JP2017193331A - ドローン飛行体 - Google Patents

Abstract

【課題】防振構造を備えたドローン飛行体を提供する。【解決手段】プロペラ１０を備える飛行体本体１１と、カメラ１２または検査機などの作業機器を備えるパラレルリンク機構１３と、外乱が加わる前の作業機器の位置および姿勢に対する外乱による飛行体本体１１の揺れや移動を検出する加速度センサー１４と、を有し、パラレルリンク機構１３は、加速度センサー１４の検出値に基づき、外乱が加わる際の飛行体本体１１の揺れや移動に応じて作業機器を逆位相に動かし、作業機器を外乱が加わる前の位置および姿勢に維持するドローン飛行体１Ａ。【選択図】図１

Description

本発明は、ドローン飛行体に関する。

昨今、老朽化した社会インフラ（インフラストラクチャー）の点検やメンテナンスが急務となってきている。また、スズメバチなどの有害生物の駆除なども問題になっている。近年、マルチコプターやドローンと称される無人小型飛行体が世界的に広がり、これらドローン飛行体は、空中を自在に飛行させることが可能であることから、高架や橋梁、ビルの壁面、トンネルの天井壁面などの高所や危険個所の点検や各種作業などに活用可能性があると注目されている。

特許文献１には、撮像方向を変更するための可動部を有する雲台カメラを、飛行姿勢を制御することが可能なドローン飛行体に搭載することが開示されている。上記雲台カメラとドローン飛行体は、雲台カメラ、ドローン飛行体のそれぞれを制御することで撮影アングルの調整が可能となっている。

特開２０１７−６２５２９号公報

特許文献１に記載の雲台カメラは、パンおよびチルト方向に偏倚制御することが可能であり、ドローン飛行体は速度や姿勢を制御することが可能である。これらの制御は、使用者による制御用端末の操作によって行われる。しかしながら、飛行中の撮影において、突風、気流の乱れ、飛翔浮揚気流の乱れ、あるいは構造物に接近した際の吹き返しなどによってドローン飛行体の位置や姿勢が変化してしまうことがある。このような場合、ドローン飛行体の上下動、滑り移動あるいは回転などに、雲台カメラの姿勢制御やドローン飛行体の制御が追い付かず、所望の撮影アングルが得られないという課題がある。ドローン飛行体が静止安定姿勢を維持しなければできないような精緻な拡大撮影や点検作業などを行うことは困難である。

そこで本発明は、上記課題の少なくとも一つを解決するためになされたものであって、飛行中に受ける突風、気流の乱れ、飛翔浮揚気流の乱れ、あるいは構造物に接近した際の吹き返しなどの外乱によってドローン飛行体が揺れたり、移動したりしても、微細な傷などの拡大撮影や精緻な点検作業などを行うことが可能なドローン飛行体を実現しようとするものである。

［１］本発明のドローン飛行体は、プロペラを備える飛行体本体と、カメラまたは検査機などの作業機器を備えるロボットアームと、外乱が加わる前の前記作業機器の位置および姿勢に対する外乱による前記飛行体本体の移動や揺れを検出するセンサーと、を有し、前記ロボットアームは前記センサーの検出値に基づき、外乱が加わる際の前記飛行体本体の移動や揺れに応じて前記作業機器を逆位相で動かし、前記作業機器を外乱が加わる前の位置および姿勢に維持する、ことを特徴とする。

本発明のドローン飛行体によれば、飛行中に受ける外乱に起因するドローン飛行体の揺れや移動をセンサーで検出し、センサーの検出値に基づきロボットアームを逆位相に動かすことによって、飛行体本体に対してカメラや検査機器などの作業機器を外乱が加わる前の位置および姿勢に維持することが可能となり、被点検対象物の微細な傷などの拡大撮影や他の精緻な点検・検査作業などを可能とするドローン飛行体を実現できる。

［２］本発明のドローン飛行体においては、前記ロボットアームとしてパラレルリンク機構を有することが好ましい。

パラレルリンク機構は、ベース部から最終出力部までが複数のリンクで並列に連結されることから、動きの誤差が各リンクで平均化され作業機器の正確な姿勢制御を行うことができる。また、複数のリンクで支持されることから剛性が高く、重量のあるカメラや検査機などの作業機器を搭載することができる。

［３］本発明のドローン飛行体においては、前記ロボットアームとして多関節ロボットアームを有することが好ましい。

多関節ロボットアームは、作業機器の回転、水平方向および垂直方向への駆動を容易に制御することが可能で、パラレルリンク機構よりも可動範囲が広いため、外乱によって飛行体本体が大きく移動したり、傾いたりする場合においても、カメラや検査機などの作業機器を外乱前の位置や姿勢に維持することができる。

［４］本発明のドローン飛行体においては、前記センサーは、３軸加速度センサーであることが好ましい。

３軸加速度センサー（３次元加速度センサー）は、Ｘ軸、Ｘ軸に直交するＹ軸、並びに、Ｘ軸およびＹ軸に直交するＺ軸の３方向の加速度を検出可能である。この加速度センサー１４によって、平面方向あるいは垂直方向のドローン飛行体（飛行体本体）移動や揺れを検出できる。したがって、外乱によるドローン飛行体のあらゆる方向の移動や揺れを検出することが可能となる。

