JP7425666B2

JP7425666B2 - 外殻付き飛行体

Info

Publication number: JP7425666B2
Application number: JP2020085137A
Authority: JP
Inventors: 利昭波田野; 克彦平野
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2024-01-31
Anticipated expiration: 2040-05-14
Also published as: JP2021178577A

Description

本発明は、従動回転可能な外殻を有する、外殻付き飛行体に関する。

インフラ設備やプラント内外等の高所や狭隘環境の点検・調査を効率良く、安全に行うため、遠隔操作或いは、自律移動が可能な飛行体を利用する方法がある。狭隘環境では、飛行体は構造物や壁面と一切接触せずに移動させるのは困難であるので、飛行体に従動回転可能な外殻を備え、外殻が障害物と接触して外力を受けた場合でも、飛行体の姿勢が乱れない構造を有することが望ましい。このような外殻付き飛行体を開示する先行技術文献として、特許文献１がある。

例えば、特許文献１の請求項１には、「機体と、前記機体に回動可能に接続される外枠と、を有する飛行装置であって、前記機体は、回転翼と、前記回転翼を回転させる回転翼駆動手段と、を有し、前記外枠は、重力方向と交差する第１の回動軸で回動可能な第１の外枠を有し、前記回転翼、及び前記回転翼駆動手段の重心は、前記重力方向において、前記第１の回動軸より下方に位置していることを特徴とする飛行装置」が記載されている。

また、同文献の段落００９７には、「図１０（ａ）は、ジオデシックドーム構造の一例を示している。本実施形態では、相互に直交するＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸で回動可能なジオデシックドーム構造の外枠を含む３つの外枠を有している。第１外枠６０ｃは、Ｃ軸回りに回動するジオデシックドーム構造を有している。第１外枠６０ｃの内側には、Ｂ軸回りに回動する第２外枠６０ｂが配置されている。また第２外枠６０ｂの内側には、Ａ軸回りに回動する第３外枠６０ａが配置されている。更に第３外枠６０ａの内側には、マルチコプタ１０が配置されている。マルチコプタ１０は、外枠６０に対してＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸の周りに独立に回動することができる。」と記載されており、段落００９８には、「図１０（ｂ）は、フラーレン構造の一例を示している。本実施形態では、上記図１０（ａ）と同様に、相互に直交するＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸で回動可能なフラーレン構造の外枠を含む３つの外枠を有している。第１外枠６０ｃは、Ｃ軸回りに回動するフラーレン構造を有している。第１外枠６０ｃの内側には、Ｂ軸回りに回動する第２外枠６０ｂが配置されている。また第２外枠６０ｂの内側には、Ａ軸回りに回動する第３外枠６０ａが配置されている。更に第３外枠６０ａの内側には、マルチコプタ１０が配置されている。マルチコプタ１０は、外枠６０に対してＡ軸、Ｂ軸、及びＣ軸の周りに独立に回動することができる。」と記載されている。

このように、特許文献１では、マルチコプタ、第１外枠６０ｃ、第２外枠６０ｂ、第３外枠６０ａの各接続部をそれぞれ直交配置した３軸ジンバル構造によって、Ａ軸、Ｂ軸、Ｃ軸（ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸）の３軸回転自由度を得ていた。

特開２０１９－１３５１４２号公報

通常、飛行体には、より長時間の飛行が求められる。プロペラ推力は、プロペラ直径の３乗に比例するため、飛行効率の観点から、可能な限り大きな直径のプロペラを使用することが望ましい。

しかしながら、上記した従来の３軸ジンバル構造では、外殻内に２つのフレーム（内側フレーム、外側フレーム）が存在するため、外殻に寸法制限がある場合、それらと干渉しないように飛行体のプロペラの直径を小さくする必要があり、結果として、飛行体の推力が抑制され、ペイロードや飛行時間も抑制される課題があった。また、外殻内に２つのフレームがあると、飛行体が点検などを行う際の視認性が劣化するという課題もあった。

そこで、本発明では、直径のより大きなプロペラを採用したり、点検時の視認性をより高めたりするため、飛行体と外殻を接続するフレーム数を削減した、外殻付き飛行体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の外殻付き飛行体は、従動回転可能な外殻を有するものであって、前記外殻の内側に設定した第一回転軸を軸に回転可能な内側フレームと、該内側フレームの内側に設定した、前記第一回転軸と直交する第二回転軸を軸に回転可能な飛行体と、を有しており、前記飛行体は、該飛行体に固定した縦シャフトと、該縦シャフトと直交し、前記縦シャフトの軸周りを回転可能な横シャフトと、前記横シャフトの上方のトッププレートの上面に配置した、姿勢制御部を有する上部ユニットと、前記横シャフトの下方のベースプレートの上面に配置した、複数のプロペラを有する下部ユニットと、を備え、該横シャフトが、前記第二回転軸となるものであり、前記縦シャフトには、円管状のカラーが回転可能に取り付けられており、前記カラーには、一対の前記横シャフトが直線状に取り付けられており、前記カラーは、上部プレートと下部プレートで回転可能に挟み込まれており、前記複数のプロペラは、前記下部プレートと前記ベースプレートの間に複数のスペーサを設けて形成した空間で回転する外殻付き飛行体とした。

