(57)【要約】【課題】航空機に好適に用いることができるロボットアームおよびこれを備える無人航空機を提供する。【解決手段】航空機に搭載されるロボットアームであって、複数の関節部を有するアーム部と、前記各関節部の駆動を制御するアーム制御手段と、前記アーム部の位置の変化および傾きを検知する変位検知部と、を備え、前記アーム部はその基端部が前記航空機に結合されており、前記アーム部の少なくとも先端部は前記航空機の機外に露出しており、前記アーム制御手段は、前記変位検知部が、前記アーム部の意図しない位置の変化または傾きである位置ずれを検知したときに、該位置ずれを前記各関節部により吸収し、該位置ずれが前記アーム部の先端側に伝達されることを抑制することを特徴とするロボットアームによりこれを解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機に搭載されるロボットアームであって、
複数の関節部を有するアーム部と、
前記各関節部の駆動を制御するアーム制御手段と、
前記アーム部の位置の変化および傾きを検知する変位検知部と、を備え、
前記アーム部はその基端部が前記航空機に結合されており、
前記アーム部の少なくとも先端部は前記航空機の機外に露出しており、
前記アーム制御手段は、前記変位検知部が、前記アーム部の意図しない位置の変化または傾きである位置ずれを検知したときに、該位置ずれを前記各関節部により吸収し、該位置ずれが前記アーム部の先端側に伝達されることを抑制することを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
前記航空機は、複数の回転翼を備える無人航空機であることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
前記アーム制御手段は、前記アーム部の先端に前記位置ずれが伝達されることを抑制することを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項４】
前記変位検知部は、前記航空機の機内、または前記アーム部の基端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項５】
前記変位検知部は、前記アーム部の先端部に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のロボットアーム。
【請求項６】
前記複数の関節部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部を一組としたときに、三組の前記関節部を有していることを特徴とする請求項３に記載のロボットアーム。
【請求項７】
前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、
前記複数のリンク部材は、前記アーム部の基端側から先端側に向かって、前記航空機の機体に結合されたベース部、肩部、上腕部、下腕部、および、前記アーム部の先端部である手首部を有しており、
前記肩部は前記ベース部に対して周方向へ回転可能に連結されており、
前記肩部および前記上腕部、前記上腕部および前記下腕部、並びに、前記下腕部および前記手首部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部により連結されていることを特徴とする請求項６に記載のロボットアーム。
【請求項８】
前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、
前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象を撮影する撮影手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項９】
前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、
前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象との距離を測定する測距手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項１０】
前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタと、
前記航空機の機体周辺に存在する物体との距離を測定する測距手段と、
前記測距手段が検知した障害物に前記アーム部および前記エンドエフェクタが衝突しないよう前記アーム部の姿勢を制御する障害物回避手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項１１】
前記アーム部の現在の姿勢を特定可能な情報を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記障害物回避手段は、前記記憶手段の情報に基づいて、前記測距手段が検知した前記物体が、前記障害物か、前記アーム部または前記エンドエフェクタか、を判別可能であることを特徴とする請求項１０に記載のロボットアーム。
【請求項１２】
前記障害物回避手段は、前記測距手段の測定範囲内において遠方から次第に近づいてくる前記物体を前記障害物であると判断し、前記測距手段の測定範囲内に唐突に現れた前記物体は前記アーム部または前記エンドエフェクタであると判断することを特徴とする請求項１０に記載のロボットアーム。
【請求項１３】
前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、
前記複数の関節部の少なくとも一つは、該関節部を駆動させる駆動源、テーパ部材、および連結部材を有する補強関節部であり、
前記駆動源は、前記複数のリンク部材のうちの一つである第１リンク部材に配置されており、
前記駆動源の出力軸には前記テーパ部材が装着されており、
前記テーパ部材の外周面には、その外径寸法が前記出力軸の軸線方向における基端側から先端側に向かって次第に小さくされた略円錐台形状の第１テーパ部が形成されており、
前記連結部材は、前記第１テーパ部の形状と相補的な形状をなす第２テーパ部を有しており、
前記テーパ部材の第１テーパ部には、前記連結部材の第２テーパ部が嵌合されており、
前記連結部材はねじで前記テーパ部材側に締め付けられており、
前記連結部材は、前記第１リンク部材に隣接する前記リンク部材である第２リンク部材に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項１４】
前記補強関節部はさらに、軸受部材を有しており、
前記連結部材の外周面は前記軸受部材に回転可能に支持されており、
前記軸受部材は、前記第１リンク部材に固定されていることを特徴とする請求項１３に記載のロボットアーム。
【請求項１５】
前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、
前記複数のリンク部材のうち少なくとも一つはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の板材で構成されており、該リンク部材は、骨格を残しつつ肉抜きが施された枠体形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項１６】
前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、
前記エンドエフェクタは、閉時において環形状を形成可能な一対の爪部を有しており、
前記一対の爪部の少なくとも一方は、該爪部の基端部を中心として回動可能な可動爪であり、
前記一対の爪部は、前記可動爪を回動させることによりその先端部を開閉可能であり、
前記一対の爪部の各先端部は、前記一対の爪部の厚み方向における位置を違えて配置されており、
