JP6994260B2 - 穿孔装置及び穿孔方法 - Google Patents

Description

本発明は、枝管開口部を閉塞している管ライニング材を本管側から穿孔する穿孔装置及び穿孔方法に関するものである。

従来、地中に埋設された下水道管などの既設管が老朽化した場合に、既設管を管ライニング材でライニングするライニング工法が知られている。管ライニング材は、既設管の形状に対応した管状の柔軟な不織布からなる樹脂吸収材に未硬化の液状硬化性樹脂を含浸させたもので、樹脂吸収材の外周面には気密性の高いプラスチックフィルムが貼り付けられている。管ライニング材は反転法あるいは引き込み法により既設管に挿入され、既設管の内周面に押し付けられた状態で液状硬化性樹脂が加熱、硬化されてライニングが行われる。

下水管などの本管には枝管が合流しているため、管ライニング材で本管をライニングした場合には、管ライニング材が枝管の合流部分の端部の開口部を塞いでしまう。このため、穿孔機とＴＶカメラを搭載した作業ロボットを本管に入れて地上から遠隔操作し、ＴＶカメラで撮影された画像を観察しながら、穿孔機のカッター（穿孔刃）の回転中心を枝管開口部の中心に位置決めして、本管側から枝管開口部の管ライニング材を穿孔する作業を行っている。

しかし、この作業では、穿孔機のカッターの位置決めを本管の管長方向と周方向のそれぞれについて行う必要がある。これはＴＶカメラで本管内を観察しながら行うが、本管内には目印がないので、位置決めを誤る場合がある。

これを解決するために、下記の特許文献１には、カッターの穿孔する方向に向けてレーザー光を発射するレーザー光発射部をカッターの回転中心に対称となる位置に複数設け、穿孔時には、レーザー光を枝管開口部の管ライニング材に向けて発射し、カッターの位置決めを行う構成が記載されている。

また、カッターの位置決めを行う種々の方法が知られており、例えば、下記特許文献２には、枝管開口部の中心あるいはそれに相当する位置に予めマーカーを取り付け、本管がライニングされた後、センサーでマーカー位置を検出することにより、枝管開口部の中心を特定して穿孔刃の位置決めを行う構成が記載されている。

特開２０００－９７３８８号公報 特公平７－８８９１５号公報

穿孔時には、枝管側からの照明光が枝管開口部を閉塞している管ライニング材を透過することにより本管の管ライニング材内周面に枝管開口部に対応した明部が形成される。特許文献１の構成では、レーザー光発射部はカッターに対して不動に配置されるので、管ライニング材に向け発射されたレーザー光の管ライニング材での位置は、カッターが回転しても、変化することはなく、作業者は複数の輝点が離散して明部の近辺に動くことなく存在している状態しか観察されない。

カッターの位置決めは、カッターの回転中心が枝管開口部に対応した明部の中心と一致するように行われることから、穿孔時には、上述したような複数の輝点の位置からカッターの回転中心を推定するとともに、明部の中心も観察により推定して行うことから位置決めが正確でなく、効率的な穿孔を行うことが困難であるという問題があった。

また、特許文献２に記載されたような構成では、カッターの位置決め精度は、マーカーの取付精度に依存し、またカッターを検出した穿孔位置に移動させるときに発生する位置決め誤差により、必ずしも所望の穿孔が行われない場合がある。マーカーの取付誤差やカッターの位置決め誤差を検出するのは困難であり、これらの誤差がないという前提で行われる穿孔では、正確な穿孔が保障されない、という問題があった。

従って、本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、枝管開口部を閉塞している管ライニング材を穿孔ミスなく効率的に切削することが可能な穿孔装置及び穿孔方法を提供することを課題とする。

本発明は、
枝管開口部を閉塞している管ライニング材を穿孔刃を回転させて本管側から穿孔する穿孔装置であって、
本管内を管長方向に移動するロボットと、
前記ロボットに搭載された穿孔刃と、
前記穿孔刃を回転させるモーターと、
前記穿孔刃の近傍位置に配置され、穿孔刃の回転軸に平行にレーザー光線を射出して管ライニング材内周面にレーザースポットを形成するレーザー光源と、
前記ロボットに搭載され、前記レーザー光源を穿孔刃の回転軸と同軸に回転させることにより管ライニング材内周面に描かれるレーザースポットの軌跡と、枝管側からの照明光により管ライニング材内周面に形成される枝管開口部に対応した明部とを撮影するカメラと、
前記カメラにより撮影されたレーザースポットの軌跡像が枝管開口部に対応した明部像にマッチングするように穿孔刃を位置決めする位置決め手段と、
を備え、
前記レーザー光源は、穿孔刃と独立して回転されることを特徴とする。

また、本発明は、
枝管開口部を閉塞している管ライニング材を穿孔刃を回転させて本管側から穿孔する穿孔方法であって、
枝管側から枝管開口部を照明する工程と、
前記穿孔刃の近傍位置から穿孔刃の回転軸と平行方向に管ライニング材に向けてレーザー光源からレーザー光線を射出し管ライニング材内周面にレーザースポットを形成する工程と、
前記レーザー光源を穿孔刃の回転軸と同軸に回転させながら枝管側からの照明光により管ライニング材内周面に形成される枝管開口部に対応した明部位置に穿孔刃を移動させる工程と、
前記レーザー光源の回転にともなって管ライニング内周面に描かれるレーザースポットの軌跡と前記枝管開口部に対応した明部とを撮影する工程と、
撮影されたレーザースポットの軌跡像と枝管開口部に対応した明部像がマッチングするように穿孔刃を位置決めして穿孔を行う工程と、
を備え、
前記レーザー光源は、穿孔刃と独立して回転されることを特徴とする。