本発明によれば、外殻と、単一の内側フレームで３軸回転自由度を得られるため、外側フレームが無い分、飛行体のプロペラ直径を大きく取ることが可能となり、推力の低下を抑えることができる。また、外殻内のフレームが１つとなるため、遠隔操作時の視認性が改善する。

一実施例の外殻付き飛行体の概略図である。図１の外殻付き飛行体の主要構造の分解図である。図１の外殻内の飛行体である。図３の飛行体の上下ユニット接合部の外観図である。図４の上下ユニット接合部の分解図である。図１の外殻付き飛行体の内側フレームである。図１の外殻付き飛行体の外殻である。図１の外殻付き飛行体の各回転軸をある程度回転させた状態の様子である。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施例に係る外殻付き飛行体１を説明する。なお、各図において、同一の構成には同一の符号を付し、説明が重複する場合は、その説明を省略する場合がある。

図１は、本実施例の外殻付き飛行体１の外観図であり、図２は、その要素分解図である。両図に示すように、外殻付き飛行体１は、飛行体１０と、外殻２０と、内側フレーム３０で構成されており、外殻２０内のフレームが単一である構成、すなわち、特許文献１の第２外枠を省略した構成が特徴である。なお、図１の座標系定義に示すように、ロール軸をＸ軸、ピッチ軸をＹ軸、ヨー軸をＺ軸とする。以下、断らない限りこの座標系で説明する。

始めに、図３を用いて、飛行体１０の構成を説明する。飛行体１０は、上部ユニット１０ｕと、下部ユニット１０ｂで構成され、両者間に横シャフト１２が回転可能に配置される。

上部ユニット１０ｕは、トッププレート１５ｂの上面に、飛行体１０の姿勢や高度を制御する姿勢制御部１５ｃと、気圧センサ等の高度検出部１５ｄ等を配置したものである。なお、姿勢制御部１５ｃには、３軸角速度と３軸加速度を検出する慣性計測装置(Inertial measurement unit、ＩＭＵ)が搭載されている。また、トッププレート１５ｂの上面には、図示しない、カメラ、操縦無線受信機、映像無線送信機、ＬＥＤ照明等も配置される。

下部ユニット１０ｂは、ベースプレート１５ｅの上面に、４個のモータ１５ｆと４個のスペーサ１５ｇを配置し、ベースプレート１５ｅの下面に、動力源１５ｈを配置したものである。モータ１５ｆは、プロペラ１５ａを回転させるためのものであり、スペーサ１５ｇは、プロペラ１５ａと横シャフト１２が干渉しないように空間を設けるためのものである。なお、モータ１５ｆとスペーサ１５ｇの個数はここに例示した数に限定されない。また、動力源１５ｈは、姿勢制御部１５ｃやモータ１５ｆを駆動させるためのバッテリ等である。図３のように、重量物である動力源１５ｈを横シャフト１２の下方に配置して、飛行体１０を低重心設計としたことで、外殻付き飛行体１が不整地に着陸した場合でも、外殻２０内の飛行体１０は常に水平を維持することができ、安定した再浮上が可能となる。

なお、図３では、上部ユニット１０ｕと下部ユニット１０ｂの両方に機能分散した飛行体１０を例示したが、上部ユニット１０ｕの機能を下部ユニット１０ｂに集約することで、上部ユニット１０ｕを省略した構成としても良い。ただし、下部ユニット１０ｂに機能を集約すると、下部ユニット１０ｂが大型化し、内側フレーム３０と干渉する可能性が高まるため、図３のように、各機能を上下に分散配置させて、外殻２０内の空間を有効に利用する構成がより望ましい。

次に、図４、図５を用いて、飛行体１０の上部ユニット１０ｕと下部ユニット１０ｂを接合する上下ユニット接合部の詳細を説明する。図４は、上下ユニット接合部の外観図であり、図５は、その分解図である。この上下ユニット接合部は、図５に示すように、一対の横シャフト１２を直線状に取り付けた円管状のカラー１３と、略十字状の上部プレート１４ｕと、中空の縦シャフト１１を上面に配置した略十字状の下部プレート１４ｂと、から構成され、図４に示すように、上部プレート１４ｕと下部プレート１４ｂで、カラー１３を回転可能に挟み込んだ構造である。つまり、本実施例では、縦シャフト１１が１軸目のヨー軸となり、ヨー軸と直交する横シャフト１２がヨー軸周りを回転する。また、上下ユニットを繋ぐ電源線や制御信号線が回転する横シャフト１２と干渉しないように、中空の縦シャフト１１内に電源線等を配線する構造となっている。なお、横シャフト１２の先端には、後述する接続ピン３１ａが挿入される孔１２ａが設けられている。また、上部プレート１４ｕには上部ユニット１０ｕのトッププレート１５ｂをボルトで締結するためのボルト穴が設けられており、下部プレート１４ｂには下部ユニット１０ｂのスペーサ１５ｇをボルトで締結するためのボルト穴が設けられている。