閉時における前記一対の爪部の各先端部は、前記環形状の環方向において重ねられており、
前記一対の爪部の各先端部には、前記環形状の内側となる部位に、該環形状の外側に向かって窪んだ凹部がそれぞれ形成されており、
前記各凹部は、前記環形状の環方向における同位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のロボットアーム。
【請求項１７】
前記複数の関節部の少なくとも一つは、該関節部を旋回させる駆動源としてサーボモータを有しており、
前記アーム制御手段は、前記無人航空機の水平飛行時に、前記サーボモータを有する前記関節部である揺動制御関節を、該無人航空機の進行方向に沿って旋回可能となる向きに配置するとともに、前記アーム部における前記揺動制御関節よりも先端側の部分である吊支部を前記揺動制御関節から下方へ直線状に配置し、
前記アーム制御手段は、前記無人航空機が前記水平飛行を停止したときに、前記揺動制御関節の前記サーボモータの保持特性を徐々に高め、前記吊支部の揺動を速やかに収束させることを特徴とする請求項２に記載のロボットアーム。
【請求項１８】
複数の回転翼と、
請求項１から請求項１７のいずれか一項に記載にロボットアームを備える無人航空機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機に搭載されるロボットアームに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、産業用無人ヘリコプターに代表される小型の無人航空機は、機体が高価で入手困難なうえ、安定して飛行させるためには操作に熟練が必要とされるものであった。しかし近年、無人航空機の姿勢制御や自律飛行に用いられるセンサ類およびソフトウェアの改良、低価格化が進み、これにより無人航空機の操作性が飛躍的に向上した。特に小型のマルチコプターについては、ヘリコプターに比べてローター構造が簡単であり、設計およびメンテナンスが容易であることから、趣味目的だけでなく、広範な産業分野における種々のミッションへの応用が試行されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３９７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
マルチコプターの応用範囲が拡大するにつれ、マルチコプターに行わせようとする作業の難易度も高まってきており、より複雑で精密な作業を高い品質で行うことのできる機体の登場が望まれている。このような要望に応えるべく、マルチコプターの機体構造を各作業に特化させ、その作業専用の機体を提供することが考えられるが、一つの機体で様々な作業を比較的高品質に行える方が好ましい場合もある。このような汎用的なマルチコプターを実現する手段としては、例えばマルチコプターにロボットアームを搭載し、種々の作業に応じた交換可能なエンドエフェクタを用意することが考えられる。
【０００５】
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、航空機に好適に用いることができるロボットアームおよびこれを備える無人航空機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明のロボットアームは、複数の関節部を有するアーム部と、前記各関節部の駆動を制御するアーム制御手段と、前記アーム部の位置の変化および傾きを検知する変位検知部と、を備え、前記アーム部はその基端部が前記航空機に結合されており、前記アーム部の少なくとも先端部は前記航空機の機外に露出しており、前記アーム制御手段は、前記変位検知部が、前記アーム部の意図しない位置の変化または傾きである位置ずれを検知したときに、該位置ずれを前記各関節部により吸収し、該位置ずれが前記アーム部の先端側に伝達されることを抑制することを特徴とする。
【０００７】
航空機にロボットアームを搭載する場合、空中を飛行するという航空機特有の性質により、ロボットアームの位置が安定しにくいという問題がある。本発明のロボットアームはアーム制御手段を備え、アーム制御手段によりアーム部の位置ずれを自動的に補正することにより、空中におけるアーム部の先端側の位置、つまりアーム部に装着されるエンドエフェクタの位置を安定させることができる。これにより、航空機に搭載されたロボットアームによる作業の品質を高めることができる。
【０００８】
また、前記航空機は、複数の回転翼を備える無人航空機であることが好ましい。
【０００９】
ホバリング可能な無人回転翼機に本発明のロボットアームを搭載することにより、固定翼機よりも広範で複雑な作業を遠隔から行うことが可能となる。
【００１０】
また、前記アーム制御手段は、前記アーム部の先端に前記位置ずれが伝達されることを抑制することが好ましい。
【００１１】
アーム制御手段が空中におけるアーム部先端の位置を安定させる構成とすることにより、アーム部の全ての関節部を位置ずれの吸収に利用することができ、アーム部に装着されたエンドエフェクタの位置をより安定させることができる。これにより、航空機に搭載されたロボットアームによる作業の品質をさらに高めることができる。
【００１２】
また、前記変位検知部は、前記航空機の機内、または前記アーム部の基端部に配置されている構成としてもよい。
【００１３】
変位検知部を航空機の機内やアーム部の基端部に配置することにより、航空機の機体の変位を正確に検知することができる。また、航空機の機体に予め搭載されている慣性計測装置をアーム部の姿勢制御に併用することが容易となる。
【００１４】
また、前記変位検知部は、前記アーム部の先端部に配置されている構成としてもよい。
【００１５】
変位検知部がアーム部の先端部に配置されることにより、アーム部に装着されたエンドエフェクタの変位を直接的に把握することができ、位置ずれをより高い精度で吸収することが可能となる。
【００１６】
また、前記複数の関節部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部を一組としたときに、三組の前記関節部を有していることが好ましい。
【００１７】
アーム部が有する複数の関節部に、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの関節部が三組含まれていることにより、航空機の機体の前後、左右、上下への移動、および機体の傾き、さらにはこれらの組み合わせによる位置ずれを関節部で吸収することができ、位置ずれがアーム部の先端へ伝達されることを抑制することができる。
【００１８】
また、前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、前記複数のリンク部材は、前記アーム部の基端側から先端側に向かって、前記航空機の機体に結合されたベース部、肩部、上腕部、下腕部、および、前記アーム部の先端部である手首部を有しており、前記肩部は前記ベース部に対して周方向へ回転可能に連結されており、前記肩部および前記上腕部、前記上腕部および前記下腕部、並びに、前記下腕部および前記手首部は、互いに直交する方向へ旋回可能な二つの前記関節部により連結されていることが好ましい。
【００１９】
互いに直交する方向へ旋回可能な三組の関節部がアーム部に適切に配置され、さらに機体の回転を吸収可能な関節部が設けられていることにより、航空機の機体の前後、左右、上下への移動、機体の傾き、および機体の回転、さらにはこれらの組み合わせによる位置ずれを関節部で吸収することができ、位置ずれが手首部へ伝達されることを抑制することができる。
【００２０】
また、前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象を撮影する撮影手段が設けられている構成としてもよい。
【００２１】
