JP2015174538A - 運動変換機構及びこれを用いた羽ばたき機構 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化・軽量化が容易で消費電力の小さい運動変換機構を提供する。
【解決手段】円柱の一端を斜めに切り欠いた形状を有する２つの回転コマ３０ａ，３０ｂと、少なくとも３本の揺動軸２２Ｆ、２２Ｒ、２２Ｌがその周面に突設される略円盤状の揺動コマ３２と、前記２つの回転コマと前記揺動コマを収容するための筐体２４であって、各前記揺動軸の揺動方向をガイドするための開口部が形成された、筐体と、前記揺動軸を拘束するリンク部材２５と、前記リンク部材に連結される翼固定軸と、前記回転コマに回転動力に伝達するための回転動力伝達手段２１ａ、２１ｂとを含み、前記２つの回転コマは、共通の仮想回転軸をもって回転自在に前記筐体に収容され、前記揺動コマは、その上下面が前記２つの回転コマの略楕円状の端面に挟持された状態で各前記揺動軸が各前記開口部から揺動自在に突出するように前記筐体に収容される。
【選択図】図４

Description

本発明は、運動変換機構に関し、より詳細には、回転運動と揺動運動を相互に変換可能な運動変換機構に関する。

従来、２つの翼で鳥のように羽ばたいて飛行する羽ばたき飛行機について種々検討がなされている（例えば、特許文献１）。従来の羽ばたき飛行機が採用する羽ばたき機構には、大きく分けて、モータ回転運動をクランクを介して翼の上下運動に変換して羽ばたきを行なう方法（クランク法）、ピエゾアクチュエータなどの収縮性アクチュエータを使用して羽ばたきを行なう方法（人工筋肉収縮法）、サーボモータを電気的に制御して羽ばたきを行なう方法（サーボモータ制御法）がある。

しかし、クランク法には、大がかりなリンク機構のために大型化・重量化が避けられないという問題があり、人工筋肉収縮法およびサーボモータ制御法には、消費電力が大きいという問題があった。

特開２０１０−１０５４１３号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、小型化・軽量化が容易で消費電力の小さい新規な運動変換機構を提供することを目的とする。

本発明者は、小型化・軽量化が容易で消費電力の小さい新規な運動変換機構につき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、羽ばたき運動を実現するための羽ばたき機構であって、円柱の一端を斜めに切り欠いた形状を有する２つの回転コマと、少なくとも３本の揺動軸がその周面に突設される略円盤状の揺動コマと、前記２つの回転コマと前記揺動コマを収容するための筐体であって、各前記揺動軸の揺動方向をガイドするための開口部が形成された、筐体と、前記揺動軸を拘束するリンク部材と、前記リンク部材に連結される翼固定軸と、前記回転コマに回転動力に伝達するための回転動力伝達手段と、を含み、前記２つの回転コマは、共通の仮想回転軸をもって回転自在に前記筐体に収容され、前記揺動コマは、その上下面が前記２つの回転コマの略楕円状の端面に挟持された状態で各前記揺動軸が各前記開口部から揺動自在に突出するように前記筐体に収容される、羽ばたき機構が提供される。

上述したように、本発明によれば、小型化・軽量化が容易で消費電力の小さい新規な運動変換機構およびこれを用いた羽ばたき機構が提供される。

本実施形態の羽ばたき機構の斜視図。 本実施形態の羽ばたき機構の三面図。 本実施形態の揺動ユニットの分解図。 揺動ユニットの筐体に収容される回転コマと揺動コマを示す図。 羽ばたき運動時の揺動ユニットの様子を時系列に示す図。 ３本の揺動軸の揺動端の振幅の変化と回転コマの回転角度の関係を示す図。 回転コマの変形例を示す図。 羽ばたき運動時の揺動ユニットの様子を時系列に示す図。 リードラグ運動を実現するための開口部を示す図。 羽ばたき運動時の揺動ユニットの様子を時系列に示す図。 フライ・バイ・ワイヤの適用例を示す図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

