Skydioの無人航空機（UAV）シリーズは、エネルギー事業から災害対応まで、幅広い業界の専門家から信頼されています。（写真提供：Skydio）
世界中のメーカーが人工知能（AI）の急速な普及に適応し、対処する方法を模索する中、あるドローン企業がAI搭載システムの標準を確立しています。その企業とは、米国の大手ドローンメーカーであり、自律飛行の世界的リーダーであるSkydio社です。同社の無人航空システム（UAS）製品群は、新製品「Dock」を含め、エネルギー、運輸、公共安全、環境研究など、様々な業界に新たな機会をもたらしています。
Skydioのエンジニアリングチームと設計チームは、製品開発段階でFormlabsのForm 3+ステレオリソグラフィー（SLA）3Dプリンターを使用し、最終的な量産設計に可能な限り近いプロトタイプを作成しました。Form 3+は、Formlabsの幅広い材料を活用し、機能テストからツールや治具の製造まで幅広く使用されました。Skydioは、企業および防衛用途向けの高耐久性ドローンであるSkydio 2+とSkydio X2の2つのドローンモデルを提供しています。また、人による介入や監視なしに遠隔地でのドローン展開とデータ転送を可能にする革新的なSkydio Dockも発表しました。
シニアハードウェア開発スペシャリストのEric Weinhoffer氏が、設計から製造までのチームのワークフローについて語り、3D プリント技術によってハードウェアチームが Skydio の高度なソフトウェア開発に対応できるようになった経緯を説明しました。
Skydio が他と違う点は何ですか?
ドローン業界が黎明期にあった頃、無人航空機（UAS）、通称UAVは、飛行を制御するために遠隔操縦者を必要としていました。安定した信頼性の高い接続を確保するためには、操縦者はドローンに物理的に近づく必要があり、その航続距離と性能には限界がありました。しかし近年、ドローンメーカーはシステムに高度な自動化を導入し始めており、新たな活用シナリオが生まれ、ドローンはより多くのデータを収集できるようになりました。
Skydioはソフトウェア開発に重点を置くことで業界をリードし、完全自律飛行システムを発表しました。「これまで、これらのドローンの制御には非常に高度なスキルが必要でした。従来のドローンは墜落したり、画質の悪い動画を撮影したりすることがよくありました。当社のドローンは墜落しません。完璧なショットを撮影するだけでなく、木を賢く回避し、不規則な飛行をし、物体や人を自動追跡します。私たちは自律飛行における世界的リーダーです。」
— エリック・ウェインホッファーの言葉
このレベルの自動化は、ドローンに新たな可能性をもたらしました。公共安全機関はドローンを活用して事故現場や犯罪現場を調査し、人間による監視や外部委託費用を必要とせずに、事故現場のデジタル再現を行うことができます。
公益事業会社、土木会社、政府機関は、大規模な現場点検にSkydioドローンを活用しています。ドローンは常設のドックにも使用できるため、追加のリソースを必要とせずにほぼ継続的な監視が可能です。
これらの用途はアクセスが困難な場所で行われることが多いため、Skydioのドローンは堅牢で優れた設計が求められます。SLA 3Dプリントにより、プロトタイプの要件を評価する際に、最終的な射出成形部品に可能な限り近いプロトタイプを作成できます。
重量、速度、飛行範囲の間で常に妥協する必要があります。
ウェインホッファー氏とハードウェア開発チームは、 Skydioのソフトウェアチームの急速な開発プロセスに対応するため、 Form 3+プリンターと様々なFormlabs樹脂を活用しました。写真提供：Skydio。
ドローンの設計は、様々なトレードオフを交渉し、決定を下すプロセスです。非常に頑丈なドローンは軽量のドローンほど長時間飛行できず、極端に軽量なドローンは自律飛行に必要な処理能力を処理できません。しかし、自律飛行に必要な処理能力をすべて搭載すると重量が増加し、結果として飛行時間に影響を及ぼします。そのため、設計の微調整、段階的な改良、そして徹底的なテストを継続的に行うプロセスとなります。
「自律飛行をサポートするには、機内で相当量の処理を実行する必要があります。あらゆる決定はパフォーマンスとのトレードオフであり、あらゆるハードウェアと電子機器に影響を与えます。」
部品に小さな形状変更を加え、その変更が飛行時間や耐衝撃性にどのような影響を与えるかをテストできるようにするために、ハードウェア チームは、開発プロセスをサポートし、データを提供する夜間印刷に依存していました。
3Dプリントでは、速度が向上するため、様々なトレードオフを検討できます。わずかに異なる2つの幾何学的形状を比較し、それらのトレードオフをテストすることができます。
— エリック・ウェインホッファー
シニアハードウェア開発スペシャリスト
Skydioは迅速な意思決定とテスト実行能力により、期限を守り、米国連邦政府の主要プログラム・オブ・レコード（MPOR）の重要な契約を獲得することができました。多くのドローン企業が公開入札プロセスに参加しており、参加者は厳しい期限と熾烈な競争の中で、政府の要件を満たす製品を実証する必要があります。Skydioが入札に勝利できたのは、Formlabs製プリンターの活用もあって、迅速なハードウェア開発能力が評価されたためです。
納期はコントロールできないため、ハードウェアとソフトウェアを同時に開発することが極めて重要です。実際の部品製造のリードタイムが最大の制約でした。Form 3+はすぐにノンストップで稼働し始め、その後はすべてが非常にスムーズでした。修理や調整が必要なハードウェアはすべてすぐに手元にありました。
— エリック・ウェインホッファーの言葉
Skydioのハードウェア開発チームは、SLAプリンターを容易にアクセスできるレイアウトに積み重ねることで、プリンターを連続稼働させ、チームが事実上いつでもプロトタイプ作成とテストを実施できるようにしました。写真提供：Skydio。
