言1う則自動制御学会東北支票†滞2朝回研究集会伽．7ヱ）
資料番号244−13

全方向移動機構を有する配管表面検査ロボットの自律移動
AutonomousMovementofPipeInspectionRobot

withOmnidirectionalMobileMechanism
O鈴木章一好】，岡野秀ぽ2，光田 訂3，鈴木雅之＊4，
ShoichiroSUZUKI＊l，HideharuOKANO＊2
TsukasaMITSUTA 3，MasayukiSUZUKI＊4，
才1秋田県立大学大学院，躊2秋田県立大ぎ2
東3（独）石油天然ガス・金属鉱物資源機構、叫（株）安川電機

GraduateSchoolatAkitaPrefecturalUniverslty／2AkitaPrefecturalUniversIty．
火3
JOGMEC，＊4YASKAWA＊1

キーワード：配管表面検査ロボット（PipeTnspectionRobot），脚車輪構造（Leg・WheelUnit），磁気車輪（MagneticW−eel），移動ロボット（MovingRobot）
連絡先：〒015−0055 秋田県由利本荘市土谷字海老ノロ84−4 秋田県立大学
システム科学技術学部 機械知能システム学科 ロボット工学研究室
TEL O184−27−2220 E・mail：mO9aOO6＠akita・Pu．aC．JP

1．緒 言

石油プラントには，大小様々な径や健鄭碩己管が複雑搭載した構造であり，作業員による遠隔操作で薗軸己管に配置されており，配管中の原油に含まれる不純物の沈殿に起因する配管の肉厚の減少や腐食等が周司で観の肉厚検査をおこなう．しかし，UDPの移動範囲は 直棚己管に限定され，フランジ仁バルブ止め具等の障害火災爆発等の事故の発生が懸念されている．そのため，物の乗り越え，回避ができない．また，配管系には高所定期的な配管検査により事故を未然に防ぐ必要がある．

等の危験囚或が存在し，仮設した作業用足場の上で検査

石油プラントでは強磁性の炭素鋼鋼管（SGP：SteelGasをおこなう作業員に危険が伴う．
また，外部検査用ロボットの研究について，福田らがPi匹）が多用されており，水平・垂直配管水平・垂直
曲管，バルブ，フランジ，止め具等が配管系を構成して三個の車輪をもち単独走行が可能な三両を連結したロボいる．本研究では，石油プラントの配管系において，自ットを開発し，フランジ乗り越え移動を可能としたのβ）

律でSGPの肉厚を検査するロボットの開発を目的とする．

また，伸縮する本体と二本のアームから構成され，尺取配管の検査方法について考えると，検査装置を搭載した移動ロボットが，配管内部で検査をおこなう内部検査

り虫形式を応用した移動方式でT朝己管の通過を可能とするロボット糾，吸盤を搭鼓し形眠記憶合金をアクチュと，配管外部に吸着して検査をおこなう外部検査に分類

エータとする二本のフレキシブルアームとスライド部かされる．石油プラントの配管系に対して，内部検査を用いるためには，プラントの稼動の停止，除液作業が必要

ら構成されるロボットβ）6）が報告されている．しかし，これらのロボットは和芯する配管径が限定されていた．となる．しかし，外部検査を用いると，プラントの稼動中に検査ができ，プラントの停止 除夜の手間と時間を以上のことを考慮して本研究では，配管の外部検査用ロ節約できることから，外部検査が望まれている．現在ま剛体に連結した構造で磁石車輪による配管〈の吸着でに，外部検査用ロボットの実用化例として，UDPが報

車輪の上昇によるフランジ等の障害物の自律乗り越え，告されているq）．uDPは，超音波探触子を移動装置に水平・垂直曲管での自律移動をおこなう．

ボットの開発をおこなう．ロボットは脚車輪ユニットを

2．配管検査ロボット
乙1仕様 ロボットの仕様を表1，全体を図1に示す．

全長458mm，全幅235mm，全高308mm，質量528kgであり，伸縮機構をもつ六基の脚車輪ユニットから構成される．脚車輪ユニットは質量0．78晦，伸縮長さ110mmである．また，呼び径がかOA以上ク酒己管を対象とするが，200A e16．3mm）の戯軸己管にも対応できる構造とする．
2ユ 構造 ロボットの機構を図2，構造を図3に示す．

