JP2023126402A - 作業システムおよび機体の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】機体を用いた作業において機体の姿勢をより安定させることが可能な、作業システムを提供すること。【解決手段】本開示に係る作業システムは、回転翼３と、回転翼３を支持する機体２と、機体２と接続され上方に伸び、機体２を吊り下げて支持する繋留体５と、を備え、機体２が繋留体５により吊り下げられている状態において、回転翼３は、機体２に対して下方に力を生じさせる、または、前記機体に生じる重力よりも小さい力を上方に生じさせる。【選択図】 図１

Description

本開示は、作業システムおよび機体の制御方法に関する。

狭所や隘所、屋内や屋外などの様々な環境における構造物を対象に効率よく作業を行うために、ドローンと呼ばれる無人飛行体が使用されることがある。例えば、特許文献１には、管路から無人飛行体を導入し、無人飛行体にケーブルを接続する構成を備え、ケーブルの撓みを抑制するシステムが開示されている。

特開２０１９－１６７０４４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、ケーブルの撓みの制御により無人飛行体の姿勢の制御が困難となる。そうすると、機体を安定的な姿勢に保ちながら作業をすることが難しくなる。

本開示は、このような背景を鑑みてなされたものであり、機体を用いた作業において機体の姿勢をより安定させることが可能な、作業システムおよび機体の制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示によれば、推力発生部と、前記推力発生部を支持する機体と、前記機体と接続され上方に伸び、前記機体を吊り下げて支持する繋留体と、を備え、前記機体が繋留体により吊り下げられている状態において、前記推力発生部は、前記機体に対して下方に力を生じさせる、または、前記機体に生じる重力よりも小さい力を上方に生じさせる、作業システムが提供される。

また、本開示によれば、作業を行う機体の制御方法であって、前記機体は、前記機体により支持される推力発生部と、前記機体と接続され上方に伸び、前記機体を吊り下げて支持する繋留体と、を備え、前記機体が繋留体により吊り下げられている状態において、前記推力発生部により前記機体に対して下方に力を生じさせる、または、前記機体に生じる重力よりも小さい力を上方に生じさせる、機体の制御方法が提供される。

その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、機体を用いた作業において機体の姿勢をより安定させることができる。

本発明の一実施形態に係る作業システム１の構成を示す斜視図である。 同実施形態に係る回転翼３によるヨー軸まわりの回転制御の一例を説明するための図である。 作業システム１の変形例の構成を示す斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。

＜実施の形態の詳細＞
以下、本発明の一実施形態に係る作業システム１について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る作業システム１の構成を示す斜視図である。本明細書において、図１に示すＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向は、それぞれ作業システム１における機体２の前後方向、幅方向および高さ方向を意味する。本実施形態に係る作業システム１は、例えば、構造物、設備、配管等に対する種々の検査、修理、または工場等における計器の確認等、様々な用途における作業に用いられ得る。

図１に示すように、本実施形態に係る作業システム１は、機体２と、回転翼３と、繋留体５と、カメラ６とを備える。なお、図１に示す作業システム１の構成は一例であり、図１に示す機体２および回転翼３とは異なる構造、形状およびサイズを有するものであっても、以下に説明する機体２および回転翼３に対応する構成を有していれば、本発明の範疇に含まれうる。

より具体的には、機体２は、支持フレーム２１と、補助フレーム２２とからなる。補助フレーム２２は、支持フレーム２１に接続される。具体的には、補助フレーム２２は、支持フレーム２１の前後方向のそれぞれから伸びるように接続される。かかる補助フレーム２２は、アーム２３を含む。図１に示すように、回転翼３はアーム２３に支持される。すなわち、回転翼３は機体２に支持される。なお、本実施形態に係るアーム２３は、支持フレーム２１とも接続している。機体２を構成する素材は特に限定されず、例えば、炭素繊維樹脂、ガラス繊維樹脂、マグネシウム、マグネシウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄鋼、チタンその他の材料であり得る。

支持フレーム２１は、図示しない回路基板、フライトコントローラ、センサまたはバッテリ等、機体２の回転翼３の制御および動力に係る部品を積載して支持する。例えば、支持フレーム２１には、フライトコントローラを含む制御回路が実装されてもよい。かかるバッテリからモータ４およびセンサ類に電力が供給され、フライトコントローラによりモータ４の回転数等の制御が行われる。

