JP6749003B2 - 検査装置 - Google Patents

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Description

本発明は、小型の無人ヘリコプタや無人飛行機など、遠隔操作や自立制御によって飛行する無人飛行体を利用して壁状構造物を検査する検査装置に関する。
従来より、この種の検査装置としては、例えば、特許文献1に示すものが知られている。特許文献1に示す検査装置は、飛行を遠隔操作可能とするUAV(Unmanned aerial vehicle)と、このUAVに取り付けられることによって、壁状構造物の状態を検査する検査手段とを備えている。
この検査装置によれば、例えば、作業者が入り込むことが難しい橋脚等を検査対象とする場合であっても、遠隔操作によって飛行可能なUAVに取り付けられた検査手段によって、壁状構造物の状態を検査することができる。
しかし、上記構成の検査装置は、UAVが傾斜しながら水平飛行するので、飛行方向に対して傾斜することになる。そのため、検査手段を取り付けたUAVを壁状構造物に近づけようとしてもUAVが壁状構造物に対して安定した姿勢を保つことができない。これにより、所望の箇所で検査手段による検査を行うことができず、特に、UAVを飛行させながら広範にわたる壁状構造物を検査する際に問題となる。
また、橋桁の下側など、UAVがGPS(Global Positioning System)の電波を受信できない場所で検査する際には、検査装置(UAV)の正確な位置を把握することができない場合があり、壁状構造物における検査箇所と、検査手段による検査結果とを大まかにしか対応させることができない。
特開2006−27448号公報
本発明の技術的課題は、安定した姿勢で壁状構造物を検査することができる検査装置を提供することにある。
査装置は、操作指示信号により飛行を遠隔操作可能とされる無人飛行体と、操作指示信号を出力して前記無人飛行体を遠隔操作する制御装置と、前記無人飛行体に取り付けられて任意の方向に向けて延びる棒状部材と、前記棒状部材の一端に回転可能に支持され、壁状構造物に接触可能な回転輪とを有する接触子と、前記無人飛行体に取り付けられ、前記壁状構造物を打撃する打撃手段と、前記打撃手段による前記壁状構造物の打撃音を集音する集音手段とを有し、前記壁状構造物の状態を検査する検査手段と、前記棒状部材と前記無人飛行体との間に取り付けられ、前記棒状部材の長さ方向への弾性的な変位を許容する第一緩衝手段を有する緩衝手段と、前記第一緩衝手段に取り付けられ、前記壁状構造物に対する前記回転輪の接触荷重を計測する接触荷重計測手段と、を備え、前記制御装置は、計測した前記接触荷重が十分な値になるまで、前記無人飛行体に対して前記壁状構造物に近づくように操作指示信号を出力する。
人飛行体に取り付けられた検査手段による壁状構造物の検査を高精度に行うことができる。
施形態に係る検査装置が壁状構造物の検査を行っている状態を示す斜視図である。 施形態に係る検査装置のブロック図である。 施形態に係る検査装置の接触子が壁状構造物に接触している状態を示す側面図である。 施形態に係る検査装置の接触子の底面図である。 の実施形態に係る検査装置の接触子を示すものであって、(a)は側面図であり、(b)は底面図である。 (a)は、実施形態に係る検査装置の接触子に打診手段を取り付けた状態を示す側面図であり、(b)は、実施形態に係る検査装置の打撃手段の変形例を示す側面図である。 施形態に係る検査装置による一連の検査の様子を示す説明図である。
次に、本実施形態に係る検査装置10について、図面に基づき詳細に説明する。
図1ないし図3に示すように、本実施形態に係る検査装置10は、垂直離着陸及び任意の角度への水平飛行が可能な小型無人のマルチコプター(以下、UAVという。)20と、このUAV20に取り付けられた接触子30と、このUAV20に取り付けられる検査手段50と、UAV20を遠隔操作するための制御装置40とを備える。
