部２ｄの開放側の端部である後端にそれぞれロール回転軸１２を介して設けられるものであって、図２に示すように、移動ユニット３ａ、３ｂとは反対側の配管１０の径方向の他方側（図２中の谷側）に張り出すように設けられている。移動ユニット４ａ、４ｂは、それぞれリンク部２ａ、２ｄの軸方向に対して直交する車軸４１と、車軸４１の両端側にそれぞれ配管１０の軸方向に受動的に回転可能に支持されるロール回転用部材である一対の半球状に形成される車輪４２とを備えている。
【００２９】
リンク部２ａの内部には、図５に示すように、管内走行装置１のロール姿勢角を変えるために、移動ユニット４ａの一対の半球状の車輪４２をリンク部４ａの軸方向周りに能動的にロール回転させるための駆動力を発生させるモータ（第２駆動手段）１８が内蔵されている。このモータ１８の回転軸１９には、ロール回転軸１２が装着されており、回転軸１９の回転に伴ってロール回転軸１２もリンク部４ａの軸方向周りに回転するように構成されている。また、移動ユニット４ａの車軸４１は、図５に示すように、ロール回転軸１２を貫通するようにして取り付けられている。従って、モータ１８の駆動力によって回転軸１９が回転することにより、回転軸１９と共にロール回転軸１２が回転する。これにより、管内走行装置１では、車軸４１がロール回転軸１２と共に回転し、車軸４１の両端側に設けられている一対の半球状の車輪４２をリンク部２ａの軸方向周りに能動的にロール回転させることによって、配管１０の周方向へ内壁面１１上を能動的に移動させることができる。尚、ここでは、リンク部２ａの内部に内蔵されるモータ１８によって、移動ユニット４ａの一対の半球状の車輪４２をリンク部２ａの軸方向周りに能動的にロール回転させる場合のみについて説明しているが、リンク部２ｄの内部にもリンク部２ａと同様にモータ１８が内蔵されており、同様の原理によって移動ユニット４ｂの一対の半球状の車輪４２をリンク部２ｄの軸方向周りに能動的にロール回転させることができる。また、このモータ１８は、配管１０の外部に設けられるコンピュータ８の姿勢制御部８２から不図示のケーブルを介して又は無線により送られてくる制御信号に基づいて駆動するように構成されている。
【００３０】
このような管内走行装置１では、配管１０内を直進する場合には、図１〜図４に示すように、移動ユニット４ａ、４ｂの一対の半球状の車輪４２を傾けずに、移動ユニット３ａ、３ｂのそれぞれのオムニホイール３２を一方の内壁面１１ａに押し付けた状態で、モータ１６の駆動力によって移動ユニット３ａ、３ｂのそれぞれのオムニホイール３２を配管１０の軸方向へ能動的に回転させる。これにより、それぞれのオムニホイール３２は内壁面１１ａ上を転動し、且つ、移動ユニット４ａ、４ｂの一対の半球状の車輪４２及び移動ユニット５のオムニホイール５２が配管１０の軸方向へ配管１０の内壁面１１ｂ上を受動的に転動することにより、配管１０内を直進走行することができる。
【００３１】
また、この管内走行装置１では、例えば、図９に示すように、配管１０の屈曲部１０１を走行する場合には、配管１０内でロール姿勢角を変えることによって、管内走行装置１の姿勢を屈曲部１０１の屈曲方向に合わせる必要がある。この場合には、図９（ａ）に示す状態から、移動ユニット４ａ、４ｂのそれぞれの一対の半球状の車輪４２をモータ１８の駆動力によってリンク部４ａ、４ｂの軸方向周りに能動的にロール回転させることにより管内走行装置１のロール姿勢角をその場で変えて、図９（ｃ）に示すように、管内走行装置１の姿勢を曲管１０ａの湾曲方向に合わせるようにする。そして、この図９（ｃ）に示す状態で、モータ１６の駆動力によって移動ユニット３ａ、３ｂのそれぞれのオムニホイール３２を配管１０の軸方向へ能動的に回転させることにより、管内走行装置１は配管１０の屈曲部１０１を走行することができる。
【００３２】
