JP6512686B2 - 陸上走行可能な飛行体 - Google Patents

Description

本発明は、陸上走行可能な回転する車輪付の飛行体、即ち、飛行体の飛行体本体の中心に配置した１個の推進部または車輪の進行方向に対して左右対称に配置される複数の推進部と、飛行体本体の主たる進行方向である車輪の進行方向に垂直となるように取り付けた車軸と、車軸に回転可能で前記飛行体本体を立体的に包み込む車輪とを備えた飛行体に関するものである。

従来、車輪の無い推進器（プロペラ駆動装置やジェット型推進装置など）をもつ飛行体（以下、飛行体本体）がある。これに対して、発明者らは、非特許文献１にて、図８に示す飛行体本体の中心に配置した１個の推進部または車輪の進行方向に対して左右対称に配置される複数の推進部と、飛行体本体の主たる進行方向である車輪の進行方向に垂直となるように取り付けた車軸と、車軸に回転可能で前記飛行体本体を立体的に包み込む車輪とを備えた飛行体を開示した。これにより、墜落等による飛行体本体の損傷を防ぎ、車輪を回転して移動することにより、限られたバッテリー容量の中で、移動時間および移動距離を増すことができることを提案した。
この飛行体の用途として老朽化したトンネルや橋梁の天井や壁などの検査に適用できる。即ち、飛行体にカメラや接触センサ等の検査機器を搭載して、トンネルや橋梁の表面の撮影等のデータ収集を行うことができる。

高橋七奈、山下修平、山田学、"クアッドヘリコプタの入出力線形化による追従制御と壁も天井も自由に走行できる空陸両用飛行ロボットの開発"、第３７回日本ロボット学会学術講演会論文集（CD）、（2013年）、1D3-04

従来例の車輪を有する飛行体は鉛直の壁を水平に走行することができない。即ち、飛行体は、推進部（飛行体本体）を、車軸に対して進行方向に傾けて進行する。よって、図９（ａ）に示すように、鉛直壁５０を上方（Ｙ軸）へ走行する場合、飛行体本体３０を傾け、上向きの揚力Ｆｈ１と壁５０を押しつける力Ｆｈ２（Ｚ軸）を発生させる。力Ｆｈ２により車輪１０と壁５０の接触部には摩擦力Ｆｍ上向きに発生する。揚力Ｆｈ１と摩擦力Ｆｍの和が、飛行体の重量Ｆｗより大きい場合、飛行体は、推進部（飛行体本体）を、車軸に対して進行方向に傾けて進行する。この場合、図９（ｂ）に示すように水平方向（Ｘ軸）には、移動できない。
ここで、車輪１０を鉛直の壁の水平方向（Ｘ軸）にして、水平方向走行する場合、推進部による推力は、推進部を有する飛行体本体が車軸に対して傾斜するので、進行方向（Ｘ軸）と壁方向（Ｚ軸）に発生し、鉛直方向（Ｙ軸）には発生しない。よって、鉛直方向（Ｙ軸）の力の釣り合いを考えると、Ｙ軸の下方には、飛行体の重量Ｆｗが働き、壁方向（Z軸）の推力によりＹ軸の上方に車輪の摩擦力が働く。しかし、この摩擦力は、飛行体の重量Ｆｗに比べ小さい。従って、飛行体は、壁面を滑り落ちながら水平方向（Ｘ軸）に走行する。よって、従来の飛行体は鉛直の壁を水平方向のデータ収集ができない問題があった。

本発明は、上記の課題を解決する行体１を提供することであり、以下の通りである。
発明１は、飛行体本体の主たる進行方向に垂直となるように取り付けた車軸と、飛行体本体の中心に配置した１個の推進部または前記主たる進行方向に対して左右対称に配置される複数の推進部と、車軸に回転可能な車輪と、を備えた飛行体において、車輪の外郭の外側に、車輪の回転進行方向に交差する方向に回転可能で、車輪より小さい外郭の車軸方向車輪を複数個有することを特徴とする陸上走行可能な飛行体である。
発明２は、車軸方向車輪は、車軸に垂直な軸および垂直な軸に平行な軸の内、少なくとも３本の軸の端部に有することを特徴とする発明１に記載の陸上走行可能な飛行体である。
発明３は、車軸方向車輪が車輪の周方向に等間隔を存して配置された車軸方向車輪付き車輪であって、車軸方向車輪付き車輪が壁等を水平に走行する際、車軸方向車輪のみが壁等に接地することを特徴とする請求項１に記載する陸上走行可能な飛行体である。

