JP6803213B2

JP6803213B2 - 作業システム

Info

Publication number: JP6803213B2
Application number: JP2016240686A
Authority: JP
Inventors: 達也五百部; 英統松本; 賢司黒岩
Original assignee: Autonomous Control Systems Laboratory Ltd ACSL
Current assignee: Autonomous Control Systems Laboratory Ltd ACSL
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2036-12-12
Also published as: JP2018095394A

Description

本発明は、構造物において所定の作業を行うための作業システムに関するものである。

従来、ビル等の構造物の壁面等において作業を行うためのシステムが提案されている。例えば、下記特許文献１は、推進装置を備えた検査装置をワイヤによって検査箇所まで吊り下げて、推進装置による推進力によって検査装置を検査面に押しつけながら当該検査面の検査を行うシステムを開示している。こうしたシステムは、人が容易に近づけない箇所の検査を可能とする。

特開２０１６−１０９５５７号公報

しかしながら、上述したシステムは、検査装置の垂直方向の移動は、ワイヤの巻き取り及び繰り出しによって容易に実現されるものの、水平方向の移動については十分に考慮されていない。このため、例えば、水平方向に並ぶ複数の検査箇所の検査を、水平方向に移動しながら効率的に行うことが難しい。このように、従来のシステムは、吊り下げられた装置の水平方向の移動に関して改善の余地がある。

本発明の実施形態は、構造物において無人機による作業を行うためのシステムにおいて、吊り下げられた無人機の水平方向の移動を容易に実現することを目的の一つとする。本発明の実施形態の他の目的は、本明細書全体を参照することにより明らかとなる。

本発明の一実施形態に係る作業システムは、構造物において所定の作業を行うための作業システムであって、前記所定の作業を行うと共に少なくとも水平方向の推進力を発生可能な無人機と、前記構造物の上方に設置され、前記無人機をワイヤで吊り下げるクレーンと、前記ワイヤの巻き取り及び繰り出しを行う巻取装置と、を備え、前記巻取装置が、前記無人機による水平方向の推進力の発生に伴って、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行うように構成されている。こうした構成は、ワイヤの長さの調整によって、吊り下げられた無人機の水平方向の移動を容易に実現する。なお、巻取装置は、クレーンに設けることができ、又は、無人機に設けることもできる。

上述した作業システムは、前記無人機の水平方向の移動量を計測する移動量計測部を有し、前記巻取装置が、前記移動量計測部によって計測される前記無人機の水平方向の移動量に少なくとも基づいて、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行う、ように構成され得る。

また、上述した作業システムは、前記ワイヤの振れ角度を計測する振れ角度計測部を有し、前記巻取装置が、前記振れ角度計測部によって計測される前記ワイヤの振れ角度に少なくとも基づいて、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行う、ように構成され得る。

また、上述した作業システムは、前記無人機の高度を計測する高度計側部を有し、前記巻取装置が、前記高度計測部によって計測される前記無人機の高度に少なくとも基づいて、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行う、ように構成され得る。

また、上述した作業システムは、前記ワイヤの振れを検出する振れ検出部を有し、前記無人機が、前記振れ検出部によって検出された振れを打ち消すように推進力を発生させる振れ止め制御を行う、ように構成され得る。こうした構成は、無人機を用いたワイヤの振れ止め制御を可能とする。

また、上述した作業システムは、前記クレーンが、伸縮及び旋回可能なブームを有する、ように構成され得る。こうした構成は、吊り下げられた無人機の比較的長い距離の水平方向の移動を実現する。

また、上述した作業システムは、前記クレーンが、前記構造物の側面に沿った水平方向に移動可能なブームを有する、ように構成され得る。こうした構成は、吊り下げられた無人機の比較的長い距離の水平方向の移動を実現する。

また、上述した作業システムは、前記ワイヤを介して前記無人機に電力を供給する電源部を有する、ように構成され得る。こうした構成は、ワイヤを介した無人機への電力の供給を可能とする。

