特許 7078475 飛行作業体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-05-23

(45)【発行日】2022-05-31

(54)【発明の名称】飛行作業体

(51)【国際特許分類】

   B64C 25/36 20060101AFI20220524BHJP

   B64C 39/02 20060101ALI20220524BHJP

   B64C 27/08 20060101ALI20220524BHJP

   E21F 17/00 20060101ALI20220524BHJP

【ＦＩ】

B64C25/36

B64C39/02

B64C27/08

E21F17/00

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018129731

(22)【出願日】2018-07-09

(65)【公開番号】P2020006808

(43)【公開日】2020-01-16

【審査請求日】2021-04-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(73)【特許権者】

【識別番号】000220675

【氏名又は名称】東京都下水道サービス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】波田野 利昭

(72)【発明者】

【氏名】松家 大介

(72)【発明者】

【氏名】荻原 廣

(72)【発明者】

【氏名】綿貫 英夫

【審査官】志水 裕司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－２１１８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５７３０１７３（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０６８１４０９１（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２２３９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１１８５２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６４Ｃ ２５／００

Ｂ６４Ｃ ２７／００

Ｂ６４Ｃ ２９／００

Ｂ６４Ｃ ３７／００

Ｂ６４Ｃ ３９／０２

Ｅ２１Ｆ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

天井面を接触移動して作業を行う飛行作業体であって、
前記天井面に接触する接触部を備えた天井面接触ユニットと、
該天井面接触ユニットの下方に設けられ、飛行のための推進部を備えた飛行ユニットと、
前記天井面接触ユニットと前記飛行ユニットを接続すると共に、少なくともピッチ軸に対し回転自由度を有する接続部と、から構成され、
前記天井面接触ユニットは、
前記天井面に接触して移動する際の進行方向を制御するための回転軸を有する前方操舵手段と後方操舵手段を備え、
前記前方操舵手段の回転軸は、前方が高くなるように傾斜しており、
前記後方操舵手段の回転軸は、後方が高くなるように傾斜していることを特徴とする飛行作業体。

【請求項2】

請求項１に記載の飛行作業体において、
前記天井面接触ユニットの前記接触部は四輪台車であり、前記前方操舵手段と前記後方操舵手段の回転軸には左右二輪が同軸に取付けられていることを特徴とする飛行作業体。

【請求項3】

請求項２に記載の飛行作業体において、
前記四輪台車に用いる車輪の接地面を正面視したときの曲率を、曲面天井面の曲率に近似させたことを特徴とする飛行作業体。

【請求項4】

請求項１に記載の飛行作業体において、
前記前方操舵手段または前記後方操舵手段の回転軸の傾斜角度を任意に調整可能な傾斜角度調整部を備えることを特徴とする飛行作業体。

【請求項5】

天井面を接触移動して作業を行う飛行作業体であって、
天井面に接触する接触部を備えた天井面接触ユニットと、
該天井面接触ユニットの下方に設けられ、飛行のための推進部を備えた飛行ユニットと、
前記天井面接触ユニットと前記飛行ユニットを接続すると共に、少なくともピッチ軸に対し回転自由度を有する接続部と、から構成され、
前記天井面接触ユニットの前記接触部は、
前方または後方に、前記天井面に接触して移動する際の進行方向を制御するための回転軸を有する操舵手段を備えた三輪台車であって、
前記操舵手段が前方にあるとき、その回転軸は、前方が高くなるように傾斜し、
前記操舵手段が後方にあるとき、その回転軸は、後方が高くなるように傾斜しており、
前記操舵手段の回転軸には左右二輪が同軸に取付けられていることを特徴とする飛行作業体。

【請求項6】

請求項１から請求項５の何れか一項に記載の飛行作業体において、
前記天井面接触ユニットを前記天井面に押付ける接触圧を検出する接圧検出部を更に備えたことを特徴とする飛行作業体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、トンネル、共同溝、下水管路等の構造物の天井面を接触移動しながら、点検、調査、補修等の作業を行う飛行作業体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

