JP6199418B2 - 小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システム - Google Patents

Description

本発明は、小型無人飛行機（ドローン）を利用した遠隔構造物の検査システムに係り、特に橋りょう等の大型の社会インフラ構造物の維持管理などを目的とした小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムに関するものである。

（１）遠隔構造物の外観検査に、小型無人飛行機（ドローン）を用いた空撮技術が活用され始めている。

（２）また、遠隔構造物に付着して遠隔構造物の検査を行うロボットも開発され始めている。

「ドローン規制 商機浮上」朝日新聞、２０１５年１２月 7日月曜日夕刊第１面 「非破壊検査、米ＩＣＭ製垂直走行ロボ投入ー足場設置不要、壁面・天井に張り付き検査」、日刊工業新聞 Ｂｉｓｉｎｅｓｓ Ｌｉｎｅ 掲載日２０１５年１０月１４日 ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｙｏｕｔｕｂｅ．ｃｏｍ／ｗａｔｃｈ？ｖ＝７ｊＤＲＥＸｉｘｓ０８

しかしながら、上記した（１）については、
（ａ）機体の姿勢制御技術、自律飛行技術などの進展により操縦の簡単化が進んでいるものの、強風などの外乱、送信機から送信される制御信号やＧＰＳ信号の受信不良、人為ミスによる小型無人飛行機の機体の不安定化は避けられない。そのため、遠隔構造物や遠隔構造物上を走行する車両などへの小型無人飛行機の機体衝突の危険性を排除することができず、特に、鉄道分野では小型無人飛行機による外観検査の導入は困難である。
（ｂ）小型無人飛行機の飛行中の空撮では、小型無人飛行機の機体の振動、運動によって撮影画像などにブレが生じる。撮影画像などのブレは、大まかな外観写真の撮影には問題が無いが、微細なひび割れの検出精度などに悪影響を与える。カメラ以外の各種センサ搭載時にも測定精度の低下を引き起こす。

また、上記した（２）については、
（ａ）磁石を用いて遠隔構造物に付着させる場合には、鋼材で構成された遠隔構造物にしか適用できない。
（ｂ）掃除機のように吸気によって吸着する方式のものは、遠隔構造物の表面が粗い場合には吸着力が低下する。また、その吸着には大きな電力を必要とする。
（ｃ）有線での電力供給が不可欠なものが多く、遠隔構造物上での移動範囲や、操作場所に制限がある。また、遠隔構造物の表面の段差などを乗り越えられず、移動が制限される場合がある。
（ｄ）橋桁の下面などへの小型無人飛行機の吸着力には課題があり、小型無人飛行機の落下の危険が避けられない。