また、上述した作業システムは、前記ワイヤを介した前記無人機との間の有線通信を行う通信部を有する、ように構成され得る。こうした構成は、ワイヤを介した無人機との有線通信を可能とする。

また、上述した作業システムは、前記無人機が、前記構造物の側面を撮影するための側面用撮影部を有する、ように構成され得る。当該側面用撮影部は、例えば、無人機の制御とは独立して、撮影方向等の制御が可能となるように構成される。

本発明の様々な実施形態は、構造物において無人機による作業を行うためのシステムにおいて、吊り下げられた無人機の水平方向の移動を容易に実現する。

本発明の一実施形態に係る壁面作業システム１の構成を模式的に示す図。壁面作業システム１の構成を模式的に示す図。無人機１０の構成を概略的に示すブロック図。巻取装置２６の構成を概略的に示すブロック図。無人機１０が壁面Ｗ１に沿って水平方向に移動する様子を説明するための図。無人機１０の水平方向の移動量ｄとワイヤ長ｌ_ｗとの関係を説明するための図。無人機１０が壁面Ｗ１に沿って比較的長い距離を水平方向に移動する様子を説明するための図。無人機１０が壁面Ｗ１に沿って比較的長い距離を水平方向に移動する様子を説明するための図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る壁面作業システム１の構成を模式的に示す図である。壁面作業システム１は、構造物の壁面において所定の作業を行うためのシステムである。図１は、構造物の一例であるビルＢの作業面である壁面Ｗ１が左側を向くように、ビルＢを壁面Ｗ２側から見た図であり、図２は、ビルＢを壁面Ｗ１側から見た図である。なお、本実施形態において、構造物の高さは特に限定されず、低層〜高層の様々な構造物（例えば、低層〜高層ビル）が、本実施形態における構造物に含まれる。

壁面作業システム１は、図１及び図２に示すように、作業を行う無人機１０と、ビルＢの屋上Ｒに設置され、無人機１０を壁面Ｗ１（作業面）に対向するようにワイヤ２２で吊り下げるクレーン２０とを備える。クレーン２０は、無人機１０を吊り下げることが可能な位置であれば、屋上Ｒ以外の位置に設置することも可能である。

無人機１０は、図１及び図２に示すように、本体部１２と、当該本体部１２を囲むように前後左右に設けられた４つのプロペラ１４とを備える。本体部１２は、その上側において、クレーン２０のワイヤ２２の先端が取り付けられている。本実施形態において、プロペラ１４は、その回転面が鉛直となるように設けられており、回転駆動されることにより、前後左右方向（４つのプロペラ１４それぞれの回転面に垂直な方向）の推進力を発生させる。なお、プロペラ１４は、一般的なマルチコプターと同様に、その回転面が水平となるように設けることもできる。

図３は、無人機１０の構成を概略的に示すブロック図である。無人機１０は、図示するように、制御部１００と、無線通信を行う通信部１０２と、各種センサ１０４と、撮影部１０６と、情報を記憶する記憶部１０８と、無人機１０の各部に電力を供給する電源１１０とを有する。これらの各部の少なくとも一部は、本体部１２の内部に収容され得る。

制御部１００は、例えば、小型のコンピュータとして構成され、プロペラ１４（モータ）を含む無人機１０の各部を制御する。

各種センサ１０４は、無人機１０の各種の制御に必要な様々なセンサを含む。例えば、各種センサ１０４には、高度センサ（気圧センサ）、方位センサ（電子コンパス）、測距センサ、ＧＰＳセンサ、加速度センサ、及び、ジャイロセンサ（角速度センサ）等が含まれる。

撮影部１０６は、静止画像及び動画像を撮影可能な一般的なデジタルカメラとして構成されている。撮影部１０６を介して撮影された画像は、記憶部１０８に記録され得る。本実施形態において、撮影部１０６は、壁面Ｗ１を撮影するためのものであり、無人機１０の姿勢の制御等とは独立して、その撮影方向等の制御が可能となるように構成される。