天井面を接触移動しながら点検作業等を行う飛行作業体の従来技術として、特許文献１がある。特許文献１の特許請求の範囲や、図２、図３には、「複数のスラスタを有し、前記スラスタで発生する推進力を制御することにより、飛行姿勢が変化する飛行ユニットと、前記飛行ユニットに設けられ、前記飛行ユニットの周辺の対象面に接する２つ以上の接触部と、前記接触部のそれぞれに設けられ、前記接触部と前記対象面との接触によって加わる力を接触力として検出する接触力検出部と、前記接触力検出部で検出したそれぞれの前記接触力が等しくなるように前記飛行ユニットの姿勢を制御する姿勢制御部と、を備える飛行装置」が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－０６１２９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の飛行装置では、円形管路内のような曲面天井に接触しながら管路を軸方向に直進する場合、飛行装置が管路の軸方向から逸れてしまうと、飛行装置が傾いてしまい、車輪の片側は天井面から離れ易くなると共に、天井面に接触している車輪には飛行装置を周方向に向ける力が作用するため、飛行装置が左右に蛇行しやすくなる。このような状態になると、飛行装置が曲面天井の中央へ復帰することが困難になるが、特許文献１ではこの課題については何ら考慮されていない。

【0005】

そこで、本発明の目的は、円形管路内のような曲面天井面を安定して接触移動でき、安定した点検、調査、補修等の作業を実現する飛行作業体を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決するために本発明の飛行作業体は、天井面を接触移動して作業を行う飛行作業体であって、前記天井面に接触する接触部を備えた天井面接触ユニットと、該天井面接触ユニットの下方に設けられ、飛行のための推進部を備えた飛行ユニットと、前記天井面接触ユニットと前記飛行ユニットを接続すると共に、少なくともピッチ軸に対し回転自由度を有する接続部と、から構成され、前記天井面接触ユニットは、前記天井面に接触して移動する際の進行方向を制御するための回転軸を有する前方操舵手段と後方操舵手段を備え、前記前方操舵手段の回転軸は、前方が高くなるように傾斜しており、前記後方操舵手段の回転軸は、後方が高くなるように傾斜しているものとした。

【発明の効果】

【0007】

本発明の飛行作業体によれば、円形管路内のような曲面天井に接触しながら管路を軸方向へ直進する際に、飛行作業体が管路の軸方向から逸れた場合であっても、飛行作業体の天井面接触ユニットの傾斜した操舵部を制御することにより、天井面接触ユニットの基準平面に対し、車輪の軌道を３次元的に変化させて車輪と曲面天井の接触状態を維持できるようにすることで、曲面天井の中央へ復帰しやすくする。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例１の飛行作業体が円形管路内の天井面を移動する概略側面図。

【図2】従来の飛行作業体が曲面天井中央から逸れた場合の概略正面図。

【図3】実施例１の飛行作業体の側面図。

【図4】実施例１の飛行作業体の天井面接触ユニットの等角図。

【図5】実施例１の飛行作業体の天井面接触ユニットの操舵部周辺の拡大図。

【図6】実施例１の飛行作業体の天井面接触ユニットが右に操舵した場合の等角図。

【図7】実施例１の飛行作業体が天井中央から逸れた場合に、天井中央に復帰するため天井面接触ユニットの舵を切った際の管路内正面図。

【図8】実施例１の飛行作業体の天井面接触ユニットの変形例１の上面図。

【図9】実施例２の飛行作業体の側面図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付け、重複する説明を省略する。

【実施例1】

【0010】

始めに、図１と図２を用いて、飛行作業体１０の天井面接触移動時の課題について説明する。飛行作業体１０は、主に、天井面に車輪を押し当て移動するための天井面接触ユニット１１と、飛行推力を発生させる飛行ユニット１２から構成されるものである。図１の概略側面図に示すように、飛行作業体１０は、下水管路、共同溝、トンネル等の管路１内を移動し、飛行作業体１０に搭載されたカメラやセンサ等を用いて管内映像を取得し、調査や点検を行うものである。