エンドエフェクタに、その作業対象を撮影する撮影手段が設けられていることにより、無人航空機のオペレータは手元でその映像を確認しながら作業を行うことができる。これにより、無人航空機に搭載されたロボットアームによる作業の品質をさらに高めることができる。
【００２２】
また、前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、前記エンドエフェクタには、該エンドエフェクタの作業対象との距離を測定する測距手段が設けられている構成としてもよい。
【００２３】
エンドエフェクタに、エンドエフェクタとその作業対象との距離を測定する測距手段が設けられていることにより、無人航空機のオペレータは、エンドエフェクタとその作業対象との距離を数値で正確に把握することができる。これにより、無人航空機に搭載されたロボットアームによる作業の品質をさらに高めることができる。
【００２４】
また、前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタと、前記航空機の機体周辺に存在する物体との距離を測定する測距手段と、前記測距手段が検知した障害物に前記アーム部および前記エンドエフェクタが衝突しないよう前記アーム部の姿勢を制御する障害物回避手段と、をさらに備えることが好ましい。
【００２５】
障害物回避手段が、アーム部やエンドエフェクタと障害物との衝突を自動的に回避することにより、オペレータの操縦技能に依存することなく、これらの衝突事故を防止することができる。
【００２６】
また、前記アーム部の現在の姿勢を特定可能な情報を記憶する記憶手段をさらに備え、前記障害物回避手段は、前記記憶手段の情報に基づいて、前記測距手段が検知した前記物体が、前記障害物か、前記アーム部または前記エンドエフェクタか、を判別可能である構成としてもよい。
【００２７】
測距手段は航空機の機体周辺を測定しているため、アーム部の姿勢によってはその測定範囲内にアーム部やエンドエフェクタの一部が入り込むことがある。このときに障害物回避手段がこれらアーム部等を障害物と誤判断した場合、アーム部等が自らを避けることでその可動範囲が狭められ、アーム部が制御不能に陥るおそれがある。アーム部の現在の姿勢を記憶する記憶手段を備えることにより、障害物回避手段は、測距手段が検知した物体が障害物である、アーム部やエンドエフェクタであるかを判別することが可能となり、このような不具合を防止することができる。
【００２８】
また、前記障害物回避手段は、前記測距手段の測定範囲内において遠方から次第に近づいてくる前記物体を前記障害物であると判断し、前記測距手段の測定範囲内に唐突に現れた前記物体は前記アーム部または前記エンドエフェクタであると判断する構成としてもよい。
【００２９】
測定手段の測定範囲内への現れ方に基づいて、その物体が障害物であるか、アーム部やエンドエフェクタであるかを判断することにより、簡易な条件でこれらを判別することができる。
【００３０】
また、前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、前記複数の関節部の少なくとも一つは、該関節部を駆動させる駆動源、テーパ部材、および連結部材を有する補強関節部であり、前記駆動源は、前記複数のリンク部材のうちの一つである第１リンク部材に配置されており、前記駆動源の出力軸には前記テーパ部材が装着されており、前記テーパ部材の外周面には、その外径寸法が前記出力軸の軸線方向における基端側から先端側に向かって次第に小さくされた略円錐台形状の第１テーパ部が形成されており、前記連結部材は、前記第１テーパ部の形状と相補的な形状をなす第２テーパ部を有しており、前記テーパ部材の第１テーパ部には、前記連結部材の第２テーパ部が嵌合されており、前記連結部材はねじで前記テーパ部材側に締め付けられており、前記連結部材は、前記第１リンク部材に隣接する前記リンク部材である第２リンク部材に固定されていることが好ましい。
【００３１】
アーム部の複数の関節部はそれぞれ、その関節部から先の部分の重量を支持可能する必要がある。これら関節部を補強関節部とすることにより、駆動源であるサーボモータの出力軸に加えられる応力を各部に分散して第２リンク部材を支持することができる。これにより、アーム部の自重やこれに装着されるエンドエフェクタの自重などを関節部で安定して支持することが可能となる。
【００３２】
また、前記補強関節部はさらに、軸受部材を有しており、前記連結部材の外周面は前記軸受部材に回転可能に支持されており、前記軸受部材は、前記第１リンク部材に固定されていることが好ましい。
【００３３】
連結部材が軸受部材で支持されていることにより、補強関節部をより円滑に回転・旋回させることが可能となる。
【００３４】
また、前記アーム部は、前記複数の関節部で連結された複数のリンク部材を有しており、前記複数のリンク部材のうち少なくとも一つはＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製の板材で構成されており、該リンク部材は、骨格を残しつつ肉抜きが施された枠体形状に形成されていることが好ましい。
【００３５】
ＣＦＲＰ製の枠体でリンク部材を構成することにより、リンク部材の強度の維持と軽量化の両立を図ることができる。これにより本発明のロボットアームを、航空機用にさらに好適化することができる。
【００３６】
また、前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタをさらに備え、前記エンドエフェクタは、閉時において環形状を形成可能な一対の爪部を有しており、前記一対の爪部の少なくとも一方は、該爪部の基端部を中心として回動可能な可動爪であり、前記一対の爪部は、前記可動爪を回動させることによりその先端部を開閉可能であり、前記一対の爪部の各先端部は、前記一対の爪部の厚み方向における位置を違えて配置されており、閉時における前記一対の爪部の各先端部は、前記環形状の環方向において重ねられており、前記一対の爪部の各先端部には、前記環形状の内側となる部位に、該環形状の外側に向かって窪んだ凹部がそれぞれ形成されており、前記各凹部は、前記環形状の環方向における同位置に形成されていることが好ましい。
【００３７】
一対の爪部がその先端部の内側に凹部を有しており、これら凹部が、閉時における一対の爪部の環方向における同位置に形成されていることにより、例えばワイヤーやハンドルなどで重量物を吊支するときに、そのワイヤーやハンドルなどを凹部に掛けることで、その重量物の荷重により一対の爪部の先端部が離間不能にロックされる。これにより、重量物の運搬中に一対の爪部が意図せず開いてしまうことを防止することができる。
【００３８】
また、前記複数の関節部の少なくとも一つは、該関節部を旋回させる駆動源としてサーボモータを有しており、前記アーム制御手段は、前記無人航空機の水平飛行時に、前記サーボモータを有する前記関節部である揺動制御関節を、該無人航空機の進行方向に沿って旋回可能となる向きに配置するとともに、前記アーム部における前記揺動制御関節よりも先端側の部分である吊支部を前記揺動制御関節から下方へ直線状に配置し、前記アーム制御手段は、前記無人航空機が前記水平飛行を停止したときに、前記揺動制御関節の前記サーボモータの保持特性を徐々に高め、前記吊支部の揺動を速やかに収束させることが好ましい。
【００３９】
アーム部が揺動制御関節を有していることにより、無人航空機の停止時において、吊支部や吊支部で支持された運搬物の揺動を抑えることができる。
【００４０】
また、上記課題を解決するため、本発明の無人航空機は、複数の回転翼と、本発明のロボットアームを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４１】