本発明は、回転運動と揺動運動を相互に変換可能な運動変換機構を開示する。本発明の運動変換機構は、その応用範囲を限定するものではないが、羽ばたき飛行機の羽ばたき機構への応用が最も期待される。この場合、本発明は、回転動力手段の回転運動を揺動運動に変換する揺動運動変換機構として観念される。そこで、以下においては、本発明を用いた羽ばたき機構について説明する。

図１は、本発明の揺動運動変換機構を羽ばたき機構として具現化した実施形態である羽ばたき機構１００の斜視図を示す。また、図２（ａ）は、図１の視点Ｘから見たその正面図を示し、図２（ｂ）は、図１の視点Ｙから見たその側面図を示し、図２（ｃ）は、図１の視点Ｚから見たその上面図を示す。以下、図１および図２（以下、図１等という）を適宜参照して、本実施形態の羽ばたき機構１００をその外観から説明する。

羽ばたき機構１００は、回転動力入力ユニット１０と揺動ユニット２０を含んで構成されている。回転動力入力ユニット１０は、外部から回転動力を入力するためのユニットであり、モータなどとして参照される回転動力手段１２から入力された回転動力を揺動ユニット２０に伝達するように構成されている。

一方、揺動ユニット２０には、３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆが揺動自在に支持されており、回転動力入力ユニット１０から歯車機構（歯車１１，歯車２１）を介して伝達される回転動力を利用して３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆを揺動するように構成されている。

図１等に示すように、揺動ユニット２０においては、その筐体２４の正面、裏面および側面のそれぞれに対して、縦長の開口部２３Ｌ、２３Ｒおよび２３Ｆが形成されており、各開口部から３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆが突出する形で設けられている。本実施形態では、３つの開口部２３Ｌ，２３Ｒ，２３Ｆは、揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆの揺動範囲を制限することで、その揺動方向をガイドする機能を果たす。

３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆのぞれぞれの揺動端は、コ状のリンク部材２５に固定されている。図１等においては、リンク部材２５として３枚の板状部材を組み合わせてなる枠体を示しているが、これはあくまで例示であって、３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆのぞれぞれの揺動端を拘束することができるリンクであればどのような形状の部材であってもよい。

さらに、リンク部材２５を構成する板状部材（揺動軸２２Ｆが固定された板状部材）に対して、揺動軸２２Ｆの略軸方向の延長線上に伸びる形で翼固定軸２６が連結されている。図１等においては、揺動軸２２Ｆと翼固定軸２６がリンク部材２５を挟んでその軸方向を揃えて連結される態様を示したが、本実施形態においては、揺動軸２２Ｆをリンク部材２５に貫通させて翼固定軸２６を接続してもよいし、リンク部材２５を貫通する揺動軸２２Ｆそれ自体を翼固定軸２６としてもよい。さらに、翼２７自体を３本の揺動軸の拘束手段として機能させることで、リンク部材２５を省略することもできる。具体的には、揺動軸２２Ｌに接続される第１のリンク、揺動軸２２Ｒに接続される第２のリンクおよび揺動軸２２Ｆを直接的に翼２７に固定する態様が考えられる。

羽ばたき飛行機において、一組の羽ばたき機構１００が飛行本体の進行方向左右に並設され、各羽ばたき機構１００の翼固定軸２６に対して図１等に示す態様で翼２７が取り付けられる。飛行本体内に搭載される回転動力手段１２の回転動力が回転動力入力ユニット１０を介して揺動ユニット２０に入力されると、揺動ユニット２０は、入力された回転動力を３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆの揺動運動に変換する。

このとき、３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆの揺動運動に応じて、翼固定軸２６に固定される翼２７が、羽ばたき飛行に必要なフラッピング運動とフェザリング運動を同時に行う。ここで、フラッピング運動とは、揚力を得るために必要な翼の上下運動であり、フェザリング運動とは、推力を得るために必要な迎え角可変運動を意味する。

図３は、揺動ユニット２０の分解図を示す。揺動ユニット２０は、図３（ａ）に示す状態から、図３（ｂ）に示すように、翼２７、翼固定軸２６、リンク部材２５を順番に取り外した後、図３（ｃ）に示すように、筐体２４を左右に分割することによって分解できるように構成されている。揺動ユニット２０を分解すると、筐体２４の中に収容されていた２つの回転コマ３０ａ，３０ｂと揺動コマ３２がその姿を現す。