【0011】

飛行作業体１０が回転翼等により浮上する構造で、管路１の内径が、飛行作業体１０のサイズに対して比較的小さい場合、飛行作業体１０自身が発生させた風が管路１内で巻き風となり、飛行作業体１０の姿勢や高度を安定化させるのが困難となる。そこで、図１に示すように、飛行作業体１０の天井面接触ユニット１１を管路１の天井面２に接触させながら移動することで、移動中の飛行作業体１０の姿勢と高度を安定させることができる。なお、図１中の太い黒矢印は、飛行作業体１０の進行方向を示す。

【0012】

管路１の断面が矩形で、天井面が平面である場合、飛行作業体１０が天井面を接触移動する際に、機体がロール軸方向に大きく傾くことはない。しかし、管路１の断面が円形等の曲面である場合、図２の概略正面図に示すように、飛行作業体が天井曲面中央（管の軸方向）から逸れると、従来は、車輪の片側（図２では右側車輪）が天井面から離れやすくなると共に、天井曲面に接触している車輪（図２では左側車輪）に飛行作業体１０を周方向に向ける力が作用するため、飛行作業体１０が左右に蛇行しやすくなる。このため、従来の飛行作業体には、天井曲面中央へ復帰するのが困難になるという課題があった。本発明は、このような課題を解決するために、飛行最業態１０を次に述べる構成としたものである。

【0013】

始めに、実施例１の飛行作業体１０の基本構成について、図３の機体側面図を用いて説明する。ここに示すように、飛行作業体１０は、天井面２と接触しながら移動するための天井面接触ユニット１１と、天井面接触ユニット１１の下方に設けられ、飛行のための推進部を備えた飛行ユニット１２から構成され、両者は、少なくとも１軸方向以上の回転自由度を有する接続部１３で接続されている。本実施例では、接続部１３として、天井面接触ユニット１１のピッチ軸方向（管の軸方向）と垂直に円柱状の固定ピン３２を配置しており、これにより両ユニットを回動自在に連結している。本構成により、図１に示すように、固定ピン３２を回転軸として、天井面接触ユニット１１に対して飛行ユニット１２を前後に傾けることができるので、天井面接触ユニット１１の車輪１４を天井面２に押し付けながら、飛行作業体１０を安定して接触移動させることが可能となる。

【0014】

また、本実施例の飛行作業体１０は、上述の基本構成に加えて、管路１内を点検するための機器として、動画及び／又は静止画を撮像可能なカメラ２１を搭載している。なお、調査環境に応じて、照明器、環境センサ等を設ける構成としても良い。さらに、管内で劣化箇所を補修する場合には、充填材や腐食止め塗料を含んだスプレーガンやロボットアーム等を搭載させても良い。

【0015】

次に、飛行ユニット１２の構成を詳細に説明する。飛行ユニット１２は、飛行ユニットフレーム１８、プロペラ１６及びモータ１７からなる推力部、飛行制御部１９、バッテリー等の動力源２０より構成される。本実施例では、四組のプロペラ１６とモータ１７から成る、従来のマルチコプタ型の推進部を用いた制御方式を採っている。すなわち、各々のプロペラ１６の回転数を変化させることで、飛行ユニット１２自体を傾け、前後左右、上下へ移動させることができ、飛行制御部１９に搭載されているＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）センサの加速度、角速度、方位情報をフィードバックし、空中での姿勢制御を行っている。なお、十分な飛行推力を発生させ、推力方向を任意に制御できるのであれば、他の構成の推力発生部を用いても良い。