このように、本発明のロボットアームは航空機に好適に用いることができ、複数の回転翼を備える無人航空機に特に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】第１実施形態にかかるマルチコプターの外観を示す透過斜視図である。
【図２】アーム部の構造を示す斜視図である。
【図３】関節部の補強構造を示す側面視断面図である。
【図４】アーム部の変形例の関節構造を示す模式図である。
【図５】アーム部の変形例による手首部の姿勢維持方法を示す模式図である。
【図６】ハンドの構造を示す側面図および正面図である。
【図７】ハンドの開閉動作を示す側面図である。
【図８】第１実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図９】ロボットアームの揺動制御機能を説明する模式図である。
【図１０】ロボットアームの機能構成の変形例を示すブロック図である。
【図１１】ロボットアームの機能構成の他の変形例を示すブロック図である。
【図１２】第２実施形態にかかるマルチコプターの機能構成を示すブロック図である。
【図１３】アーム部の障害物回避動作を説明する模式図である。
【図１４】マルチコプターの障害物誤検知防止機能を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明のロボットアームの実施形態について図面を用いて説明する。以下に説明する実施形態は、複数の回転翼を備える無人航空機の一種であるマルチコプターに本発明のロボットアームが搭載された例である。以下の説明における「上」、「下」とは、図１における上下方向をいい、図１の座標軸表示に示されるＺ軸方向に平行な方向をいう。また、「水平」とは、同座標軸表示に示されるＸＹ平面方向をいう。「前」および「後ろ」とは、図１における前後方向をいい、図１の座標軸表示に示されるＸ軸方向に平行な方向をいう。「右」および「左」とは、読み手から見た図１の左右方向をいい、図１の座標軸表示に示されるＹ軸方向に平行な方向をいう。
【００４４】
［第１実施形態］
（全体構成概要）
図１は、本実施形態にかかるマルチコプター１００の外観を示す透過斜視図である。マルチコプター１００は、その機体中央部１１０から水平方向に延びる６本のローター支持部１２０を有している。これらローター支持部１２０は、機体中央部１１０を中心として周方向等間隔に配置されており、機体中央部１１０から放射状に延びている。各ローター支持部１２０の先端には、回転翼であるローターＲが配置されている。マルチコプター１００のローター数は特に限定されず、その用途や、求められる飛行安定性、許容されるコスト等に応じて、ローターが２基のヘリコプターから、ローターが８基のオクタコプター、さらには８基よりも多くのローターを備えるものまで適宜変更可能である。
【００４５】
機体中央部１１０は、その下部に、種々のアタッチメントを取り付け可能なアダプタプレート１１１を備えている。アダプタプレート１１１には、本実施形態のロボットアームＲＡを構成する二本のアーム部５００が取り付けられている。二本のアーム部５００はその全体が機外に露出している。アーム部５００はいずれも同じ構造のものである。各アーム部５００の先端にはハンド６００がそれぞれ装着されている。ハンド６００は本実施形態のロボットアームＲＡのエンドエフェクタである。なお、本発明で用いられるエンドエフェクタはハンド６００には限られず、例えば、溶接装置、ねじ締め装置、穿孔装置、塗装装置、さらには撮影装置など、種々の用途に応じたエンドエフェクタが使用可能である。
【００４６】
アダプタプレート１１１にはさらに、マルチコプター１００の降着装置である一対のスキッド１３０が接続されている。図１のマルチコプター１００は着陸した状態にあり、これらスキッド１３０は地面に対して略垂直となるように配置されている。なお、本実施形態のスキッド１３０はリトラクタブルランディングギヤであり、マルチコプター１００の飛行時には、これらスキッド１３０は、図示しないサーボモータによりその基端部を中心として水平方向外側に向かって持ち上げられ、ローター支持部１２０と平行に支持される。そして、マルチコプター１００の着陸時には、スキッド１３０は同サーボモータにより図１の配置に戻される。これにより、マルチコプター１００の飛行中にスキッド１３０が各アーム部５００の動作範囲を制限することが防止されている。なお、スキッド１３０は必須の構成ではなく、省略してもよい。
【００４７】
（アーム部の構造）
図２はアーム部５００の構造を示す斜視図である。本実施形態のアーム部５００およびハンド６００は、垂直多関節型マニピュレータを構成している。なお、本発明でいう「アーム部」には、ハンド６００などのエンドエフェクタは含まれていない。アーム部５００は、アーム部５００の基端側から先端側に向かって、ベース部５１０、肩部５２０、上腕部５３０、および下腕部５４０の４つのリンク部材により構成されている（以下、これらを総称して「リンク部材５１０〜５４０」という。）。そして、これらリンク部材５１０〜５４０は、肩回転軸Ｊ１、上腕旋回軸Ｊ２、下腕旋回軸Ｊ３、および手首回転軸Ｊ４の４つの関節部を介して連結されている（以下、これら関節部を総称して「関節部Ｊ１〜Ｊ４」という。）。各関節部Ｊ１〜Ｊ４にはそれぞれサーボモータ５５１〜５５４が配置されており、これらサーボモータ５５１〜５５４が駆動されることにより各関節部Ｊ１〜Ｊ４の回転角度および旋回角度が調節される。なお、本発明の関節部の駆動源はサーボモータには限られず、これら関節部を任意の回転角度・旋回角度に調節可能であることを条件として、他の駆動手段を用いることもできる。
【００４８】
リンク部材５１０〜５４０のうち、アーム部５００の基端部であるベース部５１０は、アダプタプレート１１１に取り付けられており（図１参照）、ベース部５１０の位置はアダプタプレート１１１に対して固定されている。ベース部５１０には肩部５２０が連結されており、肩部５２０は肩回転軸Ｊ１を中心として周方向に回転することができる。肩部５２０には上腕部５３０が連結されており、上腕部５３０は上腕旋回軸Ｊ２を中心として上下方向に旋回することができる。上腕部５３０には下腕部５４０が連結されており、下腕部５４０は下腕旋回軸Ｊ３を中心として上下方向に旋回することができる。そして、下腕部５４０にはハンド６００が連結されており、ハンド６００は手首回転軸Ｊ４を中心として周方向に回転することができる。
【００４９】
本実施形態のリンク部材５１０〜５４０はＣＦＲＰ製の板材（以下、「ＣＦＲＰプレート」という。）により構成されている。図２に示されるように、各リンク部材５１０〜５４０はそれぞれ、骨格を残しつつ肉抜きが施された枠体形状に形成されている。これにより本実施形態のアーム部５００は、軽量化と強度との両立が図られており、マルチコプター１００への搭載に好適な構成とされている。
【００５０】
ベース部５１０は略箱形に形成されたリンク部材である。ベース部５１０の内部には肩回転軸Ｊ１を構成するサーボモータ５５１が配置されている。サーボモータ５５１の図示しない軸体は、ベース部５１０の底板５１１を下方に貫通している。
【００５１】
肩部５２０は、コの字型のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板５２１，５２２と、これら側板５２１，５２２の板面に対して垂直に配置された天板５２３とにより構成されている。側板５２１，５２２はその板面を水平方向に向けて配置されており、天板５２３はこれら側板５２１，５２２の上端部を支持している。天板５２３には、サーボモータ５５１の図示しない軸体が結合されている。これにより肩部５２０は、肩回転軸Ｊ１を中心として周方向に回転することが可能とされている。
【００５２】
