JP2023162127A - 浮遊する移動体及びプローブ機構 - Google Patents

Abstract

【課題】浮遊する移動体を対象物に適切な圧力で接触させる。【解決手段】ばね１３の一端が接続される基材１１と、ばね１３の他端が接続されるシャフト１２であって、対象物に接触したときに基材１１に対してシャフト１２の中心軸方向に相対的に移動するシャフト１２と、を備え、ばね１３の中心軸が、シャフトの中心軸に対して角度を有するように、ばね１３が配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、浮遊する移動体及びプローブ機構に関する。

近年では、無人飛行体が様々な用途に利用され、その開発が盛んに行われている。無人飛行体としては、無線操縦される無人ヘリコプタや、いわゆるドローンが利用されている。ここで、無人飛行体にアームを取り付けて、様々な作業を行わせる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、果物をアームで保持したときの重心の変化をバッテリまたはモータの移動によって相殺して、機体を安定させることが記載されている。

特表２０１９－５３７１６１号公報

無人飛行体を利用して構造物の点検を行うことが考えられる。例えば、風力発電機のレセプタを点検することができる。このときには、ドローンに取り付けたプローブを風力発電機のレセプタに接触させて導通を点検する。しかし、ドローンに取り付けたプローブをレセプタに接触させると、レセプタからの反力によりドローンの姿勢が不安定となる虞がある。特に接触の際の衝撃や、接触した状態から機体が離れる際の急激な反力の消失による影響が大きい。また、プローブをドローン本体に固定した場合、接触位置を超えて前進しようとした際の反力により機体が回転してしまう一方で、機体がわずかでも後退すると直ちに接触した状態から機体が離れてしまうため、ちょうどよい接触状態を維持する難易度が高い。これに対して、例えば、圧縮ばねを設けることにより、プローブがレセプタに接触した状態で、圧縮バネによるストロークの範囲内で前進・後退するのに従って徐々に反力が変化するようにすることで、接触時の衝撃と離れる際の急激な反力の消失衝撃を緩和できる。同時に、ストローク範囲内であれば機体の位置が変動しても過剰な反力を発生させることなく接触を維持することができる。

しかし、圧縮ばねを用いることにより、プローブの全長が長くなってしまい、無人飛行体の質量が増加する虞がある。また、例えば、圧縮ばねは、最も縮んだ状態でばねが収まるスペースを確保する必要があり、そのスペースの分だけプローブの全長が長くなる。また、プローブに設けた圧縮ばねが発生させる反力は、ばねの変位に比例する。ここで、衝撃の吸収およびドローンの制御の安定化を考えると、プローブがレセプタに接触した直後のばねの反力は小さいほうが好ましい。これは、接触した状態から機体が離れる際の反力の減少についても同様である。すなわち、プローブがレセプタに接触するときには、反力が急激に増加すると機体の制御が困難となり機体の姿勢が不安定になり得る。そのため、反力の変化は緩慢であることが好ましい。一方、機体が風力発電機に近付きすぎた場合には、機体と風力発電機とが接触する虞があるため、機体を強く押し戻すことが好ましい。しかし、プローブがレセプタに接触した直後のばねの反力が小さくなるように圧縮ばねのばね定数を設定した場合には、機体が風力発電機に近付きすぎたときであっても、機体を強く押し戻す反力を発生させることが困難になり得る。

本発明は、上記したような種々の実情を鑑みてなされたものであり、その目的は、浮遊する移動体を対象物に適切な圧力で接触させることにある。

本発明の態様の一つは、
ばねの一端が接続される基材と、
前記ばねの他端が接続されるシャフトであって、対象物に接触したときに前記基材に対して前記シャフトの中心軸方向に相対的に移動するシャフトと、
を備え、
前記ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸に対して角度を有するように、前記ばねが配置される、
浮遊する移動体である。

また、本発明の態様の一つは、
引張ばねの一端が接続される基材と、
前記引張ばねの他端が接続されるシャフトであって、対象物に接触したときに前記基材に対して前記シャフトの中心軸方向に相対的に移動するシャフトと、
を備え、
前記基材は、前記シャフトを中心軸方向に移動可能に支持する案内を備え、
前記引張ばねの前記他端は、前記案内よりも、前記シャフトが前記対象物に接触したときに前記基材に対して相対的に移動する方向側に接続され、
前記引張ばねが、
前記シャフトが前記対象物に接触する前は、前記引張ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸と直交するように、
前記シャフトが前記対象物に接触した後は、前記基材が前記対象物に近付くほど、前記引張ばねの中心軸と前記シャフトの中心軸とのなす角が小さくなるように、
配置される、
プローブ機構である。

本発明によれば、浮遊する移動体を対象物に適切な圧力で接触させることができる。

実施形態に係る風力発電機を点検するドローンの概略構成の一例を示した図である。 第１実施形態に係るプローブ機構を備えたドローンの概略構成の一例を示した図である。 第１実施形態に係るプローブ機構の概略構成の一例を示した図である。 実施形態に係るプローブ機構が対象物に接触した直後の状態を上方から見た図である。 実施形態に係るプローブ機構が対象物に接触した後に、ドローンが前進しているときの状態を上方から見た図である。 実施形態に係る図５に示した状態からドローンが後退した直後の状態を上方から見た図である。 実施形態に係るドローンが後退している途中の状態を上方から見た図である。 従来の圧縮ばねを用いたプローブと第実施形態に係るプローブ機構とを比較した図である。 実施形態に係るシャフトの移動量と反力との関係を説明するための図である。 実施形態に係る線Ｌ１，線Ｌ２、線Ｌ３，及び、線Ｌ４の夫々において発生する反力が要求を満たしているか否かをまとめた図である。 第２実施形態に係るプローブ機構の概略構成の一例を示した図である。 第２実施形態に係るプローブ機構を上側から見た図であって、シャフト及び導線が対象物に接触する前の状態を示した図である。 第２実施形態に係るプローブ機構を上側から見た図であって、シャフト又は導線が対象物に接触した後の状態を示した図である。 第３実施形態に係るプローブ機構の概略構成の一例を示した図である。

