JP6628173B2 - 接触面との摩擦力を高める車輪を有する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１０（ａ）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。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の側面から見たＡ視の車輪を示す。
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

ここで、飛行体の車輪１０は、軽く強度を有する樹脂で作られる。よって、図１１で示すように、壁面５０を走行中に横風を受けると、壁面の同じ位置に留まっていることができずに流されてしまい、データ収集を行うことができない。この場合の力の状態を、図１２（ａ）を用いて説明する。従来の飛行体は、飛行体本体３０に、車軸２０１と車輪１０を付けている。飛行体本体の推進力の一部により、車輪１０は壁５０に押しつけられて壁を上部または下部に向けて移動している。この車輪１０と壁面５０に発生する摩擦力により、飛行体は横風を受けても、横風に対抗して安定を保つことができる。図１２（ｂ）に、車輪と壁面が離れている場合を示す。また、図１２（ｃ）に、車輪と壁面が接触している場合を示す。接触部は、基本的には車輪の幅方向のみの線接触なので、車輪１０と壁５０に発生する摩擦力は大きくないので、飛行体は横風が発生すると安定して走行できず、データ収集が正確にできない問題があった。

本発明は、上記の課題を解決する耐風性能を高めた飛行体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、を備えた飛行体において、車輪と走行する面との接触面積を増すこと、または車輪の面への押圧力を増やすことにより、車輪と面との摩擦力を大きくしたことを特徴とする飛行体である。
発明２は、車輪の外周に、気泡を有する樹脂部材を有し、車輪と面との接触面積を大きくしたことを特徴とする発明１に記載の飛行体である。
発明３は、車輪の外周と樹脂部材の間に磁石を有することを特徴とする発明１または２に記載する飛行体である。
発明４は、車軸の両端に、弾性部材を介して車輪を回転可能に備え、車輪が面に傾斜して走行することを特徴とする請求項１乃至３に記載する飛行体である。

発明１によれば、車輪と走行する面との接触面積を増すこと、または車輪の面への押圧力を増やすことにより、車輪と面との間に発生する摩擦力を大きくすることができ、飛行体の耐風性能を向上させることができる。
発明２によれば、車輪の外周に、気泡を有する樹脂部材を有し、車輪と面との接触面積を大きくすることにより、飛行体の耐風性能を向上させることができる。同時に、樹脂部材の表面にある気泡と設置した面との吸盤効果により、さらに耐風性能を向上させることができる。
発明３によれば、車輪の外周と樹脂部材の間に磁石を有するので、飛行体が走行する面が鋼材等の磁性体の場合、その吸引力により耐風性性能を向上させることができる。また、外周の樹脂部材により、磁石に鉄粉などの異物が付着するのを防ぐことができる。
発明４によれば、車軸の両端に、弾性部材を介して車輪を回転可能に備え、すなわち、ベアリング等で回転自在に固定されているので、弾性部材により車輪が八の字形等に開いて、壁等の面に押しつけられ、車輪が面に傾斜して走行することができる。よって、横風方向の力を横方向と壁に垂直方向に分解し、横方向の力を小さくすると共に、壁を垂直に押す方向の力は、車輪と壁との間で摩擦力を発生させる。この２つの効果で、耐風性能は向上させることができる。

