特許 7593696 フライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】フライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム

(51)【国際特許分類】

   B28B 1/30 20060101AFI20241126BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20241126BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20241126BHJP

   E04G 21/16 20060101ALI20241126BHJP

   B64U 20/80 20230101ALN20241126BHJP

   B64U 101/45 20230101ALN20241126BHJP

【ＦＩ】

B28B1/30

B33Y50/02

B33Y30/00

E04G21/16

B64U20/80

B64U101:45

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2024088421

(22)【出願日】2024-05-30

【審査請求日】2024-06-19

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 展示会名 福島ＲＤＭセンター２０２４『結』 主催 會澤高圧コンクリート株式会社 開催日 令和 ６年 ４月１１日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】598037569

【氏名又は名称】會澤高圧コンクリート株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000051

【氏名又は名称】弁理士法人共生国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】阿部 翔太

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健一

(72)【発明者】

【氏名】東 大智

(72)【発明者】

【氏名】青木 涼

【審査官】今井 淳一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２３－０８７９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００９４９５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２２／１５８３８７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２８Ｂ １／３０

Ｂ３３Ｙ ５０／０２

Ｂ３３Ｙ ３０／００

Ｅ０４Ｇ ２１／１６

Ｂ６４Ｕ ２０／８０

Ｂ６４Ｕ １０１／４５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セメント系材料を吐出して積層造形を行う建設用３Ｄプリンタ装置と、
前記建設用３Ｄプリンタ装置を把持して積層造形される構造物の３Ｄモデルに基づいて設定された目標位置に自律飛行するドローンと、
前記建設用３Ｄプリンタ装置の動作及び前記ドローンの飛行を管理する中央管制装置と、を備え、
前記建設用３Ｄプリンタ装置は、
前記セメント系材料を吐出するノズルを備えたロボットアームと、
前記ノズルから吐出された前記セメント系材料が積層される前記構造物上のプリント面を撮影する画像監視ユニットと、
前記画像監視ユニットで撮影された前記プリント面の画像に基づいて前記ロボットアームを制御するプリンタ制御ユニットと、を含み、
前記ドローンは、
前記ドローンの飛行位置を検出する位置検出ユニットと、
前記検出された飛行位置に基づいて前記設定された目標位置に自律飛行するように前記ドローンの飛行を制御する飛行制御ユニットと、
前記ドローン及び前記ドローンに把持された前記建設用３Ｄプリンタ装置と前記中央管制装置との間の通信を行う無線通信ユニットと、を含み、
前記中央管制装置は、
前記構造物の３Ｄモデルを高さ方向に沿って所定の厚さで水平にスライスした層のそれぞれに対するプリント経路を作成し、
前記作成されたプリント経路を所定の長さ区間ごとに分割し、前記分割された長さ区間のそれぞれの中間位置を前記ドローンが飛行する前記目標位置に設定し、前記設定された目標位置の座標データを前記ドローンに送信し、
前記ドローンの飛行制御ユニットは、前記目標位置の座標データに基づいて前記ドローンが自律飛行を行って前記目標位置でホバリングするように制御し、
前記建設用３Ｄプリンタ装置は、前記ドローンがホバリングしている前記目標位置で、前記画像監視ユニットで撮影された前記プリント面の画像を利用して、前記ロボットアームをビジュアルフィードバック制御することにより、前記ノズルを前記分割された長さ区間の前記プリント面に沿って移動させながら前記セメント系材料を吐出させ、
前記中央管制装置は、
前記建設用３Ｄプリンタ装置から、前記画像監視ユニットで撮影された前記構造物上の第ｎ層（ｎは２以上の整数である）のプリント面に吐出されたセメント系材料の積層形状の画像を受信し、前記受信した画像から前記第ｎ層のプリント面に積層された層と前記３Ｄモデルとのズレ量を計測し、前記計測された第ｎ層のズレ量と前記第ｎ層の直前に積層された第ｎ－１層の前記３Ｄモデルからのズレ量に基づいて、前記第ｎ層の直後に積層される第ｎ＋１層のプリント経路に設定される目標位置の座標データを補正し、前記補正された第ｎ＋１層の目標位置の座標データを前記ドローンに送信することを特徴とするフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム。

【請求項2】

前記所定の長さ区間は、前記ロボットアームの可動範囲に対応した区間として設定され、
前記ドローンは、前記目標位置において前記ロボットアームの可動範囲に対応した区間への吐出動作が終了した通知を前記建設用３Ｄプリンタ装置から受信すると、順次ホバリングする位置を前記目標位置に隣接する次の目標位置に移動することを特徴とする請求項１に記載のフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム。

【請求項3】

前記ドローンの位置検出ユニットは、前記構造物の建設場所に設定された工事基準点に沿って配置されたマーカーを利用したモーションキャプチャー及び／又はＲＴＫ－ＧＰＳ装置により自己位置推定を行い、
前記設定された目標位置の座標データは、前記工事基準点を用いた現場座標系で指定されることを特徴とする請求項１に記載のフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム。

【請求項4】

前記構造物が積層造形される建設場所は、海又は湖上に浮べられた浮体の上面であり、前記工事基準点及び前記マーカーは前記浮体の前記上面に配置されることを特徴とする請求項３に記載のフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム。

【請求項5】

前記フライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、前記ドローン及び前記ドローンに把持された前記建設用３Ｄプリンタ装置を複数備え、
前記中央管制装置は、前記複数のドローンのそれぞれに対して、前記作成されたプリント経路に沿って設定された前記目標位置のうちの重複しない目標位置を割り当てて、前記割り当てられた重複しない目標位置の座標データを前記複数のドローンのそれぞれに送信することを特徴とする請求項１に記載のフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム。

【請求項6】

前記複数のドローンのそれぞれは、前記中央管制装置から受信した前記割り当てられた目標位置の座標データに基づいて自律飛行を行い、それぞれのドローンが互いの位置データを直接交換することにより自律的に衝突を回避するように飛行を制御することを特徴とする請求項５に記載のフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムに関し、より詳しくは、ドローンによって空中移動する建設用３Ｄプリンタ装置から積層目標面にセメント系材料が正確に吐出されるようにドローン及び建設用３Ｄプリンタ装置を制御するフライング型建設用３Ｄプリンタ吐出位置制御システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、建設分野においても３Ｄプリンタ技術を用いて、コンクリートやモルタル等のセメント系材料を積層しながら構造物を造形する構築方法の適用が始まっている。建設分野で使用される３Ｄプリンタは、速硬性コンクリート等のセメント系材料を３次元的に自動制御されるノズル部から押し出すことで、積層造形を行うようになっている。

【0003】

例えば、特許文献１には、ガントリー式の３Ｄプリンタが提案されている。ガントリー式の３Ｄプリンタは、離間して敷設された一対のレール上をガントリーが走行し、このガントリーに設けられたノズル部が、ガントリーに対して上下方向に移動されると共にガントリーの幅方向にスライドされることで３次元的に駆動されるようになっている。このため、ガントリー式の３Ｄプリンタで構築される構造物は一対のレールで挟まれたエリアに限定される。

【0004】

これに対して、特許文献２には、ノズル部がロボットアームに設けられた構成の建築用３Ｄプリンタも提案されている。ロボットアーム式の３Ｄプリンタは、ロボットアームを駆動してノズル部を３次元的に駆動する。したがって、ノズル部は所定の半径内で駆動されることになり、建築物は３Ｄプリンタの近傍に建築される。