［５］本発明のドローン飛行体においては、前記カメラは、前記ロボットアームに対して回転自在に取り付けられることが好ましい。

このようにすれば、被撮影対象物に対して、飛行体本体の姿勢ずれがあっても、カメラを被撮影対象物に向けられるので焦点距離のずれを抑制し、さらに最適アングルでの撮影が可能となる。

［６］本発明のドローン飛行体においては、前記多関節ロボットアームは、前記作業機器として吸着部と吸引ファンとを備える真空吸着装置を有することが好ましい。

構造物に吸着する際に、外乱によりドローン飛行体に揺れや移動があってもセンサーの検出値に基づきロボットアームを制御することで、吸着部の位置を静止安定させ、所定位置に吸着させることが可能となる。構造物に真空吸着装置によって吸着させれば、飛行体本体の位置および姿勢を安定静止姿勢で維持することが可能となる。

［７］本発明のドローン飛行体においては、前記ロボットアームは、前記飛行体本体を挟んで上方側または／および下方側に配置されることが好ましい。

このようにすれば、ロボットアームは、飛行体本体の上方側または下方側に撮影対象や検査作業対象がある場合、あるいは、構造物に突出物や段差などによって飛行可能範囲が制限されるような場合において、作業可能範囲を拡げることが可能となる。また、ロボットアームを飛行体本体の上下ともに配置すれば、たとえば、上方側にカメラ、下方側に検査機を配置すれば、カメラで点検場所を観察しながら点検作業を行うことが可能となる。

［８］本発明のドローン飛行体においては、前記ロボットアームは、前記飛行体本体を挟んで上方側および下方側の両方に配置され、一方の前記ロボットアームに前記作業機器を備え、他方の前記ロボットアームに前記真空吸着装置が取り付けられることが好ましい。

このような構成にすることによって、構造物に吸着する際に、飛行体本体が外乱により揺れや移動があってもロボットアームを制御することで、吸着部の位置を安定させて吸着し、吸着静止安定姿勢で作業可能となるので、精密な拡大撮影や精緻な点検・検査作業を実施できる。

本発明の第１の実施の形態の第１実施例に係るドローン飛行体を模式的に示す斜視図である。 図１に示すドローン飛行体が外乱を受け、外乱によって水平方向および垂直方向に移動する際のドローン飛行体を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の第２実施例に係るドローン飛行体の構成を模式的に示す斜視図である。 図３に示すドローン飛行体が外乱を受け、外乱によって水平方向および垂直方向に移動する際のドローン飛行体を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の第１実施例に係るドローン飛行体を示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の第２実施例に係るドローン飛行体を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係るドローン飛行体を模式的に示す斜視図である。 本発明の懸架型ロボットアームを示す図である。 本発明の懸架型ロボットアーム横方向位置補正を示す図である。 本発明の櫓型ロボットアームを示す図である。 本発明の櫓型ロボットアーム横方向位置補正を示す図である。 本発明の多関節ロボットアームを示す図である。 本発明の吸着パッド多関節ロボットアームを示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係るドローン飛行体について、図１〜図１３を参照しながら説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態の第１実施例に係るドローン飛行体１Ａを模式的に示す斜視図である。ドローン飛行体１Ａは、垂直状のプロペラ１０を備える飛行体本体１１と、作業機器の１例としてのカメラ１２が取り付けられたロボットアーム１３と、飛行体本体１１の基部１５に配置されたセンサーとしての加速度センサー１４とを有している。飛行体本体１１は、基部１５から放射状に延在された４本のフレーム１６の先端に配置される４個のプロペラ１０を備える。このような飛行体本体１１は、一般にドローンまたはマルチコプターと呼ばれ、プロペラ１０の数は、図示するような４個に限定されず、１個、３個、５個あるいは６個のものでもよい。また、形状は、垂直に限定されず、斜め上に伸びる形状など他の形状のものを採用したり、混在させてもよい。上記のようにドローン飛行体にロボットアームを装備したものをロボットアームドローンと称する。ロボットアーム１３は、飛行体本体１１の下方側に配置されているので懸架型ロボットアームと呼ぶことがある。

基部１５は、４個のプロペラ１０を連結するとともに、図示は省略するが、プロペラ１０、ロボットアーム１３の駆動制御、カメラ１２による撮影制御を司る制御部と、制御部と操作者との間の情報通信を可能にする通信インターフェースや、エネルギー源としての電池または蓄電池などを搭載している。飛行体本体１１の構成は周知のものであり詳しい説明は省略する。また、作業機器としてはカメラ１２（ビデオカメラを含む）に限らず打音点検装置などの音響的検査機器、スズメバチなどの有害小動物の駆除用薬剤の噴霧器、除去具、あるいは洗浄具などを搭載することが可能である。