図４は、筐体２４内に収容される２つの回転コマ３０（３０ａ，３０ｂ）と揺動コマ３２を拡大して示す。図４（ａ）に示すように、回転コマ３０は、円柱の一端を斜めに切り欠いた形状を有しており、略楕円状の端面３１（３１ａ，３１ｂ）と略正円状の端面３３（３３ａ，３３ｂ）を備え、端面３３には回転動力伝達手段として歯車２１（２１ａ、２１ｂ）が固定されている。なお、本実施形態においては、回転動力の伝達を歯車伝達に限定するものではなく、チェーン伝達やベルト伝達で実現してもよい。

一方、揺動コマ３２は、略円盤状（薄い円柱状）を有し、その周面には３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆが突設されている。ここで、揺動コマ３２においては、図４（ｂ）に示すように、揺動軸２２Ｆが揺動軸２２Ｌおよび揺動軸２２Ｒそれぞれの突設方向に対して略直角をなして突設されている。

本実施形態において、２つの回転コマ３０ａ，３０ｂは、その端面３１ａ，３１ｂが揺動コマ３２の上下面を挟持する形で筐体２４に収容され、共通の仮想回転軸Ｒをもって回転自在となるように筐体２４に軸支される。このとき、揺動コマ３２は、３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆを、それぞれ、開口部２３Ｌ，２３Ｒ，２３Ｆから突出させた状態で筐体２４に収容される。

以上、本実施形態の羽ばたき機構１００の構成を説明してきたが、続いて、羽ばたき機構１００において回転動力手段の回転運動が揺動運動に変換される態様を説明する。

図５は、羽ばたき運動時の揺動ユニット２０の様子を時系列に示す。なお、図５においては、理解の容易のために、筐体２４に収容される２つの回転コマ３０（３０ａ，３０ｂ）と揺動コマ３２の動きを専ら示している（以下、図８および図１０において同様）。図５に示すように、本実施形態によれば、歯車２１（２１ａ、２１ｂ）が１回転する間に、揺動軸２２Ｆの揺動端が初期位置から上下方向にそれぞれ一往復し、揺動軸２２Ｌの揺動端が初期位置から下方向に一往復し、揺動軸２２Ｒの揺動端が初期位置から上方向に一往復する。

図６は、３本の揺動軸２２（２２Ｆ、２２Ｒ、２２Ｌ）の各揺動端（Ｆ、Ｒ、Ｌ）の振幅の変化と回転コマ３０の回転角度の関係を示す。図６に示すように、本実施形態においては、回転コマ３０の回転に応じて、揺動端（Ｆ）と揺動端（Ｒ、Ｌ）が９０度ずれた位相が揺動する一方で、揺動端（Ｒ）と揺動端（Ｌ）が１８０度ずれた位相で揺動する。その結果、３本の揺動軸２２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｆを拘束するリンク部材２５を介して連結される翼２７は、フラッピング運動（翼の上下運動）とフェザリング運動（翼の迎角可変運動）を同時に行う。

なお、フラッピング運動における翼の最大振幅角度（フラッピング角度）とフェザリング運動における翼の最大迎角（フェザリング角度）は、回転コマ３０の形状によって決まる。すなわち、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、回転コマ３０（３２ａ，３２ｂ）における端面３１（３１ａ，３１ｂ）と端面３３（３３ａ，３３ｂ）のなす角度θが、フラッピング角度とフェザリング角度に一致する。したがって、本実施形態においては、実現したいフラッピング角度およびフェザリング角度に応じて回転コマ３０の形状を設計すればよい。

なお、本実施形態においては、動力変換の際の機械損失を最小化するために、揺動コマ３２の上下面と回転コマ３０（３０ａ，３０ｂ）の端面３１（３１ａ，３１）の間の摩擦抵抗を低減することが好ましい。本実施形態においては、例えば、当接する各面に対してフッ素コーティングなどの表面処理を行ったり、揺動コマ３２の表面にエンボス加工を施して接触面積を少なくしたり、揺動コマ３２の表面にスラスト軸受のような構造を設けたりすることが考えられる。