【0005】

しかしながら、特許文献１、２に記載の技術は、ノズル部の移動範囲がガントリーやロボットアームの到達域内に限定されるため、構築可能な構造物の大きさが制限されるという問題がある。ノズル部の移動範囲を超えて、構造物を構築したい場合、ロボットアーム式の３Ｄプリンタでは、ロボットアームに設置位置を必要な距離だけ移動した後、再度ロボットアームを固定する作業を繰り返す必要があり、時間とコストがかかるという問題がある。

【0006】

そこで、大規模な構造物の構築に対応するため、３Ｄプリンタを無人航空機、いわゆるドローンに搭載して、３Ｄプリンティングを行う技術が提案されている（例えば、特許文献３）。しかし、ドローンは、飛行時において、風の影響や機体の振動などにより飛行位置のずれや機体の揺れが生じるため、搭載した３Ｄプリンタから積層目標面上にプリンティング材料を正確に吐出させるように制御することが難しいという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特表２００７－５１８５８６号公報

【文献】特表２０２０－２６０９９号公報

【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－０１２７８０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、大型構造物の建設等に使用されるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置を積層目標に対して高精度に安定して位置合せ可能とするフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、セメント系材料を吐出して積層造形を行う建設用３Ｄプリンタ装置と、前記建設用３Ｄプリンタ装置を把持して積層造形される構造物の３Ｄモデルに基づいて設定された目標位置に飛行するドローンと、前記建設用３Ｄプリンタ装置の動作及び前記ドローンの飛行を管理する中央管制装置と、を備え、前記建設用３Ｄプリンタ装置は、前記セメント系材料を吐出するノズルを備えたロボットアームと、前記ノズルから吐出された前記セメント系材料が積層される前記構造物上のプリント面を撮影する画像監視ユニットと、前記画像監視ユニットで撮影された前記プリント面の画像に基づいて前記ロボットアームを制御するプリンタ制御ユニットと、を含み、前記ドローンは、前記ドローンの飛行位置を検出する位置検出ユニットと、前記検出された飛行位置に基づいて前記設定された目標位置に自律飛行するように前記ドローンの飛行を制御する飛行制御ユニットと、前記ドローン及び前記ドローンに把持された前記建設用３Ｄプリンタ装置と前記中央管制装置との間の通信を行う無線通信ユニットと、を含み、前記中央管制装置は、前記構造物の３Ｄモデルを高さ方向に沿って所定の厚さで水平にスライスした層のそれぞれに対するプリント経路を作成し、前記作成されたプリント経路を所定の長さ区間ごとに分割し、前記分割された長さ区間のそれぞれの中間位置を前記ドローンが飛行する前記目標位置に設定し、前記設定された目標位置の座標データを前記ドローンに送信し、前記ドローンの飛行制御ユニットは、前記目標位置の座標データに基づいて前記ドローンが自律飛行を行って前記目標位置でホバリングするように制御し、前記建設用３Ｄプリンタ装置は、前記ドローンがホバリングしている前記目標位置で、前記画像監視ユニットで撮影された前記プリント面の画像を利用して、前記ロボットアームをビジュアルフィードバック制御することにより、前記ノズルを前記分割された長さ区間の前記プリント面に沿って移動させながら前記セメント系材料を吐出させることを特徴とする。

【0010】

前記中央管制装置は、前記建設用３Ｄプリンタ装置から、前記画像監視ユニットで撮影された前記構造物上の第ｎ層（ｎは２以上の整数である）のプリント面に吐出されたセメント系材料の積層形状の画像を受信し、前記受信した画像から前記第ｎ層のプリント面に積層された層と前記３Ｄモデルとのズレ量を計測し、前記計測された第ｎ層のズレ量と前記第ｎ層の直前に積層された第ｎ－１層の前記３Ｄモデルからのズレ量に基づいて、前記第ｎ層の直後に積層される第ｎ＋１層のプリント経路に設定される目標位置の座標データを補正し、前記補正された第ｎ＋１層の目標位置の座標データを前記ドローンに送信することができる。
前記所定の長さ区間は、前記ロボットアームの可動範囲に対応した区間として設定され、前記ドローンは、前記目標位置において前記ロボットアームの可動範囲に対応した区間への吐出動作が終了した通知を前記建設用３Ｄプリンタ装置から受信すると、順次ホバリングする位置を前記目標位置に隣接する次の目標位置に移動し得る。

【0011】

前記ドローンの位置検出ユニットは、前記構造物の建設場所に設定された工事基準点に沿って配置されたマーカーを利用したモーションキャプチャー及び／又はＲＴＫ－ＧＰＳ装置により自己位置推定を行い、前記設定された目標位置の座標データは、前記工事基準点を用いた現場座標系で指定されることが好ましい。
前記構造物が積層造形される建設場所は、海又は湖上に浮べられた浮体の上面であり、前記工事基準点及び前記マーカーは前記浮体の前記上面に配置され得る。

【0012】

フライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、前記ドローン及び前記ドローンに把持された前記建設用３Ｄプリンタ装置を複数備え、前記中央管制装置は、前記複数のドローンのそれぞれに対して、前記作成されたプリント経路に沿って設定された前記目標位置のうちの重複しない目標位置を割り当てて、前記割り当てられた重複しない目標位置の座標データを前記複数のドローンのそれぞれに送信し得る。
前記複数のドローンのそれぞれは、前記中央管制装置から受信した前記割り当てられた目標位置の座標データに基づいて自律飛行を行い、それぞれのドローンが互いの位置データを直接交換することにより自律的に衝突を回避するように飛行を制御し得る。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、大型構造物の積層造形において、セメント系材料を吐出するノズルの位置をドローンや構造物の揺れに拘わらずプリント面に対して高精度に安定して位置合せすることができる。また、積層時に設計データからのズレが生じても、セメント系材料の積層崩れが生じない範囲内の補正量で複数層に分散させて修正する機能を備えるため、高品質で信頼性の高い構造物を建設することができる。
さらに、本発明によれば、建設場所が洋上や山岳部などであっても、大型構造物を効率的に建設することが可能となり、建設工期や建設費を大幅に低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムの全体構成を示す概略図である。

【図2】本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムに含まれる建設用３Ｄプリンタ装置の構成例を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムに含まれるドローンの構成例を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムのドローン、建設用３Ｄプリンタ装置、及び中央管制装置の各機能的構成を説明するためのブロック図である。

【図5】円筒状のタワー（塔）を積層造形する例を示す図である。

【図6】図５に示す円筒状のタワーの積層造形工程の一例を示す図である。

【図7】本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムで用いられるデータ及び制御体系を説明するための構成図である。。

【図8】本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムによる積層造形動作の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0016】

図１は、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムの全体構成を示す概略図である。

【0017】

図１に示すように、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム１は、セメント系材料を吐出して積層造形を行う建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）と、建設用３Ｄプリンタ装置を把持して飛行させるドローン（２０ａ、２０ｂ）と、建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）及びドローン（２０ａ、２０ｂ）が連携して積層造形を実行するよう、これらの装置の動作及び飛行に必要な情報を作成するとともに造形結果を管理する中央管制装置３０とが、互いに無線通信手段を通じて相互通信可能に接続されている。

【0018】

図１には、２機のドローンがそれぞれ建設用３Ｄプリンタ装置を把持して飛行する例を示しているが、本発明はこれに限定されない。１機以上のドローンがそれぞれ建設用３Ｄプリンタ装置を把持して自律的飛行し、構造物の積層造形を行う形態全般に適用することができる。

【0019】

ドローン（２０ａ、２０ｂ）に把持されて飛行し、セメント系材料を吐出してプリントを行う形態の建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）を、本明細書では、「フライング型建設用３Ｄプリンタ」と称する。