本実施形態に係る検査装置10の検査対象は、例えば、構造物の壁といった通常の壁面を含むほか、コンクリート構造物の柱の側面、床の上面や、スラブの下面等も含まれる。
UAV20は、無人飛行体に相当するものであって、図1及び図3に示すように、機体本体21と、この機体本体21から放射状をなして延びる複数のアーム22と、各アーム22に取り付けられ互いに等間隔で配置されたモータ及びこれによって水平回転されるプロペラからなる複数のロータ23とを備え、ロータ23の回転数や傾斜角度、傾斜方向によって、垂直離着陸、ホバリング及び任意の角度への水平飛行、飛行速度の制御が可能となっている。
また、UAV20の機体本体21には、図2に示すように、制御手段24や、通信手段25などが搭載されている。制御手段24は、各ロータ23の駆動を制御することによって機体本体21の姿勢を安定化させるものである。通信手段25は、後述する制御装置40からの機体操作の指示を受け付けるとともに、後述する移動距離計測手段35から計測した移動距離や、接触荷重測定手段36から測定した接触荷重を通信手段25を介して制御装置40へ送信する。
接触子30は、図1、図3、及び図4に示すように、UAV20から任意の方向に向けて延びる棒状部材31と、この棒状部材31の一端側に回転可能に支持されるとともに、壁状構造物60に接触可能な回転輪32と、回転輪32が壁状構造物60に衝突した時の衝撃を緩和する第一緩衝手段33及び第二緩衝手段34と、回転輪32の移動距離を計測する移動距離計測手段35と、接触子30と壁状構造物60との接触荷重を計測する接触荷重測定手段36とを備える。
棒状部材31は、略水平に延びるものであって、長さ方向の途中が第一緩衝手段33を介してUAV20の機体本体21の下面側に装着されているとともに、一端に第二緩衝手段34を介して回転輪32が支持されている。
回転輪32は、円盤状をなすものであって、棒状部材31に回転可能に支持されるとともに、その外周面が壁状構造物60に対して接触可能とされ、UAVのロータ23よりも外側に位置する。そして、回転輪32は、壁状構造物60と接触した状態でUAV20が垂直飛行するのに伴って回転する。
第一緩衝手段33は、図3に示すように、棒状部材31の長さ方向途中に取り付けられるものであって、棒状部材31の長さ方向に所定の間隔をもって配置される一対のリンク手段33aと、このリンク手段33aを揺動変位可能に結合する一対の結合手段33bと、一対のリンク手段33aが揺動変位した際に、弾性復元力を発揮することで一対のリンク手段33aを元の位置に揺動変位(復元)させようとする不図示のバネ手段とからなる。
第一緩衝手段33の一対のリンク手段33aは、互いに平行に配置されるものであって、一端(図3における上側)が結合手段33bを介してUAV20に支持されているとともに、他端(図3における下側)が結合手段33bを介して棒状部材31に支持され、各リンク手段33aの長さは、同一とされている。
第一緩衝手段33の一対の結合手段33bは、棒状部材31又はUAV20と各リンク手段33aとをそれぞれ挿通する軸状の部材であって、一対のリンク手段33aを棒状部材31の長さ方向に変位可能に結合する。
この第一緩衝手段33は、回転輪32が壁状構造物60に衝突し、棒状部材31及び回転輪32に衝撃が発生したときに、一対のリンク手段33aが棒状部材31の長さ方向に揺動変位するのと同時にバネ手段が弾性復元力を発揮することで緩衝機能を発揮する。
第二緩衝手段34は、図4に示すように、棒状部材31の一端に取り付けられるものであって、棒状部材31の幅方向に所定の間隔をもって配置される一対のリンク手段34aと、このリンク手段34aを揺動変位可能に結合する一対の結合手段34bと、一対のリンク手段34aが揺動変位した際に、弾性復元力を発揮することで一対のリンク手段34aを元の位置に揺動変位(復元)させようとする不図示のバネ手段とからなる。
