特開 2024-129498 トンネル調査装置及びトンネル調査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129498

(43)【公開日】2024-09-27

(54)【発明の名称】トンネル調査装置及びトンネル調査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/84 20060101AFI20240919BHJP

   G01N 21/954 20060101ALI20240919BHJP

   E21F 17/00 20060101ALI20240919BHJP

   E02B 5/00 20060101ALI20240919BHJP

   E03F 7/00 20060101ALI20240919BHJP

   E03F 3/04 20060101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

G01N21/84 B

G01N21/954 Z

E21F17/00

E02B5/00 Z

E03F7/00

E03F3/04 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023038738

(22)【出願日】2023-03-13

(71)【出願人】

【識別番号】000195971

【氏名又は名称】西松建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100205350

【弁理士】

【氏名又は名称】狩野 芳正

(74)【代理人】

【識別番号】100117617

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 圭策

(72)【発明者】

【氏名】田中 勉

【テーマコード（参考）】

2D063

2G051

【Ｆターム（参考）】

2D063BA37

2D063EA03

2G051AA90

2G051AB02

2G051AB20

2G051AC15

2G051AC16

2G051AC17

2G051BA20

2G051BB01

2G051CA04

2G051CA06

2G051CA07

(57)【要約】

【課題】多様なトンネルに対応可能なトンネル調査装置を提供する。
【解決手段】トンネル調査装置が、走行ロボットと飛行ロボットと連結ケーブルと操作端末とを備えている。走行ロボットは、トンネルを走行可能に構成され、トンネルの壁面の撮像に使用される第１機器を搭載している。飛行ロボットは、撮像に使用される第２機器と、第２機器を搭載するバルーンとを備えている。走行ロボットと飛行ロボットとは、連結ケーブルによって物理的に連結されている。操作端末は、飛行ロボットと走行ロボットとを操作する。連結ケーブルの走行ロボットと飛行ロボットとの間の部分の長さは調節可能である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

トンネルを走行可能に構成され、前記トンネルの壁面の撮像に使用される第１機器を搭載する走行ロボットと、
前記撮像に使用される第２機器と、前記第２機器を搭載するバルーンとを備える飛行ロボットと、
前記飛行ロボットと前記走行ロボットとを物理的に連結する連結ケーブルと、
前記飛行ロボットと前記走行ロボットとを操作する操作端末と、
を備え、
前記連結ケーブルの前記走行ロボットと前記飛行ロボットとの間の部分の長さが調節可能である
トンネル調査装置。

【請求項2】

トンネルを走行可能に構成され、前記トンネルの壁面の撮像に使用される第１機器を搭載する走行ロボットと、
前記撮像に使用される第２機器と、前記第２機器を搭載するバルーンとを備える飛行ロボットと、
前記飛行ロボットと前記走行ロボットとを物理的に連結する連結ケーブルと、
前記飛行ロボットと前記走行ロボットとを操作する操作端末と、
を備え、
前記走行ロボットが、前記連結ケーブルの巻き取り及び巻き出しを行うように構成された巻き取り／巻き出し機構を備える
トンネル調査装置。

【請求項3】

前記巻き取り／巻き出し機構が、前記操作端末からの指示に応じて前記連結ケーブルの巻き取り及び巻き出しを行うように構成された
請求項２に記載のトンネル調査装置。

【請求項4】

前記走行ロボットに搭載される前記第１機器が、前記トンネルの前記壁面を撮像する撮像装置を含み、
前記飛行ロボットに搭載される前記第２機器が、前記トンネルの前記壁面を照明する照明装置を含む
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトンネル調査装置。

【請求項5】

前記連結ケーブルが、前記走行ロボットから前記飛行ロボットに電力の供給が可能であるように構成された
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトンネル調査装置。

【請求項6】

更に、前記走行ロボットに連結され、前記トンネルを走行可能に構成された給電ロボットを備え、
前記給電ロボットが、バッテリを搭載しており、前記バッテリに蓄積された電力を前記走行ロボットに供給可能に構成された
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトンネル調査装置。

【請求項7】

前記飛行ロボットが、更に、
前記バルーンの上部に取り付けられた、一対の車輪を備えるステアリング機構を備え、
前記ステアリング機構が、前記一対の車輪の角度を変更可能であるように構成されている
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のトンネル調査装置。

【請求項8】

走行ロボットにトンネルを走行させることと、
連結ケーブルによって前記走行ロボットに物理的に連結された飛行ロボットを前記トンネルの内部で飛行させることと、
前記飛行ロボットに搭載された撮像装置を用いて前記トンネルの壁面の画像を取得することと、
前記走行ロボットが前記トンネル内を走行不能になったときに、前記走行ロボットに搭載された巻き取り／巻き出し機構から前記連結ケーブルを巻き出すことと、を備える
トンネル調査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル調査装置及びトンネル調査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

トンネルは、経年劣化し得るので、トンネルの安全で安定的な供用のためには、トンネルの状態を定期的に調査（又は検査）することが望ましい。特に、大きな地震が発生したような場合には、トンネルの健全性を確認するためにトンネルの壁面を調査することが望ましい。

【0003】

トンネルを調査する装置としては、クローラ（無限軌道、履帯とも呼ばれる）型、ドローン型、船型等の各種の調査ロボットが開発され存在している。クローラ型調査ロボットは、クローラを用いてトンネルの底面を走行しながらトンネルの壁面の調査（例えば、壁面の撮像）を行うように構成される。ドローン型調査ロボットは、トンネル内を飛行しながらトンネルの壁面の調査を行うように構成される。船型調査ロボットは、トンネル内に水路が存在する場合に使用可能であり、水路を航行しながらトンネルの壁面の調査を行うように構成される。