と言った問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、遠隔構造物の微細なひび割れをも高い精度で検査することができる小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、小型無人飛行機の上面及び側面を金網や樹脂で作られた直方体の網枠で覆い, この直方体の網枠の四隅にボールベアリングと前記網枠を貫通するシャフトの両端に軸受とを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記網枠に記録用カメラを固定治具にて固定することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記軸受は遠隔構造物検査用小型無人飛行機のプロペラ面と前記網枠上面とが平行になる状態を定位とし、その位置に戻るよう前記シャフトに常に回転力を与え、前進後進時は前記遠隔構造物検査用小型無人飛行機の機体の回転力によりシャフトが回転するが、この機体が前記網枠内で大きく回転して前記網枠と前記プロペラが接触したり、前記機体が制御不能になったりすることを防ぐため、前記機体の前進・後進に必要な角度に達するとそれ以上回転しない機構を具備することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記シャフトを傾けることにより、前記網枠を前記ボールベアリングにより遠隔構造物である橋桁の下面を微小移動させることを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記遠隔構造物検査装置が検査領域から逸脱して転倒事故を起こすことを防止する逸脱防止装置を具備すること特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）遠隔構造物の微細なひび割れをも高い精度で検査することができる。
（２）遠隔構造物への接近は無線飛行で行うため、操縦場所を選ばず、遠隔構造物上の任意箇所に到達できる。
（３）遠隔構造物への接近後は、安全な位置に付着して作業を行うため、検査位置以外への衝突被害発生の危険を低減できる。
（４）遠隔構造物に付着して画像撮影などの検査を行うため、空撮と比較して記録用カメラ等計測装置のブレを低減することができ、より高精度な撮影（測定）を実施することができる。
（５）一般の吸着型装置が乗り越えられない段差なども小型無人飛行機の飛行との併用により段差なども乗り越えて移動させることができる。
（６）小型無人飛行機の検査すべき面への吸着力の不足が生じた場合も、小型無人飛行機を飛行させることができるため、構造物からの落下の心配がない。
（７）特に、遠隔構造物の検査システムの装置の小型軽量化、制御系の単純化を図ることができる。
（８）小型無人飛行機の周囲が網枠でガードされているため、人に接触しても安全である。
（９）小型無人飛行機の周囲が網枠でガードされているため、鉄道の架線構造物など突起物等に引っ掛かりにくい。
（１０）遠隔構造物の検査領域が狭い場所に限られている場合にも遠隔構造物検査装置が検査領域から逸脱して転倒事故を起こすことを防止することができ、信頼性を向上させることができる。

本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の模式図である。 本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の網枠への記録用カメラの取り付け例を示す側面図である。 本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の部品を示す図面代用写真である。 本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の軸受部の断面模式図である。 本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の傾斜による水平移動態様を示す模式図である。 本発明の他の実施例を示す検査すべき対象物からの逸脱防止手段を施した飛行体を利用した遠隔構造物検査装置の模式図である。 本発明の他の実施例を示す検査すべき対象物からの逸脱防止手段を施した飛行体を利用した遠隔構造物検査システムの模式図である。

本発明の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムは、小型無人飛行機の上面及び側面を金網や樹脂で作られた直方体の網枠で覆い, この直方体の網枠の四隅にボールベアリングと、前記網枠を貫通するシャフトの両端に軸受とを具備する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の模式図であり、図１（ａ）はその上面図、図１（ｂ）はその側面図、図１（ｃ）はその正面図である。

この図において、１は金網や樹脂で作られた直方体の網枠（下面なし）、２は直方体の網枠１の隅部に配置されるボールベアリング、３はガイドゴムローラー、４は軸受、５はシャフト、６はマルチコプターである。

図２は本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の網枠への記録用カメラの取り付け例を示す側面図であり、図２（ａ）はその遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の上面図、図２（ｂ）はその遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の側面図である。

この図において、１１は金網や樹脂で作られた直方体の網枠、１２は記録用カメラ、１３はＦＰＶ，１４はカメラ角度調整用サーボ、１５は網枠１１への固定治具、１６はＦＰＶ送信機、１７は小型無人飛行機、１８はＧＰＳ，１９はバッテリー、２０は制御装置、２１はシャフト、２２は軸受である。

この実施例では網枠１１の構造を利用して網枠１１の外側の任意の位置に記録用カメラ１２、センサ等を固定することができる。

図３は本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の部品を示す図面代用写真であり、図３（ａ）はボールベアリング、図３（ｂ）はガイドゴムローラー、図３（ｃ）は軸受をそれぞれ示している。

図４は本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の軸受部の断面模式図である。

この図において、３１は軸受、３２はベアリングボール、３３はシャフト、３４はシャフト３３からの横方向張出部材、３５は回転制限部材、３６はばね部材である。

この実施例では、軸受３１は、遠隔構造物検査用無人飛行機のプロペラ面と網枠上面とが平行になる状態を定位とし、その位置に戻るようシャフト３３に常に回転力を与える。前進後進時は遠隔構造物検査用無人飛行機の機体の回転力によりシャフト３３が回転する。機体が網枠内で大きく回転して網枠と遠隔構造物検査用無人飛行機のプロペラが接触したり、機体が制御不能になったりすることを防ぐため、機体の前進・後進に必要な角度に達するとそれ以上回転しない機構としている。

