JP2021024077A - 外壁用メンテナンス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高層建物の外壁のメンテナンスを実施でき、メンテナンス作業者が高く昇る必要のない装置を提供する。【解決手段】外壁用メンテナンス装置は、懸架手段及び懸架されるプラットフォームを備える。懸架されるプラットフォームは懸架手段と物理的に連結され、懸架手段は、懸架されるプラットフォームを、高層建物の外壁に対して垂直方向及び水平方向に動かす。【選択図】図１a

Description

本発明は、外壁用メンテナンス装置に関する。

高層建物の外壁のメンテナンスを実施することは、困難かつ危険である。このようなメンテナンスを実行する作業者の死亡事故が、毎年報告されている。事故は、機材の欠陥もしくは人的エラー、またはその両方によって生じ得る。

中国特許第１０３７８４０８４号明細書は、高層建物の外壁を清掃するための、トラックベースのデュアルフォースの伸縮型シリンダを伴う自動清掃装置を開示している。そこでは、自動清掃装置は、垂直伸縮型シリンダが取り付けられたトラックを備え、水平伸縮型シリンダが、この垂直伸縮型シリンダの上端部に取り付けられている。水平伸縮型シリンダには、吹付ヘッド及び清掃のためのブラシが取り付けられている。しかし、この自動清掃装置は、伸縮型シリンダの高さが限定されるため、高層建物を清掃することはできない。加えて、この自動清掃装置は、その水平シリンダに固定されたブラシのために、様々な表面に対する順応性がない。この自動清掃装置は、１つの特定の用途のために設計されており、別個の用途が必要である場合は別のシステムが望まれる。

米国特許第３７７５８０４号明細書は、壁及び窓の表面をブラシまたはスポンジなどで洗い落とす手段を備えた、壁洗浄デバイスを開示している。往復運動する振動ブラシの対が、固定軸受に取り付けられている。これは、全ての表面には好適ではない。

中国特許第１０３７８４０８４号明細書 米国特許第３７７５８０４号明細書

したがって、高層建物の外壁のメンテナンスを実施できるが、メンテナンス作業者は高く昇る必要のない装置を提供することが不可欠である。

本発明は、外壁用メンテナンス装置を提供する。特定の実施形態において、外壁用メンテナンス装置は、懸架手段及び懸架されるプラットフォームを備える。この懸架されるプラットフォームは、懸架手段と物理的に連結され、この懸架手段は、懸架されるプラットフォームを、構造建物の外壁に対して平行に、垂直方向及び水平方向に動かす。懸架されるプラットフォームは、ベース、２軸軌道、多軸ロボットアーム、画像取得手段、外壁用ツール装着具、１対のロケータ、及びプラットフォーム制御器を備える。

ベースは、懸架手段と物理的に連結され、取り付けた構成要素のための物理的な支持をもたらす。

２軸軌道はベースに取り付けられ、一方の軸に１対の軌道を備え、それによってこの１対の軌道は、多軸ロボットアームが外壁から離れるよう、または近付くよう動くのを可能にする。別の軸における平行軌道は、上記の１対の軌道上に取り付けられ、それによってこの平行軌道は、多軸ロボットアームが、外壁に対して平行に直近で動くのを可能にする。

多軸ロボットアームは、人間の腕のように柔軟に作用し、任意の角度で任意の面に到達でき、表面の輪郭に従って、任意のメンテナンス作業を実施する。

画像取得手段は、多軸ロボットアームの遠位端であるが外壁用作業手段の後に取り付けられ、外壁の画像を取得し、取得した画像をプラットフォーム制御器に送信する。

外壁用ツール装着具は、ロボットアームの遠位端に装着される。

１対のロケータは、二重の機能、すなわち懸架されるプラットフォームが外壁を損傷させるのを防止する機能、及び懸架されるプラットフォームが所定の位置にあり、メンテナンス作業を実施するときに、懸架されるプラットフォームを固定する機能のために、ベース１１０の長手方向の両端部に装備される。