【0004】

加えて、本出願の出願人は、先に、水路トンネルの壁面を調査するための調査ロボット（水路トンネル検査装置）に関する特許出願を行っている（特開２０１８－１９９９１５号公報、特開２０２０－２００７０４号公報及び特開２０２１－１６９７５４号公報参照）。これらの特許出願は、水路トンネルの内部を自律的に飛行しながら壁面を検査する飛行船型の水路トンネル検査装置を開示している。飛行船型の調査ロボットは、浮力を得るためのエネルギーを節約できるため、少ないエネルギー（例えば、少ない電力）でトンネル内を飛行してトンネルの壁面を調査することができる。このような利点を有する飛行船型の調査ロボットは、長大なトンネル（例えば、水路トンネル）の調査に好適である。

【0005】

しかしながら、いずれの種類の調査ロボットでも、様々な形状、状態にある水路トンネルの調査には単独では対応できないのが現状である。例えば、クローラ型の調査ロボットでは、トンネル内に障害物、大きな凹凸がある場合には走行不能となる。加えて、クローラ型の調査ロボットを大断面のトンネルにおいて使用する場合には、特にトンネルの上部には照明の光が届きにくいため、照度が低下し、撮像画像の解像度の低下の懸念がある。ドローン型の調査ロボットは、バッテリ容量や飛行速度により調査距離及び／又は検査精度に懸念がある。また、ドローン型の調査ロボットはトンネル内で漏水がある場合には飛行が困難になり得る。船型の調査ロボットは、トンネル内に水路が設置されている場合にしか使用できず、また、水流の速さに影響を受けるため、精度を必要とする調査が困難な場合がある。飛行船型の調査ロボットは、風上から風下に追い風に乗って飛行しながら調査を行うので、調査後は、調査ロボットの終着箇所（例えば、トンネル出口）で人が調査ロボットを回収する必要があり、運用の自由度の問題がある。飛行船型の調査ロボットでは、人の立ち入りができない終着箇所まで飛行して調査を行うことは困難である。

【0006】

したがって、多様なトンネルに対応可能なトンネル調査装置を提供する技術的ニーズが存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１８－１９９９１５号公報

【特許文献2】特開２０２０－２００７０４号公報

【特許文献3】特開２０２１－１６９７５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

したがって、本発明の目的の一つは、多様なトンネルに対応可能なトンネル調査装置を提供することにある。本発明の他の目的及び新規な特徴は、以下の開示から当業者には理解されるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一の観点では、トンネル調査装置が、走行ロボットと飛行ロボットと連結ケーブルと操作端末とを備えている。走行ロボットは、トンネルを走行可能に構成され、トンネルの壁面の撮像に使用される第１機器を搭載している。飛行ロボットは、撮像に使用される第２機器と、第２機器を搭載するバルーンとを備えている。走行ロボットと飛行ロボットとは、連結ケーブルによって物理的に連結されている。操作端末は、飛行ロボットと走行ロボットとを操作する。連結ケーブルの走行ロボットと飛行ロボットとの間の部分の長さは調節可能である。

【0010】

本発明の他の観点では、トンネル調査装置が、走行ロボットと飛行ロボットと連結ケーブルと操作端末とを備えている。走行ロボットは、トンネルを走行可能に構成され、トンネルの壁面の撮像に使用される第１機器を搭載している。飛行ロボットは、撮像に使用される第２機器と、第２機器を搭載するバルーンとを備えている。走行ロボットと飛行ロボットとは、連結ケーブルによって物理的に連結されている。操作端末は、飛行ロボットと走行ロボットとを操作する。走行ロボットは、連結ケーブルの巻き取り及び巻き出しを行うように構成された巻き取り／巻き出し機構を備えている。

【0011】

本発明の他の観点では、トンネル調査方法が、走行ロボットにトンネルを走行させることと、連結ケーブルによって走行ロボットに物理的に連結された飛行ロボットをトンネルの内部で飛行させることと、走行ロボットに搭載された機器と飛行ロボットに搭載された撮像装置とを用いてトンネルの壁面の画像を取得することと、走行ロボットがトンネル内を走行不能になったときに、走行ロボットに搭載された巻き取り／巻き出し機構から連結ケーブルを巻き出すことと、を備えている。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、多様なトンネルに対応可能なトンネル調査装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】一実施形態におけるトンネル調査装置の全体構成を示す概念図である。

【図2】一実施形態における走行ロボットの構成を示す側面図である。

【図3】一実施形態における計測ユニットの構成を示すシステム図である。

【図4】一実施形態における飛行ロボットの構成を示す側面図である。

【図5】一実施形態における飛行ロボットの構成を示すシステム図である。

【図6】一実施形態における撮像モジュールの構成を示す側面図である。

【図7A】一実施形態におけるローラ式ガイドの構成を図示している。

【図7B】一実施形態におけるローラ式ガイドの構成を図示している。

【図8】給電ロボットが電力の供給に使用される実施形態を図示している。

【図9】一実施形態における飛行ロボットの構成を示す斜視図である。

【図10】一実施形態におけるステアリング機構の構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、一実施形態におけるトンネル調査装置１００の全体構成を示す概念図である。トンネル調査装置１００は、トンネルの壁面を撮像して撮像画像を取得するように構成されており、取得した撮像画像に基づくトンネルの壁面の調査に使用される。

