JP6918384B1 - ボール発射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドローン本体に搭載され、複数のボールを連続的に発射可能なボール発射装置を提供する。【解決手段】本発明は、ドローン本体８に搭載され、空中でボールを発射するボール発射装置である。ボール発射装置は、複数のボールＢ１、Ｂ２、Ｂ３が前方の発射位置に向かって順に重力によって移動するように収容されたスロープ１０と、スロープ１０内のボールが前方に移動するのを規制する閉状態と、ボールが前方に進むのを許容する開状態とが切り替え可能に設けられた複数のボールストッパ２１、２２、２３と、スロープ１０の最前位に位置する先頭ボールとの機械的接触による推進力の伝達により、当該先頭ボールを投擲方向に発射する発射機構部３０とを備える。先頭ボールが発射されるとスロープ１０内の後続のボールが順に前方に移動し、スロープ１０の最前位に位置して新たに先頭ボールとなり、順次連続して発射可能となる。【選択図】図３

Description

本発明は、ドローン本体に搭載されるボール発射装置に関する。

従来、ドローンからボールを発射又は投下する装置が知られている。例えば特許文献１に開示されたカラーボール発射装置は、タンクに蓄圧された圧縮空気を噴出することにより、バレル内に装填された一個のカラーボールを発射する。また特許文献２には、火災現場の上空から複数の消火弾を投下可能なドローンが開示されている。

特許第６０９７４４８号公報 実用新案登録第３２２４０８１号公報

特許文献２のように火災消火の用途では、火災の規模に応じて複数の消火用ボールを同時又は連続的に投下することが求められる。特に、ビル火災では窓の外から室内に向けて消火用ボールを投入する必要がある。しかし、特許文献１のカラーボール発射装置は、一つの圧縮空気タンクに対し一個のボールしか発射することができない。そのため、複数の消火用ボールを発射するためには、一台のドローンに複数の圧縮空気タンクを搭載するか、又は、複数台のドローンを同時に飛行させる必要がある。

一台のドローンに複数の圧縮空気タンクを搭載することは、重量や大きさの面で限界があり、噴射時の反動に対するバランスの調整が難しくなる。また、複数台のドローンを飛行させることには安全性の問題があり、また費用や操作者の確保の点でも負担となる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、ドローン本体に搭載され、複数のボールを連続的に発射可能なボール発射装置を提供することにある。

本発明は、ドローン本体（８）に搭載され、空中でボールを発射するボール発射装置である。ボール発射装置は、複数のボール（Ｂ１−Ｂ３）が前方の発射位置に向かって順に重力によって移動するように収容されたスロープ（１０）と、スロープ内のボールが前方に移動するのを規制する閉状態と、ボールが前方に進むのを許容する開状態とが切り替え可能に設けられた複数のボールストッパ（２１−２３）と、スロープの最前位に位置する先頭ボールとの機械的接触による推進力の伝達により、当該先頭ボールを投擲方向に発射する発射機構部（５０）とを備える。

先頭ボールが発射されるとスロープ内の後続のボールが順に前方に移動し、スロープの最前位に位置して新たに先頭ボールとなり、順次連続して発射可能となる。このように本発明では、先頭ボールとの機械的接触による推進力の伝達により複数のボールを連続的に発射可能である。

具体的には、例えば本発明の参考構成では「ローラ式発射機構部」が採用される。この発射機構部（３０）は、ローラ（３２１、３２２）と、ローラを回転駆動するモータ（３１１、３１２）と、押し出し部材（４０）とを備える。

ローラは、ボールの投擲方向に直交する軸を回転軸として回転し、外周面が先頭ボールの側面に接触したときに摩擦によって先頭ボールを投擲方向へ送り出すように推進力を付与する。押し出し部材は、先頭ボールをローラに接触させるように前方に押し出す。

