特許 7516857 姿勢制御装置及び姿勢制御方法

(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】2024-07-08

(45)【発行日】2024-07-17

(54)【発明の名称】姿勢制御装置及び姿勢制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/02 20060101AFI20240709BHJP

   B63B 39/04 20060101ALI20240709BHJP

   B64C 17/06 20060101ALI20240709BHJP

   G05D 1/49 20240101ALI20240709BHJP

   G01C 19/18 20060101ALI20240709BHJP

【ＦＩ】

G01C19/02 B

B63B39/04

B64C17/06

G05D1/49

G01C19/18

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020088306

(22)【出願日】2020-05-20

(65)【公開番号】P2021181964

(43)【公開日】2021-11-25

【審査請求日】2023-04-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】沼崎 孝義

(72)【発明者】

【氏名】上條 宏明

【審査官】今浦 陽恵

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－１４３３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５６５５４１２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５００２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２７２５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１８３３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００５／００７６７２６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０３０９１９１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０４９７６１６３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０９－１４４８０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０５２３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１９５４９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００２－２８１６９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

姿勢を制御する対象装置に設ける姿勢制御装置であって、
円板形状のフライホイールと、
前記フライホイールを回転させる駆動モータと、
前記フライホイールを回転可能に支持し、前記フライホイールの直径方向で外側に延在する傾動軸が固定された第１ジンバルと、
前記傾動軸を回動可能に支持し、前記傾動軸と直交する方向に延在する取付軸が固定された第２ジンバルと、
前記第１ジンバルと前記第２ジンバルとの間に設けた第１スリップリングと、
前記第２ジンバルと前記対象装置との間に設けた第２スリップリングとを備え、
前記取付軸を回動可能に前記対象装置に取り付けられ、
前記第１ジンバルは、前記フライホイールの直径方向の外周を囲む帯形状を有し、
前記第２ジンバルは、前記傾動軸の両側をそれぞれ両端部で支持するＵ字形状を有し、
前記駆動モータは、前記第１ジンバルに取り付けられて、前記帯形状及び前記Ｕ字形状に沿って配置された電力線により給電され、
前記取付軸は、前記フライホイールの中心線の直下に設けられ、
前記第１スリップリングは、リング部を貫通した状態で前記傾動軸に固定されるとともに、ブラシ部が前記第２ジンバルの一端部に固定されていることを特徴とする姿勢制御装置。

【請求項2】

前記第２ジンバルには、前記取付軸の中心線における前記第２ジンバルの左右の重さのバランスを取るために、前記取付軸に対して反対方向に離間した複数のウェイトが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の姿勢制御装置。

【請求項3】

前記取付軸は、支持板に回転可能に取り付けられ、
前記支持板に設けられた支持台が前記対象装置に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の姿勢制御装置。

