JP6390014B2 - Robot arm and unmanned aircraft equipped with the same - Google Patents

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Description

本発明は、無人航空機に搭載されるロボットアームの衝突回避技術に関する。   The present invention relates to a collision avoidance technique for a robot arm mounted on an unmanned aerial vehicle.

従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良、低価格化が進み、これにより無人航空機の操作性が飛躍的に向上した。特に小型のマルチコプターについては、ヘリコプターに比べてローター構造が簡単であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、趣味目的だけでなく、広範な産業分野における種々のミッションへの応用が試行されている。   Conventionally, a small unmanned aerial vehicle represented by an industrial unmanned helicopter has been expensive and difficult to obtain, and requires skill to operate in order to fly stably. However, in recent years, the sensor and software used for attitude control and autonomous flight of unmanned aircraft have been improved and the price has been reduced, which has dramatically improved the operability of unmanned aircraft. Especially for small multicopters, the rotor structure is simpler than helicopters, and the design and maintenance is easy. Therefore, not only for hobby purposes but also for various missions in a wide range of industrial fields. Yes.

特開2012−139762号公報JP 2012-139762 A 特開2014−149622号公報JP 2014-149622 A

マルチコプターの応用範囲が拡大するにつれ、マルチコプターに行わせようとする作業の難易度も高まってきており、より複雑で精密な作業を高い品質で行うことのできる機体の登場が望まれている。このような要望に応えるべく、マルチコプターの機体構造を各作業に特化させ、その作業専用の機体を提供することが考えられるが、一つの機体で様々な作業を比較的高品質に行える方が好ましい場合もある。このような汎用的なマルチコプターを実現する手段としては、例えばマルチコプターにロボットアームを搭載し、種々の作業に応じた交換可能なエンドエフェクタを用意することが考えられる。   As the application range of multicopters expands, the difficulty of work that multicopters try to perform has increased, and the appearance of aircraft that can perform more complicated and precise work with high quality is desired. . In order to meet these demands, it is conceivable to specialize the aircraft structure of the multicopter for each work and provide a machine dedicated to that work, but those who can perform various work with relatively high quality with one machine May be preferred. As a means for realizing such a general-purpose multicopter, for example, it is conceivable to mount a robot arm on the multicopter and prepare an exchangeable end effector corresponding to various operations.

一般に、ロボットアームは複数の関節部を有しており、これら関節部を個々に可動させることで複雑な姿勢をとることができる。またロボットアームは、その基端から先端までを直線状に延ばした長さを半径とする広範な可動範囲を有している。このようなロボットアームを搭載したマルチコプターを飛行させるときには、ロボットアームが機体周辺の障害物に衝突しないよう、マルチコプターとロボットアームの両方に注意を払いながらこれを飛行させる必要があり、オペレータには高度な操縦技能が要求される。   In general, a robot arm has a plurality of joint portions, and a complicated posture can be taken by individually moving these joint portions. Further, the robot arm has a wide range of movement with a radius extending from the base end to the tip end in a straight line. When flying a multicopter equipped with such a robot arm, it is necessary to fly it while paying attention to both the multicopter and the robot arm so that the robot arm does not collide with obstacles around the aircraft. Requires advanced maneuvering skills.

上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、障害物との衝突を自動的に回避可能なロボットアームおよびこれを備える無人航空機を提供することにある。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a robot arm capable of automatically avoiding a collision with an obstacle and an unmanned aircraft including the same.

上記課題を解決するため、本発明のロボットアームは、複数の回転翼を備える無人航空機に搭載され、複数の関節部を有するアーム部と、前記各関節部の駆動を制御するアーム制御手段と、前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタと、前記航空機の機体周辺に存在する物体との距離を測定する測距手段と、前記測距手段が検知した障害物に前記アーム部および前記エンドエフェクタが衝突しないよう前記アーム部の姿勢を制御する障害物回避手段と、を備えていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a robot arm of the present invention is mounted on an unmanned aerial vehicle including a plurality of rotary wings, an arm unit having a plurality of joints, and an arm control unit that controls driving of the joints; A distance measuring means for measuring a distance between an end effector attached to a tip of the arm part, an object existing around a fuselage of the aircraft, an obstacle detected by the distance measuring means, and the arm part and the end effector. And obstacle avoiding means for controlling the posture of the arm part so as not to collide.

障害物回避手段が、アーム部やエンドエフェクタと障害物との衝突を自動的に回避することにより、オペレータの操縦技能に依存することなく、これらの衝突事故を防止することができる。   Since the obstacle avoiding means automatically avoids the collision between the arm part or the end effector and the obstacle, these collision accidents can be prevented without depending on the operation skill of the operator.

また、前記アーム部の現在の姿勢を特定可能な情報を記憶する記憶手段をさらに備え、前記障害物回避手段は、前記記憶手段の情報に基づいて、前記測距手段が検知した前記物体が、前記障害物か、前記アーム部または前記エンドエフェクタか、を判別可能である構成としてもよい。   In addition, the image processing apparatus further includes a storage unit that stores information that can identify a current posture of the arm unit. It is good also as a structure which can discriminate | determine whether it is the said obstruction, the said arm part, or the said end effector.

測距手段は無人航空機の機体周辺を測定しているため、アーム部の姿勢によってはその測定範囲内にアーム部やエンドエフェクタの一部が入り込むことがある。このときに障害物回避手段がこれらアーム部等を障害物と誤判断した場合、アーム部等が自らを避けることでその可動範囲が狭められ、アーム部が制御不能に陥るおそれがある。アーム部の現在の姿勢を記憶する記憶手段を備えることにより、障害物回避手段は、測距手段が検知した物体が障害物であるか、またはアーム部やエンドエフェクタであるかを判別することが可能となり、このような不具合を防止することができる。   Since the distance measuring means measures the periphery of the unmanned aircraft body, depending on the posture of the arm part, the arm part or part of the end effector may enter the measurement range. At this time, when the obstacle avoidance means erroneously determines these arm portions as an obstacle, the arm portion or the like avoids itself, so that the movable range is narrowed, and the arm portion may fall out of control. By providing a storage unit that stores the current posture of the arm unit, the obstacle avoiding unit can determine whether the object detected by the distance measuring unit is an obstacle, or an arm unit or an end effector. It becomes possible, and such a malfunction can be prevented.

また、前記障害物回避手段は、前記測距手段の測定範囲内において遠方から次第に近づいてくる前記物体を前記障害物であると判断し、前記測距手段の測定範囲内に唐突に現れた前記物体は前記アーム部または前記エンドエフェクタであると判断する構成としてもよい。   Further, the obstacle avoiding means determines that the object gradually approaching from a distance within the measurement range of the distance measuring means is the obstacle, and the obstacle appearing suddenly appears within the measurement range of the distance measuring means. The object may be determined to be the arm unit or the end effector.

測定手段の測定範囲内への現れ方に基づいて、その物体が障害物であるか、アーム部やエンドエフェクタであるかを判断することにより、簡易な条件でこれらを判別することができる。   By determining whether the object is an obstacle, an arm unit, or an end effector based on the appearance of the measurement means within the measurement range, these can be determined under simple conditions.

また、前記複数の関節部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部を一組としたときに、三組の前記関節部を有していることが好ましい。   Further, it is preferable that the plurality of joint portions include three sets of the joint portions when the two joint portions that can be rotated in directions orthogonal to each other are taken as one set.

