JP2006248277A - 無人潜水機 - Google Patents

Abstract

【課題】 推力発生方向が互いに直交する垂直スラスタおよび水平スラスタを効率よく利用して運動性能を高めた無人潜水機を提供する。
【解決手段】 水平スラスタ１８と垂直スラスタ１７とを機体１３に備え、垂直スラスタ１７の推力発生方向Ｆ１を水平スラスタ１８の推力発生方向Ｆ１に近づける方向へ、垂直スラスタ１７を姿勢変更可能に設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、海中の構造物や水産資源の探査、観察等に用いられる無人潜水機に関するものである。

海中における構造物の探査等には、ダイバーが海中に潜って行う方法や、海中に水中カメラを設置して定点で行う方法等があるが、海中の条件が厳しい場合や機動性を必要とする場合には、リモート操作により海中を移動することができる無人潜水機が利用されている。

従来の無人潜水機として、下記特許文献１には、上下方向に推力を発生する垂直スラスタと、機体の長手方向（水平方向）に推力を発生する水平スラスタとを備えたものが開示されている。

この無人潜水機では、２基の垂直スラスタが機体の左右両側に配置され、３基の水平スラスタが、機体の左右中央と、その左右両側下方とに３角配置されている。そして、２基の垂直スラスタを同じ推力で駆動することによって、機体を水平な姿勢で潜る方向に推進させ、上下３基の水平スラスタを同じ推力で駆動することによって、機体を水平な姿勢で水平方向に推進させるようになっている。

また、垂直スラスタを用いるよりも速く潜水海底に潜りたい場合には、上側１基の水平スラスタの推力を下側２基の水平スラスタに対して相対的に上げ、上下の推力バランスを崩すことによって、機体を斜め下方に向けて潜る方向に推進させ、速く浮上したい場合には、逆の動作をすることによって、機体を斜め上方に向けて機体を浮上方向に推進させるようになっている。

特開平８−１６９３９８号公報

特許文献１記載の技術では、水平スラスタを用いて機体を移動させる際には、垂直スラスタは用いられず、逆に、垂直スラスタを用いて機体を移動させる際には、水平スラスタは用いられない。

すなわち、水平、垂直併せて５基のスラスタを機体に備えているにも関わらず、同時に用いられるのは一方の３基又は２基だけであり、効率的に動力が利用されていない。また、同時に利用されるスラスタの数が少ないため、大きな推力を得るためには、各々のスラスタとして最大推力の大きいものを用いる必要があり、潜水機の大型化、高騰化等を招来していた。

また、水平スラスタを用い、機体を斜め下方又は斜め上方に向けて推進させる場合には、各水平スラスタの推力を精細に調整する必要があるため、制御が複雑になるという問題もあった。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、推力発生方向が異なる複数種のスラスタ（垂直スラスタおよび水平スラスタ）を効率よく利用して運動性能を高め、また、機体の姿勢を簡単に制御することができる無人潜水機を提供することにある。

請求項１記載の発明は、推力発生方向が相互に異なる複数種のスラスタを機体に備えている無人潜水機において、少なくとも一種のスラスタが、当該スラスタの推力発生方向を他種のスラスタの推力発生方向に近づける方向へ、姿勢変更可能に設けられていることを特徴とする。

