JP2019166965A - 物体を高所に搬送するシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ドローンの飛行時間に制約を生じさせずに、物体を高所に搬送可能なシステムを提供する。【解決手段】システムは、物体１１に連結されるトップドローン１と、トップドローン１に連結される有線ケーブル４と、トップドローン１を飛行させる電力または燃料を、有線ケーブル４を介して供給する動力供給装置３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、物体を高所に搬送するシステムに関し、特に、ドローンに連結された物体を高所に搬送するシステムに関する。

近年、高層ビルなどの高層建築物の数が増加している。このような高層建築物を建設する際には、クレーンを用いて、建築資材などの物体を所望のフロアまで搬送している。クレーンは、一般に、長大なブームを有するため、大きな設置面積を必要とする。さらに、クレーンは、強風がふいたときに転倒するおそれがあるため、転倒防止機構（例えば、アウトリガー）を有している。そのため、クレーンの設置面積は、転倒防止機構の大きさに応じてさらに大きくなってしまう。また、クレーンの使用により建築コストが上昇する。

さらに、高層建築物は、一般に、地上に配置されたクレーンのブームが届かない高層フロアを有する。したがって、高層建築物を建設する場合は、現在建築作業を行っているフロア上にクレーンを設け、該クレーンで地上から物体を引き上げている。このような建築物上に設置されるクレーンは、建築物の工事の進捗に応じて、ジャッキ装置によって上層フロアに持ち上げられる。高層建築物を建築する際に、クレーンを持ち上げるためのジャッキ装置を利用する場合は、建築コストがさらに上昇する。

ここで、空中または水中あるいはその両方の領域を移動する無人移動体として定義されるドローンは、撮影もしくは監視、点検もしくは検査、計測などの様々な分野で広く用いられている。ドローンは、あらかじめ設定された目的によって自律的に運動するか、無線（電波、可視光、あらゆる波長帯のレーザー光、音波、超音波のいずれか、あるいはこれらの複合）を用いて人間である操縦者によって操縦されるか、無線を通じた外部の制御装置（コンピュータを含む）によって制御される。

そこで、高層フロアなどの高所に物体を搬送するために、該物体に連結されたドローンを利用することが望まれている。無人移動体であるドローンによって、物体を、高層フロアなどの高所に搬送できれば、クレーンの設置場所を確保する必要がなくなり、安価に高層建築物を建築することができる。

さらに、比較的大きな家具（例えば、ソファ、箪笥、テーブルなど）をドローンに連結し、該ドローンに連結された家具を高層フロアまで搬送することも望まれている。ドローンを利用して、比較的大きな家具を高層フロアまで搬送できれば、大型の物体搬送用の専用エレベータを高層建築物に敷設する必要がなくなる。あるいは、コンテナなどの積荷を地上から貨物船などの大型船に搬送するために、ドローンを利用することも望まれている。

米国特許第９，３８７，９２８号公報 特開２０１２−５１５４５号公報

しかしながら、ドローンは、通常、電源（電池、蓄電池、コンデンサー、燃料電池等のあらゆる種類の電源）を搭載しており、該電源から供給される電力によって飛行する。ドローンに搭載可能な電源の容量には限界があるため、ドローンの飛行時間には必然的に制約がある。例えば、建築資材などの物体を搬送するたびに、ドローンの電源を交換するか、または充電する必要がある。そのため、従来のドローンでは、物体の搬送作業を効率的に行うことができない。

ドローンの飛行時間を長くするために、ドローンに比較的大容量の電源を搭載させる場合は、電源の重量の増加量に応じて、ドローンが搬送可能な物体の重量が減少してしまう。この場合も、物体の搬送作業を効率的に行うことができない。

そこで、本発明は、ドローンの飛行時間に制約を生じさせずに、物体を高所に搬送可能なシステムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、物体を高所に搬送するシステムであって、前記物体に連結されるトップドローンと、前記トップドローンに連結される有線ケーブルと、前記トップドローンを飛行させる電力または燃料を、前記有線ケーブルを介して供給する動力供給装置と、を備えることを特徴とするシステムである。