本発明に係る浮遊する移動体は、ばねの一端が接続される基材と、前記ばねの他端が接続されるシャフトであって、対象物に接触したときに前記基材に対して前記シャフトの中心軸方向に相対的に移動するシャフトと、を備える。そして、前記ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸に対して角度を有するように、前記ばねが配置される。

シャフトは、先端が対象物に接触すると、シャフトの中心軸方向に基材に対して相対移動することができる。このシャフトの先端には、例えば、対象物を点検するための部材を取り付けることができる。シャフトには、ばねが接続されている。なお、ばねは、シャフトに直接接続する必要は必ずしもなく、シャフトに固定されている部材を介してシャフトに接続されていてもよい。このばねは、一端が基材に接続されており、シャフトが基材に対して相対的に移動することにより伸ばされる。伸びたばねには弾性力が発生するため、ばねは、対象物に接触して移動したシャフトを元の位置に戻すように弾性力を発生させる。

ばねは、その中心軸が、シャフトの中心軸に対して角度を有するように配置されている。すなわち、ばねの中心軸とシャフトの中心軸とが平行にならないように、ばねが配置されている。ばねの他端はシャフトに接続されているため、シャフトの移動に伴い、ばねの他端の位置が変化するので、シャフトの中心軸とばねの中心軸との角度が変化する。ばねが伸びるに従って、ばねの中心軸方向に発生する弾性力が大きくなり、さらに、ばねが伸びるに従って、シャフトの中心軸とばねの中心軸とのなす角が小さくなる。したがって、ばねが伸びるに従って、シャフトの中心軸方向の弾性力の成分が増加する。そのため、シャフトを押し戻す力は、シャフトの移動に伴い非線形に増加するので、シャフトが対象物から受ける反力も非線形に増加する。

シャフトが対象物に接触した直後には、シャフトの移動量の増加量に対する反力の増加量（以下、反力の増加率ともいう）が小さいため、反力が急激に増加することを抑制できる。これにより、移動体の制御が容易になるため、移動体の姿勢が不安定になることを抑制できる。一方、シャフトの移動量が大きくなると、反力の増加率が大きくなるため、反力が急激に増加する。これにより、シャフト以外の移動体の部位が対象物に接触する前に、移動体を押し戻す大きな力が急激に発生して、移動体を強く押し返すことができる。したがって、シャフト以外の部位が対象物に接触することを抑制できる。

また、前記ばねは、引張ばねであり、前記シャフトが前記対象物に接触した後は、前記基材が前記対象物に近付くほど、前記ばねの中心軸と前記シャフトの中心軸とのなす角が小さくなるように、前記ばねが配置されていてもよい。基材が対象物に近付くほど、ばねの中心軸とシャフトの中心軸とのなす角が小さくなることにより、より大きな力をシャフトに加えることができるため、より大きな反力を得ることができる。そのため、移動体が対象物に接触することを抑制できる。また、シャフトが対象物に接触した直後には、ばねの中心軸とシャフトの中心軸とのなす角が大きいために、反力が小さく、また、シャフトの移動に伴う反力の増加率も小さいため、移動体の制御が容易になる。

また、前記基材は、前記シャフトを中心軸方向に移動可能に支持する案内を備え、前記
ばねの前記他端は、前記案内よりも、前記シャフトが前記対象物に接触したときに前記基材に対して相対的に移動する方向側に接続されていてもよい。基材が案内を備えることにより、基材に対してシャフトをシャフトの中心軸方向に移動させることができる。また、ばねの他端が、案内よりも、シャフトの移動方向側に接続されているため、シャフトの移動と共にばねが伸びることができる。案内には、例えばリニアブッシュを採用することができる。

また、前記シャフトが前記対象物に接触する前は、前記ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸と直交するように、前記ばねが配置されていてもよい。ばねの中心軸がシャフトの中心軸と直交しているときには、たとえばねに弾性力が発生していたとしても、シャフトを移動させる方向には力が発生していない。したがって、対象物に接触した直後の弾性力を小さくすることができる。一方、シャフトが対象物に接触してシャフトが押されると、シャフトが基材に対して相対移動する。これにより、ばねの中心軸とシャフトの中心軸とのなす角が、９０度よりも小さくなる。これにより、シャフトを対象物に接触させる方向に弾性力が発生する。また、シャフトが移動するほど、弾性力をより大きくすることができる。

また、前記シャフトが前記対象物に接触した後において、前記シャフトの移動量が目標移動量よりも小さいときには、前記シャフトの移動量の増加量に対する反力の増加量の比が所定値未満となり、前記シャフトの移動量が前記目標移動量よりも大きいときには、前記シャフトの移動量の増加量に対する反力の増加量の比が所定値よりも大きくなるように、前記ばねが配置されていてもよい。上記のように、シャフトが対象物に接触した後にシャフトが移動するにしたがって、シャフトとばねとのなす角が小さくなり且つばねが伸びるため、反力が非線形に増加する。ここで、シャフトの移動量が目標移動量よりも小さいときには、シャフトの移動量の増加量に対する反力の増加量の比（以下、反力の増加率ともいう。）が比較的小さいほうが、移動体を制御し易い。この場合、反力の増加率が所定値未満となるようにばねを配置することにより、移動体の制御が容易になる。一方、シャフトの移動量が目標移動量よりも大きいときには、反力の増加率が比較的大きいほうが、移動体が対象物に接触することを抑制できる。この場合、反力の増加率が所定値よりも大きくなるようにばねを配置することにより、移動体が対象物に接触することを抑制できる。ここで、反力の増加率は、例えば、ばね定数、および、シャフトが対象物に接触する前のばねの長さ等によって変化し得る。そのため、上記の条件が満たされるように、ばね定数、および、シャフトが対象物に接触する前のばねの長さ等を決定して、ばねを配置することにより、シャフトの移動量が目標移動量よりも小さいときに反力の増加率を小さくすることと、シャフトの移動量が目標移動量よりも大きいときに反力の増加率を大きくすることとを両立できる。なお、上記の所定値は、シャフトの移動量が目標移動量のときの反力の増加率であり、移動体の姿勢を安定させる増加率と、移動体を強く押し返す増加率との境界となる増加率である。