アーム部が有する複数の関節部に、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの関節部が三組含まれていることにより、無人航空機の機体の前後、左右、上下への移動、および機体の傾き、さらにはこれらの組み合わせによるアーム部の位置ずれを関節部で吸収することができる。   By including three sets of two joint parts that can turn in directions orthogonal to each other in the plurality of joint parts of the arm part, the front and rear, left and right, up and down movement of the unmanned aircraft, and the inclination of the aircraft Furthermore, the position shift of the arm part due to the combination of these can be absorbed by the joint part.

また、前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、前記複数のリンク部材は、前記アーム部の基端側から先端側に向かって、前記航空機の機体に結合されたベース部、肩部、上腕部、下腕部、および、前記アーム部の先端部である手首部を有しており、前記肩部は前記ベース部に対して周方向へ回転可能に連結されており、前記肩部および前記上腕部、前記上腕部および前記下腕部、並びに、前記下腕部および前記手首部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部により連結されていることが好ましい。   The arm portion includes a plurality of link members connected by the plurality of joint portions, and the plurality of link members are arranged on the aircraft from the proximal end side to the distal end side of the arm portion. It has a base part, a shoulder part, an upper arm part, a lower arm part, and a wrist part which is a tip part of the arm part, and the shoulder part rotates in the circumferential direction with respect to the base part. The shoulder portion and the upper arm portion, the upper arm portion and the lower arm portion, and the lower arm portion and the wrist portion are connected to each other by two joint portions that are pivotable in directions orthogonal to each other. It is preferable that it is connected.

互いに直交する方向へ旋回可能な三組の関節部がアーム部に適切に配置され、さらに機体の回転を吸収可能な関節部が設けられていることにより、無人航空機の機体の前後、左右、上下への移動、機体の傾き、および機体の回転、さらにはこれらの組み合わせによるアーム部の位置ずれを関節部で吸収することができる。   Three sets of joints that can be swung in directions orthogonal to each other are appropriately placed on the arm, and joints that can absorb the rotation of the fuselage are provided. The joint portion can absorb the movement of the arm portion, the inclination of the airframe, the rotation of the airframe, and the displacement of the arm portion due to the combination thereof.

また、前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象を撮影する撮影手段が設けられている構成としてもよい。   Further, the end effector may be configured to be provided with photographing means for photographing a work target of the end effector.

エンドエフェクタに、その作業対象を撮影する撮影手段が設けられていることにより、無人航空機のオペレータは手元でその映像を確認しながら作業を行うことができる。これにより、無人航空機に搭載されたロボットアームによる作業の品質を高めることができる。   Since the end effector is provided with photographing means for photographing the work target, the operator of the unmanned aerial vehicle can perform the work while checking the image at hand. Thereby, the quality of the work by the robot arm mounted on the unmanned aerial vehicle can be improved.

また、前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象との距離を測定する測距手段が設けられている構成としてもよい。   Further, the end effector may be provided with distance measuring means for measuring a distance from the work object of the end effector.

エンドエフェクタに、エンドエフェクタとその作業対象との距離を測定する測距手段が設けられていることにより、無人航空機のオペレータは、エンドエフェクタとその作業対象との距離を数値で正確に把握することができる。これにより、無人航空機に搭載されたロボットアームによる作業の品質を高めることができる。   Since the end effector is equipped with a distance measuring means for measuring the distance between the end effector and the work target, the unmanned aircraft operator can accurately grasp the distance between the end effector and the work target numerically. Can do. Thereby, the quality of the work by the robot arm mounted on the unmanned aerial vehicle can be improved.

また、上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、複数の回転翼と、本発明のロボットアームを備えることを特徴とする。   Moreover, in order to solve the said subject, the unmanned aircraft of this invention is equipped with the several rotary wing and the robot arm of this invention, It is characterized by the above-mentioned.

このように、本発明のロボットアームおよびこれを備える無人航空機によれば、ロボットアームが障害物を自動的に検知して回避することにより、オペレータの操縦技能に依存することなく、ロボットアームと障害物との衝突事故を防止することができる。   Thus, according to the robot arm of the present invention and the unmanned aerial vehicle including the robot arm, the robot arm automatically detects and avoids the obstacle, thereby avoiding the robot arm and the obstacle without depending on the operator's maneuvering skill. Collisions with objects can be prevented.

第1実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す透過斜視図である。It is a permeation | transmission perspective view which shows the external appearance of the multicopter concerning 1st Embodiment. アーム部の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of an arm part. アーム部の変形例の関節構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the joint structure of the modification of an arm part. アーム部の変形例による手首部の姿勢維持方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the attitude | position maintenance method of the wrist part by the modification of an arm part. 第1実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of the multicopter concerning 1st Embodiment. ロボットアームの機能構成の変形例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the modification of the function structure of a robot arm. ロボットアームの機能構成の他の変形例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the other modification of the function structure of a robot arm. 第2実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the function structure of the multicopter concerning 2nd Embodiment. アーム部の障害物回避動作を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the obstacle avoidance operation | movement of an arm part. マルチコプターの障害物誤検知防止機能を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the obstacle erroneous detection prevention function of a multicopter.

以下、本発明のロボットアームの実施形態について図面を用いて説明する。以下に説明する実施形態は、複数の回転翼を備える無人航空機の一種であるマルチコプターに本発明のロボットアームが搭載された例である。以下の説明における「上」、「下」とは、図1における上下方向をいい、図1の座標軸表示に示されるZ軸方向に平行な方向をいう。また、「水平」とは、同座標軸表示に示されるXY平面方向をいう。「前」および「後ろ」とは、図1における前後方向をいい、図1の座標軸表示に示されるX軸方向に平行な方向をいう。「右」および「左」とは、読み手から見た図1の左右方向をいい、図1の座標軸表示に示されるY軸方向に平行な方向をいう。   Hereinafter, embodiments of a robot arm of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is an example in which the robot arm of the present invention is mounted on a multicopter which is a type of unmanned aerial vehicle including a plurality of rotor blades. In the following description, “upper” and “lower” refer to the vertical direction in FIG. 1 and the direction parallel to the Z-axis direction shown in the coordinate axis display of FIG. Further, “horizontal” refers to the XY plane direction shown in the same coordinate axis display. “Front” and “back” refer to the front-rear direction in FIG. 1 and the direction parallel to the X-axis direction shown in the coordinate axis display of FIG. “Right” and “Left” refer to the horizontal direction of FIG. 1 as viewed from the reader, and refer to the direction parallel to the Y-axis direction shown in the coordinate axis display of FIG.

[第1実施形態]
(全体構成概要)
図1は、本実施形態にかかるマルチコプター100の外観を示す透過斜視図である。マルチコプター100は、その機体中央部110から水平方向に延びる6本のローター支持部120を有している。これらローター支持部120は、機体中央部110を中心として周方向等間隔に配置されており、機体中央部110から放射状に延びている。各ローター支持部120の先端には、回転翼であるローターRが配置されている。マルチコプター100のローター数は特に限定されず、その用途や、求められる飛行安定性、許容されるコスト等に応じて、ローターが2基のヘリコプターから、ローターが8基のオクタコプター、さらには8基よりも多くのローターを備えるものまで適宜変更可能である。
[First Embodiment]
(Overview of overall structure)
FIG. 1 is a transparent perspective view showing the appearance of the multicopter 100 according to the present embodiment. The multicopter 100 has six rotor support portions 120 extending in the horizontal direction from the machine body central portion 110. The rotor support portions 120 are arranged at equal intervals in the circumferential direction around the fuselage center portion 110 and extend radially from the fuselage center portion 110. A rotor R, which is a rotor blade, is disposed at the tip of each rotor support portion 120. The number of rotors of the multicopter 100 is not particularly limited, and the rotor is changed from two helicopters to eight octacopters according to the use, required flight stability, allowable cost, and the like. It can change suitably to the thing provided with more rotors than the group.