本実施形態において、無人機１０は、ユーザが操作する遠隔操作装置（プロポ、又は、汎用コンピュータ等）から受信する操作指令に基づいて動作するように構成されている。例えば、無人機１０の制御部１００は、遠隔操作装置から通信部１０２を介して受信する操作指令に従って、プロペラ１４を回転駆動し、又は、撮影部１０６による撮影を実行する。

本実施形態において、無人機１０は、ビルＢの壁面Ｗ１の目視検査のために、当該壁面Ｗ１の撮影作業を行う。しかしながら、本発明の実施形態において、無人機１０が行う作業は撮影作業に限定されず、清掃作業、及び、打検（音波を利用した非破壊検査）作業等の、構造物の壁面において行われ得る様々な作業が含まれる。無人機１０は、行う作業に応じた機器、装置、設備等が実装され得る。

クレーン２０は、一般的な小型のクレーンとしての構成を有し、図１及び図２に示すように、ブーム２４と、ブーム２４を支持するブームベース２５と、ワイヤ２２の巻き取り及び繰り出しを行う巻取装置２６とを備える。巻取装置２６は、ワイヤ２２が巻回されるワイヤリール２７を内部に備える。巻取装置２６から繰り出されるワイヤ２２は、屋上Ｒから空中に突き出したブーム２４の先端において下方に垂れ下がり、上述したように、その先端部が無人機１０の本体部１２の上側に取り付けられている。このようにして、クレーン２０は、無人機１０を壁面Ｗ１に対向するように吊り下げる。

図４は、巻取装置２６の構成を概略的に示すブロック図である。巻取装置２６は、図示するように、制御部２６０と、無線通信を行う通信部２６２とを有する。制御部２６０は、例えば、小型のコンピュータとして構成され、通信部２６２及びワイヤリール２７を制御する。

ここで、本実施形態における無人機１０が、壁面Ｗ１に沿って水平方向に移動する場合の動作について説明する。遠隔操作装置から水平方向への移動に対応する操作指令を受信すると、無人機１０の制御部１００は、対応するプロペラ１４を回転駆動し、対応するプロペラ１４の回転駆動に伴って、対応する方向の推進力が発生する。推進力の発生に応じて無人機１０が水平方向に移動すると、ワイヤ２２のワイヤ長（ブーム２４の先端部からの伸び量）が一定であれば、無人機１０の高度が変化する。例えば、ワイヤ２２が鉛直下方に垂れ下がっている状態において、無人機１０が水平方向に移動すると、無人機１０の高度は高くなる。本実施形態における壁面作業システム１は、こうした無人機１０の水平方向への移動に伴って、クレーン２０の巻取装置２６が、無人機１０の高度が一定となるように（水平方向への移動後の高度が移動前の高度となるように）、ワイヤ２２の巻き取り又は繰り出しを行うように構成されている

図５は、無人機１０が壁面Ｗ１に沿って水平方向に移動する様子を説明するための図である。ここで、図示するように、壁面Ｗ１の左下隅を原点０、水平方向をＸ軸、鉛直方向（高さ方向）をＺ軸とする座標系を定義する。また、当該座標系におけるクレーン２０のブーム２４の位置をＰ（Ｘ_ｂ，Ｚ_ｂ）、無人機１０の位置をＰ（Ｘ_ｃ，Ｚ_ｃ）とする。ここで、ワイヤ２２が鉛直下方に垂下している状態でのワイヤ長をｌ_ｗ０とすれば、この時の無人機１０の位置Ｐ（Ｘ_ｃ０，Ｚ_ｃ０）は、Ｐ（Ｘ_ｂ，Ｚ_ｂ−ｌ_ｗ０）となる。