【請求項4】

フライホイールと、前記フライホイールを回転させる駆動モータと、前記フライホイールを回転可能に支持し、前記フライホイールの直径方向で外側に延在する傾動軸が固定された第１ジンバルとを備えた姿勢制御装置を有し、回転させた前記フライホイールを傾動させて生じるジャイロ効果を利用して、対象装置の姿勢を制御する姿勢制御方法であって、
前記姿勢制御装置は、前記傾動軸を回動可能に支持し、前記傾動軸と直交する方向に延在する取付軸が固定された第２ジンバルを更に備え、前記取付軸を回動可能に前記対象装置に取り付け、
前記第１ジンバルと前記第２ジンバルとの間に第１スリップリングを設けるとともに、
前記第２ジンバルと前記対象装置との間に第２スリップリングを設け、
前記第１ジンバルは、前記フライホイールの直径方向の外周を囲む帯形状を有し、
前記第２ジンバルは、前記傾動軸の両側をそれぞれ両端部で支持するＵ字形状を有し、
前記駆動モータは、前記第１ジンバルに取り付けられて、前記帯形状及び前記Ｕ字形状に沿って配置された電力線により給電され、
前記取付軸は、前記フライホイールの中心線の直下に設けられ、
前記第１スリップリングは、リング部を貫通した状態で前記傾動軸に固定されるとともに、ブラシ部が前記第２ジンバルの一端部に固定され、
前記ジャイロ効果によって、前記対象装置に生じる傾きを打ち消すように作用する力を用いて、前記対象装置の姿勢を制御することを特徴とする姿勢制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、傾斜する装置の姿勢を維持するために制御する姿勢制御装置及び姿勢制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ダムや港湾構造物などの水中点検を、遠隔操作によって行なう無人潜水機が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。この非特許文献に記載された無人潜水機においては、水面に生じた波によって姿勢が変化しても所定の姿勢に制御する姿勢制御装置を備える。この姿勢制御装置は、無人潜水機に搭載された耐圧容器内に設けられ、ジャイロ効果を用いた２つの１軸回りの旋回制御装置を備える。２つの旋回制御装置は、それぞれフライホイール、駆動モータ及びジンバルを備え、ジンバルの支持軸が直交するように配置される。そして、駆動モータによって、フライホイールが高速回転した状態でジンバルが傾くと、ジャイロ効果によって、ジンバルの傾斜を打ち消す力が旋回制御装置に発生し、姿勢制御装置の姿勢が一定となるように制御される。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】大林組、「アクアジャスターＲを搭載した水中インフラ点検ロボット「ディアグＴＭ」を開発」、［online］、［令和２年５月９日検索］、インターネット〈URL：https://www.obayashi.co.jp/news/detail/news20170510_01.html〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述したように、従来の姿勢制御装置は、２軸方向の傾斜に対応するために、各軸の傾斜にそれぞれ対応する２つの旋回制御装置を備えていた。このため、姿勢制御装置が大型化するとともに、重量が重くなっていた。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するための姿勢制御装置は、姿勢を制御する対象装置に設ける姿勢制御装置であって、円板形状のフライホイールと、前記フライホイールを回転させる駆動モータと、前記フライホイールを回転可能に支持し、前記フライホイールの直径方向で外側に延在する傾動軸が固定された第１ジンバルと、前記傾動軸を回動可能に支持し、前記傾動軸と直交する方向に延在する取付軸が固定された第２ジンバルと、前記第１ジンバルと前記第２ジンバルとの間に設けた第１スリップリングと、前記第２ジンバルと前記対象装置との間に設けた第２スリップリングとを備え、前記取付軸を回動可能に前記対象装置に取り付けられ、前記第１ジンバルは、前記フライホイールの直径方向の外周を囲む帯形状を有し、前記第２ジンバルは、前記傾動軸の両側をそれぞれ両端部で支持するＵ字形状を有し、前記駆動モータは、前記第１ジンバルに取り付けられて、前記帯形状及び前記Ｕ字形状に沿って配置された電力線により給電され、前記取付軸は、前記フライホイールの中心線の直下に設けられ、前記第１スリップリングは、リング部を貫通した状態で前記傾動軸に固定されるとともに、ブラシ部が前記第２ジンバルの一端部に固定されている。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、２軸方向における姿勢制御装置を軽量で小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態における姿勢制御装置を搭載した無人潜水機の概略斜視図。

【図2】実施形態における姿勢制御装置の正面図。

【図3】実施形態における姿勢制御装置の背面斜め方向から見た斜視図。

【図4】実施形態における姿勢制御装置の上面図。

【図5】実施形態における姿勢制御装置の第１ジンバルが回転した斜視図。

【図6】実施形態における姿勢制御装置の第２ジンバルが回転した斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図１～図６を用いて、姿勢制御装置及び姿勢制御方法を具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、従来技術と同様に、対象装置としての無人潜水機の姿勢を制御する姿勢制御装置として説明する。

【0009】

図１に示すように、姿勢制御装置を搭載する無人潜水機１０は、略直方体形状を構成するフレーム１１、複数の浮力体１２、水中撮影装置１３及び耐圧容器１５を備える。フレーム１１には、浮力体１２、水中撮影装置１３及び耐圧容器１５が取り付けられる。浮力体１２は、無人潜水機１０を浮かせる。水中撮影装置１３は、メインカメラ１４を備え、水中のダムの壁面等、水中において撮影を行なう。耐圧容器１５は、無人潜水装置のほぼ中央に配置され、姿勢制御装置が内蔵される。

【0010】

図２～図４は、それぞれ、耐圧容器に内蔵された姿勢制御装置２０の正面図、斜視図及び上面図である。
図２に示すように、姿勢制御装置２０は、円板形状のフライホイール２１、第１ジンバル２４、駆動モータ２７、第２ジンバル３１を備える。