【0020】

本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム１は、建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）を把持したドローン（２０ａ、２０ｂ）が、建設される構造物１００の設計データ、具体的には当該構造物の３Ｄモデルに対応した３Ｄデータに基づいて中央管制装置３０が設定した目標位置に自律飛行し、当該目標位置においてホバリングした状態で、建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）がロボットアーム先端のノズルの位置（吐出方向）を、構造物１００上のプリント面（積層目標）に対して位置合せを行いながら、造形用に調製されたセメント系材料を吐出させて積層造形を行い、所望の構造物を建設する。

【0021】

本発明において、造形用に調製されたセメント系材料は、積層造形（付加製造ともいう）において、ノズル等から積層材料を吐出させて造形を行う際に、造形直後の形状が崩れず、かつ、速硬性に優れて当該セメント系材料を積層しても、造形物の寸法安定性に優れた造形物を得ることができるように所定の混和材料等が加えられて調製されたセメント系材料である。

【0022】

造形用に調製されたセメント系材料をその付着性能が低下しない期間内に連続的に積層できるようにするため、構造物１００の建設現場の隣接地、具体的には、ドローン（２０ａ、２０ｂ）の飛行範囲内に、調製されたセメント系材料の補給ステーション（図示せず）が配置されてもよい。補給ステーションは、ドローン（２０ａ、２０ｂ）に把持された建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）に調製されたセメント系材料を自動又は手動で補給するように構成される。

【0023】

一実施形態において、積層造形が行われる建設現場の周辺には、ドローンの位置推定にも利用される、工事基準点となるマーカー４０や測量のためのトータルステーション４５が配置されてもよい。建設される構造物１００の積層造形において、設計データに対応した位置の指定は工事基準点に基づく座標系（現場座標系という）を用いて行われる。また、建設現場は、地面（地表面）に限定されず、洋上又は地上に設置された台座又は土台、海や湖に浮べられた浮体なども含まれ、この場合、マーカー４０やトータルステーション４５は、台座や土台の周辺や、浮体の端部又は角部などに配置され得る。

【0024】

ドローン（２０ａ、２０ｂ）を飛行させる目標位置の設定や、設定された目標位置の現場座標系での３次元座標データ（以下、座標データという）への変換など処理は、中央管制装置３０によって実行され、ドローン（２０ａ、２０ｂ）は、設定された目標位置の座標データを中央管制装置３０から受信すると、当該座標データにしたがって自律飛行を行い、目標位置でホバリングした状態で建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）から構造物１００上のプリント面にセメント系材料を吐出させることで積層造形を行う。

【0025】

以下、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム１に含まれる各装置について詳細に説明する。

【0026】

図２は、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムに含まれる建設用３Ｄプリンタ装置の構成例を示す図である。

【0027】

図２に示すように、本実施形態による建設用３Ｄプリンタ装置１０は、調製されたセメント系材料を収容（貯蔵）する円錐形状のホッパー１１と、ホッパー１１の底部に設けられて可撓性の搬送パイプ１３の一端が連結されるポンプ部１２と、搬送パイプ１３の他端に連結されたノズル１７が取り付けられる吐出ヘッド１４と、後述するドローン２０に把持されるように構成された連結用部材１５と、吐出ヘッド１４を自在に動かすロボットアーム１６とを含む。なお、本実施形態において、連結用部材１５は、建設用３Ｄプリンタ装置１０のベースフレーム（基礎構造体）を兼ねるように構成され、ホッパー１１及びロボットアーム１６は連結用部材１５のベースフレームに取り付けられる。

【0028】

吐出ヘッド１４は、ロボットアーム１６の先端に取り付けられており、当該ロボットアーム１６は、吐出ヘッド１４が後述するプリンタ制御ユニットの制御により自在かつ精密に動くように構成された垂直多関節ロボットからなる。また、吐出ヘッド１４には、ノズル１７から吐出されるセメント系材料が構造物上のプリント面に積層される様子を撮影するためのカメラ１８が組み込まれている。但し、本発明はこれに限定されず、カメラ１８は吐出ヘッド１４とは別の治具を用いて独立に設置されてもよく、ノズル１７は吐出ヘッド１４に組み込まれてもよい。また、カメラ１８はステレオカメラで構成され、さらにミリ波レーダー又はＬｉＤＡＲを含む複合センサとして構成されてもよい。

【0029】

建設用３Ｄプリンタ装置１０は、図示しない画像監視ユニットをさらに備える。画像監視ユニットは、構造物上のプリント面に対してノズル１７を位置合せするために、セメント系材料の吐出目標となるプリント面（積層直前のプリント面）をカメラ１８でリアルタイムに撮影し、撮影した画像（第ｎ－１層の画像とする）を後述するプリンタ制御ユニットに送信する。また、吐出されたセメント系材料が積層された状態のプリント面が撮影されるように配置された別カメラ（図示せず）で積層後のプリント面を撮影した画像（第ｎ層の画像）を、ドローン２０に備えられた無線通信ユニットを介して中央管制装置３０に送信する。ここで、ｎは２以上の整数である。

【0030】

画像監視ユニットは、カメラ１８で撮影した画像（第ｎ－１層の画像）から、ノズル１７の吐出位置調整用画像を作成して、プリンタ制御ユニットに送信する。プリンタ制御ユニットは、画像監視ユニットから受信した構造物上の吐出位置調整用画像を用いたビジュアルフィードバック制御によりロボットアーム１６を制御する。建設用３Ｄプリンタ装置１０の機能的構成については後述する。

【0031】

図３は、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムに含まれるドローンの構成例を示す図である。

【0032】

図３に示すように、本実施形態によるドローン２０は、本体部２１、４つの支持アーム２２、４つの推進ユニット２３、４つのプロペラ２４、及び建設用３Ｄプリンタ装置１０を着脱可能に把持するための連結装置２５を備える。支持アーム２２、推進ユニット２３、及びプロペラ２４は、飛行のための推進装置（飛行機構）である。推進装置の動力手段（動力源）は本体部２１に備えられ、本実施形態の場合、発動機（エンジン）であることが好ましいが、電動機であってもよい。なお、本実施形態において、ドローン２０は、複数のプロペラを有するマルチコプターであるが、プロペラ（主回転翼）の数が１つのヘリコプターでもよく、その他の形式の無人航空機（Ｕｎｎａｍｅｄ ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＵＡＶ）から選択されてもよい。

【0033】

本体部２１に連結された制御ボックス２６には、ドローン２０の飛行位置を検出する位置検出ユニット、位置検出ユニットで検出された位置データを使用してドローン２０が所定の飛行目標（中央管制装置３０によって設定された目標位置）に向かって自律飛行するように推進装置を制御する飛行制御ユニット、及び無線通信ユニットを含むドローン制御装置が備えられる。また、制御ボックス２６の下部には、セメント系材料が積層された状態（積層直後）のプリント面を撮影できるように配置されたカメラ（図３のカメラ２７）が配置される。当該カメラ２７は、カメラ１８と同様に、ステレオカメラで構成され、さらにミリ波レーダー又はＬｉＤＡＲを含む複合センサとして構成されてもよい。

【0034】

位置検出ユニットは、建設現場に配置されたマーカー４０（反射マーカー）を観測するための赤外線カメラ（モーションキャプチャーカメラ）を含み、光学式モーションキャプチャー技術により、ドローン２０の３次元位置を推定（算出）するように構成され得る。但し、本発明はこれに限定されず、位置検出ユニットは、さらにＲＴＫ－ＧＮＳＳを備えて、ＲＴＫ－ＧＮＳＳ測位により、位置検出を行うようにしてもよい。これらの技術により、ミリ単位での自己位置推定を行うことができる。