本発明では、管ライニング材内周面に形成されるレーザースポットは、管ライニング材内周面上を穿孔刃の回転軸を中心に回転し、穿孔刃が実際に管ライニング材を切削する部分に沿って移動する。回転するレーザースポットと枝管開口部に対応した明部を撮影し、撮影されたレーザースポットの軌跡像と明部像がマッチングするように穿孔刃の位置決めが行われるので、穿孔刃を枝管開口部の位置に正確に移動させることができ、穿孔ミスが少ない効率的な穿孔が可能になる。

管ライニング材でライニングされた本管内を移動する穿孔装置の構成を示した説明図である。 穿孔刃とレーザー光源を示す上面図である。 穿孔刃と穿孔刃を回転させるモーターを示す側面図である。 レーザー光源を保持する保持板の上面図である。 枝管側からの照明光により管ライニング材内周面に形成される枝管開口部に対応した明部を示す斜視図である。 レーザー光線により管ライニング材内周面に形成されるレーザースポットの移動軌跡を示す説明図である。 穿孔装置が正しい姿勢で枝管開口部に前進したとき枝管開口部に対応した明部像とレーザースポットの軌跡像をマッチングさせる状態を示す説明図である。 穿孔装置がローリングして枝管開口部に前進したとき枝管開口部に対応した明部像とレーザースポットの軌跡像をマッチングさせる状態を示した説明図である。 レーザー光源を１個にしたときの保持板の上面図である。 レーザー光源を４個設けたときの保持板の上面図である。 穿孔刃を回転させるモーターでレーザー光源を回転させる実施例を示す正面図である。 レーザー光源を穿孔刃の外周面に取り付ける実施例を示す正面図である。 レーザー光源の穿孔刃の回転軸からの径方向距離を調節する構造を示した上面図である。 レーザー光源の穿孔刃の回転軸からの径方向距離を調節する構造を示した側面図である。 穿孔刃を位置決めするコントローラと該コントローラを制御するコンピュータの構成を示したブロック図である。 穿孔刃を位置決めする流れを示したフローチャートである。 穿孔刃を位置決めする流れを示した説明図である。 穿孔刃の位置を微調節する操作ボタンを設けた図１２に対応するブロック図である。

以下、添付図を参照して本発明の実施例を説明する。本実施例では、既設管を下水道の本管とし、該本管を管ライニング材でライニングした後、管ライニング材で塞がれた枝管開口部の管ライニング材を穿孔する例が説明される。しかし、本発明は、下水道だけでなく、その他の管路でライニング後管ライニング材で塞がれている開口部の管ライニング材を穿孔するものにも適用できる。

図１には、老朽化した下水道の本管１１の内壁面が反転法あるいは引き込み法により管ライニング材１３を用いてライニングされた状態が示されている。管ライニング材１３は、管状の柔軟な不織布からなる樹脂吸収材に未硬化の液状硬化性樹脂を含浸させたもので、樹脂が熱硬化性の樹脂の場合には、本管内面に押圧された管ライニング材１３が加熱され、また樹脂が光硬化性樹脂の場合には、紫外線が照射されて管ライニング材１３が硬化され、本管１１の内面がライニングされる。

本管１１には、複数の枝管１２が分岐していて、家庭やビルディングなどの下水が枝管１２を介して本管１１に排出される。本管１１が、図１に図示したように、管ライニング材１３によりライニングされると、開放していた枝管１２の開口部１２ａが管ライニング材１３により塞がれてしまう。穿孔装置２０は、枝管開口部１２ａを閉塞している管ライニング材１３を切削し、穿孔する。

穿孔装置２０は、４輪２１ａ、２１ｂ（他の２輪は図１では不可視）を備えたロボット２１を有し、マンホール１６から本管１１内に搬入される。搬入された穿孔装置２０は、ロータリーエンコーダなどの回転位置センサーを備えた電動モーター２２により４輪駆動され、本管管長方向に前後に移動される。また、ロボット２１内には、同様にロータリーエンコーダなどの回転位置センサーを備えた電動モーター（サーボモーター）２３が搭載されており、その回転軸２３ａには、油圧シリンダー２４が固定される。電動モーター２３は、その回転軸２３ａが本管１１の管軸１１ａと同軸あるいは管軸１１ａに平行になるように、周方向に見てロボット２１の中央に取り付けられる。電動モーター２３が駆動されると、油圧シリンダー２４は、管軸１１ａあるいはそれに平行な軸を中心に旋回するように駆動される。

油圧シリンダー２４のピストンロッドには、取付台２５が固定され、油圧シリンダー２４が駆動されると、取付台２５と取付台２５に固定された支持板２６が上下動する。支持板２６上には、油圧モーター２７が固定され、その出力軸２７ａ（図２）には、管ライニング材１３を切削するホールソーとして構成された穿孔刃３０が取り付けられる。また、後述するように、レーザー光線を射出するレーザー光源４０、４１を油圧モーター２７の出力軸２７ａと同軸に回転させる電動モーター２８が油圧モーター２７上に配置される。

作業トラック１４には、各種スイッチ、操作ボタン、ジョイスティックなど穿孔刃３０を本管管長方向及び／又は周方向に移動させる操作装置を配置したコンソール（不図示）が設けられる。電動モーター２２、２３、油圧シリンダー２４、油圧モーター２７、電動モーター２８などは、このコンソールでの操作によりケーブルパイプ１５内の電力線、データ線を介して駆動され、制御される。なお、油圧シリンダー２４、油圧モーター２７の油圧系統は図示が省略されている。

