(57)【要約】【課題】障害物との衝突を自動的に回避可能な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】複数の回転翼を備える無人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、前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタと、前記無人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、を備えていることを特徴とするロボットアーム、およびこれを備える無人航空機によりこれを解決する。【選択図】図１
2018034285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転翼を備える無人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、
前記アーム部の先端に装着されたエンドエフェクタと、
前記無人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、を備えていることを特徴とするロボットアーム。
【請求項２】
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１に記載のロボットアーム。
【請求項３】
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１に記載のロボットアーム。
【請求項４】
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１に記載のロボットアーム。
【請求項５】
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、前記無人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４に記載のロボットアーム。
【請求項６】
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１に記載のロボットアーム。
【請求項７】
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１に記載のロボットアーム。
【請求項８】
複数の回転翼と、
請求項１から請求項７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、無人航空機に搭載されるロボットアームの衝突回避技術に関する。
【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
【特許文献２】特開２０１４−１４９６２２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】
一般に、ロボットアームは複数の関節部を有しており、これら関節部を個々に可動させることで複雑な姿勢をとることができる。またロボットアームは、その基端から先端までを直線状に延ばした長さを半径とする広範な可動範囲を有している。このようなロボットアームを搭載したマルチコプターを飛行させるときには、ロボットアームが機体周辺の障害物に衝突しないよう、マルチコプターとロボットアームの両方に注意を払いながらこれを飛行させる必要があり、オペレータには高度な操縦技能が要求される。
【０００６】
上記問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、障害物との衝突を自動的に回避可能な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】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のロボットアームは、複数の回転翼を備える無人航空機に搭載され、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、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
測距手段は無人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か、または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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、無人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アーム部の位置ずれを関節部で吸収することができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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、無人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アーム部の位置ずれを関節部で吸収することができる。
【００１７】
また、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。
【００１８】
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高めることができる。
【００１９】
また、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。
【００２０】
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高めることができる。
【００２１】
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】
【００２２】
このように、本発明のロボットアームおよびこれを備える無人航空機によれば、ロボットアームが障害物を自動的に検知して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、ロボットアームと障害物との衝突事故を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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】アーム部の変形例の関節構造を示す模式図である。
【図４】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５】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６】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７】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８】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９】アーム部の障害物回避動作を説明する模式図である。
【図１０】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】
【００２４】
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。
【００２５】
［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。
【００２６】
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、フォーククロー形状のグリッパ機構であるハンド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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
（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。
【００３７】
図３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。
【００３８】
図４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４（ａ）（ｃ）（ｄ）は、アーム部５００´の側面図であり、図４（ｂ）（ｅ）（ｆ）は、アーム部５００´の正面図である。図４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。
【００３９】
図４に示される各図のうち、図４（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４（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４（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４（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４（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４（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。
【００４０】
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４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。
【００４１】
（マルチコプターの飛行機能）
図５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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。）。
【００４７】
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。
【００４８】
（ロボットアームの機能構成）
図５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。
【００４９】
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。
【００５０】
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４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。
【００５１】
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。
【００５２】
（ロボットアーム機能の変形例）
図６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。
【００５３】
図７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。
【００５４】
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。
【００５５】
［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８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。
【００５６】
（障害物回避機能）
図８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。
【００５７】
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。
【００５８】
図９は、アーム部５００の障害物回避動作を示す模式図である。図９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９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９（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９（ｂ）（ｃ））。なお、図９（ｃ）の障害物Ｂは地面である。
【００５９】
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。
【００６０】
（障害物誤検知防止機能）
図１０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１０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１０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。
【００６１】
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１０（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１０（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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【符号の説明】
【００６４】
１００，１０１  マルチコプター（無人航空機）
ＦＣ  フライトコントローラ
２３２  飛行制御センサ群
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
５２０  肩部
５３０  上腕部
５４０  下腕部
５４０ａ  手首部
５５１〜５５４  サーボモータ
Ｊ１〜Ｊ８  関節部
６００  ハンド（エンドエフェクタ）
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
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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