計測自動制御学会東北支部 第 346 回研究集会 (2023.12.20)
資料番号 346-12

狭隘空間内を観察する内視鏡ヘッドの開発
Development of an endoscopic head for observing inside narrow spaces○ 野村雄太*，南斉俊佑*，星崎みどり*，関健史*，長縄明大*○ Yuta Nomura，Shunsuke Nansai，Midori Hosizaki,
Takeshi Seki，Akihiro Naganawa*秋田大学*Akita University
キーワード : 内視鏡 (Endoscope)，配管検査 (Piping inspection)，カメラヘッド（Camera head），画像処理(Image processing)，機構設計（Mechanism design）
連絡先 : 〒 010-8502 秋田市手形学園町 1-1 秋田大学大学院理工学研究科
長縄 明大，Tel.: (018)-889-2726 E-mail: naganawa@gipc.akita-u.ac.jp̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶̶1． 緒言管における使用を想定し，超音波を利用現在，産業工場や電力供給施設などでし 360 方向の損傷の探査が可能な自走は，種々の流体を搬送するために，たくさ式ロボットが開発されている．

んの配管が使用されている．また，配管の移動機構として，Tomonari Yamamoto

漏れや破損を未然に防ぐために，配管はらが開発した空気圧中空軸アクチュエー

定期的に検査を行なう必要がある．検査

タ機構が挙げられる[1]．この機構は，チュは，利用者や第三者への被害の回避，長期ーブ内に空気を送り込むことによって，にわたる機能不全の回避，長寿命化への壁面を保持しているローラーが移動し，時宜を得た対応などの設備に係る維持管配管内の移動が可能となるインチワーム

理を適切に行うために必要な情報を得る型のロボットである．また，ベルト伸縮機ことを目的に実施される.

能を加えることにより，保持力と反発力

しかし，狭小空間や小口径配管内の損の両方を発生させることが可能となり，傷検査は，人間が直接行うことが不可能

ストローク長が延伸し，配管内の高速移である. そこで，配管内部の損傷を検査す動が実現された．

るために，配管検査ロボットを用いるこ本研究室においては，スコープと渦電とが大変有効である.

流探傷装置を組み合わせた構造を持ち，現在開発されている配管検査ロボット

配管内のおおよその損傷の位置を特定すの一例として，直径 100 mm 以上の配ることが可能である 1 インチおよび 1/21

インチ配管用ヘッドが開発されている．

2． 設計コンセプト

本ヘッドは，光ファイバスコープで得ら

本研究で設計するロボットは，内径れる配管内の画像や補修用のレーザー光30mm の配管内においての使用を想定しを，管内壁面へ反射させるためのミラーているため，装置全体の幅が 30mm に収[2]を内部に配置している ．

まるようにモータ及び回転機構を配置す

しかし，駆動装置として，圧電素子で構る必要がある．装置は配管内部に挿入し成される超音波アクチュエータが計 12て使用することを想定しており，装置が個使用されており，小型であるが構造が配管内部で回転すると損傷位置の特定が複雑であるという課題がある．

困難となるため，重量バランスが均衡にそこで，本研究では，内径 30mm の配保たれるように設計する必要がある．ま

管内部を内視鏡で観察することを想定した，Fig. 1（左図）のような設計の場合，たカメラヘッドの開発を行う．30mm を装置と配管内面との距離が常に一定に保想定した理由として，現在開発されていたれないため，Fig. 1（右図）のような装る内視鏡ヘッドは，比較的，径の大きい配置が常に配管の中心に配置される設計と管を想定したものが多く，小口径の配管する．

内部を観察する場合，寸法の制約により，以下の設計要件を考慮し，Fig. 2 に設機構の配置が困難となる．また，先端部を計コンセプトを示す．内視鏡先端にミラ屈曲させることができず，配管の長手方ーを組み込んだ円筒を取り付け，その円向の画像のみしか得られず，配管の半径筒を回転させることにより，直角方向の方向へミラーで映像を屈曲させる機能を画像の取得を可能とする．

有するヘッドの需要があるためである．
撮影画像の解析が機構カメラヘッドは，既成の内視鏡の先端に取り付けて使用することを想定する．カメラヘッドには，損傷部分を局所的に観察することを目的として指定した回転角でミラーを回転させる回転機構を取り付ける．
また，実際の配管内部の損傷は，形状が複雑であり，撮影画像から損傷の種類やFig. 1 設計要件発生要因を特定することが困難となる場合が多い．画像処理を配管検査に適用した研究事例は少なく，本研究では，取得した画像内における対象物の大きさを判別することが可能となる画像処理を施す．
Fig. 2 設計コンセプト2

