JP3860077B2 - アラームシステムおよび目覚まし時計 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はアラームシステムおよび目覚まし時計に関し、特に、確実に睡眠者を覚醒状態に移行させることのできるアラームシステムおよび目覚まし時計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、より確実に人を覚醒させ得る目覚まし時計はいろいろと考えられてきている。
【０００３】
一般的な目覚まし時計は、音により睡眠者を覚醒する手法を採用している。しかし、その性質上、覚醒のための音（以降、アラームと称する）を停止させるスイッチ（以降、アラームスイッチと称する）を備えている必要がある。睡眠者はアラームスイッチを簡単に操作できるため、アラーム停止後に、再び睡眠状態に入ってしまう、いわゆる「二度寝」をしてしまうという問題があった。
【０００４】
このため、感覚器官を刺激して、より確実に睡眠者を覚醒状態に移行させる手法が考えられてきた。
【０００５】
例えば、音量を大きくする等の手法が挙げられる。
また例えば、特開２０００−１４７１５０号公報には、特定の器具により解除されるアラームスイッチを備え、睡眠者が覚醒状態に移行してこの特定の器具を取得しない限りアラームを止めることが難しい構成を実現することにより、より容易に睡眠者を覚醒状態に移行させる機能を備える目覚まし時計が提案されている。
【０００６】
また、実開平５−２５３９２号公報では、所定時刻になると、睡眠者が睡眠状態ではアラームスイッチに手を届かせることのできない位置に移動することによって、睡眠者に起立を促し、より容易に睡眠者を覚醒状態に移行させる機能を備える目覚まし時計が提案されている。
【０００７】
また、枕に空気を送込んで膨らませる、ベッドが傾く等の手法で、強制的に睡眠者を起立状態にすることで覚醒状態に移行させる機能はすでに実用化されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の目覚まし時計は、睡眠者を覚醒させる際に睡眠者に不快感を与えてしまう、もしくは睡眠者が使用する際に不便が生ずるという問題があった。
【０００９】
具体的には、上述の特開２０００−１４７１５０号公報に提案されている目覚まし時計を用いた場合、睡眠者は覚醒状態に移行しきらぬ状態でアラームを停止させるための器具を捜索することを強制されているため、非常に不快感を覚えてしまうという問題がある。逆に、この不快感を緩和させるために、アラームを停止させる器具を配する場所を容易に取得できる場所に設定すると、覚醒が不充分なうちに目覚まし時計のアラームを停止してしまい、二度寝が容易になってしまうという問題があった。このため、覚醒することとは直接関係のない不快感を増加させることと、目覚まし時計としての機能を向上させることとが両立できないう問題があった。
【００１０】
また、上述の実開平５−２５３９２号公報に提案されている目覚まし時計を用いた場合、睡眠者に起立を促す手法であるため、覚醒することと関係のない不快感は発生しない。しかし、当該目覚まし時計が回転動作を伴なうため、睡眠者と衝突する危険があり、睡眠者に不安感を与えるという問題があった。また、当該目覚まし時計の本体が運動する構成であるため、時刻表示を読取ることができなくなるという問題もあった。
【００１１】
当然、音量の大きなアラームは、精神的にも肉体的にも苦痛であり、程度によっては安眠を阻害するという問題があった。
【００１２】
また上述の従来技術である、枕に空気を送込んで膨らませる、もしくはベッドを傾ける等の手法では、人体を移動させるだけのパワーを備えるポンプやアクチュエータが必要となり、高価であるという問題があった。このため、利用するのは電車運転手などの、時間を守ることが必要とされる特定の職業に限られてしまうという問題があった。
【００１３】
本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであって、睡眠者に不快感や不安感を与えることなく、容易かつ確実に睡眠者を覚醒状態に移行させることのできる安価なアラームシステムおよび目覚まし時計を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、アラームシステムは、ベースステーションとロボットとからなるアラームシステムであって、ベースステーションは、予め設定されたタイミングでアラームを動作させるアラーム開始手段を備え、ロボットは、アラームを停止させるアラーム停止手段と、羽ばたき飛行によって浮上移動する移動手段と、人体を検出する人体検出手段と、人体検出手段で人体を検出する際の、ロボットの位置を、ベースステーションからの距離と、ベースステーションを基準とする角度とによって、予め設定する位置設定手段とを備える。
【００１５】
また、好ましくは、アラーム停止手段は、人体検出手段でを検出することをトリガとしてアラームを停止させる。
【００１６】
また、好ましくは、人体検出手段は、浮上移動を行なって人体を検出する。
【００１８】
また、好ましくは、人体検出手段は、非接触状態にて人体を検出する。
また、好ましくは、アラームシステムは、人体が特定の位置および姿勢であるときに、検出手段で人体を検出することのできる位置および姿勢に、ロボットを定位する定位手段をさらに備える。
【００１９】
また、アラームシステムは、ロボットを定位する位置および姿勢を設定する定位設定手段をさらに備えることが望ましい。
【００２１】
また、好ましくは、ロボットは、設定された位置に予め設定された曲線に沿って定位する。
【００２２】
また、上述の曲線は、予め設定された値を円弧の半径とする曲線であり、円弧の両端が、人体検出手段で人体を検出する際のロボットの位置と、ベースステーションとであることが望ましい。
【００２３】