設計フェーズを完了し、機能テストを実行します。
連邦政府の入札などの外部試験環境では、一時的な部品として使用し、射出成形または機械加工部品の強度と耐久性、剛性と硬さをシミュレートできる3Dプリント部品が不可欠です。Skydioは、迅速な形状とフィットの試験に熱溶解積層法（FDM）による部品を使用していますが、最終段階のプロトタイプの機能試験にはFormlabsの装置を使用しています。
「SLAは非常に有用です。その核心はスピードであり、実際の生産部品に可能な限り近い部品を、そしてそれを可能な限り迅速に製造できる能力にあります。実際の生産で使用される材料と非常に類似した材料特性を持つ部品を製造できることは素晴らしいことです」とワインホッファー氏は述べています。
Skydioは、耐熱性、耐衝撃性、強度のバランスに優れたRigid 4000 Resinを使用するとともに、射出成形プラスチックに類似した特性を持つTough 2000 Resinも使用しています。Clear Resinの表面の透明性は検査段階において非常に重要であり、多数の電子システムを搭載したドローンの内部配線を明確に視認できます。迅速なツール作成や、新しいガスケットやシール設計の機能性テストには、 Elastic ResinまたはDurable Resinを選択します。
Formlabsで製造されたパーツは、見た目も感触も実際の硬質成形パーツと非常に似ています。実際に製造されるものと非常に近いパーツを製造できる能力は、非常に大きな強みです。フィット感や仕上がりといった領域にも拡張され、これらのパーツは、落下試験や飛行試験に不可欠な、手に持った時の重量感など、部品の動作や感触をデザイナーがより深く理解するのに役立ちます。これらのパーツのおかげで、飛行試験を進める自信が持てます。
— エリック・ウェインホッファー
シニアハードウェア開発スペシャリスト
機能テスト用のフィクスチャ。
強度は、ドローンに搭載される部品だけでなく、試験に使用する治具にも重要です。チームは、 Rigid 4000 Resinの機械的強度やTough 2000 Resinの耐衝撃性を活用し、 Form 3+プリンターを使用してドローン部品を試験するための治具を設計します。
ドローン開発プロセスの無線周波数（RF）テスト段階では、チームはドローンの部品をアンテナテストチャンバーに設置しました。このチャンバーは外部の電波から完全に遮断された環境です。ロボットターンテーブル上で部品を固定するための堅牢な固定具が必要でしたが、実験の妨げとなる金属は使用できませんでした。Weinhofferは、テストチャンバーに設置し、テスト中にアンテナを正しい位置に保持するための固定具をRigid 4000 Resinを使用して設計・印刷しました。
RF（無線周波数）試験室では、3Dプリントされた治具が実際の部品を正しい位置に保持します。金属製の治具はコストが高く、RF試験の妨げにもなるため、 Rigid 4000 Resinでプリントしたこの治具のようなカスタム3Dプリント部品が不可欠です。写真提供：Skydio
別のシナリオでは、チームは振動を減衰するゴム部品の試作を社内で実施する方法を見つける必要がありました。しかし、様々な種類の柔らかいゴム部品をベンダーに製造を依頼するのは、コストと時間の両面で負担が大きかったです。そこでハードウェア開発チームは、Formlabsのホワイトペーパーを参考に、複数のプロトタイプを印刷し、様々な設計の振動減衰性能をテストしました。
「明らかに、最大の利点は、Formlabs が提供する樹脂材料と特性の多様性です。」
— エリック・ウェインホッファー
シニアハードウェア開発スペシャリスト
使いやすさにより実用性が向上します。
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ドローンにより、公安機関は災害現場や犯罪現場で情報を収集しながら、職員が危険な状況に入らないようにすることが可能になります。 |
発電設備はアクセスが困難な場所に設置されていることが多いですが、 SkydioのドローンとDock製品は、企業が人間のオペレーターを近くに置かずに重要なインフラを点検するのに役立ちます。写真提供：Skydio。 |
Skydioが幅広い業界や顧客から高い注目を集めている理由の一つは、そのアクセスしやすさと使いやすさです。自動飛行システムは高度な技術を備えているため、複雑な計画や導入の懸念を軽減できます。法執行機関は飛行制御を気にすることなく犯罪現場のデータ収集に集中でき、大手建設会社は監視の不足を心配することなく、長期・複数年にわたるプロジェクトにドローンとドックを配備できます。
ウェインホッファー氏は同じ考え方を3Dプリンティングにも適用しています。技術が容易にアクセスできないのであれば、研究室で真に価値を証明したとは言えません。「Formlabsのプリンターは非常に使いやすく、エンジニアリングチームの多くのメンバーがアクセスして操作できます。Form 3+を追加したことで、エンジニアリングチームに1～2日余裕が生まれ、作業のスピードが速まったことは、私たちにとって大きな効果がありました」とウェインホッファー氏は語ります。
Skydio が製品ポートフォリオを拡大し、よりカスタマイズされたソリューションを開発するにつれて、3D プリントは単なるツールではなく、ハードウェア チームが驚くほど急速なソフトウェア開発のペースに対応できるようにする重要な要素になりました。
Form 3+ などの 3D プリンターが、航空宇宙および防衛産業のメーカーのワークフローの改善、重要な契約の獲得、製造および開発コストの削減にどのように役立つかについて詳しくは、業界ページをご覧いただくか、専門家にお問い合わせください。
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参考文献
https://formlabs.com/blog/skydio-autonomous-drones-formlabs-3d-printing/