また、管内走行装置１では、屈曲部１０１の屈曲方向を認識し、その屈曲方向に姿勢を合わせることによって配管１０内を自律走行するために、図１に示す要に、リンク部２ａの外周面に取り付けられる固定部９に、配管１０内の進行方向の画像を撮像するカメラ６と、進行方向に光を照射するＬＥＤ７とが固定され、管内走行装置１の外部や配管１０の外部には、カメラ６から送られてくる撮像画像に対して所定の画像処理を行う画像処理部８１と、配管１０内での姿勢の制御を行うための制御信号を生成する姿勢制御部８２とを有するコンピュータ８が設けられている。
【００３３】
カメラ６は、配管１０内の進行方向の画像を所定の時間間隔で連続的に撮像するためのものであって、撮像した画像は不図示のケーブルを介して画像処理部８１へと順次送られるように構成されている。カメラ６は、図２に示すように、例えば、配管１０の中心軸線Ｌ上に位置するように固定部９によって固定されている。従って、管内走行装置１がロール回転した場合でも、カメラ６は配管１０の中心軸線Ｌ上に位置するようになっている。
【００３４】
ＬＥＤ７は、配管１０内での前後の位置がカメラ６と揃えられ、配管１０の中心軸線Ｌに直交する平面的な位置が、カメラ６の固定位置からずらした状態で固定部９に固定されている。本実施形態に管内走行装置１では、管内走行装置１の姿勢が屈曲部１０１の屈曲方向に合っている場合（走行可能な姿勢の場合）には、影が発生しないようにカメラ６の上にＬＥＤ７が固定されている。尚、カメラ６とＬＥＤ７との位置関係は、本実施形態に限定されるものではなく、カメラ６とＬＥＤ７は、それぞれ配管１０の中心軸線Ｌに直交する平面的な位置がずれた状態で固定されていれば良く、カメラ６は必ずしも配管１０の中心軸線Ｌ上に位置している必要はなく、又、カメラ６とＬＥＤ７の前後の位置が若干ずれた状態で固定されていても良い。また、進行方向に光を照射するための光源は、ＬＥＤ７に限定されるものではなく、他の従来公知の光源を用いても良い。
【００３５】
このような本実施形態に係る管内走行装置１では、図９（ｃ）に示すように、管内走行装置１の姿勢が屈曲部１０１の屈曲方向に合っている場合（走行可能な姿勢の場合）には、ＬＥＤ７が配管１０の屈曲方向から最も離れた状態で位置することになり、図中に二点鎖線で示すように、ＬＥＤ７の光は屈曲方向へと回り込んで、屈曲部１０１の奥側を照らすことができる。そのため、ＬＥＤ７よりも配管１０の屈曲方向の近くに位置するカメラ６によって撮像される撮像画像Ｉ３中には、図１０（ｃ）に示すように、影は発生しないようになっている。
【００３６】
一方で、図９（ａ）に示すように、ＬＥＤ７が配管１０の屈曲方向の近くに位置する場合には、ＬＥＤ７の光は図中に二点鎖線で示すように、屈曲部１０１の奥側まで届かない。そのため、ＬＥＤ７よりも配管１０の屈曲方向から離れて位置するカメラ６によって撮像される撮像画像Ｉ１中には、図１０（ａ）に示すように、影の画像領域Ｓ１が発生する。また、管内走行装置１が図９（ｂ）に示すような姿勢の場合には、図９（ａ）の状態よりもＬＥＤ７は配管１０の屈曲方向から離れて位置するため、ＬＥＤ７の光は屈曲部１０１の奥側を照らすことができる。また、管内走行装置１は、図９（ａ）の姿勢から配管１０の軸方向に対して左回りにロール回転しているため、配管１０の屈曲部１０１に対するカメラ６及びＬＥＤ７の相対的な位置が変化する。そのため、図１０（ｂ）に示すように、カメラ６によって撮像される画像Ｉ２中の影の画像領域Ｓ２は、Ｓ１よりも小さく異なる角度に発生する。従って、管内走行装置１では、カメラ６とＬＥＤ７の位置関係によって配管１０の屈曲部１０１に発生する影の画像を利用することによって、管内走行装置１の姿勢が屈曲部１０１の屈曲方向に合っているか否かを認識することができる。尚、図１０（ａ）〜（ｃ）における撮像画像Ｉ１〜Ｉ３は、それぞれ図９（ａ）〜（ｃ）に示す管内走行装置１のカメラ６によって撮像して得られた画像の一例を模式的に示すものである。また、図１０中の１０’は、配管１０の直管部と屈曲部１０１との境界の輪郭を示す画像であり、１０’の周りの斜線で示されている１１’は、配管１０の内壁面１１を示す画像である。
【００３７】