本発明の好ましい態様は、前記動力供給装置は、前記トップドローンに電力を供給する電源を含み、前記トップドローンは、前記電力により回転する回転翼またはロータを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記動力供給装置は、前記トップドローンに燃料を供給するポンプ装置を含み、前記トップドローンは、前記燃料を燃焼させることにより回転翼またはロータを回転させる内燃機関を有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、少なくとも１つの中継ドローンと、前記中継ドローンに連結される中継ケーブルと、をさらに備え、前記トップドローンと前記中継ドローンは、前記有線ケーブルおよび前記中継ケーブルによって直列に連結されており、前記トップドローンおよび前記中継ドローンを飛行させる電力または燃料は、前記有線ケーブルおよび前記中継ケーブルを介して前記動力供給装置から供給されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記トップドローンには、太陽電池パネルと、前記物体を昇降させる昇降装置が配置されており、前記太陽電池パネルは、前記昇降装置を駆動するための電力の少なくとも一部を該昇降装置に供給することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記トップドローンの飛行距離に応じて、前記有線ケーブルを繰り出すドラム機構をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、物体に連結されるトップドローンには、有線ケーブルを介して動力供給装置から常に電力または燃料が供給されるので、トップドローンには、飛行時間に対する制約がない。したがって、物体を所望のタイミングで、所望の高所に搬送することができる。その結果、物体の搬送作業を効率良く行うことができる。

図１は、一実施形態に係るシステムを示す模式図である。 図２は、図１に示されるドラム機構を示す模式図である。 図３は、トップドローンの変形例を示す模式図である。 図４は、別の実施形態に係るシステムを示す模式図である。 図５は、図４に示すトップドローンおよび複数の中継ドローンがジグザグ状に配列された様子を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１乃至図５において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、一実施形態に係るシステムを示す模式図である。図１に示されるシステム１００は、任意の物体１１を所望のタイミングで所望の高所に搬送するために用いられる。物体１１の例としては、建築物（特に、高層ビルなどの高層建築物）の建設に用いられる鉄骨、壁材、タイルなどの建築資材、および溶接機、電動カッタなどの工具が挙げられる。さらに、物体１１は、ソファ、箪笥、テーブルなどの家具であってもよいし、大型船に積載されるコンテナなどの積荷であってもよい。

図１に示されるように、システム１００は、物体１１に連結されるトップドローン１と、トップドローン１に連結される有線ケーブル４と、トップドローン１を飛行させる電力を、有線ケーブル４を介してトップドローン１に供給する動力供給装置３と、を含んでいる。本実施形態では、有線ケーブル４の一端がトップドローン１に連結され、有線ケーブル４の他端が動力供給装置３に連結される。

トップドローン１は、回転翼１Ｒを有しており、回転翼１Ｒは、トップドローン１を飛行させる推力を発生する推力発生機構として機能する。動力供給装置３は、電源１２を含んでおり、電源１２から有線ケーブル４を介してトップドローン１の回転翼１Ｒを回転させるための電力をトップドローン１に供給するように構成されている。トップドローン１の回転翼１Ｒは、動力供給装置３から有線ケーブル４を介して供給された電力によって回転し、これにより、物体１１に連結されたトップドローン１が飛行する。

動力供給装置３の電源１２の種類は任意であり、例えば、電池、蓄電池、コンデンサー、燃料電池等のあらゆる種類の電源を動力供給装置３に搭載することができる。図示した例では、動力供給装置３は、自動車２に搭載されている。一実施形態では、商用電源（図示せず）を動力供給装置３に接続してもよい。この場合、商用電源から供給される電力が、動力供給装置３および有線ケーブル４を介してトップドローン１に供給される。あるいは、発電機（図示せず）を設置して、該発電機から電力を動力供給装置３に供給してもよい。

