JP2008273270A

JP2008273270A - Flapping aircraft

Info

Publication number: JP2008273270A
Application number: JP2007116224A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Kawamura; 良行河村; Tomohito Hayata; 智史早田
Original assignee: Fukuoka Institute of Technology
Current assignee: Fukuoka Institute of Technology
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-11-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a flapping aircraft having high hovering capacity and capable of making a flight even in a narrow place. <P>SOLUTION: The flapping aircraft has a plurality of wings 31L, 31R, 32L, 32R making a flapping motion around a shaft 2a, and the wings 31L, 31R, 32L, 32R perform clapping operations at least at three parts during the flapping motion. The air caught between wing surfaces is ejected at least at three parts in the direction parallel to the wing surfaces to generate the propulsive force. Thus, the flapping aircraft can perform the hovering in the air. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき航空機に関する。 The present invention relates to a flapping aircraft that flies in the atmosphere while flapping.

小鳥や昆虫などの比較的小型の飛行生物の活動領域においては、従来人間が開発してきたプロペラの回転によって前方に推進し、固定翼により生ずる揚力を利用して飛行する一般的な人口飛行体の飛行方式よりも、羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき飛行方式の方が有利であると言われている。羽ばたき飛行方式では、翼の羽ばたきだけで揚力と推力との双方を得る。 In the active area of relatively small flying creatures such as birds and insects, a general artificial flying vehicle that propels forward by the rotation of a propeller that has been developed by humans and uses the lift generated by fixed wings to fly. It is said that the flapping flight method of flying in the atmosphere while flapping is more advantageous than the flight method. In the flapping flight method, both lift and thrust are obtained only by flapping the wings.

羽ばたきながら大気中を飛行する羽ばたき飛行機としては、例えば、特許文献１，２および非特許文献１に記載のように一対の翼の上下の羽ばたき運動により飛行するものが知られている。これらの羽ばたき飛行機では、胴体から左右に延設された一対の翼を上下に高速羽ばたき運動させることにより、揚力および推力を得るようにしている。 As a flapping airplane that flies in the atmosphere while flapping, for example, one that flies by flapping motion of a pair of wings as described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 is known. In these flapping airplanes, a pair of wings extending left and right from the fuselage are caused to flutter up and down at high speed to obtain lift and thrust.

特開２００３−１１８６９７号公報JP 2003-118697 A 米国特許第６５５０７１６号明細書US Pat. No. 6,550,716 “羽ばたき飛翔ロボット浮上！！”，［online］，２００６年７月，日本大学理工学部精密機械工学科内木場研究室，［平成２００７年４月４日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：http://www.eme.cst.nihon-u.ac.jp/~uchikoba/flapwingrobot.htm＞“Flapping flying robot surfaced!”, [Online], July 2006, Nihon University, Faculty of Science and Technology, Department of Precision Mechanical Engineering, Uchikiba Laboratory, [Search April 4, 2007], Internet <URL: http: // www. eme.cst.nihon-u.ac.jp/~uchikoba/flapwingrobot.htm>

しかしながら、これらのように一対の翼の上下の羽ばたき運動により飛行する羽ばたき飛行機では、その羽ばたき運動によって揚力および推力を得るが、常に前進し続けることにより揚力を得て飛行しているため、空中で停止した状態を維持するホバリング能力が低い。そのため、これらの羽ばたき飛行機では、壁面に衝突した場合、揚力を確保できずに落下してしまう。したがって、これらの羽ばたき飛行機は、障害物のない広い場所でなければ飛行することができない。 However, in a flapping airplane that flies by flapping motion of a pair of wings like these, the flapping motion gains lift and thrust, but since it always gains lift by flying forward, it flies in the air. Low hovering ability to maintain a stopped state. Therefore, these flapping airplanes fall without being able to secure lift when colliding with a wall surface. Therefore, these flapping planes cannot fly unless they are wide areas without obstacles.

そこで、本発明においては、ホバリング能力が高く、狭い場所であっても飛行することが可能な羽ばたき航空機を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a flapping aircraft that has high hovering capability and can fly even in a narrow place.

本発明の羽ばたき航空機は、軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、翼が、羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものである。クラッピング動作とは翼面同士を打ち合うような動作であるが、本発明においてはクラッピング動作とは必ずしも翼面同士が接触して打ち合うことを要さず、翼面同士の間に空気を挟み込むような動作を行い、この翼面同士に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出させる状態を含めていうものとする。 The flapping aircraft of the present invention includes a plurality of wings that flutter around an axis, and the wings perform a clapping operation at at least three locations by the flapping motion. The clapping operation is an operation in which the blade surfaces strike each other. However, in the present invention, the clapping operation does not necessarily require the blade surfaces to come into contact with each other, and air is sandwiched between the blade surfaces. This operation is performed, and the state where the air sandwiched between the blade surfaces is ejected in a direction parallel to the blade surfaces is included.