プラットフォーム制御器は、コンピュータプログラム可能なプロセッサであり、画像取得手段及び地上のオペレータからの情報を集め、所定の位置でメンテナンス作業を実施するよう、ロボットアーム、外壁用作業手段、及び１対のロケータ１６０に指示を送ることができる。

外壁用メンテナンス装置の別の実施形態において、懸架手段はゴンドラである。

外壁用メンテナンス装置の別の実施形態において、画像取得手段はカメラである。

外壁用メンテナンス装置の別の実施形態において、外壁用作業手段は、表面と接触するブラシである。

本発明の目的及び利点は、添付の図面と共に、好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明確となる。

本発明による好ましい実施形態を、次に図面を参照して説明する。図面において、同様の参照番号は同様の要素を表わす。

本発明の１つの実施形態による、懸架されるプラットフォームの斜視図である。 本発明の１つに実施形態による、懸架されるプラットフォームで作動され得る、ロボット制御で動作する表面検査及び操作システムの斜視図である。 本発明の１つの実施形態による、ロボット制御で動作する表面検査及び操作システムの作業フローのフローチャートである。

本発明は、本発明の特定の実施形態における以下の詳細な説明を参照することで、より容易に理解され得る。

本出願を通して、特許公開が参照される場合、それらの特許公開の開示は、本発明が関係する技術分野のさらなる完全な説明のため、その全体が参照として本出願に組み込まれる。

本発明は、遠隔制御される外壁用メンテナンス装置を提供する。外壁用メンテナンス装置は、構造建物の外壁のメンテナンスを実施できるが、メンテナンス作業者は高く昇る必要はない。

外壁用メンテナンス装置は、懸架手段及び懸架されるプラットフォームを備える。懸架されるプラットフォームは懸架手段と物理的に連結され、懸架手段は、懸架されるプラットフォームを、高層建物の外壁に対して平行に、垂直方向及び水平方向に動かす。懸架手段は、出願人の以前の発明（「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＣＬＥＡＮＩＮＧ ＥＸＴＥＲＩＯＲ ＷＡＬＬ ＯＦ ＢＵＩＬＤＩＮＧ」と題する、国際公開第２０１７／１７１６４４号）で開示されたようなゴンドラ、懸架されるホイスト、または任意の他の好適な手段とすることができる。

図１ａは、本発明の１つの実施形態による、懸架されるプラットフォームの斜視図である。懸架されるプラットフォーム１００は、懸架手段１０と物理的に連結される（詳細は示さない）。懸架されるプラットフォーム１００は、ベース１１５、２軸軌道１２０、多軸ロボットアーム１３０、画像取得手段１４０、外壁用ツール装着具１５０、１対のロケータ１６０、及びプラットフォーム制御器１７０を備える。

ベース１１５は、懸架手段と物理的に連結され、取り付けた構成要素のための物理的な支持をもたらす。必要な強度を有する任意の材料が、好適となり得る。

２軸軌道１２０はベース１１５に取り付けられ、一方の軸に１対の軌道を備え、それによって１対の軌道は多軸ロボットアーム１３０を、外壁から離れるよう、または近付くよう動かすのを可能にする。別の軸における平行軌道は、上記の１対の軌道上に取り付けられ、それによってこの平行軌道は、多軸ロボットアーム１３０が外壁に対して平行に直近で動くのを可能にする。１対の軌道上における平行軌道の動きは、例えばプーリなど任意の好適な手段によって実施され得る。これは、当技術分野ではよく知られている。

多軸ロボットアーム１３０は、人間の腕のように柔軟に作用し、任意の角度で任意の面に到達でき、表面の輪郭に従って、清掃など任意のメンテナンス作業を実施する。

画像取得手段１４０は、多軸ロボットアーム１３０の遠位端であるが外壁用作業手段１５０の後に取り付けられ、外壁の画像を取得して、取得した画像をプラットフォーム制御器に送信する。それによってプラットフォーム制御器は、メンテナンスを行う位置を決定し、次にロボットアーム１３０に、所定の位置でメンテナンス作業を実施するよう指示を送信する。特定の実施形態において、画像取得手段１４０はカメラである。