発明１によれば、飛行体は、車輪の外郭に車輪の回転方向に交差する方向に回転可能で、車輪より小さい外郭の車軸方向車輪を複数個有している。よって、飛行体が鉛直の壁を水平方向に移動する際、飛行体は、壁に車輪を接地させずに車軸方向車輪を接地させることができるので、車輪が抵抗にならず、車軸方向車輪の回転によりスムーズに移動することができる。
発明２によれば、発明１において、車軸方向車輪は、車軸に垂直な軸および垂直な軸に平行な軸の内、少なくとも３本の軸の端部に有する。よって、車軸方向車輪は、車輪の外郭の外側にあるので、壁に対して飛行体を、安定した３点支持とする３個の車軸方向車輪で接地することができ、飛行体は安定して走行することができる。
発明３によれば、発明１において、飛行体は、車軸方向車輪が車輪の周方向に等間隔を存して配置された車軸方向車輪付き車輪を有し、車軸方向車輪付き車輪が壁等を水平に走行する際、車軸方向車輪のみが壁等に接地するので、安定して走行することができる。車軸方向車輪付き車輪は、車輪の外周に複数の車軸方向車輪を有するので、飛行体が鉛直の壁等に当接する際の飛行体の姿勢に関係なく車軸方向車輪を接地させることができる。

本発明の第１実施形態の車軸方向車輪１２を示す。飛行体本体はＨ型フレーム。 第１実施形態の車軸方向車輪１２により鉛直の壁を上方に走行する状態を示す。（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図を示す。飛行体本体はＸ型フレーム。 第１実施形態の車軸方向車輪１２により鉛直の壁を上方に走行する状態を示す（平面図）。飛行体本体はＨ型フレーム。 第１実施形態の車軸方向車輪１２により鉛直の壁を上方に走行後、右折して水平に走行する状態を示す。 車軸方向車輪１２が２個以下の場合、鉛直の壁を水平に走行が困難な状態を示す（正面図）。 本発明の第２実施形態の軸方向車輪付き車輪１６の構造を示す。 第２実施形態の車軸方向車輪付き車輪１６の試作品を示す。（ａ）は図面、（ｂ）は試作品の外観、（ｃ）は仕様を示す。 従来の飛行体の外観構造を示す。 従来の飛行体が鉛直の壁５０を上方に移動できるが、水平方向に移動できない状態を示す。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態の車軸方向車輪１２を示す。飛行体本体はＨ型フレームである。
車軸方向車輪１２は、球状の車輪で、全方向に回転可能にホルダー１４に保持されている。ホルダー１４は、車軸２０に垂直な軸に平行な軸の端部に備えられている。車軸方向車輪１２は、３個ある。
車軸方向車輪１２は、車輪１０の外郭すなわち外径の外側に、車輪１０の回転進行方向に交差する方向に回転可能で、車輪１０より小さい外郭を有している。飛行体１が、壁等を回転して移動する際、通常は、車輪１０が壁に接して回転する。一方、飛行体１が、壁を水平に移動する場合、３個の車軸方向車輪１２は、車輪１０の外郭の外側にあり、壁に３個とも接し、３点で飛行体は支持され安定している。この際、車輪１０は壁に接していない。車軸方向車輪１２は、球状の車輪で、ホルダー１４に保持されているので、壁上の全方位（１８０°）に回転可能である。よって、３個の車軸方向車輪１２は、車輪１０の回転進行方向に交差する方向に回転可能であり、飛行体１は、鉛直の壁を水平方向に移動可能である。車軸方向車輪１２の外径は、車輪１０の補助的な車輪であるので、車輪１０の外径より小さくて良い。よって、飛行体１を、軽量でコンパクトに構成することができる。
また、車軸方向車輪１２のホルダー１４の内少なくとも１個は、車軸２０に垂直な軸に平行な軸の端部に備えられている。これは、車軸２０が車輪１０の回転中心になっているので、車軸２０に垂直な軸は、車輪１０の半径方向となる。一方、車軸方向車輪１２のホルダー１４の内少なくとも１個は、車軸２０に垂直な軸に平行な軸の端部に備えられている。残りの車軸方向車輪１２のホルダー１４の内少なくとも１個は、車軸２０に垂直な軸またはこれに平行な軸の端部に備えられている。よって、車軸方向車輪１２は、車輪１０の外郭の外側にあるので、壁に対して飛行体１を、安定した３点支持とする３個の車軸方向車輪１２で接地することができ、飛行体１は安定して走行することができる。また、車軸方向車輪１２は、走行する壁面の状況等に応じて４個以上としても良い。
尚、車輪１０は、回転可能な円形が良い。また、外形は、図８のように半球状として飛行体本体３０を保護するプロテクター機能をもつものでも良いし、図1のように円盤状の車輪機能を優先するものでも良い。