上腕部５３０は略角筒形状のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板５３１，５３２と、これら側板５３１，５３２の短手方向の端部同士を結ぶ筋交状の側板５３３，５３４とにより構成されている。上腕部５３０の側板５３１，５３２は、これらの基端部近傍の各外面が、肩部５２０の側板５２１，５２２の各内面にそれぞれ当接するように配置されている。上腕部５３０の基端部には、その内側に、上腕旋回軸Ｊ２を構成するサーボモータ５５２が配置されている。サーボモータ５５２の図示しない軸体は、上腕部５３０の側板５３１，５３２を厚み方向に貫通し、肩部５２０の側板５２１，５２２に結合されている。これにより上腕部５３０は、上腕旋回軸Ｊ２を中心として上下方向に旋回することが可能とされている。
【００５３】
下腕部５４０は略角筒形状のリンク部材であり、平行に配置された二枚の側板５４１，５４２と、これら側板５４１，５４２の短手方向の端部同士を結ぶ筋交状の側板５４３，５４４とにより構成されている。下腕部５４０の側板５３１，５３２は、これらの基端部近傍の各内面が、上腕部５３０を構成する側板５３１，５３２の先端部近傍の各外面にそれぞれ当接するように配置されている。上腕部５３０の先端部には、その内側に、下腕旋回軸Ｊ３を構成するサーボモータ５５３が配置されている。サーボモータ５５３の図示しない軸体は、上腕部５３０の側板５３１，５３２を厚み方向に貫通し、下腕部５４０の側板５４１，５４２に結合されている。これにより下腕部５４０は、下腕旋回軸Ｊ３を中心として上下方向に旋回することが可能とされている。
【００５４】
本実施形態の下腕部５４０の先端およびその近傍部は、下腕部５４０と一体に形成された手首部５４０ａを構成している。手首部５４０ａはアーム部５００の先端部である。手首部５４０ａの先端には、側板５４１，５４２の板面に対して垂直に配置された前板５４５が設けられている。前板５４５には手首回転軸Ｊ４を構成するサーボモータ５５４が配置されている。サーボモータ５５４の軸体５５４ａは、前板５４５を貫通して前方に延びている。軸体５５４ａにはハンド６００が取り付けられており、これによりハンド６００は、手首回転軸Ｊ４を中心として周方向に回転することが可能とされている。
【００５５】
（関節部の補強構造）
アーム部５００の関節部Ｊ１〜Ｊ４はそれぞれ、その関節部Ｊ１〜Ｊ４から先の部分の重量を支持する必要がある。より具体的には、関節部Ｊ１〜Ｊ４を構成するサーボモータ５５１〜５５４の出力軸は、それぞれ、そのサーボモータ５５１〜５５４からハンド６００に至るまでの、各リンク部材５２０〜５４０の自重、サーボモータ５５２〜５５４の自重、およびハンド６００の自重、さらにはハンド６００で持ち上げた物体の荷重を支持可能な強度を備えている必要がある。
【００５６】
図３は関節部Ｊ１の補強構造を示す側面視断面図である。本実施形態の関節部Ｊ１〜Ｊ４はいずれも図３に示す補強構造を備えた補強関節部である。以下、関節部Ｊ１を例として、関節部Ｊ１〜Ｊ４の補強構造について説明する。
【００５７】
関節部Ｊ１を構成するサーボモータ５５１の出力軸５６１には、その外周面にセレーション５６１ａが設けられており、また、出力軸５６１先端面には、その中央に、雌ねじが切られたねじ穴５６１ｂが開口している。出力軸５６１は、テーパ部材であるテーパブロック５６２、連結部材５６３、および軸受部材５６４により補強されて肩部５２０の天板５２３を支持している。
【００５８】
テーパブロック５６２は、その径方向中心に沿って貫通孔が形成された略円錐台形状の部材である。テーパブロック５６２の貫通孔は、出力軸５６１の外形寸法に対応する穴径を有するセレーション部５６２ｂと、ねじ５６５の軸部の外形寸法に対応する穴径を有するねじ穴部５６２ｃとにより構成されている。セレーション部５６２ｂの内周面には、出力軸５６１のセレーション５６１ａに噛み合うセレーションが設けられている。セレーション部５６２ｂが出力軸５６１のセレーション５６１ａに噛合することにより、出力軸５６１およびテーパブロック５６２は周方向に一体的に回動する。なお、ねじ穴部５６２ｃの内周面には雌ねじは切られていない。
【００５９】
また、テーパブロック５６２の外周面は、出力軸５６１の軸線方向（肩回転軸Ｊ１と同方向）における基端側から先端側に向かってその外径寸法が次第に小さくなるテーパ面５６２ａ（第１テーパ部）とされている。
【００６０】
連結部材５６３は、サーボモータ５５１の駆動対象（図３の例では肩部５２０の天板５２３）を出力軸５６１に連結する部材である。連結部材５６３は、略円筒形状の本体部５６３ａ、および、本体部５６３ａから径方向外側に向かって円環形状に延出した平板部であるフランジ部５６３ｂにより構成されている。フランジ部５６３ｂはねじ５６３ｓで肩部５２０の天板５２３に結合されている。本体部５６３ａの筒内には、テーパブロック５６２の上面と、ねじ５６５の頭部との間に挟まれる平板部である被挟持部５６３ｄが設けられている。被挟持部５６３ｄの中央には、ねじ５６５の軸部が挿通されるねじ穴が設けられている。なお、被挟持部５６３ｄのねじ穴には雌ねじは切られていない。連結部材５６３は、ねじ５６５が、被挟持部５６３ｄのねじ穴と、テーパブロック５６２のねじ穴部５６２ｃとに挿通され、出力軸５６１のねじ穴５６１ｂに螺合されることにより、テーパブロック５６２を間に介在させて出力軸５６１に固定される。
【００６１】
本体部５６３ａの筒内のうち、テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａに対応する部分の内周面には、テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａの形状と相補的な形状をなすテーパ面５６３ｃ（第２テーパ部）が設けられている。なお、テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａ、および連結部材５６３のテーパ面５６３ｃは、どちらも凹凸のない平坦面で構成されている。
【００６２】
テーパブロック５６２のテーパ面５６２ａに連結部材５６３のテーパ面５６３ｃが嵌合され、連結部材５６３がねじ５６５でテーパブロック５６２側に締め付けられると、これらテーパ面５６２ａ，５６３ｃが互いに押し付けられ、密着する。テーパ面５６２ａ，５６３ｃが密着すると、これらテーパ面５６２ａ，５６３ｃの間には、互いを周方向へ連れ回すように作用する摩擦力が生じる。この摩擦力によりテーパブロック５６２および連結部材５６３は周方向に一体的に回動する。
【００６３】
出力軸５６１と連結部材５６３との間にテーパブロック５６２が介在していることにより、ベース部５１０（第１リンク部材）に対する肩部５２０（第２リンク部材）の連結角度を調節するときに、ねじ５６５を都度取り外して出力軸５６１から連結部材５６３を引き抜く必要がなくなる。上で述べたように、出力軸５６１の外周面にはセレーション５６１ａが設けられている。そのため、出力軸５６１と、出力軸５６１の外周面に装着された部材との相対角度を変更するときには、その部材を出力軸５６１から一度引き抜いて装着し直す必要がある。また、この場合、セレーション５６１ａの凹凸の形成間隔を最小単位として装着位置を調節しなければならない。本実施形態の関節部の補強構造では、出力軸５６１の外周面にはテーパブロック５６２が装着されており、また、連結部材５６３とテーパブロック５６２は、これらのテーパ面５６２ａ，５６３ｃが密着したときの摩擦力で一体的に回動する。そのため、ねじ５６５を少し緩め、これらの密着状態を解除するだけで、ベース部５１０と肩部５２０とがねじ５６５で繋がった状態を維持したまま、これらの相対角度を調節することができる。また、テーパ面５６２ａ，５６３ｃはどちらも凹凸のない平坦面により構成されていることから、セレーション５６１ａの凹凸の形成間隔に影響されることなく、これらを任意の相対角度に設定することができる。
【００６４】