外壁用ツール装着具１５０は、ロボットアーム１３０の遠位端に装着される。特定の実施形態において、外壁用作業手段１５０は、表面と接触するブラシである。他のブラシ及びツールも使用することができる。ローラブラシ、表面充填材／研磨器などである。

１対のロケータ１６０は、二重の機能、すなわち懸架されるプラットフォーム１００が外壁を損傷させるのを防止する機能、及び懸架されるプラットフォーム１００が所定の位置にあり、メンテナンス作業を実施するときに、懸架されるプラットフォーム１００を固定する機能のために、ベース１１５の長手方向の両端部に装備される。

プラットフォーム制御器１７０は、コンピュータプログラム可能なプロセッサであり、画像取得手段１４０及び地上のオペレータから情報を集め、ロボットアーム１３０、外壁用作業手段１５０、及び１対のロケータ１６０に指示を送ることができる。

本発明は、上述の外壁用メンテナンス装置を使用して、高層建物の外壁でメンテナンス作業を実施する方法も、提供する。

図１ｂは本発明の１つに実施形態により、上述のように懸架されるプラットフォームで作動され得る、ロボット制御で動作する表面検査及び操作システムの斜視図である。

さらに図１ｂを参照すると、ハサミ型リフトモジュール１０７は、下部基礎、下端部及び上端部を有する中間ハサミ型リフト、及び上部プラットフォームを備える。中間ハサミ型リフトの下端部は、下部基礎に取り付けられ、上部プラットフォームは、中間ハサミ端部の上端部に取り付けられる。上部トレイ１０３は、ハサミ型リフトモジュール１０７の上部プラットフォームに取り付けられる。上部トレイ１０３は、ゴム製の縁部を有し、折り畳み可能である。使用中に、上部トレイ１０３は拡がり、ゴム製の縁部は壁の正面に接触することになる。水容器１０４は上部トレイ１０３の下方にあり、地上に据えられる。上部トレイ１０３及び水容器１０４は、水ホースによって接続される。上部トレイ１０３によって集められた水は、水ホームを通って水容器１０４に流れることになる。水容器１０４の下方には、複数のオムニホイール（４つのホイールが図示されている）が装着される。水容器１０４は、洗浄処理中に、ハサミ型リフトモジュール１０７と共に動くことができる。再利用水が、再利用水容器１０８の中に含まれる。

図１ｂをさらに参照すると、ロボットアーム１０１は、ハサミ型リフトモジュール１０７の上部プラットフォームの頂部に配設される。

ロボット操作モジュール１０２は、研磨力／トルクセンサ、塗布力／トルクセンサ、及びサンディング力／トルクセンサを備える。研磨力／トルクセンサは、検出された突起領域に加えられる、リアルタイムの研磨力を計算するために使用される。ロボット操作モジュール１０２は、研磨作業中に、一定の力及び適切な速度を適用する。塗布力／トルクセンサは、検出された穴に適用される、リアルタイムの塗布力を計算するために使用される。ロボット操作モジュール１０２は、検出した穴に塗布材を適用する間に、一定の力及び適切な速度を加えることになる。サンディング力／トルクセンサは、検出された突起領域に適用される、リアルタイムのサンディング力を計算するために使用される。ロボット操作モジュール１０２は、サンディング作業中に、一定の力及び適切な速度を適用する。ロボット操作モジュール１０２は、研磨、塗布、サンディングのためのツールセットをさらに備える。ロボット操作モジュール１０２は、自動ツール取り換えのアルゴリズムを適用することによって、ツールのセットを自動で交換可能な、自動ツール交換器をさらに備える。