本発明の羽ばたき航空機によれば、翼がクラッピング動作を行うことによって翼面同士の間に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出する。この空気の噴出はクラッピング動作を行う少なくとも３箇所で行われるので、本発明の羽ばたき航空機は少なくとも３箇所で推力を発生する。これにより、本発明の羽ばたき航空機は、クラッピング動作を行う３箇所で安定的に支持されることになり、空中でホバリングを行うことが可能となる。なお、クラッピング動作を行う箇所は、３箇所以上であれば何箇所でも良い。 According to the flapping aircraft of the present invention, the air sandwiched between the wing surfaces is ejected in a direction parallel to the wing surfaces by performing the clapping operation of the wings. Since the ejection of air is performed at at least three places where the clapping operation is performed, the flapping aircraft of the present invention generates thrust at at least three places. Thus, the flapping aircraft of the present invention is stably supported at the three locations where the clapping operation is performed, and can be hovered in the air. It should be noted that the number of locations where the clapping operation is performed may be any number as long as it is three or more.

ここで、翼は、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものであることが望ましい。これにより、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させるだけで、少なくとも３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うようになる。なお、３箇所以上で翼同士をクラッピング動作させるために、翼は何組使用しても何枚使用しても良い。 Here, the wings are two sets of intersecting wings, each wing extending in at least two directions around the axis, and preferably fluttering in opposite directions. As a result, the wings perform a clapping operation at least at three locations by merely flapping the two intersecting wings. It should be noted that any number or number of blades may be used in order to perform a clap operation between the blades at three or more locations.

特に、本発明の羽ばたき航空機では、翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものであることが望ましい。２組の交叉する翼が互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であることによって、翼同士が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行い、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになる。 In particular, in the flapping aircraft of the present invention, the wings are two sets of intersecting wings, each extending in two directions that form an obtuse angle about the axis, and fluttering in opposite directions. Therefore, it is desirable to perform the clapping operation at a position above the horizontal. The two pairs of intersecting wings are wings extending in two directions that form an obtuse angle with each other, so that the wings perform a clapping operation at a position above the horizontal, and the upper angle provided on a normal airplane wing As with, the restoring force against disturbance caused by external force is activated.

（１）軸を中心として羽ばたき動作する複数の翼を備え、翼が、羽ばたき動作によって少なくとも３箇所でクラッピング動作を行うものであることにより、少なくとも３箇所で推力を発生し、ホバリングを行うことが可能となり、ホバリング能力が高い羽ばたき航空機が得られる。また、障害物に衝突した場合であっても、翼がクラッピング動作を行う限り、空中でホバリングを行うことが可能となるので落下することがなく、狭い場所であっても飛行することが可能となる。 (1) Having a plurality of wings that flutter around the axis, and that the wings perform a clapping operation at at least three locations by flapping motion, generate thrust at at least three locations and perform hovering And flapping aircraft with high hovering capability. In addition, even if it collides with an obstacle, as long as the wing performs a clapping operation, it can hover in the air, so it does not fall and can fly even in a narrow place It becomes.

（２）翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として少なくとも２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作するものであることにより、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させるだけで、少なくとも３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うようになり、簡単な構成でホバリング能力が高い羽ばたき航空機が得られる。 (2) The wings are two sets of intersecting wings, each extending in at least two directions around the axis, and fluttering in opposite directions. By simply flapping the wings, the wings can be clapped between at least three locations, and a flapping aircraft with high hovering capability can be obtained with a simple configuration.

（３）翼が、２組の交叉する翼であって、それぞれ軸を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼であり、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うものであることにより、翼同士が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行い、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになるので、飛行の際の姿勢をより安定させることが可能となる。 (3) The wings are two sets of intersecting wings, each extending in two directions that form an obtuse angle with respect to each other about the axis. By performing the clapping operation at the position, the wings perform the clapping operation at a position above the horizontal, and the resilience against disturbance due to external force is the same as the upper angle provided on the normal airplane wing. Since it comes to work, it becomes possible to stabilize the posture at the time of flight.