また、本発明の一構成では「アーム式発射機構部」が採用される。この発射機構部（５０）は、発射位置ボールストッパ（６０）と、アーム（５２）と、付勢部材（５３）と、トリガー部（５５）と、アームリセット部（５６）とを備える。

発射位置ボールストッパは、先頭ボールを発射位置で停止させる。アームは、ボールの投擲方向に直交する軸を支点として回転し、先頭ボールの投擲方向の後ろ側の面に当接可能なハンド部（５１）を支点の反対側に有する。付勢部材は、アームをボールの投擲方向に対応する投擲回転方向に回転させるように付勢する。

トリガー部は、付勢部材の付勢力に抗して先頭ボールの発射手前の準備位置にアームを保持するアームストッパ（５４）を有し、アームストッパを準備位置から解除してアームを投擲回転方向に回転させることにより、ハンド部が先頭ボールに衝突して推進力を付与し、先頭ボールを発射する。アームリセット部は、先頭ボールが発射された後、アームを回転させて準備位置に戻す。

好ましくは、ボールは、内部に消火剤が収容された消火用ボールである。本発明のボール発射装置を搭載した消火用ドローンは、火災現場の手前から複数の消火ボールを連続的に発射することができる。したがって、一つの圧縮空気タンクから一個のボールしか発射できない特許文献１の従来技術や、火災現場の真上に到達しないとボールを投下できない特許文献２の従来技術に比べ、迅速で効果的な消火活動が可能となる。

第１実施形態によるローラ式ボール発射装置の構成を示す正面図。 図１のＩＩ方向矢視図。 （ａ）図２の視方向によるローラ式ボール発射装置の機構を説明する模式断面図、（ｂ）（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線断面図。 ローラ式ボール発射装置の（ａ）作動段階１、（ｂ）作動段階２を示す模式断面図。 ローラ式ボール発射装置の（ａ）作動段階３、（ｂ）作動段階４を示す模式断面図。 第２実施形態によるアーム式ボール発射装置の機構を説明する模式断面図。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図。 準備位置におけるアーム機構の模式側面図。 ボール発射時におけるアーム機構の模式側面図。 ボール投擲後におけるアーム機構の模式側面図。

以下、本発明のボール発射装置の複数の実施形態を、図面に基づいて説明する。
これらの実施形態のボール発射装置は、ドローン本体に搭載され、火災現場の上空にて滞空静止飛行しながら消火ボールを発射する装置として用いられる。第１実施形態及び第２実施形態のボール発射装置は、発射機構部の方式が異なる。第１実施形態ではローラ式の発射機構部が採用され、第２実施形態ではアーム式の発射機構部が採用される。第１、第２実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
図１〜図５を参照し、第１実施形態のボール発射装置について説明する。なお、図１、図２に示されるボール発射装置７の全体構成のうち、第１実施形態に特有な一部の構成を除いた部分は後述の第２実施形態にも共通する。

図１、図２を参照し、ボール発射装置７の構成について説明する。ボール発射装置７は、ドローン本体８の下面に搭載されて空中でボールを発射するものであって、スロープ１０、ボールストッパ２１、発射機構部３０を備えている。

ドローン本体８は、操作者の操作パネルからの無線通信指令の受信装置（図示なし）と、受信装置とボール発射装置５の各部品とを相互通信可能に接続する回線（図示なし）とを有する。操作者は別に設けられた上記の操作パネルを使用し、無線通信指令をドローンの受信装置に送信する。本実施形態ではドローンの姿勢安定性、ＧＰＳなどによる誘導性を利用して目標位置まで飛行し、その場で空中に静止したまま、或いは移動しながらボールを発射する。

本実施形態で用いられる消火ボールは、直径１００ｍｍ程度、重さ２００ｇ程度であり、発泡スチロール製の殻内に消火剤が収容されている。発射時にボール本体には大きな力が加わらないため高い強度は不要なこと、また第１実施形態ではローラによる摩擦を大きくしたいことから、殻の材質としては発泡スチロールが適している。