【0015】

図示された実施形態では、トンネル調査装置１００が、トンネルを走行可能に構成された走行ロボット１と、トンネル内を飛行可能に構成された飛行ロボット２とを備えている。本実施形態では、走行ロボット１が、トンネルの底面を走行するクローラ型ロボットとして構成されており、飛行ロボット２がバルーン２１を備える飛行船型ロボットとして構成されている。浮力を発生するために、バルーン２１には空気より比重が小さい気体、例えば、ヘリウムが封入されており、飛行ロボット２は、バルーン２１が発生する浮力を用いて飛行する。トンネル調査装置１００は、走行ロボット１及び飛行ロボット２に搭載される機器（例えば、撮像装置及び照明装置）を用いてトンネルの壁面を撮像して撮像画像を取得するように構成される。走行ロボット１及び飛行ロボット２の構成については後に詳細に説明する。

【0016】

トンネル調査装置１００は、更に、走行ロボット１と飛行ロボット２とを操作するためのユーザインターフェースとして機能する操作端末３を備えている。操作端末３は、走行ロボット１と飛行ロボット２と通信可能に構成されており、ユーザは、操作端末３を操作することで走行ロボット１の走行と飛行ロボット２の飛行を遠隔的に制御することができる。また、走行ロボット１と飛行ロボット２とを用いて取得されたトンネルの壁面の撮像画像が操作端末３に送信され、送信された撮像画像が操作端末３の表示画面に表示され、及び／又は、操作端末３の記録装置に保存される。

【0017】

走行ロボット１と飛行ロボット２とは、連結ケーブル４によって物理的に連結されている。このような構成によれば、連結ケーブル４の長さによって飛行ロボット２の位置を走行ロボット１の周囲の所望の範囲に限定でき、また、必要に応じて走行ロボット１で飛行ロボット２を牽引できるので、トンネルの調査の制約を緩和し、及び／又は、調査の精度を向上させることができる。

【0018】

例えば、飛行船型の調査ロボットは、一般には風上から風下に向かって飛行して調査を行うので、調査を終了した位置で調査ロボットを回収する必要がある。したがって、調査を終了する位置が人の立ち入りができない場所であるような調査は実施できない。一方、本実施形態のトンネル調査装置１００では、走行ロボット１によって飛行ロボット２を牽引することで走行ロボット１と飛行ロボット２とを調査を終了した位置から調査ロボットの回収するために望ましい位置、例えば、調査を開始した元の位置に移動させることができる。これにより、調査における運用の制約を緩和することができる。

【0019】

また、走行ロボット１と飛行ロボット２とが連結ケーブル４によって連結される構成では、連結ケーブル４の長さを調整することで飛行ロボット２をトンネルの中心付近で飛行させることができる。これは、飛行ロボット２に搭載された撮像装置でトンネルの壁面を撮影して得られる撮像画像の画質を向上させるために好適である。連結ケーブル４によって走行ロボット１と飛行ロボット２とを連結することは、飛行ロボット２がトンネルの壁面に衝突することを防ぐためにも有用である。

【0020】

更に、走行ロボット１と飛行ロボット２とが連結ケーブル４によって連結される構成では、走行ロボット１に搭載された撮像装置によってトンネルの壁面を撮像するときに飛行ロボット２に搭載された照明装置を用いて壁面を照明することができる。これは、特に大断面のトンネルの調査においてトンネルの壁面の撮像の際に十分な照度を確保し、トンネルの調査の精度を向上させるために好適である。

【0021】

一実施形態では、連結ケーブル４として、例えば、合成樹脂ワイヤ（例えば、テグス）、金属ワイヤのような、走行ロボット１と飛行ロボット２とを純粋に物理的に連結するケーブルを使用してもよい。強度に対する質量及び体積が小さい合成樹脂ワイヤを使用することは、走行ロボット１及び／又は飛行ロボット２による電力消費を低減するために有用である。他の実施形態では、連結ケーブル４として、電力の伝送が可能なケーブルを使用してもよい。このような実施形態では、走行ロボット１から飛行ロボット２に電力を供給することで、飛行ロボット２に搭載される機器を小型化することができる。

【0022】

一実施形態では、図１に図示されているように、走行ロボット１が連結ケーブル４の巻き取り及び巻き出しが可能に構成された巻き取り／巻き出し機構１１を備えていてもよい。このような構成では、巻き取り／巻き出し機構１１により、連結ケーブル４の走行ロボット１と飛行ロボット２との間の部分の長さ（即ち、連結ケーブル４のうち巻き取り／巻き出し機構１１から繰り出されている部分の長さ）が調節可能である。巻き取り／巻き出し機構１１は、操作端末３からの指示に応じて連結ケーブル４をその内部に巻き取り、又は、連結ケーブル４を内部から巻き出すように構成されてもよい。このような構成では、走行ロボット１が障害物等のためにトンネル内で停止した場合でも、巻き取り／巻き出し機構１１から連結ケーブル４を巻き出して飛行ロボット２を飛行させることでトンネルの壁面の調査（例えば、壁面の撮像）を続行することができる。また、調査が完了した後には、連結ケーブル４を巻き取ることで飛行ロボット２を回収することもできる。以下、走行ロボット１と飛行ロボット２の構成の実施形態について詳細に説明する。

【0023】

図２は、一実施形態による走行ロボット１の構成を示す側面図である。図示された実施形態では、走行ロボット１が、上述の巻き取り／巻き出し機構１１に加え、ベースマシン１２と、除振台１３と、計測ユニット１４と、バッテリ１５とを備えている。

【0024】

巻き取り／巻き出し機構１１は、上述のように、連結ケーブル４の巻き取り及び巻き出しが可能に構成されている。一実施形態では、巻き取り／巻き出し機構１１は、ローラ１１１によって連結ケーブル４を巻き取り、又は、及び巻き出すように構成されている。ローラ１１１は、電動であってもよく、この場合、ローラ１１１が、ユーザによる操作端末３への操作に応じて連結ケーブル４を巻き取り、又は、連結ケーブル４を内部から巻き出すように構成されてもよい。