画像処理部８１は、カメラ６によって撮像された画像に対して所定の画像処理を行うためのものであって、カメラ６とＬＥＤ７との位置関係によって配管１０の屈曲部１０１に発生する影の画像を抽出するための画像処理等を行う。また、姿勢制御部８２は、屈曲部１０１の屈曲方向に合うように管内走行装置１の姿勢を制御するためのものであって、画像処理部８１によって抽出された影の画像情報に基づいて、配管１０内での姿勢の制御を行うための制御信号を生成し、不図示のケーブルを介して、その制御信号によってモータ１８を駆動させる。
【００３８】
以下、本実施形態に係る管内走行装置１の走行動作の一例について図７のフローチャート及び図９，１０を参照しつつ説明する。本実施形態に係る管内走行装置１では、カメラ６によって撮像された画像中に影が発生していない場合は、走行可能な姿勢であるので、まずはカメラ６によって撮像された画像中に影の画像領域が所定画素数以上含まれているか否かを判定する（Ｓ１０１）。尚、判定の基準となる所定画素数は、カメラ６とＬＥＤ７との位置関係や配管１０種類等に応じて適宜設定されるものであり、コンピュータ８の不図示のＲＡＭ等の記憶手段に予め記憶されている。
【００３９】
Ｓ１０１の判定は、カメラ６によって撮像された画像を用いて、画像処理部８１によって行われる画像処理の結果に基づいて行われる。画像処理部８１では、図８のフローチャートに示すように、まずはカメラ６によって撮像された画像を取得する（Ｓ２０１）。そして、画像処理部８１では、取得した撮像画像の各画素の明るさの平均を算出し、後述する第２の二値化処理に用いる第２の閾値として設定する（Ｓ２０２）。
【００４０】
次に、画像処理部８１では、予め設定されている第１の閾値を用いて、Ｓ２０１で取得した撮像画像に対して二値化処理することにより、第１の二値化画像を生成する（Ｓ２０３）。第１の閾値は、例えば、予めカメラ６とＬＥＤ７との位置関係や配管１０種類等に応じて設定されるものであり、コンピュータ８の不図示のＲＡＭ等の記憶手段に予め記憶されている。
【００４１】
また、画像処理部８１では、Ｓ２０２で算出した第２の閾値を用いて、Ｓ２０１で取得した撮像画像に対して二値化処理することにより、第２の二値化画像を生成する（Ｓ２０４）。そして、画像処理部８１では、Ｓ２０３で生成した第１の二値化画像とＳ２０４で生成した第２の二値化画像とを比較して、影の画像を抽出する。具体的には、Ｓ２０３で生成した第１の二値化画像とＳ２０４で生成した第２の二値化画像の互いに共通する画素において、互いに黒である画素を黒とし、影の画像（二値化画像）として抽出する（Ｓ２０５）。これにより、例えば、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すような撮像画像Ｉ１，Ｉ２から二値化画像Ｉｂ１，Ｉｂ２が生成される。
【００４２】
Ｓ１０１の判定では、このＳ２０５で抽出された影の画像を用いて、影の画像領域が所定画素数以上か否かを判定する。例えば、図１０（ｃ）に示すように、二値化画像Ｉｂ３中に影が抽出されなかったような場合は、影の画像領域は所定画素数以上でないと判定され（Ｓ１０１：ＮＯ）、この場合には図９（ｃ）に示すように、管内走行装置１は走行可能な姿勢であるので、そのままモータ１６を駆動させ続けることにより走行動作を継続させる（Ｓ１０２）。
【００４３】
一方で、例えば、図１０（ａ）の二値化画像Ｉｂ１や図１０（ｂ）の二値化画像Ｉｂ２のように影の画像領域Ｓ１やＳ２が所定画素数以上であると判定された場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）には、コンピュータ８からモータ１６に駆動を停止する制御信号を送信し、管内走行装置１の走行動作を停止する（Ｓ１０３）。
【００４４】