また、図６に示すように、無人機１０が、ワイヤ２２が鉛直下方に垂下している状態から左方向に距離ｄだけ移動すると、ワイヤ長がｌ_ｗ０から変化しない場合には、移動後におけるワイヤ２２の鉛直方向を基準とした角度（時計回り方向を正とする）をφとすると、ｌ_ｗ０・ｓｉｎφ＝ｄという式が成立し、また、無人機１０の移動後の位置は、移動前の位置と比較して、ｌ_ｗ０（１−ｃｏｓφ）だけ上方となる。つまり、無人機１０の移動後の位置Ｐ（Ｘ_ｃ，Ｚ_ｃ）は、Ｐ（Ｘ_ｂ−ｄ，Ｚ_ｂ−ｌ_ｗ０・ｃｏｓφ）により与えられことになる。また、ｌ_ｗ０・ｓｉｎφ＝ｄであるから、無人機１０の位置Ｐ（Ｘ_ｃ，Ｚ_ｃ）は、以下の式（１）により与えられる。

Ｐ（Ｘ_ｃ，Ｚ_ｃ）＝Ｐ（Ｘ_ｂ−ｄ，√（ｌ_ｗ０ ^２−ｄ^２））・・・（１）

ここで、図６に示すように、無人機１０が水平方向にｄ移動した場合に、高さＺ_ｃが一定となるようなワイヤ長ｌ_ｗｃは、以下の式（２）により与えられる。

ｌ_ｗｃ＝√（ｌ_ｗ０ ^２＋ｄ^２）・・・（２）

従って、式（２）を満たすワイヤ長ｌ_ｗｃとなるようにワイヤ長を制御すれば、無人機１０の高度は一定に保たれる。

そして、この場合、無人機１０の水平方向の移動量（水平位置の変化量）ｄとワイヤ２２のワイヤ長の変化量Δｌ_ｗとの関係は、以下の式（３）により与えられる。なお、このときのワイヤ２２の振れ角度θは、θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／ｌ_ｗ０）となる。

Δｌ_ｗ＝ｌ_ｗｃ−ｌ_ｗ０＝√（ｌ_ｗ０ ^２＋ｄ^２）−ｌ_ｗ０・・・（３）

本実施形態における壁面作業システム１は、無人機１０の水平方向の移動量ｄを計測することにより、無人機１０の高さＺ_ｃが一定となるようなワイヤ２２のワイヤ長の変化量Δｌ_ｗを求め、当該変換量Δｌ_ｗに従って、ワイヤ２２の巻き取り又は繰り出しを行う。

無人機１０の水平方向の移動量ｄは、例えば、無人機１０側で計測して巻取装置２６に送信される。例えば、無人機１０は、ＩＭＵ（慣性計測装置）を有するように構成され、当該ＩＭＵを用いて水平方向の移動量ｄを計測することができる。また、例えば、無人機１０は、ＧＰＳセンサによる位置情報（移動前後それぞれの位置の差分）に基づいて水平方向の移動量ｄを計測することができる。また、例えば、無人機１０は、クレーン２０のブーム２４の先端部等に設けられたマーク（標的）の相対的な位置の変化を視覚センサ（画像センサ）によって計測することにより、水平方向の移動量ｄを計測することができる。

また、無人機１０の水平方向の移動量ｄは、クレーン２０側で計測することもできる。例えば、無人機１０の本体部１２の上面等に設けられたマーク（標的）の相対的な位置の変化を視覚センサ（画像センサ）によって計測することにより、無人機１０の水平方向の移動量ｄを計測することができる。

こうして無人機１０の水平方向の移動量ｄが得られると、巻取装置２６（制御部２６０）が、上記式（３）を用いてワイヤ２２のワイヤ長の変化量Δｌ_ｗを求め、当該変換量Δｌ_ｗに従って、ワイヤ２２の巻き取り又は繰り出しを行う。なお、ワイヤ２２のワイヤ長の変化量Δｌ_ｗは、無人機１０側で求めることもできる。

また、本実施形態において、ワイヤ２２の振れ角度θを計測することにより、無人機１０の高さＺ_ｃが一定となるようなワイヤ２２のワイヤ長の変化量Δｌ_ｗを求めるようにしても良い。ワイヤ２２の振れ角度θは、例えば、ブーム２４に公知のワイヤ傾斜角度センサ等を設置して計測することができる。そして、水平方向の移動量ｄは、ｄ＝ｌ_ｗ０・ｔａｎθにより求めることができる。