3． 主な使用装置と表される．ここで，内視鏡は，工業用内視鏡を使用する．モ
ニター，ケーブル，カメラから構成されて𝐹 = 25 × 10#$ × 9.8[N]おり，カメラはスコープの先端部に取り𝐴 = (4.0" × 𝜋) − (3.0" × 𝜋)[mm2]付けられている．内視鏡の画像を Fig. 3に示す．また，内視鏡の仕様を Table 1 にであるため，せん断応力τは，示す．

𝜏=モータの制御には，Arduino Uno，モ

25 × 10#$ × 9.8(4.0" × 𝜋) − (3.0" × 𝜋)

≈ 0.009 × 10% [Pa]ータドライバを用い，アクチュエータとしてステッピングモータを用いる．となる．
モータの必要とするトルクは，中空軸の定理より，
𝑇=𝑇=

𝜋 𝑑"& − 𝑑!&××𝜏
16𝑑"

𝜋 (8.0! − 6.0! ) × 10"#$×× 0.009 × 10&
168.0 × 10"%

≈ 0.7[mNm]
Fig. 3 工業用内視鏡

余裕をみて，係数 1.5 をかけると，
𝑇 ' = 0.7 × 1.5≈ 1.0[mNm]

Table 1 内視鏡の仕様
解像度となる．よって，出力トルクが,100 万画素

撮影解像度（画素） 1920 1080

1.0[mNm] を上回るモータを使用する必

焦点距離30〜100 (mm)

要がある．

視角70

4． 使用モータについて4.1 必要トルクの計算
Fig. 4 中空丸軸

円筒を中空軸と仮定し，内・外径，全質量から，中空軸の定理より，モータの駆動に必要なおおよそのトルクを計算した ．

その結果，出力トルクが 1.0[mNm] を上計算過程を以下に示す．

回るモータを使用する必要があることが[3]

Fig. 4 の円筒において，内径𝑑! = 6 mm， 明らかになった．1.0[mNm]以上のトルク
外径𝑑" = 8 mm，全質量:25g とすると， を発生させた上で，円筒を低速（1rpm 程度）で回転させる必要があるため，本研究

せん断応力 τ は，𝜏=ではステッピングモータの使用が適して𝐹
𝐴

いる[4]．

3

4.2 使用モータする機能を有しているため，基準地点か

本研究では，装置の幅を 30mm 以内にら損傷位置までの角度を記録することが収める必要があるため，可能な限り小型可能である. 停止時における治具の左端かつ必要トルクを満たしているモータをからミラー用円筒の右端までの寸法は選定する．本研究では，アイカムスラボ製42mm である.また，全幅は 28mm であの小型ステッピングモーター(MUBD02)

り，設計要件である 30mm 以内に収まっを用いる．本製品は，プラスチック製のマている．また，スコープと配管内面との距イクロ歯車が搭載されており，小型かつ離は，ミラー用円筒の角度に依らず一定軽量であり，不思議歯車方式により 1 段であるため，配管内面の観察が円滑となで 1/100 程度までの減速が可能である．

る．

また，本製品は，出力トルクが 2.0[mNm]であり，前項で算出した必要トルク1.0[mNm]を上回っているため，使用には問題ないと考えられる.
4.3 制御手法本研究では，出力トルクが 1.0[mNm]を上回り，1[rpm]程度の低速での回転が要求される．Arduino Uno 及びモータドライバを用いて，1 パルスあたりの回転角

Fig. 5 設計装置の全体像を指定し，制御方法を採用する．また，一定間隔でパルスを発生させることにより， 6． 試作品低速回転を実現する．

試作品を内視鏡に取り付けた様子をFig. 6 に示す．設計ソフトウェアは，5． 設計した内視鏡ヘッド

Autodesk Fusion 360 を使用し，3D プリ

ロボットは主にファイバスコープ(内視ンタにより印刷した．また，Arduino，モ鏡)とヘッドによって構成されている.全ータドライバ，より，モータ駆動の回路を

体図を Fig. 5 に示す．
開発したヘッドは，製作した．配線図を Fig. 7 に示す．

既製のスコープ先端部に取り付けて使用することを想定する．ヘッドは，レンズ用円筒，ミラー用円筒がねじによって二重に取り付けられており，ミラー用円筒内にミラーを 45 に組み込む．治具によって固定されたモータを回転させることによって，ミラーが連動して回転する．また，ステッピングモータは，停止位置を保持Fig. 6 内視鏡先端に取り付けた様子