【0035】

飛行制御ユニットは、ドローン２０の姿勢等を検知するためのＩＭＵ（慣性計測ユニット）と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及び／又はＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を搭載した小型コンピュータ及びメモリーを含み、メモリーに実装された飛行制御プログラムにより、推進装置を制御し、位置検出ユニットで取得されたドローン２０の位置データを利用して、中央管制装置３０によって設定された目標位置にドローン２０が自律飛行するよう制御する。本実施形態において、ドローン２０は、離陸後、中央管制装置３０から提供された目標位置に自律飛行するようにプログラムされるが、緊急時にはマニュアル操作が行えるようになっていてもよい。

【0036】

無線通信ユニットは、中央管制御装置３０及びドローン管理者の通信端末５０との間で指令や情報を送受信するための通信モジュールを含む。通信モジュールは、送受信する内容に応じた、複数の周波数帯に対応するように構成される。例えば、用途に応じて、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）通信、移動体通信、及び特定小電力無線局用の電波を同時に扱うことができるように構成され得る。また、無線通信ユニットは、ブロードキャスト通信機能を備えることができる。ブロードキャスト通信は、自ドローンから他の多数のドローンに対して同じデータ（自機の位置、高度、機体識別番号などのデータ）を同時かつ一方向で送信する通信形式である。

【0037】

ドローン２０は、建設用３Ｄプリンタ装置１０と所定の通信配線を介して通信可能に接続され、建設用３Ｄプリンタ装置１０との間で情報及び指令（制御信号）を送受信する。また、制御ボックス２６の下部に配置されたカメラ２７で、セメント系材料が積層された状態（積層直後）のプリント面を撮影するように構成される。ドローン２０は、位置検出ユニットで検出された当該ドローンの位置及び飛行制御ユニットのＩＭＵで検知された飛行状態と、カメラ２７で撮影した積層造形中の構造物上のプリント面に積層されたセメント系材料の画像のデータを、逐次、中央管制装置３０に送信するように構成される。

【0038】

ドローン２０は、積層造形が行われる建設現場において、複数のドローンが同時に飛行する場合、ドローン同士が直接それぞれの位置情報をブロードキャスト通信により共有して、自律的に衝突を回避する機能とそのための構成を備えることができる。

【0039】

また、建設用３Ｄプリンタ装置１０を把持して積層造形を行うドローンとは別に、積層造形の過程を上空から観測するドローン（監視ドローンという）を飛行させて、建設中の構造物１００の造形状態をリアルタイムで中央管制装置３０に送信するようにしてもよい。監視ドローンは、例えば、ＬｉＤＡＲ装置又はステレオカメラを備え、建設中の構造物１００を３Ｄスキャンして取得した構造物全体の点群データを取得して、中央管制装置３０に送信し、中央管制装置３０で３次元空間での位置座標に変換する処理を行うことで、地上に配置されたトータルステーション４５では対応できない高所部分の積層形状や構造物全体の施工進度などのデータを取得することができる。

【0040】

中央管制装置３０は、一般的なコンピュータで構成され、図示しないが、ＣＰＵ、主記憶装置、補助記憶装置等を含んで構成される制御部（以下では、システム制御部という）、各種のプログラム及びデータを保存する記憶部、ディスプレイ等からなる表示部、キーボードやマウス等の入力機器を介してユーザからの入力を受け付ける入力部、外部機器への出力インターフェイスとなる出力部、及び通信部を含む。また、中央管制装置３０は、ＣＰＵに所定のプログラムを実行させることにより機能する複数の機能部を含むが、これらの機能部の詳細については後述する。

【0041】

以下、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムの機能構成について説明する。

【0042】

図４は、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムに含まれるドローン、建設用３Ｄプリンタ装置、及び中央管制装置の各機能的構成を説明するためのブロック図である。

【0043】

図４に示すように、本実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、中央管制装置３０が、建設用３Ｄプリンタ装置１０及びドローン２０とＷｉ－Ｆｉ（登録商標）や移動通信システム等による無線通信を介して互いに通信可能に接続される。建設用３Ｄプリンタ装置１０、ドローン２０、及び中央管制装置３０は、互いに情報及び制御信号を送受信し、連携して動作する。

【0044】

なお、建設用３Ｄプリンタ装置１０、ドローン２０、及び中央管制装置３０と通信可能に接続されて、これらの装置との間で情報や指令を送受信可能に構成されたドローン管理者の通信端末（又は操作端末）５０が含まれてもよい。通信端末５０の形態は特に限定されない。また、通信端末５０には、無線通信に対応するため所定のアンテナ５００ａが備えられる。なお、ドローン管理者は、本発明のフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムの運用、指揮管理を行っている者であり、当該構造物の建設管理者であってもよい。

【0045】

本実施形態による建設用３Ｄプリンタ装置１０は、図示しないユニットボックス（筐体）内に、図示しないプロセッサ及びメモリー含んで構成されるプリンタ制御ユニット１１０と、カメラ１８で撮影された画像を取得してプリント面の状態を監視する画像監視ユニット１３０と、各種のプログラム及びデータを格納するＳＳＤ（ソリッドステートドライブ）等からなるプリンタ記憶部１４０と、ドローン２０を介して中央管制装置３０との間でデータや制御信号（指令）を送受信するプリンタ通信部１５０とを含む。プリンタ制御ユニット１１０は、ロボットアーム１６の動作を制御するロボットアーム制御部１２０を含む。

【0046】

プリンタ制御ユニット１１０は、プロセッサで所定のプログラムを実行させることにより、ロボットアーム制御部１２０を機能させて、ロボットアーム１６の動作を制御する。また、当該ロボットアーム１６に取り付けられたノズル１７からセメント系材料を押し出す（吐出させる）ポンプ部１２の動作を制御する。

【0047】

画像監視ユニット１３０は、カメラ１８で撮影された画像（第ｎ－１層の画像）を解析してプリント面を識別し、識別されたプリント面の両エッジ間の中心線が画面中央に位置するように調整した画像をノズル１７の吐出位置制御用画像としてロボットアーム制御部１２０に伝送する。この時、画像監視ユニット１３０は、識別されたプリント面から積層開始点（前回の積層が途切れた位置）を検出し、検出された積層開始点を含む吐出位置制御用画像をロボットアーム制御部１２０に伝送するようにしてもよい。画像監視ユニット１３０は、ドローン２０が目標位置にホバリングした状態で、ロボットアーム１６の先端の動作範囲に対応するプリント面が撮影されるようにカメラ１８の画角を調整できる機能を備えてもよい。

【0048】

また、画像監視ユニット１３０は、ドローン２０に配置されたカメラ２７で、セメント系材料が構造物上のプリント面に積層された後の状態を撮影した画像（第ｎ層の画像）を、無線通信ユニット２３０を介して中央管制装置３０に送信する。

【0049】

ロボットアーム制御部１２０は、画像監視ユニット１３０から送られた積層開始点を含む吐出位置制御用画像と、中央管制装置３０から受信した直前に積層された層（第ｎ－１層）とのズレを修正するように補正されたプリント経路（第ｎ層）の座標データに基づいて、ロボットアーム１６をリアルタイムビジュアルフィードバック制御することにより、補正されたプリント経路に沿ってノズル１７を移動させながら、識別されたプリント面に対してセメント系材料が吐出されるように制御する。