図１に示されるトップドローン１は、物体１１を昇降させる昇降装置２０を有しており、物体１１は、昇降装置２０を介してトップドローン１に連結される。本実施形態では、昇降装置２０は、物体１１を吊り下げるための吊り具（例えば、ワイヤ）２１と、ワイヤ２１を上下動させるホイスト２２とからなるホイスト式クレーンである。

一実施形態では、物体１１を吊り下げる吊り具２１は、トップドローン１に直接連結されてもよい。この場合、物体１１は、吊り具２１のみを介してトップドローン１に連結される。トップドローン１を飛行させると、回転翼１Ｒから比較的強い下向きの風が発生する。そのため、物体１１を吊り具２１のみを介してトップドローン１に連結する場合、吊り具２１の長さを十分長くするのが好ましい。

さらに、システム１００は、トップドローン１の動作および動力供給装置３の動作を制御する制御装置８を備えている。図１に示されるように、トップドローン１が昇降装置２０を有する場合は、制御装置８は、昇降装置２０の動作も制御する。制御装置８は、人間である操縦者によって操作される操縦器であってもよいし、トップドローン１の動作を制御するためのプログラムを格納するコンピュータであってもよい。本実施形態では、トップドローン１は、制御装置８から発信される制御信号に基づいて無線で動作する。一実施形態では、制御装置８は、有線ケーブル４を介して制御信号をトップドローン１に送信してもよい。

図示はしないが、トップドローン１は、回転翼１Ｒの代わりに、電力によって回転するロータを有していてもよい。この場合、ロータがトップドローン１を飛行させる推力を発生する推力発生機構として機能する。ロータを回転させる電力は、動力供給装置３から有線ケーブル４を介してトップドローン１に供給される。

図１に示されるように、システム１００は、トップドローン１の飛行距離に応じて、有線ケーブル４を繰り出すまたは巻き取るドラム機構５０を備えていてもよい。図２は、図１に示されるドラム機構５０の模式図である。図２に示されるように、ドラム機構５０は、有線ケーブル４が巻き付けられたドラム５１と、該ドラム５１に連結され、正逆方向に回転可能な電動機５３とを備えている。

電動機５３は、制御装置８に接続されており、電動機５３の動作は、制御装置８によって制御される。トップドローン１は、該トップドローン１の位置を検出可能なセンサ５８（例えば、ＧＰＳ、ジャイロセンサ、またはこれらの組み合わせ）を有している。センサ５８の出力信号は、制御装置８に無線で送信され、制御装置８は、センサ５８の出力信号に基づいて、トップドローン１の飛行距離を決定する。さらに、制御装置８は、トップドローン１の飛行距離に応じて電動機５３を正方向に回転させ、ドラム５１に巻き付けられた有線ケーブル４を繰り出すように構成されている。

図１に示されるように、動力供給装置３は、予備電源１２’を有していてもよい。予備電源１２’は、電源１２に故障が発生したときのバックアップ電源として機能する。電源１２に故障が発生すると、制御装置８は、トップドローン１への給電を電源１２から予備電源１２’に切り替える。予備電源１２’によって、トップドローン１の墜落を防止することができる。

さらに、図１に示されるように、トップドローン１は、太陽電池パネル１８を備えていてもよい。太陽電池パネル１８で発生した電力を、昇降装置２０を動作させる動力として使用することができる。図示した例では、太陽電池パネル１８で発生した電力は、ホイスト２２を動作させるために使用される。このように、トップドローン１に太陽電池パネル１８を配置することにより、トップドローン１に搭載された昇降装置２０に必要な電力の全部または一部を、太陽電池パネル１８で発生した電力でまかなうことができる。

本実施形態によれば、トップドローン１には、動力供給装置３から有線ケーブル４を介して常に電力が供給されるので、トップドローン１に動力源を搭載する必要がない。したがって、トップドローン１には、飛行時間に対する制約がないので、物体１１を所望のタイミングで、所望の高所に搬送することができる。その結果、物体１１の搬送作業を効率良く行うことができる。例えば、物体１１が建築資材である場合は、高層建築物の建築を効率的に行うことができる。