機体中央部110は、その下部に、種々のアタッチメントを取り付け可能なアダプタプレート111を備えている。アダプタプレート111には、本実施形態のロボットアームRAを構成する二本のアーム部500が取り付けられている。二本のアーム部500はその全体が機外に露出している。アーム部500はいずれも同じ構造のものである。各アーム部500の先端には、フォーククロー形状のグリッパ機構であるハンド600がそれぞれ装着されている。ハンド600は本実施形態のロボットアームRAのエンドエフェクタである。なお、本発明で用いられるエンドエフェクタはハンド600には限られず、例えば、溶接装置、ねじ締め装置、穿孔装置、塗装装置、さらには撮影装置など、種々の用途に応じたエンドエフェクタが使用可能である。   The airframe central part 110 is provided with an adapter plate 111 to which various attachments can be attached at the lower part thereof. Two arm portions 500 constituting the robot arm RA of this embodiment are attached to the adapter plate 111. The two arm portions 500 are entirely exposed outside the apparatus. All of the arm portions 500 have the same structure. A hand 600 that is a fork claw-shaped gripper mechanism is attached to the tip of each arm unit 500. The hand 600 is an end effector of the robot arm RA of this embodiment. The end effector used in the present invention is not limited to the hand 600. For example, an end effector suitable for various applications such as a welding device, a screw fastening device, a drilling device, a painting device, and a photographing device can be used. is there.

アダプタプレート111にはさらに、マルチコプター100の降着装置である一対のスキッド130が接続されている。図1のマルチコプター100は着陸した状態にあり、これらスキッド130は地面に対して略垂直となるように配置されている。なお、本実施形態のスキッド130はリトラクタブルランディングギヤであり、マルチコプター100の飛行時には、これらスキッド130は、図示しないサーボモータによりその基端部を中心として水平方向外側に向かって持ち上げられ、ローター支持部120と平行に支持される。そして、マルチコプター100の着陸時には、スキッド130は同サーボモータにより図1の配置に戻される。これにより、マルチコプター100の飛行中にスキッド130が各アーム部500の動作範囲を制限することが防止されている。なお、スキッド130は必須の構成ではなく、省略してもよい。   The adapter plate 111 is further connected with a pair of skids 130 that are landing gears of the multicopter 100. The multicopter 100 of FIG. 1 is in a landed state, and these skids 130 are arranged so as to be substantially perpendicular to the ground. The skids 130 of the present embodiment are retractable landing gears, and when the multicopter 100 is flying, these skids 130 are lifted outward in the horizontal direction around the base end by a servo motor (not shown) to support the rotor. It is supported in parallel with the part 120. When the multicopter 100 is landed, the skid 130 is returned to the arrangement shown in FIG. 1 by the servo motor. This prevents the skid 130 from restricting the operating range of each arm unit 500 during the flight of the multicopter 100. The skid 130 is not an essential component and may be omitted.

(アーム部の構造)
図2はアーム部500の構造を示す斜視図である。本実施形態のアーム部500およびハンド600は、垂直多関節型マニピュレータを構成している。なお、本発明でいう「アーム部」には、ハンド600などのエンドエフェクタは含まれていない。アーム部500は、アーム部500の基端側から先端側に向かって、ベース部510、肩部520、上腕部530、および下腕部540の4つのリンク部材により構成されている(以下、これらを総称して「リンク部材510〜540」という。)。そして、これらリンク部材510〜540は、肩回転軸J、上腕旋回軸J、下腕旋回軸J、および手首回転軸Jの4つの関節部を介して連結されている(以下、これら関節部を総称して「関節部J〜J」という。)。各関節部J〜Jにはそれぞれサーボモータ551〜554が配置されており、これらサーボモータ551〜554が駆動されることにより各関節部J〜Jの回転角度および旋回角度が調節される。なお、本発明の関節部の駆動源はサーボモータには限られず、これら関節部を任意の回転角度・旋回角度に調節可能であることを条件として、他の駆動手段を用いることもできる。
(Arm structure)
FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the arm unit 500. The arm unit 500 and the hand 600 of this embodiment constitute a vertical articulated manipulator. Note that the “arm portion” in the present invention does not include an end effector such as the hand 600. The arm portion 500 is configured by four link members of a base portion 510, a shoulder portion 520, an upper arm portion 530, and a lower arm portion 540 from the proximal end side to the distal end side of the arm portion 500 (hereinafter referred to as these members). Are collectively referred to as “link members 510 to 540”). These link members 510 to 540 are connected via four joint portions of a shoulder rotation axis J 1 , an upper arm rotation axis J 2 , a lower arm rotation axis J 3 , and a wrist rotation axis J 4 (hereinafter, These joint portions are collectively referred to as “joint portions J 1 to J 4 ”). Servo motors 551 to 554 are disposed in the joint portions J 1 to J 4 , respectively, and the rotation angle and the turning angle of the joint portions J 1 to J 4 are adjusted by driving the servo motors 551 to 554. Is done. Note that the drive source of the joint portion of the present invention is not limited to the servo motor, and other drive means can be used on the condition that the joint portion can be adjusted to an arbitrary rotation angle and turning angle.

リンク部材510〜540のうち、アーム部500の基端部であるベース部510は、アダプタプレート111に取り付けられており(図1参照)、ベース部510の位置はアダプタプレート111に対して固定されている。ベース部510には肩部520が連結されており、肩部520は肩回転軸Jを中心として周方向に回転することができる。肩部520には上腕部530が連結されており、上腕部530は上腕旋回軸Jを中心として上下方向に旋回することができる。上腕部530には下腕部540が連結されており、下腕部540は下腕旋回軸Jを中心として上下方向に旋回することができる。そして、下腕部540にはハンド600が連結されており、ハンド600は手首回転軸Jを中心として周方向に回転することができる。 Of the link members 510 to 540, the base portion 510, which is the base end portion of the arm portion 500, is attached to the adapter plate 111 (see FIG. 1), and the position of the base portion 510 is fixed with respect to the adapter plate 111. ing. The base portion 510 has a shoulder portion 520 is connected, the shoulder portion 520 can rotate in a circumferential direction about the shoulder rotation axis J 1. The shoulder portion 520 is connected upper arm portion 530, upper arm 530 can pivot in the vertical direction around the upper arm pivot axis J 2. The upper arm 530 is connected is lower arm 540, lower arm 540 can pivot in the vertical direction around the lower arm pivot J 3. Then, the lower arm portion 540 is connected the hand 600, the hand 600 can be rotated in a circumferential direction about the wrist rotation axis J 4.

本実施形態のリンク部材510〜540はCFRP製の板材(以下、「CFRPプレート」という。)により構成されている。図2に示されるように、各リンク部材510〜540はそれぞれ、骨格を残しつつ肉抜きが施された枠体形状に形成されている。これにより本実施形態のアーム部500は、軽量化と強度との両立が図られており、マルチコプター100への搭載に好適な構成とされている。   The link members 510 to 540 of the present embodiment are made of a CFRP plate (hereinafter referred to as “CFRP plate”). As shown in FIG. 2, each of the link members 510 to 540 is formed in a frame shape that is cut out while leaving a skeleton. Thereby, the arm part 500 of the present embodiment achieves both weight reduction and strength, and has a configuration suitable for mounting on the multicopter 100.

ベース部510は略箱形に形成されたリンク部材である。ベース部510の内部には肩回転軸Jを構成するサーボモータ551が配置されている。サーボモータ551の図示しない軸体は、ベース部510の底板511を下方に貫通している。 The base portion 510 is a link member formed in a substantially box shape. Inside the base portion 510 a servo motor 551 which constitutes a shoulder rotational axis J 1 is disposed. A shaft body (not shown) of the servo motor 551 passes through the bottom plate 511 of the base portion 510 downward.