スロープ１０はボールの直径よりも数ｍｍ大きな通路幅を有し、重力により発射位置に向かって転がるように傾斜している。以下、スロープ１０における発射位置の側を前側といい、発射位置とは反対側を後ろ側という。スロープ１０は複数のボールを収容可能である。ボールは何個収容されてもよいが、便宜上、先頭から２個または３個のボールのみを図示し、先頭から順にＢ１、Ｂ２、Ｂ３というように符号を付す。

ここで、スロープ１０の最前位にあるボールを「先頭ボール」、そのスロープ１０の最前位を「発射位置」とする。図１、図２の先頭ボールＢ１が発射されると、その空いたスペースを埋めるべく、後続のボールＢ２が重力により前方に向かって順に移動し、新たに発射位置に入る。このスロープ１０はボールＢ１、Ｂ２を丸ごと収容可能な形状であり、飛行中に揺れが生じてもボールＢ１、Ｂ２を脱離させないようになっている。

図３を参照し、ボールストッパの機能について説明する。スロープ１０の上部にはボールストッパ２１、２２、２３が設けられ、スロープ１０に収容されたボールＢ１、Ｂ２、Ｂ３の前方への移動を規制する「閉状態」と、前方への移動を許容する「開状態」との間で、相互に切り替え可能である。具体的には、ボールストッパ２１のように横倒しになってボールＢ１が移動可能である状態が「開状態」であり、ボールストッパ２２、２３のように下向きに起立してボールＢ２、Ｂ３の移動を規制する状態が「閉状態」である。

発射機構部３０は、発射位置となるスロープ１０の最前位にある先頭ボールＢ１に機械的に接触して推進力を伝達し、先頭ボールＢ１を投擲方向に発射する。先頭ボールＢ１が発射されると、空いたスペースに後続のボールＢ２、Ｂ３がそれぞれ順に前方に移動し、ボールＢ２は発射位置に位置し、新たに先頭ボールとなる。こうして順次連続的に発射可能となる。

（ローラ式発射機構部）
次に図３〜図５を参照し、第１実施形態のローラ式発射機構部３０の構成について説明する。図３（ａ）、（ｂ）に示すように、この発射機構部３０は、一対のローラ３２１、３２２、モータ３１１、３１２、及び押し出し部材４０を備える。図３（ａ）では、視方向の手前側に見える一方のローラ３２２及びモータ３１２のみを図示する。他方のローラ３２１及びモータ３１１は、その真後ろに配置されている。一対のローラ３２１、３２２はボールの投擲方向Ｔに直交する軸を回転軸としてモータ３１１、３１２により回転駆動される。押し出し部材４０は、ボールストッパ３１、３２と同じようにスロープ１０の上部に設けられる。その設置位置は先頭ボールＢ１を後ろ側から押すために最も都合のよい位置となっている。

押し出し部材４０は、先頭ボールＢ１を一対のローラ３２１、３２２に接触させるため、先頭ボールＢ１の後ろ側に力を加えて前方に押し出す。先頭ボールＢ１が押し出されたとき、ローラ３２１、３２２はフル回転しており、押し出された先頭ボールＢ１の側面２箇所がローラ３２１、３２２の外周面に接触すると、摩擦により投擲方向Ｔへ送り出す推進力が先頭ボールに付与される。これにより、先頭ボールＢ１が一対のローラ３２１、３２２に挟み込まれ、投擲方向Ｔに向けて発射される。

図３（ｂ）を参照し、先頭ボールＢ１が発射される機構についてさらに説明する。発射機構部３０の一対のローラ３２１、３２２は、ボールの投擲方向Ｔに直交する軸Ｋ１、Ｋ２を各回転軸としてモータ３１１、３１２により各回転駆動される。このとき、モータ３１１、３１２、ローラ３２１、３２２の回転方向は互いに逆向きになっている。すなわちモータ３１１とローラ３２１は図３（ｂ）において時計回りのＲ１方向に回転し、モータ３１２とローラ３２２は図３（ｂ）において反時計回りのＲ２方向に回転する。これにより、先頭ボールＢ１はローラ３２１、３２２とそれぞれ接触する２箇所から推進力を付与され、投擲方向Ｔへ向けて確実に送り出される。

