JP2019137251A - 移動作業装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目視外や遠隔操作であっても、安全・安定的な自立動態を確保できる無人飛行体を備える移動作業装置を提供する。【解決手段】移動作業装置は、機体と、当該機体に取付けられ、モータにより駆動される複数のプロペラと、を備える無人飛行体と、無人飛行体に搭載され、建造物に対して作業を施す作業装置と、上下方向に伸びて建造物の側面に沿って配置され、無人飛行体の上下方向の移動を案内する案内部材と、機体に設けられ、案内部材と協働して無人飛行体の水平方向の移動を規制する水平移動規制部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、遠隔操縦可能な自立型無人機（以下、「ドローン」）に、ワイヤーロープ等の引張材（ 以下、「ワイヤー」 ）を一体的に連結させることで、建築物や構造物等の壁面に沿って、安全・安定的に移動（例えば垂直方向への上下移動）する仕組みである。

例えば、特許文献１には、建物等の構造物に対して、音響的検査や洗浄等の作業をする作業機器を搭載したドローン飛行体が開示されている。特許文献１のドローン飛行体は、作業機器を保持するロボットアームを備え、ロボットアームの姿勢をセンサーにより検知して、外乱による位置の移動を補正している。

特開2017-193331

一般に、無人飛行体などのドローンは、飛行に際する人為的な操作ミスや、飛行中に受ける想定外の突風、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等の外乱によっての揺れや、ドローンが移動してしまうことなどによるアクシデント、また機械の故障や不具合などによる操縦不能な暴走状態になるという問題がある。また、特許文献１のようにアームの姿勢を制御して外乱の影響を減少させることもできるが、制御が複雑であり、操作も容易ではない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、目視外や遠隔操作であっても、安全
・安定的な自立動態を確保できる無人飛行体を備える移動作業装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決し、目的を達成するために、本発明に係る移動作業装置は、機体と、当該機体に取付けられ、モータにより駆動される複数のプロペラと、を備える無人飛行体と、前記無人飛行体に搭載され、建造物に対して作業を施す作業機器と、上下方向に伸びて前記建造物の側面に沿って配置され、前記無人飛行体の上下方向の移動を案内する案内部材と、前記機体に設けられ、前記案内部材と協働して前記無人飛行体の水平方向の移動を規制する水平移動規制部と、を備える移動作業装置。

前記水平移動規制部は、前記機体を上下方向に貫通する貫通孔であり、前記貫通孔に前記案内部材が挿入されることで、前記貫通孔と前記案内部材とが協働して前記無人飛行体の水平方向の移動を規制してもよい。

前記案内部材の上端に、前記無人飛行体の上方への移動を規制するストッパーが設けられてもよい。

前記案内部材は、断面形状が円形である円筒部材であり、前記機体は、前記円筒部材を半径方向から挟み込む一対の挟持部材を更に備えてもよい。

前記機体には、前記機体の外周部から前記貫通孔に向けて前記案内部材を導入する導入
スリットが形成されてもよい。

本発明に係る移動作業装置は、ドローン本体と単線（あるいは複線）のワイヤーによって構成されており、その動態を管理することで建築物などの壁面に沿って移動（例えば垂直方向への上下移動）する仕組みである。ドローン本体は遠隔操縦可能な自立型無人機を意味し、無人航空機（UAV：Unmanned Aerial Vehicle）や無人車両（UGV：Unmanned Ground Vehicle）などが含まれる。

構造的にはドローン本体に開口穴を設けて、バランシングする上面下面の２ヶ所それぞれに定滑車台を装着設置し、その定滑車にワイヤーをかけることで軸を安定させつつ、チカラの方向を維持しながら、チカラの大きさを変えることなくドローン本体の動態管理ができる仕組みを実現する。また、上面下面の２ヶ所に定滑車台を配することで、定滑車の摩擦を軽減化し、本体が円滑に動態するようにマネジメントする。

ワイヤー自体は対象となる建築物等の壁面などに沿って、基点となる始点Ａ位置と終点Ｂ位置を設定、それぞれ専用器具でつなぎ固定することで安定化させる。なお専用器具は、対象となる構造物の形状や造形に合わせて設置が可能な取り付け具として機能させる。