補助フレーム２２は、機体２を構成し、支持フレーム２１に接続され、回転翼３を支持する。図１に示す例では、補助フレーム２２は、支持フレーム２１の前後方向端部から前後方向に伸び、途中から幅方向において左右に延伸する構成を有している。補助フレーム２２は、例えば、回転翼３のプロペラガードとしての機能を発揮しうる。

アーム２３の、補助フレーム２２の端部と支持フレーム２１との間に、回転翼３が設けられる。図１に示す例では、アーム２３にはモータマウント２３１が設けられ、モータマウント２３１に回転翼３に動力を与えるモータ４が設けられ、回転翼３はモータ４に取り付けられる。

なお、アーム２３および回転翼３は、本実施形態においては、前後左右の４箇所に設けられているが、本発明はかかる例に限定されない。機体２の構造、形状、装備およびサイズ等に応じて、アーム２３および回転翼３の設けられる数は適宜変更されうる。

また、機体２の前方側の支持フレーム２１と補助フレーム２２との接続部分において、支持フレーム２１に、カメラ６が設けられてもよい。カメラ６は、図１に示す位置の他に、支持フレーム２１の任意の箇所に設けることができる。カメラ６は、例えば、一般的な撮像装置の他に、ステレオカメラ、暗視カメラ、赤外線カメラ、サーモグラフィ等、様々な撮像装置であってよい。

また、図１に示すように、本実施形態に係る作業システム１は、繋留体５を有する。繋留体５は、機体２と接続され上方に伸び、機体２を吊り下げて支持する。図１に示すように、繋留体５は、主部５０と、枝部５１とにより構成され得る。主部５０と枝部５１とは、接続部５２において接続され得る。なお、図１に示す繋留体５はあくまで一例であり、機体２と接続され上方に伸び、機体２を吊り下げて支持する構成であれば、繋留体５の具体的な態様は特に限定されない。例えば、主部５０と枝部５１は一体となっているものであってもよいし、繋留体５が主部５０のみで構成され、機体２の中央部分と接続するものであってもよい。

主部５０の上方は、図示せぬ支持体により支持される。支持体は、例えば、主部５０を固定するフック等の構造物や、クレーンや他の飛行体等の移動可能な構造物であってもよい。主部５０は、水平方向ＨＺ１に移動可能なように構成されていてもよい。例えば、主部５０の上部は、水平方向ＨＺ１に移動可能なガイドレール等により支持され、それにより繋留体５が水平方向ＨＺ１に移動可能となるような構成であってもよい。

また、主部５０は、上下方向ＵＤ１に移動可能に設けられてもよい。すなわち、主部５０が上下方向ＵＤ１に移動することで、機体２も併せて上下方向ＵＤ１に移動可能となる。例えば、主部５０の上部がクレーン等の支持体により巻き取られたり送り出されたりすることにより、主部５０が上下方向ＵＤ１に移動可能であってもよい。また、主部５０自体が伸縮することにより、主部５０が上下方向ＵＤ１に移動可能であってもよい。

機体２の補助フレーム２２の四隅には、それぞれ接続部２２１が設けられる。かかる接続部２２１のそれぞれは、枝部５１のそれぞれと接続する。これにより、繋留体５は機体２を吊り下げて支持する。

繋留体５を構成する素材は特に限定されない。ただし、後述するように、機体２の姿勢の安定性を確保する観点から、繋留体５は、伸縮性が乏しい素材により構成されることが好ましい。繋留体５は、例えば、繊維、金属または硬質プラスチック等からなる棒材、板材、ケーブルまたはロープ等であり得る。

本実施形態に係る回転翼３は、推力発生部の一例である。本実施形態に係る回転翼３は、例えば機体と回転翼からなる一般的なマルチコプター等の無人飛行体とは異なり、下方に推力ＤＦ１を発生させる。そのため、無人飛行体のような機体に揚力を発生させる機構は、本実施形態に係るシステムでは用いられていない。すなわち、従来のような無人飛行体にケーブル等を接続したような構成と本実施形態に係るシステムの構成とは異なる。