自動ツール交換器は、ツールマスター（ロボット側）及びツールスレーブアダプタ（ツール側）の２つの部分を備える。１つのツールマスターのみが存在し、ねじを使用してロボットのＴＣＰ（ツール中心点：ｔｏｏｌ ｃｅｎｔｅｒ ｐｏｉｎｔ）にしっかりと設置される。ツールマスタープレートには３つのピンが存在し、装着／取り外しのための回転ロックとして作用して、ツールスレーブアダプタを接続する。各ツールは１つのツールスレーブアダプタと共に使用され、その一端はツールを保持し、他方の端部は、３つの固有の穴を備え、それらは接続目的で、ツールマスターにおける３つのピンのパターンと適合する。各ツールスレーブアダプタは、それら自体のツールレールに載る。ツールレールは、ツールスレーブアダプタが１つの水平方向からのみ、その位置から取り外すことができるように設計される。

ロボットアーム１０１は、ツールマスターを、所望のツールスレーブアダプタの上部に送る。３つのピンは、ツールスレーブアダプタの３つの固有の穴の中に正確に挿入される。次にロボットの端部エフェクタは、２つの部分をロックして接続するために、右回りに回転する。次にロボットアーム１０１は、ツールレールのうちの一方の水平方向に動き、ツールスレーブアダプタを取り出して、ツールを使用する準備が整う。

ツールスレーブアダプタの取り外しのために、ロボットアーム１０１は、ツールスレーブアダプタをそのツールレールに送り、左回りに回転させて、３つのピンコネクタをロック解除する。次にロボットアームは持ち上がり、他の作業を実施する。

ロボット制御で動作する表面検査及び操作システムは、視覚及び分析モジュールを備える。図１ｂに示されるように、視覚及び分析モジュールは、２つの３Ｄセンサを備え、それらはリアルタイムの環境情報（ウォールポイントクラウド（Ｗａｌｌ ｐｏｉｎｔ ｃｌｏｕｄ）など）を取得するために含まれる。二重センサのマルチビュー分析は、リアルタイムのポイントクラウド及び画像の処理速度を増加させるために採択される。３ＤセンサＡ１０９は、ハサミ型リフトモジュール１０７の上部プラットフォームに配設され、壁の静止像を得るために壁の静止像を取得する。壁の静止像は、プラットフォームの各動きの後に取得された、壁の条件の全体像である。動的３ＤセンサＢ１１０は、ロボット操作モジュール１０１のロボットアームに配設され、壁の動的像を得るために壁の動的像を取得する。壁の動的像は、突起検出アルゴリズムによって識別される、疑わしい各壁領域の詳細像である。突起検出アルゴリズムは、ポイントクラウド分析技法及びコンピュータ視覚技法を利用して、壁の静止像から疑わしい欠陥／突起領域を識別する。生ポイントクラウドは、リアルタイムの計算速度を増加させるために、ボクセルグリッドフィルタ（Ｖｏｘｅｌ Ｇｒｉｄ Ｆｉｌｔｅｒ）を使用するダウンサンプリングである。クラスタ抽出及び平面分割アルゴリズムが適用される。欠陥／突起領域のポイントクラウドが抽出される。選択されたクラスタは、さらなる画像分析のために、２Ｄ画像に変換される。機械学習が画像処理ステップに適用され、リアルタイムの欠陥／突起領域の識別成功率を高める。２Ｄ−３Ｄ座標分析及び突起の配向分析が適用され、欠陥／突起領域の実座標及び配向に戻す。突起が４ｍｍ未満の高さである場合、サンディング作業が適用されることになる。突起が８ｍｍ未満かつ４ｍｍよりも高い場合、研磨作業が適用されることになる。

欠陥を識別するために、壁とカメラとの間の距離Ｗａ（壁平均）が最初に得られる。アルゴリズムは、Ｗａと、壁からカメラまでの絶対距離の平均との間の差が、閾値Ｔｄよりも大きい領域を探すために開始される。この差が特定の範囲にある場合、アルゴリズムはロボットに、例えば研磨、サンディングなどのそれぞれの作業を指示する。