ロボット２１の上部で本管の周方向に見て中央には、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳからなるイメージセンサーを内蔵したカメラ５０が斜め上方に向けて取り付けられ、本管内部がカメラ５０で撮影される。カメラ５０の撮影光軸は、後述するように、レーザー光源４０、４１からのレーザー光線によるレーザースポットの軌跡像が表示器６０（図５）の画面のほぼ中央に表示されるように、上方に向けられる。カメラ５０で撮影された画像はケーブルパイプ１５内の信号ケーブルを介して作業トラック１４内の表示器６０に表示され、作業者が本管内部を観察できるようになっている。

ロボット２１の上部には、突っ張り部材５１が設けられており、穿孔時には、突っ張り部材５１が上昇して管ライニング材１３の上面に突き当たり、穿孔装置２０を安定させる。

管ライニング材１３を穿孔するときは、地上から枝管１２内に照明ランプ５２が投入され、照明ランプ５２は電源線５３を介して地上の電源５４により点灯されて、枝管開口部１２ａを閉塞している管ライニング材１３を上部から照明する。

管ライニング材１３は不織布でできているので、そこに含浸されている樹脂が硬化した場合でも、照明光は管ライニング材１３を透過する。本管１１内からこの透過光を見ると、図４ａに示したように、本管１１の内面に対応して湾曲した明るい明部５５となって観察することができる。明部５５は、枝管１２が本管１１と垂直に交差する場合には、直下から見ると円形像として観察され、また図１に示したように斜交する場合は、その傾斜度に応じた楕円像として観察される。

図２ａ、図２ｂには、穿孔刃３０、レーザー光源４０、４１を回転させる機構が図示されている。穿孔刃３０は油圧モーター２７の出力軸２７ａの先端に固定されており、油圧モーター２７が駆動されると、穿孔刃３０は油圧モーター２７の出力軸２７ａを中心に回転する。

油圧モーター２７の出力軸２７ａには、リング３１が固定されており、リング３１の上部には、油圧モーター２７の出力軸２７ａに回転自在に取り付けられたギア３２が着座する。ギア３２は、油圧モーター２７の取付台２９に取り付けられた電動モーター２８のピニオンギア３３と噛み合っており、電動モーター２８が駆動されると、ギア３２が穿孔刃３０の回転軸、つまり油圧モーター２７の出力軸２７ａと同軸に回転する。

ギア３２のリング３１と反対面には、保持板３５が固定される。保持板３５の両側端部には、図２ｂ、図３に示したように、凹部が形成された保持金具４２、４３が取り付けられ、この凹部にレーザー光源４０、４１を圧入することによりレーザー光源４０、４１が保持板３５に保持される。レーザー光源４０、４１は、射出されるレーザー光線４０ａ、４１ａが油圧モーター２７の回転軸２７ａ、つまり穿孔刃３０の回転軸に平行になるように、穿孔刃３０の近傍位置に取り付けられる。ここで、穿孔刃３０の回転軸に平行とは、厳密に平行になるだけでなく、後述するように、管ライニング材内周面のレーザースポットが電動モーター２８の回転により回転してその内周面に描かれる軌跡が、実際に穿孔刃により管ライニング材が切削される部分を近似的に示すような平行度も含むものとする。

保持板３５の中心に形成された穴３５ａは、油圧モーター２７の出力軸２７ａが通過できるような径に設定され、保持板３５に保持されたレーザー光源４０、４１は、油圧モーター２７の駆動とは独立して、つまり穿孔刃３０の回転とは無関係に、電動モーター２８の駆動により穿孔刃３０の回転軸と同軸に回転される。

レーザー光源４０、４１は、例えば赤色あるいは緑色のレーザー光線４０ａ、４１ａを射出し、保持板３５上に取り付けるかあるいは内蔵された電池を電源として駆動することができる。

穿孔刃３０の径ｄ１は、図１に示したように、枝管開口部１２ａの径より小さく設定され、管ライニング材１３の切削時に、枝管１２の内部を損傷しないような値になっている。一方、レーザー光源４０、４１が射出するレーザー光線４０ａ、４１ａ間の光軸距離ｄ２は、穿孔刃３０の径ｄ１より大きく、枝管開口部１２ａの径と同等ないしはそれより小さな値に設定される。

レーザー光源４０、４１から射出されるレーザー光線４０ａ、４１ａが管ライニング材１３に投光されると、図４ｂに示したように、管ライニング材１３の内周面には、レーザー光線４０ａ、４１ａの断面積に対応した小径のレーザースポット４０ｂ、４１ｂが形成される。レーザースポット４０ｂ、４１ｂは、電動モーター２８が駆動されると、管ライニング材内周面上を穿孔刃３０の回転軸（油圧モーター２７の出力軸２７ａ）を中心に回転し、穿孔刃３０が実際に管ライニング材１３を切削する部分の外周に沿って移動する。レーザースポット４０ｂ、４１ｂの管ライニング材内周面での移動軌跡４４は直径ｄ２の円を管ライニング材１３の曲率に応じて湾曲させた形状になっている。

このような構成で、穿孔装置２０は、マンホール１６から管ライニング材１３でライニングされた本管１１内に搬入され、電動モーター２２を作動することにより本管１１内を枝管開口部１２ａに向けて前進する。このとき、レーザー光源４０、４１を作動させ、電動モーター２８を作動させると、図４ｂに示したように、レーザー光線４０ａ、４１ａにより形成されたレーザースポット４０ｂ、４１ｂが穿孔刃３０の回転軸を中心に管ライニング材１３の内周面上を軌跡４４を描いて回転する。