第二緩衝手段34の一対のリンク手段34aは、互いに平行に配置されるものであって、一端(図4における左側)が、回転輪32を回転自在に支持しているホルダ37に、結合手段34bを介して結合されているとともに、他端(図4における右側)が結合手段34bを介して棒状部材31に支持され、各リンク手段34aの長さは、同一とされている。
第二緩衝手段34の一対の結合手段34bは、各リンク手段34aをそれぞれ挿通する軸状の部材であって、一対のリンク手段34aを棒状部材31の幅方向に変位可能に結合する。
ここで、本実施形態に係る第二緩衝手段34としては、上述したものに限られず、例えば、図5に示すように、棒状部材31の先端に取り付けられる一方の結合手段34bと、
この一方の結合手段34bに対して棒状部材31の上側かつ結合手段34bの後方(図5における右上側)に配置されるとともに、一端(図5における左側)が、回転輪32を回転自在に支持しているホルダ37の後端に結合される他方の結合手段34b´と、棒状部材31の上側で、一方の結合手段34bと他方の結合手段34b´の間に互いに平行に配置されるものであって、一端が一方の結合手段34bの上側に結合されるとともに、他端が他方の結合手段34b´に結合される一対のリンク手段34aとを備えるものが挙げられる。
この第二緩衝手段34は、回転輪32が壁状構造物60に衝突し、棒状部材31及び回転輪32に衝撃が発生したときに、一対のリンク手段34aが幅方向に揺動変位するのと同時にバネ手段が弾性復元力を発揮することで緩衝機能を発揮する。
移動距離計測手段35は、図4に示すように、回転輪32の軸方向外側に配置されるものであって、不図示のケーブル等を介してUAV20の通信手段25に接続されている。移動距離計測手段35に用いられるものとしては、回転輪32の回転角をパルス列として変換するロータリーエンコーダが挙げられる。ロータリーエンコーダを移動距離計測手段35として用いた場合、このパルス列をもとに、回転輪32が転動した距離(回転輪32の円周×回転角)、すなわち、UAV20の移動距離を計測し、計測した移動距離をUAV20の通信手段25を介して制御装置40に送信する。
接触荷重測定手段36は、第一緩衝手段33の結合手段33bに装着されるものであって、不図示のケーブル等を介してUAV20の通信手段25に接続されている。接触荷重測定手段36に用いられるものとしては、回転輪32が壁状構造物60に衝突することで第一緩衝手段33のリンク手段33aの変位に連動するポテンショメータが挙げられる。ここで、ポテンショメータとしては、略C字状の抵抗トラックと同心状に移動可能に配置される導電性金属板のブラシを介して電気的に接続されるものが挙げられ、抵抗トラックに対するブラシの接続位置が円周方向に移動することによって出力値が変化する。ポテンショメータを接触荷重測定手段36として用いた場合、第一緩衝手段33のリンク手段33aが変位した際に変化するポテンショメータの出力値をもとにUAV20と壁状構造物60の接触荷重を測定し、測定された接触荷重をUAV20の通信手段25を介して制御装置40に送信する。
ここで、本実施形態に係る検査手段50としては、例えば、図6(a)に示す打撃手段52及び集音手段53とを有する打診手段51や、不図示の塩分濃度検査手段や、不図示のレーザー超音波計測手段が挙げられる。
図6(a)に示す打診手段51は、接触子30の一端の下側に取り付けられるとともに、壁状構造物60の壁面を打撃するピストン式の打撃手段52と、打撃手段52の下側に取り付けられるとともに、この打撃手段52による壁状構造物60の打撃音を集音する集音手段53とからなる。この打診手段51によれば、打撃手段52による壁状構造物60の打撃音を集音手段53が集音し、分析、解析等を行うことによって、例えば、壁状構造物60に剥離が生じているか否か等を確認することができる。