ここで、一種のスラスタの姿勢変更は、当該スラスタの推力発生方向が他種のスラスタの推力発生方向に完全に一致するものであってもよいし、完全に一致しなくとも、姿勢変更の後で、一種のスラスタの推力発生方向が他種のスラスタの推力発生方向に近づくものであればよい。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記一種のスラスタの姿勢変更により、機体の重心位置が変化するようになっていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、複数種のスラスタが、上下方向に推力を発生する垂直スラスタと、水平方向に推力を発生する水平スラスタと、を含むことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、垂直スラスタが姿勢変更可能に設けられ、当該垂直スラスタの姿勢変更により、機体の重心位置が水平方向に変化するようになっていることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、垂直スラスタが姿勢変更可能に設けられ、当該垂直スラスタの姿勢変更により、機体の重心位置が、水平スラスタによる推進方向の先方側に変化するようになっていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項２、４又は５に記載の発明において、姿勢変更可能なスラスタが、当該スラスタの重心位置から外れた位置を支点として回動自在に設けられ、この回動によって姿勢が変更されるようになっていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、一種のスラスタを姿勢変更することによって、当該スラスタの推力の全部又は一部を他種のスラスタの推力に加え、他種のスラスタの推力発生方向に関する推力を増大することができる。したがって、複数種のスラスタを同時に用いて大きな推力で効率よく機体を推進させることができ、高い運動性能を発揮できる。

請求項２記載の発明によれば、機体の重心位置と浮心位置との相対変化から生ずる復元モーメントにより機体の姿勢を変え、推進方向を容易に変化させることができる。

請求項３記載の発明によれば、機体の上下方向又は水平方向の運動性能を高めることができる。

請求項４記載の発明によれば、機体の重心位置と浮心位置との相対変化から生ずる復元モーメントにより機体を俯仰させ、推進方向を容易に変化させることができる。

請求項５記載の発明によれば、機体の重心位置と浮心位置との相対変化から生ずる復元モーメントにより機体を下向きにさせ、潜る方向に推進方向を容易に変化させることができる。

請求項６記載の発明によれば、スラスタの姿勢変更と機体の重心位置の変動とを簡単な構成で容易に実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る無人潜水機の平面図であり、図２は、同側面図である。なお、本明細書では、説明上、図１の左右方向を前後方向（特に、後述するカバー１４側が前）、上下方向を左右方向、紙面貫通方向を上下方向とする。

無人潜水機１０は、リモート操作等によって水中を移動するものであり、本体部１１，スラスタ１７，１８、機体フレーム１２等により構成された機体１３を備えている。本体部１１は、耐圧容器により主構成され、前後に長く形成されている。本体部１１の先端には、透明又は半透明のカバー１４で覆われた水中カメラ１５が設けられ、その左右両側に水中ランプ１６が設けられている。

スラスタ１７，１８は、推力発生方向が上下方向（機体１３の高さ方向）に設定された垂直スラスタ１７と、前後方向（水平方向；機体１３の長手方向）に設定された水平スラスタ１８とを有し、各スラスタ１７，１８はそれぞれ２基ずつ設けられている。図２において、それぞれの推力の発生方向及び大きさを矢印Ｆ１，Ｆ２で示している。また、各スラスタ１７，１８は、正逆反転駆動が可能となっている。

２基の垂直スラスタ１７は、機体１３の前後略中央で本体部１１の左右各側に配置され、２基の水平スラスタ１８は、機体１３の後部で本体部１１の左右各側に配置されている。垂直スラスタ１７と水平スラスタ１８とは、相互に前後及び上下にずれた配置とされている。

機体フレーム１２は、本体部１１やスラスタ１７，１８の外側を囲むように配置されている。本実施形態の機体フレーム１２は、左右幅に比べて前後長さが大きく、上下高さに比べて左右幅及び前後長さが大きく形成された、略直方体の枠形状を呈しており、具体的には、前後長さが約１００ｃｍ、左右幅が約８０ｃｍ、上下高さが約６０ｃｍとされている。なお、この寸法は、本発明を限定するものではなく、適宜設計変更可能である。

機体１３の重心Ｇと浮心Ｂとは、水平姿勢の状態で、同一垂直線上に配置されるようになっている。したがって、機体１３は、水中において水平姿勢を維持するようにバランスが保たれる。本体部１１には、機体１３の姿勢（角度）を検出する角度センサ２５が設けられている。