ここで、穿孔装置２０は、穿孔刃３０の回転軸が鉛直になる角度で本管１１内を正常な姿勢で進行するとする。カメラ５０は、レーザー光源４０、４１の回転にともなって回転するレーザースポット４０ｂ、４１ｂと、枝管開口部に対応した明部５５を斜め下方から動画像として撮影する。図５の上段に示したように、カメラ５０で撮影されたレーザースポット４０ｂ、４１ｂの軌跡像４４’が表示器６０の画面のほぼ中央に表示される。

なお、管ライニング材１３は不織布でできており、レーザー光線４０ａ、４１ａが管ライニング材１３に照射されたときレーザースポット４０ｂ、４１ｂは、レーザー光線４０ａ、４１ａの断面積に対応した径より大きな径に拡散し、レーザー光線４０ａ、４１ａの実断面積より大きな径となるので、撮影された軌跡像が不鮮明になる。そのため、拡散した各スポットの中心を画像処理により求め、その中心を結ぶ線を軌跡像４４’として表示する。また、枝管開口部に対応した明部５５も、照明光が拡散して輪郭が不鮮明になるので、以下に示す明部像は、撮影された明部像をその輪郭が明確になるように画像処理した明部像である。

穿孔装置２０が枝管開口部１２ａの近辺に到達すると、カメラ５０は明部５５を撮影できるようになり、表示器６０の画面下方に明部像５５’が表示される。明部５５、レーザースポットの軌跡４４は斜め下方から撮影されるので、実線で示した明部像５５’と２点鎖線で示した軌跡像４４’は、それぞれ湾曲した楕円形状に表示される。

穿孔装置２０が更に前進するにつれて、軌跡像４４’の画面上での位置は変化しないが、明部像５５’は下方から上方に拡大しながら移動し、図５の下段に示したように、明部像５５’と軌跡像４４’がマッチングして、明部像５５’が軌跡像４４’を内部に含むようになったときに、ジョイスティックあるいは操作ボタンを作動させて電動モーター２２を停止させ、穿孔刃３０を位置決めする。なお、本明細書において、明部像５５’と軌跡像４４’がマッチングするとは、明部像５５’が軌跡像４４’を内部に含むような状態になったときのことをいう。

枝管１２は本管１１と斜交しているので、明部像５５’は、楕円を本管の曲率で湾曲した形状になっており、図５の下段に示したように、明部像５５’の上部５５ａ’が下部５５ｂ’より、軌跡像４４’との隔たりが大きくなっている。図５の下段に示したように、明部像５５’が軌跡像４４’を内部に含むようになったときに、明部像５５’と軌跡像４４’がマッチングしたと判断する。

この状態で、油圧シリンダー２４を駆動して穿孔刃３０を上方に移動させ、油圧モーター２７を駆動して穿孔刃３０を回転させる。このとき、穿孔装置を安定させるために、突っ張り部材５１を上昇させて管ライニング材１３に押し当てる。穿孔刃３０は、レーザースポット４０ｂ、４１ｂの移動軌跡４４に沿ってその内側を回転し、枝管開口部１２ａを閉塞している管ライニング材部分を切削する。なお、明部像５５’と軌跡像４４’がマッチングしているので、穿孔刃３０は明部５５内の管ライニング材部分だけを切削し、明部５５より外部の管ライニング材１３を削り取ること、つまり穿孔刃３０が枝管開口部１２ａを超えた部分の管ライニング材１３を削り取ることは防止できる。

穿孔装置２０は、必ずしも正しい姿勢で枝管開口部１２ａに近づくわけではなく、例えば、前進方向に見て管軸１１ａを中心に時計方向にΔθ回転している（ローリング）とする。この場合には、穿孔装置２０が枝管開口部１２ａの手前に近づいたとき、レーザースポットの軌跡像４４’は、図６の上段に示したように、ほぼ表示器６０の画面中央に表示されるが、明部像５５’は、画面横方向にΔｘだけ左側に偏ったところに表示される。

穿孔装置２０が更に前進して、図６の中段に示したように、明部像５５’と軌跡像４４’が画面のほぼ中央に表示されたときに、電動モーター２２を停止し、電動モーター２３をΔθだけ反時計方向に回転させ、穿孔刃３０を管長方向と周方向に位置決めする。これにより穿孔刃３０の回転軸並びにレーザー光源４０、４１の光軸も反時計方向にΔθだけ回動し、軌跡像４４’は、図６の下段に示したように、表示器６０の画面で左方向にΔｘ移動して、明部像５５’とマッチングするようになる。

この状態で、油圧シリンダー２４を駆動して穿孔刃３０を上方に移動させ、油圧モーター２７を駆動して穿孔刃３０を回転させ、枝管開口部１２ａを塞いでいる管ライニング材１３を切削する。上述した正しい姿勢の場合と同様に、穿孔刃３０はレーザースポット４０ｂ、４１ｂの移動軌跡４４内の管ライニング材を切削するので、意図した穿孔が行われる。

穿孔装置２０は、上述したように、管軸１１ａ回りの旋回（ローリング）だけでなく、複雑な姿勢で穿孔位置に移動する場合があるが、この場合でも、操作ボタンあるいはジョイスティックなどを操作して穿孔刃３０を管長方向と周方向に移動することにより、明部像５５’と軌跡像４４’をマッチングさせることができる。なお、明部像５５’の一部が表示器６０の画面からはみ出したり、あるいは許容誤差範囲内でのマッチングができない場合には、一度穿孔装置２０を後退させて、上述したような操作を行うようにする。