また、本発明に係るプローブ機構は、引張ばねの一端が接続される基材と、前記引張ばねの他端が接続されるシャフトであって、対象物に接触したときに前記基材に対して前記シャフトの中心軸方向に相対的に移動するシャフトと、を備え、前記基材は、前記シャフトを中心軸方向に移動可能に支持する案内を備え、前記引張ばねの前記他端は、前記案内よりも、前記シャフトが前記対象物に接触したときに前記基材に対して相対的に移動する方向側に接続され、前記引張ばねが、前記シャフトが前記対象物に接触する前は、前記引張ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸と直交するように、前記シャフトが前記対象物に接触した後は、前記基材が前記対象物に近付くほど、前記引張ばねの中心軸と前記シャフトの中心軸とのなす角が小さくなるように、配置される。

なお、プローブは対象物に接触して調べるための用具であり、プローブの形状は針状に
限らない。また、プローブ機構は、浮遊する移動体に備えることができるが、備えることができるのは浮遊する移動体に限らない。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。また、以下の実施形態は可能な限り組み合わせることができる。

＜第１実施形態＞
第１実施形態では、風力発電機２０を点検するドローン１を例に挙げて説明する。図１は、実施形態に係る風力発電機２０を点検するドローン１の概略構成の一例を示した図である。風力発電機２０は、地上に直立するタワー２１と、タワー２１の上部に備わり風を受けて回転するブレード２２を備える。なお、ドローン１は、浮遊する移動体の一例である。

ドローン１は、例えば、風力発電機２０のブレード２２に取り付けられたレセプタ２３を点検するドローンである。ここで、風力発電機２０では、落雷の被害を抑制するためにレセプタ２３を設けることがある。レセプタ２３は、接地電極に電線等を介して接続されており、雷の電流がレセプタ２３から接地電極に流れるようになっている。

レセプタ２３から接地電極までの電線が導通しているか否かをドローン１によって点検する。例えば、ドローン１がレセプタ２３に電圧を印加したときの電流値を検出してもよい。そのため、ドローン１も接地電極まで電線を介して接続されている必要があるので、ドローン１には、接地電極まで通じるワイヤ３０が接続されている。このワイヤ３０には、ドローン１の制御用の電線またはドローン１に電力を供給するための電線が含まれていてもよい。ワイヤ３０は、レセプタ２３を点検するための点検装置３１に接続されている。点検装置３１は、レセプタ２３から接地電極までの電線の導通を点検するための装置である。なお、ワイヤ３０の重量を保持するなどの目的で、ドローン１とは別のドローンもしくはタワー２１上を移動するロボットなどをワイヤ３０上に配置してもよい。

ドローン１は、プローブ機構１０を有している。プローブ機構１０は、レセプタ２３に接触させることにより導通を点検するための機構であり、例えば電極を含んで構成されている。プローブ機構１０の電極には上記のワイヤ３０が接続されている。

図２は、第１実施形態に係るプローブ機構１０を備えたドローン１の概略構成の一例を示した図である。ドローン１は、本体部１１０を含んで構成される。本体部１１０は、複数の推進ユニット１１１を有している。なお、図１に示す例では、４つの推進ユニット１１１が本体部１１０に搭載されているが、本体部１１０の飛行が可能な限りにおいては、推進ユニット１１１の搭載数は複数であれば４つに限られない。推進ユニット１１１は、回転翼であるプロペラ１１２とそれを回転駆動するためのアクチュエータ１１３を有している。本体部１１０に搭載されている推進ユニット１１１は、全て同種類のユニットであるが、それぞれの推進ユニット１１１においてアクチュエータ１１３は独立して制御可能である。そのため、各推進ユニット１１１により得られる推進力を適宜制御することが可能であり、以て、本体部１１０及びドローン１における飛行姿勢や飛行速度等を適宜制御することが可能となる。

なお、以下において、ドローン１が空中で静止しているときの推進ユニット１１１の推進力の方向、すなわち、図２の上側に向かう方向を上下方向の上方向とし、推進力とは逆方向、すなわち、図２の下側に向かう方向を上下方向の下方向とする。下方向は、重力方向と同じである。また、上方向は、図１におけるタワー２１の中心軸方向の先端側であり
、下方向は、図１におけるタワー２１の中心軸方向の地面側である。また、タワー２１の中心軸と直交する方向を水平方向とする。

ここで本体部１１０では、概ねその中央にボディ１１４を有し、そこから放射状にブリッジ１１５を介して、その先端側に推進ユニット１１１が設けられている。４つの推進ユニット１１１は、ボディ１１４を中心として円周上に等間隔で配列されている。

また、ブリッジ１１５には、着陸するときに本体部１１０を支持する４つの脚部１２０が接続されている。４つの脚部１２０は、ボディ１１４を中心として円周上に等間隔で配列され、ブリッジ１１５から下方向に伸びている。なお、本実施形態では、４つの脚部１２０を備えているが、脚部１２０の数はこれに限らず、３つ以上であればよい。

また、ボディ１１４には、各推進ユニット１１１のアクチュエータ１１３に駆動電力を供給するためのバッテリや、当該バッテリからアクチュエータ１１３への電力供給等を制御する制御装置６０が搭載されている。

制御装置６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM）が備わるコンピュータと、ドローン１の姿勢や動作を制御するフライトコントローラー などから
なる。ＥＰＲＯＭには、各種プログラム、各種テーブル等が格納される。ＥＰＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭの作業領域にロードして実行し、このプログラムの実行を通じて、フライトコントローラーへ移動または上昇などの指示がなされ、それを基にしてフライトコントローラーがアクチュエータ１１３等を制御する。これにより、所定の目的に合致した機能をＣＰＵが実現する。

また、制御装置６０は、外部と有線または無線によって通信を行う通信部を備え、通信部を介して制御指令を受信して、その制御指令に応じて動作の内容を切替えてもよい。このときに、制御装置６０は、通常のドローンと同じように操作者が手動でコントローラーを操作することによる制御入力やあらかじめフライトコントローラーに格納された飛行計画に従ってフライトコントローラーが推進ユニット１１１を制御してもよい。また、制御装置６０は、後述するレーザセンサ１５１及びカメラ１５２からの信号に基づいて、プローブ機構１０をレセプタ２３に接触させる制御を実施する。