【0016】

続いて、図４を用いて、天井面接触ユニット１１の詳細を説明する。天井面接触ユニット１１は、飛行作業体１０が天井面に接触したときに安定した接触移動を実現するためのものであり、天井面接触ユニットフレーム１５で形成したシャーシの前後に、二本の車軸３１を取り付けた、二軸四輪の台車構造である。なお、車輪１４の形状は、特に限定しないが、天井面２が円管のような曲面の場合、図４に示すように車輪１４にテーパーを切り、円管の曲率に近くした方が、管の軸方向への直進性や旋回性が上がるため望ましい。

【0017】

本実施例では、車輪１４の各々には、自走用アクチュエータを設けていないため、自走用アクチュエータの回転制御による進行方向制御には対応していないが、サーボモータ等からなる操舵装置３０（前方操舵装置３０ｆ、後方操舵装置３０ｒ）によって、前後の車軸３１の向きを制御し、進行方向を制御することができる。また、常時駆動が必要な自走用アクチュエータと異なり、操舵装置３０は、進行方向を変更するときのみ駆動すれば良い。このような操舵機構を用いることで、各車輪に常時駆動が必要な自走用アクチュエータを用いる構成に比べ、総重量と消費電力の両方を大きく抑制することができる。

【0018】

ここで、各々の操舵装置３０は、操舵装置３０の傾斜角度を調整する傾斜角度調整部３３を介して天井面接触ユニットフレーム１５と接続されている。図５に、操舵装置３０の周辺の拡大図を示す。ここに示すように、本実施例の飛行作業体１０では、傾斜角度調整部３３を用いることで、円形の管路のように天井面が曲面である場合、その曲率に応じた傾斜角度となるように操舵装置３０を斜めに傾けて固定することができる。なお、本実施例では、前後の双方に傾斜角度調整部３３を設けており、図３または図４に示すように、前方操舵装置３０ｆの回転軸は前方が高くなるように、また、後方操舵装置３０ｒの回転軸は後方が高くなるように傾斜させている。

【0019】

また、本実施例では、前後の操舵装置３０の動作タイミング及び回転量を同期させており、その回転方向は前後で逆になっている。図６は、前後の操舵装置３０の同期制御の一例である。太い黒矢印に示すように、飛行作業体１０の舵を右に切りたい場合には、前方操舵装置３０ｆ、後方操舵装置３０ｒの双方を、図６における時計回りに所定量だけ回転させることで、前後双方の車軸３１について、右側の車輪を上げ、左側の車輪を下げた状態、すなわち、右に舵を切る状態にすることができる。一方、飛行作業体１０の舵を左に切りたい場合には、前方操舵装置３０ｆ、後方操舵装置３０ｒの双方を、図６における反時計回りに所定量だけ回転させることで、前後双方の車軸３１について、左側の車輪を上げ、右側の車輪を下げた状態、すなわち、左に舵を切る状態にすることができる。なお、各々の操舵装置３０の回転量は、舵を切りたい量に略比例するものであり、通常は、管路１の中立位置からの飛行作業体１０の位置のずれ量に略比例させて、操舵装置３０の回転量を制御すればよい。