明部像５５’と軌跡像４４’のマッチングは、図５、図６に示したように、両像を本管の管長方向に位置合わせしてから周方向に位置合わせする以外にも、種々の方法が考えられる。例えば、最初に周方向に位置合わせをしてから管長方向に位置合わせをしたり、あるいは管長方向と周方向の位置合わせを小刻みに複数回行うなどである。また、表示器の画面上での目視によるマッチングだけでなく、実施例２で説明するように、画像処理によりマッチングさせることもできる。

このように、レーザースポットが穿孔刃の回転軸を中心に回転するときの移動軌跡は、穿孔刃が管ライニング材を実際に切削する部分を近似的に示している。レーザースポットの軌跡像と枝管開口部に対応した明部像がマッチングするように穿孔刃の位置決めが行われるので、穿孔刃を枝管開口部の位置に正確に移動させることができ、穿孔ミスが少ない効率的な穿孔が可能となる。

上述した実施例では、レーザー光源は、穿孔刃３０の円周方向に１８０°隔てて２つ設けたが、図７に示したように、１個のレーザー光源４０だけにするようにしてもよい。この場合、電動モーター２８の回転速度によっては、軌跡像４４’は閉じた図形としては観察されないが、明部５５とどの程度隔たっているかを観察するのが容易になる。従って、電動モーター２８の回転速度を調節できるようにし、低速にして表示器６０の画面上での軌跡像の観察を容易にしたり、あるいは高速にして軌跡像４４を閉じた図形として観察できるようにすることができる。なお、１個のレーザー光源４０だけにする場合は、レーザー光源４１のあったところにカウンターバランス４５を配置して、作用する遠心力の均衡を取るようにする。

逆に、レーザー光源を３個以上の複数個、例えば、図８に示したように、４個のレーザー光源を９０度等間隔に隔てて配置するようにしてもよい。この場合は、保持板３５と同形状の保持板３６に保持金具４８、４９を介してレーザー光源４６、４７を取り付け、両保持板３５、３６をその穴３５ａ、３６ａと合わせて、直交するように固定させる。レーザー光源の数を多くするほど、電動モーター２８の回転速度を低くすることができ、作用する遠心力を低減させることができる。

レーザースポット４０ｂ、４１ｂの移動軌跡４４が、穿孔刃が管ライニング材を実際に切削する部分を正確に示すようにするために、図２ｂに示したように、レーザー光線４０ａ、４１ａが穿孔刃３０により遮断されない限度までにその外周に近接させるのが好ましい。また、安全を見込んで規定より小さい径の穿孔刃を使用する場合がある。そのために、図１１ａ、図１１ｂに示したように、レーザー光源を径方向に可動にし穿孔刃の回転軸からの径方向の距離を調節できるようにする。

図１１ａ、図１１ｂにおいて、レーザー光源４０を保持する保持金具４２は保持板３５上のガイドレール７２、７４に沿って保持板３５上をスライドするスライド板７０に取り付けられる。また、レーザー光源４１を保持する保持金具４３は保持板３５上のガイドレール７３、７５に沿って保持板３５上をスライドするスライド板７１に取り付けられる。スライド板７０、７１を移動させることによりレーザー光源４０、４１の穿孔刃の回転軸からの径方向距離を調節することができる。

このように、レーザー光源４０、４１の穿孔刃３０に対する径方向距離を調節できるので、レーザー光源４０、４１をレーザー光線４０ａ、４１ａが穿孔刃により遮断されない限度までに近接させて配置することができる。これにより、レーザースポット４０ｂ、４１ｂの移動軌跡は穿孔刃が管ライニング材を実際に切削する部分を正確に示すようになる。また、レーザー光源４０、４１を、レーザー光線４０ａ、４１ａが枝管開口部に対応した明部５５の輪郭線上あるいはその内部に近接して照射されるように配置することができ、これにより、穿孔刃が管ライニング材を枝管開口部を超えて切削し、枝管開口部が損傷することを防止することができる。なお、レーザー光源４０、４１の位置を調節した後は、ガイドレール７２～７５とスライド板７０、７１をボルト（不図示）などで締めてレーザー光源４０、４１が移動できないようにする。

また、上述した実施例では、穿孔刃３０を回転させる油圧モーター２７とレーザー光源４０、４１、４６、４７を回転させる電動モーター２８を別にしてレーザー光源を穿孔刃と独立に回転させるようにしたが、レーザー光源と穿孔刃を同時に（あるいは同期して）回転させるようにしてもよい。この場合は、図９に図示したように、保持板３５を油圧モーター２７の出力軸２７ａに固定するようにし、電動モーター２８、ピニオンギア３３、ギア３２、リング３１を除去するようにする。

また、図１０に示したように、穿孔刃３０の外周面に、レーザー光源４０、４１を、レーザー光線４０ａ、４１ａが穿孔刃３０の回転軸、つまり油圧モーター２７の回転軸２７ａと平行になるように、磁石６２、６３を介して着脱自在に取り付けるようにしてもよい。この場合にも、穿孔刃３０を回転したときにレーザースポットによる軌跡４４が形成され、簡単な構成で同様な効果を得ることができる。なお、図９、図１０の実施例でも、レーザー光源は１個、あるいは複数とすることができる。また、図１０に示した実施例で、レーザー光源４０、４１を穿孔刃３０の外周面に取り付けるのではなく、仮想線で示したように、穿孔刃３０の内周面に取り付けるようにしてもよい。この場合には、穿孔刃３０の回転にともないレーザー光源４０、４１に作用する遠心力がレーザー光源４０、４１を穿孔刃３０の内周面に押し付ける力として作用するので、レーザー光源４０、４１の取り付けをより確実なものにすることができる。