図１は本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の側面図、図２は正面端面図、図３は図１のＡ矢視端面図、図４は図１のＢ矢視図である。 1 is a side view of a flapping aircraft according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a front end view, FIG. 3 is an end view as viewed in the direction of arrow A in FIG. 1, and FIG.

図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態における羽ばたき航空機１は、機体の前後方向に延びるメインフレーム２ａと、メインフレーム２ａの後方に斜め上向きに設けられたサブフレーム２ｂと、メインフレーム２ａ上に回転可能に支持された羽ばたき翼３と、サブフレーム２ｂ上に設けられた垂直尾翼４および水平尾翼５と、羽ばたき翼３を羽ばたき動作させる駆動部６と、後述する駆動部６のモータ６０の出力および後述する垂直尾翼４のラダー４ｂを制御する制御部７と、動作用電源としてのバッテリ８等を備える。 As shown in FIGS. 1 to 3, a flapping aircraft 1 according to an embodiment of the present invention includes a main frame 2a extending in the front-rear direction of the fuselage, a subframe 2b provided obliquely upward behind the main frame 2a, Flapping wing 3 rotatably supported on main frame 2a, vertical tail 4 and horizontal tail 5 provided on subframe 2b, driving unit 6 for flapping operation of flapping wing 3, and driving unit 6 described later The control part 7 which controls the output of the motor 60 of this and the ladder 4b of the vertical tail 4 mentioned later, the battery 8 as an operation power supply, etc. are provided.

羽ばたき翼３は、軸３０を中心として羽ばたき動作する翼３１Ｌ，３１Ｒの組と、翼３２Ｌ，３２Ｒの組との２組の翼から構成される。１組の翼３１Ｌ，３１Ｒは、中心で約６０°曲折させた翼軸３１Ａと軸３０とに、図５に示すような半楕円形状の２〜４μｍ厚の薄くて軽量な薄膜を張って形成したものである。同様に、もう１組の翼３２Ｌ，３２Ｒは、中心で約６０°曲折させた翼軸３２Ａと軸３０との間に薄膜を張って形成したものである。すなわち、これらの２組の翼は、それぞれ軸３０を中心として互いに鈍角をなす２方向に延設された翼である。なお、翼軸３１Ａ，３２Ａには、例えば軽量なカーボン素材の棒を使用することができる。 The flapping wing 3 is composed of two sets of wings, a set of wings 31L and 31R that flutter around the shaft 30 and a set of wings 32L and 32R. The pair of blades 31L and 31R is formed by stretching a thin and light thin film having a thickness of 2 to 4 μm in a semi-elliptical shape as shown in FIG. 5 on a blade shaft 31A and a shaft 30 bent at about 60 ° in the center. It is a thing. Similarly, the other pair of wings 32L and 32R is formed by stretching a thin film between the wing shaft 32A and the shaft 30 bent at about 60 ° at the center. That is, these two sets of wings are wings extending in two directions that form an obtuse angle with respect to the shaft 30. For example, a lightweight carbon rod can be used for the blade shafts 31A and 32A.

２組の翼は、互いに交叉しており、それぞれリンク機構６２Ｌ，６２Ｒによって逆方向に羽ばたき動作する。リンク機構６２Ｌは翼３１Ｌに、リンク機構６２Ｒは翼３２Ｒに、それぞれ連結されている。また、リンク機構６２Ｌ，６２Ｒは、クランク６３（図４参照。）、ギア６４ａ，６４ｂ，６４ｃを介してモータ６０に連結されている。モータ６０は制御部７に接続されており、制御部７によって出力が制御される。駆動部６は、リンク機構６２Ｌ，６２Ｒ、クランク６３、ギア６４ａ，６４ｂ，６４ｃおよびモータ６０から構成されている。モータ６０は、回転子に鉄心を持たないコアレスモータを使用する。コアレスモータは、携帯電話機の振動用モータとして小型化が進んでおり、本実施形態において使用したものは、外直径４．０ｍｍの円筒型で、質量０．４７ｇである。 The two sets of wings cross each other and flutter in the opposite directions by the link mechanisms 62L and 62R, respectively. The link mechanism 62L is connected to the blade 31L, and the link mechanism 62R is connected to the blade 32R. The link mechanisms 62L and 62R are connected to the motor 60 via a crank 63 (see FIG. 4) and gears 64a, 64b and 64c. The motor 60 is connected to the control unit 7, and the output is controlled by the control unit 7. The drive unit 6 includes link mechanisms 62L and 62R, a crank 63, gears 64a, 64b, and 64c, and a motor 60. The motor 60 uses a coreless motor that does not have an iron core in the rotor. The coreless motor is being miniaturized as a vibration motor for a mobile phone, and the one used in this embodiment is a cylindrical type having an outer diameter of 4.0 mm and a mass of 0.47 g.