また、本実施形態において、無人機１０の高度自体を高度センサによって計測し、移動後の高度が移動前の高度となるように、ワイヤ長をフィードバック制御するようにしても良い。

なお、以上、無人機１０が壁面Ｗ１に沿って水平方向に移動する場合について説明したが、無人機１０が壁面Ｗ１に直交する（壁面Ｗ１に近づく又は壁面Ｗ１から遠ざかる）水平方向に移動する場合についても同様である。なお、無人機１０が、壁面との接触時における衝撃を緩和するための機構（緩衝機構）を有するようにしても良い。

ここで、本実施形態における無人機１０は、ワイヤ２２の振れ止め制御を行うように構成されている。具体的には、無人機１０は、ワイヤ２２の振れの検出に応じて、プロペラ１４を回転駆動してワイヤ２２の振れを打ち消す推進力を発生させる。ワイヤ２２の振れは、例えば、ブーム２４に設置された公知のワイヤ傾斜角度センサ等を介した振れ角度として検出される。なお、振れ角度に代えて、負荷トルクオブザーバ等で推定演算した振れ角度を用いることも可能である。

ここで、本実施形態において、ワイヤ２２を介して無人機１０に電力を供給するように構成しても良い。例えば、巻取装置２６又はその他の装置が有する電源部を、ワイヤ２２を介して無人機１０に電力を供給可能となるように構成することができる。こうすれば、無人機１０側の電源１１０を不要とし、又は、巻取装置２６等のクレーン２０側の装置の電源部を電源１１０のバックアップ電源として使用することができる。

また、本実施形態において、ワイヤ２２を介した無人機１０との間の有線通信を行うように構成しても良い。例えば、巻取装置２６の通信部２６２又はその他の装置が有する通信部を、ワイヤ２２を介した無人機１０との間の有線通信が可能となるように構成することができる。こうした有線通信は、例えば、上述した様々な装置が無人機１０との間で行う通信に適用することができ、例えば、遠隔操作装置と無人機１０との間の通信、及び、巻取装置２６と無人機１０との間の通信に適用することができる。また、無人機１０の撮影部１０６を介して撮影された画像を、ワイヤ２２を介した有線通信によって、巻取装置２６又はその他の装置に伝送するように構成することもできる。

以上説明した本実施形態の壁面作業システム１は、巻取装置２６が、無人機１０による壁面Ｗ１に沿った水平方向の推進力の発生に伴って、当該無人機１０の高度が一定となるように、ワイヤ２２の巻き取り又は繰り出しを行うから、吊り下げられた無人機１０の水平方向の移動が容易に実現される。

本実施形態の壁面作業システム１は、巻取装置２６がクレーン２０に設けられているが、当該巻取装置２６を無人機１０側に設けることも可能である。

次に、本発明の他の実施形態に係る壁面作業システム１Ａについて説明する。壁面作業システム１Ａは、上述した壁面作業システム１のクレーン２０に代えて、クレーン２０Ａを備える。当該クレーン２０Ａは、伸縮及び旋回が可能なブーム２４Ａと、ブーム２４Ａの動作を制御するブーム制御装置２４１Ａと、クレーン２０と同様のブームベース２５と、クレーン２０と同様の巻取装置２６とを備える。

この実施形態における壁面作業システム１Ａは、上述した壁面作業システム１と同様に、巻取装置２６が、水平方向に移動する無人機１０の高度が一定となるように、ワイヤ２２の巻き取り又は繰り出しを行う。しかしながら、こうしたワイヤ長の制御のみでは、ワイヤ２２の振れ角度θが大きくなるに従って、その動作が不安定になる恐れがある。