なお、油圧モーター２７は電動モーターとすることもでき、また電動モーター２８を油圧モーターとすることもできる。

また、上述した実施例では、穿孔刃３０は円柱形状で上端にビットを備えるホールソーであったが、更に中心にセンタードリルを有するホールソーであってもよい。また、円柱形状で周面にビットを備える穿孔刃、あるいは円錐型のホールソーで周面にビットを備える穿孔刃であってもよい。

また、カメラ５０は広角撮影が可能なカメラが好ましく、その取付位置もロボット２１上に限定されるものでなく、図５、図６に示したような画像が撮影できる位置、例えば油圧シリンダー２４の取付台２５の上部に配置するようにしてもよい。また、カメラ５０の取付角度を調節できるようにして水平方向に対する撮影光軸の角度を調節したり、あるいはズーム機構を設けてズーム撮影を可能にすることもできる。

また、上述した実施例では、管ライニング材は可視光透過性のライニング材であったが、管ライニング材が厚く、鮮明な明部を観察するのが困難なライニング材、あるいは管ライニング材が塩ビ（塩化ビニル）など光を透過しない材質でできているライニング材がある。このような場合でも、管ライニング材内周面に描かれるレーザースポットの軌跡は、穿孔刃が管ライニング材のどの部分をどのような大きさで穿孔するかを示しており、管ライニング材の穿孔に役立つものである。

実施例１では、手動により穿孔刃を管長方向あるいは周方向に移動させてレーザースポットの軌跡像と枝管開口部の明部像をマッチングさせたが、図１２～図１４には、両像を自動的に又は半自動的にマッチングさせる実施例が図示されている。

図１２において、ＣＰＵを備えたコントローラ８０はロボット２１に搭載され、固定データ、プログラムなどを格納するＲＯＭ８０ａ、制御プログラム、処理データ、一時データなどを格納するＲＡＭ８０ｂを有する。コントローラ８０は、後述するように、インターネットに接続され、Ｗｅｂサーバーとして機能させることができる。

コントローラ８０は、コンピュータ８１やその他のＷｅｂクライアントからの指令を受けて電動モーター２２、２３、油圧シリンダー２４、油圧モーター２７、電動モーター２８を駆動し、カメラ５０を作動させる。電動モーター２２、２３はロータリーエンコーダを備えているので、電動モーター２２、２３の回転数（回転速度）がコントローラ８０に入力され、またカメラ５０からは撮影された画像データが入力される。

コンピュータ８１は、演算、制御を司るＣＰＵ、基本プログラムなどを格納するＲＯＭ８１ａ、作業データ、処理データ、本発明による制御プログラムなどを格納するＲＡＭ８１ｂ、カメラ５０で撮影された画像を処理する画像処理部８１ｃを有する。コンピュータ８１は作業トラック１４に搭載されて種々の命令を発することができ、コンピュータ８１には、操作デバイスとしてのキーボード８２、マウス８３、制御プログラムなどを格納した記憶装置８４、カメラ５０からの撮影画像あるいは画像処理部８１ｃで処理された画像などを表示する表示器６０が接続される。

コントローラ８０、コンピュータ８１は、それぞれ通信機能を備えており通信インターフェイス８０ｃ、８１ｄを介して無線でルーター８５と接続され、ＬＡＮを構成している。ルーター８５はインターネット８６に接続されるので、コントローラ８０とコンピュータ８１は、相互に通信してデータ伝送できるだけなく、インターネット８６に接続された外部のサーバー８７にアクセスしてそこに格納されたデータを取り込んだり、コントローラ８０あるいはコンピュータ８１で取得したデータをサーバー８７に格納することができる。

また、サーバー８７からもコントローラ８０、コンピュータ８１を制御できる、いわゆるＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）を構築することができ、コントローラ８０を、Ｗｅｂサーバーとして機能させ、Ｗｅｂブラウザからでもコントローラ８０に接続された機器を制御することもできる。

ルーター８５は、作業トラック１４内あるいはマンホール１６の底部に配置されるが、無線通信が困難な場合には、ルーターを追加したり、中継器を本管内に設置することができる。また、ルーター８５とコントローラ８０、コンピュータ８１間、並びにコントローラ８０、コンピュータ８１間をＬＡＮケーブルで接続して有線で通信を行うこともできる。

このような構成で、コンピュータ８１に格納された制御プログラムによりコントローラ８０を用いて穿孔刃３０の位置決めが行われる。この位置決めの流れが図１３に図示されている。

まず、ロボット２１をマンホール１６から本管１１内に搬入し、レーザー光源４０、４１を点灯して回転させ（ステップＳ１）、ロボット２１を前進させる（ステップＳ２）。レーザー光源４０、４１が回転することにより管ライニング材１３の内周面には、レーザースポット４０ｂ、４１ｂによる移動軌跡４４が描かれ、その移動軌跡がカメラ５０により撮影される。撮影された画像は、コンピュータ８１に伝送され、ＲＡＭ８１ｂに格納されて表示器６０に動画像として表示される。