図４、図５を参照し、先頭ボールの発射後に後続のボールが充填される仕組みについて説明する。図４（ａ）の「作動段階１」では、ボールＢ１、Ｂ２はボールストッパ２１、２２によってそれぞれ規制され、前方に移動できない。この段階ではモータ３１１、３１２が回転を開始し、連動してローラ３２１、３２２が回転し始めている。

図４（ｂ）の「作動段階２」では、操作者により発射スイッチが押されてドローン側がボール送り出し指令を受信すると、先頭ボールＢ１を規制するボールストッパ２１が横倒しになり、先頭ボールＢ１に通路を開く。これと同時に押し出し部材４０が作動し、先頭ボールＢ１の後ろ側に力を加えて前方に押し出す。このとき、ローラ３２１、３２２はフル回転状態に達している。

図５（ａ）の「作動段階３」では、押し出された先頭ボールＢ１がローラ３２１、３２２にそれぞれ接触して挟み込まれ、同時に推進力を付与され、投擲方向Ｔに向けて発射される。

図５（ｂ）の「作動段階４」では、先頭ボールＢ１の発射後、まず１個目のボールストッパ２１が元の状態に復帰する。同時に２個目のボールストッパ２２及び後続の全ボールストッパが開く。このとき、矢印Ｇで示すように、後続のボールＢ２以降のボールが重力によりスロープ１０の傾斜に沿って１個目のボールストッパ２１及び各対応するボールストッパの位置まで進む。この間、２個目のボールストッパ２２及び後続の全ボールストッパが元の状態に復帰し、前方に進んだ後続のボールＢ２及びさらに後続の全ボールを規制し、停止させる。こうしてボールＢ２が新たに先頭ボールとなる。その後、押し出し部材４０が元の状態に復帰することにより、発射に備えてボールＢ２が待機状態となり、このとき後続のボールも間隔を開けずに列をなして待機している。以上により、先頭ボールが順次繰り上がる。

その後、操作者はボール発射を予定回数完了するまで、作動段階１〜作動段階４のサイクルを繰り返し行う。なお、本実施形態では、サーボ機構によりこれらの動作を行うことで、各状態量を目標値に追従させる。

以上のように、第１実施形態のボール発射装置７は特許文献１の従来技術のように圧縮空気を用いるのでなく、回転するローラ３２１、３２２との機械的接触、具体的には摩擦による推進力の伝達により、先頭ボールＢ１を投擲方向Ｔに向けて発射する。これにより、スロープ１０から順次供給される複数のボールを、ローラ３２１、３２２との摩擦による推進力により、連続的に発射することが可能である。

このボール発射装置を搭載した消火用ドローンは、火災現場の手前から、複数の消火ボールを連続的に発射することができる。したがって、１つの圧縮空気タンクから１個のボールしか発射できない特許文献１の従来技術や、火災現場の真上に到達しないとボールを投下できない特許文献２の従来技術に比べ、迅速で効果的な消火活動が可能となる。

［第２実施形態］
図６〜図１０を参照し、第２実施形態のボール発射装置について説明する。図６に示すように、第２実施形態ではアーム式発射機構部５０が採用される。この発射機構部５０は発射位置ボールストッパ６０、アーム５２、「付勢部材」としてのばね５３、トリガー部５５、アームリセット部５６を備える。ボールＢ１、Ｂ２、Ｂ３は第１実施形態と同様にスロープ１０に収納されている。

