JP2004231182A - 移動装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 羽ばたき装置の胴体部105には、前羽軸103および後羽軸104と、その前羽軸103と後羽軸104との間を渡すように設けられた羽の膜106とを有する羽(左羽)が形成されている。
また、胴体部105には、前羽軸103を駆動するための回転型アクチュエータ101と後羽軸104を駆動するための回転型アクチュエータ102とが搭載されている。前(後)羽軸103、104はアクチュエータ101、102を支点として回転軸800と直交する平面内を往復運動する。
【選択図】 図1
Description
本発明の実施の形態1に係る移動装置としての羽ばたき装置について説明する。図1(a)および図1(b)は、羽部として2本の羽軸を有する羽ばたき装置を示す図である。図1(a)では、羽ばたき装置の前方正面部分が示され、図1(b)では、羽ばたき装置の前方正面に向かって左側面部分が示されている。
説明の簡便のため、本羽ばたき装置に作用する外力は、羽が流体から受ける流体力と羽ばたき装置に作用する重力(羽ばたき装置の質量と重力加速度との積)のみであるとする。本羽ばたき装置が恒常的に浮上するためには1回の羽ばたき動作の間の時間平均において、次の関係、
(羽に作用する鉛直上方向の流体力)>(本羽ばたき装置に作用する重力)
を満たすことが必要とされる。1回の羽ばたき動作とは、羽を打ち下ろし次に羽を打ち上げる動作をいう。
(打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流体力)>(打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向きの流体力)
となる必要がある。
実際の羽ばたき制御についてさらに詳細に説明する。上述した羽ばたき装置では、打ち下ろし動作または打ち上げ動作の際に、羽の先端部がなす捻り角αは、羽の長さ(羽の膜の前羽軸および後羽軸に沿った長さ)をl、羽の幅(前羽軸と後羽軸の間隔)をw、羽ばたき角をγ、羽ばたき運動の位相をτ(最も打ち上げた瞬間を0°、最も打ち下ろした瞬間を180°とする)、前羽軸と後羽軸の位相差をφとすれば(図3、9、10を参照)、およそ以下の式で表わされる。
実際には、前羽軸や後羽軸には弾性があり変形可能であるので、この捻り角αは多少違った値をとる。また、羽軸の根元ほどこの角度は小さい。しかし、以下の議論では簡便のため、上の式のαを用いて説明する。
F=(4/3)・π2ρwγ2f2l3・sin2τ・cos(γ・cosτ)
となる。なお、羽に作用する流体力の水平方向成分は、左右の羽が同じ運動をすれば互いに打ち消し合うことになる。
D=F・cos2α
これに、羽ばたき仰角θを考慮すると、重量と釣り合うべき鉛直方向の成分Aと、前後運動の推力となる水平方向成分Jは、打ち下ろし時では、
A↓=−L・cosθ+D・sinθ
J↓=−L・sinθ−D・cosθ
打ち上げ時では、
A↑=L・cosθ−D・sinθ
J↑=L・sinθ+D・cosθ
となる。実際の浮力や推進力は、羽ばたき運動の1周期分を積分したものとなる。
sinε>{(w2+8・l2)1/2−w}/4・l
を満たすεであれば、羽の捻り角α=0°(γf=γb)における羽軸先端906間の距離Woが最大となるため、そのときの羽軸の弾性力や羽の膜の張力も最大となり、絶対値|α|>0の状態の方が安定となるため、捻り角αの変化を高速化することができる。
本発明の実施の形態2に係る移動装置としての羽ばたき装置について説明する。ここでは、実施の形態1の場合と同様に、羽が流体から受ける力を流体力と呼ぶ。また、説明の簡便のため、空気の流れを羽ばたきによってのみ起こる状態、すなわち無風状態を仮定して説明する。
まず、羽ばたき装置の主要な構成について説明する。図17に示すように、支持構造1の上部に、右アクチュエータ21と左アクチュエータ22が固定されている。右アクチュエータ21には右羽31が取付けられ、左アクチュエータ22には左羽32が取付けられている。
アクチュエータ21、22として、起動トルクが大きいこと、往復運動を確実に実現できること、構造が簡単なことなどから圧電素子(ピエゾ)を用いたものが望ましい。このようなアクチュエータは超音波モータと呼ばれ、圧電素子によって発生した進行波によって駆動する。
次に、羽とその動作について説明する。説明の簡便のため、図17に示すように、羽ばたき装置に固定された座標系(x、y、z)を定義する。すなわち、略球状の支持構造1の略中心(球心)を原点とする。また、重力加速度の方向を下方向、その逆を上方向とする。原点から上方に向かってz軸を定義する。次に、右アクチュエータ21の形状中心と左アクチュエータ22の形状中心を結ぶ方向を左右方向とし、原点から左羽に向かってy軸を定義する。また、原点からy軸とz軸の右手系における外積方向にx軸を定義する。x軸正の方向を前方、x軸負の方向を後方と称する。
次に、浮上方法について説明する。説明の簡便のため、この羽ばたき装置にかかる外力は、羽が流体から受ける力すなわち流体力と、羽ばたき装置に作用する重力(羽ばたき装置の質量と重力加速度との積)のみであるとする。この羽ばたき装置においても、恒常的に浮上するには1回の羽ばたき動作の間に時間平均して、次の関係、
(羽に作用する鉛直上方向の流体力)>(本羽ばたき装置に作用する重力)
を満たすことが必要とされる。