図６は正面からみた羽ばたき翼３の動作状態を示す説明図である。図６（ａ）に示す状態からモータ６０を駆動し、ギア６４ａを時計回りに回転させると、クランク６３の回転により、同図（ｂ）、（ｃ）に示すようにリンク機構６２Ｌ，６２Ｒが引き下げられ、翼３１Ｒと翼３２ＬとがＸで示す箇所において１回クラッピングする。さらに、クランク６３を回転させると、同図（ｄ）、（ａ）に示すようにリンク機構６２Ｌ，６２Ｒが押し上げられ、翼３１Ｒと翼３２Ｒとが、翼３１Ｌと翼３２ＬとがそれぞれＹ，Ｚで示す２箇所において１回クラッピングする。このように、羽ばたき翼３は、２組の翼が、互いに逆方向に羽ばたき動作することにより、図６の（ａ）の２箇所Ｙ，Ｚおよび（ｃ）の１箇所Ｘの計３箇所でクラッピング動作を行う。 FIG. 6 is an explanatory view showing the operating state of the flapping wing 3 as seen from the front. When the motor 60 is driven from the state shown in FIG. 6A and the gear 64a is rotated clockwise, the rotation of the crank 63 causes the link mechanisms 62L and 62R to move as shown in FIGS. Pulled down, the blade 31R and the blade 32L clap once at the location indicated by X. When the crank 63 is further rotated, the link mechanisms 62L and 62R are pushed up as shown in FIGS. 4D and 4A, and the blade 31R and the blade 32R are connected to each other, and the blade 31L and the blade 32L are connected to the Y and Z respectively. Clap once at the two locations indicated by. In this way, the flapping wing 3 has two sets of wings that flutter in the opposite directions, so that the two flapping wings 3 in FIG. Performs a clapping operation.

垂直尾翼４は、サブフレーム２ｂに固定された垂直安定板４ａと、垂直安定板４ａに対してヒンジ４ｃにより取り付けられた可動のラダー（方向舵）４ｂとから構成される。ラダー４ｂは、垂直安定板４ａに固定されたマグネット・アクチュエータ４ｄにより動作させる。図７はマグネット・アクチュエータ４ｄの断面図である。図７に示すように、マグネット・アクチュエータ４ｄは、永久磁石４０と、電磁石コイル４１と、ラダー４ｂに固定されるアーム４２とから構成されたものである。永久磁石４０は電磁石コイル４１の中に配置されている。 The vertical tail 4 includes a vertical stabilizer 4a fixed to the subframe 2b, and a movable ladder (rudder) 4b attached to the vertical stabilizer 4a by a hinge 4c. The ladder 4b is operated by a magnet actuator 4d fixed to the vertical stabilizer 4a. FIG. 7 is a sectional view of the magnet actuator 4d. As shown in FIG. 7, the magnet actuator 4d is composed of a permanent magnet 40, an electromagnet coil 41, and an arm 42 fixed to the ladder 4b. The permanent magnet 40 is disposed in the electromagnet coil 41.

ヒンジ４ｃは、復元力を有する、例えば樹脂製の板ばねにより形成されたものであり、その復元力によってニュートラル（中立）位置にある。マグネット・アクチュエータ４ｄは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式によって電磁石コイル４１に流すパルス電流のデューティー比を制御部７により加減することで永久磁石４０にモーメントを生じさせ、この永久磁石４０に固定されたアーム４２によってラダー４ｂを左右に動作させる。このようなマグネット・アクチュエータ４ｄは、一般的なサーボモータに比べて反応速度が速く、小型軽量であるため、羽ばたき航空機１の小型化に有利である。 The hinge 4c is made of, for example, a resin leaf spring having a restoring force, and is in a neutral (neutral) position by the restoring force. The magnet actuator 4d generates a moment in the permanent magnet 40 by adjusting the duty ratio of the pulse current flowing in the electromagnet coil 41 by the control unit 7 by a PWM (Pulse Width Modulation) method, and is fixed to the permanent magnet 40. The ladder 4b is moved left and right by the arm 42. Such a magnet / actuator 4d has a faster reaction speed than a general servo motor and is small and lightweight, which is advantageous for downsizing the flapping aircraft 1.