そこで、壁面作業システム１Ａにおいては、クレーン２０Ａのブーム２４Ａの伸縮及び旋回によって、無人機１０の比較的長い距離の水平方向の移動を実現する。図７は、この実施形態における無人機１０が壁面Ｗ１に沿って、比較的長い距離を水平方向に移動する様子を説明するための図である。図示するように、無人機１０を左方向にｄだけ移動させる場合、ブーム２４Ａの初期状態からの回転角度（時計回り方向を正とする）αは、ｔａｎ^−１（ｄ／Ｌ_Ｙ０）となり（Ｌ_Ｙ０は初期状態のブーム２４Ａのブーム長）、また、ブーム２４Ａのブーム長Ｌ_Ｙｃは、以下の式（４）によって与えられる。こうした回転角度及びブーム長となるように、ブーム２４Ａの伸縮及び旋回が制御される。

Ｌ_Ｙｃ＝√（Ｌ_Ｙ０ ^２＋ｄ^２）・・・（４）

また、壁面作業システム１Ａにおいて、クレーン２０Ａ自体を、壁面Ｗ１に沿った水平方向に移動可能としても良い。例えば、図８に示すように、壁面Ｗ１に沿った水平方向に延びるように、屋上Ｒの壁面Ｗ１側端部にレール２８Ａを設け、クレーン２０Ａのブームベース２５Ａを、当該レール２８Ａに沿って移動可能となるように構成する。こうすれば、無人機１０のより一層長い距離の水平方向の移動が実現される。また、複数の壁面作業システム１又は１Ａを、壁面Ｗ１に沿って配置することも可能である。

本発明の実施形態において、所定の作業を行う場所は、ビルの壁面に限定されない。例えば、橋梁の上方に設置されたクレーンで吊り下げられた無人機が、橋脚及び道路の裏側の点検作業を行うように構成されたシステムなど、本発明の実施形態における作業システムは、様々な構造物における様々な作業を行うためのシステムとして構成され得る。

本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変更が可能である。例えば、上述した実施形態における各部材の形状、数、又は配置等は適宜変更される。

１、１Ａ壁面作業システム
１０無人機
２０クレーン
２２ワイヤ
２４、２４Ａブーム
２５、２５Ａブームベース
２６巻取装置
２８Ａレール

Claims

構造物において所定の作業を行うための作業システムであって、
前記所定の作業を行うと共に少なくとも水平方向の推進力を発生可能な無人機と、
前記構造物の上方に設置され、前記無人機をワイヤで吊り下げるクレーンと、
前記ワイヤの巻き取り及び繰り出しを行う巻取装置と、を備え、
前記巻取装置が、前記無人機による水平方向の推進力の発生に伴って、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行うように構成されている、
作業システム。
請求項１の作業システムであって、
前記無人機の水平方向の移動量を計測する移動量計測部を有し、
前記巻取装置が、前記移動量計測部によって計測される前記無人機の水平方向の移動量に少なくとも基づいて、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行う、
作業システム。
請求項１又は２の作業システムであって、
前記ワイヤの振れ角度を計測する振れ角度計測部を有し、
前記巻取装置が、前記振れ角度計測部によって計測される前記ワイヤの振れ角度に少なくとも基づいて、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行う、
作業システム。
請求項１ないし３何れかの作業システムであって、
前記無人機の高度を計測する高度計測部を有し、
前記巻取装置が、前記高度計測部によって計測される前記無人機の高度に少なくとも基づいて、前記無人機の高度が一定となるように、前記ワイヤの巻き取り又は繰り出しを行う、
作業システム。
請求項１ないし４何れかの作業システムであって、
前記ワイヤの振れを検出する振れ検出部を有し、
前記無人機が、前記振れ検出部によって検出された振れを打ち消すように推進力を発生させる振れ止め制御を行う、
作業システム。
前記クレーンが、伸縮及び旋回可能なブームを有する請求項１ないし５何れかの作業システム。
前記クレーンが、前記構造物の側面に沿った水平方向に移動可能なブームを有する請求項１ないし６何れかの作業システム。
前記ワイヤを介して前記無人機に電力を供給する電源部を有する請求項１ないし７何れかの作業システム。
前記ワイヤを介した前記無人機との間の有線通信を行う通信部を有する請求項１ないし８何れかの作業システム。
前記無人機が、前記構造物の側面を撮影するための側面用撮影部を有する請求項１ないし９何れかの作業システム。