垂直スラスタ１７は、左右方向の回動軸心Ｏ回りに回動自在に設けられており、この回動によって推力発生方向Ｆ１を変化させることができるようになっている。

すなわち、図２に示すように、回動軸心Ｏを中心に垂直スラスタ１７を矢印Ｘ１方向に回動させると、その推力発生方向Ｆ１が徐々に水平に近づき、９０°回動したところで水平になり、水平スラスタ１８の推力発生方向Ｆ２と同じになる。

図８は、垂直スラスタ１７の姿勢変更機構２６を例示した側面図である。同図において、垂直スラスタ１７は、左右方向の回動軸１９に支持され、回動軸１９と平行に駆動軸２０が設けられ、回動軸１９と駆動軸２０とが、巻掛ベルト２１によって連動連結されている。駆動軸２０には、従動ギヤ２２が設けられ、従動ギヤ２２には、モータ２３の出力軸に接続されたウォームギヤ２４が噛合されている。

そして、モータ２３を駆動することにより、ウォームギヤ２４、従動ギヤ２２を介して駆動軸２０に動力が伝達され、駆動軸２０から巻掛ベルト２１を介して回動軸１９に動力が伝達され、垂直スラスタ１７が回動するようになっている。図８には、９０°回動した状態の垂直スラスタ１７を２点鎖線で示している。

図２に示すように、垂直スラスタ１７の回動軸心Ｏは、垂直スラスタ１７自身の重心位置ｇから外れた位置、具体的には上側に配置されており、よって、垂直スラスタ１７を回動すると、重心位置ｇが前後に移動し、機体１３の重心Ｇも前後に移動するようになっている。

上記無人潜水機１０では、機体１３を水平姿勢に維持したまま水平方向に前進移動する場合には、左右両方の水平スラスタ１８を同じ推力で駆動する。また、機体１３を水平姿勢に維持したまま下方に潜る場合には、左右両方の垂直スラスタ１７を同じ推力で駆動する。また、機体１３を後進又は上昇する場合には、各スラスタ１７，１８を正逆反転して駆動し、推力発生方向Ｆ１，Ｆ２を逆にする。

機体１３を左右に旋回させる場合は、左右の水平スラスタ１８を互いに異なる推力で駆動し、機体１３をローリングさせる場合は、左右の垂直スラスタ１７を互いに異なる推力で駆動する。以上の動作は、原則として、水平スラスタ１８又は垂直スラスタ１７の一方を駆動して行う。

垂直スラスタ１７の姿勢変更は、例えば、素速く海底へ潜るために、機体１３を斜め下方に向けて推進する場合等に行われる。図３には、垂直スラスタ１７を矢印Ｘ１方向に約４５°回動した状態を示しており、この回動によって、垂直スラスタ１７自身の重心位置ｇは前側に移動する。そして、この重心ｇの移動によって、機体１３の重心位置Ｇも前側に移動するため、浮心Ｂとの相対位置が前後に変化する。すると、浮心Ｂにおける浮力Ｆｂと、重心Ｇにおける重力Ｆｇとによって復元モーメントＭｆ１が発生し、図４に示すように、重心Ｇと浮心Ｂとが同一垂直線上に配置されるまで、機体１３が斜めに傾く。

図５に示すように、更に垂直スラスタ１７を４５°回動させ、その向きを水平スラスタ１８に一致させると、機体１３の重心位置Ｇがさらに前側に移動し、復元モーメントＭｆ２によって、図６に示すように機体１３がさらに斜めに傾く。

そして、この状態で、水平スラスタ１８と垂直スラスタ１７をともに駆動することで、矢印Ｓで示す推進方向に機体１３が移動する。この場合、４基のスラスタ１７，１８を全て駆動するため、水平スラスタ１８を２基だけを駆動する場合に比べて大きな推力を得ることができ、素速く潜ることが可能になる。逆に言えば、全てのスラスタ１７，１８を用いて潜ることができるため、各スラスタ１７，１８として、最大推力の小さな小型のものを用いることができ、潜水機全体の小型化、低廉化等にも寄与するようになっている。