連結部材５６３は、サーボモータ５５１側の外周面が軸受部材５６４に支持されている。軸受部材５６４は、連結部材５６３を回転可能に支持するリング状のベアリング部５６４ａと、ベアリング部５６４ａから径方向外側に向かって円環形状に延出した平板部であるフランジ部５６４ｂと、により構成されている。フランジ部５６４ｂはねじ５６４ｓによりベース部５１０の底板５１１に固定されている。
【００６５】
関節部Ｊ１〜Ｊ４が図３に示す補強構造を有していることにより、サーボモータ５５１〜５５４の出力軸に対してラジアル方向に加えられた応力は各部に分散される。これにより、アーム部５００やハンド６００の自重、さらにはハンド６００で持ち上げた物体の荷重を関節部Ｊ１〜Ｊ４で安定して支持することが可能とされている。なお、本実施形態では関節部Ｊ１〜Ｊ４の全てが図３の補強構造を有する補強関節部とされているが、想定される荷重に応じて、関節部Ｊ１〜Ｊ４の一部のみを補強関節部としてもよい。
【００６６】
（アーム部の変形例）
本発明のアーム部の関節数はアーム部５００の形態には限定されず、作業の複雑さや求められる正確性、許容されるコスト等に応じて適宜変更することができる。以下に、アーム部５００の関節構造を拡張したアーム部５００の変形例について説明する。
【００６７】
図４は、アーム部５００の変形例であるアーム部５００´の関節構造を示す模式図である。アーム部５００´はアーム部５００の関節部Ｊ１〜Ｊ４に加え、上腕旋回軸Ｊ５、下腕旋回軸Ｊ６、手首旋回軸Ｊ７、および手首旋回軸Ｊ８を有している（以下、これらを総称して「関節部Ｊ１〜Ｊ８」という。）。ここで、上腕旋回軸Ｊ２および上腕旋回軸Ｊ５は、互いに直交する方向へ上腕部５３０を旋回させる関節部である。下腕旋回軸Ｊ３および下腕旋回軸Ｊ６は、互いに直交する方向へ下腕部５４０を旋回させる関節部である。手首旋回軸Ｊ７および手首旋回軸Ｊ８は、互いに直交する方向へ手首部５４０ａを旋回させる関節部である。アーム部５００´は、これら関節部Ｊ１〜Ｊ８を備えていることにより、マルチコプター１００の意図しない移動や傾きをこれら関節部Ｊ１〜Ｊ８で吸収することができ、手首部５４０ａの姿勢、すなわちハンド６００の姿勢を一定に保つことが可能とされている。
【００６８】
図５は、アーム部５００´による手首部５４０ａの姿勢維持方法を示す模式図である。図５（ａ）（ｃ）（ｄ）は、アーム部５００´の側面図であり、図５（ｂ）（ｅ）（ｆ）は、アーム部５００´の正面図である。図５では、説明の便宜上、マルチコプター１００の構成のうち、アダプタプレート１１１と二本のアーム部５００´のうちの一本のみを表示し、他の構成は省略している。
【００６９】
図５に示される各図のうち、図５（ａ）は、上腕旋回軸Ｊ２、下腕旋回軸Ｊ３、および手首旋回軸Ｊ８により、マルチコプター１００の前後方向への移動を吸収する例である。図５（ｂ）は、上腕旋回軸Ｊ５、下腕旋回軸Ｊ６、および手首旋回軸Ｊ７により、マルチコプター１００の左右方向への移動を吸収する例である。図５（ｃ）は、上腕旋回軸Ｊ２、下腕旋回軸Ｊ３、および手首旋回軸Ｊ８により、マルチコプター１００の上下方向への移動を吸収する例である。図５（ｄ）は、上腕旋回軸Ｊ２により、マルチコプター１００の前後方向への揺動を吸収する例である。図５（ｅ）は、上腕旋回軸Ｊ５により、マルチコプター１００の左右方向への揺動を吸収する例である。図５（ｆ）は、肩回転軸Ｊ１により、マルチコプター１００の回転を吸収する例である。これらを適宜組み合わせることにより、マルチコプター１００の様々な動きに対応することができる。
【００７０】
マルチコプター１００がアーム部５００´を備え、手首部５４０ａの姿勢維持を自動的に実行することにより、ハンド６００の空中における位置が安定し、また、オペレータはハンド６００の操縦のみに専念することができる。これにより、マルチコプター１００を用いた作業の品質を高めることが可能となる。なお、図５からも分かるように、手首部５４０ａの姿勢維持には手首回転軸Ｊ４は用いられていない。手首回転軸Ｊ４はアーム部５００特有の構成であり、他のエンドエフェクタを用いる場合には省略することができる。
【００７１】
（ハンドの構造）
図６は、ハンド６００の構造を示す側面図および正面図である。図６（ａ）はハンド６００が環形状に閉じた状態を示す側面図であり、図６（ｂ）のハンド６００を矢示Ｂ方向に見た図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のハンド６００を矢示Ａ方向に見たハンド６００の正面図である。図６に示されるように、本実施形態のハンド６００はフォーククロー形状のグリッパ機構であり、その用途は特に限定されない。なお、本実施形態のハンド６００は、リンク部材５１０〜５４０と同様に、ＣＦＲＰプレートにより構成されている。
【００７２】
ハンド６００は一対の爪部である略円弧形状の固定爪６１０および可動爪６２０を有している。固定爪６１０は平行に配置された二枚の側板６１１，６１２により構成されている。側板６１１および側板６１２の間には、これら側板６１１，６１２の板面に対して垂直に配置された三本のパイプ材６１５が配置されており、これらパイプ材６１５により側板６１１と側板６１２とが結合されている。同様に、可動爪６２０も平行に配置された二枚の側板６２１，６２２により構成されている。側板６２１および側板６２２の間には、これら側板６２１，６２２の板面に対して垂直に配置された三本のパイプ材６２５が配置されており、これらパイプ材６２５により側板６２１と側板６２２とが結合されている。側板６１１，６１２および側板６２１，６２２が中空のパイプ材６１５，６２５で結合されていることにより、ハンド６００の肉抜きによる軽量化と強度の維持との両立が図られている。
【００７３】
また、固定爪６１０の基端部６１０ｂには、手首回転軸Ｊ４を介して手首部５４０ａに連結される底板６１３が取り付けられている。固定爪６１０の基端部６１０ｂにはさらに、可動爪６２０の駆動源であるサーボモータ６４０が配置されている。サーボモータ６４０の軸体６４１は、固定爪６１０の側板６１１，６１２を貫通して可動爪６２０に結合されている。本実施形態の固定爪６１０は基本的に固定された状態にあり、可動爪６２０がサーボモータ６４０の軸体６４１を中心として回動することによりハンド６００の先端部６１０ａ，６２０ａが開閉される。
【００７４】
図７は、ハンド６００の開閉動作を示す側面図である。図７（ａ）は可動爪６２０が開方向Ｏに向かって回動した状態を示す図である、図７（ｂ）は可動爪６２０が閉方向Ｃに向かって最も深く回動した状態を示す図である。上でも述べたように、ハンド６００の開閉動作は、可動爪６２０がサーボモータ６４０の軸体６４１を中心として回動することにより行われる。図６（ｂ）に示されるように、固定爪６１０の側板６１１，６１２と可動爪６２０の側板６２１，６２２とは、その厚み方向における位置を違えて配置されている。具体的には、可動爪６２０の側板６２１，６２２は、その内側の板面が、固定爪６１０の側板６１１，６１２の外側の板面に接する位置に配置されている。つまり、可動爪６２０および固定爪６１０の先端部６１０ａ，６２０ａは、可動爪６２０の回動時に互いに衝突しない位置に配置されている。これにより、可動爪６２０は、可動爪６２０のパイプ材６２５が固定爪６１０に接触する位置（図７（ｂ））まで深く閉じることができる。
【００７５】
（ハンドのロック構造）
図６（ａ）に示されるように、本実施形態の固定爪６１０および可動爪６２０の先端部６１０ａ，６２０ａには、それぞれ凹部６１９，６２９が形成されている。凹部６１９，６２９は、ハンド６００が環形状に閉じられたときに、先端部６１０ａ，６２０ａの内側の一部が外側に向かって窪んだ形状とされている。これら凹部６１９，６２９は、環形状に閉じられたハンド６００のその環方向における同位置に形成されている。
【００７６】