以上、本実施形態の羽ばたき機構１００によって羽ばたき飛行に必要なフラッピング運動とフェザリング運動が実現されるメカニズムを明らかにしてきたが、次に、羽ばたき飛行に必要なもう一つの運動であるリードラグ運動を実現するための２つの方法について説明する。ここで、リードラグ運動とは、図１に示すように翼を進行方向前後に動かす運動を意味する。

リードラグ運動を実現する第１の方法として、飛行本体の進行方向左右に並設される羽ばたき機構１００それ自体を進行方向前後に傾ける方法がある。

具体的には、回転コマ３０の回転角度が０〜１８０度の期間において、揺動ユニット２０を進行方向後方に傾けては初期位置に戻し、これに続いて、回転コマ３０の回転角度が１８０〜３６０度の期間において揺動ユニット２０を進行方向前方に傾けては初期位置に戻すという傾き制御を繰り返す。

図８は、第１の方法でリードラグ運動を実現した場合の揺動ユニット２０の様子を時系列に示す。図８に示すように、第１の方法によれば、フラッピング運動およびフェザリング運動と同時にリードラグ運動を実現することができる。本実施形態の揺動ユニット２０はその構造が非常にシンプルであるため、容易に小型化・軽量化することができるので、第１の方法に適している。

リードラグ運動を実現する第２の方法として、揺動軸２２Ｆの揺動方向をガイドする開口部２３Ｆの形状を略弓状に形成する方法がある。

図９は、リードラグ運動を実現するために揺動ユニット２０の筐体２４に形成される開口部を示す。第２の方法では、翼固定軸２６が固定される揺動軸２２Ｆの揺動方向をガイドするための開口部２３Ｆを、飛行本体の進行方向に対して、図９（ｂ）に示すような態様で略弓状に形成する。また、その余の揺動軸２２Ｒ，２２Ｌの揺動方向をガイドするための開口部２３Ｒ，２３Ｌは、図９（ａ）および（ｃ）に示すような態様で略弓状に形成する。なお、開口部２３Ｒ，２３Ｌについては、必ずしも略弓状である必要はなく、揺動軸２２Ｆの揺動運動を干渉しない任意の形状であればよい。

図１０は、第２の方法でリードラグ運動を実現した場合の揺動ユニット２０の様子を時系列に示す。図１０に示すように、第２の方法によっても、フラッピング運動およびフェザリング運動と同時にリードラグ運動を実現することができる。

また、従来の羽ばたき機構では、柔軟な素材で作成した翼のしなりによってフェザリング運動を実現していたが、本実施形態によれば、フェザリング運動を機械的に実現できるため、翼の素材選択に制約が無くなり、その分、翼の構造設計に自由度が生まれる。具体的には、ケーブルワイヤを用いた機械的リンクで翼の先端形状を変化させたり、翼内部にアクチュエータを配置してメカトロニクス的に翼の先端形状を変化させたりすることが考えられる。この場合、ケーブルワイヤやアクチュエータを制御するための信号線を飛行本体から翼に配線する必要がある。

この点につき、本実施形態においては、図１１に示すように、翼固定軸２６と揺動軸２２Ｆと揺動コマ３２を貫通する管状の孔２８を形成し、この孔２８に翼の形状や動きを制御するためのワイヤ（ケーブルワイヤや信号線）を挿管して配線することができる。このようなことが可能になるのは、揺動コマ３２の回転部（回転コマ３０、揺動コマ３２）にシャフトがないためであり、この点で、本実施形態の羽ばたき機構１００は、フライ・バイ・ワイヤを構築するのに適している。

以上説明したように、本実施形態の羽ばたき機構１００によれば、従来では、一つの運動に対して一つの機構が必要であったところ、羽ばたき飛行に必要な３つの運動（フラッピング・フェザリング・リードラグ）を一つの機構で実現することが可能になる。また、本実施形態の羽ばたき機構１００は、小型化・軽量化が容易であり、消費電力も小さく、加えて、加工精度の要請も高くないため、製造コストを低く抑えることができる。