Fig．1Generalviewoftherobot

ロボットは，三自由度を有する脚車輪ユニットを前凱中央部，後部の左右に配置し，全十八自由度を有する．
各部の左右対称構造の脚車輪ユニットは，前ユニット，中央ユニット，後ユニットを構成し，同l体のユニット連結部に固定される．

脚車輪ユニットは，磁石車輪，駆動部，ステアリング部，リフト部から構成され，各部に馬【覇脚瀾モータ，ステアリング部用モータ，リフト部用モータが搭載される．
脚車輪ユニットに搭載される車輪は，全てネオジム磁石製で ロボット古瀬己管に吸着して移動をおこなう．

Fig．2 Mechanismoftherobot

ステアリング部は，ステアリング部用モータによる車輪のステアリング軌作をおこなう．車輪は，スライドレーソレとギアボックスを連結するステアリング部用シャフ
トを中心に回転する．回転範囲は，図3に示すステアリ
ング角Odegの状態から，日宗個りと反日寄十回りに卯d喝であり，回転の限界地点をリミットスイッチで検出する．また，ステアリング郡用シャフトの内部にはポテンショメータが搭載される．
リフト部はリフト部用モータにより配管に吸着する車輪の上昇，￣印蚤をおこなう．また，リフト部には 車輪の上限 下限位置を検出するリミットスイッチが搭載される．
2．3 磁石車輪 車輪の形状を図4に示す．車輪は，リRackgear

ング型のネオジム磁石をラバー休オ質NR）で被覆した

Gear box（Drive／Steerhg）構造である．吸着力（ラバー被覆日割 は 69．5Nで ロボットは磁石車輪を六個搭載しており，全吸着力′は417Nである．総吸着力はロボットの質量に対して十分
Fi邑3 Cons血CtionofdlerOtX）t

な力を有しており，検査装置の種類や仕様を選定することで仔細勺には検査装置を搭載することが可能である．

TablelSpecificationoftherobot

RobtLeng仙458 m Width235 m Height308 m Mas 5．28 kgLe−Whe）unitSldength10 m Mas 0．78 k

Fig．4 Magneticwheels22．4 システム構成 ロボットのシステム構成を，図54ヱ 障害物自律乗り越え移動 障害物自律乗り越えに示す．システムは ロボット本体，制御基板，制御用

移動では障害物としてフランジを対象とする．

Ⅰ℃および外部電源から構成される．ロボット本体は脚4ユl障害物検出方法 距離センサを用いた障害物検車輪ユニットと自律移動用センサから構成される．自律出処理について説明する（図7）．パラメータとして，移動用センサには距離センサを，各ユニットの下部にりは荘鞘姥ンサ（門D／，／＝l〜8）の出力電圧，竹は計六個と前後ユニットの上部に計二胤 近接センサをしきし、値である．処理が開始されると，しきし、値りと中央ユニットの下瓢傾斜角センサを前ユニットの上部，して距離センサが障春物を検出する際の出力電圧を設定

力鹿渡センサを中央ユニットの上部に搭載する．

する．ロボットはり＜ 竹であれば移動をおこなう．

馴卸基板には，各部用モータの制御をおこなうモータドライバが十八個搭載される．
制御用Ⅰ℃には，デジタル出力ボートや各センサの信出力電圧りほ樟害物に近づくと上昇し，ロボットはり≧ りであれば移動を停止し，処理を完了する．
なおト距離センサとして，フランジ等の低い障害物を号を入力するデジタル入力ボード，ADボード，カウン検出する場合は図5において汚Dl〜6を使用する．