ロボットアーム及び視覚は、同じ座標を共有する。全てのツールは、同じサイズにカスタマイズされる。それは、ツールと正面との間の距離が固定されていることを意味する。まず、３Ｄカメラは外面を走査する。このデータは視覚アルゴリズムによって処理される。その結果を用い、開始点の座標がロボットアームに提供される。アームは、それに従って特定のポイントに到達し、作業を開始する。

制御ボックス１０５；制御ボックス１０５は、１つのＩＰＣ（産業ＰＣ）、５つのマイクロ制御器、モータドライブ、及びセンサ通信インターフェースボードを備える。これは、リアルタイムの分配システムである。ＩＰＣは、異なるモジュールの作動を調整するためのマスターである。全てのモジュールはスレーブである。これらは、マスターからの指令を受け、それに従って作用する。スレーブはロボットアーム、電動のゴンドラ、吸引システム、及びポンプである。その間マスターは、次のステップのために、異なるセンサから情報を集める。

ロボット制御ボックス１０６；上記で言及したように、ロボットはリアルタイム分配システムのスレーブである。ロボットは、マスターからの指令を受け、それに従って作用する。

次に図２を参照すると、本発明の１つの実施形態による、ロボット制御で動作する表面検査及び操作システムの作業を示す、フローチャートが提供される。作業２００は以下を含む。

ステップ２１０において、作業を開始する。

ステップ２２０において、プラットフォームを次の目標領域に動かす。

ステップ２３０において、３Ｄセンサ１０９（例えばカメラ）を用いて目標領域の壁面を走査し、３Ｄ表面マップを作り出す。

ステップ２４０において、３Ｄ表面マップの平均高を得る。

ステップ２５０において、３Ｄ表面マップをセクションに区分けする。

ステップ２６０において、分析のためにセクションを選択する。

ステップ２７０において、視覚アルゴリズムを適用することによって、許容値内の突起及び穴を識別する。突起寸法が、１５ｃｍ×１６ｃｍ×１７ｃｍである場合、カメラはそれを取得できる。まず、アルゴリズムは正面と突起の頂部との間の距離（１７ｃｍ）を計算する。次に、頂部領域（１５ｃｍ×１６ｃｍ）が計算される。取得した結果に基づき、多軸ロボットアームは、経路を生成して特定の突起を避ける。

ステップ２８０において、分析したセクションが均一の表面であるかどうかを判定する。

ステップ２９０において、ステップ２８０の回答が「はい」の場合、全てのセクションが分析されたかどうかを判定し、ステップ２９０の回答が「いいえ」の場合、ステップ２６０に戻る。

ステップ３００において、ステップ２９０の回答が「はい」の場合、プラットフォームが端部に到達したかどうかを判定し、ステップ２９０の回答が「いいえ」の場合、ステップ２２０に戻る。

ステップ３７０において、ステップ３００の回答が「はい」の場合、作業を終了する。

ステップ３１０において、ステップ２８０の回答が「いいえ」の場合、全ての突起が除去されたかどうかを判定する。

ステップ３２０において、ステップ３１０の回答が「はい」の場合、全ての穴が塗布されたかどうかを判定し、ステップ３２０の回答が「はい」の場合、ステップ２７０に戻る。

ステップ３３０において、ステップ３１０の回答が「いいえ」の場合、突起がサンディングによって除去され得るかどうかを判定する。

ステップ３４０において、ステップ３３０の回答が「いいえ」の場合、突起を研磨する。

ステップ３５０において、ステップ３２０の回答が「いいえ」の場合、穴を塗布する。

ステップ３６０において、ステップ３３０の回答が「はい」の場合、突起をサンディングする。ステップ３４０の研磨が成され、ステップ３５０の塗布が成され、ステップ３６０のサンディングの後で、ステップ３１０に戻る。