例えばワイヤーやハンドルなどで重量物を吊支するときに、凹部６１９，６２９に対して図６（ａ）に示される矢示Ｌ方向の荷重をかけることにより、固定爪６１０および可動爪６２０の先端部６１０ａ，６２０ａを離間不能にロックすることができる。これにより、重量物の運搬中にハンド６００が意図せず開いてしまうことを防止することが可能とされている。
【００７７】
（マルチコプターの飛行機能）
図８はマルチコプター１００の機能構成を示すブロック図である。マルチコプター１００の機能は、主に、フライトコントローラＦＣ、複数のローターＲ、ローターＲごとに備えられたＥＳＣ２４１（Electric Speed Controller）、本実施形態のロボットアームＲＡ、およびこれらに電力を供給するバッテリー９００により構成されている。以下、マルチコプター１００の基本的な飛行機能について説明する。
【００７８】
各ローターＲは、モータ２４２と、その出力軸に連結されたブレード２４３とにより構成されている。ＥＳＣ２４１は、ローターＲのモータ２４２に接続されており、フライトコントローラＦＣから指示された速度でモータ２４２を回転させる。
【００７９】
フライトコントローラＦＣは、オペレータ（送信器２１０）からの操縦信号を受信する受信器２３１と、受信器２３１が接続されたマイクロコントローラである制御装置２２０を備えている。制御装置２２０は、中央処理装置であるＣＰＵ２２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ２２２、および、ＥＳＣ２４１を介して各モータ２４２の回転数を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コントローラ２２３を有している。
【００８０】
フライトコントローラＦＣはさらに、飛行制御センサ群２３２およびＧＰＳ受信器２３３（以下、これらを総称して「センサ等」ともいう。）を備えており、これらは制御装置２２０に接続されている。本実施形態におけるマルチコプター１００の飛行制御センサ群２３２には、３軸加速度センサ、３軸角速度センサ、気圧センサ（高度センサ）、地磁気センサ（方位センサ）などが含まれている。制御装置２２０は、これらセンサ等により、機体の傾きや回転のほか、飛行中の緯度経度、高度、および機首の方位角を含む自機の位置情報を取得可能とされている。
【００８１】
制御装置２２０のメモリ２２２には、マルチコプター１００の飛行時における姿勢や基本的な飛行動作を制御するアルゴリズムが実装されたプログラムである飛行制御プログラムＦＣＰが記憶されている。飛行制御プログラムＦＣＰは、オペレータからの指示に従い、センサ等から取得した情報を基に、個々のローターＲの回転数を調節し、機体の姿勢や位置の乱れを補正しながらマルチコプター１００を飛行させる。
【００８２】
マルチコプター１００の操縦は、オペレータが送信器２１０を用いて手動で行うほか、マルチコプター１００の飛行経路や速度、高度などのパラメータである飛行計画ＦＰを自律飛行プログラムＡＰＰに予め登録しておき、マルチコプター１００を目的地へ自律的に飛行させることも可能である（以下、このような自律飛行のことを「オートパイロット」という。）。
【００８３】
このように、本実施形態におけるマルチコプター１００は高度な飛行制御機能を備えている。ただし、本発明における無人航空機はマルチコプター１００の形態には限定されず、ロボットアームＲＡを備えていることを条件として、例えばセンサ等から一部のセンサが省略された機体や、オートパイロット機能を備えず手動操縦のみにより飛行可能な機体を用いることもできる。
【００８４】
（ロボットアームの機能構成）
図８に示されるように、本実施形態のロボットアームＲＡは、主に、オペレータ（送信器２１０）からの操縦信号を受信する受信器７３１と、受信器７３１が接続されたマイクロコントローラである制御装置７２０、アーム部５００の各関節部Ｊ１〜Ｊ４を駆動するサーボモータ５５１〜５５４、サーボモータ５５１〜５５４ごとに備えられたサーボアンプ７４１、および、アーム部５００の位置の変化および傾きを検知する変位検知部であるＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）７３２を備えている。サーボアンプ７４１は、サーボモータ５５１〜５５４からのフィードバックをうけながらサーボモータ５５１〜５５４の出力軸を指示された角度位置に調節する。ＩＭＵ７３２は一般的な慣性計測装置であり、主に加速度センサおよび角速度センサにより構成されている。
【００８５】
制御装置７２０は、中央処理装置であるＣＰＵ７２１、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶装置であるメモリ７２２、および、サーボアンプ７４１に対してサーボモータ５５１〜５５４の回転角度を指示するサーボコントローラ７２３を有している。メモリ７２２には、各サーボモータ５５１〜５５４の駆動を制御するアーム制御手段であるアーム制御プログラムＡＣＰが登録されている。アーム制御プログラムＡＣＰは、オペレータの指示に従って、アーム部５００の姿勢を変化させ、また、ハンド６００を開閉させる。
【００８６】
アーム制御プログラムＡＣＰはさらに、アーム部５００の意図しない位置の変化または傾きである位置ずれをＩＭＵ７３１が検知したときに、その位置ずれを関節部Ｊ１〜Ｊ４で自動的に吸収し、位置ずれが手首部５４０ａに伝達されることを可能な限り抑制する。本実施形態のアーム部５００の関節数は少なく、吸収可能な位置ずれの種類や程度は限定的であるが、アーム部５００の変形例であるアーム部５００´を備えることにより、図５に示される広範な種類の位置ずれを吸収することが可能となる。なお、アーム制御プログラムＡＣＰが対処する位置ずれは、アーム部５００の「意図しない」位置の変化や傾きであるため、例えばオペレータの操作によるアーム部５００の姿勢変化や機体の移動は無視することができる。
【００８７】
なお、本実施形態のＩＭＵ７３２は機体中央部１１０の中に収容されている。これにより、マルチコプター１００の機体位置の変化や傾きを正確に検知することができる。本実施形態のアーム制御プログラムＡＣＰは、かかる機体の変位量からアーム部５００の位置ずれを間接的に算出する。その他、例えば手首部５４０ａにＩＭＵ７３２を配置することにより、手首部５４０ａやハンド６００の状態を直接的に把握することが可能となり、ハンド６００の空間中の位置や姿勢をより高い精度で安定させることもできる。
【００８８】
（揺動制御機能）
図９はロボットアームＲＡの揺動制御機能を説明する模式図である。図９では、説明の便宜上、二本のアーム部５００のうちの一本のみを表示している。本実施形態のアーム制御プログラムＡＣＰは、例えば荷物Ｗなどをマルチコプター１００で搬送するときに、上腕旋回軸Ｊ２を本発明の揺動制御関節として用いる。より具体的には、アーム制御プログラムＡＣＰは、マルチコプター１００が荷物Ｗを吊支して水平飛行するときに、上腕旋回軸Ｊ２がマルチコプター１００の進行方向に沿って旋回できるように肩部５２０の向きを調節する。そして、本発明の吊支部である上腕部５３０および下腕部５４０を下方へ直線状に配置する（図９（ａ））。その後、マルチコプター１００が水平飛行を停止したときには、上腕旋回軸Ｊ２を構成するサーボモータ５５２の保持特性を徐々に高め、吊支部と荷物Ｗの揺動を速やかに収束させる（図９（ｂ））。
【００８９】
（ロボットアーム機能の変形例）
図１０はロボットアームＲＡの機能構成の変形例を示すブロック図である。本実施形態のロボットアームＲＡは、独自の受信器７３１およびＩＭＵ７３２を備えているが、これらに代えて、フライトコントローラＦＣの受信器２３１や、飛行制御センサ群２３２の３軸加速度センサ、３軸角速度センサをロボットアームＲＡ用に併用することも可能である。
【００９０】