以上、本発明の揺動運動変換機構を羽ばたき機構に基づいて説明してきたが、本発明の揺動運動変換機構は、魚ロボットなどに搭載する水かき機構に応用することもできる。また、本発明の上述した機構は、回転動力手段の回転運動を揺動運動に変換する運動変換機構としてだけではなく、揺動運動を回転運動に変換する運動変換機構としても観念されるものである。揺動運動を回転運動に変換する運動変換機構としての応用例としては、風を受けて揺動する翼状体の揺動運動を回転運動に変換してコイルを回転させる風力発電システムを挙げることができる。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、揺動コマに対して４本以上の揺動軸とそれに対応する開口部を形成してもよい。その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…回転動力入力ユニット
１１，２１…歯車
１２…回転動力手段
２０…揺動ユニット
２２…揺動軸
２３ 開口部
２４…筐体
２５…リンク部材
２６…翼固定軸
２７…翼
３０…回転コマ
３１，３３…回転コマの端面
３２…揺動コマ
１００…羽ばたき機構

Claims (8)

1. 羽ばたき運動を実現するための羽ばたき機構であって、
   円柱の一端を斜めに切り欠いた形状を有する２つの回転コマと、
   少なくとも３本の揺動軸がその周面に突設される略円盤状の揺動コマと、
   前記２つの回転コマと前記揺動コマを収容するための筐体であって、各前記揺動軸の揺動方向をガイドするための開口部が形成された、筐体と、
   前記揺動軸を拘束するリンク部材と、
   前記リンク部材に連結される翼固定軸と、
   前記回転コマに回転動力に伝達するための回転動力伝達手段と、
   を含み、
   前記２つの回転コマは、共通の仮想回転軸をもって回転自在に前記筐体に収容され、
   前記揺動コマは、その上下面が前記２つの回転コマの略楕円状の端面に挟持された状態で各前記揺動軸が各前記開口部から揺動自在に突出するように前記筐体に収容される、
   羽ばたき機構。
2. 前記揺動コマの周面に第１の揺動軸が第２および第３の揺動軸の突設方向に対して略直角をなして突設される、
   請求項１に記載の羽ばたき機構。
3. 前記翼固定軸は、前記リンク部材に対して前記第１の揺動軸の略軸方向に伸びる形で連結される、請求項２に記載の羽ばたき機構。
4. 前記翼固定軸と前記第１の揺動軸と前記揺動コマを貫通する管状の孔が形成され、該孔に翼を制御するためのワイヤが配線される、
   請求項２または３に記載の羽ばたき機構。
5. 前記回転動力伝達手段として各前記回転コマの略正円状の端面に歯車が固定される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の羽ばたき機構。
6. 前記第１の揺動軸の揺動方向をガイドするための前記開口部が翼のリードラグ運動を実現するように略弓状に形成される、
   請求項２〜５のいずれか一項に記載の羽ばたき機構。
7. 回転運動と揺動運動を相互に変換可能な運動変換機構であって、
   円柱の一端を斜めに切り欠いた形状を有する２つの回転コマと、
   少なくとも３本の揺動軸がその周面に突設される略円盤状の揺動コマと、
   前記２つの回転コマと前記揺動コマを収容するための筐体であって、各前記揺動軸の揺動方向をガイドするための開口部が形成された、筐体と、
   外部と前記２つの回転コマの間で回転動力に伝達するための回転動力伝達手段と、
   を含み、
   前記２つの回転コマは、共通の仮想回転軸をもって回転自在に前記筐体に収容され、
   前記揺動コマは、その上下面が前記２つの回転コマの略楕円状の端面に挟持された状態で各前記揺動軸が各前記開口部から揺動自在に突出するように前記筐体に収容される、
   運動変換機構。
8. 前記揺動コマの周面に第１の揺動軸が第２および第３の揺動軸の突設方向に対して略直角をなして突設される、
   請求項７に記載の運動変換機構。