本発明の移動作業装置を用いれば安全・安定的な自立動態管理が可能となり、人為的な操作ミスや想定外の突風等のアクシデント、また機械的な操縦不能な暴走状態を防止するという利点がある。

本発明の移動作業装置を上部より模式的に示す平面図 移動作業装置上部のスリット型ワイヤー連結アクセスを示す拡大図 本発明の移動作業装置を側面部より模式的に示す断面図 図３の定滑車台および定滑車とワイヤーの詳細構造を模式的に示す部分断面図 移動作業装置／ワイヤー着脱構造 詳細イメージ図（１） 移動作業装置／ワイヤー着脱構造 詳細イメージ図（２） 移動作業装置／ワイヤー着脱構造 詳細イメージ図（３） 移動作業装置／ワイヤー着脱構造 詳細イメージ図（４） 移動作業装置／ワイヤー着脱構造 詳細イメージ図（５） 移動作業装置／ワイヤー着脱構造 詳細イメージ図（６） 図１〜１０以外の、ワイヤーを設置するワイヤー連結構造の模式図例（１） 図１〜１０以外の、ワイヤーを設置するワイヤー連結構造の模式図例（２） 図１〜１０以外の、ワイヤーを設置するワイヤー連結構造の模式図例（３） 図１１〜１３以外で、中央にホールを有しないワイヤー連結構造の模式図例（１） 図１１〜１３以外で、中央にホールを有しないワイヤー連結構造の模式図例（２） 図１１〜１３以外で、中央にホールを有しないワイヤー連結構造の模式図例（３） 移動作業装置参考イラスト１／上面イメージ図 移動作業装置参考イラスト２／底面イメージ図 移動作業装置参考イラスト３／左側面イメージ図 移動作業装置参考イラスト４／正面イメージ図 移動作業装置参考イラスト５／斜視イメージ図 移動作業装置使用例／イメージ図

図１は 本発明移動作業装置を上部より模式的に示す平面図である。俯瞰して見て本発
明に係わる仕組みの実施例を示すものであるが、本発明に係わる主な構成要素以外は簡略化し省略する。

本発明において遠隔操縦可能な自立型無人機「ドローン１(Ａ)」は、主にドローン本体部分３とプロペラ・モーター１１、それらを連結させるためのアーム１３によって構成される。本体部分３にはワイヤー７を設置するためのスリット型ワイヤー連結アクセス（以下、「エントリー９」）を有する。

本体部分３には、ステンレス鋼線材などで成形されたワイヤー７が可動するための開口穴（以下、「ホール５」）を、ドローン本体に附帯構成する。なお基本的な仕組み・構造は同様であったとしても、ドローンの種別や構造、それに応じたワイヤーの本数、径、また材質等によって、同ホールの位置・形状や数などが可変できるようにカスタマイズ調整が可能な構成とする。

本体部分３には、構造物に対して作業を施す作業機器が搭載されている。ここで、建造物とは、建築物、構築物、例えば、橋梁や水門、工場、煙突、鉄塔なども含まれる。作業機器としては、例えば、カメラ、打音検査装置、洗浄具がある。カメラを用いることにより、建造物の外壁の状態を撮影して構造物の表面の経年劣化を確認することができる。また赤外線カメラや打音検査装置を用いることにより、建造物の壁面内の構造の経年劣化を確認することができる。さらに、洗浄具を搭載することにより、人の手が届かない範囲の壁面を洗浄することができる。

ワイヤー７は、ドローンの本体部分３に設置されるホール５を貫通し、例えば構造物の壁面に沿って垂直方向に上下移動を可能にする仕組みを基本としながら、ドローン本体部分３に装着設置した定滑車台（以下、「プロップ１５」）にワイヤー７をカマせることによって、ドローン１(Ａ)の動態をマネジメントする。

ワイヤー７は、上下方向に伸びて作業対象となる構造物の壁面などに沿って、始点Ａ位置と終点Ｂ位置のそれぞれを専用器具で構造物に固定する。 また専用器具についても対
象となる建築物等の形状や造形に合わせて設置が可能な取り付け具として別途に設置して、ドローンとセットで有機的な機能化を図る。