【0011】

第１ジンバル２４は、フライホイール２１の直径方向の外周を囲む帯形状を有する。具体的には、第１ジンバル２４は、フライホイール２１の中心線Ｃ１を含む平面を中央として、駆動モータ２７の直径に対応する高さＨ１を有する。これにより、フライホイール２１は、対向する両端部（上端部及び下端部）が、第１ジンバル２４よりも露出した状態で、第１ジンバル２４に支持される。
更に、図４に示すように、第１ジンバル２４は、前側の中央部分が突出した厚さＷ１の板形状を有する。

【0012】

図３に示すように、第１ジンバル２４の後側には、駆動モータ２７が、取付部材２６を介して取り付けられている。取付部材２６は、中央にリブが形成されたＬアングルを備え、第１ジンバル２４に固定されるとともに、駆動モータ２７を固定する。

【0013】

図４に示すように、フライホイール２１の中心線Ｃ１には、駆動モータ２７の回転軸２７ａが貫通固定されている。回転軸２７ａの先端（前側）は、ベアリング（図示せず）を介して第１ジンバル２４に回転可能に支持される。回転軸２７ａには、フライホイール２１と第１ジンバル２４との間に、ウェイト２３が固定されている。このウェイト２３は、第１ジンバル２４の傾動軸２５に対して、駆動モータ２７側とのバランスをとる。

【0014】

図２に示すように、第１ジンバル２４の外側には、中心線Ｃ２に沿って反対方向に延在する２つの傾動軸２５が固定されている。中心線Ｃ２は、中心線Ｃ１を含む平面において中心線Ｃ１と直交する。
第２ジンバル３１は、Ｕ字形状を有し、両端部には、傾動軸２５を回転可能に支持するベアリング（図示せず）がそれぞれ固定されている。このため、第１ジンバル２４は、傾動軸２５を介して、第２ジンバル３１の端部に回転可能に取り付けられ、中心線Ｃ２を中心として傾動する。

【0015】

更に、第１ジンバル２４の一端部と第２ジンバル３１との間には、スリップリング２９が設けられている。具体的には、一方の傾動軸２５に、スリップリング２９のリング部が、貫通した状態で固定される。
図３に示すように、スリップリング２９のリング部は、駆動モータ２７と、電力線２８ａ，２８ｂを介して接続されている。更に、第２ジンバル３１の一端部（スリップリング２９側の端部）には、スリップリング２９のブラシ部が固定されている。

【0016】

第２ジンバル３１には、取付軸３２とウェイト３０ｗとが固定されている。
ウェイト３０ｗは、取付軸３２の中心線Ｃ３における第２ジンバル３１の左右の重さのバランスを取るように設けられる。これにより、第２ジンバル３１を円滑に回動させることができる。

【0017】

取付軸３２は、フライホイール２１の直下であって、第２ジンバル３１の中央部で、第２ジンバル３１のＵ字形状の外側に突出して設けられている。取付軸３２は、支持部４０の中央部において、中心線Ｃ３回りに回転可能に支持される。この中心線Ｃ３は、支持板４１に垂直な方向であって、中心線Ｃ２と直交し、中心線Ｃ１，Ｃ２の交点を通過する。
第２ジンバル３１と支持部４０との間には、スリップリング３４が設けられる。具体的には、取付軸３２には、支持部４０の上で支持部４０側において、スリップリング３４のリング部が貫通した状態で固定される。なお、スリップリング３４のブラシ部は、支持部４０の支持板４１の中心に固定される。

【0018】

第２ジンバル３１から取付軸３２の先端に沿って、電力線３３ａ，３３ｂが配置される。電力線３３ａ，３３ｂの両端部は、スリップリング２９のブラシ部とスリップリング３４のリング部とに接続される。

【0019】

支持部４０は、略正方形の板形状の支持板４１と、直方体形状の支持台４２と、円筒形状の支持台４５とを備える。支持板４１の裏面（第２ジンバル３１とは反対側）には、前後方向に対する両側に支持台４２が設けられ、中央部に支持台４５が設けられる。支持台４５には、取付軸３２を支持するベアリング（図示せず）と、スリップリング３４のブラシ部とが設けられる。このスリップリング３４のブラシ部は、電力線３８ａ，３８ｂが接続され、電力線３８ａ，３８ｂは、バッテリー装置（図示せず）に接続される。
そして、支持部４０の支持台４２，４５は、無人潜水機１０の耐圧容器１５の内部に固定される。これにより、姿勢制御装置２０は、支持部４０を介して無人潜水機１０に取り付けられる。