水平尾翼５は、図３に示すように、水平面から約３０°の下反角が設定されてサブフレーム２ｂに固定された水平安定板のみから構成されており、エレベータ（昇降舵）は備えていない。水平尾翼５の下反角は、旋回飛行時のローリングを抑制することを目的としている。 As shown in FIG. 3, the horizontal tail 5 is composed only of a horizontal stabilization plate that is fixed to the sub-frame 2 b with a dihedral angle of about 30 ° from the horizontal plane, and includes an elevator (elevator). Absent. The lower angle of the horizontal tail 5 is intended to suppress rolling during turning flight.

また、制御部７には、モータ６０およびラダー４ｂを遠隔操作するための受信機としての赤外線受信機（図示せず。）が接続されており、赤外線送信機（図示せず。）からこの赤外線受信機に向かって赤外線信号を送信することにより、モータ６０およびラダー４ｂを遠隔操作することが可能となっている。このように赤外線信号の送受信によって遠隔操作を行う場合、操作可能距離は１５ｍ程度であるが、赤外線受信機の重量は軽いもので０．１ｇ以下であり、羽ばたき航空機１の軽量化に有利である。 The control unit 7 is connected to an infrared receiver (not shown) as a receiver for remotely operating the motor 60 and the ladder 4b, and this infrared ray is sent from an infrared transmitter (not shown). By transmitting an infrared signal toward the receiver, the motor 60 and the ladder 4b can be remotely operated. Thus, when performing remote control by transmission / reception of an infrared signal, the operable distance is about 15 m, but the weight of the infrared receiver is light and 0.1 g or less, which is advantageous for reducing the weight of the flapping aircraft 1. .

上記構成の羽ばたき航空機１では、モータ６０の回転により羽ばたき翼３がＸ，Ｙ，Ｚの３箇所でクラッピング動作を行う。ここで、羽ばたき翼３を構成する翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒは、いずれも機体前方側（図１の左側）が翼軸３１Ａ，３２Ａに固定され、機体後方側（図１の右側）は固定されていないので、クラッピング動作時に翼面同士の間に挟み込まれた空気は翼面に平行な方向のうち、主に機体後方へと噴出する。この空気の噴出は、クラッピング動作を行うＸ，Ｙ，Ｚの３箇所で同じ方向、すなわち機体後方へ繰り返し行われ、機体を前方側へ押し出す推力を発生する。 In the flapping aircraft 1 configured as described above, the flapping wing 3 performs a clapping operation at three locations X, Y, and Z by the rotation of the motor 60. Here, the wings 31L, 31R, 32L, and 32R constituting the flapping wing 3 are all fixed to the wing shafts 31A and 32A on the front side (left side in FIG. 1), and the rear side (right side in FIG. 1) Since it is not fixed, the air sandwiched between the blade surfaces during the clapping operation is mainly ejected to the rear of the fuselage in a direction parallel to the blade surfaces. This ejection of air is repeatedly performed in the same direction, that is, the rear of the aircraft, at three locations X, Y, and Z that perform the clapping operation, and generates thrust that pushes the aircraft forward.

また、羽ばたき翼３のクラッピング動作時に翼面同士の間に挟み込まれた空気は、機体後方以外に、図６のＸ，Ｙ，Ｚの３箇所において、翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒが固定されていない翼軸３１Ａ，３２Ａの延長方向にも噴出し、上述の機体を前方側へ押し出す推力とともに、機体の前方を図１の上方へと回頭させる。さらに、本実施形態における羽ばたき航空機１は機体後方に重心位置があるので、図８に示すように機体前方を斜め上方へ向けて飛行する。これにより、この羽ばたき航空機１は、図８の左方向へ緩やかに前進しながらホバリングする。 In addition, the air caught between the blade surfaces during the flapping operation of the flapping wing 3 is fixed to the wings 31L, 31R, 32L, and 32R at three locations X, Y, and Z in FIG. It is also ejected in the extending direction of the wing shafts 31A and 32A, and the front of the airframe is turned upward in FIG. 1 together with the thrust for pushing the airframe forward. Furthermore, since the flapping aircraft 1 in the present embodiment has a center of gravity position behind the aircraft, the aircraft 1 flies forward obliquely upward as shown in FIG. As a result, the flapping aircraft 1 hovers while slowly moving forward in the left direction in FIG.