第１実施形態の車輪１０の外周に樹脂部材を有した状態を示す。（ａ）は、全周に一体の樹脂材料１２、（ｂ）は、複数の樹脂部材１２を、間隔を置いて有した状態を示す。 車輪１０の全周に樹脂部材１２を有したときの接触長さを模式的示す。（ａ）は接触前、（ｂ）は接触時を示す。 車輪１０の全周に複数の樹脂部材１２を、間隔を置いて有したときの接触長さを模式的に示す。ａ）は接触前、（ｂ）は接触時を示す。 市場で入手できる１１種類の気泡を有する樹脂部材を示す。 樹脂部材の摩擦係数の測定装置を示す。（ａ）は飛行体１での測定の構想図、（ｂ）は実際に測定した測定装置を示す。 １１種類の樹脂部材貼付した測定した摩擦係数を示す。 車輪１０の外周と樹脂部材の間に磁石１８を有する状態を示す。（ａ）は、全周に一体の樹脂材料１２、（ｂ）は、複数の樹脂部材１４を、間隔を置いて貼付した状態を示す。 第２実施形態の車軸２０の両端に、弾性部材２２を介して車輪１０に回転可能に取り付けたことを示す。 弾性部材２２により車輪１０が八の字形等に開いて、壁等に押しつけられた場合の耐風性能の効果を示す。（ａ）は、弾性体２２が無い場合、（ｂ）は、弾性体２２がある場合である。 従来の飛行体の構造を示す。（ａ）は全体図矢視図、（ｂ）は、Ａ視の車輪１０を示す。 従来の飛行体が鉛直の壁５０を移動する際、横風を受ける状態を示す。 従来の飛行体が鉛直の壁５０を移動する際、横風を受ける状態を示す。（ａ）は車輪と壁の摩擦力、（ｂ）は、車輪１０の接触前、（ｃ）は車輪１０の接触時を示す。

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は、本発明の第１実施形態における、車輪１０の外周に気泡を有する樹脂部材を貼付した状態を示す。図１（ａ）は、全周に一体の樹脂部材１２を有している状態をしめす。気泡を有している樹脂部材は、気泡により軽量化できる。また、壁５０などに接触した際、小さな力で容易に、圧縮され壁５０との接触面積を増加させることができる。また、空気層が壁５０との接触面に有る場合は、吸盤効果もある。
図１（ｂ）は、複数の気泡を有する樹脂部材１４を、間隔を置いて有している状態を示す。複数の樹脂部材１４を、間隔を置いて配置したのは、軽量化のためである。

図２に、車輪１０の全周の全周に気泡を有する樹脂部材１２を有したときの接触長さを模式的に示す。図２（ａ）は、車輪１０および空気層を有する樹脂部材１２が、壁５０の表面に接触する前の状態を示す。一方、図２（ｂ）は、車輪１０および空気層を有する樹脂部材１２が、壁５０の表面に接触した状態を示す。車輪１０および空気層を有する樹脂部材１２は、飛行体本体３０の推進力の一部により、壁５０に押し付けられるので、空気層を有する樹脂部材１２は変形する。空気層を有する樹脂部材１２と壁５０との接触長さ１３は、大きくなる。よって、空気層を有する樹脂部材１２により、車輪１０と壁５０との接触面積は大きくなり、発生する摩擦力が大きくなる。飛行体１の耐風性能を高めることができる。

図３に、車輪１０の全周に複数の樹脂部材１４を、間隔を置いて貼付したときの接触長さを模式的に示す。図３（ａ）は、車輪１０および複数の気泡を有する樹脂部材１４が、壁５０の表面に接触する前の状態を示す。一方、図３（ｂ）は、車輪１０および複数空気層を有する樹脂部材１４が、壁５０の表面に接触した状態を示す。ここでは、２つの隣り合う気泡を有する樹脂部材１４の中間の位置、すなわち２つの気泡を有する樹脂部材１４で壁５０を押しつけた場合を示す。車輪１０および複数の空気層を有する２つの樹脂部材１４は、飛行体本体３０の推進力の一部により、壁５０に押し付けられるので、気泡を有する樹脂部材１４は変形する。気泡を有する樹脂部材１４と壁５０との接触長さ１５は、大きくなり、２個所ある。よって、空気層を有する樹脂部材１４により、車輪１０と壁５０との接触面積は大きくなり、発生する摩擦力が大きくなる。よって、飛行体１の耐風性能を高めることができる。
尚、図３では、樹脂部材１４の中間の位置で示したが、左右にオフセットした場合、一方の樹脂部材１４の接触長さ１５は減少するが、他方の樹脂部材１４の接触長さ１５は増加する。よって、車輪１０と壁５０との接触面積はほぼ同等となるので、発生する摩擦力も同等になる。よって、飛行体１の耐風性能を高めることができる。