ボディ１１４の上部には、プローブ機構１０を取り付けるロッド１４０を支持する支持部１４１が設けられている。また、プローブ機構１０は、４つのプロペラ１１２を含む水平面よりも上側に配置される。ロッド１４０は、円筒形に形成されており、水平方向に配置されている。なお、以下において、ドローン１が空中で静止しているときの、ロッド１４０の中心軸の方向であって、支持部１４１からプローブ機構１０に向かう方向を前方向とし、支持部１４１からプローブ機構１０が取り付けられていない側に向かう方向を後方向とする。

プローブ機構１０は、ロッド１４０の前端に取り付けられる。また、プローブ機構１０には、対象物（すなわち、レセプタ２３）までの距離を測定するためのレーザセンサ１５１、レセプタ２３の位置を特定するためのカメラ１５２が設けられている。

図３は、第１実施形態に係るプローブ機構１０の概略構成の一例を示した図である。プローブ機構１０は、アーム１１、シャフト１２、及び、２つのばね１３を備えて構成されている。アーム１１は、ロッド１４０の先端にシャフト固定部材１４２を介して固定されている。アーム１１およびシャフト１２の材料には、例えば樹脂又は金属などを適宜使用できる。アーム１１は、ロッド１４０の先端部から水平方向に延びる板状の部材である。
なお、以下では、上下方向及び前後方向に直交する方向を左右方向とする。そして、ドローン１の前方からドローン１を見て右側を右方向とし、左側を左方向とする。なお、アーム１１は、基材の一例である。

アーム１１の左右方向の夫々の端部には、アーム１１の中央部１１Ａよりも後方に突出している突出部１１Ｂが形成されている。両突出部１１Ｂには、夫々、アーム１１にばね１３を取り付けるための孔１１Ｃが形成されている。なお、アーム１１にばね１３を取り付けるときには、孔１１Ｃにピン又はボルトを通し、このピン又はボルトにばね１３を引っ掛けてもよいし、孔１１Ｃにばね１３の端部を直接引っ掛けてもよい。また、突出部１１Ｂが、アーム１１の中央部１１Ａよりも上方向に位置するように１つ以上の屈曲部１１Ｄが形成されている。屈曲部１１Ｄでは、例えば、シャフト１２の中心軸と平行にアーム１１が屈曲されている。なお、アーム１１を屈曲させるのではなく突出部１１Ｂと孔１１Ｃを中央部１１Ａよりも上方向に配置するための支柱などをアーム１１上に配置してもよい。

シャフト１２は、アーム１１に対して前後方向に相対移動する円筒形の部材である。ただし、形状は円筒形に限らず、ボールスプラインやＬＭガイドのように案内１６との間を転動するボールを保持し、ロール方向の回転を防ぐ転動溝を備えていてもよい。シャフト１２は、その中心軸がロッド１４０の中心軸と平行となるように配置され、ロッド１４０の中心軸と平行に進退する。シャフト１２の後端部には、ばね１３が接続されるばね接続部１４が設けられている。ばね接続部１４には、ばね１３を取り付けるための２つの孔１４Ａが形成されている。孔１４Ａは、シャフト１２よりも右側及び左側に夫々形成されている。

シャフト１２の前端部には、検知部１５が取り付けられている。本実施形態に係る検知部１５は、風力発電機の点検を目的とする電極１５Ａを備えている。電極１５Ａにはワイヤ３０の一端が接続され、このワイヤ３０の他端は地上に配置される点検装置３１に接続されている。また、電極１５Ａがレセプタ２３に接触した後で滑りなどによってその位置がずれることを抑制するため、その周囲に別途滑り止めなどの構造を追加してもよい。

アーム１１には、シャフト１２を中心軸方向に進退可能に支持する案内１６が設けられている。案内１６は、例えば、リニアブッシュのような転がり案内装置を含んで構成される。断面円筒状の案内は、その円筒の内径に中心軸方向に沿って複数のボールが設けられており、スムーズにシャフトを案内することが可能である。案内１６とシャフト１２との摩擦は、少なくとも、後述するばね１３の弾性力によりシャフト１２を前方に押し出すことができ、且つ、シャフト１２の先端がレセプタ２３等に接触したときに、シャフト１２が後方に移動するように設定される。

ばね１３は、引張ばねであり、その一端がばね接続部１４に接続され、他端が突出部１１Ｂに接続される。２つのばね１３のうち、一方のばね１３は、アーム１１の右側の突出部１１Ｂの孔１１Ｃと、ばね接続部１４の右側の孔１４Ａとに取り付けられ、他方のばね１３は、アーム１１の左側の突出部１１Ｂの孔１１Ｃと、ばね接続部１４の右側の孔１４Ａとに取り付けられる。

ここで、ばね１３の中心軸は、外部からシャフト１２に力が加わっていないときに、シャフト１２の中心軸と直交するように、且つ、水平方向（すなわち、左右方向）に配置される。このときに、ばね１３が、アーム１１及び案内１６に接触しないように、突出部１１Ｂの後方への突出量が決定される。また、このときに、ばね１３が水平方向に配置されるように、突出部１１Ｂの上下方向の位置が決定される。また、シャフト１２に力が加わっていなくても、振動や自重などの要因でシャフト１２が移動しないように保持するなど
の目的で、突出部１１Ｂ及び孔１１Ｃの位置を前方にシフトさせる、または、案内１６とばね接続部１４の間にスペーサーを設けるなどの方法で、ばね１３の中心軸とシャフト１２の中心軸が外部から力が加わっていない状態でも直交する手前の位置で物理的に拘束され、ばね１３の弾性力によってシャフト１２が前方に一定の力で押し付けられている状態が維持されるように構成してもよい。