そして、モータ６０の出力を上げると、羽ばたき航空機１の自重を超える推力が発生し、羽ばたき航空機１は上昇する。また、モータ６０の出力を下げると、羽ばたき航空機１の自重が推力を超えるようになるため、羽ばたき航空機１は下降する。したがって、本実施形態における羽ばたき航空機１は、水平尾翼５にエレベータを備えていないが、モータ６０の出力制御だけで上昇および下降することができる。また、本実施形態における羽ばたき航空機１は、その重心位置およびモータ６０の出力を調整することで、推力を鉛直方向に発生させ、ヘリコプタのように空中で静止する完全なホバリングを行うことも可能である。 When the output of the motor 60 is increased, a thrust exceeding the own weight of the flapping aircraft 1 is generated, and the flapping aircraft 1 rises. Further, when the output of the motor 60 is lowered, the flapping aircraft 1 descends because its own weight exceeds the thrust. Therefore, the flapping aircraft 1 in the present embodiment does not include an elevator on the horizontal tail 5, but can be raised and lowered only by output control of the motor 60. In addition, the flapping aircraft 1 in the present embodiment can adjust its gravity center position and the output of the motor 60 to generate thrust in the vertical direction and perform complete hovering that stops in the air like a helicopter. is there.

また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３が水平よりも上方の位置でクラッピング動作を行うため、通常の飛行機の翼に設ける上反角と同様に、外力による乱れに対する復元力が働くようになるので、飛行の際の姿勢がより安定している。なお、例えば、翼軸３１Ａ，３２Ａの中心の曲折角度を小さくすれば、Ｙ，Ｚのクラッピング位置が水平よりも下方の位置となるが、このような構成でもホバリングを行うことは可能である。 Further, in the flapping aircraft 1 in the present embodiment, since the flapping wing 3 performs a clapping operation at a position above the horizontal, the resilience against the disturbance due to the external force is provided in the same manner as the upper angle provided on the normal wing. Because it comes to work, the posture during flight is more stable. For example, if the bending angle at the center of the blade shafts 31A and 32A is reduced, the Y and Z clapping positions will be lower than the horizontal position, but it is possible to perform hovering even with such a configuration. .

さらに、本実施形態における羽ばたき航空機１では、モータ６０を回転させるだけで、２組の交叉する翼を羽ばたき動作させ、３箇所で翼同士がクラッピング動作を行うので、簡単な構成でホバリング能力の高いものが得られる。また、この羽ばたき航空機１では、障害物に衝突した場合であっても、羽ばたき翼３が打ち合う限り、空中でその場に留まろうとする力が働くので落下することがなく、狭い場所であっても飛行することが可能である。 Further, in the flapping aircraft 1 according to the present embodiment, by simply rotating the motor 60, two sets of intersecting wings are fluttered, and the wings perform a clapping operation at three locations. A high one is obtained. In addition, even if the flapping aircraft 1 collides with an obstacle, as long as the flapping wing 3 strikes, the force to stay in the air works so that it does not fall and is a narrow place. It is also possible to fly.

また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３が、２組の交叉する翼を互いに逆方向に羽ばたき動作するものであるため、それぞれの翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒのストローク角度は、翼同士を完全に打ち合わせてクラッピング動作を行う場合には約６０°であるが、正面からみた羽ばたき翼３のストローク角度は総計して約２４０°となる。すなわち、従来の羽ばたき飛行機ではそれぞれの翼のストローク角度が６０°であれば、正面からみた羽ばたき翼のストローク角度は左右の翼のストローク角度の合計の１２０°であるが、本実施形態における羽ばたき航空機１ではそれぞれの翼３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒの２倍のストローク角度が得られる。 Further, in the flapping aircraft 1 according to the present embodiment, the flapping wings 3 operate to flutter two sets of intersecting wings in opposite directions, and therefore the stroke angles of the respective wings 31L, 31R, 32L, and 32R are: When the clap operation is performed by completely meeting the blades, it is about 60 °, but the stroke angle of the flapping blade 3 seen from the front is about 240 ° in total. That is, if the stroke angle of each wing is 60 ° in the conventional flapping airplane, the stroke angle of the flapping wing viewed from the front is 120 °, which is the total of the stroke angles of the left and right wings. 1, the stroke angle twice as large as that of the respective blades 31L, 31R, 32L, and 32R can be obtained.