【0025】

ベースマシン１２は、走行ロボット１がトンネルの底面を走行するための機構であり、図示された実施形態では、ベースマシン１２が、一対のクローラ１２１（１つのみ図示）と、制御装置１２２とを備えている。制御装置１２２は、操作端末３と通信可能に構成されており、操作端末３からの指令に応じてクローラ１２１を作動させる。これにより、走行ロボット１は、ユーザによる操作端末３への操作に応じてトンネルの底面を走行する。一実施形態では、ベースマシン１２が、トンネルの内部形状を計測するＬＩＤＡＲ（Light Detection And Ranging）１２３を搭載してもよい。このような実施形態では、制御装置１２２は、ＬＩＤＡＲ１２３によって得られたトンネルの内部形状の情報にＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）技術を適用して、トンネル内の位置把握及びトンネルの環境地図作成を行うように構成されてもよい。

【0026】

除振台１３は、ベースマシン１２の上に載置されており、ベースマシン１２の動作時に計測ユニット１４の各機器に伝わる振動を抑制するように構成されている。

【0027】

計測ユニット１４は、トンネルの壁面の状態を調査するための計測を行う。本実施形態では、計測ユニット１４は、トンネルの壁面を撮像して撮像画像を取得するように構成されている。図示された実施形態では、計測ユニット１４が、フレーム１４１と、撮像装置１４２と、照明装置１４３と、前方カメラ１４４と、後方カメラ１４５と、エンコーダ１４６と、制御装置１４７とを備えている。フレーム１４１は、除振台１３の上に載置されており、撮像装置１４２、照明装置１４３、前方カメラ１４４、後方カメラ１４５及び制御装置１４７を保持している。

【0028】

撮像装置１４２は、トンネルの壁面を撮像して撮像画像を取得する。複数の撮像装置１４２が、トンネルの壁面に向かう様々な方向に向けられており、これにより、トンネルの壁面の広い範囲が撮影可能になっている。図２において符号１４２ａは、上向きの撮像装置１４２の視野を概念的に示している。

【0029】

照明装置１４３は、トンネルの壁面の撮像時にトンネルを照明する。複数の照明装置１４３が、トンネルの壁面に向かう様々な方向に向けられており、これにより、トンネルの壁面の広い範囲が照明可能になっている。符号１４３ａは、上向きの照明装置１４３が発する光ビームを概念的に示している。照明装置１４３としては、ＬＥＤ(light emitting diode)ライトが用いられてもよい。

【0030】

前方カメラ１４４は、走行ロボット１の前方を撮影するように構成され、後方カメラ１４５は、走行ロボット１の後方を撮影するように構成されている。前方カメラ１４４及び後方カメラ１４５によって取得された画像は操作端末３に送られて操作端末３の表示画面に表示される。ユーザは、表示画面に表示された走行ロボット１の前方及び後方の画像を見て走行ロボット１及び飛行ロボット２を操作することができる。

【0031】

エンコーダ１４６は、走行ロボット１の走行距離を計測するように構成されている。走行ロボット１の走行距離は、トンネル内の位置情報として使用され得る。例えば、トンネルの入口からの走行距離は、トンネル内の位置を示す情報として使用可能である。

【0032】

バッテリ１５は、ベースマシン１２及び計測ユニット１４に電力を供給するように構成されている。ベースマシン１２のクローラ１２１は、バッテリ１５からの電力で動作する。加えて、計測ユニット１４の撮像装置１４２、照明装置１４３、前方カメラ１４４、後方カメラ１４５、エンコーダ１４６及び制御装置１４７は、バッテリ１５から供給される電力で動作する。巻き取り／巻き出し機構１１が電動のローラ１１１を備えている実施形態では、バッテリ１５によってローラ１１１に電力を供給してもよい。

【0033】

図３は、一実施形態による計測ユニット１４の構成を示すシステム図である。図示されている実施形態では、撮像装置１４２、照明装置１４３、前方カメラ１４４、後方カメラ１４５及びエンコーダ１４６が制御装置１４７に接続されている。制御装置１４７は、操作端末３と通信可能に構成されており、ユーザによる操作端末３への操作に応じて撮像装置１４２、照明装置１４３、前方カメラ１４４及び後方カメラ１４５を作動させる。加えて、制御装置１４７は、撮像装置１４２、前方カメラ１４４及び後方カメラ１４５によって取得された画像、及び、エンコーダ１４６によって取得された走行ロボット１の走行距離の情報を操作端末３に送信するように構成される。なお、図３では計測ユニット１４が５つの撮像装置１４２と３つの照明装置１４３とを備える構成が図示されているが、撮像装置１４２及び照明装置１４３の数は適宜に変更可能である。また、計測ユニット１４は、前方カメラ１４４及び後方カメラ１４５に加え、追加の確認用カメラを備えていてもよい。

【0034】

図４は、一実施形態による飛行ロボット２の構成を示す側面図であり、図５は、一実施形態による飛行ロボット２の構成を示すシステムブロック図である。図４に図示されている実施形態では、飛行ロボット２が、上述のバルーン２１に加え、撮像モジュール２２と、推進スラスタ２３と、水平スラスタ２４と、機体２５とを備えている。

【0035】

撮像モジュール２２は、バルーン２１の前後方向の一端、例えば前端に接合されている。図４の実施形態では、撮像モジュール２２がバルーン２１の中心軸２１ａ上の位置に接合されている。図６は、一実施形態における撮像モジュール２２の構成を図示している。図示された実施形態では、撮像モジュール２２が、撮像装置２２１と照明装置２２２と台座２２３を備えている。撮像装置２２１は、トンネルの壁面を撮像して撮像画像を取得する。撮像装置２２１として、３６０°カメラが使用されてもよい。照明装置２２２は、壁面の撮像の際にトンネルの壁面を照明する。照明装置２２２としては、ＬＥＤライトが用いられてもよい。台座２２３は、バルーン２１に接合され、撮像装置２２１と照明装置２２２とを所望の位置に支持する。