図２に、第１実施形態の車軸方向車輪１２により鉛直の壁を上方に走行する状態を示す。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図を示す。飛行体本体はＸ型フレームである。
図２（ａ）によれば、飛行体１は、壁５０に３個の車軸方向車輪１２で接し、車輪１０は接していない。３個の車軸方向車輪１２で、壁５０を上方方向（Ｙ）方向へ移動している。
図２（ｂ）によれば、飛行体本体３０が傾斜し、飛行体１が上方（Ｙ軸）と壁５０方向（Ｚ軸）に推力を発生している。飛行体１は、壁５０に３個の車軸方向車輪１２で接し、壁５０を上方方向（Ｙ）方向へ移動している。
ここで、飛行体１の推力を制御すればＸ軸方向へも移動することができる。この機能は後述する。

図３は、第１実施形態の車軸方向車輪１２により鉛直の壁を上方に走行する状態を示す（平面図）。飛行体本体はＨ型フレームである。
図２（ａ）と同様に飛行体１は、壁５０に３個の車軸方向車輪１２で接し、車輪１０は接していない。３個の車軸方向車輪１２で、壁５０を上方方向（Ｙ）方向へ移動している。

図４に、第１実施形態の車軸方向車輪１２により鉛直の壁を上方に走行後、右折して水平に走行する状態を示す。
まず（１）において、飛行体１は、鉛直の壁３０を上方(Ｙ軸)に移動している。（１）の(a)は正面図であり、（１）の(b)は平面図である。これは、Ｈフレームで図示しているが、図２と同様、飛行体１は、壁５０に３個の車軸方向車輪１２で接し、壁５０を上方方向（Ｙ）方向へ移動している。
次に（２）において、飛行体本体３０の4つの推進部の推進力を制御する。すなわち、Ｙ軸方向に対して右側の２つ推進部の推進力を、左側の２つの推進部の推進力より弱くすると、飛行体1は、Ｘ軸方向にも推力を得ることができる。従って、車軸２０が右に下がり車輪１０が右方向に傾く。ここでも、車輪１０は壁５０に接しなく、３個の車軸方向車輪１２が接している。飛行体本体３０による揚力は、飛行体本体３０を傾斜させること、および推進部の推進力を制御することで、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸の３方向に発生している。Ｚ軸方向の推力は、３個の車軸方向車輪１２を壁５０に押しつけ摩擦力を発生させ飛行体1を安定して走行させる。Ｙ軸方向の揚力は、自重のある飛行体1を持ち上げる。Ｘ軸方向の推力は、飛行体1を右方向に水平に走行させる。
次に（３）は、上述した３方向の揚力により、飛行体1は、３個の車軸方向車輪１２により、鉛直の壁５０上を水平に走行し続けることができる。

図５は、車軸方向車輪１２が２個以下の場合、鉛直の壁を水平に走行が困難な状態を示す（正面図）。
図５は、車軸方向車輪１２が１個、または２個の車軸方向車輪１２が水平方向(Ｘ軸方向)に並んだ状態を示す。壁５０には、車軸方向車輪１２と共に２個の車輪１０が接する。車輪１０は、Ｘ軸方向には回転できず抵抗になるので、飛行体は、Ｘ軸方向(壁を水平方向)には移動が困難である。
また、図示しないが２個の車軸方向車輪１２が鉛直方向(Ｙ軸方向)に並んだ状態では、壁５０には車軸方向車輪１２と共に２個の車輪１０のいずれか一方が接する。車輪１０は、Ｘ軸方向には回転できず抵抗になるので、飛行体は、Ｘ軸方向(壁を水平方向)には移動が困難である。
以上より、飛行体1は、車軸方向車輪１２が２個以下の場合、鉛直の壁を水平に走行が困難となる。