なお、羽ばたき翼３のそれぞれのストローク角度は、翼同士を完全に打ち合わせる６０°とせず、翼面同士の間に空気を挟み込むような動作を行い、この翼面同士に挟み込まれた空気が翼面に平行な方向に噴出させることのできる角度、例えば５０°とすることも可能である。但し、このストローク角度が小さすぎると、翼面に平行な方向に噴出する空気が少なくなり、有効な推力を発生しなくなるので、少なくとも翼同士を完全に打ち合わせる状態から１０°小さくする程度とするのが望ましい。 In addition, each stroke angle of the flapping wings 3 is not set to 60 ° where the wings are completely beaten, but the operation is performed such that air is sandwiched between the wing surfaces. An angle that can be ejected in a direction parallel to the surface, for example, 50 ° is also possible. However, if this stroke angle is too small, the amount of air ejected in the direction parallel to the blade surface will be reduced, and no effective thrust will be generated. Is desirable.

また、本実施形態における羽ばたき航空機１では、羽ばたき翼３に薄膜を用いたが、この薄膜に代えて超薄型の太陽電池を用いることも可能である。この超薄型の太陽電池としては、例えば、シャープ社が提案している化合物フレキシブル太陽電池を使用することができる。この超薄型の太陽電池は厚さ３μｍ程度であり、この太陽電池を用いることで、バッテリ８を省略することが可能となり、さらに軽量な羽ばたき航空機１を実現することが可能となる。 Further, in the flapping aircraft 1 in this embodiment, a thin film is used for the flapping wing 3, but an ultra-thin solar cell can be used instead of this thin film. As this ultra-thin solar cell, for example, a compound flexible solar cell proposed by Sharp Corporation can be used. This ultra-thin solar cell has a thickness of about 3 μm. By using this solar cell, the battery 8 can be omitted, and a lighter flapping aircraft 1 can be realized.

本実施形態における羽ばたき航空機１について飛行試験を行った。機体の主要部品を表１に、機体の諸数値を表２にそれぞれ示す。なお、表２における最大静止推力は、４．１０［Ｖ］の電圧状態のバッテリを搭載した際に、赤外線送信機のスロットルを最大にして実際に測定した値である。 A flight test was performed on the flapping aircraft 1 in the present embodiment. Table 1 shows the main parts of the aircraft and Table 2 shows the numerical values of the aircraft. Note that the maximum static thrust in Table 2 is a value actually measured with the throttle of the infrared transmitter maximized when a battery in a voltage state of 4.10 [V] is mounted.

このように、この羽ばたき航空機１では、全備質量（自重）を超える最大静止推力を発生することができ、ホバリング能力が高いことが確認できた。 Thus, in this flapping aircraft 1, it was possible to generate a maximum static thrust exceeding the total mass (self-weight), and it was confirmed that the hovering capability was high.

また、本実施形態における羽ばたき航空機１の静止推力について試算し、ヘリコプタなどの回転翼航空機との比較を行った。図９は本実施形態における羽ばたき航空機１の羽ばたき翼３と一般的な回転翼（プロペラ）との作動円盤を表した図である。羽ばたき翼の静止推力については、ヘリコプタなどの回転翼による運動量理論が当てはまるとされている。また、一説では、翼の位置で流速ｖであった風はその後方で２ｖに達するとされており、これによりホバリングに必要な静止推力を求める。 Further, the static thrust of the flapping aircraft 1 in this embodiment was calculated and compared with a rotary wing aircraft such as a helicopter. FIG. 9 is a diagram showing the working disk of the flapping wing 3 of the flapping aircraft 1 and a general rotary wing (propeller) in the present embodiment. For the static thrust of flapping wings, the theory of momentum by rotating wings such as helicopters is said to apply. Further, according to one theory, it is assumed that the wind having a flow velocity v at the position of the wing reaches 2 v behind it, thereby obtaining a static thrust necessary for hovering.

まず、回転翼の面積Ｓ_pは、Ｓｐ＝（１／４）×π×１００²であり、単位時間にＳｐを通過する空気（密度ρ）の質量Ｓ_pρｖ_pを初速０から速度２ｖ_pにまで加速することにより必要な静止推力Ｆを得ると考えると、運動方程式より、
Ｆ＝ｍａ＝２ｍｖ_p＝２Ｓ_pρｖ_p ²
となる。
このとき、速度ｖ_pおよび仕事率Ｗ_pは、
ｖ_p＝√（Ｆ／（２Ｓ_pρ））
Ｗ_p＝２Ｓ_pρｖ_p ³＝Ｆ√（Ｆ／（２Ｓ_pρ））・・・（１）
となる。 First, the area S _{p of the} rotor blade is Sp = (1/4) × π × 100 ² , and the mass S _p ρv _p of air (density ρ) passing through Sp per unit time is changed from the initial speed 0 to the speed 2v _p. From the equation of motion,
F = ma = 2 mv _p = 2S _p ρv _p ²
It becomes.
At this time, the speed v _p and the power W _p are
v _p = √ (F / (2S _p ρ))
W _p = 2S _p ρv _p ³ = F√ (F / (2S _p ρ)) (1)
It becomes.