ワイヤー７は、リールに巻回されて保管され、建造物２９の近くまで車両等により運搬されて、リールから引き出される。始点Ａ（突りょう２７）は、引き出されたワイヤー７の上端部であり、終点Ｂ（分銅２８）は、ワイヤー７の下端部である。ワイヤー７の始点Ａは、構造物に固定され、ワイヤー７の終点Ｂは、構造物または車両等に搭載された固定部材に固定される。ワイヤー７の始点Ａと終点Ｂとが固定されることにより、ワイヤー７の姿勢が安定する。ワイヤー７の長さは、固定される構造物の高さと、作業装置の作業範囲に応じて決定される。

ワイヤー７の上端部である始点Ａが構造物に固定されるとともに、始点Ａより上方に無人飛行体が飛行しないように、構造物にストッパーを取り付けてもよい。

本実施の形態では、ワイヤー７を使用したが、ワイヤー７でなくてもよい。例えば、足
場等に使用される鉄パイプまたは塩化ビニールパイプを連結して使用してもよい。

なお図示は省略するが、ドローン１(Ａ)を斜め横に傾け、水平方向（横方向）に姿勢を変えて制御・移動させることも本発明の範囲である。例えば、ドローン本来の特性である『進行する方向のプロペラ回転数を落とすことによって、トルクを進行方向に傾けて、やや前方に傾きながら飛行をする』という特性を活かしながら水平方向への横移動を図る。その場合にはホール５を大きめに設計するなど、前進する際に水平にセットしたワイヤーを横移動し易いように改めて構造設計して、プロペラごとに機体が回転しようとするトルクを相殺しながら揚力を生むという特性を活かせるカタチの構造へと変更する。

ワイヤー７の着脱時においては、ドローン本体部分３に有しているスリット型のエントリー９を活用して、ホール５の開口部にワイヤー７を直接通さなくても、ドローン本体３およびプロップ１５にワイヤー７を連結させることができるように構成する。なおエントリー９については、図示したようなスリット型に限定されず、後述図１１〜１６に示すような、他の着脱可能な仕組みや構造なども含める。

図１においてはドローンの一例として無人航空機（UAV：Unmanned Aerial Vehicle）を想定しており、ドローン本体部分３と一体で機能するプロペラ・モーター１１（６基／ヘキサコプター）により、垂直方向（縦方向）へ上昇・下降の推進力を得る。

なおプロペラ・モーターの数は、図示するような６基に限定されず４基あるいは８基のもの、または図示は省略するが無人車両（UGV：Unmanned Ground Vehicle）等の場合には、プロペラ・モーター等を使用せずに、他の移動可能な推進・制御する仕組みも含めて採用・混合させても良いものとする。

図２は、図１で示したエントリー９部分の拡大図（楕円で囲んだ部分）である。エントリー９のスリット型の形状を屈折させることで、以下（１）〜（３）の利点を得ることが可能となる。
（１）ドローン１(Ａ)の制御ユニット等を、上面のセンター線上に配置することができる（２）上記（１）により、ドローン１(Ａ)自体の安定性を確保できる
（３）スリットの形状を屈折させることで、ワイヤー７の誤脱落がないようにセーブができる

図２で示すように、ワイヤー７着脱の取扱いが容易で、かつ外れにくいようにするために、ドローン本体部分３に附帯するスリット型のエントリー９よりワイヤー７を通して、本体部分３の開口部ホール５に装着設置したプロップ１５にワイヤー７をカマせることを可能にする。なおワイヤー７の着脱構造の詳細については、図５〜１０にて詳細を後述する。

図３は、建築物の壁面等に沿って移動（例えば垂直方向への上下移動）を可能にする仕組みの実施例として、側面部より模式的に示す断面図である。なお横から見たものではあるが、該当する仕組み部分を重点的に示すために、プロペラ・モーター１１やアーム１３等の詳細は省略し簡略化して表示する。

図３で示すとおりドローン本体の全体バランスを維持しつつ、本体部分３にあるプロップ１５をホール５の開口穴に隣接する上面下面の各２ヶ所に装着して設置する。その上で定滑車（以下、「プーリー１７」）を介して、ドローン本体部分３とワイヤー７を連結させることができるように構成する。

図４は、図３を部分的に拡大して、定滑車台プロップ１５および定滑車プーリー１７と
ワイヤー７の詳細構造を模式的に示した部分的な断面図である。なお図３と同様に、該当する仕組み部分を重点的に示すために、プロペラ・モーター１１やアーム１３等の詳細は省略して簡略化表示する。