【0036】

図４に戻り、推進スラスタ２３は、バルーン２１の前後方向の一端、例えば後端に接合されており、飛行ロボット２の前後方向に推力を発生する推力発生機構として構成されている。また、水平スラスタ２４は、バルーン２１の下部に接合されており、横方向に推力を発生する推力発生機構として構成されている。図示された実施形態では、前後方向に異なる位置に２つの水平スラスタ２４が設けられている。水平スラスタ２４は、飛行ロボット２を横方向に平行移動させるための推力の発生、及び、飛行ロボット２を水平面内で旋回させるための推力の発生に用いられる。２つの水平スラスタ２４が発生する推力の大きさ及び方向は、同一とは限らない。水平スラスタ２４が互いに逆方向に推力を発生すると、飛行ロボット２は水平面内で旋回する。

【0037】

機体２５は、バルーン２１の下部に接合されており、２つの垂直スラスタ２６と、航法センサシステム２７と、制御装置２８と、バッテリ２９とを搭載している。図示された実施形態では、上述の連結ケーブル４が機体２５に結合されている。ただし、連結ケーブル４が飛行ロボット２に結合する位置は、適宜に変更可能である。

【0038】

垂直スラスタ２６は、垂直方向（水平面に垂直な方向）に推力を発生するように構成されており、飛行ロボット２のトンネルの底面からの高さを制御するための推力の発生に用いられる。

【0039】

航法センサシステム２７は、トンネルの壁面の構造の情報及びトンネル内における飛行ロボット２の位置及び姿勢の情報を取得する。一実施形態では、航法センサシステム２７は、ＬＩＤＡＲのようなレーザ測距センサ、超音波センサ、慣性航法装置、速度計、高度計等を備えていてもよい。

【0040】

制御装置２８は、操作端末３と通信可能に構成されており、飛行ロボット２の各機器から得られた情報を操作端末３に送信し、ユーザによる操作端末３への操作に応じて飛行ロボット２の各機器を作動させる。図５を参照しながら更に説明すると、制御装置２８は、撮像モジュール２２の撮像装置２２１によって取得された撮像画像、及び、航法センサシステム２７によって取得されたトンネルの壁面の構造の情報及びトンネル内における飛行ロボット２の位置及び姿勢の情報を操作端末３に送信する。更に、制御装置２８は、ユーザによる操作端末３への操作に応じて撮像モジュール２２、推進スラスタ２３、水平スラスタ２４及び垂直スラスタ２６を作動させる。

【0041】

一実施形態では、飛行ロボット２は、自律的にトンネル内における位置及び姿勢の制御を行うように構成されてもよい。このような実施形態では、制御装置２８は、航法センサシステム２７によって得られた情報に基づいて推進スラスタ２３、水平スラスタ２４及び垂直スラスタ２６を制御して所望の向きに推力を発生し、これによって飛行ロボット２のトンネル内の位置及び姿勢を制御する。

【0042】

バッテリ２９は、飛行ロボット２の各機器に電力を供給する。連結ケーブル４が電力を伝送可能に構成され、走行ロボット１から飛行ロボット２に電力が供給される実施形態では、連結ケーブル４を介して走行ロボット１から送られる電力が、バッテリ２９に蓄積されてもよい。

【0043】

図４を再度に参照して、一実施形態では、バルーン２１の上部にローラ式ガイド３０が取り付けられ、バルーン２１の側部にローラ式ガイド３１が取り付けられる。ローラ式ガイド３０、３１は、飛行ロボット２がトンネルの壁面に接触したときに接触の影響を小さくし、飛行の安定性を向上するために設けられている。

【0044】

図７Ａは、一実施形態における、バルーン２１の上部に取り付けられるローラ式ガイド３０の構成を図示する斜視図である。図示した実施形態では、ローラ式ガイド３０が、バルーン２１の表面に装着されるベース部３０１と、ベース部３０１に接合された一対のアーム３０２と、アーム３０２の先端に結合されたローラ３０３とを備えている。ベース部３０１は、一対のアーム３０２を支持するように構成されている。アーム３０２は、弾性変形可能な材料、例えば、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチックで形成される。ローラ３０３は、１対のアーム３０２の間に挟まれており、各アーム３０２に回転可能に結合されている。このような構造のローラ式ガイド３０は、飛行ロボット２が過剰に上昇してトンネルの上側の壁面に接触したときに接触の影響を抑制することができる。

【0045】

図７Ｂは、一実施形態における、バルーン２１の側部に接合されるローラ式ガイド３１の構成を示す斜視図である。図示されている実施形態では、ローラ式ガイド３１が、バルーン２１に接合されるベース部３１１と、ベース部３１１に接合されたアーム３１２と、アーム３１２の先端に結合されたローラ３１３と、アーム３１２を支持する支持部材３１４と、支持部材３１４に接合された連結プレート３１５とを備えている。ローラ３１３は、アーム３１２に回転可能に結合されている。連結プレート３１５は、支持部材３１４の位置決めに用いられる。ローラ式ガイド３１は、アーム３１２のベース部３１１に対する角度が調節可能であるように構成されており、このような構成は、アーム３１２の先端に設けられたローラ３１３のバルーン２１からの距離をトンネルの幅に応じて調節することを可能にする。ローラ３１３のバルーン２１からの距離は、ローラ３１３がトンネルの壁面に接触する頻度に影響するので、ローラ３１３のバルーン２１からの距離を適正に調節することは、飛行ロボット２の飛行の安定性の向上に寄与する。