第２実施形態では、先頭ボールの発射後に後続のボールが充填される仕組みは第１実施形態とほぼ同じであるが、発射位置ボールストッパ６０がスロープ１０の先端且つ先頭ボールの足元に設けられ、これにより先頭ボールＢ１が発射位置に保持される点が異なっている。第２実施形態では、発射位置ボールストッパ６０に保持された状態は発射待機状態である。

（アーム式発射機構部）
第２実施形態においてはスロープ１０の各ボールが進む方向と投擲方向Ｔとは直角に交差している。また、第２実施形態ではスロープ１０の最前位に位置する発射位置周辺の形状が異なり、アーム５２が先頭ボールＢ１の投擲方向後ろ側の面に衝突して付勢力を伝達する。そのため、アーム通過空間が発射位置付近に設けられている。発射位置に入った先頭ボールＢ１は、発射位置ボールストッパ６０とスロープ１０前方の端部に引っ掛かった状態で発射まで待機する。

アーム５２はボールの投擲方向Ｔに直交する軸Ｋ３を支点として回転する。アーム５２は、当該支点を含み且つ投擲方向Ｔを含む平面上において回転可能である。アーム５２は、支点とは反対側にある一端に、先頭ボールの投擲方向後ろ側の面に当接可能なハンド部５１を有する。

図７、図８を参照する。ばね５３はボールの投擲方向Ｔに対応する投擲回転方向Ｒに向けてアーム５２を付勢して回転させるための部材である。アーム５２は、ばね５３に引張られた状態のままアームストッパ５４に保持される。すなわち、スリングショットによる投擲において、パチンコ球を遠くまで飛ばすためにゴム紐を最大限に引き伸ばし、弾性エネルギーを貯めて解放寸前の状態にしたときのようになっている。

図８、図９、図１０を参照する。トリガー部５５はアームストッパ５４を有する。アームストッパ５４は、ばね５３の付勢力に抗して先頭ボールＢ１の発射手前の準備位置に保持する部材である。図９に示すように、トリガー部５５は、アームストッパ５４を準備位置から解除し、ばね５３の付勢力によりアーム５２を投擲回転方向Ｒ３の向きに回転させる。これによりハンド部５１は、アーム５２とともに回転して先頭ボールＢ１の投擲方向後ろ側の面に衝突し、推進力を付与する。その結果、先頭ボールＢ１が発射される。

アームストッパ５４はトリガー部５５によって準備位置から解除され、アーム５２を通過させ、先頭ボールＢ１が発射された後、自動的に元の位置に復帰し、後続のボールが新たな先頭ボールとして発射されるまで、アーム５２を発射手前の準備位置に保持すべく待機する。

図１０に示すように、アームリセット部５６は、先頭ボールＢ１が発射された後、アーム５２を準備位置に戻して再びアームストッパ５４によって発射手前の準備位置に保持させるため、アーム５２を回転駆動させて元の位置に戻す。そしてスロープ１０からは次のボールＢ２が新たな先頭ボールとして空いたスペースに供給され、発射位置ボールストッパ６０に保持されることで、再び図７、図８の状態に戻る。

図６に示すように、アームリセット部４６はギアモータ４６１、減速部４６２、クラッチ部４６３、アーム回転部４６４を有する。ギアモータ４６１が回転駆動し、減速部４６２により回転速度を減速しながらアーム回転部４６４に回転駆動力を伝達し、アーム５２を回転させる。クラッチ部４６３は、アーム回転部と接続して回転駆動力を伝達する。アーム５２を準備位置に戻し終えると、クラッチ部４６３はアーム回転部４６４との接続を解除する。