（第２実施形態）
図６に、本発明の第２実施形態の車軸方向車輪付き車輪１６の構造を示す。
軸方向車輪付き車輪１６は、車軸方向車輪１８およびホルダー１９が車輪１７の周方向に等間隔を存して配置されている。車軸方向車輪１８は、球状の車輪で、ホルダー１９に全方向回転可能に保持されている。
飛行体１が鉛直の壁等を水平に走行する際、車軸方向車輪付き車輪は、車軸方向車輪のみが壁等に接地する。すなわち、となり合う２個の車軸方向車輪１８が壁に接地し、その間の車輪１７が接地しない。よって、飛行体１は、２つの軸方向車輪付き車輪１６の、となり合う２個の車軸方向車輪１８が壁に接地して走行する。車輪１７の外周は接地しないので、飛行体１は抵抗が少なく滑らかに走行することができる。
また、車軸方向車輪付き車輪は、車輪の外周に複数の車軸方向車輪を有するので、飛行体が鉛直の壁等に当接する際の飛行体の姿勢に関係なく車軸方向車輪を接地させることができる。

図７は、第２実施形態の車軸方向車輪付き車輪１６の試作品を示す。図７（ａ）は図面、図７（ｂ）は試作品の外観、図７（ｃ）は仕様を示す。尚、車軸方向車輪１８は、球状ではなく円形状で試作した。
図７（ａ）の図面は、外径４８０ｍｍの車輪１７の半径方向の外径部に、外径３０ｍｍの円形の車軸方向車輪１８を取り付けた。車軸方向車輪１８は、１５°間隔で２４個である。車輪１７が壁を回転した際、車輪１７は壁に接触しないで、車軸方向車輪１８のみが接触する。このようにすることで、車輪１７が接触しないので抵抗にならず、小車輪１８が回転するので、飛行体１は、車軸２０方向にスムーズに移動することができる。
図７（ｂ）は、実際に試作した車軸方向車輪付き車輪１６の外観を示す。これを着けた飛行体１により、車輪１７が接触しないで、小車輪１８が回転させ、鉛直の壁を水平方向に、すなわち飛行体１の車軸２０方向にスムーズに移動することを確認した。
図７（ｃ）は、試作した車軸方向車輪付き車輪１６の仕様を示す。車軸方向車輪付き車輪１６は、直径５００ｍｍ、厚み２５ｍｍ，重量１６５ｇである。
車輪１７は、直径４８０ｍｍ、厚み７．５ｍｍ，重量８４ｇである。材質はテクセルである。尚、車軸方向車輪１８の取付け部には車輪１７に切欠きを設けており、車軸方向車輪１８の車軸は、車輪１７の外形より２．５ｍｍ内側にワイヤーを巻き付けて試作した。
車軸方向車輪１８は、直径２５ｍｍ、厚み５ｍｍ，重量３．３ｇである。使用個数は、２４個で材質はテクセルである。