すなわち、軸受３１に支持されたシャフト３３の軸受付近に水平に張り出した横方向張出部材３４が取り付けられている。一方、ベアリングボール３２の外枠には回転制限部材３５が取り付けられている。横方向張出部材３４と回転制限部材３５はばね部材３６で結合されている。ばね部材３６は横方向張出部材３４つまりはシャフト３３で支持された遠隔構造物検査用無人飛行機本体を常に水平に保つのに十分な剛性を有する。ただし、網枠が面に押し付けられた状態で遠隔構造物検査用小型無人飛行機が前進・後進しようとする際の機体傾斜の回転力が作用するとばね部材３６が縮んで機体の傾斜を許容する。機体の傾斜が大きくなると横方向張出部材３４が回転制限部材３５にあたり、それ以上の傾きを防ぐ。

遠隔構造物検査用無人飛行機本体の前後進速度は、機体の傾きが大きくなるほど増加する。ここでは、遠隔構造物付着後に高速移動する必要が無いので、最大回転角度を１５度とする。

上記したように、
（１）まず、機体重量の軽減、制御系の簡単化を考慮して、小型無人飛行機（ドローン）１７の飛行制御を活用する構造とした。網枠１、１１、ボールベアリング２、軸受４，２２などは、極力軽量のものを用いる。

（２）ボールベアリング２は、網枠１と検査すべき構造物の面を平行に保ちながら円滑に移動するためのものであり、多方向に回転する。

（３）ガイドゴムローラー３は、摩擦の大きいゴムなどでできたローラーとし、１方向のみに回転する。無人飛行機（網枠）１７が面上で安定して１方向に移動するようガイドする役割を果たす。小型無人飛行機１７が回転する際にはそれぞれ逆方向に回転することにより、それを許容する。

図５は本発明の遠隔構造物の検査用小型無人飛行機の傾斜による水平移動態様を示す模式図である。

この図において、４１は遠隔構造物検査用小型無人飛行機、４２はそのシャフト、４３はボールベアリング、４４は記録用カメラ、４５は網枠、４６は橋桁、４７は橋桁の下面である。

このように、遠隔構造物検査用小型無人飛行機４１のシャフト４２を傾けることにより、網枠４５をボールベアリング４３により橋桁４６の下面４７を微小移動させることができる。
（１）橋桁下などはＧＰＳを受信できず遠隔構造物検査用小型無人飛行機の操縦が困難になる場合が多いが、本発明では、橋桁下面に付着した後は、小型無人飛行機に十分な上昇力を与えることにより高度が一定に維持されるので、前後進および回転の制御だけで移動でき、カメラ情報を参考にしながら橋桁下面等を自由に任意箇所に移動できる。
（２）ガイドローラーの回転量を計測する装置を追加することによって、ガイドローラーの回転量で移動距離を計測することができる。また、ガイドローラーの回転量を用いて等間隔での撮影、測定などを実施することができる。
（３）直方体の網枠の形状を利用して構造物下面の縁端部等をガイドにして直進することができる。（この場合はガイドゴムローラー不要）
（４）網枠の構造を利用して網枠の外側の任意の位置にカメラ、センサ等を固定することができる。
（５）先に示したように、軸受は小型無人飛行機のプロペラ面と網枠上面とが平行になる状態を定位とし、その位置に戻るようシャフトに常に回転力を与える。前進後進時は小型無人飛行機の機体の回転力によりシャフトが回転する。小型無人飛行機の機体が網枠内で大きく回転して網枠と小型無人飛行機のプロペラが接触したり、機体が制御不能になったりすることを防ぐため、機体の前進・後進に必要な角度に達するとそれ以上に回転しない機構とする。