図４で示すとおり、このように上面下面にワイヤー７を掛けることで軸を安定させつつ、向かいたい方向へのチカラを維持しながら、チカラの大きさを変えることなく、安全性および安定感を確保するというドローン本体の動態管理ができることを特徴とする。

また、ドローン本体の上面下面の２ヶ所にプロップ１５およびプーリー１７を配することによって、滑車に生じる摩擦を軽減化し、本体が円滑に動態するようにマネジメントできるように構成する。

ドローン本体部分３に接合するプロップ１５／１台につき、３個のプーリー１７を組み合わせて、1ユニットとして構成する。同ユニット内においては、それぞれ３個のプーリー１７の間でワイヤー７が絡めるようにすることで、軸を安定させながらチカラの大きさを変えることなく、安全にかつ安定的にチカラの方向をコントロールできるようにして、ドローン本体の動態管理の基盤を構成する。

ワイヤー７を装着しやすいようにするため、プロップ１５では片側一方を固定装着する。もう一方側については、着脱可能な形で自由に開閉ができやすいような滑車台固定部材（以下、「フラップ１９」）を設けることで、取扱いし易い構造とすることをプロップ１５の基本構成とする。

以下図５〜１０においては、ワイヤー７の着脱構造・仕組みについて詳細を図示するものである。

図５は、既にプロップ１５にワイヤー７をカマせた状態のイメージ図である。

図５において、ワイヤー７の誤脱落を防止するために、エントリー９内に手動で施錠・開錠を行える構造金具（図５の丸部分／以下、「ロック・レバー２１」）を設ける構造とする。なお図５が示すのは、ロック・レバー２１を施錠した状態をイメージしたものである。

図６は、ロック・レバー２１を開錠した状態（図６の矢印箇所）を示す図である。エントリー９は、既に開錠された状態で、ホール５と貫通しアクセスしている状態にある。但しワイヤー７においては、プロップ１５およびプーリー１７と、まだ分離していない連結している状態を示している。

図７は、図６の状態より、プロップ１５からフラップ１９を着脱するために、滑車台固定部材専用の取り外し専用捻子（以下、「フラップ捻子２３」）を緩める状態を示した図である。

図８は、図７の状態より、プロップ１５からフラップ１９を分離した状態を示した図である。

図９は、図８の状態を横から見た場合の詳細イメージ図である。なお直接的に本発明には関係がない構成要素であるため説明は省略するが、ドローン１(Ａ)は着地用の脚（以下、「フット２５」）を有する。

図１０は、図７の状態より、ワイヤー７をプロップ１５から外して、エントリー９を通
じてドローン本体部分３から離脱する様子を示す図である。

図１１〜１６は、本発明で採択する図１〜１０で示すドローン１(Ａ)以外の仕組みに関する模式図例である。ワイヤー７と連結するアクセス方法や仕組みはドローン１(Ａ)だけに限定されることはなく、他にドローン本体部分３にスリットが無い構造、また着脱可能な構造なども含めた図１１〜１６で図示するような各模式図例ドローン１(Ｂ)〜(Ｌ)などを、採用・混在しても良いものと規定する。

図１１のドローン１(Ｂ)は、ドローン本体部分３にスリット型エントリー９がない構造の模式例である。この場合ホール５に直接ワイヤー７を通して、定滑車台プロップ１５に連結させる構造となる。シンプルな構造ゆえに直感的に、またワイヤー７の誤着脱の可能性も低い連結モデルとして有効である。

同じく図１１のドローン１(Ｃ)は、ドローン１(Ａ)とほぼ同様の構造だが、エントリー９のアクセス経路が直線的で、ストレートタイプのスリット型エントリーを有する構造である。ドローン１(Ａ)との比較においては、連結が容易となることが期待される。

図１２で示すドローン１(Ｄ)は、ドローン本体部分３に２〜３の複数のホール５やワイヤー７、プロップ１５などを組み入れた仕組みによって構成する構造である。なお図示は省くが、ドローン１(Ｄ)にスリット型エントリー９の構造要素を加え、複数で組み合わせた仕組みでも同様に展開可能とする。２〜３の複数支点を設けることで、あるいは円形の中心点の位置に搭載スペースを設けられることで、安定性の向上化が期待される。