本実施形態に係る回転翼３は、回転により下方から上方へと気流を発生させ、下方への推力を発生する。なお、下方への推力とは、推力の方向成分が、鉛直下方の成分を含むことを意味する。回転翼３が下方への推力を発生させることで、機体２に対して下方への力が生じる。そうすると、繋留体５に張力が生じるため、繋留体５の上下方向ＵＤ１の移動が制限されている場合、機体２は下方への推力を得た状態で固定される。かかる状況において、繋留体５の上下方向ＵＤ１の移動を行うとする。例えば、繋留体５が下方へ移動した場合、繋留体５が弛緩するため、機体２は下方に移動する。その際、機体２には重力のみならず下方への推力が作用するため、機体２の下方への加速度が自由落下に比べて大きくなり、すぐに所望の位置へ移動することができる。また、所望の位置へ移動した後も、下方への力が回転翼３により機体２に対して与えられるため、移動後の衝撃によるバタつきが生じにくく、機体２をすぐに安定的な姿勢へと制御することができる。

特に、上述したような、一般的な無人飛行体にケーブルを接続した構成と比較すると、無人飛行体は揚力により姿勢を保持しようとするため、ケーブルは無人飛行体の機体に対して作用していない。そのため、機体の性能や飛行環境により姿勢が不安定となる可能性がある。一方で、本実施形態に係るシステムでは、繋留体５による張力と、機体２の回転翼３の下方への推力とにより、反対方向（引張方向）への力の釣り合いが機体２に生じる。そのため、空中において、機体２の浮遊状態においても、機体２を安定的に保持することが可能となる。

なお、本実施形態に係る機体２は、例えばいわゆるドローンのような無人飛行体と同様に、プロポ等の操縦用端末の入力に基づいて移動が制御されるものであってもよいし、プログラム等に従って自律移動を行うものであってもよい。かかる機体２の姿勢は、適宜センサから得られる入力に基づいてフライトコントローラが制御するものであってもよい。また、機体２の姿勢制御は、揚力発生部から得られる推力の調整により行われるものであってもよいし、また、繋留体５を上下方向や水平方向に移動させることによって行われてもよいし、その両方であってもよい。具体的には、機体２の水平方向に対する姿勢が０度となるように目標値を定める場合、姿勢のフィードバック制御は、回転翼３の各々の回転数を制御するものであってもよいし、また、繋留体５の水平方向や上下方向の移動を制御するものであってもよい。これにより、風やドリフトの影響により機体２の姿勢が傾いてしまっても、機体２の水平方向の移動を抑制し、姿勢をより確実に維持することが可能となる。

なお、下方へ推力を発生させる回転翼３の数は特に限定されないが、機体２の姿勢をより安定させる点から、回転翼３の数は４つ以上であることが好ましい。また、推力発生部としては、回転翼以外の機構により実現されるものであってもよい。

また、機体２を水平面に沿って回転（いわゆる水平面に直交するヨー軸まわりの回転）させる場合は、繋留体５をねじることによって実現してもよいし、回転翼３の回転の制御により実現されてもよい。図２は、本実施形態に係る回転翼３によるヨー軸まわりの回転制御の一例を説明するための図である。図２に示すように、４つの回転翼３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのうち、それぞれの回転方向を異ならせることによって、機体２をヨー軸まわりに回転させることが可能である。具体的には、回転翼３ａ、３ｄ（第２の回転翼）の回転方向を反時計回りＣＣＷ１、ＣＣＷ２とし、回転翼３ｂ、３ｃ（第１の回転翼）の回転方向を時計回りＣＷ１、ＣＷ２とし、第１の回転翼と第２の回転翼の各々の回転数を異ならせる制御を行うことで、機体２をヨー軸まわりに回転することが可能である。なお、図２に示した例では、回転翼３ｂ、３ｃの回転方向を時計回りとし、回転翼３ａ、３ｄの回転方向を反時計回りとしたが、これらの回転方向はそれぞれ反対であってもよい。すなわち、回転翼３ｂ、３ｃの回転方向が反時計回りとし、回転翼３ａ、３ｄの回転方向を時計回りとしてもよい。

かかる構成により、単純に繋留体５をねじることで機体２を回転させるよりも、より精度高く機体２の向き等を決めることが可能である。

このように、本開示の一実施形態に係る作業システム１においては、繋留体５により機体２を吊り下げて支持しつつ、機体２の回転翼３が下方に推力を発生することで、機体２に上下引張方向の力を作用させることができる。これにより、機体２を上下方向等に移動させる場合であっても、瞬間的に安定な姿勢に保持することができる。また、機体２自身がヨー軸まわりの回転を可能とすることで、作業対象に対する機体２の姿勢を精度高く保持することができる。閉所や狭所において撮影、点検等を行うような小型の機体２の制御において、本実施形態に係る構成は、より効果を奏するものである。