【0020】

（姿勢制御方法）
次に、上述した姿勢制御装置２０を取り付けた無人潜水機１０の姿勢制御方法について説明する。

【0021】

姿勢制御装置２０を動作させる場合には、電力線３８ａ，３８ｂ、スリップリング３４、電力線３３ａ，３３ｂ、スリップリング２９、電力線２８ａ，２８ｂを介して駆動モータ２７に電力を供給する。これにより、駆動モータ２７の回転軸２７ａが回転して、フライホイール２１を中心線Ｃ１回りに回転させる。

【0022】

その後、波等により無人潜水機１０及びこれに固定した姿勢制御装置２０が傾斜する。この場合、姿勢制御装置２０のフライホイール２１が回転しているため、フライホイール２１の遠心力による慣性力（ジャイロ効果）により、フライホイール２１の姿勢が元の位置に戻るように力が作用する。これにより、第２ジンバル３１に対して第１ジンバル２４が回動したり、支持部４０に対して第２ジンバル３１が回動したりして、支持部４０を介して無人潜水機１０には、姿勢を維持するように力が作用する。

【0023】

例えば、図２～図４に示す位置において、姿勢制御装置２０の支持部４０の後方が高くなるように無人潜水機１０が傾斜した場合を想定する。この場合、傾斜したフライホイール２１は、元の位置に戻ろうとして、第２ジンバル３１に対して第１ジンバル２４の上部が後方に倒れるように傾斜するとともに、この傾斜に伴って支持板４１が元の位置に戻る方向に傾斜する。これにより、支持部４０及び無人潜水機１０は、姿勢を維持する。
そして、図５に示すように、後方が高くなる傾斜が数回連続した場合には、第１ジンバル２４が支持板４１とほぼ平行となるように位置することもある。

【0024】

更に、図２～図４に示す位置において、姿勢制御装置２０の支持部４０の左側が高くなるように傾斜した場合を想定する。この場合、回転したフライホイール２１が元の位置に戻ろうとして、支持部４０に対して第２ジンバル３１が回動しながら、支持部４０及び無人潜水機１０は、姿勢を維持する。
そして、図６に示すように、左側が高くなる傾斜が数回連続した場合には、第２ジンバル３１が、支持台４２の延在方向とほぼ平行になるように位置することもある。

【0025】

以上のようにして、回転するフライホイール２１のジャイロ効果により、無人潜水機１０が傾斜した場合、この傾斜を打ち消そうとする力が支持部４０に働くため、無人潜水機１０の姿勢を一定に保つことができる。

【0026】

（作用）
駆動モータ２７によって回転するフライホイール２１を回転可能に支持する第１ジンバル２４は、第２ジンバル３１に中心線Ｃ２回りに回転可能に支持される。更に、第２ジンバル３１は、支持部４０に、中心線Ｃ２と直交する中心線Ｃ３回りに回転可能に支持される。これにより、一つのフライホイール２１のジャイロ効果によって、２軸でピッチングとローリングを抑制して姿勢制御することができる。

【0027】

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態においては、フライホイール２１を回転可能に支持する第１ジンバル２４が傾動する中心線Ｃ２と直交する取付軸３２の中心線Ｃ３を中心として第２ジンバル３１を回転可能に支持する。これにより、１つのフライホイール２１を有する姿勢制御装置２０の支持部４０に２軸方向において傾斜する力が生じた場合には、回転するフライホイール２１のジャイロ効果によって、生じた力を打ち消す力が発生し、省スペースで軽量化した仕組みで姿勢を維持することができる。

【0028】

（２）本実施形態においては、第１ジンバル２４の一端部と第２ジンバル３１との間、及び第２ジンバル３１と支持部４０との間に、スリップリング２９，３４をそれぞれ設ける。この場合、姿勢制御装置２０の姿勢維持のために、発生した傾斜を打ち消す力を発生する方向に応じて第１ジンバル２４及び第２ジンバル３１が回転する。このため、受ける力によっては第１ジンバル２４や第２ジンバル３１が同じ方向に回転し続けても、電力線２８ａ，２８ｂ，３３ａ，３３ｂを介して、駆動モータ２７に電力を供給することができる。