図１に示すロボットアーム１３は、パラレルリンク機構（またはパラレルリンクメカニズムという）を例示しているので、以降、ロボットアーム１３をパラレルリンク機構１３と記載する。パラレルリンク機構１３は、基部１５から放射状に延びるシングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃと、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃに連結されるパラレルアーム部１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと、を有し、パラレルアーム部１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃの先端はカメラ１２を取り付ける台部１９に連結されている。シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃは基部１５に自在継手２０などで連結され、パラレルアーム部１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃは台部１９に自在継手２１などで連結される。

図１に示す例では、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃとパラレルアーム部１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃは３対で構成されているが、３対に限らず４対あるいは５対にしてもよい。シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各々の長さ方向の中間には、リニアアクチュエータ２２が配置されている。図示は省略するが、リニアアクチュエータ２２には、応答性や精度が優れたサーボモータおよびボールねじを備えたボールねじ機構が好ましい。リニアアクチュエータ２２は、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各々を独立して伸ばしたり、縮めたりすることが可能となっている。シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの伸縮によって、パラレルアーム部１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃの各々の台部１９に対する角度を変えることが可能で、そのことによって飛行体本体１１に対する水平方向（図示横方向）および垂直方向（図示縦方向）の位置や姿勢を変えることができる。

図１に示すドローン飛行体１Ａは、安定飛行時（たとえば、水平飛行）の姿勢を表しており、飛行体本体１１の中心軸Ｐ１と、カメラ１２（台部１９）の中心軸Ｐ２が一致する場合を表している。すなわち、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各長さが同じになるようにリニアアクチェータ２２を制御したときの姿勢である。この時のカメラ１２の位置を基準位置とする。

ドローン飛行体１Ａは、飛行中に受ける突風、気流の乱れ、飛翔浮揚気流の乱れ、あるいは構造物に接近した際の吹き返しなどの外乱によって、揺れたり、移動したりすることがあり、そのことによって、カメラ１２の視野から撮影すべき対象物が消えてしまったり、所望のアングルから外れてしまったり、焦点距離がずれてしまうことがある。その解決策として、外乱が加えられてもカメラ１２を外乱が加わる前の姿勢や位置に維持することが求められる。そのことについて、図２を参照して説明する。

図２は、図１に示すドローン飛行体１Ａが外乱を受け、外乱によって水平方向および垂直方向に移動する際のドローン飛行体１Ａを模式的に示す斜視図である。図２に示すドローン飛行体１Ａは、安定飛行姿勢（図１参照）から外乱によって図示右方へ移動（横滑り）しながら上昇した際に、その移動を加速度センサー１４で検出し、その検出値に基づきリニアアクチュエータ２２を駆動し、カメラ１２の姿勢および位置を外乱前の基準位置に維持していることを表している。加速度センサー１４は、３軸加速度センサーであって、Ｘ軸、Ｘ軸に直交するＹ軸、並びにＸ軸およびＹ軸に直交するＺ軸の加速度を検出する。加速度センサー１４は、外乱によってドローン飛行体１Ａが受ける加速度を検出する。加速度センサー１４の検出値から、カメラ１２の移動速度、基準位置からの移動量および移動方向を算出して、外乱方向に対して逆位相でカメラ１２の位置および姿勢を基準位置に補正する。位置補正は、リニアアクチュエータ２２を駆動し、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの長さを調整することによって行うことが可能である。このことによって、飛行体本体１１が外乱によって移動してもカメラ１２の位置や姿勢は、外乱を受ける前に対して変わらずに維持できている。補正可能範囲は、パラレルリンク機構１３の可動範囲である。

カメラ１２は、台部１９に回転可能に装着される。図２に示す例においては、カメラ１２は水平方向に任意の角度に回転可能であって、外乱によってドローン飛行体１Ａが回転する際には、カメラ１２を逆方向に回転することで、カメラアングルを一定に維持することが可能となる。カメラ１２と台部１９の間には、不図示のモータ（サーボモータ）または回転アクチュエータが配設される。ドローン飛行体１Ａの回転を検出するには、基部１５に加速度センサー１４に加えて角速度センサー（不図示）を備えるようにすればよい。また、カメラ１２は、パンおよびチルト方向に偏倚可能なジンバルカメラまたは雲台カメラなどとすれば、外乱によってカメラ１２が揺れても鮮明な画像撮影を行うことが可能となる。

図３は、第１の実施の形態の第２実施例に係るドローン飛行体１Ｂを模式的に示す斜視図である。前述した第１実施例のドローン飛行体１Ａが、飛行体本体１１の下方側にパラレルリンク機構１３を配置した懸架型ロボットアームであることに対して、第２実施例のドローン飛行体１Ｂは、飛行体本体１１の上方側にパラレルリンク機構１３を配置する櫓型ロボットアームであることに特徴を有する。よって、第１実施例との相違個所を中心に説明し、第１実施例と同じように説明できる部分には、図１および図２と同じ符号を付している。