また、アーム１１の突出部１１Ｂの孔１１Ｃと、シャフト１２の中心軸との距離は、例えば、要求される反力を得られる距離となるように決定される。例えば、アーム１１の突出部１１Ｂの孔１１Ｃと、シャフト１２の中心軸との距離が短すぎる場合には、シャフト１２の移動したときの、シャフト１２の中心軸とばね１３の中心軸とのなす角の変化量が大きくなる。したがって、レセプタ２３に接触したときに反力が急激に大きくなり、ドローン１の姿勢の制御が難しくなる。一方、アーム１１の突出部１１Ｂの孔１１Ｃと、シャフト１２の中心軸との距離が長すぎる場合には、シャフト１２の移動したときの、シャフト１２の中心軸とばね１３の中心軸とのなす角の変化量が小さくなる。したがって、レセプタ２３に接触したときに反力の変化が緩慢となるが、要求する反力が得られない虞もある。したがって、要求される力でシャフト１２を押すように、アーム１１の突出部１１Ｂの孔１１Ｃとシャフト１２の中心軸との距離、及び、ばね定数が決定される。なお、アーム１１の突出部１１Ｂの孔１１Ｃとばね接続部１４の孔１４Ａとの距離、または、ばね１３の長さも、同様にして決定することができる。

このように構成されたドローン１では、風力発電機２０のレセプタ２３から接地電極までの導通を検査するときに、プローブ機構１０の先端の電極１５Ａをレセプタ２３に接触させるように飛行する。例えば、カメラ１５２によってレセプタ２３が撮像可能となるまでは、ユーザによる目視でのドローン１の操縦が行われ、カメラ１５２によってレセプタ２３が撮像可能となると、カメラ１５２によって撮像される画像及びレーザセンサ１５１によって測定されるレセプタ２３もしくはブレード２２までの距離に基づいて、ドローン１が自律飛行を実施する。そして、制御装置６０は、電極１５Ａをレセプタ２３に接触させつつ、レーザセンサ１５１によって測定されるレセプタ２３もしくはブレード２２までの距離が所定の距離となるように推進ユニット１１１を制御する。このようにして、電極１５Ａとレセプタ２３との接触状態を維持することで、レセプタ２３の導通検査を実施することができる。

次に、図４から図７に基づいて、プローブ機構１０を対象物２００に接触させるときの動作を説明する。図４は、実施形態に係るプローブ機構１０が対象物２００に接触した直後の状態を上方から見た図である。図５は、実施形態に係るプローブ機構１０が対象物２００に接触した後に、ドローン１が前進しているときの状態を上方から見た図である。図６は、実施形態に係る図５に示した状態からドローン１が後退した直後の状態を上方から見た図である。図７は、実施形態に係るドローン１が後退している途中の状態を上方から見た図である。

図４に示されるように、プローブ機構１０が対象物２００に接触したときには、ばね１３の中心軸がシャフト１２の中心軸と直交しており、ばね１３の長さが最も短い状態となっている。この状態におけるばね１３は、シャフト１２の中心軸方向の力を発生させていない。なお、この状態におけるばね１３は、自由長よりも長くなっていてもよい。また、図４に示した状態では、ばね接続部１４の前端が案内１６の後端に接触している。したがって、プローブ機構１０が対象物２００に接触する前であっても、シャフト１２が案内１６に対してこれ以上前方に相対移動することはない。

また、図４に示した状態では、シャフト１２は、案内１６に対して後方に相対移動が可能である。ただし、シャフト１２が対象物２００に接触するまでは、シャフト１２が後方
に相対移動しようとしても、ばね１３の弾性力によって引き戻される。ここで、シャフト１２が案内１６に対して相対的に後方に移動すると、ばね１３の中心軸とシャフト１２の中心軸とのなす角が、９０度よりも小さくなる。すなわち、ばね１３がシャフト１２に対して斜めに接続された状態となる。このときには、ばね１３が自由長よりも長くなっているため、ばね１３が縮む方向に弾性力が発生する。この弾性力には、シャフト１２の中心軸方向の成分が含まれており、且つ、シャフト１２は案内１６により中心軸方向以外の移動が制限されているため、シャフト１２は中心軸方向に移動する。この弾性力によりシャフト１２が前方に押されるため、図４に示した状態では、ばね接続部１４が案内１６に接触した状態が維持される。このように、プローブ機構１０が対象物２００に接触するまでは、ばね１３の中心軸がシャフト１２の中心軸と直交した状態が維持されている。

また、シャフト１２が対象物２００に接触した後であっても、ばね１３の中心軸とシャフト１２の中心軸とのなす角が９０度に近い状態では、ばね１３がシャフト１２を前方に押す力が小さいため、対象物２００から受ける反力も小さくなる。

また、図５に示した状態では、シャフト１２が対象物２００を押すことにより反力を受けるため、シャフト１２が案内１６に対して相対的に後方に移動する。このときには、ばね１３が伸びるため、ばね１３が縮む方向に弾性力が発生する。この弾性力には、シャフト１２の中心軸方向の成分が含まれているため、シャフト１２は前方に付勢される。したがって、シャフト１２の先端部の電極１５Ａが対象物２００に押し付けられる。これにより、電極１５Ａと対象物２００との接触状態が維持される。また、ばね１３の中心軸とシャフト１２の中心軸とのなす角が、９０度よりも小さくなるほど、ばね１３の弾性力が大きくなり、伸縮方向に働く弾性力の割合も大きくなるため、対象物２００から受ける反力も大きくなる。

次に、図６に示した状態では、ドローン１が対象物２００から遠ざかる方向に移動している。このときにも、シャフト１２はばね１３によって対象物２００の方向に付勢されているため、電極１５Ａが対象物２００から離れることが抑制される。したがって、例えば、ドローン１の姿勢が不安定となり前後方向に移動したとしても、電極１５Ａと対象物２００との接触状態を維持することができる。

また、図７に示した状態では、図６に示した状態よりもドローン１が対象物２００から更に遠ざかる方向に移動している。この場合、ばね１３の長さが短くなることによりシャフト１２を対象物２００に押し付ける力が小さくなるが、電極１５Ａと対象物２００の接触状態の維持は可能である。また、シャフト１２が対象物２００から受ける反力が小さくなるため、強い力でドローン１が押されることが抑制されるので、ドローン１が対象物２００から離れるときに、ドローン１の姿勢が不安定になることを抑制できる。