以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

上記実施形態では、機体が繋留体により吊り下げられている状態において、推力発生部が機体に対して下方に力（推力ＤＦ１）を生じさせる構成としていたが、これに限られず、推力発生部が、機体に生じる重力Ｇよりも小さい力（推力ＤＦ２）を上方に生じさせる構成としてもよい（図３参照）。その場合、繋留体５に掛かる負担を軽減することができる。なお、この場合であっても、推力発生部が機体に対して上方に生じさせる力は機体に生じる重力よりも小さいため、繋留体５は弛緩せず、上記実施形態と同様に、機体２を安定的に保持することができる。

また、繋留体５は、電動ウィンチに接続されたケーブルを含む構成であってもよい。この場合、電動ウィンチの巻き取り、繰り出し操作により、ケーブルの長さを調整することができる。その場合、ケーブルが上下動して、機体の高さを変更することができる。なお、電動ウィンチの設置位置は特に限定されず、飛行環境の内部であっても外部であってもよい。また、機体の上方に１以上の滑車を設置し、当該滑車を介してケーブルを接続するようにしてもよい。その場合、電動ウィンチが機体よりも下方に設けられていてもよい。電動ウィンチは、プロポ等の操縦用端末の入力に基づいて巻き取り、繰り出し等の制御が実行されるものであってもよいし、プログラム等に従って自律的に制御されるものであってもよい。１台の操縦装置で、機体の制御と、電動ウィンチの制御を同時に実行可能であることが好ましく、これによれば、より効率的に機体の位置を制御することができる。

図３に示すように、繋留体５に回転ジョイント７を設けてもよい。回転ジョイント７は、回転自在な構成となっており、回転ジョイント７の一方側（例えば図３の下側）に接続される繋留体５の回転（捩れ）が、回転ジョイント７の他方側（例えば図３の上側）に接続される繋留体５に伝わらないようになっている。このような構成により、例えば機体がヨー軸周りに回転した場合でも、繋留体５が捩れないので捩れ方向の反力等の影響を受けることがなく、機体の制御が容易となる。回転ジョイント７の位置は特に限定されず任意の位置に設けることができるが、接続部５２付近の主部５０に設けることが好ましい。

また、図３に示すように、繋留体５に重り８を設けてもよい。重り８を設けることで、機体及び繋留体５が、気流の影響を受けにくくなり、安定性が向上する。また、重り８を設けた場合でも、繋留体５によって機体を支持しているため、機体を制御する際のバッテリの消費量にはほとんど影響がない。重り８の位置は、回転ジョイント７の上側でも下側でもよく、回転ジョイント７と一体であってもよい。なお、重り８の位置は特に限定されず、繋留体５の主部５０、各枝部５１、接続部５２、あるいは機体の何れかの位置に、１つ、もしくは複数の位置にそれぞれ設けてもよい。

また、図３に示すように、機体には光を発するライト９を設けてもよい。ライト９の位置及び向きは特に限定されないが、カメラ６の撮影方向、撮影範囲を照らすように配置されることが好ましい。図示例では機体の前方を撮影するカメラ６に対応して、機体の前方を照らすようにライト９が設けられている。ライト９は、図示例ではカメラ６の上側に位置しているが、カメラ６の下側、左側、右側の何れの位置にあってもよい。

また、本システム１は、機体と外部の装置（例えば操縦端末、制御端末等）との間でデータ通信するための通信ケーブルを含んでいてもよい。これにより、外部の装置と機体とが有線接続され、通信ケーブルを介してデータを授受することができる。このデータには、例えば、機体を操縦するために操縦装置から機体に送信される操縦信号、機体のカメラ６で撮影した画像（静止画、動画）、各種センサで取得したデータ等が含まれ得る。そして通信ケーブルは、繋留体５と一体に設けてもよい。具体的には例えば、図３に示すように、繋留体５の主部５０と一体に設けられた通信ケーブル５３が接続部５２で分岐して、機体の制御基板に接続されるようにしてもよい。