ドローン飛行体１Ｂは、飛行体本体１１の基部１５の上方側にロボットアームとしてのパラレルリンク機構１３が配置されている。パラレルリンク機構１３は、パラレルアーム部１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃが台部１９に自在継手２１によって連結され、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃが基部１５に自在継手２０によって連結される。シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ各々の長さ方向の中間にはリニアアクチュエータ２２が配置され、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各々を独立して伸ばしたり、縮めたりすることが可能となっている。図３に示すドローン飛行体１Ｂは、安定飛行時（たとえば、水平飛行）の状態を表しており、飛行体本体１１の中心軸Ｐ１と、カメラ１２（台部１９）の中心軸Ｐ２が一致している。この時のカメラ１２の位置および姿勢を基準位置とし、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃの各長さが同じになるようにリニアアクチェータ２２を制御した位置（姿勢）である。なお、図示は省略するが、台部１９のカメラ搭載側の反対側には、加速度センサー１４が配置されている。

カメラ１２は、基部１９の上面に設けられた略Ｌ字形状のカメラフレーム３０に装着されている。カメラフレーム３０の水平板部３０Ａと基部１９の間には、カメラ１２を水平方向に回転する（回転方向を実線の矢印で表す）アクチュエータ３１が配置され、垂直板部３０Ｂには、カメラ１２を水平板部３０Ａに対して垂直方向に傾ける（回転方向を点線の矢印で表す）アクチュエータ３２が配置される。カメラ１２は、垂直板部３０Ｂに固定され、垂直板部３０Ｂは水平板部３０Ａに対して点線の矢印方向に折り曲げ可能に連結されている。

図４は、図３に示すドローン飛行体１Ｂが外乱を受け、外乱によって水平方向および垂直方向に移動する際のドローン飛行体１Ｂを模式的に示す斜視図である。図４に示すドローン飛行体１Ｂは、安定飛行姿勢（図３参照）から外乱によって図示右方へ移動（横滑り）しながら降下した際に、その移動を加速度センサー１４で検出し、その検出値に基づきリニアアクチュエータ２２を駆動し、カメラ１２の姿勢および位置を外乱が加わる前の基準位置に維持していることを表している。すなわち、カメラ１２の中心軸Ｐ２の位置は、外乱前と変わらない。加速度センサー１４は、外乱によってドローン飛行体１Ｂが受ける加速度を検出する。この検出値から、外乱による移動速度、基準位置からの移動量および移動方向を算出して、飛行体本体１１の移動に対して逆位相でカメラ１２の位置および姿勢を基準位置に補正する。リニアアクチュエータ２２を駆動し、シングルアーム部１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ各々の長さを調整することによって、飛行体本体１１に対する水平方向（図示横方向）および垂直方向（図示縦方向）の位置を変えることができる。したがって、ドローン飛行体１Ｂが外乱によって揺れたり、移動したりしても、カメラ１２の位置や姿勢は外乱を受ける前の基準位置に対して変わらない。

カメラ１２は、アクチュエータ３１によって水平方向に回転可能で、さらにアクチュエータ３２によって仰角が調整可能となっている。外乱によってドローン飛行体１Ｂが移動、回転、または傾く際には、カメラ１２を逆方向に回転させることで、カメラアングルを維持することが可能となる。ドローン飛行体１Ｂの回転を検出するには、基部１５に加速度センサー１４に加えて角速度センサー（不図示）を備えるようにすればよい。また、カメラ１２は、パンおよびチルト方向に偏倚可能なジンバルカメラまたは雲台カメラなどにすれば、撮影中に外乱によってカメラ１２が揺れても鮮明な画像撮影を行うことが可能となる。なお、上記第１実施例および第２実施例では、作業機器としてカメラ１２を搭載する例をあげて説明したが、カメラ１２に替えて打音検査機や他の検査機などの作業機器を搭載することが可能で、外乱による飛行体本体１１の揺れや移動などに対して外乱前の作業位置および作業状態を維持できる。

以上説明した第１の実施の形態のドローン飛行体１Ａ，１Ｂは、プロペラ１０を有する飛行体本体１１と、カメラ１２または検査機などの作業機器を備えるロボットアームであるパラレルリンク機構１３と、外乱が加わる前の作業機器の位置および姿勢に対する外乱による飛行体本体１１の揺れや移動を検出するセンサーである加速度センサー１４と、を有し、パラレルリンク機構１３は加速度センサー１４の検出値に基づき、外乱が加わる際の飛行体本体１１の移動や揺れに応じてカメラ１２を逆位相で動かし、カメラ１２を外乱が加わる前の位置および姿勢に維持する。

このように構成すれば、飛行中に受ける外乱に起因するドローン飛行体１Ａ，１Ｂの揺れや移動を加速度センサー１４で検出し、その検出値に基づき移動速度や、外乱が加わる前の作業機器からの移動量や移動方向を算出し、加速度センサー１４の検出値に基づきパラレルリンク機構１３によって飛行体本体１１に対してカメラ１２を逆位相で動かし、カメラ１２を外乱が加わる前の位置および姿勢に維持することが可能となる。そのことによって、被点検対象物の微細な傷などの拡大撮影が可能なドローン飛行体１Ａ，１Ｂを実現できる。カメラ１２以外の作業機器である打音検査機などにおいても、精緻な点検・検査作業が可能となる。

また、ドローン飛行体１Ａ，１Ｂにおいては、ロボットアームとしてパラレルリンク機構１３を有している。パラレルリンク機構１３は、ベース部（基部１５）から最終出力部（台部１９）までが複数のリンクで並列に連結されることから、動きの誤差が各リンクで平均化され、正確な姿勢制御を行うことが可能となる。また、複数のリンクで支持されることから剛性が高く、重量の大きいカメラ１２や検査機などを搭載することができる。