図８は、従来の圧縮ばねを用いたプローブと第１実施形態に係るプローブ機構１０とを比較した図である。符号の９１は、従来の圧縮ばねを用いたプローブであって、対象物に接触する直前のプローブを示しており、符号の９２は、従来の圧縮ばねを用いたプローブであって、対象物に接触してばねが最も圧縮された状態を示しており、符号の９３は、本実施形態に係るプローブ機構１０であって、対象物に接触する直前のプローブ機構１０の状態を示しており、符号の９４は、本実施形態に係るプローブ機構１０であってシャフト１２がアーム１１に対して後方に最も移動した状態を示している。図８では、従来の圧縮ばねを用いたプローブのストローク量と、本実施形態に係るプローブ機構１０のストローク量とが等しい場合を示している。このストローク量をＬ１０で示している。

従来の圧縮ばねを用いたプローブ（符号９１，符号９２）では、シャフトの中心軸と圧縮ばねの中心軸が同一線上に存在しており、圧縮ばねが最も圧縮された状態（すなわち、
符号９２で示した状態）においても圧縮されたばねが収まるスペース（すなわち、図８においてＬ１１で示した長さ分のスペース）が必要となる。したがって、符号９１に示されるように、対象物に接触する前には、Ｌ１２で示した長さ分のスペースが必要となる。

一方、本実施形態に係るプローブ機構１０では、ばね１３が最も縮んだときに、符号９３で示されるように、ばね１３がシャフト１２と直交するように配置されるため、シャフト１２の中心軸方向に必要な長さが短くなる。したがって、シャフト１２の長さ方向の省スペース化が可能となる。

ところで、シャフト１２をレセプタ２３に接触させた直後に、急激に大きな反力が発生するとドローン１の姿勢制御が困難になり得る。したがって、シャフト１２をレセプタ２３に接触させた直後では、反力の変化が緩慢であるのことが好ましい。一方、シャフト１２をレセプタ２３に接触させた後に、ドローン１が過度に前進してしまうと、シャフト１２以外の例えばプロペラ１１２が風力発電機２０のブレード２２等に接触する虞があるため、ドローン１を大きな力で押し戻すことが好ましい。

ここで、図９は、実施形態に係るシャフト１２の移動量と反力との関係を説明するための図である。横軸はシャフト１２の移動量を示しており、縦軸はシャフト１２が対象物から受ける反力を示している。線Ｌ１は、本実施形態に係るプローブ機構１０の場合を示しており、線Ｌ２は、従来の圧縮ばねを用いたプローブであってばね定数が比較的小さい場合を示しており、線Ｌ３は、従来の圧縮ばねを用いたプローブであってばね定数が比較的大きい場合を示しており、線Ｌ４は、従来の圧縮ばねを用いたプローブであってばね定数が中程度の場合を示している。なお、従来の圧縮ばねを用いたプローブは、図８において符号９１及び符号９２で示されるプローブと同じである。図９における「目標移動量」は、例えば１００ｍｍであり、風力発電機２０を点検するときに目標となるシャフト１２の移動量である。風力発電機２０の点検時には、シャフト１２のストロークが目標移動量となるように、制御装置６０がアクチュエータ１１３等を制御する。

線Ｌ１で示されるように、本実施形態に係るプローブ機構１０では、シャフト１２の移動量に対する反力が非線形の関係となる。一方、従来の圧縮ばねを用いたプローブでは、線Ｌ２，線Ｌ３，線Ｌ４で示されるように、移動量に対する反力が線形の関係となる。上記のように、シャフト１２がレセプタ２３に接触した直後には、シャフト１２の移動量の増加量に対する反力の増加量（反力の増加率）は小さいほうが好ましいため、図９における線の傾きが小さいほうが好ましい。一方、シャフト１２でレセプタ２３を押す力が過度に大きくなった場合には、速やかに大きな反力を発生させることが好ましい。したがって、移動量が大きいときには、反力の増加率は大きいほうが好ましいため、図９における線の傾きが大きいほうが好ましい。例えば、線Ｌ２では、移動量が小さいときには、反力の増加率が小さいために上記の要求に合致しているが、移動量が大きいときには、反力の増加率が小さすぎて、上記の要求には合致していない。一方、線Ｌ３では、移動量が大きいときには、反力の増加率が大きいために上記の要求に合致しているが、移動量が小さいときには、反力の増加率が大きすぎて、上記の要求には合致していない。さらに、線Ｌ４では、移動量が小さいときには反力の増加率が過度に大きくなる虞があり、また、移動量が大きいときには反力の増加率が過度に小さくなる虞があり、上記の要求には合致しない。

以上の関係を図１０にまとめている。図１０は、実施形態に係る線Ｌ１，線Ｌ２、線Ｌ３，及び、線Ｌ４の夫々において発生する反力が要求を満たしているか否かをまとめた図である。図１０中の丸印は要求を満たしていることを示しており、ばつ印は要求を満たしていないことを示している。また、三角印は、条件によっては要求を満たすが完全に満足するには至らないことを示している。「接触時」は、シャフト１２がレセプタ２３に接触した直後のときであり、例えば、シャフト１２の移動量が目標移動量よりも小さい場合を
示している。一方、「過大時」は、シャフト１２でレセプタ２３を押す力が過度に大きくなったときであり、例えば、シャフト１２の移動量が目標移動量よりも大きい場合を示している。

図１０において、「接触時」及び「過大時」の両方で要求を満たすのは、本実施形態に係るプローブ機構１０だけである。このように、本実施形態に係るプローブ機構１０では、従来の圧縮ばねを用いたプローブでは実現できなかった「接触時」及び「過大時」の両方において適切な反力を発生させることができる。

なお、前述のように、アーム１１の突出部１１Ｂの孔１１Ｃと、シャフト１２の中心軸との距離（アーム１１の突出部１１Ｂの孔１１Ｃとばね接続部１４の孔１４Ａとの距離、または、ばね１３の長さとしてもよい。）、及び、ばね１３のばね定数によって、反力の増加率が変わる。したがって、シャフト１２が対象物に接触した後においてシャフト１２トの移動量が目標移動量よりも小さいときには、反力の増加率が所定値未満となり、シャフト１２の移動量が目標移動量よりも大きいときには、反力の増加率が所定値よりも大きくなるように、ばね１３を配置してもよい。ここでいう所定値は、シャフトの移動量が目標移動量であるときの反力の増加率である。