次に、羽ばたき装置に任意の運動を行なわせる制御方法について説明する。ここでは、本羽ばたき装置の左羽については右手形に基づくストローク角θ、偏角αおよび捻り角βを用い、そして、右羽についてはxz平面に対して鏡面対称の左手形に基づくストローク角θ、偏角αおよび捻り角βを用いて羽の姿勢を示す。
羽ばたきによる浮上移動は羽にかかる流体力によって行なわれるので、羽の運動により直接制御されるのは、本羽ばたき装置に与えられる加速度と角加速度である。
当然、Fα以外のすべての関数を正確に求め、これによりS=Seとなる制御アルゴリズムFαを算出する手法もあり得るが、本羽ばたき装置周囲の流体の流れと羽の運動の時刻歴が必要であり、膨大なデータ量と演算速度を必要とする。また、流体と構造の連成した挙動は複雑で、多くの場合カオティックな応答になってしまうため、実用的でない。
(1) 上下方向(z軸方向)の動作
羽が移動することで、羽が流体から受ける力は羽の移動速度に依存するので、羽に及ぼされる上向きの流体力を大きく(小さく)するには、
A:ストローク角θの振幅を大きく(小さく)する
B:羽ばたき周波数を大きく(小さく)する
などの方法がある。これらによって本羽ばたき装置は上昇(下降)することができる。ただし、流体力には負の値も含まれる。
前述した羽ばたき方法では、主にステップS2とステップS4にて、x方向の向きへの流体力が羽に作用する。したがって、この羽の動かし方においては前進を伴い浮上する。
(2)において述べた前後方向への制御を、左羽と右羽について個別に行ない、これを異ならせることで本羽ばたき装置にトルクを与えることができる。
(3)と同様に、右羽の上向きの流体力を左羽のそれに対して大きくすれば右側が持ち上がり、小さくすれば左側が持ち上がる。これによって、x軸を回転軸とする回転動作を行なわせることができる。
(2)に述べた、羽の捻り角βの角速度変更によって、本羽ばたき装置にかかるy軸回りのトルクを変化させることができる。これにより、y軸を回転軸とする回転動作を行なうことができる。たとえば、ステップS1における捻り角βの回転角速度を大きくすると本羽ばたき装置は機首を下げ、逆に小さくすると機首を上げる。
羽ばたき装置を停空させる際のストローク角θおよび偏角αならびに捻り角βの値を時間の関数として表わしたグラフを図33に示す。ただし、図33ではそれぞれの角度の縦軸の比率と異なっている。
現在の浮上状態は、図35に示すように、羽ばたき装置に搭載された加速度センサ51や角加速度センサ52が取得した値を適宜変更した値を用いて求められる。たとえば、速度は、加速度を時間積分した値に速度の初期値を与えることで求められる。また、位置は、速度を時間積分した値に位置の初期値を与えることで求められる。なお、浮上状態に、浮上状態の時刻歴を含む手法も可能である。
本発明者らの羽ばたき装置では、ステータ210は超音波モータ23と同等であるので、θ方向の運動に対するトルクは1.0gf・cmである。そこで、本発明者らは、シミュレーションによりこのトルクをもって羽ばたいた場合の流体力を求めた。
図17に示すように、この羽ばたき装置では支持構造1として略球殻状に成形したポリエチレンテレフタレート(PET)を例に挙げて説明したが、材料や形状はこれに限られるものではない。また、アクチュエータの配置や羽の形状についても飛行の性能を損なわないならば、図17に示すものに限られない。
Claims (14)
- 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記羽部は、
羽本体部と
前記羽本体部を支持する羽軸部と
を有し、
前記駆動部は、前記羽軸部を駆動させることにより前記羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを含み、
前記羽本体部は、前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との間を渡すように形成された膜部を含み、
前記駆動部は、
前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部とを個々に駆動させ、
前記羽部の前記打ち下ろし時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より大きくすること、および、前記羽部の前記打ち上げ時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より小さくすることのうち少なくともいずれか一方によって、前記移動装置を前進または後退させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記羽部は、
羽本体部と
前記羽本体部を支持する羽軸部と
を有し、
前記駆動部は、前記羽軸部を駆動させることにより前記羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを含み、
前記羽本体部は、前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との間を渡すように形成された膜部を含み、
前記駆動部は、
前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部とを個々に駆動させ、