また、第１の実施の形態の第１実施例および第２実施例のドローン飛行体１Ａ，１Ｂにおいては、センサーとしては３軸加速度センサー１４を有している。３軸加速度センサーは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の３方向の加速度を検出する。この加速度センサー１４によって、平面方向あるいは垂直方向のドローン飛行体１Ａ，１Ｂ（飛行体本体）の移動や揺れを検出できる。したがって、外乱によるドローン飛行体あらゆる方向の移動や揺れを検出することが可能となる。

また、ドローン飛行体１Ａ，１Ｂにおいては、カメラ１２（または検査機器）は、ロボットアームであるパラレルリンク機構１３に対して回転自在に取り付けられている。このような構成にすれば、被撮影対象物または被点検対象物に対して、カメラ１２においては、焦点距離のずれを抑制し、かつ、最適アングルで撮影可能に、検査機（不図示）においては、点検の最適な所定場所に向かうように位置および姿勢を維持することが可能となる。

以上説明した第１の実施の形態においては、飛行体本体１１の上方側または下方側にカメラ１２を備えるパラレルリンク機構１３を配置しているが、飛行体本体１１の上方および下方の両方にパラレルリンク機構１３を配置し、両方にカメラ１２を配置してもよい。２台のカメラ１２で２方向から撮影すれば、被撮像物を立体的に観察可能となる。また、一方のパラレルリンク機構１３にカメラ１２を備え、他方のパラレルリンク機構１３に他の作業機器を備えるようにしてもよい。このようにすれば、作業個所をカメラ１２で観察（撮影）しながら作業を適切に行うことが可能となる。

［第２の実施の形態］
続いて、第２の実施の形態に係るドローン飛行体１Ｃ、１Ｄについて図５、図６を参照して説明する。第１の実施の形態のドローン飛行体１Ａ，１Ｂがロボットアームとしてパラレルリンク機構１３を備えていることに対して、第２の実施の形態のドローン飛行体１Ｃ，１Ｄは、ロボットアームとして多関節ロボットアーム４０を有することに特徴を有する。そこで、第１の実施の形態との相違個所を中心に説明する。

図５は、第２の実施の形態の第１実施例に係るドローン飛行体１Ｃを示す斜視図である。図５に示すように、ドローン飛行体１Ｃは、飛行体本体１１と、飛行体本体１１の中央部上方に配置される多関節ロボットアーム４０と、作業機器の１例であるカメラ１２と、加速度センサー１４とを有している。飛行体本体１１、カメラ１２および加速度センサー１４は、第１の実施の形態と同じ構成のものを使用することが可能なので詳しい説明は省略する。多関節ロボットアーム４０は、２本のアーム部４１，４２と、アーム部４１と飛行体本体１１の基部１５とを連結する第１関節４３と、第２関節４４と、アーム部４１とアーム部４２とを連結する第３関節４５と、第２アーム部４２とカメラ１２を連結する第４関節４６とを有している。

各関節の各々は、角度センサーとサーボモータまたは角度調整アクチュエータを有している（共に図示は省略）。第１関節４３は多関節ロボットアーム４０の全体を水平方向に回転し、第２関節４４は、飛行体本体１１の水平面に対してアーム部４１を屈曲し、第３関節４５はアーム部４１に対してアーム部４２を屈曲し、第４関節４６はアーム部４２に対してカメラ１２を上下方向に屈曲させる機能を備えている。カメラ１２は、さらに第４関節４６に対して軸の周方向に回転可能な第５関節４７で連結されている。図５には、各関節の回転作用および屈曲作用を実線の矢印で表している。基部１５の下方には加速度センサー１４が配置される。加速度センサー１４は、第１関節４３の回転軸Ｐ１の延長線上に配置される。カメラ１２は、多関節ロボットアーム４０によって、飛行体本体１１に対して水平方向に自在に回転することや上下方向に自在に移動することが可能になっている。なお、図示は省略するが、第４関節４６と第５関節４７の間に、カメラ１２を水平方向に回転する第６関節を設け、６軸多関節ロボットアームとしてもよい。

図５に示すドローン飛行体１Ｃは、水平安定飛行姿勢を表し、この時のカメラ１２の飛行体本体１１に対する位置および姿勢（カメラ１２が向く方向）を基準位置とする。安定飛行姿勢から外乱によって、ドローン飛行体１１が移動（横滑り）する際に、その移動を加速度センサー１４で検出し、その検出値に基づき第１関節４３〜第５関節４７を制御して、カメラ１２の姿勢および位置を外乱が加えられる前の基準位置および姿勢を維持することが可能となっている。加速度センサー１４は、外乱によってドローン飛行体１Ｃ（飛行体本体１１）が受ける加速度と方向を検出する。加速度と方向の検出値から、カメラ１２の移動速度、基準位置からの移動量および移動方向を算出して、この値に基づきカメラ１２を外乱方向に対して逆位相で動かし、カメラ１２の位置および姿勢を基準位置に補正する。すなわち、第１関節４３〜第５関節４７を駆動制御することによって、ドローン飛行体１Ｃが外乱によって移動されてもカメラ１２の位置や姿勢は、外乱を受ける前に対して変わらず、焦点距離のずれが抑制され、さらに所定の最適アングルで撮影が可能となる。