以上説明したように、第１実施形態に係るプローブ機構１０によれば、シャフト１２の中心軸方向の長さをより短くすることができる。また、シャフト１２がレセプタ２３に接触した後のシャフト１２の移動量が小さいときには、ばね１３でレセプタ２３を押し付ける力が小さいために、その反力も小さくなるので、反力が急激に増加してドローン１の姿勢制御が困難になることを抑制できる。一方、シャフト１２の移動量が大きいときには、ばね１３がシャフト１２を前方に移動させる力がより大きくなるため、ドローン１を大きな力で押し戻すことができるので、シャフト１２以外のドローン１の部材が風力発電機２０に接触することを抑制できる。また、ばね１３によって電極１５Ａをレセプタ２３に適切な力で押し付けることができるため、導通検査を容易且つ高精度に実施することが可能となる。

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係るプローブ機構１０００の概略構成の一例を示した図である。本実施形態に係るプローブ機構１０００は、２つのシャフト１００１、２つの案内１００２、移動側フレーム１００３、固定側フレーム１００４、マウント１００５、センサ１００６、２つのばね１００７、及び、導線１００８を備えている。プローブ機構１０００は、第１実施形態で説明したロッド１４０の先端部に取り付けられる。

ロッド１４０にプローブ機構１０００を取り付けるときには、ロッド１４０の先端部にマウント１００５を固定する。もしくは、ロッド１４０と固定側フレーム１００４とを固定してもよい。この固定は、第１実施形態と同様にシャフト固定部材１４２を介して行う。また、マウント１００５の上面には、センサ１００６が固定されている。センサ１００６は、第１実施形態で説明したレーザセンサ１５１、及び、カメラ１５２である。また、マウント１００５には、固定側フレーム１００４が固定されている。固定側フレーム１００４は、円筒形に形成されており、ロッド１４０に直交する方向であって左右方向に延びている。ただし、固定側フレーム１００４は板状などでもよく、円筒形状に限定しない。固定側フレーム１００４の両端には夫々案内１００２が設けられている。案内１００２は、第１実施形態で説明した案内１６と同様に、シャフト１００１を前後方向に進退可能に支持している。２つのシャフト１００１は、その中心軸がロッド１４０の中心軸と平行となるように配置される。また、２つのシャフト１００１は、ロッド１４０の右側及び左側に等距離に離間して配置される。

２つのシャフト１００１の後端は、移動側フレーム１００３を介して接続されている。移動側フレーム１００３は、固定側フレーム１００４と平行に配置されている円筒形の部材である。移動側フレーム１００３の両端には、夫々、異なるばね１００７の一端側が接続されている。ばね１００７は、引張ばねであり、夫々のばね１００７の他端はマウント１００５に接続されている。２つのシャフト１００１の先端の間には、導線１００８が張られている。導線１００８は、第１実施形態における電極１５Ａと同様に、レセプタ２３の導通を検査するときにレセプタ２３に押し付けられる。導線１００８にはワイヤ３０の一端が接続され、このワイヤ３０の他端は地上に配置される点検装置３１に接続される。

図１２は、第２実施形態に係るプローブ機構１０００を上側から見た図であって、シャフト１００１及び導線１００８が対象物に接触する前の状態を示した図である。この状態では、ばね１００７は、シャフト１００１及びロッド１４０に直交するように左右方向に配置されている。一方、図１３は、第２実施形態に係るプローブ機構１０００を上側から見た図であって、シャフト１００１又は導線１００８が対象物に接触した後の状態を示した図である。シャフト１００１又は導線１００８が対象物に接触すると、シャフト１００１及び移動側フレーム１００３が、マウント１００５に対して相対的に後退する。これにより、ばね１００７が引張されると共に、ばね１００７のシャフト１００１に対する角度が変化する。このばね１００７の角度の変化により、シャフト１００１を前方に押し出す力が発生する。したがって、シャフト１００１及び導線１００８を対象物に押し付けることができる。

以上説明したように第２実施形態によるプローブ機構１０００によれば、第１実施形態と同様の効果を発揮すると共に、導線１００８によって風力発電機２０を点検することができるため、例えドローン１の位置が左右方向にずれたとしても、導線１００８とレセプタ２３との接触を維持することができる。

＜第３実施形態＞
図１４は、第３実施形態に係るプローブ機構１１００の概略構成の一例を示した図である。本実施形態に係るプローブ機構１１００は、４つのシャフト１１０１、４つの案内１１０２、移動側フレーム１１０３、固定側フレーム１１０４、マウント１１０５、センサ１１０６、４つのばね１1０７、及び、複数の導線１１０８を備えている。プローブ機構
１１００は、第１実施形態で説明したロッド１４０の先端部に取り付けられる。

４つのシャフト１１０１は、ロッド１４０と平行となるように、上下方向及び左右方向にずらして配置される。なお、マウント１１０５よりも上側には２つのシャフト１１０１が配置されており、左側のシャフト１１０１を第一シャフト１１０１Ａ、右側のシャフト１１０１を第二シャフト１１０１Ｂとする。また、マウント１１０５よりも下側には２つのシャフト１１０１が配置されており、右側のシャフト１１０１を第三シャフト１１０１Ｃ、左側のシャフト１１０１を第四シャフト１１０１Ｄとする。第一シャフト１１０１Ａ及び第二シャフト１１０１Ｂを含む平面は、水平面となる。同様に、第三シャフト１１０１Ｃ及び第四シャフト１１０１Ｄを含む平面は、水平面となる。また、第一シャフト１１０１Ａ及び第三シャフト１１０１Ｃを含む平面は、水平面に直交している。同様に第二シャフト１１０１Ｂ及び第四シャフト１１０１Ｄを含む平面は、水平面に直交している。各シャフト１１０１の前後方向の長さは同じである。