4

8． 画像処理
8.1 手法
本研究では，取得した画像内の損傷を検出し，おおよその大きさが推定可能となるシステムを構築する．オープンソー
スライブラリである OpenCV を用い，プログラミング言語は Python を使用する．
損傷部の大きさの推定方法として，画像
Fig. 7 製作した回路のピクセル数を利用する．ピクセル数は内視鏡固有の値であるため，損傷部のピ7． 駆動実験

クセル数から距離を算出する方法を採用

駆動実験の様子を Fig. 8 に示す．内視する．

鏡先端にヘッドを取り付け，内視鏡からはじめに，内視鏡から取得した画像は対象物までの垂直距離が常に 14mm と歪みが生じているため，キャリブレーシなるように治具を壁面に押し当てた状態ョン処理を行う必要がある．方法として，で，モータを 1rpm で駆動する．また，チェッカーボードを異なる角度から複数内視鏡とミラーの距離を 16mm 離すこ枚撮影し，交点の座標を算出する．焦点距とにより，対象物と内視鏡との距離が離，光学中心を内部パラメータとして，撮30mm となり，内視鏡の最低焦点距離と影した画像に適用し，歪みの補正を行う．

なる．先端のヘッドが回転し，直角方向大きさを推定する手順として，取得しの観察が可能となる．画像はモニタに映た画像に対して 2 値化処理を行い，グレし出され，撮影が可能である．また，ヘースケール化を施す．その上で，輪郭検出ッド部の拡大写真を Fig. 9 に示す．治具を行い，画像内における損傷部を検出すを壁面に押し当てて使用する．

る．その後，指定した高さにおける 2 値化処理後の対象物の幅をピクセル数より測定する．画像処理のフローチャートを
Fig. 10 に示す．尚，内視鏡と損傷との距離が常に一定となる必要あるため，モータ治具を壁面に接触させ，撮影を行う必要がある．

Fig. 8 駆動実験の様子

Fig. 9 ヘッド部の拡大画像

5置を定めたが，対象物の最大部分を測定できていないことが誤差要因として考えられる．そのため，対象物の最大幅部分を検出し，測定が可能となるようなプログラムの開発が検討される．

Fig. 11 撮影対象 Fig. 12 撮影の様子

Fig. 10 フローチャート
8.2 撮影実験
損傷を模した撮影対象として，一辺がFig. 13 撮影画像 Fig. 14 画像処理後5mm の正方形が印刷された用紙を用いる．用紙を円筒状に丸め，内部に装置を挿Table 2 測定結果入し，撮影を行う．撮影対象を Fig. 11，

真値:5.0[mm]

1 回目

2 回目

撮影の様子を Fig. 12 に示す．また，撮影測定値[mm]5.435.27

画像を Fig. 13，撮影画像に対して 2 値化

誤差[mm]+0.43＋0.27

処理，輪郭検出を行った画像を Fig. 14 に相対誤差[%]8.65.4示す．真値との誤差を比較した結果をTable 2 に示す．測定を行った結果，平均9． 結言して 7.0%の相対誤差が生じた．

本研究では，内視鏡と組み合わせて使一点目の誤差要因として，画像の歪み用する内視鏡カメラヘッドの開発を行なの影響であると考えられる．内視鏡は単った．カメラヘッドは，二重円筒構造を採眼であることから樽型歪みが生じるため， 用しており，任意の回転角で，円筒を回転キャリブレーションの際のサンプル数をさせることが可能である．また，取得した増やすことが改善策として考えられる．

画像内の対象物の大きさを推定するシス

また，内視鏡と対象物との距離はヘッドテムを構築し，おおよその損傷の大きさの半径分の 14mm であり，ズーム機能のの推定を可能とした．

付加や近接レンズの利用が検討される．

今後の展望として，構造の見直しを行二点目の要因として，今回，測定方法とうとともに，画像処理の精度を高めるこして，画像上端からの距離を指定して位とを検討する．

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参考文献
[1] Tomonari Yamamoto，Highspeedsliding-inchworm motion
mechanism with expansion-type
pneumatic hollow-shaft actuatorsfor in-pipe inspections，Mechatronics，pp.102-107，2018.
[2] Mamiko Ito, Akihiro Naganawa,
Kiyoshi Oka and Katsuaki
Sunakoda : Development of alaser processing head to inspect
and repair the damage inside of ahalf inch pipe, 2010 IEEE/SICE
International Symposium on
System Integration (SII2010),
pp.126-131, 2010.
[3] 林則行，冨坂兼嗣，平賀英資:機械設計法，森北出版株式会社，1988.
[4] 大木 創 :ステップモータの理論と応用，実教出版株式会社，1979.

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