肩部520は、コの字型のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板521,522と、これら側板521,522の板面に対して垂直に配置された天板523とにより構成されている。側板521,522はその板面を水平方向に向けて配置されており、天板523はこれら側板521,522の上端部を支持している。天板523には、サーボモータ551の図示しない軸体が結合されている。これにより肩部520は、肩回転軸Jを中心として周方向に回転することが可能とされている。 The shoulder portion 520 is a U-shaped link member, and includes two side plates 521 and 522 arranged in parallel and a top plate 523 arranged perpendicular to the plate surfaces of the side plates 521 and 522. It is configured. The side plates 521 and 522 are arranged with their plate surfaces oriented in the horizontal direction, and the top plate 523 supports the upper ends of the side plates 521 and 522. A shaft body (not shown) of the servo motor 551 is coupled to the top plate 523. This shoulder 520 by is possible to rotate in the circumferential direction about the shoulder rotation axis J 1.

上腕部530は略角筒形状のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板531,532と、これら側板531,532の短手方向の端部同士を結ぶ筋交状の側板533,534とにより構成されている。上腕部530の側板531,532は、これらの基端部近傍の各外面が、肩部520の側板521,522の各内面にそれぞれ当接するように配置されている。上腕部530の基端部には、その内側に、上腕旋回軸Jを構成するサーボモータ552が配置されている。サーボモータ552の図示しない軸体は、上腕部530の側板531,532を厚み方向に貫通し、肩部520の側板521,522に結合されている。これにより上腕部530は、上腕旋回軸Jを中心として上下方向に旋回することが可能とされている。 The upper arm portion 530 is a substantially rectangular tube-shaped link member, and two side plates 531 and 532 arranged in parallel and the brace-like side plates 533 connecting the end portions of the side plates 531 and 532 in the short direction. 534. The side plates 531 and 532 of the upper arm 530 are arranged so that the outer surfaces in the vicinity of these base end portions are in contact with the inner surfaces of the side plates 521 and 522 of the shoulder 520, respectively. The base end portion of the upper arm 530, on its inner side, the servo motor 552 constituting the upper arm pivot axis J 2 is arranged. A shaft body (not shown) of the servo motor 552 passes through the side plates 531 and 532 of the upper arm portion 530 in the thickness direction, and is coupled to the side plates 521 and 522 of the shoulder portion 520. Thus the upper arm 530 is configured to be able to pivot in the vertical direction around the upper arm pivot axis J 2.

下腕部540は略角筒形状のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板541,542と、これら側板541,542の短手方向の端部同士を結ぶ筋交状の側板543,544とにより構成されている。下腕部540の側板531,532は、これらの基端部近傍の各内面が、上腕部530を構成する側板531,532の先端部近傍の各外面にそれぞれ当接するように配置されている。上腕部530の先端部には、その内側に、下腕旋回軸Jを構成するサーボモータ553が配置されている。サーボモータ553の図示しない軸体は、上腕部530の側板531,532を厚み方向に貫通し、下腕部540の側板541,542に結合されている。これにより下腕部540は、下腕旋回軸Jを中心として上下方向に旋回することが可能とされている。 The lower arm portion 540 is a substantially rectangular tube-shaped link member, and two side plates 541 and 542 arranged in parallel, and a brace-like side plate 543 connecting end portions of the side plates 541 and 542 in the short direction. , 544. The side plates 531 and 532 of the lower arm portion 540 are arranged so that the inner surfaces in the vicinity of the base end portions are in contact with the outer surfaces in the vicinity of the distal end portions of the side plates 531 and 532 constituting the upper arm portion 530, respectively. The distal end portion of the upper arm 530, on its inner side, the servo motor 553 constituting the lower arm pivot J 3 is arranged. A shaft body (not shown) of the servo motor 553 passes through the side plates 531 and 532 of the upper arm portion 530 in the thickness direction, and is coupled to the side plates 541 and 542 of the lower arm portion 540. This lower arm portion 540 by is possible to pivot vertically about a lower arm pivot J 3.

本実施形態の下腕部540の先端およびその近傍部は、下腕部540と一体に形成された手首部540aを構成している。手首部540aはアーム部500の先端部である。手首部540aの先端には、側板541,542の板面に対して垂直に配置された前板545が設けられている。前板545には手首回転軸Jを構成するサーボモータ554が配置されている。サーボモータ554の軸体554aは、前板545を貫通して前方に延びている。軸体554aにはハンド600が取り付けられており、これによりハンド600は、手首回転軸Jを中心として周方向に回転することが可能とされている。 The distal end of the lower arm portion 540 and the vicinity thereof in the present embodiment constitute a wrist portion 540 a formed integrally with the lower arm portion 540. The wrist part 540 a is the tip part of the arm part 500. A front plate 545 disposed perpendicular to the plate surfaces of the side plates 541 and 542 is provided at the tip of the wrist 540a. Servo motor 554 constituting the wrist rotation axis J 4 is disposed on the front plate 545. A shaft body 554 a of the servo motor 554 extends forward through the front plate 545. The shaft 554a has a hand 600 is attached, thereby the hand 600 is configured to be able to rotate about the wrist rotation axis J 4 in the circumferential direction.

(アーム部の変形例)
本発明のアーム部の関節数はアーム部500の形態には限定されず、作業の複雑さや求められる正確性、許容されるコスト等に応じて適宜変更することができる。以下に、アーム部500の関節構造を拡張したアーム部500の変形例について説明する。
(Modification of arm part)
The number of joints of the arm part of the present invention is not limited to the form of the arm part 500, and can be appropriately changed according to the complexity of work, the required accuracy, the allowable cost, and the like. Below, the modification of the arm part 500 which expanded the joint structure of the arm part 500 is demonstrated.

図3は、アーム部500の変形例であるアーム部500´の関節構造を示す模式図である。アーム部500´はアーム部500の関節部J〜Jに加え、上腕旋回軸J、下腕旋回軸J、手首旋回軸J、および手首旋回軸Jを有している(以下、これらを総称して「関節部J〜J」という。)。ここで、上腕旋回軸Jおよび上腕旋回軸Jは、互いに直交する方向へ上腕部530を旋回させる関節部である。下腕旋回軸Jおよび下腕旋回軸Jは、互いに直交する方向へ下腕部540を旋回させる関節部である。手首旋回軸Jおよび手首旋回軸Jは、互いに直交する方向へ手首部540aを旋回させる関節部である。アーム部500´は、これら関節部J〜Jを備えていることにより、マルチコプター100の意図しない移動や傾きをこれら関節部J〜Jで吸収することができ、手首部540aの姿勢、すなわちハンド600の姿勢を一定に保つことが可能とされている。 FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a joint structure of an arm unit 500 ′ that is a modification of the arm unit 500. The arm portion 500 ′ has an upper arm turning axis J 5 , a lower arm turning axis J 6 , a wrist turning axis J 7 , and a wrist turning axis J 8 in addition to the joint portions J 1 to J 4 of the arm portion 500 ( Hereinafter, these are collectively referred to as “joint portions J 1 to J 8 ”). Here, the upper arm pivot J 2 and the upper arm pivot axis J 5 is a joint pivoting the upper arm portion 530 in a direction orthogonal to each other. Lower arm pivot J 3 and lower arm pivot axis J 6 is a joint pivoting the lower arm portion 540 in a direction orthogonal to each other. Wrist pivot J 7 and the wrist pivot J 8 is a joint turning the wrist portion 540a in the direction orthogonal to each other. The arm portion 500 ′ includes these joint portions J 1 to J 8 , so that the unintended movement and inclination of the multicopter 100 can be absorbed by these joint portions J 1 to J 8 , and the wrist portion 540 a The posture, that is, the posture of the hand 600 can be kept constant.