さらに、物体１１を高所に搬送しないときは、制御装置８は、トップドローン１を地上または自動車２上に着陸させることができる。あるいは、悪天候が予想されるときに、トップドローン１を事前に地上に着陸させてもよい。トップドローン１を地上または自動車２上に着陸させる際には、制御装置８は、電動機５３を逆方向に回転させ、ドラム機構５０のドラム５１に有線ケーブル４を巻き取らせる。このように構成されたシステム１００によれば、クレーンと比較して、小さい設置面積にシステム１００全体を収容することができる。トップドローン１を地上または自動車２上に着陸させて、システム１００全体を設置場所（例えば、建築現場）から移動させてもよい。

図３は、トップドローン１の変形例を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１に示されるトップドローン１の構成と同様であるため、その重複する説明を省略する。図３に示されるトップドローン１は、回転翼１Ｒを回転させる内燃機関１３を有している。動力供給装置３は、トップドローン１の内燃機関１３に燃料を供給するためのポンプ装置１５を含んでいる。ポンプ装置１５から有線ケーブル４を介して供給された燃料は、内燃機関１３で燃焼され、内燃機関１３は、回転翼１Ｒを回転させる。これにより、回転翼１Ｒは、トップドローン１を飛行させるための推力を発生する。トップドローンは、回転翼１Ｒの代わりに、内燃機関１３によって回転されるロータを有していてもよい。

図３に示されるように、トップドローン１に、補助飛行体である気球３４を連結してもよい。気球３４は、トップドローン１に鉛直方向上向きの力を付与することができる。したがって、気球３４によって、トップドローン１が負担する物体１１の重量を軽減することができる。補助飛行体として飛行船（図示せず）を使用してもよい。

図４は、別の実施形態に係るシステムを示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１に示すシステム１００の構成と同様であるため、その重複する説明を省略する。

図４に示されるシステム１００は、物体１１に連結されるトップドローン１と、少なくとも１つの（図４では、３つの）中継ドローン６とを含んでいる。各中継ドローン６には、中継ケーブル７が連結される。トップドローン１および中継ドローン６は、有線ケーブル４および中継ケーブル７によって直列に連結されている。すなわち、トップドローン１と、該トップドローン１に隣接する中継ドローン６は、有線ケーブル４によって連結され、隣接する中継ドローン６は、中継ケーブル７によって連結される。最も下側に位置する中継ドローン６（すなわち、動力供給装置３に隣接する中継ドローン６）に連結された中継ケーブル７は、動力供給装置３に連結される。このような構成で、トップドローン１および少なくとも１つの中継ドローン６は、有線ケーブル４および少なくとも１つの中継ケーブル７によって鎖状に接続される。

本実施形態では、システム１００は、上記ドラム機構５０を有しており、このドラム機構５０のドラム５１には、中継ケーブル７が巻き付けられている。したがって、動力供給装置３に隣接する中継ドローン６に連結された中継ケーブル７は、ドラム機構５０のドラム５１を介して動力供給装置３に連結される。制御装置８は、トップドローン１の飛行距離に応じて電動機５３を正方向に回転させ、ドラム５１に巻き付けられた中継ケーブル７を繰り出すように構成されている。トップドローン１および中継ドローン６を地上または自動車２上に着陸させる際には、制御装置８は、電動機５３を逆方向に回転させ、ドラム機構５０のドラム５１に中継ケーブル７を巻き取らせる。

各中継ドローン６は、回転翼６Ｒを有しており、回転翼６Ｒは、中継ドローン６を飛行させる推力を発生する推力発生機構として機能する。トップドローン１および中継ドローン６を飛行させる電力は、有線ケーブル４および中継ケーブル７を介して動力供給装置３から供給される。より具体的には、トップドローン１を飛行させる電力は、有線ケーブル４および中継ケーブル７を介して動力供給装置３から供給され、各中継ドローン６を飛行させる電力は、中継ケーブル７を介して動力供給装置３から供給される。