【0046】

続いて、図１～図７Ｂに図示した構成のトンネル調査装置１００を用いたトンネルの調査の一実施形態について説明する。本実施形態では、走行ロボット１と飛行ロボット２とが連結ケーブル４によって連結されていることの利点を生かしたトンネルの調査が行われる。

【0047】

トンネルの調査を行う場合、まず、走行ロボット１と飛行ロボット２とがトンネルの調査を開始する位置、例えば、トンネルの入口に用意される。更に、空気より比重が小さい気体、例えばヘリウムが飛行ロボット２のバルーン２１に封入される。連結ケーブル４によって走行ロボット１と飛行ロボット２とを連結する構成は、バルーン２１に封入される気体の量を精密に調整する必要がない点で好適である。一般に、飛行船型のロボットをトンネル内で飛行させる場合、ロボットがトンネルの壁面に衝突することを防ぎ、及び／又は、飛行による電力消費を低減するために、バルーンに封入される気体の量を調節してバルーンが発生する浮力が調整される場合がある。一方、連結ケーブル４によって走行ロボット１と飛行ロボット２とが連結される本実施形態の構成では、飛行ロボット２の位置が走行ロボット１の周囲の一定範囲に制約されるので、バルーン２１が十分に大きな浮力を発生可能であることしか求められない。よって、バルーン２１の浮力の調整は容易である。

【0048】

更に、連結ケーブル４の走行ロボット１と飛行ロボット２との間の部分の長さ（即ち、連結ケーブル４のうち巻き取り／巻き出し機構１１から繰り出されている部分の長さ）が調節される。図４に図示されている構成の飛行ロボット２によってトンネルの壁面を撮影する場合には、撮像モジュール２２がトンネルの中心付近に位置することが望ましく、連結ケーブル４は、撮像モジュール２２がトンネルの中心付近に位置するように調節される。図４に図示された構成の飛行ロボット２では、撮像モジュール２２がバルーン２１の中心軸２１ａ上に位置しているので、バルーン２１の中心軸２１ａがトンネルの中心付近に位置することになる。

【0049】

連結ケーブル４の調節によって撮像モジュール２２がトンネルの中心付近に位置している状態で、走行ロボット１と飛行ロボット２とが作動されてトンネルの壁面の撮像画像が取得される。走行ロボット１はユーザによる操作端末３の操作に応じて走行し、飛行ロボット２はユーザによる操作端末３の操作に応じて飛行する。操作端末３のユーザ操作を容易にするために、走行ロボット１の前方カメラ１４４及び後方カメラ１４５によって取得された画像が操作端末３に送信され、操作端末３の表示画面に表示されてもよい。更に、走行ロボット１の計測ユニット１４の撮像装置１４２及び飛行ロボット２の撮像モジュール２２によってトンネルの壁面の撮像画像が取得される。

【0050】

取得された撮像画像は、操作端末３に送信されて記憶装置に格納され、及び／又は、操作端末３の表示画面に表示されてもよい。また、走行ロボット１の撮像装置１４２によって取得された撮像画像は、走行ロボット１に設けられた記憶装置（例えば、計測ユニット１４の制御装置１４７に設けられた記憶装置）に格納されてもよい。更に、飛行ロボット２の撮像モジュール２２によって取得された撮像画像は、飛行ロボット２に設けられた記憶装置（例えば、制御装置２８に設けられた記憶装置）に格納されてもよい。一実施形態では、走行ロボット１の撮像装置１４２及び／又は飛行ロボット２の撮像モジュール２２によって取得された撮像画像が、走行ロボット１のエンコーダ１４６によって測定された走行距離に関連づけられて格納される。走行ロボット１の走行距離は、概ね、トンネル内の位置に対応しているので、撮像画像をエンコーダ１４６によって測定された走行距離に関連づけられて格納することで、撮像画像とトンネル内の位置との対応関係を把握することが容易になる。撮像画像の取得は連続的に行われてもよいし、ユーザによる操作端末３の操作によって指定されたタイミングで撮像画像が取得されてもよい。

【0051】

トンネルの壁面の撮像の際には、走行ロボット１の計測ユニット１４の照明装置１４３及び／又は飛行ロボット２の撮像モジュール２２の照明装置２２２によってトンネルの壁面が照明される。特に、大断面のトンネルを調査する場合、トンネルの底面を走行する走行ロボット１に搭載された照明装置１４３では、特にトンネルの上部の壁面を十分な明るさで照明できない事態が起こり得る。しかしながら、本実施形態のトンネル調査装置１００では、トンネルの中心付近を飛行する飛行ロボット２に搭載された照明装置２２２でトンネルの壁面を照明することができる。したがって、トンネルの壁面の全体にわたって十分な照度を確保しながら撮像画像を取得することができる。

【0052】

トンネルの調査が終了した後、走行ロボット１と飛行ロボット２とが回収される。調査を終了した位置が、人の立ち入りが許容される場所である場合、調査を終了した位置で走行ロボット１と飛行ロボット２とを回収してもよい。一方、調査を終了した位置が人の立ち入りが許容されない場所である場合には、走行ロボット１で飛行ロボット２を牽引しながら、走行ロボット１と飛行ロボット２とを人の立ち入りが許容される回収位置（例えば、トンネルの調査を開始する位置）まで移動させた後で走行ロボット１と飛行ロボット２とを回収してもよい。走行ロボット１で飛行ロボット２を牽引するので、走行ロボット１と飛行ロボット２の回収位置が調査を終了した位置よりも風上にあっても、走行ロボット１と飛行ロボット２とを回収位置まで移動させることができる。