図4は、アーム部500´による手首部540aの姿勢維持方法を示す模式図である。図4(a)(c)(d)は、アーム部500´の側面図であり、図4(b)(e)(f)は、アーム部500´の正面図である。図4では、説明の便宜上、マルチコプター100の構成のうち、アダプタプレート111と二本のアーム部500´のうちの一本のみを表示し、他の構成は省略している。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method of maintaining the posture of the wrist 540a by the arm unit 500 ′. 4A, 4C, and 4D are side views of the arm portion 500 ′, and FIGS. 4B, 4E, and 4F are front views of the arm portion 500 ′. In FIG. 4, for convenience of explanation, only one of the adapter plate 111 and the two arm portions 500 ′ is displayed among the configurations of the multicopter 100, and the other configurations are omitted.

図4に示される各図のうち、図4(a)は、上腕旋回軸J、下腕旋回軸J、および手首旋回軸Jにより、マルチコプター100の前後方向への移動を吸収する例である。図4(b)は、上腕旋回軸J、下腕旋回軸J、および手首旋回軸Jにより、マルチコプター100の左右方向への移動を吸収する例である。図4(c)は、上腕旋回軸J、下腕旋回軸J、および手首旋回軸Jにより、マルチコプター100の上下方向への移動を吸収する例である。図4(d)は、上腕旋回軸Jにより、マルチコプター100の前後方向への揺動を吸収する例である。図4(e)は、上腕旋回軸Jにより、マルチコプター100の左右方向への揺動を吸収する例である。図4(f)は、肩回転軸Jにより、マルチコプター100の回転を吸収する例である。これらを適宜組み合わせることにより、マルチコプター100の様々な動きに対応することができる。 Among the drawings shown in FIG. 4, FIG. 4A absorbs the movement of the multicopter 100 in the front-rear direction by the upper arm pivot axis J 2 , the lower arm pivot axis J 3 , and the wrist pivot axis J 8. It is an example. FIG. 4B is an example in which the movement of the multicopter 100 in the left-right direction is absorbed by the upper arm pivot axis J 5 , the lower arm pivot axis J 6 , and the wrist pivot axis J 7 . FIG. 4C shows an example in which the movement of the multicopter 100 in the vertical direction is absorbed by the upper arm turning axis J 2 , the lower arm turning axis J 3 , and the wrist turning axis J 8 . FIG. 4 (d), the upper arm pivot J 2, an example that absorbs rocking back and forth direction of the multirotor 100. FIG. 4 (e) by the upper arm pivot J 5, an example for absorbing the swing in the lateral direction of the multirotor 100. FIG. 4 (f) by a shoulder rotational axis J 1, an example to absorb the rotation of the multirotor 100. By appropriately combining these, it is possible to cope with various movements of the multicopter 100.

マルチコプター100がアーム部500´を備え、手首部540aの姿勢維持を自動的に実行することにより、ハンド600の空中における位置が安定し、また、オペレータはハンド600の操縦のみに専念することができる。これにより、マルチコプター100を用いた作業の品質を高めることが可能となる。なお、図4からも分かるように、手首部540aの姿勢維持には手首回転軸Jは用いられていない。手首回転軸Jはアーム部500特有の構成であり、他のエンドエフェクタを用いる場合には省略することができる。 When the multicopter 100 includes the arm portion 500 ′ and automatically maintains the posture of the wrist portion 540 a, the position of the hand 600 in the air is stabilized, and the operator can concentrate solely on the operation of the hand 600. it can. As a result, the quality of work using the multicopter 100 can be improved. As can be seen from FIG. 4, the wrist rotation axis J 4 in position maintaining the wrist portion 540a it is not used. Wrist rotation axis J 4 are the arm portion 500 of the specific configuration, in the case of using the other of the end effector can be omitted.

(マルチコプターの飛行機能)
図5はマルチコプター100の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター100の機能は、主に、フライトコントローラFC、複数のローターR、ローターRごとに備えられたESC241(Electric Speed Controller)、本実施形態のロボットアームRA、およびこれらに電力を供給するバッテリー900により構成されている。以下、マルチコプター100の基本的な飛行機能について説明する。
(Multicopter flight function)
FIG. 5 is a block diagram showing a functional configuration of the multicopter 100. The functions of the multicopter 100 mainly include a flight controller FC, a plurality of rotors R, an ESC 241 (Electric Speed Controller) provided for each of the rotors R, a robot arm RA of the present embodiment, and a battery 900 that supplies power to them. It is comprised by. Hereinafter, a basic flight function of the multicopter 100 will be described.

各ローターRは、モータ242と、その出力軸に連結されたブレード243とにより構成されている。ESC241は、ローターRのモータ242に接続されており、フライトコントローラFCから指示された速度でモータ242を回転させる。   Each rotor R is composed of a motor 242 and a blade 243 connected to its output shaft. The ESC 241 is connected to the motor 242 of the rotor R, and rotates the motor 242 at a speed instructed from the flight controller FC.

フライトコントローラFCは、オペレータ(送信器210)からの操縦信号を受信する受信器231と、受信器231が接続されたマイクロコントローラである制御装置220を備えている。制御装置220は、中央処理装置であるCPU221、ROMやRAMなどの記憶装置であるメモリ222、および、ESC241を介して各モータ242の回転数を制御するPWM(Pulse Width Modulation)コントローラ223を有している。   The flight controller FC includes a receiver 231 that receives a steering signal from an operator (transmitter 210), and a control device 220 that is a microcontroller to which the receiver 231 is connected. The control device 220 includes a CPU 221 that is a central processing unit, a memory 222 that is a storage device such as a ROM and a RAM, and a PWM (Pulse Width Modulation) controller 223 that controls the rotational speed of each motor 242 via the ESC 241. ing.

フライトコントローラFCはさらに、飛行制御センサ群232およびGPS受信器233(以下、これらを総称して「センサ等」ともいう。)を備えており、これらは制御装置220に接続されている。本実施形態におけるマルチコプター100の飛行制御センサ群232には、3軸加速度センサ、3軸角速度センサ、気圧センサ(高度センサ)、地磁気センサ(方位センサ)などが含まれている。制御装置220は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。   The flight controller FC further includes a flight control sensor group 232 and a GPS receiver 233 (hereinafter collectively referred to as “sensors or the like”), which are connected to the control device 220. The flight control sensor group 232 of the multicopter 100 in this embodiment includes a triaxial acceleration sensor, a triaxial angular velocity sensor, an atmospheric pressure sensor (altitude sensor), a geomagnetic sensor (orientation sensor), and the like. The control device 220 can acquire position information of the own aircraft including the latitude and longitude of the aircraft, the altitude, and the azimuth angle of the nose, in addition to the tilt and rotation of the aircraft, using these sensors and the like.

制御装置220のメモリ222には、マルチコプター100の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するアルゴリズムが実装されたプログラムである飛行制御プログラムFCPが記憶されている。飛行制御プログラムFCPは、オペレータからの指示に従い、センサ等から取得した情報を基に、個々のローターRの回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター100を飛行させる。   The memory 222 of the control device 220 stores a flight control program FCP, which is a program in which an algorithm for controlling the attitude and basic flight operation of the multicopter 100 during flight is stored. The flight control program FCP adjusts the number of rotations of each rotor R based on information obtained from a sensor or the like according to instructions from an operator, and causes the multicopter 100 to fly while correcting the attitude and position disturbance of the airframe. .