なお、図５に示す例は、多関節ロボットアーム４０に作業機器としてカメラ１２を備える例を示しているが、ハンマーとマイクとを備える打音点検装置などの検査機器を搭載することが可能である。また、カメラ１２を備える多関節ロボットアーム４０を飛行体本体の下方側に配置することが可能である。

以上説明した第２の実施の形態の第１実施例に係るドローン飛行体１Ｃは、ロボットアームとして多関節ロボットアーム４０を有している。多関節ロボットアーム４０は、回転、水平方向および垂直方向への駆動および制御を容易に行うことが可能で、前述したパラレルリンク機構１３よりも可動範囲が広いため、外乱によってドローン飛行体１Ｃが大きく移動したり、傾いたりする場合においても、カメラ１２や検査機などの作業機器を外乱前の位置や姿勢を維持することが可能となる。

カメラ１２は、多関節ロボットアーム４０に対して回転自在に取り付けられる。このような構成にすれば、被撮影対象物に対して、焦点距離のずれを抑制でき、かつ、所定の最適アングルで撮影可能となる。

次に、第２の実施の形態の第２実施例に係るドローン飛行体１Ｄについて図６を参照して説明する。前述した第１実施例（図５参照）が作業機器としてカメラ１２を備えていることに対して、第２実施例に係るドローン飛行体１Ｄは、多関節ロボットアーム４０の先端に真空吸着装置５０を備えていることを特徴としている。よって、相違個所を中心に、第１実施例に対して共通部分には図５と同じ符号を付して説明する。

図６は、第２の実施の形態の第２実施例に係るドローン飛行体１Ｄを示す斜視図である。図６に示すように、ドローン飛行体１Ｄは、飛行体本体１１と、飛行体本体１１の中央部上方に配置される多関節ロボットアーム４０と、作業機器の１例である真空吸着装置５０と、加速度センサー１４とを備えている。飛行体本体１１および多関節ロボットアーム４０の構成は、前述した第１実施例（図５参照）と同じ構成なので詳しい説明を省略する。第４関節４６には、真空吸着装置５０が取り付けられている。真空吸着装置５０は、構造物に吸着する吸着部である吸着パッド５１と、吸着パッド５１に気密に接続される吸引筒部５２と、吸引筒部５２内に配置される吸引ファン（不図示）とを有している。吸引筒部５２の第４関節４６側の尾部には、排気口５３が設けられている。吸着パッド５１の底部には吸引孔５４が設けられ、吸引孔５４は排気口５３に連通し、吸引孔５４と排気口５３の間に吸引ファンが配置される。

図６に示すドローン飛行体１Ｄは、安定飛行姿勢を表し、この時の真空吸着装置５０の飛行体本体１１に対する位置および姿勢（真空吸着装置５０が被吸対象に向く方向）を基準位置とする。安定飛行姿勢から外乱によって、ドローン飛行体１Ｄが移動（横滑り）する際に、その移動を加速度センサー１４で検出し、その検出値に基づき第１関節４３〜第４関節４６を制御すれば、真空吸着装置５０の姿勢および位置を外乱が加えられる前の位置および姿勢が維持することができる。すなわち、加速度センサーの検出値から、真空吸着装置５０の移動速度、基準位置からの移動量および移動方向を算出して、この値に基づき外乱方向に対して逆位相で真空吸着装置５０を動かし、真空吸着装置５０の位置および姿勢を外乱前に補正する。

ドローン飛行体１Ｄが外乱によって移動したり姿勢が変化したりしても真空吸着装置５０の位置や姿勢は、外乱を受ける前に対して変わらずに被吸着対象である構造物に近接させて、吸引ファンを駆動すれば吸着パッド５１が構造物に吸着する。吸着が確認できたところで、多関節ロボットアーム４０の駆動を停止すれば、ドローン飛行体１Ｄの位置および姿勢を静止固定できる。また、吸着状態を保持すれば、プロペラ１２を停止しても静止姿勢を保持できる。

なお、図６においては、吸着部として真空吸着装置５０を備えているが、被吸着構造物が平滑面であれば、吸着部を柔軟性を有する吸着パッド５１のみで構成するようにしてもよい。また、真空吸着装置５０を備える多関節ロボットアーム４０を飛行体本体１１の下方側に配置することが可能である。

以上説明した第２の実施の形態の第２実施例によれば、多関節ロボットアーム４０は、作業機器として、吸着部である吸着パッド５１と、吸引ファンとを備える真空吸着装置５０を有している。構造物に吸着する際に、ドローン飛行体１Ｄが外乱により揺れや移動があっても加速度センサー１４の検出値に基づき多関節ロボットアーム４０を制御することで、構造物の所定位置に吸着させ、ドローン飛行体１Ｄ静止安定させることが可能となる。このように、構造物にドローン飛行体１Ｄを吸着させて姿勢を安定静止させれば、精密な撮影および打音検査などの点検を適切に行うことが可能となる。このことについて、図７を参照して説明する。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、飛行体本体１１を挟んで上方側および下方側の両方にロボットアームを備えることを特徴とする。ロボットアームとしては、パラレルリンク機構１３（図１〜図４参照）または多関節ロボットアーム４０（図５、図６参照）を備えることが可能である。図７にその１例を例示して説明する。