その後、画像処理部８１では、図８に示すように、例えば、影の画像領域に対して重心計算を行うことにより、影の画像領域の中心の位置を算出する（Ｓ２０６）。そして、このＳ２０６で算出した影の画像領域の中心が画像の−９０°以上９０°以下の領域に位置しているかを判定する（Ｓ１０４）。尚、ここでは、−９０°以上９０°以下の領域とは、図１０に示す画像中の中心点Ｏを通るＹ軸（縦軸）に平行な直線を含んで右側に位置する領域のことである。従って、例えば、図１０（ａ）や図１０（ｂ）の場合には、影の画像領域Ｓ１，Ｓ２の中心Ｐ１，Ｐ２は、−９０°以上９０°以下の領域に位置していない（Ｓ１０４：ＮＯ）なので、姿勢制御部８２からモータ１８を駆動するための制御信号を送信し、配管１０の軸方向に対して左方向に管内走行装置１をロール回転させる（Ｓ１０５）。また、影の画像領域の中心が−９０°以上９０°以下の領域に位置している場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）には、姿勢制御部８２からモータ１８を駆動するための制御信号を送信し、配管１０の軸方向に対して右方向に管内走行装置１をロール回転させる（Ｓ１０６）。
【００４５】
この際、姿勢制御部８２では、例えば、図１０（ａ）に示すような姿勢の場合には、影の画像領域Ｓ１の中心Ｐ１と画像の中心点Ｏを結ぶ直線Ｌ２と画像の中心点Ｏから真下に降ろした直線Ｌ１とのなす角α１だけ回転させるように、モータ１８に制御信号を送るようにすれば良い。尚、管内走行装置１をロール回転させている際もカメラ６によって画像を撮像し、画像処理部８１によって図８のＳ２０１〜Ｓ２０６までの同様の処理が繰り返し行う。これにより、図１０（ｃ）のように影の画像が発生しない状態まで管内走行装置１のロール姿勢角が変更したかを確認することができ、屈曲部１０１の屈曲方向にあった姿勢に確実に制御することができる。また、図８は、撮像画像中の影の画像を抽出するための画像処理の流れの一例を示すものであり、画像処理部８１による撮像画像中の影の画像を抽出方法は、これに限定されるものではなく、他の従来公知の方法を用いても良い。
【００４６】
尚、本実施形態に係る管内走行装置１では、リンク部２ａの開放側の端部である前端及びリンク部２ｄの開放側の端部である後端のそれぞれにロール回転可能な一対の車輪４２を有する移動ユニット４ａ、４ｂを設けた例を示しているが、いずれか一方のみをロール回転可能に構成するようにしても良い。また、移動ユニット５の移動部材５２を能動的にロール回転可能に構成するようにしても良い。また、本実施形態に係る管内走行装置１では、４つのリンク部２（２ａ〜２ｄ）をジグザグ状に配列している例を示しているが、これに限定されるものではなく、リンク部２は４つ以上ジグザグ状に設けられていても良い。また、配管１０の屈曲部１０１に発生する影の画像を利用することによって、管内走行装置１の姿勢が屈曲部１０１の屈曲方向に合っているか否かを認識するための構成は、本実施形態のような管内走行装置だけに適用されるものではなく、配管１０内でロール姿勢角を変えることによって、配管１０の屈曲部１０１の屈曲方向に合った姿勢で走行可能な構造であれば、適宜適用することができる。さらに、本実施形態の管内走行装置１では、図１０に示す画像中の中心点Оを通るＹ軸に平行な直線を含んで右側に位置する領域を−９０°以上９０°以下の領域としたが、座標系はこれに限定されない。たとえば、図１０に示す画像中の中心点Оから下方への垂直線の位置を０°としてもよい。すなわち、図１０に示す画像中の中心点Оを通るＹ軸に平行な直線を含んで右側に位置する領域を０°以上１８０°以下の領域とする。
【００４７】
尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１            管内走行装置
６            カメラ（撮像手段）
７            ＬＥＤ（光源）
８１          画像処理部（画像処理手段）
８２          姿勢制御部（姿勢制御手段）
１０          配管
１０１        屈曲部
Ｌ            中心軸線
【図１】
0006735997.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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