マルチコプター100の操縦は、オペレータが送信器210を用いて手動で行うほか、マルチコプター100の飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画FPを自律飛行プログラムAPPに予め登録しておき、マルチコプター100を目的地へ自律的に飛行させることも可能である(以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。)。   The operation of the multicopter 100 is manually performed by the operator using the transmitter 210, and the flight plan FP, which is a parameter such as the flight path, speed, and altitude of the multicopter 100, is registered in the autonomous flight program APP in advance. It is also possible to fly the multicopter 100 autonomously to the destination (hereinafter, such autonomous flight is referred to as “autopilot”).

このように、本実施形態におけるマルチコプター100は高度な飛行制御機能を備えている。ただし、本発明における無人航空機はマルチコプター100の形態には限定されず、ロボットアームRAを備えていることを条件として、例えばセンサ等から一部のセンサが省略された機体や、オートパイロット機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。   As described above, the multicopter 100 in the present embodiment has an advanced flight control function. However, the unmanned aircraft according to the present invention is not limited to the form of the multicopter 100. On the condition that the robot arm RA is provided, for example, an airframe in which some sensors are omitted from the sensor or the like, or an autopilot function is provided. It is also possible to use a fuselage that can fly only by manual maneuvering.

(ロボットアームの機能構成)
図5に示されるように、本実施形態のロボットアームRAは、主に、オペレータ(送信器210)からの操縦信号を受信する受信器731と、受信器731が接続されたマイクロコントローラである制御装置720、アーム部500の各関節部J〜Jを駆動するサーボモータ551〜554、サーボモータ551〜554ごとに備えられたサーボアンプ741、および、アーム部500の位置の変化および傾きを検知する変位検知部であるIMU(Inertial Measurement Unit)732を備えている。サーボアンプ741は、サーボモータ551〜554からのフィードバックをうけながらサーボモータ551〜554の出力軸を指示された角度位置に調節する。IMU732は一般的な慣性計測装置であり、主に加速度センサおよび角速度センサにより構成されている。
(Function configuration of robot arm)
As shown in FIG. 5, the robot arm RA of the present embodiment is mainly a control that is a microcontroller to which a receiver 731 that receives a steering signal from an operator (transmitter 210) and a receiver 731 are connected. 720, a servo motor 551 to 554 for driving the respective joint portions J 1 through J 4 of the arm portion 500, the servo amplifier 741 provided for each servo motor 551 to 554, and the change and slope of the position of the arm portion 500 An IMU (Inertial Measurement Unit) 732 which is a displacement detection unit to detect is provided. The servo amplifier 741 adjusts the output shaft of the servo motors 551 to 554 to the designated angular position while receiving feedback from the servo motors 551 to 554. The IMU 732 is a general inertial measurement device, and mainly includes an acceleration sensor and an angular velocity sensor.

制御装置720は、中央処理装置であるCPU721、ROMやRAMなどの記憶装置であるメモリ722、および、サーボアンプ741に対してサーボモータ551〜554の回転角度を指示するサーボコントローラ723を有している。メモリ722には、各サーボモータ551〜554の駆動を制御するアーム制御手段であるアーム制御プログラムACPが登録されている。アーム制御プログラムACPは、オペレータの指示に従って、アーム部500の姿勢を変化させ、また、ハンド600を開閉させる。   The control device 720 includes a CPU 721 that is a central processing unit, a memory 722 that is a storage device such as a ROM and a RAM, and a servo controller 723 that instructs the rotation angle of the servo motors 551 to 554 to the servo amplifier 741. Yes. Registered in the memory 722 is an arm control program ACP which is arm control means for controlling the driving of the servomotors 551 to 554. The arm control program ACP changes the posture of the arm unit 500 and opens / closes the hand 600 according to an instruction from the operator.

アーム制御プログラムACPはさらに、アーム部500の意図しない位置の変化または傾きである位置ずれをIMU731が検知したときに、その位置ずれを関節部J〜Jで自動的に吸収し、位置ずれが手首部540aに伝達されることを可能な限り抑制する。本実施形態のアーム部500の関節数は少なく、吸収可能な位置ずれの種類や程度は限定的であるが、アーム部500の変形例であるアーム部500´を備えることにより、図4に示される広範な種類の位置ずれを吸収することが可能となる。なお、アーム制御プログラムACPが対処する位置ずれは、アーム部500の「意図しない」位置の変化や傾きであるため、例えばオペレータの操作によるアーム部500の姿勢変化や機体の移動は無視することができる。 Further, the arm control program ACP further automatically absorbs the position shift when the IMU 731 detects a position shift that is an unintended position change or inclination of the arm unit 500 by the joints J 1 to J 4. Is suppressed to the wrist 540a as much as possible. The number of joints of the arm unit 500 of the present embodiment is small, and the types and degree of misalignment that can be absorbed are limited. However, by providing an arm unit 500 ′ that is a modification of the arm unit 500, FIG. It is possible to absorb a wide variety of misalignment. Note that the misalignment dealt with by the arm control program ACP is a change or inclination of the “unintended” position of the arm unit 500, and therefore, for example, a change in posture of the arm unit 500 or a movement of the machine body due to an operator's operation may be ignored. it can.

なお、本実施形態のIMU732は機体中央部110の中に収容されている。これにより、マルチコプター100の機体位置の変化や傾きを正確に検知することができる。本実施形態のアーム制御プログラムACPは、かかる機体の変位量からアーム部500の位置ずれを間接的に算出する。その他、例えば手首部540aにIMU732を配置することにより、手首部540aやハンド600の状態を直接的に把握することが可能となり、ハンド600の空間中の位置や姿勢をより高い精度で安定させることもできる。   Note that the IMU 732 of this embodiment is accommodated in the airframe central portion 110. Thereby, the change and inclination of the body position of the multicopter 100 can be accurately detected. The arm control program ACP of the present embodiment indirectly calculates the positional deviation of the arm unit 500 from the displacement amount of the machine body. In addition, for example, by placing the IMU 732 on the wrist 540a, it is possible to directly grasp the state of the wrist 540a and the hand 600, and to stabilize the position and posture of the hand 600 in the space with higher accuracy. You can also.

(ロボットアーム機能の変形例)
図6はロボットアームRAの機能構成の変形例を示すブロック図である。本実施形態のロボットアームRAは、独自の受信器731およびIMU732を備えているが、これらに代えて、フライトコントローラFCの受信器231や、飛行制御センサ群232の3軸加速度センサ、3軸角速度センサをロボットアームRA用に併用することも可能である。
(Modification of robot arm function)
FIG. 6 is a block diagram showing a modification of the functional configuration of the robot arm RA. The robot arm RA of the present embodiment includes a unique receiver 731 and IMU 732, but instead of these, the receiver 231 of the flight controller FC, the three-axis acceleration sensor of the flight control sensor group 232, and the three-axis angular velocity. It is also possible to use a sensor for the robot arm RA.

図7はロボットアームRAの機能構成の他の変形例を示すブロック図である。本変形例のハンド600には、ハンド600の作業対象であるワークの様子を撮影する撮影手段であるカメラ650、および、ハンド600とワークとの距離を測定する測距手段である測距センサ660が搭載されている。なお、測距センサ660は、超音波、レーザー、または赤外線などの非接触測距手段を用いた一般的な距離センサである。   FIG. 7 is a block diagram showing another modification of the functional configuration of the robot arm RA. The hand 600 according to the present modification includes a camera 650 that is an imaging unit that captures the state of the workpiece that is the work target of the hand 600, and a distance measuring sensor 660 that is a distance measuring unit that measures the distance between the hand 600 and the workpiece. Is installed. The distance measuring sensor 660 is a general distance sensor using non-contact distance measuring means such as an ultrasonic wave, a laser, or an infrared ray.