【0050】

本実施形態によるドローン２０は、本体部２１に連結された制御ボックス２６内に、ドローン制御装置が備えられ、ドローン制御装置は、位置検出ユニット２１０、飛行制御ユニット２２０、及び無線通信ユニット２３０を含む。なお、飛行制御ユニット２２０は、図示しないがＳＳＤ等からなる記憶装置を含み、当該記憶装置に飛行プログラムや制御用データなどが保存される。また、無線通信ユニット２３０には、所定のアンテナ２３０ａが接続されてもよい。

【0051】

位置検出ユニット２１０は、建設現場に配置された複数のマーカー４０（反射マーカー）を利用して、光学式モーションキャプチャー技術により、ドローン２０の３次元位置をミリ単位のレベルで推定（算出）し、推定されたドローン２０の３次元位置の位置データを飛行制御ユニットに伝達する。これと同時に、位置検出ユニット２１０は、ドローン２０の位置データを中央管制装置３０に送信してもよい。さらに、複数のドローンが建設現場で飛行する場合には、リアルタイムで自ドローン２０の位置データを他ドローンに発信するとともに、他ドローンから受信した他ドローンの位置データを飛行制御ユニット２２０に伝達する。

【0052】

飛行制御ユニット２２０は、飛行制御ユニット２２０に搭載された小型コンピュータで所定の飛行制御プログラムを実行させ、当該ドローン２０を飛行させる目標位置の座標データを中央管制装置３０から受信して、受信した目標位置にドローン２０が自律飛行するよう、位置検出ユニット２１０から取得した当該ドローンの位置データ及び飛行制御ユニット２２０のＩＭＵで検知された機体の姿勢等のデータに基づいて、推進装置を制御する。さらに、ドローン２０が目標位置に到達すると、飛行制御ユニット２２０は、建設用３Ｄプリンタ装置１０のロボットアーム１６が当該目標位置での積層動作（ノズル移動）が実行している間、当該目標位置においてホバリングするよう推進装置を制御する。

【0053】

飛行制御ユニット２２０は、複数のドローンが同時に飛行している状態で、他ドローンから当該ドローン（他ドローン）の位置データを受信すると、自ドローンの位置データとリアルタイムで比較することで、自他の間の距離を計算し、異常接近を回避するように推進装置を制御する。

【0054】

無線通信ユニット２３０は、中央管制御装置３０及びドローン管理者の通信端末５０との間で指令や情報を送受信する。また、送受信される指令や情報は送信元と送信先を識別するための識別用データを含み、無線通信ユニット２３０は、送信先の識別用データに基づいて、受信した指令や情報をドローン２０の飛行制御ユニット２２０又は建設用３Ｄプリンタ装置１０のプリンタ制御ユニット１１０に振り分けて伝達する。

【0055】

本実施形態による中央管制装置３０は、ハードウェア装置で構成されるシステム制御部３１０、通信部３２０、表示部３３０、入力部３４０、記憶部３５０、及び外部入力受信部３６０を備え、積層造形される構造物の３Ｄモデルに基づいて、ドローン２０を飛行させる目標位置を設定し、ドローン２０を介して建設用３Ｄプリンタ装置１０から送信されるプリント面を撮影した画像に基づいて、次回ドローン２０を飛行させる目標位置と建設用３Ｄプリンタ１０のノズル１７を移動させるプリント経路の座標データを補正して、ドローン２０及び建設用３Ｄプリンタ１０に補正したそれぞれの座標データを通信部３２０を介して送信することで、造形中に積まれた層全体が崩れない範囲内に各層の補正量を調整しながら積層作業が実行されるように管理する。

【0056】

さらに、中央管制装置３０は、ドローン２０及び建設用３Ｄプリンタ装置１０からドローンの位置や機体状態及びセメント系材料の積層状態に関する情報を受信して、構造物の建設作業の進行管理に必要な情報を記憶部３５０に保存するとともに、ドローン管理者の通信端末（又は操作端末）５０に送信するようにしてもよい。

【0057】

中央管制装置３０は、システム制御部３１０のＣＰＵ３１１に所定のフライング型建設用３Ｄプリンタ管制プログラムを実行させることにより機能する機能部として、工事情報取得部３１２、施工管理部３１３、ドローン管制部３１４、及び建設用３Ｄプリンタ管理部３１５を含む。

【0058】

工事情報取得部３１２は、積層造形される構造物の設計データとして、当該構造物の３Ｄモデル（３Ｄデータ）を、所定の通信回線又は通信ネットワークを介して、外部のコンピュータ端末やサーバ等（図示せず）から受信して、記憶部３５０に保存する。また、工事情報取得部３１２は、建設用３Ｄプリンタ１０のプリンティング能力情報（１回の充填で印刷可能な延べ長さ、印刷速度など）及びドローン２０を飛行させるために必要な各種情報（構造物が建設される場所の測地系座標データや飛行区域の地形情報など）を、外部のコンピュータ端末やサーバ等（図示せず）から所定の通信回線又は通信ネットワークを介して受信し、記憶部３５０に保存するようにしてもよい。なお、上述した各情報は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存された形態で提供されてもよい。この場合、設計情報取得部３１２は、入力部３４０に接続された読取り装置（図示せず）で、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に保存された各情報を読み出して、記憶部３５０に保存してもよい。

【0059】

施工管理部３１３は、記憶部３５０から積層造形される構造物の３Ｄモデル（３Ｄデータ）を読み出し、読み出した構造物の３Ｄモデルから当該構造物を平面的にスライスした一層分のプリント面に沿った経路（以下、プリント経路という）を指定する座標データ（造形物座標系）を作成し、作成されたプリント経路を所定の長さ区間ごとに分割し、分割された長さ区間の中間位置をドローン２０が飛行する目標位置に設定し、設定された目標位置を現場座標系の座標データに変換してドローン管制部３１４に伝達する。なお、施工管理部３１３は、構造物の３Ｄモデルから、現場座標系に対応した施工図面（３次元設計データ）を作成し、作成した３次元設計データに基づいて、座標を指定するようにしてもよい。

【0060】

図５は、円筒状のタワー（塔）を積層造形する例を示す図であり、図５の（ａ）は、積層造形されるタワーの３Ｄモデルを平面的にスライスする位置を例示する図であり、図５の（ｂ）は、スライスされた位置におけるプリント面１００Ｒを例示した水平断面図である。

【0061】

図５の（ｂ）に示すように、プリント面１００Ｒに沿ったプリント経路において、分割される１区間の長さＬは、ロボットアーム１６の可動範囲（動作範囲）に該当し、ドローン２０ａに送信される目標位置Ｐは、１回の飛行当たり１箇所に限定されず、建設用３Ｄプリンタ１０にセメント系材料をフル充填した場合に印刷可能な延べ長さをロボットアームの可動範囲の長さで割った数に対応する複数の長さ区間（各区間は隣接する）に対してそれぞれ目標位置Ｐ（例えば、Ｐ_１、Ｐ_２、…、Ｐ_ｍ）を設定し、設定された複数の目標位置Ｐのそれぞれを現場座標系での座標データに変換してドローン管制部３１４に伝達するようにしてもよい。一例として、ロボットアーム１６の可動範囲（ｗｏｒｋサイズともいう）が、半径２０ｃｍ～１ｍである場合、分割される１区間の長さＬは、この可動範囲内となるように設定される。

【0062】

施工管理部３１３は、複数のドローン（２０ａ、２０ｂ）及び建設用３Ｄプリンタ（１０ａ、１０ｂ）が使用可能な場合、それぞれのドローン（２０ａ、２０ｂ）に対して、設定された複数の目標位置の中から、互いに重複しない目標位置（Ｐ、Ｐ’）を設定し、設定されたそれぞれの目標位置を現場座標系の座標データに変換してドローン管制部３１４に伝達する。