図１１はロボットアームＲＡの機能構成の他の変形例を示すブロック図である。本変形例のハンド６００には、ハンド６００の作業対象であるワークの様子を撮影する撮影手段であるカメラ６５０、および、ハンド６００とワークとの距離を測定する測距手段である測距センサ６６０が搭載されている。なお、測距センサ６６０は、超音波、レーザー、または赤外線などの非接触測距手段を用いた一般的な距離センサである。
【００９１】
本変形例では、オペレータ（送受信器２１０）は、カメラ６５０の撮影映像を手元のモニター２１１に表示することができ、ワークの様子を間近で視認しながら作業を行うことができる。また、カメラ６５０の映像からではハンド６００とワークとの実際の距離が分かりにくい場合でも、測距センサ６６０を用いてハンド６００とワークとの距離を数値で把握することができる。これにより、マルチコプター１００を用いた作業の品質をさらに高めることが可能とされている。なお、ハンド６００には、カメラ６５０および測距センサ６６０のいずれか一方のみを搭載してもよい。
【００９２】
［第２実施形態］
以下に、本発明の無人航空機の第２実施形態について図面を用いて説明する。図１２は、第２実施形態にかかるマルチコプター１０１の機能構成を示すブロック図である。なお、以下の説明では、先の実施形態と同一または同様の機能を有する構成については、先の実施形態と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００９３】
（障害物回避機能）
図１２に示されるように、マルチコプター１０１のロボットアームＲＡは、マルチコプター１００のロボットアームＲＡの構成に加え、測距手段である複数の測距センサ７３３、これら測距センサ７３３の測定値を監視する障害物回避手段である障害物回避プログラムＢＡＰ、並びに、アーム制御プログラムＡＣＰおよび障害物回避プログラムＢＡＰからアクセス可能なアーム姿勢情報領域ＡＰＡを有している。
【００９４】
複数の測距センサ７３３は、機体中央部１１０からアーム部５００周辺の物体との距離を常時測定する。測距センサ７３３は、超音波、レーザー、または赤外線などの非接触測距手段を用いた一般的な距離センサである。障害物回避プログラムＢＡＰは、測距センサ７３３が検知した障害物を避けるように、アーム部５００の姿勢を調節する。なお、本実施形態の障害物回避プログラムＢＡＰはアーム部５００を直接制御せず、アーム制御プログラムＡＣＰに指示を出すことでアーム部５００を制御する。アーム姿勢情報領域ＡＰＡは、アーム部５００の現在の姿勢を特定可能な情報が記憶された記憶手段である。アーム姿勢情報領域ＡＰＡの情報は、アーム制御プログラムＡＣＰにより常に最新の情報に更新される。
【００９５】
図１３は、アーム部５００の障害物回避動作を示す模式図である。図１３の一点鎖線で示された範囲Ｓは、アーム部５００およびハンド６００（以下、これらを「アーム部５００等」という。）の可動範囲を示している。図１３では、説明の便宜上、二本のアーム部５００等のうち一本のみを表示している。障害物回避プログラムＢＡＰは、各測距センサ７３３の測定値を監視し（図１３（ａ））、アーム部５００等の可動範囲Ｓ内に障害物Ｂを検知したときに、アーム部５００等が障害物Ｂと接触しないようにアーム部５００の姿勢を調節する（図１３（ｂ）（ｃ））。なお、図１３（ｃ）の障害物Ｂは地面である。
【００９６】
マルチコプター１０１は、測距センサ７３３および障害物回避プログラムＢＡＰを備えていることにより、オペレータの操縦技能に依存することなく、アーム部５００等と障害物Ｂとの衝突事故を防止することが可能とされている。なお、本実施形態においては、アーム部５００等の可動範囲Ｓのほぼ全体を網羅できるように複数の測距センサ７３３が配置されているが、測距センサ７３３の数や測定範囲はマルチコプター１０１の形態には限定されない。例えば、機体中央部１１０から鉛直下方に向けられた測距センサ７３３のみを備え、アーム部５００等と地面との接触のみを避ける構成としてもよく、または、機体中央部１１０の鉛直下方から機首側（進行方向側）の範囲のみを測定するように測距センサ７３３を配置してもよい。さらには、一つ、または複数の測距センサ７３３を回転させることで所定の角度範囲を測定する構成としてもよい。
【００９７】
（障害物誤検知防止機能）
図１４は、マルチコプター１０１の障害物誤検知防止機能を説明するための模式図である。図１４の一点鎖線で示された範囲Ｄは、複数の測距センサ７３３のうち、一つの測距センサ７３３の測定範囲を示している。図１４では、説明の便宜上、二本のアーム部５００等のうち一本のみを表示している。
【００９８】
本実施形態の測距センサ７３３は、マルチコプター１０１の機体中央部１１０から、アーム部５００等の可動範囲Ｓを含む範囲を測定しているため（図１４（ａ））、アーム部５００等の姿勢によってはその測定範囲内にアーム部５００等の一部が入り込むことがある（図１４（ｂ））。このときに障害物回避プログラムＢＡＰがアーム部５００等を障害物Ｂと誤判断した場合、アーム部５００等が自らを避ける方向に退避し、アーム部５００等が制御不能に陥るおそれがある。
【００９９】
そのため、マルチコプター１０１の障害物回避プログラムＢＡＰは、アーム姿勢情報領域ＡＰＡの情報に基づいてアーム部５００の現在の位置を常時把握し、その位置において検知された物体は無視するように設定されている。なお、障害物誤検知防止機能はマルチコプター１０１の形態には限られず、例えばアーム姿勢情報領域ＡＰＡを備えず、測距センサ７３３の測定範囲内において遠方から次第に近づいてくる物体を障害物Ｂと判断し、測距センサ７３３の測定範囲内に唐突に現れた物体はアーム部５００等と判断する構成としてもよい。
【０１００】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、ロボットアームＲＡを構成するアーム部５００やアーム部５００´の本数は二本には限定されず、一本でもよく、三本以上としてもよい。また、上記実施形態では、主に手首部５４０ａやハンド６００の空間中における位置を安定させる構成について述べているが、同様の方法で、例えば下腕部５４０など、アーム部５００の先端部以外の部位の位置を安定させるようアーム制御プログラムＡＣＰを構成することもできる。この場合、吸収可能な位置ずれの種類や程度は限定的となる。また、本発明における航空機は無人回転翼機には限定されず、ロボットアームＲＡを備える無人固定翼機であってもよく、さらには有人の航空機であってもよい。
【符号の説明】
【０１０１】
１００，１０１  マルチコプター（無人航空機（航空機））
ＦＣ  フライトコントローラ
２３２  飛行制御センサ群（変位検知部）
Ｒ  ローター（回転翼）
ＲＡ  ロボットアーム
５００，５００´  アーム部
５１０〜５４０  リンク部材
５１０  ベース部（第１リンク部材）
５２０  肩部（第２リンク部材）（揺動制御関節）
５３０  上腕部（吊支部）
５４０  下腕部（吊支部）
５４０ａ  手首部
５５１〜５５４  サーボモータ（駆動源）
Ｊ１〜Ｊ８  関節部
５６１  出力軸
５６２  テーパブロック（テーパ部材）
５６２ａ  テーパ面（第１テーパ部）
５６３  連結部材
５６３ｃ  テーパ面（第２テーパ部）
５６４  軸受部材
５６５  ねじ
６００  ハンド（エンドエフェクタ）
６１０  固定爪
６１０ａ  先端部
６１９  凹部
６２０  可動爪
６２０ａ  先端部
６２９  凹部
６５０  カメラ（撮影手段）
６６０  測距センサ（測距手段）
７２０  制御装置
７３２  ＩＭＵ（変位検知部）
７３３  測距センサ（測距手段）
ＡＣＰ  アーム制御プログラム（アーム制御手段）
ＡＰＡ  アーム姿勢情報領域（記憶手段）
ＯＡＰ  障害物回避プログラム（障害物回避手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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