図６は本発明の他の実施例を示す検査すべき対象物からの逸脱防止手段を施した飛行体を利用した遠隔構造物検査装置の模式図であり、図６（ａ）はその上面図、図６（ｂ）はその正面図、図６（ｃ）はその側面図である。

図７は本発明の他の実施例を示す検査すべき対象物からの逸脱防止手段を施した飛行体を利用した遠隔構造物検査システムの模式図であり、図７（ａ）はその上面図、図７（ｂ）はその側面図である。

これらの図において、５１は遠隔構造物検査装置の逸脱防止装置、５２は円錐形状の車輪、５３は横方向回転車輪である。

この実施例では、網枠四隅に円錐形状の車輪５２を配置することにより、その円錐形状の車輪５２が付着面端部を超えると網枠と付着面の距離が狭まり、円錐形状の車輪５２付近に設けた横方向回転車輪５３が付着面に接地して機体の向きを付着面内に戻す。

このように、この逸脱防止装置５１は、円錐形状の車輪５２と常に回転する横方向回転車輪５３とで構成される。

つまり、この実施例では、遠隔構造物の下面または側面の端部に遠隔構造物検査装置の機体がさしかかると、勝手に向きを変えて遠隔構造物の面の内側に前記機体を戻し、遠隔構造物の面の端部から遠隔構造物検査装置の網枠が外れてしまい、面からの逸脱や転倒事故を起こすことを防止することができ、信頼性を向上させることができる（上記非特許文献３参照）。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムは、遠隔構造物の微細なひび割れの検出をも高い精度で検査することができる小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムとして利用可能である。

１、１１、４５ 直方体の網枠
２、４３ ボールベアリング
３ ガイドゴムローラー
４、２２、３１ 軸受
５、２１、３３、４２ シャフト
６ マルチコプター
１２、４４ 記録用カメラ
１３ ＦＰＶ
１４ カメラ角度調整用サーボ
１５ 固定治具
１６ ＦＰＶ送信機
１７ 小型無人飛行機
１８ ＧＰＳ
１９ バッテリー
２０ 制御装置
３２ ベアリングボール
３４ シャフトからの横方向張出部材
３５ 回転制限部材
３６ ばね部材
４１ 遠隔構造物検査用小型無人飛行機
４６ 橋桁
４７ 橋桁の下面
５１ 遠隔構造物検査装置の逸脱防止装置
５２ 円錐車輪
５３ 横方向回転車輪

Claims (5)

1. 小型無人飛行機の上面及び側面を金網や樹脂で作られた直方体の網枠で覆い、該直方体の網枠の四隅にボールベアリングと前記網枠を貫通するシャフトの両端に軸受とを具備することを特徴とする小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システム。
2. 請求項１記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記網枠に記録用カメラを固定治具にて固定することを特徴とする小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システム。
3. 請求項１記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記軸受は遠隔構造物検査用小型無人飛行機のプロペラ面と前記網枠上面とが平行になる状態を定位とし、その位置に戻るよう前記シャフトに常に回転力を与え、前進後進時は前記遠隔構造物検査用小型無人飛行機の機体の回転力によりシャフトが回転するが、前記機体が前記網枠内で大きく回転して前記網枠と前記プロペラが接触したり、前記機体が制御不能になったりすることを防ぐため、前記機体の前進・後進に必要な角度に達するとそれ以上回転しない機構を具備することを特徴とする小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システム。
4. 請求項１記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記シャフトを傾けることにより、前記網枠を前記ボールベアリングにより遠隔構造物である橋桁の下面を微小移動させることを特徴とする小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システム。
5. 請求項１記載の小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システムにおいて、前記遠隔構造物検査装置が検査領域から逸脱して転倒事故を起こすことを防止する逸脱防止装置を具備すること特徴とする小型無人飛行機を利用した遠隔構造物の検査システム。

Images