タボードが搭載される．ボードに入力された各センサの4ユ2 乗り越え移動方法 フランジ自律乗り越えの移動

信号は制御用l℃へ送信され，信号に応じモータの制方法を図8に示し，順に説明する．（1）距離センサでフ御信号をモータドライバへ出力する．

ランジを検出して移動を停止（2）車輪を配管から引き離

外部電源は制御基板凧各センサ凧各ボート用を使用する．

す・（3）中央後の四輪移軌（4）車輪を￣口径

以晩 中央，後ユニットも同様の動作をおこなう．

以上のシステムをもつロボットは，配管上での自律移動と制御用K：による遠隔操作を可能とする．
3．運動方程式

ロボットが，角度βmdの傾斜配管上を移動する際の動特性について調べるため運動方程式を求めると（芝ノ＋ヰ＋以＝‡丁｛叫函β叫（′＋鳩叫〉（1）となるの・ノは慣性モーメント1唱m2，〟はロボットの質量晦，βは走行抵抗係数Ns毎∬は位置m，gは重力加速度m庵2，〃は車軸数，rは車輪の半径m，んは駆
動車軸数∴rは駆動トルクNm，〟は転がり摩擦係数（配管と車輪㌧．／は全磁石車輪の吸着力Nである．
4．移動方法4．1全方向移動 全方向移動では，ロボットは水平・垂直の直柵己管を移動対象として，図6に示すb）直Fig．5 Sys短mof仇erobt

進移軌 わ）円周方向移動をおこなう．
直進移動ではロボットは駆軌部を用いて六輪で移動する．水平配管上面部では，配管の円周方向に発生する傾斜角を傾斜角センサで検出して，最前ユニットのステアリング部を用いて手租三移動をおこなう．
円周方向移動では，ロボットはステアリング部により，≒≒竺さ全車輪を円周方向へ向けた状態で水禰己管上面部と底面部の間を移動する．ロボットは，直進移動と円周方向移動を組み合わせることでバルブT字配管等の回避移動を可能とする．

Fig・6 Movementondlehorizcntdpipe

4．3ユ 水平曲管旋回移動 水平曲管上での旋回移動では，ロボットに嫡己管径と旋回方向に応じた車輪のステアリング角と速度を算出し，旋回移動をおこなう．各車輪の中心座標（葦，ぢ）と旋回中心座標（ふ，yO）の関係を図11に示す（ノ＝1〜6）∴旋桓弼壌推知）条件として，旋回中ノL座標が中央の車輪の中心座標（養，ち）（ぷ，y5）を結ぶ延長線上に存在すること，また，中央の車輪を上昇させた四輪状態であることとする．
施司移帥寺の各車輪のステアリング角β′は，Fig．7 0bstaclesearchingalgorithm
二βノ＝tan−】

■．

う．

11．

−≠−・ぃである．ただし，旦≠晶である・また，旋回中心座標から各車輪の中心座標までの距離1ノは⊥ノ＝（ズノーズ。）2＋（†ノー玲）2であり，座標孝，）；は，図11に示す前後の鞠百／，左右の輔囁w，曲管半径月を用いて求める．また，移（3）動条件より，旋回御幸のロボットは前後対前の状態な（4）ので βl＝∂3，β4＝β6かつ上，＝ら，⊥。＝エ。であFig．8 Sequencebywhichtherobottraversesaflange

る．掴稚エノは各車輪の速度v′の比に等しいので

V】 V2 V3 lJ4 V5 V6⊥l⊥2 上lエ4 エ5 ⊥4

4．3 水平曲管自律移動 水平曲管自律移動を実現するためには水平曲管の検出と水平曲管上での旋回移動をおこなう必要がある．
4ユ1水平曲管検出方法 溶接線の高さの検出をおことなり，γ1＝V3，V4＝1ノ6であり，Vlからv6のいずれなう．溶膀線は配管同士の接合方法として」榔勺であかを設定すると速度vノを求めることができる・る溶接の際に生じる．
製作した溶接線の検出センサを図9に示す．検出セン
サは，脚車輪ユニットに固定された近接センサと車輪付きアームから構成され，樹脂の板にウレタンゴムの車輪を搭戟した車輪付きアームは関節をもつ．検出センサは中央ユニットの左右の中間に搭載される．検出は図10に示すように，車輪付アーム硝容接線に乗り上げ，近接センサの測忍碍弛が4から吼 に変化することによるFig．9 D焼加onofdleWeldhe

出力電圧の変化を測定する．
検査センサは，質量14gとノ」哩，軽量愉豊でリフト部による上昇が可能である．また，配管径の種類による距離嵐の変化に対しても，媚妾触センサである近接センサによって対応することができる．検出に近接センサのみを用いた場合は 出力が配管の表面状態や材質に影響を受けるが，車輪付きアームを用いることで近接セン
サは常に一定の面までの臣節佳を検出することが可能にな
り，安定した出九感度を糸鮮寺することができる．