ステップ３１０からステップ３６０まで、動的３Ｄセンサ１１０は起動されることになり、特定の突起または穴を分析する。突起が８ｍｍ未満かつ４ｍｍよりも高い場合、研磨作業が起動される。突起が４ｍｍ未満の高さである場合、サンディング作業が起動される。穴が識別された場合、塗布作業が起動される。補修後、３Ｄセンサ１０９、１１０は再度確認する。補修が許容できない場合、結果が許容されるまで、補修処理は再び起動される。一旦、この目標領域が終了すると、システムは別の目標領域に移動し、上述のサイクルを繰り返す。

本発明を、特定の実施形態を参照して説明したが、これらの実施形態は例示であり、本発明の範囲を限定するものではないことを、理解されたい。本発明の代替の実施形態は、本発明に関連する当業者には明確となろう。そのような代替の実施形態は、本発明の範囲内に包含されるものと考えられる。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義され、前述の説明によって支えられる。

１０１ ロボットアーム
１０２ ロボット操作モジュール
１０３ 上部トレイ
１０４ 水容器
１０５ 制御ボックス
１０６ ロボット制御ボックス
１０７ ハサミ型リフトモジュール
１０８ 再利用水容器
１０９ ３ＤセンサＡ
１１０ ３ＤセンサＢ

Claims (4)

1. 外壁用メンテナンス装置であって、
   懸架手段と、
   前記懸架手段と物理的に連結され、前記懸架手段が高層建物の外壁に対して垂直方向及び水平方向に動かす、懸架されるプラットフォームとを備え、
   前記懸架されるプラットフォームは、ベース、２軸軌道、多軸ロボットアーム、画像取得手段、外壁用ツール装着具、１対のロケータ、及びプラットフォーム制御器を備え、
   前記ベースは、前記懸架手段と物理的に連結され、取り付けた構成要素の物理的な支持をもたらし、
   前記２軸軌道は前記ベースに取り付けられ、一方の軸に１対の軌道を備え、それによって前記１対の軌道は、前記多軸ロボットアームが前記外壁から離れるよう、または近付くよう動くのを可能にし、別の軸における平行軌道は、前記１対の軌道上に取り付けられ、それによって前記平行軌道は、前記多軸ロボットアームが外壁に対して平行に直近で動くのを可能にし、
   前記多軸ロボットアームは、人間の腕のように柔軟に作用し、任意の角度で任意の面に到達でき、表面の輪郭に従って作用して、任意のメンテナンス作業を実施し、
   前記画像取得手段は、前記多軸ロボットアームの遠位端であるが前記外壁用作業手段の後に取り付けられ、前記外壁の画像を取得し、取得した前記画像を前記プラットフォーム制御器に送信し、
   前記外壁用ツール装着具は、前記多軸ロボットアームの前記遠位端に装着され、
   前記１対のロケータは、二重の機能、すなわち前記懸架されるプラットフォームが前記外壁を損傷させるのを防止する機能、及び前記懸架されるプラットフォームが所定の位置にあり、前記メンテナンス作業を実施するときに、前記懸架されるプラットフォームを固定する機能のために、前記ベースの長手方向の両端部に装備され、
   前記プラットフォーム制御器は、コンピュータプログラム可能なプロセッサであり、前記画像取得手段及び地上のオペレータから情報を集め、所定の位置で前記メンテナンス作業を実施するよう、前記多軸ロボットアーム、前記外壁用作業手段、及び前記１対のロケータに指示を送ることができる、外壁用メンテナンス装置。
2. 前記懸架手段はゴンドラである、請求項１に記載の外壁用メンテナンス装置。
3. 前記画像取得手段はカメラである、請求項１に記載の外壁用メンテナンス装置。
4. 前記外壁用作業手段は、表面と接触するブラシである、請求項１に記載の外壁用メンテナンス装置。