以上、第１実施形態、第２実施形態より、以下の作用および効果がある。
発明１は、飛行体本体３０の主たる進行方向に垂直となるように取り付けた車軸２０と、飛行体本体３０の中心に配置した１個の推進部または前記主たる進行方向に対して左右対称に配置される複数の推進部と、車軸２０に回転可能な車輪１０と、を備えた飛行体１において、車輪１０の外郭の外側に、車輪１０の回転進行方向に交差する方向に回転可能で、車輪１０（１７）より小さい外郭の車軸方向車輪１２または１８を複数個有することを特徴とする陸上走行可能な飛行体１である。
発明２は、車軸方向車輪１２は、車軸２０に垂直な軸および垂直な軸に平行な軸の内、少なくとも３本の軸の端部に有することを特徴とする発明１に記載の陸上走行可能な飛行体である。
発明３は、車軸方向車輪１８が車輪１０（１７）の周方向に等間隔を存して配置された車軸方向車輪付き車輪１６であって、車軸方向車輪付き車輪１６が壁等を水平に走行する際、車軸方向車輪１８のみが壁等に接地することを特徴とする請求項１に記載する陸上走行可能な飛行体１である。
発明１によれば、飛行体１は、車輪１０の外郭に車輪１０の回転方向に交差する方向に回転可能で、車輪１０より小さい外郭の車軸方向車輪１２または１８を複数個有している。よって、飛行体１が鉛直の壁を水平方向に移動する際、飛行体１は、壁に車輪１０（１７）を接地させずに車軸方向車輪１２または１８を接地させることができるので、車輪１０（１７）が抵抗にならず、車軸方向車輪１２または１８の回転によりスムーズに移動することができる。
発明２によれば、発明１において、車軸方向車輪１２は、車軸２０に垂直な軸および垂直な軸に平行な軸の内、少なくとも３本の軸の端部に有する。よって、車軸方向車輪１２は、車輪１０の外郭の外側にあるので、壁に対して飛行体１を、安定した３点支持とする３個の車軸方向車輪１２で接地することができ、飛行体１は安定して走行することができる。
発明３によれば、発明１において、飛行体１は、車軸方向車輪１８が車輪１０（１７）の周方向に等間隔を存して配置された車軸方向車輪付き車輪１６を有し、車軸方向車輪付き車輪１６が壁等を水平に走行する際、車軸方向車輪１８のみが壁等に接地するので、安定して走行することができる。車軸方向車輪付き車輪１６は、車輪１０（１７）の外周に複数の車軸方向車輪１８を有するので、飛行体１が鉛直の壁等に当接する際の飛行体１の姿勢に関係なく車軸方向車輪１８を接地させることができる。

この飛行体の用途として老朽化したトンネルや橋梁に加えビル等の建物の屋外において天井や壁などの検査に適用できる。即ち、飛行体にカメラや接触センサ等の検査機器を搭載して、建物の表面を安定して走行するので、撮影等のデータ収集を正確に行うことができる。

１ 飛行体
１０ 車輪
１２ 車軸方向車輪
１４ ホルダー
１６ 車軸方向車輪付き車輪
１７ 車輪
１８ 車軸方向車輪
１９ ホルダー
２０ 車軸
３０ 飛行体本体
５０ 壁（鉛直方向：Ｙ軸）
５２ 床（水平方向：Ｘ軸）

Claims (2)

1. 飛行体本体の主たる進行方向に垂直となるように取り付けた車軸と、
   前記飛行体本体の中心に配置した１個の推進部または前記主たる進行方向に対して左右対称に配置される複数の推進部と、
   前記車軸に回転可能な車輪と、
   を備えた飛行体において、
   前記車輪の外郭の外側に、
   前記車輪の回転進行方向に交差する方向に回転可能で、
   前記車輪より小さい外郭の車軸方向車輪を複数個有する陸上走行可能な飛行体であって、
   前記車軸方向車輪は、前記車輪の周方向に等間隔を存して配置された車軸方向車輪付き車輪であって、
   前記車軸方向車輪付き車輪が壁等を水平に走行する際、
   前記車軸方向車輪のみが前記壁等に接地し、
   前記車輪は壁に接地しないことを特徴とする陸上走行可能な飛行体。
2. 飛行体本体の主たる進行方向に垂直となるように取り付けた車軸と、
   前記飛行体本体の中心に配置した１個の推進部または前記主たる進行方向に対して左右対称に配置される複数の推進部と、
   前記車軸に回転可能な車輪と、
   を備えた飛行体において、
   前記車輪の外郭の外側に、
   前記車輪の回転進行方向に交差する方向に回転可能で、
   前記車輪より小さい外郭の車軸方向車輪を複数個有する陸上走行可能な飛行体であって、
   前記車軸方向車輪は、前記車軸に垂直な軸および前記垂直な軸に平行な軸の内、少なくとも３本の軸の端部に有し、前記飛行体が、壁を水平に移動する場合、３個の車軸方向車輪が接地し、前記車輪は壁に接していないことを特徴とする陸上走行可能な飛行体。