前記羽部の前記打ち下ろし時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より小さくすること、および、前記羽部の前記打ち上げ時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より大きくすることのうち少なくともいずれか一方によって、前記移動装置を後退または前進させる、移動装置。 - 前記駆動部は、前記移動装置を前進させるときには、前記羽部の羽ばたき周波数が、前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも小さくなるように、前記一方側羽軸部および前記他方側羽軸部を駆動する、請求項1または2に記載の移動装置。
- 前記駆動部は、前記移動装置を後退させるときには、前記羽部の羽ばたき周波数が、前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも大きくなるように、前記一方側羽軸部および前記他方側羽軸部を駆動する、請求項1または2に記載の移動装置。
- 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記駆動部は、前記羽部の羽ばたき周波数を前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも上げることによって、前記移動装置を上昇させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記駆動部は、前記羽部の羽ばたき周波数を前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも下げることによって、前記移動装置を下降させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記羽部は、
羽本体部と
前記羽本体部を支持する羽軸部と
を有し、
前記駆動部は、
前記羽軸部を駆動させることにより前記羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させることが可能であり、
前記打ち上げ動作から前記打ち下ろし動作への変化点、および、前記打ち下ろし動作から前記打ち上げ動作の変化点の前後で、前記捻り角を変化させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記駆動部は、前記左羽部の推力と前記右羽部の推力とに差を有する状態にすることによって、前記移動装置を左または右へ旋回させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき角と前記左羽部の羽ばたき角とに差を持たせることによって、前記移動装置を右または左へ旋回させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、
前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記左羽部は、
左羽本体部と
前記左羽本体部を支持する左羽軸部と
を有し、
前記左駆動部は、前記左羽軸部を駆動させることにより前記左羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記右羽部は、
右羽本体部と
前記右羽本体部を支持する右羽軸部と
を有し、
前記右駆動部は、前記右羽軸部を駆動させることにより前記右羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記左羽軸部は一方側左羽軸部と他方側右羽軸部とを含み、
前記左羽本体部は、前記一方側左羽軸部と前記他方側左羽軸部との間を渡すように形成された左膜部を含み、
前記左駆動部は、前記一方側左羽軸部と前記他方側左羽軸部とを個々に駆動させ、
前記右羽軸部は一方側右羽軸部と他方側右羽軸部とを含み、
前記右羽本体部は、前記一方側右羽軸部と前記他方側右羽軸部との間を渡すように形成された右膜部を含み、
前記右駆動部は、前記一方側右羽軸部と前記他方側右羽軸部とを個々に駆動させ、
前記左駆動部および前記右駆動は、前記一方側左羽軸部と前記他方側左羽軸部との位相差と、前記一方側右羽軸部と前記他方側右羽軸部との位相差とに差を持たせることによって、前記移動装置を右または左へ旋回させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき仰角と、前記左羽部の羽ばたき仰角を前記右羽部の羽ばたき仰角とに差を持たせることによって、前記移動装置を右または左へ旋回させる、移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記移動装置は、該移動装置の重心をずらすための重心制御部を含み、
該重心制御部は、前記重心をずらすことによって、前記移動装置を右または左に旋回させる、移動装置。 - 前記移動装置は、ホバリングが可能であり、
前記駆動部は、前記移動装置を右または左に旋回させるときには、前記羽部の羽ばたき周波数を、前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも大きくする、請求項1に記載の移動装置。 - 流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記左駆動部および前記右駆動部は、前記左羽部の羽ばたき周波数と前記右羽部の羽ばたき周波数とが同じになるように、前記左羽部および前記右羽部を駆動する、移動装置。
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