【0063】

なお、図５に示す円筒状のタワーでは、長さ区間の設定をタワーの中心線を基準にして円周に沿って分割したが、本発明はこれに限定されず、水平断面図をメッシュ状に区切って、区切られたブロック内のプリント経路に対して、長さ区間及び目標位置を設定するようにしてもよい。

【0064】

また、施工管理部３１３は、ドローン２０を介してカメラ２７で撮影された今回積層されたセメント系材料の画像を受信し、受信した画像から今回積層されたセメント系材料により形成された平面（プリント面）の形状と、これに対応する３Ｄモデル（３次元設計データ）のスライス面とのズレ量を計測（算出）し、計測されたズレ量に基づいて、今回積層されたプリント面の上に積層される次回の一層分のプリント面の配置位置の補正、具体的にはノズルを移動させる際の中心線を補正する処理を実行する。施工管理部３１３は、今回積層されたセメント系材料により形成された平面（プリント面）の形状及び現地座標系で定義された同平面（プリント面）の配置位置を施工実績データとして記憶部３５０に保存する。

【0065】

図６は、図５に示す円筒状のタワーの積層造形工程の一例を示す図であり、図６の（ａ）は、図５に示すプリント面１００Ｒに一層分（第ｎ層）のセメント系材料が積層された状態を示す図であり、図６の（ｂ）は、図６の（ａ）に示すＡ領域の拡大図である。ここで、ｎは２以上の整数である。

【0066】

図６の（ｂ）には、前回積層されたプリント面１００Ｒ（ｎ－１）の上に、今回積層されたプリント面１００Ｒ（ｎ）が重複した状態を平面視した場合を例示している。図６の（ｂ）において、ＣＬ（ｎ－１）は、前回積層されたプリント面１００Ｒ（ｎ－１）の中心線であり、ＣＬ（ｎ）は、今回積層されたプリント面１００Ｒ（ｎ）の中心線である。

【0067】

施工管理部３１３は、前回の中心線ＣＬ（ｎ－１）及び今回の中心線ＣＬ（ｎ）を、それぞれに対応する３Ｄモデルのスライス位置における水平断面（スライス面という）の中心線（設計データの中心線）と比較して、次回積層する予定のプリント面１００Ｒ（ｎ＋１）の中心線ＣＬ（ｎ＋１）の位置を設定する。この時、次回の中心線ＣＬ（ｎ＋１）は、前回積層分のズレの方向と今回積層分のズレの方向とが同じであるか又は逆であるかに応じて下記のように補正した位置に設定する。

【0068】

具体的に、前回積層（第ｎ－１層）分のズレの方向と今回積層（第ｎ層）分のズレの方向とが同じである場合に、次回積層（第ｎ＋１層）の中心線ＣＬ（ｎ＋１）を設計データの中心線に設定しようとすると、今回積層した第ｎ層から大幅にシフト（前回分と今回分が加算されたズレ量に相当）させた位置に次回の第ｎ＋１層が積層されることになる。この場合、施工管理部３１３は、セメント系材料の特性に鑑みて積層崩れが生じない範囲（許容範囲という）内に、次回積層の中心線ＣＬ（ｎ＋１）の位置を設定する。つまり、以前に積層された層のズレは、次回積層時に一度に解消するのではなく、積層崩れが生じない範囲での修正を複数層にわたって行うことで解消されるように、次回積層（第ｎ＋１層）の中心線ＣＬ（ｎ＋１）の位置を調整する。

【0069】

一方、前回積層（第ｎ－１層）分のズレの方向と今回積層（第ｎ層）分のズレの方向とが逆である場合、前回分と今回分のズレが相殺されるので、今回積層した第ｎ層から許容範囲内となる位置に設計データの中心線があれば、施工管理部３１３は、次回積層（第ｎ＋１層）の中心線ＣＬ（ｎ＋１）を設計データの中心線に設定することができる。積層崩れが生じない上下層間のズレ（誤差）の許容範囲を指定する数値（許容値という）は、予め記憶部３５０に保存される。

【0070】

施工管理部３１３は、ドローン２０を介して受信した画像を解析して算出された各層（積層済みの層）の中心線の位置座標を、施工実績データとして記憶部３５０に保存する。なお、建設用３Ｄプリンタ装置１０は、積層されたセメント系材料の高さ（奥行き）方向の形状を評価するために、カメラ１８をデプスカメラとしてもよい。

【0071】

ドローン管制部３１４は、施工管理部４１３で設定された１箇所以上の目標位置の座標データを通信部３２０を介してドローン２０に送信する。また、ドローン２０から送信される当該ドローンの位置及び姿勢を含む飛行状態のデータを、通信部３２０を介して取得し、ドローン２０が正常に所定の目標位置に飛行し、ホバリングしているか否かを監視し、飛行に異常がある場合は、ドローン管理者の通信端末５０に異常通知を送信してもよい。なお、異常判定は、ドローン２０の飛行制御ユニット２２０が行ってもよい。

【0072】

また、ドローン管制部３１４は、ドローン２０から目標位置における建設用３Ｄプリンタ装置１０の積層作業が終了したことを知らせる通知を受信すると、当該ドローン２０を補給ステーションに帰還させる時機を決定して、ドローン２０に帰還指令を送信するとともに、補給ステーション又はドローン管理者の通信端末５０に対して帰還の時機（補給ステーションに帰着する予定時刻）を通知（送信）するようにしてもよい。ドローン２０は補給ステーションに帰還すると、ドローン管制部３１４に帰還完了通知を送信するようにしてもよい。

【0073】

建設用３Ｄプリンタ管理部３１５は、ドローン２０の無線通信ユニット２３０を介して建設用３Ｄプリンタ装置１０からロボットアーム１６の動作及びノズル１７から吐出されるセメント系材料の流量等の監視データを受信し、受信した監視データに異常がある場合は、ドローン管理者の通信端末５０に異常通知を送信してもよい。なお、異常判定は、建設用３Ｄプリンタ装置１０のプリンタ制御ユニット１１０が行ってもよい。

【0074】

また、建設用３Ｄプリンタ管理部３１５は、ドローン管制部３１４を介してドローン２０に帰還指令が送信されたことの通知を受信すると、当該ドローン２０に把持された建設用３Ｄプリンタ装置１０の監視を終了するとともに、補給ステーション又はドローン管理者の通信端末５０から当該建設用３Ｄプリンタ装置１０へのセメント系材料の補給が完了した通知が送達されるのを待ち受ける。

【0075】

セメント系材料の補給が完了した通知を受信すると、建設用３Ｄプリンタ管理部３１５は、施工管理部３１３に当該建設用３Ｄプリンタ装置１０がプリント開始可能となったことを伝達し、これを受けて施工管理部３１３は、次回の積層作業に用いられる補正されたノズル移動の中心線を指定するデータをドローン２０の無線通信ユニット２３０を介して建設用３Ｄプリンタ装置１０に送信するよう構成される。

【0076】

通信部３２０は、ドローン２０及び建設用３Ｄプリンタ装置１０と無線通信するための通信モジュールと、外部の端末装置等に有線又は無線でネットワーク接続するための通信モジュールを含む。なお、通信部３２０には、所定のアンテナ３２０ａが接続されてもよい。表示部３３０及び入力部３４０は、一般的な表示装置及び入力装置で構成され、本システムの利用者がデータやプログラムを入力したり、飛行記録や施工実績データを参照するために使用される。