また、垂直スラスタ１７の姿勢変更に伴う機体１３の重心位置Ｇの変動によって、機体１３を傾けているため、機体１３の姿勢変更のために各スラスタ１７，１８の推力を調整したり、複雑な制御を行うことも不要となっている。

図６において、垂直スラスタ１７と水平スラスタ１８とは、機体１３の高さ方向に位置がずれた状態とされているため、垂直スラスタ１７と、水平スラスタ１８の推力を異ならせた場合、例えば、垂直スラスタ１７の推力を大きくした場合には、図７に示すように、機体１３を更に傾けて垂直姿勢にすることも可能となる。この場合、機体１３が真下に向くため、より迅速に潜ることができる。なお、この場合、機体１３には、姿勢を元に戻そうとする復元モーメントＭｆ３が作用する。

図４に示すように、垂直スラスタ１７を、水平スラスタ１８と同じ向きにする途中の段階で、垂直スラスタ１７及び水平スラスタ１８を駆動し、機体１３を移動させることも可能である。

この場合、垂直スラスタ１７の推力Ｆ１と水平スラスタ１８の推力Ｆ２との合力ＦＷにより、機体１３が矢印Ｓ方向に推進されることになるが、水平スラスタ１８の推力発生方向Ｆ２に関してみると、垂直スラスタ１７の推力発生方向Ｆ２が、水平スラスタ１８の推力発生方向Ｆ１の成分を含むことにより、同方向Ｆ１（機体１３の長手方向）に関する推力が増大されるようになっている。

なお、機体１３の傾斜角度は角度センサ２５によって検出されるため、垂直スラスタ１７の回動量を調節することによって、所望の傾斜角度で潜ることが可能となっている。

図９は、図３〜図６の例とは、逆の方向Ｘ２（反時計回り）に垂直スラスタ１７を回動させた例を示している。この場合、機体１３の重心位置Ｇは後側に移り、浮力Ｆｂと重力Ｆｇによる復元モーメントＭｆ４によって、図１０に示すように、機体１３が斜め上方に傾く。そして、垂直スラスタ１７を正逆反転して駆動し、推力発生方向Ｆ１を逆にするとともに、水平スラスタ１８も駆動することによって、矢印Ｓで示す斜め上方に機体１３が推進されるようになっている。

したがって、垂直スラスタ１７の回動方向を時計回りＸ１（図３〜図６）、反時計回りＸ２（図９，図１０）のいずれにするかで、機体１３の姿勢を下向きとするか上向きとするかを選択でき、また、垂直スラスタ１７を、各姿勢に応じて正逆反転して駆動することによって、垂直スラスタ１７と水平スラスタ１８の推力の合力により機体１３を潜る方向又は浮上する方向に推進することができるようになっている。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、例えば、次のように実施してもよい。（１）垂直スラスタ１７の回動軸心Ｏは、垂直スラスタ１７自身の重心位置ｇと側面視で重なるように、配置することができる。この場合、垂直スラスタ１７を姿勢変更しても、機体１３の重心位置Ｇの変動はないため、機体１３を水平姿勢に維持したまま、合計４基のスラスタ１７，１８によって推進することができる。

（２）また、垂直スラスタ１７の回動軸心Ｏは、垂直スラスタ１７を時計回りＸ１に姿勢変更したときに、自身の重心位置ｇが後方へ移動するように、すなわち、機体１３の重心Ｇが後方へ移動するように設定することができる。例えば、図２に示す機体１３において、回動軸心Ｏを重心ｇよりも下側に設定することができる。この場合、垂直スラスタ１７の時計回りＸ１への姿勢変更によって機体１３は斜め上方に傾き、スラスタ１７，１８の駆動によって浮上するようになる。