【0020】

このように、舵を切る方向が水平方向に限定される従来の飛行作業体とは異なり、本実施例の飛行作業体１０では、舵を切る方向が上下方向にも拡張され、つまり３次元的に舵を切ることができるため、管路１の天井が曲面である場合でも、飛行作業体１０の四輪全てを天井に接触させた安定した状態で、進路を所望の方向に変更することが可能となる。その結果、図７のように飛行作業体１０が円管の中央から左側に逸れた位置で接触していても、天井面接触ユニット１１の車輪１４の四輪全てを天井面２に接触させた状態で舵を右側に切ることができ、円管の天井中央へ飛行作業体１０を復帰させることが可能となる。
（変形例１）
次に、図８を用いて、実施例１の飛行作業体１０の変形例１を説明する。図４の天井面接触ユニット１１では、天井面接触部として二軸四輪の台車構造を示したが、必ずしもこれに限られるものではない。すなわち、天井面接触ユニット１１が、安定した天井面の接触移動を達成するための接触方式として、同一直線上にない３点以上の接触点を形成できる天井面接触部であれば良く、例えば、図８に示す天井面接触ユニット１１のように、二軸三輪の台車構造を用いても良い。なお、接触点の数は、三輪（三点）以上であれば個数や種類に制限は無いが、飛行ユニット１２のペイロードに余裕を持たせるため、軽量であること、すなわち、車輪１４の数が少ないことが好ましい。また、天井面の状態に応じて、種類や外径の異なる車輪を組み合わせてもよい。各々の車輪１４（接触点）の配置は、天井面接触ユニット１１が天井面に接触し、移動した際に、左右前後のふらつきを抑制するため、また、各接触点に均等に接触力が加わるように接触点を飛行作業体１０の主たる進行方向（管軸方向）に対して、左右対称に配置することが望ましい。

【実施例2】

【0021】

次に、図９を用いて、本発明の実施例２の飛行作業体１０を説明する。なお、実施例１と共通する点は重複説明を省略するものとする。本実施例の飛行作業体１０も、基本的な機体構成は実施例１と同じであり、天井面接触ユニット１１と飛行ユニット１２を接続部１３で接続したものである。しかし、本実施例では、図９に示すように接続部１３の下に、飛行ユニット１２が天井面接触ユニット１１を天井面２に押し付ける圧力（接触圧）を検出するための接触圧検出装置４０が追加されている。

【0022】

従って、本実施例の飛行作業体１０では、接触圧検出装置４０が検出した接触圧に基づいて飛行ユニット１２の推力を調整することができ、これにより、天井面接触ユニット１１を一定の力で天井面に接触させることもできる。このような推力制御を実行すれば、飛行ユニット１２の推力が過剰となる状態を回避できるため、飛行ユニット１２の消費電力を抑制しつつ、各々の車輪１４に所望のグリップ力を与えることができるため、安定した天井面接触移動が可能となる。

【0023】

なお、本実施例では、接触圧検出装置４０をバネのような弾性体４１、変位センサ４２、アーム４３で構成し、パンタグラフのような構造を採った。天井面２に天井面接触ユニット１１を押付けると弾性体４１が収縮するため、その変形量を変位センサ４２で計測する。弾性体４１のヤング率が明らかな場合、弾性体４１の変形量から接触圧を演算できるため、接触圧を直接的に測定することが可能である。

【0024】

また、接触圧を直接的に観測しない場合であっても、変位センサ４２が検出した弾性体４１の変形量が一定になるように、飛行ユニット１２の推力を制御すれば、実質的には、一定の接触圧を天井面接触ユニット１１に付加する制御を実現することができる。なお、図９では、接続部１３の下に接触圧検出装置４０を配置させたが、天井面接触ユニット１１の車輪１４と天井面接触ユニットフレーム１５の間にサスペンションの要領で追加させても良い。また、当然の事ながら、天井面への接触圧をロードセル等の圧力センサで直接計測しても構わない。

【0025】

以上で説明した本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施例に適用可能である。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやす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。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0026】

１ 管路、
２ 天井面、
１０ 飛行作業体、
１１ 天井面接触ユニット、
１２ 飛行ユニット、
１３ 接続部、
１４ 車輪、
１５ 天井面接触ユニットフレーム、
１６ プロペラ、
１７ モータ、
１８ 飛行ユニットフレーム、
１９ 飛行制御部、
２０ 動力源、
２１ カメラ、
３０ 操舵装置、
３０ｆ 前方操舵装置、
３０ｒ 後方操舵装置、
３１ 車軸、
３２ 固定ピン、
３３ 傾斜角度調整部、
４０ 接触圧検出装置、
４１ 弾性体、
４２ 変位センサ、
４３ アーム、

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】