【0077】

記憶部３５０は、本システムで使用される各種のデータやプログラムを保存する。外部入力受信部３６０は、システム制御部３１０と外部の各種計測装置、例えば、レーザースキャナーやトータルステーションなどとの間でデータや制御信号の送受信を行う。レーザースキャナーやトータルステーションで計測された建設中の構造物の３Ｄ測量データは、ドローン２０の飛行制御に反映され得る。

【0078】

次に、上述したドローン、建設用３Ｄプリンタ装置、及び中央管制装置を含む本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムで用いられるデータ及び制御体系を、図７を参照して説明する。

【0079】

図７は、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムで用いられるデータ及び制御体系を説明するための構成図である。

【0080】

図７に示すように、本実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、建設される構造物１００の設計データとして３Ｄモデル７０１が中央管制装置３０に提供されると、中央管制装置３０は３Ｄモデル７０１から当該構造物を基準面に対して所定の厚さ（高さ）ごとに水平にスライスした複数のプリント面を設定し、設定された各プリント面の位置座標を現場座標系で指定した座標データ（設計データより生成された層データ群７０２という）を生成する。

【0081】

積層造形が開始されると、中央管制装置３０は、生成された層データ群７０２の中から、造形の順番にしたがって、次に造形すべき層（第ｎ層とする）の座標データ７０３を選択し、これと同時に、選択された層の直前に積層された層（第ｎ－１層）を撮影した画像を解析して、その位置及び形状を計測した結果７０４を設計データ（生成された層データ群７０２の中の該当する層）と比較し、比較した結果に基づいて、次に造形すべき第ｎ層の座標データ（造形すべき層のデータ）７０３を補正した造形用の第ｎ層データ７０５を作成する。

【0082】

中央管制装置３０は、造形用の第ｎ層データ７０５で指定された層（プリント面）に沿ったプリント経路を所定の長さ区間ごとに分割した部分経路データ（積層レイヤーの分割データ）７０６を作成する。そして、ぞれぞれの部分経路の中間位置、すなわち分割された長さ区間の中間位置をドローン２０が飛行する目標位置に設定し、設定された目標位置の座標データを含むドローン飛行指令７０７をドローン２０に送信する。また、部分経路データは、ロボットアーム１６のノズル先端位置制御及び吐出ポンプ制御７０８に利用するために建設用３Ｄプリンタ１０に送信される。

【0083】

ドローン２０は、設定された目標位置を含むドローン飛行指令７０７に基づいて、自律飛行し、目標位置でホバリングして、機体が目標位置において安定した姿勢を維持するように推進装置を制御する７０９。したがって、ドローン２０は自機の空間位置及び姿勢を、位置検出ユニットで検出された座標データを使って制御する（座標系制御）。

【0084】

一方、建設用３Ｄプリンタ１０は、部分経路データに基づいて、ロボットアームのノズル先端を移動させる７１０が、この際、最終的なノズル先端の位置合せは、カメラ１８で撮影したプリント面の画像をリアルタイムで解析した結果を用いて実行することで、ドローン２０や構造物１００のプリント面の揺れに対して、動的に応答するようにノズル先端の位置が制御される（ビュジュアルフィードバック制御）７１１。

【0085】

このように、本発明によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御は、座標系制御（ドローンの飛行位置）と非座標系制御であるビュジュアルフィードバック制御（ノズルの吐出位置）とを組み合わせて構成されることで、第ｎ層データ７０５で指定された層（プリント面）に対して、高精度かつ安定したセメント系材料の吐出を可能にする。また、造形用の第ｎ層データ７０５の補正量は、許容値の範囲内に設定される（すなわち、非座標系制御は、座標系の許容値に制約される）ので、積層時に意図しない崩れ等の問題が発生しない。

【0086】

なお、上述した実施形態において、第ｎ層データ７０５で指定された層（プリント面）に沿ったプリント経路を所定の長さ区間ごとに分割する際、分割される１区間の長さは、ロボットアーム１６の可動範囲内に設定されることを例示したが、分割される１区間の長さは、ロボットアーム１６の可動範囲を単位に設定する必要はなく、ドローンの飛行位置制御能力に応じた最小単位、例えば、１ｍｍ～１０ｍｍの長さで設定してもよく、さらに、実質的にドローン２０が移動しながら、ロボットアームのビュジュアルフィードバック制御によりノズル先端の位置合せを行うことも本発明の実施形態に含まれる。

【0087】

以下、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムの動作フローについて説明する。

【0088】

図８は、本発明の一実施形態によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムによる積層造形動作の一例を示すフローチャートである。

【0089】

本実施形態では、中央管制装置３０が、図１に示すように、２機のドローン（２０ａ、２０ｂ）を飛行させて、構造物１００の積層造形を行う場合について、図４及び図８を参照しながら説明する。本実施形態において使用される２機のドローン（２０ａ、２０ｂ）は、それぞれ建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）を把持して、補給ステーションで調製されたセメント系材料の補給を受けながら、建設される構造物の建設現場を自律飛行して、連続的に積層造形を行うように制御される。

【0090】

構造物の積層造形を開始する指令が、中央管制装置３０の入力部３４０又はドローン管理者の通信端末５０から入力されると、中央管制装置３０のシステム制御部３１０は施工管理部３１３を機能させて、工事情報取得部３１２を介して予め記憶部３５０に保存された建設される構造物の３Ｄモデル（設計データ）から、先に説明したように、当該構造物を高さ方向に所定の厚さ（例えば、５ｍｍ～３０ｍｍ）で平面的（水平）にスライスした各層（オリジナルスライス層）の水平断面となるプリント面に沿ったプリント経路を作成し、作成されたプリント経路を所定の長さ区間ごとに分割して、分割された複数の長さ区間に対してそれぞれ目標位置を設定する（ステップＳ１００）。

【0091】

目標位置は、ロボットアームの可動範囲に鑑みて、分割された複数の長さ区間の中間位置に設定される。但し、本発明はこれに限定されず、ロボットアームの動作特性に合わせて適正な位置に設定され得る。

【0092】

施工管理部３１３は、設定された複数の長さ区間に対するそれぞれの目標位置を工事基準点に基づく現場座標系の座標データに変換してドローン管制部３１４に伝達する。

【0093】

ドローン管制部３１４は、設定された複数の目標位置の座標データを２機のドローン（２０ａ、２０ｂ）に重複しないように割り当てる（ステップＳ１１０）。そして、割り当てたそれぞれの目標位置の座標データを対応するドローン（２０ａ、２０ｂ）に送信する。なお、ドローン管制部３１４は、各ドローンに割り当てられる目標位置の数を、１回の飛行当たりドローンに把持された建設用３Ｄプリンタ１０が印刷可能な長さに基づいて決定する。したがって、１層分のプリント経路の長さが、１回の飛行で印刷可能な長さよりも長い場合、ドローン管制部３１４は、プリント経路上の全ての目標位置を複数回の飛行に分けて割り当てるように調整する。

【0094】

ステップＳ１００で設定される各層のプリント経路に対する目標位置は、積層工程の進行にしたがって生じた下層のズレ（設計データを基準とした位置ズレ）を修正するように、施工管理部３１３によって補正され、補正された目標位置の座標データが提供される。なお、各層ごとの目標位置の割り当てにおいて、特定の目標位置に対して特定のドローンが割り当てられる必要はない。つまり、平面上の同じ位置に重畳する、垂直方向の下層と上層を同じドローンに割り当てる必要はなく、別のドローンに割り当ててもよい。

【0095】

中央管制装置３０の建設用３Ｄプリンタ管理部３１５は、ドローン管制部３１４によって割り当てられた目標位置に飛行するドローンの建設用３Ｄプリンタに、施工管理部３１３によって補正された当該目標位置でのノズルの移動経路（動線）を指定するデータを送信する（ステップＳ１２０）。ノズルの移動経路（動線）は、補正された目標位置におけるプリント面の中心線に設定される。