管ライニング材１３は照射されたレーザースポットを拡散するので、その径はレーザー光線の断面積に対応した径より大きくなる。画像処理部８１ｃは所定のサンプリング速度でレーザースポット像を取り込み、スポット像の中心画素を抽出する。画像処理部８１ｃは、レーザースポット４０ｂ、４１ｂが、例えば１回転したあと、抽出された中心画素を結んで、図１４の上段に示したように、ＲＡＭ８１ｂの画像領域にレーザースポットの軌跡像４４’を生成する。このように、画像処理することにより静止した鮮明な軌跡像を生成することができる。この軌跡像４４’は、原理的にはロボット２１が移動しても変化することはないが、所定時間ごとに上述した処理を行って軌跡像４４’を更新するようにする。

ロボット２１が枝管開口部１２ａに近づくと、カメラ５０が明部５５を撮影し、その明部像５５’の先頭部がＲＡＭ８１ｂの画像領域に取り込まれる。画像処理部８１ｃは、ラインスキャンにより下方部に明部像５５’を検出する。このとき、明部５５が撮影されたと判断して（ステップＳ３の肯定）、ロボット２１を停止させる（ステップＳ４）。ステップＳ４では、ロボット２１が停止したときの明部像５５’の先端ｘ座標値ｘ１と軌跡像４４’の先端ｘ座標値ｘ２を求めてずれ量（ｘ１－ｘ２）が演算される。

このずれ量は負の値であり、ロボット２１が管軸１１ａを中心に時計方向に旋回していることを示しているので、穿孔刃３０を電動モーター２３の回転軸２３ａを中心に反時計方向にずれ量（ｘ１－ｘ２）に相当する角度旋回させる（ステップＳ５）。穿孔刃３０が旋回した後、図１４の２段目に示したように、撮影した画像から先端がｘ１に移動した軌跡像４４’が生成される。

続いて、ロボット２１を低速で前方に微小距離移動させ、ロボット２１を停止させる（ステップＳ６）。ロボット停止時に取り込まれた明部像５５’のｘ１での前端ｙ座標値ｙ１とその後端ｙ座標値ｙ４を求め、また軌跡像４４’のｘ１での前端ｙ座標値ｙ２とその後端ｙ座標値ｙ３を求める。明部像５５’はロボット２１の前進とともに拡大されて、図１４の下段に示したように、明部像５５’の先端が軌跡像４４’の先端を超えてｙ１＞ｙ２になるので、それまでステップＳ６、Ｓ７のループを繰り返す。

ｙ１＞ｙ２になると、軌跡像４４’が明部像５５’の内部に位置するようになるので、明部像５５’と軌跡像４４’の前端での隔たり（ｙ１－ｙ２）と後端での隔たり（ｙ３－ｙ４）を求め、各隔たりが同じになるまでステップＳ６～Ｓ８の処理を繰り返す。なお、カメラ５０の撮影光軸が傾いていることから、実際の隔たりが同じであっても、進行方向に見て奥側にある両像の隔たり（ｙ３－ｙ４）は手前側の隔たり（ｙ１－ｙ２）より短くなるので、その分を補正して隔たりの比較を行う。

上述したように、管ライニング材内周面に形成される明部５５は、枝管側からの照明光が管ライニング材を透過するときに拡散するので、その輪郭が不鮮明になる。また、枝管開口部が毀損したり、あるいは汚物が堆積して明部５５の輪郭が歪んだり、欠損する場合がある。そのために、画像処理部８１ｃで公知の方法で輪郭抽出処理を行い、明部像の輪郭を明確にするとともに、歪んだ輪郭を補正し、また輪郭が欠損している場合には補完した画像を明部像５５’として格納し、軌跡像４４’と比較する。

明部像５５’と軌跡像４４’の前後端での隔たりが等しいと判断されたら（ステップＳ８の肯定）、ロボット２１を停止させる（ステップＳ９）。なお、明部像５５’の後端が軌跡像４４’の後端を超えてｙ４＞ｙ３になる可能性もあるので、その場合には、ステップＳ６で、ロボットを微小距離後退させてステップＳ８の判断を行う。このようにして、軌跡像４４’は明部像５５’とマッチングし、穿孔刃３０は管長方向と周方向に位置決めされるので、仮想線で示したように、ステップ１２に進んで穿孔を開始することができる。

しかし、管長方向の位置決めのとき、ロボット２１は管長方向に複数回微小移動と停止を繰り返すので（ステップＳ６）、ロボット２１の姿勢が変化する可能性がある。またステップＳ５における周方向の位置決めのとき、位置決めが不正確である可能性がある。

従って、管長方向の位置決めが完了した状態で、図１４の下段に示したように、明部像５５’と軌跡像４４’の左右端での隔たりΔ１とΔ２を求め、隔たりΔ１とΔ２が等しくなるまで穿孔刃３０を時計方向または反時計方向に回動させて（ステップＳ１０、Ｓ１１）、周方向の位置決めを再度行う。このようにして、穿孔刃の管長方向と周方向の位置決めが完了するので、ステップ１２に移動して管ライニング材の穿孔を開始する。

なお、穿孔刃３０の位置決めを細かく行うために、図１５に示したように、操作ボタン９０ａ～９０ｄを設けた操作パネル９０をコンピュータ８１に接続するようにしてもよい。操作ボタン９０ａを１回押すと、コントローラ８０は電動モーター２２を正回転させて、穿孔刃３０をΔｙ前進させ、操作ボタン９０ｂを１回押すと、電動モーター２２を逆回転させて穿孔刃３０をΔｙ後退させる。また、操作ボタン９０ｃを１回押すと、コントローラ８０は電動モーター２３を時計方向にΔθ回転させて、穿孔刃３０をΔｘ周方向に右側に移動させ、操作ボタン９０ｄを１回押すと、電動モーター２３を反時計方向にΔθ回転させて、穿孔刃３０をΔｘ周方向に左側に移動させる。操作ボタン９０ａ～９０ｄを１回押すごとに、穿孔刃３０はそれぞれ対応した方向に微小量Δずつ移動するので、穿孔刃３０の周方向位置と管長方向位置を微小に調節することができ、明部像と軌跡像のマッチングを精度よく行うことが可能になる。