図７は、第３の実施の形態に係るドローン飛行体１Ｅを模式的に示す斜視図である。図７に示すように、ドローン飛行体１Ｅは、飛行体本体１１の上方側に配置され、真空吸着装置５０を備える多関節ロボットアーム４０と、飛行体本体１１の下方側に配置され、カメラ１２を備えるパラレルリンク機構１３を有している。飛行体本体１１は、前述した第１、第２の実施の形態に記載（図１〜図６参照）と同じ構成のもの、真空吸着装置５０および多関節ロボットアーム４０は図６に記載と同じ構成のもの、パラレルリンク機構１３は図１、図２に記載と同じ構成のものを備えている。なお、図７に記載の符号は、図１および図６と同じ符号を付している。

図７は、ドローン飛行体１Ｅが安定飛行姿勢のときを表し、この時の真空吸着装置５０およびカメラ１２の飛行体本体１１に対する位置および姿勢（真空吸着装置５およびカメラ１２が向く方向）をそれぞれの基準位置とする。安定飛行姿勢から外乱によって移動（横滑り）する際に、その移動を加速度センサー１４で検出し、その検出値に基づき多関節ロボットアーム４０を加速度が加わる方向に対して逆位相に動かせば、真空吸着装置５０の姿勢および位置を外乱が加えられる前の基準位置に維持することができる。したがって、被吸着対象である構造物に真空吸着装置５０を近接させて、吸引ファンを駆動すれば吸着パッド５１が構造物の所定位置に吸着させることができる。

カメラ１２は、パラレルリンク機構１３に装着されている。前述したように、外乱によってドローン飛行体１Ｅが受ける加速度と方向を加速度センサー１４で検出し、その検出値に基づきパラレルリンク機構１３を外乱方向に対して逆位相で制御すれば、カメラ１２の位置および姿勢を外乱前の基準位置に維持することができる。このことによって、カメラ１２の位置や姿勢は、外乱を受ける前に対して変わらずに、所定のカメラアングルで撮影することが可能となる。なお、作業機器としてカメラ１２に替えて打音検査機などの検査機を備えることが可能である。

真空吸着装置５０によって構造物に吸着し、ドローン飛行体１Ｅを安定静止したうえで固定すれば、被点検構造物の微細な傷などの拡大撮影や打音点検などの精緻な点検作業などを行うことが可能となる。

第３の実施の形態（図７参照）においては、飛行体本体１１の上方に真空吸着装置５０を備える多関節ロボットアーム４０を配置し、下方にカメラ１２を備えるパラレルリンク機構１３を配置しているが、飛行体本体１１の上方にカメラ１２を備えるパラレルリンク機構１３を配置し、下方に真空吸着装置５０を備える多関節ロボットアーム４０を配置してもよい。また、飛行体本体１１の上方および下方側の両方に多関節ロボットアーム４０を配置し、どちらか一方が真空吸着装置５０を備え、他方がカメラ１２を備えるように構成してもよい。なお、作業機器としてはカメラ１２に限らず打音点検装置などの音響的検査機器、スズメバチなどの有害小動物の駆除用薬剤の噴霧器、除去具や洗浄具あるいはメンテナンス用具などを搭載することが可能である。

図８は、懸架型ロボットアームを示す図、図９は、懸架型ロボットアーム横方向位置補正を示す図、図１０は、櫓型ロボットアームを示す図、図１１は、櫓型ロボットアーム横方向位置補正を示す図、図１２は、多関節ロボットアームを示す図、図１３は、吸着パッド多関節ロボットアームを示す図である。この図８〜図１３までの各実施の形態に係るドローン飛行体（ロボットアームドローン）は、トンネル天井、橋梁の裏面など高所の撮影目視検査、高所に営巣する害虫駆除などに関するものである。

老朽化する社会インフラの点検が急務となっている。また、スズメバチに代表される有害生物の駆除も、必要とされている。無人のドローン飛行体は高所、危険個所点検に適していると注目されているが、より詳細な点検、作業をするために飛行体の揺れを軽減することが求められている。

ドローン飛行体が接近する際に自然風が対象構造物にあたって発生する乱流、また、ドローン自身の発生する飛翔浮揚気流が構造物に当たって生ずる吹き返しなどの流れの外乱が、接近時にカメラ、計測器の安定支持を困難にしている。

従来ドローン搭載のカメラ、計測器はジンバルステージで保持し、飛行体の姿勢によらず上下左右の観察、計測ができるようにしているが、飛行体の上下搖動、滑り移動は、補正できない。より高い静止安定性を得るために、大型のドローンは有効だが、移動空路幅が大きくなり障害物回避が悪くなり、利用できる環境が限られる。