（３）左右の垂直スラスタ１７は、同時に同じ方向へ回動するようにしてもよいし、個別に同じ方向に、又は異なる方向に回動するようにしてもよい。また、垂直スラスタ１７は、水平スラスタ１８の推力発生方向Ｆ２に完全に一致しなくてもよく、近づく方向へ向けて姿勢変更可能であればよい。

（４）上記実施形態では、垂直スラスタ１７、水平スラスタ１８を２基ずつ備えているが、例えば、垂直スラスタ１７を１基、又は水平スラスタ１８を１基とすることができる。後者の場合、水平スラスタ１基のみでは機体１３の旋回ができないため、当該旋回を可能とするために、垂直スラスタ１７を水平に姿勢変更し且つ２つの垂直スラスタ１７を異なる推力で駆動可能に構成するのが好ましい。また、垂直スラスタ１７及び水平スラスタ１８の双方又はいずれかを３基以上で構成することもできる。

（５）水平スラスタ１８は、当該水平スラスタ１８の推力発生方向Ｆ２を垂直スラスタ１７の推力発生方向Ｆ１に近づける方向へ、姿勢変更可能に構成することができる。この場合、水平スラスタ１８のみを姿勢変更可能に構成してもよいし、垂直スラスタ１７と水平スラスタ１８との両方を姿勢変更可能に構成してもよい。

（６）スラスタは、垂直と水平との組み合わせに限ることはなく、例えば、前後方向の水平スラスタと、左右方向の水平スラスタとの組み合わせにすることができる。また、複数種のスラスタは、姿勢変更する前の状態で、必ずしも互いの推力発生方向の相対角度が９０°の関係になくてもよい。

（７）潜水機は、３種類以上（例えば、垂直、前後水平、左右水平）のスラスタを備えたものであってもよい。

本発明は、水中探索等の分野の無人潜水機に有効に利用することができる。

本発明の実施形態に係る無人潜水機の平面図である。 同側面図である。 垂直スラスタを時計回りに約４５°回動させた状態の側面図である。 同状態でバランスがとれた機体を示す側面図である。 垂直スラスタを更に４５°回動させた状態の側面図である。 同状態でバランスがとれた機体を示す側面図である。 同状態で下向き姿勢にした機体を示す側面図である。 垂直スラスタの姿勢変更機構を例示する側面図である。 垂直スラスタを反時計回りに回動させた状態の側面図である。 同状態でバランスがとれた機体を示す側面図である。

符号の説明

１０ 無人潜水機
１３ 機体
１７ 垂直スラスタ
１８ 水平スラスタ

Claims (6)

1. 推力発生方向が相互に異なる複数種のスラスタを機体に備えている無人潜水機において、
   少なくとも一種のスラスタが、当該一種のスラスタの推力発生方向を他種のスラスタの推力発生方向に近づける方向へ、姿勢変更可能に設けられていることを特徴とする無人潜水機。
2. 前記一種のスラスタの姿勢変更により、機体の重心位置が変動するようになっている、請求項１記載の無人潜水機。
3. 複数種のスラスタが、上下方向に推力を発生する垂直スラスタと、水平方向に推力を発生する水平スラスタと、を含む、請求項１又は２に記載の無人潜水機。
4. 垂直スラスタが姿勢変更可能に設けられ、当該垂直スラスタの姿勢変更により、機体の重心位置が水平方向に変動するようになっている、請求項３記載の無人潜水機。
5. 垂直スラスタが姿勢変更可能に設けられ、当該垂直スラスタの姿勢変更により、機体の重心位置が、水平スラスタによる推進方向の先方側に変動するようになっている、請求項３記載の無人潜水機。
6. 姿勢変更可能なスラスタが、当該スラスタの重心位置から外れた位置を支点として回動自在に設けられ、この回動によって姿勢が変更されるようになっている、請求項２、４又は５に記載の無人潜水機。
   
   

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