全てのシャフト１１０１は、後端部において移動側フレーム１１０３を介して接続されている。また、全てのシャフト１１０１は、案内１１０２を介して固定側フレーム１１０４に支持されている。案内１１０２は、シャフト１１０１を前後方向に進退可能に支持している。移動側フレーム１１０３及び固定側フレーム１１０４は、夫々複数の円筒形の部材を接続することで形成されている。ただし、部材の形状は板状などでもよく、円筒形に
限定しない。

固定側フレーム１１０４にはマウント１１０５が固定されている。マウント１１０５には、センサ１１０６が取り付けられている。また、マウント１１０５には、４つのばね１１０７の一端側が接続されており、各ばね１１０７の他端側は夫々移動側フレーム１１０３の上下左右の四隅に接続されている。ばね１１０７は、マウント１１０５を中心として放射状に配置されている。ばね１１０７は、引張ばねである。また、移動側フレーム１１０３の四隅には、各シャフト１１０１の後端部が接続されている。

４つのシャフト１１０１の先端の間には、導線１１０８が張られている。導線１１０８は、例えば、第一シャフト１１０１Ａと第二シャフト１１０１Ｂとの間、第一シャフト１１０１Ａと第四シャフト１１０１Ｄとの間、第二シャフト１１０１Ｂと第三シャフト１１０１Ｃとの間、及び、第三シャフト１１０１Ｃと第四シャフト１１０１Ｄとの間に張られている。導線１１０８は、第１実施形態における電極１５Ａと同様に、レセプタ２３の導通を検査するときにレセプタ２３に押し付けられる。導線１１０８にはワイヤ３０の一端が接続され、このワイヤ３０の他端は地上に配置される点検装置３１に接続される。また、センサ１１０６の動作を阻害しない性質・形状であれば導線１１０８は目の粗いメッシュや透明な電極など、広範囲を覆い導通の確認が取れる部材で置き換えてもよい。

プローブ機構１１００は、シャフト１１０１及び導線１１０８が対象物に接触する前は、４つのばね１１０７が同一平面上に配置されている。この平面は、シャフト１１０１と直交する面である。一方、シャフト１１０１及び導線１１０８が対象物に接触すると、シャフト１１０１及び移動側フレーム１１０３がマウント１１０５に対して後方に相対的に移動する。この移動により、ばね１１０７が引張されると共に、シャフト１１０１に対するばね１１０７の角度が変化することで、ばね１１０７の弾性力の一部がシャフト１１０１を前方に押し出す力となる。この力により、シャフト１１０１又は導線１１０８を対象物に押し付けることができる。

以上説明したように本実施形態によるプローブ機構１１００によれば、第１実施形態と同様の効果を発揮すると共に、導線１１０８によって風力発電機２０を点検することができるため、例えドローン１の位置が上下方向または左右方向にずれたとしても、導線１１０８とレセプタ２３との接触を維持することができる。

＜その他の実施形態＞
上記実施形態では、風力発電機２０の導通検査を行うドローン１について説明したが、例えば、シャフト１２の先端に検知部１５以外の他のエンドエフェクタを取り付けることにより、他の検査または作業をすることもできる。また、上記実施形態では、浮遊する移動体の一例として、飛行するドローン１を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、水面に浮かびながら移動する移動体、水中に潜りながら移動する移動体など、地面に接していない移動体に適用することもできる。また、第１実施形態では、アーム１１を水平方向に配置しているが、これに限らず、垂直方向に配置してもよく、斜め方向に配置してもよい。シャフト１２ついても水平方向に配置する必要は必ずしもない。また、ばね１３は、複数のばねを直列に連結したものであってもよい。この場合、ばね定数が異なるばねを連結してもよい。また、複数のばねを並列に配置してもよい。

１・・・ドローン、１０・・・プローブ機構、１１・・・アーム、１２・・・シャフト、１３・・・ばね、１４・・・ばね接続部、１５・・・検知部、１６・・・案内

Claims (6)

1. ばねの一端が接続される基材と、
   前記ばねの他端が接続されるシャフトであって、対象物に接触したときに前記基材に対して前記シャフトの中心軸方向に相対的に移動するシャフトと、
   を備え、
   前記ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸に対して角度を有するように、前記ばねが配置される、
   浮遊する移動体。
2. 前記ばねは、引張ばねであり、
   前記シャフトが前記対象物に接触した後は、前記基材が前記対象物に近付くほど、前記ばねの中心軸と前記シャフトの中心軸とのなす角が小さくなるように、前記ばねが配置される、
   請求項１に記載の浮遊する移動体。
3. 前記基材は、前記シャフトを中心軸方向に移動可能に支持する案内を備え、
   前記ばねの前記他端は、前記案内よりも、前記シャフトが前記対象物に接触したときに前記基材に対して相対的に移動する方向側に接続される、
   請求項１または２に記載の浮遊する移動体。
4. 前記シャフトが前記対象物に接触する前は、前記ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸と直交するように、前記ばねが配置される、
   請求項１または２に記載の浮遊する移動体。
5. 前記シャフトが前記対象物に接触した後において、前記シャフトの移動量が目標移動量よりも小さいときには、前記シャフトの移動量の増加量に対する反力の増加量の比が所定値未満となり、前記シャフトの移動量が前記目標移動量よりも大きいときには、前記シャフトの移動量の増加量に対する反力の増加量の比が所定値よりも大きくなるように、前記ばねが配置される、
   請求項１または２に記載の浮遊する移動体。
6. 引張ばねの一端が接続される基材と、
   前記引張ばねの他端が接続されるシャフトであって、対象物に接触したときに前記基材に対して前記シャフトの中心軸方向に相対的に移動するシャフトと、
   を備え、
   前記基材は、前記シャフトを中心軸方向に移動可能に支持する案内を備え、
   前記引張ばねの前記他端は、前記案内よりも、前記シャフトが前記対象物に接触したときに前記基材に対して相対的に移動する方向側に接続され、
   前記引張ばねが、
   前記シャフトが前記対象物に接触する前は、前記引張ばねの中心軸が、前記シャフトの中心軸と直交するように、
   前記シャフトが前記対象物に接触した後は、前記基材が前記対象物に近付くほど、前記引張ばねの中心軸と前記シャフトの中心軸とのなす角が小さくなるように、
   配置される、
   プローブ機構。

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