上述した実施例では、最初に周方向に明部像５５’と軌跡像４４’の位置合わせをしてから両像を本管の管軸方向に位置合わせするようにしたが、最初に管長方向に位置合わせしてその後に周方向に位置合わせするようにしてもよい。

ロボット２１の管長方向の移動並びに穿孔刃３０の旋回は、ロータリーエンコーダなどの回転位置センサーを備えた電動モーター２２、２３により行われるので、位置決め精度を高めることができる。

このように、実施例２では、プログラム制御により軌跡像４４’が明部像５５’にマッチングするように、穿孔刃３０が管長方向と周方向に高精度で位置決めされるので、穿孔ミスが少ない効率的な穿孔が可能となる。

実施例２では、穿孔装置はインターネットに接続されているので、外部サーバーから穿孔を制御したり、あるいは穿孔場所、穿孔業者、穿孔日などのデータを穿孔画像などを付してサーバー８７に格納することができ、後日の補修、保守などに役立てることができる。

なお、実施例２においても、実施例１と同様に、レーザー光源は１個、あるいは３個以上の複数とすることもでき、各レーザー光源の穿孔刃の回転軸からの径方向距離を調節可能にすることもできる。また、レーザー光源の回転は、穿孔刃の回転と独立させるようにしたが、同時に回転させることもできる。

また、実施例１と同様に、レーザー光源を磁石などを介して穿孔刃の外周面又は内周面に着脱自在に取り付けるようにすることもでき、穿孔刃も実施例１に述べたような各種の穿孔刃を用いることができる。

１１ 本管
１２ 枝管
１２ａ 枝管開口部
１３ 管ライニング材
１４ 作業トラック
１５ ケーブルパイプ
１６ マンホール
２０ 穿孔装置
２１ ロボット
２２、２３ 電動モーター
２４ 油圧シリンダー
２７ 油圧モーター
２８ 電動モーター
２９ 取付台
３０ 穿孔刃
３５、３６ 保持板
４０、４１、４６、４７ レーザー光源
４０ａ、４１ａ レーザー光線
４０ｂ、４１ｂ レーザースポット
４２、４３、４８、４９ 保持金具
４４ レーザースポットの移動軌跡
４４’ 軌跡像
４５ カウンターバランス
５０ カメラ
５１ 突っ張り部材
５２ 照明ランプ
５５ 明部
５５’ 明部像
６０ 表示器
６２、６３ 磁石
７０、７１ スライド板
７２～７５ ガイドレール
８０ コントローラ
８１ コンピュータ

Claims (5)

1. 枝管開口部を閉塞している管ライニング材を穿孔刃を回転させて本管側から穿孔する穿孔装置であって、
   本管内を管長方向に移動するロボットと、
   前記ロボットに搭載された穿孔刃と、
   前記穿孔刃を回転させるモーターと、
   前記穿孔刃の近傍位置に配置され、穿孔刃の回転軸に平行にレーザー光線を射出して管ライニング材内周面にレーザースポットを形成するレーザー光源と、
   前記ロボットに搭載され、前記レーザー光源を穿孔刃の回転軸と同軸に回転させることにより管ライニング材内周面に描かれるレーザースポットの軌跡と、枝管側からの照明光により管ライニング材内周面に形成される枝管開口部に対応した明部とを撮影するカメラと、
   前記カメラにより撮影されたレーザースポットの軌跡像が枝管開口部に対応した明部像にマッチングするように穿孔刃を位置決めする位置決め手段と、
   を備え、
   前記レーザー光源は、穿孔刃と独立して回転されることを特徴とする穿孔装置。
2. 前記レーザー光源は、射出されるレーザー光線が穿孔刃により遮断されない限度までにその外周に近づけて配置されることを特徴とする請求項１に記載の穿孔装置。
3. 枝管開口部を閉塞している管ライニング材を穿孔刃を回転させて本管側から穿孔する穿孔方法であって、
   枝管側から枝管開口部を照明する工程と、
   前記穿孔刃の近傍位置から穿孔刃の回転軸と平行方向に管ライニング材に向けてレーザー光源からレーザー光線を射出し管ライニング材内周面にレーザースポットを形成する工程と、
   前記レーザー光源を穿孔刃の回転軸と同軸に回転させながら枝管側からの照明光により管ライニング材内周面に形成される枝管開口部に対応した明部位置に穿孔刃を移動させる工程と、
   前記レーザー光源の回転にともなって管ライニング内周面に描かれるレーザースポットの軌跡と前記枝管開口部に対応した明部とを撮影する工程と、
   撮影されたレーザースポットの軌跡像と枝管開口部に対応した明部像がマッチングするように穿孔刃を位置決めして穿孔を行う工程と、
   を備え、
   前記レーザー光源は、穿孔刃と独立して回転されることを特徴とする穿孔方法。
4. 前記穿孔刃の位置決めは、本管の管長方向と周方向に行われることを特徴とする請求項３に記載の穿孔方法。
5. 前記レーザー光源は、射出されるレーザー光線が穿孔刃により遮断されない限度までにその外周に近づけて配置されることを特徴とする請求項３又は４に記載の穿孔方法。

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