【0053】

トンネルの底面に起伏がある場合、トンネルの調査すべき範囲の途中で走行ロボット１を停止せざるを得ない状況が生じ得る。このような場合には、巻き取り／巻き出し機構１１から連結ケーブル４を巻き出す（繰り出す）ことで飛行ロボット２を走行ロボット１から離れて飛行させることにより、飛行ロボット２単独でトンネルの調査を続行することができる。巻き取り／巻き出し機構１１によって連結ケーブル４を巻き取れば飛行ロボット２は走行ロボット１の近傍の位置まで戻ってくるので、飛行ロボット２単独での調査が終了した後で飛行ロボット２を回収することも容易である。巻き取り／巻き出し機構１１は、操作端末３に対するユーザ操作に基づいて操作端末３から発せられる指示に応じて連結ケーブル４を巻き出し、巻き取るように構成されてもよい。

【0054】

トンネル調査装置１００が長時間運用される場合、例えば長大なトンネルを調査する場合、走行ロボット１及び飛行ロボット２の消費電力が増加する。このような場合、図８に図示されているように、給電ロボット６が走行ロボット１に連結されてもよい。給電ロボット６は、ベースマシン６１とバッテリ６２とを備えている。給電ロボット６は、ケーブル６３によって走行ロボット１に連結されている。ベースマシン６１は、給電ロボット６がトンネルの底面を走行するための機構であり、走行ロボット１のベースマシン１２と同様に、一対のクローラを備えている。ケーブル６３は電力を伝送可能であるように構成されており、給電ロボット６は、バッテリ６２に蓄積されている電力を、ケーブル６３を介して走行ロボット１に電力を供給する。走行ロボット１と飛行ロボット２とを連結する連結ケーブル４が電力を伝送可能に構成されている場合には、更に、走行ロボット１及び連結ケーブル４を介してバッテリ６２から飛行ロボット２に電力を供給してもよい。給電ロボット６を使用することにより、より長大なトンネルを調査することが可能になる。

【0055】

飛行ロボット２の構成は、図４に図示された構成に限定されず、様々に変更され得る。図４は、飛行ロボット２の位置及び姿勢が、バルーン２１の中心軸２１ａがトンネルの中心付近になるように制御されることが好適な飛行ロボット２の構成を図示しているが、他の構成も可能である。

【0056】

図９は、他の実施形態による飛行ロボット５の構成を図示している。図９の実施形態の飛行ロボット５は、バルーン５１と、機体５２と、撮像モジュール５３と、一対の推進スラスタ５４と、ＬＩＤＡＲ５５と、システムボックス５６と、バッテリ５７と、ステアリング機構５８、５９と、距離計６０とを備えている。後に詳細に説明するように、飛行ロボット５は、ステアリング機構５８、５９をトンネルの天井に押し当てながら飛行することができるような構成を有している。

【0057】

バルーン５１は、飛行ロボット５の飛行のための浮力を発生する。バルーン５１には空気より比重が小さい気体、例えば、ヘリウムが封入されており、飛行ロボット５は、バルーン５１が発生する浮力を用いて飛行する。

【0058】

機体５２は、バルーン５１の下端に結合されており、撮像モジュール５３、ＬＩＤＡＲ５５、システムボックス５６及びバッテリ５７を保持する棒状の構造部材として構成されている。

【0059】

撮像モジュール５３は、機体５２の前後方向の一端、例えば前端に接合されている。撮像モジュール５３は、トンネルの壁面を撮像して撮像画像を取得する撮像装置５３１と照明装置５３２とを備えている。撮像装置５３１は、トンネルの壁面を撮像して撮像画像を取得する。撮像装置５３１としては、３６０°カメラが使用されてもよい。照明装置５３２は、壁面の撮像のときにトンネルの壁面を照明する。照明装置５３２としては、ＬＥＤライトが用いられてもよい。

【0060】

推進スラスタ５４は、飛行ロボット５の前後方向に推力を発生する推力発生機構として構成されている。図示された実施形態では、バルーン５１の下部の左右に一対の推進スラスタ５４が設けられている。推進スラスタ５４は、飛行ロボット５の移動及び姿勢制御のための推力を発生する。推進スラスタ５４が発生する推力を適切に制御することにより、飛行ロボット５を所望の方向に移動させ、所望の姿勢に制御することができる。

【0061】

ＬＩＤＡＲ５５は、システムボックス５６の下端に接合されており、トンネルの壁面の構造の情報及びトンネル内における飛行ロボット５の位置及び姿勢の情報を取得する。

【0062】

システムボックス５６は、操作端末３と通信可能に構成されており、飛行ロボット５の各機器から得られた情報を操作端末３に送信し、ユーザによる操作端末３への操作に応じて飛行ロボット５の各機器を作動させる制御装置として構成されている。より具体的には、システムボックス５６は、撮像モジュール５３によって取得された撮像画像、及び、ＬＩＤＡＲ５５によって取得されたトンネルの壁面の構造の情報及びトンネル内における飛行ロボット５の位置及び姿勢の情報を操作端末３に送信する。更に、システムボックス５６は、ユーザによる操作端末３への操作に応じて撮像モジュール５３及び推進スラスタ５４を作動させる。

【0063】

バッテリ５７は、飛行ロボット５の各機器に電力を供給する。連結ケーブル４が電力を伝送可能に構成され、走行ロボット１から飛行ロボット５に電力が供給される実施形態では、連結ケーブル４を介して走行ロボット１から送られる電力が、バッテリ５７に蓄積されてもよい。

【0064】

ステアリング機構５８、５９は、バルーン５１の上部に取り付けられており、飛行ロボット５がステアリング機構５８、５９をトンネルの天井に押し当てながら飛行する際に、飛行ロボット５を操舵するように構成されている。ステアリング機構５８、５９は、前後方向に異なる位置にあり、ステアリング機構５８が前方に位置し、ステアリング機構５９が後方に位置している。