なお、上述した打診手段51は、図6(a)に示すものに限られず、例えば、図6(b)に示すように、平面六角形状をなす打撃手段52が壁状構造物60と接触した状態で回転することによって、その角が壁状構造物60を打撃してもよく、また、打撃手段52が壁状構造物60と接触した状態で回転する場合には、打撃手段52が接触子30における回転輪32を兼ねていてもよい。また、打撃手段52が壁状構造物60と接触した状態で回転する場合には、打撃手段52の先端が歯車型であってもよい。また打撃手段52は、接触子30に複数取り付けられていてもよい。また、打撃手段52と集音手段53は、一体であってもよく、別体であってもよい。
また、不図示の塩分濃度検査手段は、接触子30における回転輪32の外周面に装着されるものであって、回転輪32が壁状構造物60と接触した状態で回転するのと同時に、この壁状構造物60の表面における塩分濃度を検査する。
また、不図示のレーザー超音波計測手段は、接触子30に装着されるものであって、接触子30が壁状構造物60に近接したときに、壁状構造物60の表面にレーザーを照射することによって発生した超音波を計測し、この超音波から壁状構造物60の傷や欠陥を検査する。
そして、上記検査手段50による検査結果は、UAV20の通信手段25を介して制御装置40に送信される。
なお、上述した打診手段51や塩分濃度検査手段は、検査手段50の一例であり、他にも種々の検査手段50を採用することができる。例えば、図6(a)に示すように、接触子30の他端近傍の下面側に、壁状構造物60の壁面の状態を確認する壁面計測手段54を取り付けるとともに、この壁面計測手段54のさらに下側に、壁状構造物60の壁面を撮影、中継等をするカメラ55とを取り付けてもよい。この場合、壁面計測手段54及びカメラ55が壁状構造物60の状態を検査する。
制御装置40は、例えば、壁状構造物60の近くに設置されたコントロールルーム内に設置される汎用のパーソナルコンピュータ等が用いられる。また、制御装置40は、UAV20を遠隔操作するために、操作指示信号を出力するほか、検査結果等を記憶する記憶手段41と、接触子30と壁状構造物60との接触状態を判定する接触判定手段42と、UAV20の飛行位置を判定する飛行位置特定手段43と、検査手段50が検査した位置を判定する検査位置特定手段44と、UAV20と通信する通信手段45と、不図示の通知手段及び一時記憶手段などを備える。
記憶手段41は、検査位置特定手段44によって飛行位置と対応した検査結果が記憶される検査結果記憶手段41aを備える。
接触判定手段42は、UAV20の通信手段25を介して接触荷重測定手段36から送信された接触子30と壁状構造物60との接触荷重から接触子30と壁状構造物60との接触荷重が適切であるか否かを判断し、例えば、接触子30と壁状構造物60との接触荷重が十分でない場合には、UAV20に対して壁状構造物60に近づくよう指示等をすることができる。
飛行位置特定手段43は、UAV20の通信手段25を介して移動距離計測手段35から送信されたUAV20の移動距離から壁状構造物60の側面空間でのUAV20の飛行位置を特定する。
検査位置特定手段44は、飛行位置特定手段43によって特定されたUAV20の飛行位置と、UAV20の通信手段25を介して検査手段50から送信された壁状構造物60の検査結果とを対応させることで、検査手段50が検査を行った箇所をUAV20の飛行位置をもとに特定する。そして、検査手段50が検査を行った箇所が特定された検査結果は、検査結果記憶手段41aに送信される。
次に、本実施形態に係る検査装置10の動作について図7を参照して詳細に説明する。
まず、図7に示す(A)の位置から制御装置40からの操作指示信号によりUAV20が垂直飛行することで離陸し、次に、図7に示す(B)の位置に水平飛行しながら壁状構造物60に近づく。
次に、接触子30における回転輪32が壁状構造物60に接触する。この接触に際して、第一緩衝手段33及び第二緩衝手段34における一対のリンク手段33a,34aがそれぞれ揺動変位することによって、回転輪32が壁状構造物60に衝突した際の衝撃を緩和する。
同時に、第一緩衝手段33に取り付けられたポテンショメータからなる接触荷重測定手段36によって接触荷重を計測し、測定された接触荷重をUAV20の通信手段25を介して制御装置40に送信する。