本変形例では、オペレータ(送受信器210)は、カメラ650の撮影映像を手元のモニター211に表示することができ、ワークの様子を間近で視認しながら作業を行うことができる。また、カメラ650の映像からではハンド600とワークとの実際の距離が分かりにくい場合でも、測距センサ660を用いてハンド600とワークとの距離を数値で把握することができる。これにより、マルチコプター100を用いた作業の品質をさらに高めることが可能とされている。なお、ハンド600には、カメラ650および測距センサ660のいずれか一方のみを搭載してもよい。   In this modified example, the operator (transmitter / receiver 210) can display the image captured by the camera 650 on the monitor 211 at hand, and can perform work while visually checking the state of the workpiece. Further, even if it is difficult to understand the actual distance between the hand 600 and the workpiece from the image of the camera 650, the distance between the hand 600 and the workpiece can be grasped numerically using the distance measuring sensor 660. Thereby, it is possible to further improve the quality of work using the multicopter 100. Note that only one of the camera 650 and the distance measuring sensor 660 may be mounted on the hand 600.

[第2実施形態]
以下に、本発明の無人航空機の第2実施形態について図面を用いて説明する。図8は、第2実施形態にかかるマルチコプター101の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同一または同様の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
[Second Embodiment]
Below, 2nd Embodiment of the unmanned aerial vehicle of this invention is described using drawing. FIG. 8 is a block diagram illustrating a functional configuration of the multicopter 101 according to the second embodiment. In the following description, components having the same or similar functions as those of the previous embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the previous embodiment, and detailed description thereof is omitted.

(障害物回避機能)
図8に示されるように、マルチコプター101のロボットアームRAは、マルチコプター100のロボットアームRAの構成に加え、測距手段である複数の測距センサ733、これら測距センサ733の測定値を監視する障害物回避手段である障害物回避プログラムBAP、並びに、アーム制御プログラムACPおよび障害物回避プログラムBAPからアクセス可能なアーム姿勢情報領域APAを有している。
(Obstacle avoidance function)
As shown in FIG. 8, in addition to the configuration of the robot arm RA of the multicopter 100, the robot arm RA of the multicopter 101 includes a plurality of distance measuring sensors 733 that are distance measuring means, and the measurement values of these distance measuring sensors 733. It has an obstacle avoidance program BAP which is an obstacle avoidance means to be monitored, and an arm posture information area APA accessible from the arm control program ACP and the obstacle avoidance program BAP.

複数の測距センサ733は、機体中央部110からアーム部500周辺の物体との距離を常時測定する。測距センサ733は、超音波、レーザー、または赤外線などの非接触測距手段を用いた一般的な距離センサである。障害物回避プログラムBAPは、測距センサ733が検知した障害物を避けるように、アーム部500の姿勢を調節する。なお、本実施形態の障害物回避プログラムBAPはアーム部500を直接制御せず、アーム制御プログラムACPに指示を出すことでアーム部500を制御する。アーム姿勢情報領域APAは、アーム部500の現在の姿勢を特定可能な情報が記憶された記憶手段である。アーム姿勢情報領域APAの情報は、アーム制御プログラムACPにより常に最新の情報に更新される。   The plurality of distance measuring sensors 733 always measure the distance from the body central portion 110 to the object around the arm portion 500. The distance measuring sensor 733 is a general distance sensor using non-contact distance measuring means such as an ultrasonic wave, a laser, or an infrared ray. The obstacle avoidance program BAP adjusts the posture of the arm unit 500 so as to avoid the obstacle detected by the distance measuring sensor 733. Note that the obstacle avoidance program BAP of this embodiment does not directly control the arm unit 500 but controls the arm unit 500 by giving an instruction to the arm control program ACP. The arm posture information area APA is storage means in which information that can identify the current posture of the arm unit 500 is stored. The information in the arm posture information area APA is always updated to the latest information by the arm control program ACP.

図9は、アーム部500の障害物回避動作を示す模式図である。図9の一点鎖線で示された範囲Sは、アーム部500およびハンド600(以下、これらを「アーム部500等」という。)の可動範囲を示している。図9では、説明の便宜上、二本のアーム部500等のうち一本のみを表示している。障害物回避プログラムBAPは、各測距センサ733の測定値を監視し(図9(a))、アーム部500等の可動範囲S内に障害物Bを検知したときに、アーム部500等が障害物Bと接触しないようにアーム部500の姿勢を調節する(図9(b)(c))。なお、図9(c)の障害物Bは地面である。   FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an obstacle avoidance operation of the arm unit 500. A range S indicated by an alternate long and short dash line in FIG. 9 indicates a movable range of the arm unit 500 and the hand 600 (hereinafter referred to as “arm unit 500 etc.”). In FIG. 9, for convenience of explanation, only one of the two arm portions 500 is displayed. The obstacle avoidance program BAP monitors the measurement values of the distance measuring sensors 733 (FIG. 9A), and when the obstacle B is detected within the movable range S of the arm 500 or the like, the arm 500 or the like The posture of the arm unit 500 is adjusted so as not to contact the obstacle B (FIGS. 9B and 9C). In addition, the obstacle B of FIG.9 (c) is the ground.

マルチコプター101は、測距センサ733および障害物回避プログラムBAPを備えていることにより、オペレータの操縦技能に依存することなく、アーム部500等と障害物Bとの衝突事故を防止することが可能とされている。なお、本実施形態においては、アーム部500等の可動範囲Sのほぼ全体を網羅できるように複数の測距センサ733が配置されているが、測距センサ733の数や測定範囲はマルチコプター101の形態には限定されない。例えば、機体中央部110から鉛直下方に向けられた測距センサ733のみを備え、アーム部500等と地面との接触のみを避ける構成としてもよく、または、機体中央部110の鉛直下方から機首側(進行方向側)の範囲のみを測定するように測距センサ733を配置してもよい。さらには、一つ、または複数の測距センサ733を回転させることで所定の角度範囲を測定する構成としてもよい。   Since the multicopter 101 includes the distance measuring sensor 733 and the obstacle avoidance program BAP, it is possible to prevent a collision between the arm unit 500 and the obstacle B without depending on the operator's operation skill. It is said that. In the present embodiment, a plurality of distance measuring sensors 733 are arranged so as to cover almost the entire movable range S of the arm unit 500 and the like. However, the number and measuring ranges of the distance measuring sensors 733 are the same as those of the multicopter 101. It is not limited to the form. For example, a configuration may be adopted in which only the distance measuring sensor 733 directed vertically downward from the airframe center part 110 is provided, and only the contact between the arm part 500 and the like and the ground is avoided. The distance measuring sensor 733 may be arranged so as to measure only the side (traveling direction side) range. Furthermore, it is good also as a structure which measures a predetermined angle range by rotating the 1 or several ranging sensor 733. FIG.

(障害物誤検知防止機能)
図10は、マルチコプター101の障害物誤検知防止機能を説明するための模式図である。図10の一点鎖線で示された範囲Dは、複数の測距センサ733のうち、一つの測距センサ733の測定範囲を示している。図10では、説明の便宜上、二本のアーム部500等のうち一本のみを表示している。
(Prevention of obstacle detection error)
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the obstacle erroneous detection preventing function of the multicopter 101. A range D indicated by a one-dot chain line in FIG. 10 indicates a measurement range of one distance measuring sensor 733 among the plurality of distance measuring sensors 733. In FIG. 10, for convenience of explanation, only one of the two arm portions 500 is displayed.