一方、羽ばたき翼３のストローク角度の総計が２００°（図９の（ａ）の例では、翼同士を完全に打ち合わせずにそれぞれの翼のストローク角度を５０°とし、総計で２００°としている。）のとき、作動円盤の面積Ｓ_fは、
Ｓ_f＝（２００／３６０）Ｓ_p
したがって、（１）式より、
Ｗ_f＝√（３６０／２００）Ｗ_p≒１．３４Ｗ_p
となり、本実施形態における羽ばたき翼３が、回転翼よりも仕事率が良いことが分かる。 On the other hand, the total stroke angle of the flapping wings 3 is 200 ° (in the example of FIG. 9A, the stroke angles of the respective wings are set to 50 ° without total contact with each other, and the total is set to 200 °. ), The working disk area S _f is
S _f = (200/360) S _p
Therefore, from equation (1)
W _f = √ (360/200) W _p ≈1.34 W _p
Thus, it can be seen that the flapping wing 3 in this embodiment has a better work efficiency than the rotating wing.

本発明の羽ばたき航空機は、ホバリング能力が高く、狭い場所であっても飛行することが可能であるため、障害物が散乱していたり、倒壊の危険性があったりして、人が探索することが困難な場所の探索に有用である。 The flapping aircraft of the present invention has a high hovering ability and can fly even in a narrow place, so that obstacles are scattered and there is a risk of collapse, so that people search It is useful for searching difficult places.

本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の側面図である。It is a side view of the flapping aircraft in the embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の正面端面図である。It is a front end view of the flapping aircraft in the embodiment of the present invention. 図１のＡ矢視端面図である。FIG. 2 is an end view taken along arrow A in FIG. 1. 図１のＢ矢視図である。It is a B arrow line view of FIG. 羽ばたき翼の翼面形状を示す図である。It is a figure which shows the wing surface shape of a flapping wing. 正面からみた羽ばたき翼の動作状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation state of the flapping wing seen from the front. マグネット・アクチュエータの断面図である。It is sectional drawing of a magnet actuator. 本発明の実施の形態における羽ばたき航空機の飛行状態を示す図である。It is a figure which shows the flight state of the flapping aircraft in embodiment of this invention. 本実施形態における羽ばたき航空機の羽ばたき翼と一般的な回転翼との作動円盤を表した図である。It is a figure showing the working disk of the flapping wing of the flapping aircraft in this embodiment and a general rotary wing.

Explanation of symbols

１羽ばたき航空機
２ａメインフレーム
２ｂサブフレーム
３羽ばたき翼
３０軸
３１Ａ，３２Ａ翼軸
３１Ｌ，３１Ｒ，３２Ｌ，３２Ｒ翼
４垂直尾翼
４ａ垂直安定板
４ｂラダー
４ｃヒンジ
４ｄマグネット・アクチュエータ
４０永久磁石
４１電磁石コイル
４２アーム
５水平尾翼
６駆動部
６０モータ
６２Ｌ，６２Ｒリンク機構
６３クランク
６４ａ，６４ｂ，６４ｃギア
７制御部
８バッテリ 1 Flapping Aircraft 2a Main Frame 2b Subframe 3 Flapping Wings 30 Axis 31A, 32A Wing Axes 31L, 31R, 32L, 32R Wings 4 Vertical Tail 4a Vertical Stabilizer 4b Ladder 4c Hinge 4d Magnet Actuator 40 Permanent Magnet 41 Electromagnetic Coil 42 Arm 5 Horizontal tail 6 Drive unit 60 Motor 62L, 62R Link mechanism 63 Crank 64a, 64b, 64c Gear 7 Control unit 8 Battery

Claims

With multiple wings that flutter around the axis,
The wing is a flapping aircraft that performs a clapping operation in at least three places by the flapping operation.

The flapping aircraft according to claim 1, wherein the wings are two sets of intersecting wings, each of which extends in at least two directions around the axis, and flutters in opposite directions.

The wings are two sets of intersecting wings, each extending in two directions that form an obtuse angle with respect to the axis, respectively, and are positioned above the horizontal by flapping in opposite directions. The flapping aircraft according to claim 1, which performs a clapping operation.