制御装置40へ送信された接触荷重は、接触判定手段42によって接触子30と壁状構造物60との接触荷重が適切であるか否かを判断し、例えば、接触子30と壁状構造物60との接触荷重が十分でない場合には、UAV20に対して壁状構造物60に近づくよう指示等をする。
接触子30と壁状構造物60との接触荷重が適切であると判断された場合には、接触子30を壁状構造物60に接触させたまま、UAV20を垂直飛行させる。
UAV20が図7に示す(B)の位置から(C)の位置に接触子30の回転輪32を壁面に所定の荷重で接触させた状態で垂直飛行することに伴って、接触子30に支持された回転輪32が回転する。この回転輪32の回転によって、ロータリーエンコーダが回転角をパルス列として変換し、このパルス列をもとに、回転輪32が回転移動した距離(回転輪32の円周×回転角)、すなわち、UAV20の移動距離を計測し、計測した移動距離をUAV20の通信手段25を介して制御装置40に送信する。
制御装置40では、UAV20から送信された移動距離を壁状構造物60に対するUAV20の移動量から、壁状構造物60の側面空間でのUAV20の飛行位置を特定する。
また、これと同時にUAV20に取り付けられた検査手段50が壁状構造物60を検査し、この検査結果を制御装置40に送信する。
制御装置40では、飛行位置特定手段43によって特定されたUAV20の飛行位置と、UAV20の通信手段25を介して検査手段50から送信された壁状構造物60の検査結果とを対応させることによって、検査手段50が壁状構造物60に対して検査を行った箇所をUAV20の飛行位置をもとに特定する。そして、検査手段50が検査を行った箇所が特定された検査結果を検査結果記憶手段41aに送信する。
UAV20が垂直飛行しているときに、回転輪32が壁状構造物60の壁面の段差等に衝突したとしても、UAV20と棒状部材31との間に配置された第一緩衝手段33及び棒状部材31と回転輪32との間に配置された第二緩衝手段34のリンク手段33a,34aが揺動変位することによって段差を乗り越えることができる。
検査手段50による検査が終了すると、図7に示す(C)の位置から(D)の位置にUAV20が壁状構造物60から離れるように飛行する。このとき、接触子30と壁状構造物60との接触荷重がゼロになると接触子30が壁状構造物60から完全に離れる。
なお、上記実施形態に係る検査手段50が塩分濃度検査手段である場合には、回転輪32の回転とともに、壁状構造物60の表面の塩分濃度を検査し、検査を行った箇所から塩分濃度の分布を把握することで、いわゆる塩害マップを作成することができる。
以上により、本実施形態に係る検査装置10によれば、接触子30に支持された回転輪32を壁状構造物60に接触させることで、UAV20を安定した姿勢で飛行させつつ、検査手段50によって壁状構造物60を検査することができる。
また、本実施形態に係る検査装置10によれば、第一緩衝手段33及び第二緩衝手段34が棒状部材31及び回転輪32に生じた衝撃を緩和するともに、第一緩衝手段33及び第二緩衝手段34のリンク手段33a,34aが揺動変位することによって壁状構造物60の壁面の段差等を乗り越えることができる。
また、本実施形態に係る検査装置10によれば、回転輪32の回転角から接触子30が移動した距離、すなわち、UAV20の移動距離を把握することができるため、検査装置10(UAV20)の正確な移動距離を把握することができる。
また、本実施形態に係る検査装置10によれば、UAV20の飛行位置と、検査手段50の検査結果を対応させることで、壁状構造物60に対して検査手段50が検査した箇所を把握することができる。
なお、検査装置10の機器構成は、上記実施形態に限定されない。例えば、UAV20にHDD等の記憶手段41を搭載することによって、UAV20が制御装置40の役割を兼用してもよい。
また、UAV20は、制御装置40から操作指示信号によって自動で運行してもよく、制御装置40を介して手動操縦により運行してもよい。