本実施形態の測距センサ733は、マルチコプター101の機体中央部110から、アーム部500等の可動範囲Sを含む範囲を測定しているため(図10(a))、アーム部500等の姿勢によってはその測定範囲内にアーム部500等の一部が入り込むことがある(図10(b))。このときに障害物回避プログラムBAPがアーム部500等を障害物Bと誤判断した場合、アーム部500等が自らを避ける方向に退避し、アーム部500等が制御不能に陥るおそれがある。   The distance measuring sensor 733 of the present embodiment measures the range including the movable range S of the arm unit 500 and the like from the machine body central part 110 of the multicopter 101 (FIG. 10A). Depending on the posture, a part of the arm unit 500 or the like may enter the measurement range (FIG. 10B). At this time, when the obstacle avoidance program BAP erroneously determines the arm unit 500 or the like as the obstacle B, the arm unit 500 or the like may retreat in a direction to avoid itself, and the arm unit 500 or the like may be out of control.

そのため、マルチコプター101の障害物回避プログラムBAPは、アーム姿勢情報領域APAの情報に基づいてアーム部500の現在の位置を常時把握し、その位置において検知された物体は無視するように設定されている。なお、障害物誤検知防止機能はマルチコプター101の形態には限られず、例えばアーム姿勢情報領域APAを備えず、測距センサ733の測定範囲内において遠方から次第に近づいてくる物体を障害物Bと判断し、測距センサ733の測定範囲内に唐突に現れた物体はアーム部500等と判断する構成としてもよい。   Therefore, the obstacle avoidance program BAP of the multicopter 101 is set to always grasp the current position of the arm unit 500 based on the information in the arm posture information area APA and ignore the object detected at that position. Yes. The obstacle erroneous detection preventing function is not limited to the form of the multicopter 101. For example, an object that does not include the arm posture information area APA and gradually approaches from the distance within the measurement range of the distance measuring sensor 733 is referred to as an obstacle B. It may be configured that an object that has been determined and appears suddenly within the measurement range of the distance measuring sensor 733 is determined as the arm unit 500 or the like.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、ロボットアームRAを構成するアーム部500やアーム部500´の本数は二本には限定されず、一本でもよく、三本以上としてもよい。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the number of arm parts 500 and arm parts 500 ′ constituting the robot arm RA is not limited to two, but may be one or three or more.

100,101 マルチコプター(無人航空機)
FC フライトコントローラ
232 飛行制御センサ群
R ローター(回転翼)
RA ロボットアーム
500,500´ アーム部
510〜540 リンク部材
510 ベース部
520 肩部
530 上腕部
540 下腕部
540a 手首部
551〜554 サーボモータ
〜J 関節部
600 ハンド(エンドエフェクタ)
650 カメラ(撮影手段)
660 測距センサ(測距手段)
720 制御装置
732 IMU
733 測距センサ(測距手段)
ACP アーム制御プログラム(アーム制御手段)
APA アーム姿勢情報領域(記憶手段)
OAP 障害物回避プログラム(障害物回避手段)

100,101 Multicopter (Unmanned aerial vehicle)
FC Flight controller 232 Flight control sensor group R Rotor (rotary wing)
RA robot arm 500,500' arm portions 510 to 540 link member 510 base section 520 shoulder 530 upper arm 540 lower arm portion 540a wrist 551 to 554 servomotor J 1 through J 8 joint 600 Hands (end effectors)
650 camera (photographing means)
660 Distance sensor (ranging means)
720 Controller 732 IMU
733 Distance sensor (ranging means)
ACP arm control program (arm control means)
APA arm posture information area (storage means)
OAP obstacle avoidance program (obstacle avoidance means)

Claims (8)

複数の回転翼を備える無人航空機に搭載されるロボットアームであって、
複数の関節部を有するアーム部と、
前記各関節部の駆動を制御するアーム制御手段と、
前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタと、
前記無人航空機の機体周辺に存在する物体との距離を測定する測距センサと、
前記測距センサが障害物を検知したときに、該障害物に前記アーム部および前記エンドエフェクタが衝突しないよう前記アーム部の姿勢を制御する障害物回避手段と、を備えていることを特徴とするロボットアーム。
A robot arm mounted on an unmanned aerial vehicle having a plurality of rotor blades,
An arm portion having a plurality of joint portions;
Arm control means for controlling the driving of each joint part;
An end effector attached to the tip of the arm part;
A distance measuring sensor for measuring a distance to an object present around the fuselage of the unmanned aircraft;
And an obstacle avoiding means for controlling the posture of the arm part so that the arm part and the end effector do not collide with the obstacle when the distance measuring sensor detects the obstacle. Robot arm.
前記アーム部の現在の姿勢を特定可能な情報を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記障害物回避手段は、前記記憶手段の情報に基づいて、前記測距センサが検知した前記物体が、前記障害物か、前記アーム部または前記エンドエフェクタか、を判別可能であることを特徴とする請求項1に記載のロボットアーム。
Storage means for storing information capable of specifying the current posture of the arm unit;
The obstacle avoiding means is capable of determining whether the object detected by the distance measuring sensor is the obstacle, the arm unit, or the end effector based on information in the storage means. The robot arm according to claim 1.
前記障害物回避手段は、前記測距センサの測定範囲内において遠方から次第に近づいてくる前記物体を前記障害物であると判断し、前記測距センサの測定範囲内に唐突に現れた前記物体は前記アーム部または前記エンドエフェクタであると判断することを特徴とする請求項1に記載のロボットアーム。 The obstacle avoiding means determines that the object gradually approaching from a distance within the measurement range of the distance measuring sensor is the obstacle, and the object that appears suddenly within the measurement range of the distance sensor is The robot arm according to claim 1, wherein the robot arm is determined to be the arm unit or the end effector. 前記複数の関節部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部を一組としたときに、三組の前記関節部を有していることを特徴とする請求項1に記載のロボットアーム。   2. The plurality of joint portions have three sets of the joint portions when the two joint portions capable of turning in directions orthogonal to each other are taken as one set. Robot arm. 前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、
前記複数のリンク部材は、前記アーム部の基端側から先端側に向かって、前記無人航空機の機体に結合されたベース部、肩部、上腕部、下腕部、および、前記アーム部の先端部である手首部を有しており、
前記肩部は前記ベース部に対して周方向へ回転可能に連結されており、
前記肩部および前記上腕部、前記上腕部および前記下腕部、並びに、前記下腕部および前記手首部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部により連結されていることを特徴とする請求項4に記載のロボットアーム。
The arm portion has a plurality of link members connected by the plurality of joint portions,
The plurality of link members include a base portion, a shoulder portion, an upper arm portion, a lower arm portion, and a distal end of the arm portion that are coupled to the fuselage of the unmanned aircraft from the proximal end side to the distal end side of the arm portion. Have a wrist that is
The shoulder portion is connected to the base portion so as to be rotatable in the circumferential direction,
The shoulder portion and the upper arm portion, the upper arm portion and the lower arm portion, and the lower arm portion and the wrist portion are connected by the two joint portions that can pivot in directions orthogonal to each other. The robot arm according to claim 4.
前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象を撮影する撮影手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のロボットアーム。   The robot arm according to claim 1, wherein the end effector is provided with photographing means for photographing a work target of the end effector. 前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象との距離を測定する測距手段が設けられていることを特徴とする請求項1に記載のロボットアーム。   The robot arm according to claim 1, wherein the end effector is provided with distance measuring means for measuring a distance from a work target of the end effector. 複数の回転翼と、
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載にロボットアームを備える無人航空機。
A plurality of rotor blades,
An unmanned aerial vehicle comprising the robot arm according to any one of claims 1 to 7.
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