【0065】

図１０は、ステアリング機構５８の構造を概略的に示す斜視図である。ステアリング機構５８は、台座５８１と、タイロッド５８２、５８３と、ステアリングボックス５８４と、１対の車輪５８５とを備えている。台座５８１は、ステアリング機構５８をバルーン５１に結合するための構造体であり、ベルト５８６によってバルーン５１に固定されている。タイロッド５８２、５８３のそれぞれの一端はステアリングボックス５８４に結合されており、他端には車輪５８５が回転可能に連結されている。

【0066】

タイロッド５８２、５８３及びステアリングボックス５８４は、車輪５８５が略平行な状態を保ったまま車輪５８５の角度を変更可能であるように構成されている。図９ではタイロッド５８２、５８３及びステアリングボックス５８４の構造が概略的に図示されているが、タイロッド５８２、５８３及びステアリングボックス５８４の構造としては、ボールナット式、ラックアンドピニオン式等、ステアリング機構として広く用いられている構造が使用され得る。ステアリングボックス５８４には車輪５８５の角度を調節するためのサーボ機構（図示されない）が内蔵されており、サーボ機構を作動させることによって車輪５８５を所望の角度に向けることができるように構成されている。飛行ロボット５が飛行する際に車輪５８５がトンネルの天井に押し当てられる場合には、車輪５８５の角度によって飛行ロボット５を操舵することができる。

【0067】

ステアリングボックス５８４は、飛行ロボット５の前後方向に垂直かつ鉛直面に平行である面内においてタイロッド５８２、５８３がスイング可能であるように、台座５８１の軸５８１ａに軸支されている。このような構成によれば、トンネルに起伏がある場合であっても車輪５８５が起伏に追随して動くことが可能であり、飛行ロボット５の飛行を安定化させることができる。

【0068】

後方のステアリング機構５９も、図９に図示されているステアリング機構５８と同様に構成される。ただし、後方のステアリング機構５９については、ステアリングボックス５８４が台座５８１に固定的に連結されてもよい。

【0069】

距離計６０は、飛行ロボット５がステアリング機構５８、５９をトンネルの天井に押し当てながら飛行する際の飛行ロボット５の移動距離を計測する。距離計６０は、ステアリング機構５８、５９がトンネルの天井に押し当てられたときに距離計６０もトンネルの天井に押し当てられるように構成されている。一実施形態では、飛行ロボット５の移動距離が、トンネル内の位置情報として使用され得る。例えば、トンネルの入口からの移動距離は、トンネル内の位置を示す情報として使用可能である。一実施形態では、走行ロボット１の撮像装置１４２及び／又は飛行ロボット５の撮像モジュール５３によって取得された撮像画像が、距離計６０によって測定された飛行ロボット５の移動距離に関連づけられて格納されてもよい。飛行ロボット５の移動距離は、概ね、トンネル内の位置に対応しているので、撮像画像を飛行ロボット５の移動距離に関連づけられて格納することで、撮像画像とトンネルの位置との対応関係を把握することが容易になる。

【0070】

図９の飛行ロボット５が使用される場合には、飛行ロボット５の撮像モジュール５３がトンネルの中心付近に位置するように連結ケーブル４の走行ロボット１と飛行ロボット５との間の部分の長さが調節されてもよい。その代わりに、飛行ロボット５のステアリング機構５８、５９及び距離計６０がトンネルの天井に押し当てられるように連結ケーブル４の走行ロボット１と飛行ロボット５との間の部分の長さが調節されてもよい。

【0071】

以上には、様々な実施形態が具体的に記載されているが、本明細書に開示された技術が様々な変更と共に実施され得ることは当業者には自明的であろう。

【符号の説明】

【0072】

１ ：走行ロボット
２ ：飛行ロボット
３ ：操作端末
４ ：連結ケーブル
５ ：飛行ロボット
６ ：給電ロボット
１１ ：巻き取り／巻き出し機構
１２ ：ベースマシン
１３ ：除振台
１４ ：計測ユニット
１５ ：バッテリ
２１ ：バルーン
２１ａ ：中心軸
２２ ：撮像モジュール
２３ ：推進スラスタ
２４ ：水平スラスタ
２５ ：機体
２６ ：垂直スラスタ
２７ ：航法センサシステム
２８ ：制御装置
２９ ：バッテリ
３０、３１：ローラ式ガイド
５１ ：バルーン
５２ ：機体
５３ ：撮像モジュール
５４ ：推進スラスタ
５５ ：ＬＩＤＡＲ
５６ ：システムボックス
５７ ：バッテリ
５８、５９：ステアリング機構
６０ ：距離計
６１ ：ベースマシン
６２ ：バッテリ
６３ ：電力ケーブル
１００ ：トンネル調査装置
１１１ ：ローラ
１２１ ：クローラ
１２２ ：制御装置
１２３ ：ＬＩＤＡＲ
１４１ ：フレーム
１４２ ：撮像装置
１４３ ：照明装置
１４４ ：前方カメラ
１４５ ：後方カメラ
１４６ ：エンコーダ
１４７ ：制御装置
２２１ ：撮像装置
２２２ ：照明装置
２２３ ：台座
３０１ ：ベース部
３０２ ：アーム
３０３ ：ローラ
３１１ ：ベース部
３１２ ：アーム
３１３ ：ローラ
３１４ ：支持部材
３１５ ：連結プレート
５３１ ：撮像装置
５３２ ：照明装置
５８１ ：台座
５８１ａ ：軸
５８２ ：タイロッド
５８３ ：タイロッド
５８４ ：ステアリングボックス
５８５ ：車輪
５８６ ：ベルト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】