【0096】

ドローン（２０ａ、２０ｂ）及び建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）は、それぞれドローン管制部３１４及び建設用３Ｄプリンタ管理部３１５から、ステップＳ１１０及びＳ１２０で送信された、目標位置及びノズルの動線（移動経路）のデータ受信が完了すると、中央管制装置３０のシステム制御部３１０及びドローン管理者の通信端末５０に発進準備完了の通知を送信する。発進準備完了の通知は、それぞれのドローンの飛行制御ユニット２２０が送信するようにしてもよい。

【0097】

システム制御部３１０は、発進準備完了の通知を受信すると、ドローン（２０ａ、２０ｂ）に発進（離陸）を許可する指令を送信する（ステップＳ１３０）。

【0098】

発進（離陸）を許可する指令を受信すると、ドローン（２０ａ、２０ｂ）は自律飛行を行って、それぞれ設定された目標位置に到達すると、目標位置でホバリングし、建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）は予めプリンタ記憶部１４０に保存されたプリント制御のための所定のプログラムにより積層作業を実行する。

【0099】

建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）の積層作業が始まると、中央管制装置３０のシステム制御部３１０は、施工管理部３１３に、ドローン（２０ａ、２０ｂ）を介して今回積層されたセメント系材料の画像を受信し、受信した画像から今回積層された第ｎ層のセメント系材料により形成された平面（プリント面）の形状と、当該プリント面に対応する３Ｄモデル（設計データ）のスライス面とのズレ量を計測（算出）し、計測された今回積層された第ｎ層のズレ量及び前回積層された第ｎ－１層のズレ量に基づいて、今回積層された第ｎ層のプリント面の上に次回積層される第ｎ＋１層のプリント面の目標位置、具体的には、プリント面上でノズルを移動させる動線の位置を補正する処理を実行させ、補正された第ｎ＋１層のプリント面の目標位置を前記ドローンに送信する（ステップＳ１４０）。

【0100】

また、システム制御部３１０は、ドローン（２０ａ、２０ｂ）の離陸後、ドローン管制部３１４を機能させ、ドローン管制部３１４は、ドローン（２０ａ、２０ｂ）から送信されたそれぞれのドローンの飛行状態、及び建設用３Ｄプリンタ装置（１０ａ、１０ｂ）の動作状態を監視する。

【0101】

ドローン管制部３１４は、それぞれのドローン（２０ａ、２０ｂ）から送信された目標位置における建設用３Ｄプリンタ装置１０の積層作業が終了した通知を受信すると、それぞれのドローン（２０ａ、２０ｂ）を補給ステーションに帰還させる時機（飛行経路から離脱させる時刻）を決定し、帰還時機が決定されると、ドローン管制部３１４は、それぞれのドローン（２０ａ、２０ｂ）に帰還指令を送信する。

【0102】

これと同時に、ドローン管制部３１４は、補給ステーション及びドローン管理者の通信端末５０にも帰還の通知を送信する。帰還の通知を受信すると、補給ステーションは補給の準備を始めることができる。

【0103】

それぞれのドローン（２０ａ、２０ｂ）は、補給ステーションに帰還すると、ドローン管制部３１４に帰還完了通知を送信する。

【0104】

中央管制装置３０のシステム制御部３１０は、ドローン管制部３１４から帰還完了通知を受信すると、予めプログラムされた手順により、又はドローン管理者から送信された作業継続の指令により、それぞれのドローン（２０ａ、２０ｂ）に対して、ステップＳ１００以降の工程が繰り返し実行されるよう制御する（ステップＳ１５０）。

【0105】

一方、ステップＳ１５０で、作業の中断又は終了が指令されると、システム制御部３１０は、飛行中のドローンの有無を確認し（ステップＳ１６０）、飛行中のドローンがある場合は、帰還指令を送信する（ステップＳ１７０）。そして、全てのドローンが帰還すると、ドローン管理者の通信端末（又は操作端末）５０に作業が終了した旨を通知して、システムの動作を終了する。

【0106】

中央管制装置３０に、上述したフローを実行させることにより、本発明によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、複数機のドローンを使用し、これらのドローンが連携して、調整されたセメント系材料を３Ｄモデルにしたがって積層するように制御することで、構造物の積層造形を効率的に進行させることを可能とする。

【0107】

以上、本発明によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、人が立ち入ることが困難な山間部や海上などに、従来のロボットアームやガントリー形式の３Ｄプリンタでは構築が困難であった大きさの大型構造物を、架台や特殊圧送装置等を用いることなく建設することを可能とし、建設工期や建設費を大幅に低減することができる。

【0108】

また、本発明によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、ドローンの飛行位置を建設現場に設置した基準点に基づく座標系制御により正確に維持し、建設用３Ｄプリンタのノズルを非座標系のビジュアルフィードバック制御することにより吐出位置を、ドローン及び構造物の揺れに拘わらず、高精度に位置合せすることができる。

【0109】

さらに、本発明によるフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、積層状態を継続して監視し、セメント系材料を積層する際の誤差を、層の崩れが生じない範囲で複数層に分散して逐次修正することができるため、高品質で信頼性の高い構造物を構築することすることできる。

【0110】

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

【符号の説明】

【0111】

１ フライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システム
１０、１０ａ、１０ｂ 建設用３Ｄプリンタ装置
１１ ホッパー
１２ ポンプ部
１３ 搬送パイプ
１４ 吐出ヘッド
１５ 連結用部材
１６ ロボットアーム
１７ ノズル
１８、２７ カメラ
２０、２０ａ、２０ｂ ドローン
２１ 本体部
２２ 支持アーム
２３ 推進ユニット
２４ プロペラ
２５ 連結装置
２６ 制御ボックス
３０ 中央管制装置
４０ マーカー
４５ トータルステーション
５０ 通信端末
１００ 構造物
１１０ プリンタ制御ユニット
１２０ ロボットアーム制御部
１３０ 画像監視ユニット
１４０ プリンタ記憶部
１５０ プリンタ通信部
２１０ 位置検出ユニット
２２０ 飛行制御ユニット
２３０ 無線通信ユニット
２３０ａ、３３０ａ、５００ａ アンテナ
３１０ システム制御部
３２０ 通信部
３３０ 表示部
３４０ 入力部
３５０ 記憶部
３６０ 外部入力受信部
３１１ ＣＰＵ
３１２ 工事情報取得部
３１３ 施工管理部
３１４ ドローン管制部
３１５ 建設用３Ｄプリンタ管理部

【要約】      （修正有）

【課題】大型構造物の積層造形を高精度に制御可能なフライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムを提供する。
【解決手段】フライング型建設用３Ｄプリンタの吐出位置制御システムは、セメント系材料を吐出するノズルを備えたロボットアームを有する建設用３Ｄプリンタ装置と、建設用３Ｄプリンタ装置を把持して自律飛行するドローンと、建設用３Ｄプリンタ装置の動作及びドローンの飛行を管理する中央管制装置と、を備え、中央管制装置は、構造物を水平にスライスした一層分のプリント面上に設定された目標位置の座標データを前層の積層結果に基づいて補正してドローンに送信し、補正された目標位置でホバリングするドローンに把持された建設用３Ｄプリンタ装置は、画像監視ユニットで撮影されたプリント面の画像を使用したビジュアルフィードバック制御によりノズル位置をプリント面に対して位置合せするようにロボットアームを制御する。
【選択図】図４

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】