また、検査装置の接触子の回転輪は、本実施形態のように、UAVの垂直飛行に伴って壁状構造物の垂直方向に回転するように支持されていてもよく、UAVの水平飛行に伴って壁状構造物の水平方向に回転するように支持されていてもよい。このように、回転輪が壁状構造物に対して回転する方向を変更することで、接触子が取り付けられたUAVが任意の方向へ飛行する際の安定性を図ることができる。
また、検査装置の接触子及び検査手段は、本実施形態のように、UAVから略水平に延びていてもよく、UAVから略垂直に延びていてもよい。これにより、本発明の検査装置は、例えば、構造物の壁といった通常の壁面のほかに、床の上面、スラブの下面等を安定した姿勢で検査することができる。
10 検査装置
20 UAV(無人飛行体)
21 機体本体
22 アーム
23 ロータ
24 制御手段
25 通信手段
30 接触子
31 棒状部材
32 回転輪
33 第一緩衝手段
33a リンク手段
33b 結合手段
34 第二緩衝手段
34a リンク手段
34b 結合手段
35 移動距離計測手段
36 接触荷重測定手段
37 ホルダ
40 制御装置
41 記憶手段
41a 検査結果記憶手段
42 接触判定手段
43 飛行位置特定手段
44 検査位置特定手段
45 通信手段
50 検査手段
51 打診手段
52 打撃手段
53 集音手段
54 壁面計測手段
55 カメラ
60 壁状構造物

Claims (6)

  1. 操作指示信号により飛行を遠隔操作可能とされる無人飛行体と、
    操作指示信号を出力して前記無人飛行体を遠隔操作する制御装置と、
    前記無人飛行体に取り付けられて任意の方向に向けて延びる棒状部材と、前記棒状部材の一端に回転可能に支持され、壁状構造物に接触可能な回転輪とを有する接触子と、
    前記無人飛行体に取り付けられ、前記壁状構造物を打撃する打撃手段と、前記打撃手段による前記壁状構造物の打撃音を集音する集音手段とを有し、前記壁状構造物の状態を検査する検査手段と
    前記棒状部材と前記無人飛行体との間に取り付けられ、前記棒状部材の長さ方向への弾性的な変位を許容する第一緩衝手段を有する緩衝手段と、
    前記第一緩衝手段に取り付けられ、前記壁状構造物に対する前記回転輪の接触荷重を計測する接触荷重計測手段と、
    を備え、
    前記制御装置は、計測した前記接触荷重が十分な値になるまで、前記無人飛行体に対して前記壁状構造物に近づくように操作指示信号を出力する、ことを特徴とする検査装置。
  2. 請求項に記載の検査装置において、
    前記緩衝手段は、前記棒状部材と前記回転輪との間に取り付けられ、前記棒状部材の幅方向への弾性的な変位を許容する第二緩衝手段を備えることを特徴とする検査装置。
  3. 請求項1又は2に記載の検査装置において、
    前記緩衝手段は、互いに平行に配置される複数のリンク手段が外部入力に対して変位することで緩衝機能を発揮することを特徴とする検査装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の検査装置において、
    前記回転輪には、その回転から無人飛行体の移動距離を計測する移動距離計測手段が取り付けられ、
    前記無人飛行体は、前記移動距離計測手段が計測した移動距離に基づいて無人飛行体の飛行位置を特定する飛行位置特定手段を備えることを特徴とする検査装置。
  5. 請求項に記載の検査装置において、
    前記飛行位置特定手段に特定された飛行位置と、前記検査手段の検査結果とを対応させることで、前記検査手段が検査を行った位置を特定する検査位置特定手段を備えることを特徴とする検査装置。
  6. 請求項1ないしのいずれかに記載の検査装置において、
    前記検査手段は、前記回転輪の外周に装着された塩分濃度検査手段からなることを特徴とする検査装置。
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