各中継ドローン６の動作は、制御装置８によって制御される。上述したように、制御装置８は、人間である操縦者によって操作される操縦器であってもよいし、各中継ドローン６の動作を制御するためのプログラムを格納するコンピュータであってもよい。本実施形態では、各中継ドローン６は、制御装置８から発信される制御信号に基づいて無線で動作する。一実施形態では、制御装置８は、中継ケーブル７を介して各中継ドローン６を制御するための制御信号を各中継ドローン６に送信してもよい。

制御装置８は、トップドローン１の動作と各中継ドローン６の動作を互いに独立して制御する。したがって、制御装置８は、有線ケーブル４および中継ケーブル７によって直列に連結されるトップドローン１および中継ドローン６を、あたかも多関節の１つのロボットアームのように機能させることができる。例えば、制御装置８は、有線ケーブル４および中継ケーブル７によって直列に連結されるトップドローン１および中継ドローン６をジグザグ状に配列させることができる（図５参照）。

このように構成されたシステム１００によれば、制御装置８がトップドローン１および各中継ドローン６の飛行動作をそれぞれ独立に制御するので、有線ケーブル４および中継ケーブル７が天然の物体（例えば、木）や人工の物体（例えば、電線）に引っ掛かることなく、また絡まることがない。その結果、建築資材などの物体１１を効率良く高所に搬送することができる。

図示はしないが、各中継ドローン６は、回転翼６Ｒを回転させる内燃機関１３（図３参照）を有していてもよい。さらに、気球３４（図３参照）または飛行船を、中継ドローン６に連結してもよい。

トップドローン１の推力発生装置、および中継ドローン６の推力発生装置は、互いに異なっていてもよい。例えば、トップドローン１の推力発生装置が内燃機関１３内で燃料を燃焼させることにより回転する回転翼１Ｒである一方で、中継ドローン６の推力発生装置が電力により回転する回転翼６Ｒであってもよい。この場合、動力供給装置３は、トップドローン１の内燃機関１３に燃料を供給するためのポンプ装置１５と、中継ドローン６の回転翼６Ｒに電力を供給するための電源１２とを含むように構成される。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ トップドローン
３ 動力供給装置
４ 有線ケーブル
６ 中継ドローン
７ 中継ケーブル
８ 制御装置
１１ 物体
１３ 内燃機関
１８ 太陽電池パネル
２０ 昇降装置
２１ 吊り具（ワイヤ）
２２ ホイスト
５０ ドラム機構
５１ ドラム
５３ 電動機
１００ システム

Claims (6)

1. 物体を高所に搬送するシステムであって、
   前記物体に連結されるトップドローンと、
   前記トップドローンに連結される有線ケーブルと、
   前記トップドローンを飛行させる電力または燃料を、前記有線ケーブルを介して供給する動力供給装置と、を備えることを特徴とするシステム。
2. 前記動力供給装置は、前記トップドローンに電力を供給する電源を含み、
   前記トップドローンは、前記電力により回転する回転翼またはロータを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記動力供給装置は、前記トップドローンに燃料を供給するポンプ装置を含み、
   前記トップドローンは、前記燃料を燃焼させることにより回転翼またはロータを回転させる内燃機関を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 少なくとも１つの中継ドローンと、
   前記中継ドローンに連結される中継ケーブルと、をさらに備え、
   前記トップドローンと前記中継ドローンは、前記有線ケーブルおよび前記中継ケーブルによって直列に連結されており、
   前記トップドローンおよび前記中継ドローンを飛行させる電力または燃料は、前記有線ケーブルおよび前記中継ケーブルを介して前記動力供給装置から供給されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記トップドローンには、太陽電池パネルと、前記物体を昇降させる昇降装置が配置されており、
   前記太陽電池パネルは、前記昇降装置を駆動するための電力の少なくとも一部を該昇降装置に供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記トップドローンの飛行距離に応じて、前記有線ケーブルを繰り出すドラム機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のシステム。

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