【0029】

（３）本実施形態においては、駆動モータ２７に電力を供給する電力線２８ａ，２８ｂ，３３ａ，３３ｂを、第１ジンバル２４及び第２ジンバル３１に沿って配置する。これにより、電力線２８ａ，２８ｂ，３３ａ，３３ｂを固定できるので、電力線２８ａ，２８ｂ，３３ａ，３３ｂに無理な力が加わることを抑制することができる。

【0030】

（４）本実施形態では、第１ジンバル２４は、フライホイール２１の中央部分のみを覆う帯形状を有する。これにより、第１ジンバル２４がフライホイール２１の全体を覆う場合に比べて、第１ジンバル２４の重量を低減することができるので、姿勢制御装置２０を更に軽量化することができる。

【0031】

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、電力線２８ａ，２８ｂ，３３ａ，３３ｂ，３８ａ，３８ｂ及びスリップリング２９，３４を介して、駆動モータ２７に電力を供給した。駆動モータ２７に電力を供給する方法は、スリップリング２９，３４を用いた場合に限られない。例えば、スリップリングの位置にコイル等を配置して、ワイヤレスにより電力を駆動モータに供給してもよい。更に、スリップリング２９を、第１ジンバル２４と第２ジンバル３１との間に設けたが、第２ジンバル３１の外側に設けてもよい。この場合においても、スリップリングのリング部を傾動軸２５に設け、スリップリングのブラシ部を第２ジンバル３１の先端部に設ける。

【0032】

・上記実施形態では、スリップリング２９を一方の傾動軸２５に設けた。これに加えて、スリップリング２９を設けていない他方の傾動軸２５には、スリップリング２９の重さに対応するウェイトを設けてもよい。また、スリップリング２９を設けていない他方の傾動軸２５を長くして、取付軸３２を第２ジンバル３１の中心に配置してもよい。

【0033】

・上記実施形態では、第１ジンバル２４は、フライホイール２１の中央部分のみを覆う帯形状を有する。第１ジンバル２４の形状は、これに限られず、例えば、フライホイール２１の全体を覆う形状であってもよい。

【0034】

更に、第２ジンバル３１は、Ｕ字形状を有し、中央に取付軸３２を設けた。第２ジンバル３１の形状は、これに限られず、例えば、半円弧形状や逆π形状を有してもよいし、取付軸３２を、フライホイール２１の中心線Ｃ１の直下ではなく、フライホイール２１や第２ジンバル３１の重心位置に応じた位置に設けてもよい。

【0035】

・上記実施形態の姿勢制御装置２０の支持部４０は、略正方形状の支持板４１を備える。姿勢を制御する対象装置としての無人潜水機１０に固定される支持部４０は、この形状に限られない。例えば、支持部４０の形状を、傾斜を打ち消す方向に力が働くジャイロ効果が期待できる形状であれば、例えば、円板形状の支持板を備えた形状や、固定する部分の形状に応じたブロック形状でもよい。更に、姿勢制御装置２０の支持部４０を省略して、姿勢を制御する対象装置に、直接、取付軸３２を回動可能に支持させて、姿勢制御装置２０を固定してもよい。

【0036】

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について、以下に追記する。
（ａ）前記第１ジンバルは、前記フライホイールの対向する両端部を露出した状態で、前記フライホイールにおける中央部を支持するとともに、前記駆動モータを固定することを特徴とする請求項１又は２に記載の姿勢制御装置。
（ｂ）前記第２ジンバルは、前記傾動軸の両側をそれぞれ支持する形状を有し、
前記取付軸は、前記第２ジンバルの中央部に設けられ、
前記第２ジンバル及び前記取付軸に沿って、前記駆動モータには電力を供給する電力線を配置したことを特徴とする請求項１、２又は前記（ａ）に記載の姿勢制御装置。

【符号の説明】

【0037】

Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…中心線、１０…対象装置としての無人潜水機、１１…フレーム、１２…浮力体、１３…水中撮影装置、１４…メインカメラ、１５…耐圧容器、２０…姿勢制御装置、２１…フライホイール、２３，３０ｗ…ウェイト、２４…第１ジンバル、２５…傾動軸、２６…取付部材、２７…駆動モータ、２７ａ…回転軸、２８ａ，２８ｂ，３３ａ，３３ｂ，３８ａ，３８ｂ…電力線、２９，３４…スリップリング、３１…第２ジンバル、３２…取付軸、４０…支持部、４１…支持板、４２，４５…支持台

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】