続いて、本実施例の内側フレーム３０の構成を、図６を用いて説明する。ここに示すように、内側フレーム３０には、内向きに接続ピン３１ａを備えた一対の接続部３１と、外向きに接続ピン３２ａを備えた一対の接続部３２を、直交に配置している。飛行体１０の横シャフト１２の先端の孔１２ａには、接続部３１の接続ピン３１ａが挿入される。したがって、飛行体１０は、横シャフト１２を軸として回転可能であり、この軸が２軸目のピッチ軸となる。特許文献１では、第１外枠６０ｃ内には、第３外枠６０ａに加え、第２外枠６０ｂも存在していたため、第２外枠６０ｂの厚みの分、第３外枠６０ａを小さくする必要があり、結果としてマルチコプタのプロペラの直径も小さくしなければならなかった。一方、本実施例の構成では、外殻２０内には特許文献１の第２外枠６０ｂに相当するものがなく、内側フレーム３０を外殻２０の内径近くまで拡大できるため、飛行体１０のプロペラ１５ａの直径を従来よりも大きく取ることが可能である。また、従来構成に比べ、飛行体１０が点検や調査を行う際の視認性も改善する。

最後に、外殻２０の構成を、図７を用いて説明する。ここに示すように、外殻２０は、多数の外殻ロッド２１を外殻接続部２２で接続したジオデシックドーム構造であり、対向する一対の外殻接続部２２に孔を設けたものを、接続部２３としている。外殻２０と内側フレーム３０は、外殻２０の接続部２３の孔に、図６で示した接続部３２の接続ピン３２ａを挿入することで回転可能に接続される。この接続部２３で得られる回転軸が３軸目のロール軸となる。このような本実施例の構成により、３軸回転自由度を有する外殻付き飛行体１が実現可能となる。

よって、図８に示すように、各回転軸がどのように回転しても、飛行体１０、内側フレーム３０、外殻２０の三者は互いに干渉することなく、飛行体１０と外殻２０は独立した系となる。その結果、外殻２０が障害物に接触して外力を受けた場合でも、従来同様に、飛行体１０の姿勢が乱れない構造を維持することが可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、上記の実施例では、飛行体１０は、４つのプロペラを備えるクワッドコプタ型であったが、飛行体であれば、プロペラの枚数や有無に関わらず、特に限定しない。また、内側フレーム３０や、外殻２０の形状に関しても特に限定せず、外殻は球状或いは球状に近い多面体以外でも構わない。

１、２…外殻付き飛行体、
１０…飛行体、
１０ｕ…上部ユニット、
１０ｂ…下部ユニット、
１１…縦シャフト、
１２…横シャフト、
１２ａ孔、
１３…カラー、
１４ｕ…上部プレート、
１４ｂ…下部プレート、
１５ａ…プロペラ、
１５ｂ…トッププレート、
１５ｃ…姿勢制御部、
１５ｄ…高度検出部、
１５ｅ…ベースプレート、
１５ｆ…モータ、
１５ｇ…スペーサ、
１５ｈ…動力源、
２０…外殻、
２１…外殻ロッド、
２２…外殻接合部、
２３…接続部、
３０…内側フレーム、
３１、３２…接続部、
３１ａ、３２ａ…接続ピン

Claims

従動回転可能な外殻を有する外殻付き飛行体であって、
前記外殻の内側に設定した第一回転軸を軸に回転可能な内側フレームと、
該内側フレームの内側に設定した、前記第一回転軸と直交する第二回転軸を軸に回転可能な飛行体と、を有しており、
前記飛行体は、
該飛行体に固定した縦シャフトと、
該縦シャフトと直交し、前記縦シャフトの軸周りを回転可能な横シャフトと、
前記横シャフトの上方のトッププレートの上面に配置した、姿勢制御部を有する上部ユニットと、
前記横シャフトの下方のベースプレートの上面に配置した、複数のプロペラを有する下部ユニットと、を備え、
該横シャフトが、前記第二回転軸となるものであり、
前記縦シャフトには、円管状のカラーが回転可能に取り付けられており、
前記カラーには、一対の前記横シャフトが直線状に取り付けられており、
前記カラーは、上部プレートと下部プレートで回転可能に挟み込まれており、
前記複数のプロペラは、前記下部プレートと前記ベースプレートの間に複数のスペーサを挟んで形成した空間で回転することを特徴とする外殻付き飛行体。
請求項１に記載の外殻付き飛行体において、
前記縦シャフトは中空シャフトであり、該中空シャフト内に、前記上部ユニットと前記下部ユニットを接続する、電源線または制御信号線が配線されることを特徴とする外殻付き飛行体。
請求項１または請求項２に記載の外殻付き飛行体において、
前記飛行体の重心は、前記横シャフトより下方に位置することを特徴とする外殻付き飛行体。
請求項１または請求項２に記載の外殻付き飛行体において、
前記外殻が、球状、あるいは、多面体で構成されたことを特徴とする外殻付き飛行体。
請求項１または請求項２に記載の外殻付き飛行体において、
前記飛行体は、高度検出部を備えることを特徴とする外殻付き飛行体。