発明者等は、図４に示す市場で入手できる１１種類の気泡を有する樹脂部材で、静止摩擦係数を測定した。
素材番号１は、気泡を有する樹脂部材が無い場合である。第１実施形態の樹脂部材１２または１４には、樹脂系材料だけでなくゴム系材料も含む。樹脂系材料は、ウレタン、ポリエステル、アクリル等であり、ゴム系材料として、天然ゴム、ＥＰＤＭ、クロロプレンゴム等である。

図５は、樹脂部材１２の摩擦係数の測定装置を示す。図５（ａ）は飛行体１での測定の構想図を示す。これは車輪１０が転がり易く、測定に不向きであるので、採用しなかった。
図５（ｂ）は、実際に測定した測定装置を示す。車輪１０を円弧状にカットし、円周上に各樹脂部材１２を貼付したテストピース４６を作製した。テストピース４６のカット面に重り４２を乗せた。重り４２は、飛行体１の揚力を想定して、飛行体の重量相当の約１４００グラムとした。また、テスト面４４は、一般に壁面に使用されるコンクリートを採用した。この状態で、フォースゲージ４０で横方向に引っ張って、テストピース４６が動き出す力（最大静止摩擦力）ｆを測定した。静止摩擦係数は、測定したｆをおもり４２の重量で割って求めた。

図６に、図４に示す１１種類の気泡を有する樹脂部材で測定した結果の静止摩擦係数を示す。素材番号１の気泡を有する樹脂部材が無い場合、静止摩擦係数は、０．４７であった。これに対し、素材番号６のポリエステル樹脂は、０．６を最小として、素材番号５のクロロプレンゴムは、０．９３、素材番号７のアクリル系特殊ポリマーフィルムは０．９２と大きくなった。これは、気泡を有することによる吸盤効果によると考えられる。よって、第１実施形態の樹脂部材１２または１４には、樹脂系材料だけでなくゴム系材料も含む。
以上より、第１実施形態は、接触面積を増すことと、摩擦係数を大きくすることにより、車輪１０と壁５０とに発生する摩擦力が大きくなる。よって、飛行体１の耐風性能を高めることができる。

図７に、車輪１０の外周と樹脂部材１２または１４の間に磁石１８を有する状態を示す。図７（ａ）は、全周に一体の樹脂材料１２、図７（ｂ）は、複数の樹脂部材１４を、間隔を置いて有する状態を示す。磁石１８はネオジム磁石など永久磁石を用いる。
橋梁の天井や壁などには鋼材が多く使用されているので、磁石１８を用いることでより車輪１０がこれらの鋼材に高い吸着力を有するので、飛行体１の耐風性能を高めることができる。
また、外周の樹脂部材１２または１４により、磁石１８に鉄粉などの異物が付着するのを防ぐことができる。

（第２実施形態）
図８に、第２実施形態として、車軸２０の両端に、弾性部材２２を介して車輪１０を回転可能に備えたことを示す。
飛行体１の２つの車輪は、車軸２０の両端に弾性部材２２により、壁５０等に対して、八の字形に開いて押しつけられる。

図９に、弾性部材２２により車輪１０が八の字形に開いて壁等に押しつけられた場合の耐風性能の効果を示す。図９（ａ）は、弾性体２２が無い場合、図９（ｂ）は、弾性体２２が有る場合である。
図９（ａ）は、弾性体２２が無い場合、横風により左側の風上の車輪１０には、横方向の力ベクトルＦｘｘが発生する。これが風により、飛行体１の車輪を横方向に滑らせる力となる。尚、右側の車輪１０は、風下であるため、横風は風上の左側の車輪１０と飛行体３０に遮られ届きにくく、かつ飛行体３０の推進力に伴う風が、壁５０の上方または下方に発生しているため、右側の車輪１０の横風により受ける力は、左側の車輪１０の受ける力に比べて小さい。
一方、図９（ｂ）は弾性体２２が有る場合である。横風により左側の風上の、傾いた車輪１０には、車輪１０に垂直に、Ｆｘｘと同じ大きさの力ベクトルＦが発生する。車輪１０は傾いているため、力Ｆは、横方向のＦｘと壁を垂直に押す方向のＦｚに分けられる。ここで、横方向の力Ｆｘは、図９（ａ）のＦｘｘに比べ小さくなる。加えて、壁を垂直に押す方向のＦｚは、車輪１０と壁５０との間で摩擦力を発生させる。この２つの効果で、耐風性能は向上する。尚、右側の車輪１０は、風下であるため、横風は風上の左側の車輪１０と飛行体３０に遮られ届きにくく、かつ飛行体３０の推進力に伴う風が、壁５０の上方または下方に発生しているため、右側の車輪１０の横風により受ける力は、左側の車輪１０の受ける力に比べて小さい。