同様に、本システム１は、外部の電源から機体に電力を供給する電力ケーブルを含んでいてもよい。この場合、機体にバッテリを設ける必要がなく軽量化を図ることができたり、飛行中にバッテリ不足になることを防止したりすることができる。電力ケーブルは、上記通信ケーブル５３と同様に、繋留体５と一体に設けてもよい。電力ケーブルは、通信ケーブル５３と一体化してもよいし、別々に設けてもよい。なお、電力ケーブル及び通信ケーブル５３には繋留体５が機体を支持する際の張力が作用しないように配置することが好ましい。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（項目１）
推力発生部と、
前記推力発生部を支持する機体と、
前記機体と接続され上方に伸び、前記機体を吊り下げて支持する繋留体と、
を備え、
前記機体が繋留体により吊り下げられている状態において、前記推力発生部は、前記機体に対して下方に力を生じさせる、または、前記機体に生じる重力よりも小さい力を上方に生じさせる、
作業システム。
（項目２）
前記繋留体は、水平方向に移動可能であり、
前記推力発生部により下方または上方に力を生じさせた状態で、前記繋留体を水平方向に移動させることにより、前記機体を水平方向に移動させる、
項目１に記載の作業システム。
（項目３）
前記推力発生部は回転翼であり、
前記回転翼は、回転が制御される際に、時計回りで回転する少なくとも１の第１の回転翼と、反時計回りで回転する少なくとも１の第２の回転翼を有し、
前記第１の回転翼の回転数と、前記第２の回転翼の回転数とを異ならせる制御を行うことにより、水平面に直交する軸を中心として前記機体を回転させる、
項目１または２に記載の作業システム。
（項目４）
前記機体は、前記繋留体の上下方向の移動に応じて、上下方向に移動する、
項目１～３のいずれか１項に記載の作業システム。
（項目５）
前記繋留体に、機体のヨー軸周りに回転自在な回転ジョイントが設けられている、項目１～４のいずれか１項に記載の作業システム。
（項目６）
前記繋留体に、重りが設けられている、項目１～５のいずれか１項に記載の作業システム。
（項目７）
外部の装置と前記機体との間でデータ通信するための通信ケーブル、及び、前記機体に電力を供給する電力ケーブルの少なくとも何れかが、前記繋留体と一体に設けられている、項目１～６のいずれか１項に記載の作業システム。
（項目８）
作業を行う機体の制御方法であって、
前記機体は、
前記機体により支持される推力発生部と、
前記機体と接続され上方に伸び、前記機体を吊り下げて支持する繋留体と、
を備え、
前記機体が繋留体により吊り下げられている状態において、前記推力発生部により、前記機体に対して下方に力を生じさせる、または、前記機体に生じる重力よりも小さい力を上方に生じさせる、
機体の制御方法。

１ 作業システム
２ 機体
３ 回転翼
４ モータ
５ 繋留体

Claims (8)

1. 推力発生部と、
   前記推力発生部を支持する機体と、
   前記機体と接続され上方に伸び、前記機体を吊り下げて支持する繋留体と、
   を備え、
   前記機体が繋留体により吊り下げられている状態において、前記推力発生部は、前記機体に対して下方に力を生じさせる、または、前記機体に生じる重力よりも小さい力を上方に生じさせる、
   作業システム。
2. 前記繋留体は、水平方向に移動可能であり、
   前記推力発生部により下方または上方に力を生じさせた状態で、前記繋留体を水平方向に移動させることにより、前記機体を水平方向に移動させる、
   請求項１に記載の作業システム。
3. 前記推力発生部は回転翼であり、
   前記回転翼は、回転が制御される際に、時計回りで回転する少なくとも１の第１の回転翼と、反時計回りで回転する少なくとも１の第２の回転翼を有し、
   前記第１の回転翼の回転数と、前記第２の回転翼の回転数とを異ならせる制御を行うことにより、水平面に直交する軸を中心として前記機体を回転させる、
   請求項１または２に記載の作業システム。
4. 前記機体は、前記繋留体の上下方向の移動に応じて、上下方向に移動する、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の作業システム。
5. 前記繋留体に、機体のヨー軸周りに回転自在な回転ジョイントが設けられている、請求項１～４のいずれか１項に記載の作業システム。
6. 前記繋留体に、重りが設けられている、請求項１～５のいずれか１項に記載の作業システム。
7. 外部の装置と前記機体との間でデータ通信するための通信ケーブル、及び、前記機体に電力を供給する電力ケーブルの少なくとも何れかが、前記繋留体と一体に設けられている、請求項１～６のいずれか１項に記載の作業システム。
8. 作業を行う機体の制御方法であって、
   前記機体は、
   前記機体により支持される推力発生部と、
   前記機体と接続され上方に伸び、前記機体を吊り下げて支持する繋留体と、
   を備え、
   前記機体が繋留体により吊り下げられている状態において、前記推力発生部により、前記機体に対して下方に力を生じさせる、または、前記機体に生じる重力よりも小さい力を上方に生じさせる、
   機体の制御方法。

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