Fig．10 Geomebicrelaricnsin血e加mlng4日）

4．3j 自律移動方法 水平曲管自律移動の方法を説明する．（l）移動する管の径と旋回方向を指定し，各車輪のステアリング角と速度の算出をおこない，自律移動を開始する．e）検出センサで溶接線を検出すると移動停止し，中央部の車輪を上昇させる．（3）算出したステア

Fig．11FlangetT71VerSlngeXperiment

リング角まで，前部の車輪に対してステアリング軌作をおこなう．伺）移動を開始し，後部の車輪が溶接線の通部の車輪が逆側の溶接線の通過距離に達するとステアリ
ング角をOdegにする．毎）後部の車輪が逆側の溶解線の通過距離に達するとステアリング角をOdegにして移﹇乙弘田ご○︑こコd︶コ○

過路離に達するとステアリング勤イ乍をおこなう．6）前0

動を停止し，中央部の車輪を下降させ，水平曲管自律移動を完了する．

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 】O

4．4 垂直曲管自律移動 垂直曲管自律移動を実現す

Ttme［s］

るためには，垂直曲管の検出と垂直曲管上での旋回移動

Fig．12 Experimentalresultをおこなう必要がある．
4．4．1自律移動方法 垂直曲管自律移動として，水平また，各呼び径の配管において測定距離札が異な状態から垂直状態′＼の内側移動について説明する．

ることで出力電圧に違いが生じており，検出センサ水平配管上面部での直進移動をおこない，脚任センサを用いて異なる径の配管の溶接線を検出できること（Ⅰ苓D7）を用いて，障封勿検出処理で垂直曲管を検出後，がわかる．

移動を停止させ中央部の車輪を上昇水平面軸己管から5．3 水平曲管自律移動 呼び径250A，300Aの水平曲曲管を通過し，垂画亘素麺己管への移動をおこなう．力瓜吏管（如血∂での自律移動試験をおこなった．試験では，度センサが垂直配管への到着を検出すると移動を停止し，各配管において，左右の旋回移動をおこなう．

中央部の車輪を印重させ移動を完了する．
5．試 験

試験の結果 自律での水平旋回移動をすることができた．右旋回移動e50A）の様子を図13に示す．御寺
間は呼び径250Aでの左旋回が100s，右旋回が98s，5．1フランジ自律乗り越え移動 呼び径200Aのフランジ（高さ63．5汀m作 幅l（拘mm）付き配管に対し，水平上面熱 水平底面瓢 垂直において，自律乗り越え移動試験をおこなった．
試験の結果 各配管においてロボットは，フランジを検出してからフランジを通過して，後部の車輪を下降させるまでの動作を自律でおこなった（図11）．試験での300Aでは左旋回が1（適s，右旋回が1（粗sであった．
5．4 垂直曲管自律移動 呼び径200Aの垂直曲管での①垂直状態から水平伏隠②水平状態から垂直状態の二種頬の内側移動酵験をおこなった．試験の結果動作丑，②で 垂直曲管の自律移動をおこなうことができた（図14）．御辞司は動作〇では100s，動作3では98sであった．

平均移動速度と移動時間は，水平配管上面部では速度∴．

18．7m正s，時間153s，であった．

5．2 溶接繰検出 呼び径250A（267．4mm），300AO18．5mm）瑚己管に対し，繍線の検出センサの試験をおこなった∴試験は溶接線が前ユニットと中央ユニッ

Fig．13 Autonomousexperimentonhorizontalcurved

トの中間地点に存在する位置より移動を開始し，検出センサが溶焼線を乗り越えると移動を停止する．また，近Pi匹

円J・む」】安センサは，0．lsごとに電圧値の出力をおこなう．溶接線の平均高さは250Aで22m，300Aで3．OmI¶である．試験結果を図12に示す．図12の7．6〜8．6sにおいて，検出センサの出力電圧が増加し検出センサによりFig．14 Autonomousexperimentonverticalcurved

図9に示す近接センサと車紺寸きアームとの距離札を検出できることがわかる．

Pi匹6．緒 言文（1）Kansai

本研究では石油プラントの配管系に対して外部検査

X−ray

献Co．，1td，UDP−24，

http：／／www．kansai−X．CO．jp／biz＿1nSP／udp24．htmlをおこなうロボットの開発について述べた．ロボットの（2）Hosokai，H．，Fukuda，T‥A Study o11Automatic
Pipeline Diagnostic Robot（lst Report，Design
ConceptoftheRobotandExperimenta】Evaluation
Ofits Maneuverability and Diagnosability），