以上、第１実施形態、第２実施形態より、以下の効果がある。
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に回転可能で前記飛行体本体を立体的に包み込む車輪１０と、を備えた飛行体１において、車輪１０と走行する面との接触面積を増すこと、または車輪１０の面への押圧力を増やすことにより、車輪１０と面との摩擦力を大きくしたことを特徴とする飛行体１である。
発明２は、車輪１０の外周に、気泡を有する樹脂部材１２または１４を有し、車輪と面との接触面積を大きくしたことを特徴とする発明１に記載の飛行体１である。
発明３は、車輪１０の外周と樹脂部材１２または１４の間に磁石１８を有することを特徴とする発明１または２に記載する飛行体である。
発明４は、車軸２０の両端に、弾性部材２２を介して車輪１０を回転可能に備え、車輪１０が面に傾斜して走行することを特徴とする請求項１乃至３に記載する飛行体１である
発明１によれば、車輪１０と走行する面との接触面積を増すこと、または車輪１０の面への押圧力を増やすことにより、車輪と面との間に発生する摩擦力を大きくすることができ、飛行体１の耐風性能を向上させることができる。
発明２によれば、車輪１０の外周に、気泡を有する樹脂部材１２または１４を有し、車輪１０と面との接触面積を大きくすることにより、飛行体１の耐風性能を向上させることができる。同時に、樹脂部材１２または１４の表面にある気泡と設置した面との吸盤効果により、さらに耐風性能を向上させることができる。
発明３によれば、車輪１０の外周と樹脂部材１２または１４の間に磁石１８を有するので、飛行体１が走行する面が鋼材等の磁性体の場合、その吸引力により耐風性性能を向上させることができる。また、外周の樹脂部材１２または１４により、磁石１８に鉄粉などの異物が付着するのを防ぐことができる。
発明４によれば、車軸１０の両端に、弾性部材２２を介して車輪１０を回転可能に備え、すなわち、ベアリング等で回転自在に固定されているので、弾性部材１０により車輪１０が八の字形等に開いて、壁５０等の面に押しつけられ、車輪１０が面に傾斜して走行することができる。よって、横風方向の力を横方向と壁に垂直方向に分解し、横方向の力を小さくすると共に、壁を垂直に押す方向の力は、車輪１０と壁との間で摩擦力を発生させる。この２つの効果で、耐風性能は向上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、風が発生する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 樹脂部材（全周）
１３ 樹脂部材（全周）と面との接触長さ
１４ 樹脂部材（分割）
１５ 樹脂部材（分割）と面との接触長さ
１８ 磁石
２０ 車軸
２２ 弾性体
３０ 飛行体本体
４０ フォースゲージ
４２ おもり（約１４００グラム）
４６ テストピース
４４ テスト面（コンクリート）
５０ 壁（鉛直方向：Ｙ軸）
５２ 床（水平方向：Ｘ軸）

Claims (3)

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、
   を備えた飛行体において、
   前記車輪の外周に、気泡を有する樹脂部材を有し、
   前記車輪と走行する面との接触面積を増すこと、または前記車輪の前記面への押圧力を増やすことにより、
   前記車輪と前記面との摩擦力を大きくし、
   静止摩擦係数が０．６０以上０．９３以下であって、横風を受けても、前記横風に対抗して安定を保つことができることを特徴とする飛行体。
2. 前記静止摩擦係数が０．６０以上０．９３以下に代えて０．７０以上０．９３以下であることを特徴とする請求項１に記載する飛行体。
3. 前記車軸の両端に、弾性部材を介して前記車輪を回転可能に備え、前記車輪が前記面に傾斜して走行することを特徴とする請求項１または２に記載する飛行体。