以下の図８〜図１３に示す実施の形態では、加速度センサーとロボットアームをドローン飛行体に搭載し、これにカメラ、計測器を取付け、静止飛行時の風などによる揺れ、ブレをロボットアームでダイナミックに補正する。このロボットアームを搭載することにより、ロボットアームの可動空間の範囲内の飛行体の揺れ、滑り、上昇、降下をアームの自律的な動きで補正し、観察カメラ、計測器の安定静止が実現できる。また、比較的に小型のドローンでも従来より、観察、計測機器には高い静止安定性が得られる。

従来ドローンカメラには飛行方向、気体のバンク角度とは独立しに撮影方向を設定できるよう、直行する２軸回転ステージで構成するジンバルステージが用いられている。この機構はパンニング（カメラを左右に動かして撮る技法）にも利用されるために低速であるが、これを高速にして、手振れ補正のように角度姿勢変化を相殺する方法もとれる。しかし、乱流による不安定は角度だけでなく、突き上げ、落下、横滑りなど位置変化を伴う。被写体までの距離が遠く、撮影角度補正だけで、これらの空間移動を無視できる場合はこれで足りるが、被写体にある微細な傷を観察する望遠などの拡大映像を撮るには空間補正が必須となる。

ドローンに取付けたロボットアームに従来のカメラ保持構造を懸架して、機体の上下動、左右動、回転を３次元加速度センサーで検知し、アームをダイナミックに制御して、カメラ保持部の動きを止める。

図８、図９は、本発明の実施例であって、１０１〜１０７は図１０、図１１も同様。図８は先端にカメラ台とカメラを取り付けた懸架型のロボットアームの実施例を示す。このロボットアームはパラレルリンク方式で、軽量かつ高速の位置補正が可能。

図９はドローンの横滑りに対してアームを水平方向に動かし、位置の補正を行う。本発明は、ドローンにロボットアームを取り付けた際の機能に主眼があるので、ドローンの説明は省略し、また、相対的な大きさも実際より小さく描いてある。パラレルリンクも説明を省略する。

図１０、図１１は櫓型ロボットアームを装着した本発明の実施例を示す。パラレルリンクアーム１０４を機体上面に装備し、主に観察対象がドローンの上方にある場合に使用する。

図１２は多関節ロボットアームを装備した本発明の実施例を示し、多関節ロボットアーム１０８の先端にジンバル１０６を取り付けてある。

図６は吸着器を装着した本発明の実施例で、ロボットアーム先端に吸着パッド１０９を装着している。

アーム先端の空間静止が可能となるので、電動ドローンの電池交換、エンジンドローンでは空中燃料補給が可能となる。

ロボットアームを多層にすることで、道路照明灯のメンテ、高圧線絶縁碍子など空中マニュピレータとしての用途が開ける。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…ドローン飛行体、１０、１０１…プロペラ、１１…飛行体本体、１２，１０５…カメラ（作業機器）、１３…パラレルリンク機構、１４，１０７…加速度センサー（センサー）、４０…多関節ロボットアーム（ロボットアーム）、５０…真空吸着装置、１０２…モーター、１０３…フレーム、１０４…パラエルリンクアーム、１０６…ジンバル、１０８…ロボットアーム、１０９…吸着パッド

Claims (8)

1. プロペラを備える飛行体本体と、
   カメラまたは検査機などの作業機器を備えるロボットアームと、
   外乱が加わる前の前記作業機器の位置および姿勢に対する外乱による前記飛行体本体の移動や揺れを検出するセンサーと、
   を有し、
   前記ロボットアームは前記センサーの検出値に基づき、外乱が加わる際の前記飛行体本体移動や揺れに応じて前記作業機器を逆位相で動かし、前記作業機器を外乱が加わる前の位置および姿勢に維持する、
   ことを特徴とするドローン飛行体。
2. 請求項１に記載のドローン飛行体において、
   前記ロボットアームとしてパラレルリンク機構を有する、
   ことを特徴とするドローン飛行体。
3. 請求項１に記載のドローン飛行体において、
   前記ロボットアームとして多関節ロボットアームを有する、
   ことを特徴とするドローン飛行体。
4. 請求項１に記載のドローン飛行体において、
   前記センサーは、３軸加速度センサーである、
   ことを特徴とするドローン飛行体。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のドローン飛行体において、
   前記カメラは、前記ロボットアームに対して回転自在に取り付けられる、
   ことを特徴とするドローン飛行体。
6. 請求項１または請求項３に記載のドローン飛行体において、
   前記多関節ロボットアームは、前記作業機器として、吸着部と吸引ファンとを備える真空吸着装置を有する、
   ことを特徴とするドローン飛行体。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のドローン飛行体において、
   前記ロボットアームは、前記飛行体本体を挟んで上方側または／および下方側に配置される、
   ことを特徴とするドローン飛行体。
8. 請求項１に記載のドローン飛行体において、
   前記ロボットアームは、前記飛行体本体を挟んで上方側および下方側の両方に配置され、
   一方の前記ロボットアームの先端に前記作業機器を備え、他方の前記ロボットアームの先端に前記真空吸着装置が取り付けられる、
   ことを特徴とするドローン飛行体。