構造系では吸着移動方式として磁石車輪をもつ脚車輪ユニット封司l臓こ連結したロボットの設計 製作をおこ

n■α〃∫〟C／わ〃∫〆／力eしゆα〃∫ocね少〆ルわcカ〟〃血／なった．また，萬胴卸系では，脚車輪ユニット用センサとEnginee，・S，SeriesC，Vol．51，No．467（1985），pP・自律移軌用センサをロボットに搭載してⅠ℃を用いた自1655−1662．

（3）Fukuda，T．．Hosokai，H．，Otsuka、M．，A Studyon

律およ個箭IJ御系を構築した．その結果 これらの機

Autonomous Pipeline Maintenance Robot（3rdReport，Structure and Controlof Mark71T and能を搭載したロボットは，磁石車輪の駆動，ステアリン

Obstacle Sensing），Tl■anSaC（ions Qf theJqpan∫oc′e伊〆んねc力〟〃血ほ〃gノ〃eピタ■∫，滋タイe∫C，Vol．53，
No．492（1987）、pp，1788−1794・グ勤イ乍，配管からの引き離し，上昇といった基本動作をおこない，これらの動作を駆使して直線配管において直（4）Fukuda，T．，Hosokai，H．，Otsuka，M．，AStudyon

進移動と円周方向移動をおこなうことができた．また，Autonomous Pipeline Maintenance Robot（4thRepor【，JointControlandltsTr毎ectoryGeneration
fbrMarkTll），T）・anSaClionsQffheJqpanSocietyQf

ロボットは自律移動用センサを用いて，フランジ自律乗り越え移軌 水平曲管自律移軌 垂直曲管自律移動が可

ルhcha71ica／Engineers，SeriesC，Vol．53，No．495（1987），PP．2325−2330・

能となった．

（5）Fukuda，T．．Hosokai，H．，ShilllaSaka，N‥Kaneshige、M．，lwasaki，S．，A Study on
Autonoり一OuS Maintenance Robot（7th，Repor［，MechanlSm Of Mark IV and its Actuator

Characteristics），TyansactionsQr（heJqpanSocieO）
げA匁c転用血／〃g血ピタ■∫，∫e′イe∫C，Vol・56，No・527（1990），Pp．1868−1875・（6）Fukuda，T．，Hosokai，H．，Niitsu，S．，Kaneshige，M．，
Iwasaki，S．，A Study on an Autonomous Pipe1ine
Maintenance Robot（8th Repon，Path Planning andSenslng Ptannlng Expert system with Leanlng

Functions fbr Mark TV Robot）．T［ansac（io／LS Qrlhe々〟J75 ocノ叫ノ〆ルおcカ〟〃わ〟／毎〃ee′昔，滋′イe∫C，Vol・56，No．532（1990），Pp．3319−3325，（7）Yukawa，T．、Komatsubara，S．，00yarna，C．，Okano，H．，

DevelopmentofaMechanismofaPipinglnspection

Robot，打α郡〟CJわ那〆伽し旬）〟〃おcおケゲルゐcカα′7血／毎J7ee／T，滋タイe∫C，Vol．71、No．701（2005）・Pp・
200−205．

（8）Suzuki，M．，Yukawa，T．，Satoh，Y．，Okano，H・，

Mechanisms ofAutonomousPipe−Surfacelnspection
Robot with Magnetic Elements，Fh）Ceedify Qflhe肱EE血e川〟Jわ〃〟／Co′痺re〃CeO〃伽／e椚∫，ルね〝，〟〃dqノ占e川e／fc∫，（2006−10）．pp．3286−329l・（9）Suzukj，M．，Suzuki，S．，Okano，H．。Mitsuta，T．，

Development of PipelnspeCtion Robot with
OmnidirectionalMobileMechanism，PrqurintsQf25th
煽動用′α／CoJ碑柁／7Ceグ月0占oJ′c∫∫ocねケ〆J甲〟〃，（2007）．3K14．

（10）Suzuki，M．，Yukawa，T．，OkanoH／mestructtlreOfa
plpe−Surfaceinspection robot to avoid the obstacles・什甲メイJ7砧オフ舶血」〃川′〟／Co′痴′■e〃Ceげノわ∂0／／c∫

5bc／ピケ材ソ如〟〃，（2006），3F32・

6