以上、第２実施形態のボール発射装置７は、特許文献１の従来技術のように圧縮空気を用いるのでなく、アーム５２のハンド部５１をボールに機械的に接触させ、「付勢部材」としてのばね３５のばね力を利用して、先頭ボールＢ１を投擲方向に発射する。これにより、第１実施形態と同様、スロープ１０から順次供給される複数のボールを連続的に発射可能である。また本実施形態のボール発射装置を搭載した消火用ドローンは、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
上述の実施形態の発射機構部は、先頭ボールとの機械的接触により推進力を伝達する機構としてローラ式またはアーム式の機構が採用されている。これに限らず他の実施形態では、先頭ボールとの機械的接触により推進力を伝達するものであれば、どのような発射方式を用いてもよい。また、第２実施形態の「付勢部材」として、ばね５３に代えてゴム等の弾性体を用いてもよい。

本発明のボール発射装置は消火用ボールに限らず、どのようなボールを発射するものであってもよい。上記の実施形態と同様に発泡スチロールの殻で構成される場合、ボールの用途に応じ、各種の材料粉末や薬剤等を内部に収容することができる。

また本発明のボール発射装置は、カメラシステムを搭載し、火災現場の状況確認や一部始終の撮影・中継・録画などを行うことも考えられるし、さらにＧＰＳなどの位置情報システム、ＡＩによる自動制御などと組み合わせることも考えられる。これにより、消火ドローンとしての用途に限っても、「出火場所の特定、最適目標の選定、消火ボール投入」という流れを自律的に行わせることなどが可能になる。

また、温度・赤外線などの各種センサ類を搭載することにより、火災温度の測定及び火災原因の簡易調査、室内に取り残された人の有無及び人数の把握などが可能になるほか、スピーカやマイク等を搭載することにより、停電や携帯電話の電池切れで火災現場の生存者との連絡が絶たれた場合などに現場との緊急連絡経路を確立するといった用途を併せ持たせることも可能と考えられる。

さらに、高層階火災において室内に消火ボールを投入しやすくするため、空気銃やボウガンなどを搭載し、消火ボールの投入前にガラス窓を破壊できる機能を追加してもよい。

このように、本発明は上記の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において、種々の形態で実施可能である。

１０ スロープ
２１−２３ ボールストッパ
３０ 発射機構部（第１実施形態）
５０ 発射機構部（第２実施形態）
７ ボール発射装置
８ ドローン本体
Ｂ１−Ｂ３ ボール

Claims (2)

1. ドローン本体（８）に搭載され、空中でボールを発射するボール発射装置であって、
   複数のボール（Ｂ１−Ｂ３）が前方の発射位置に向かって順に重力によって移動するように収容されたスロープ（１０）と、
   前記スロープ内のボールが前方に移動するのを規制する閉状態と、ボールが前方に移動するのを許容する開状態とが切り替え可能に設けられた複数のボールストッパ（２１−２３）と、
   前記スロープの最前位に位置する先頭ボールとの機械的接触による推進力の伝達により、先頭ボールを投擲方向に発射する発射機構部（５０）と、
   を備え、
   先頭ボールが発射されると前記スロープ内の後続のボールが順に前方に移動し、前記スロープの最前位に位置して新たに先頭ボールとなり、順次連続して発射可能となり、
   前記発射機構部は、
   先頭ボールを発射位置に保持する発射位置ボールストッパ（６０）と、
   ボールの投擲方向に直交する軸を支点として回転し、先頭ボールの投擲方向の後ろ側の面に当接可能なハンド部（５１）を前記支点の反対側に有するアーム（５２）と、
   前記アームをボールの投擲方向に対応する投擲回転方向に回転させるように付勢する付勢部材（５３）と、
   前記付勢部材の付勢力に抗して先頭ボールの発射手前の準備位置に前記アームを保持するアームストッパ（５４）を有し、前記アームストッパを前記準備位置から解除して前記アームを投擲回転方向に回転させることにより、前記ハンド部が先頭ボールに衝突して推進力を付与し、先頭ボールを発射するトリガー部（５５）と、
   先頭ボールが発射された後、前記アームを回転させて前記準備位置に戻すアームリセット部（５６）と、
   を備えるボール発射装置。
2. 前記ボールは、内部に消火剤が収容された消火用ボールである請求項１に記載のボール発射装置。

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