図１３のドローン１(Ｅ)は、ドローン本体部分３が二分割できる構造で、ワイヤー７を両側から挟み込むような形で、定滑車台／プロップ１５に連結させる構造を模式化している。

またドローン１(Ｆ)は、ドローン本体部分３の一部が着脱可能な構造である。ホール５にワイヤー７を通して 定滑車台/プロップ１５に連結した後に、再度装着できるような連結構造を模式化する。

図１４〜１６は、前述した図１１〜１３以外の、ドローン本体部分３に開口穴が無い連結構造の模式図例である。

図１４において、ドローン１(Ｇ)およびドローン１(Ｈ)は本体部分に開口穴を持たない連結構造例として、それぞれ上面・側面を示す模式図例である。この場合ワイヤー７は、ドローン本体部分３の表層や側端に設置された、定滑車台プロップ１５、定滑車プーリー１７、および滑車台固定部材フラップ１９を介して連結化する。

図１５においては、図１４で示したドローン１(Ｇ)およびドローン１(Ｈ)の仕組みを、更に両側端に備えた模式図例である。ドローン１(Ｉ)およびドローン１(J)は、それぞれ
上面・側面からの模式図例を示しており、このように表層や側端経由にて２ヶ所以上複数で連結する構造・仕組みも含むこととする。

図１６は、図１５と比べて更に両側端に機能を集中させた連結構造の模式図例である。各両測端には、それぞれ定滑車台プロップ１５および定滑車プーリー１７とワイヤー７の仕組み・構造を配しており、ドローン１(Ｋ)およびドローン１(Ｌ)で、それぞれ上面・側面からの模式図例を示している。なお該当する仕組み部分を重点的に示すために、プロペラ・モーター１１やアーム１３などの詳細は省略して、簡略化表示する。

遠隔操縦可能なドローンにワイヤーロープ等の引張材を一体的に連結させることで、安全・安定的に建築物等の壁面に沿って垂直方向（あるいは水平方向）に移動することができ、更にドローンにカメラなどを併載することによって、維持・保全・修理等を目的とした人的な目視が困難な高所位置などでの、目視が必要不可欠な診断・検査・調査用途にも対応したデジタルな代替目視としての適用が可能である。

１ 移動作業装置
３ ドローン本体躯体部分
５ ホール（開口穴）
７ ワイヤー（引張材）
９ エントリー（連結アクセス）
１１ プロペラ・モーター
１３ アーム
１５ プロップ（定滑車台）
１７ プーリー（定滑車）
１９ フラップ（滑車台固定部材）
２１ ロック・レバー（施錠・開錠金具）
２３ フラップ捻子（滑車台取り外し専用捻子）
２５ フット（着地用の脚）
２６ ドローン送信機
２７ 始点Ａ（突りょう他）
２８ 終点Ｂ（分銅他）
２９ 建造物（イメージ）

Claims (5)

1. 機体と、当該機体に取付けられ、モータにより駆動される複数のプロペラと、を備える無人飛行体と、
   前記無人飛行体に搭載され、建造物に対して作業を施す作業機器と、
   上下方向に伸びて前記建造物の側面に沿って配置され、前記無人飛行体の上下方向の移動を案内する案内部材と、
   前記機体に設けられ、前記案内部材と協働して前記無人飛行体の水平方向の移動を規制する水平移動規制部と、
   を備える移動作業装置。
2. 前記水平移動規制部は、前記機体を上下方向に貫通する貫通孔であり、
   前記貫通孔に前記案内部材が挿入されることで、前記貫通孔と前記案内部材とが協働して前記無人飛行体の水平方向の移動を規制する、
   請求項１に記載の移動作業装置。
3. 前記案内部材の上端に、前記無人飛行体の上方への移動を規制するストッパーが設けられた、
   請求項１又は２に記載の移動作業装置。
4. 前記案内部材は、断面形状が円形である円筒部材であり、
   前記機体は、前記円筒部材を半径方向から挟み込む一対の挟持部材を更に備えた、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の移動作業装置。
5. 前記機体には、前記機体の外周部から前記貫通孔に向けて前記案内部材を導入する導入スリットが形成された、
   請求項２又は３に記載の移動作業装置。