また、より好ましくは、ロボットを定位する位置は、アラームの停止後に上記人体が経由する領域を人体検出手段の検出領域に含む位置である。または、より好ましくは、ロボットを定位する位置は、伏臥状態の上記人体を人体検出手段の検出範囲に含まず、起立状態の上記人体を検出範囲に含む位置である。
【００２４】
また、上述のベースステーションは、ロボットの浮上を指示する指示手段をさらに備えることが望ましい。
【００２５】
本発明の他の局面に従うと、目覚まし時計は、ベースステーションとロボットとからなる目覚まし時計であって、ベースステーションは、時刻を計測する時刻計測手段と、時刻計時手段で予め設定された時刻が計時されるとアラームを動作させるアラーム開始手段とを備え、ロボットは、アラームを停止させるアラーム停止手段と、羽ばたき飛行によって浮上移動する移動手段と、人体を検出する人体検出手段と、人体検出手段で人体を検出する際の、ロボットの位置を、ベースステーションからの距離と、ベースステーションを基準とする角度とによって、予め設定する位置設定手段とを備える。
【００２６】
また、好ましくは、アラーム停止手段は、人体検出手段で人体を検出することでアラームを停止する。
【００２７】
また、好ましくは、人体検出手段は、起立状態である人体のみを検出する。より詳しくは、人体検出手段は、伏臥状態の上記人体を検出範囲に含まず、起立状態である上記人体を検出範囲に含むことがより好ましい。
【００２８】
また、目覚まし時計は、ロボットが浮上移動する軌道を設定する設定手段をさらに備えることが望ましい。
【００２９】
また、上述のベースステーションは、ロボットの離陸を指示する指示手段をさらに備えることが望ましい。
【００３０】
また、上述のアラーム停止手段は、ロボットが浮上移動後に所定の場所に帰還することによって、アラームを停止させることが望ましい。
【００３１】
また、人体検出手段で人体を検出する際のロボットの浮上高度が、起立状態である人体の身長以上であることが望ましい。
【００３２】
また、上述のロボットは、人体を検出する人体検出手段をさらに備え、人体検出手段で人体を検出する際のロボットの位置が、睡眠状態にある人体が覚醒後に第１に活動を行なう位置に起立した際の起立状態である人体を、人体検出手段で検出できる位置であることが望ましい。
【００３３】
また、目覚まし時計は、一定時間経過後に、自動的に前記ロボットを所定の場所に帰還させる帰還手段をさらに備えることが望ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００３５】
図１は、本実施の形態におけるアラームシステムの構成を示す図である。
図１を参照して、本実施の形態におけるアラームシステムは、羽ばたき浮上移動機構を備えたロボット９０と、ベースステーション９１とから構成される。
【００３６】
次に、上述のアラームシステムの動作について、具体的に説明を行なう。
アラームシステムのロボット９０は少なくとも、目標位置への定位、目標位置での待機、および目標位置よりベースステーション９１への帰還、の３つの動作を行なう。以降の説明において、これらの動作をそれぞれ定位動作、待機動作、および帰還動作、またこの動作を行なっている状態をそれぞれ、定位状態、待機状態、および帰還状態と称する。
【００３７】
部屋９２において、予め設定した時刻になるとロボット９０は、ベースステーション９１より浮上移動し、覚醒対象である睡眠者９３の身長以上の高さに定位する。また、ベースステーション９１はアラームを動作させる。
【００３８】
目標位置に定位後、ロボット９０はホバリングを行ない、後述の、睡眠者９３の起立確認がなされるまで略同位置にて待機する。
【００３９】
睡眠者９３は、起立し、ロボット９０の近辺まで移動し、ロボット９０に自らが起立状態にあることを認識させる。ロボット９０は、備えられたセンサにより、睡眠者９３が起立状態にあることを認識する。ロボット９０が睡眠者９３の起立状態を認識すると、ロボット９０は待機状態を解除し、ベースステーション９１に帰還する。ベースステーション９１はロボット９０の帰還を検出すると、アラームを停止させる。以上のプロセスにより、睡眠者９３はアラームを停止させることができる。
【００４０】
また、睡眠者９３は、起立状態にない限りアラームを停止させることができない。そのため、以上のプロセスにより、本実施の形態におけるアラームシステムは、アラーム停止動作と同時に、確実にかつ簡便に、睡眠者９３を起立状態に導くことができる。
【００４１】
次に、図１に示されるロボット９０について説明する。
図２は、図１に示されるロボット９０の主要な構成について示す図である。
【００４２】
図２を参照して、ロボット９０は支持構造１を主構造とし、これに各構成部品が配される。
【００４３】
より詳細には、支持構造１の上部には右アクチュエータ２１と左アクチュエータ２２とが固定される。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が取付けられる。各羽３１および３２の構成については、後に詳述する。
【００４４】
また、支持構造１の下部に電極６１が配される。
各アクチュエータ２１および２２は、各々取付けられた羽３１および３２を、アクチュエータ２１および２２の支点を略中心として、３自由度をもって回転させる。各アクチュエータ２１および２２の回転は、支持構造１に搭載された制御装置４によって制御される。各アクチュエータ２１および２２の詳細な構造については後述する。
【００４５】
なお、図２に示される状態におけるロボット９０の重心Ｏは、左右アクチュエータ２１および２２の回転中心の中点Ａ０よりも鉛直下方にある。
【００４６】
また、支持構造１には、加速度センサ５１、角加速度センサ５２、および人体センサ５３が搭載される。
【００４７】
上述の制御装置４は、上述の加速度センサ５１および角加速度センサ５２から送られる情報によって、ロボット９０の浮上の状態を検知する。
【００４８】
人体センサ５３は、人体もしくはその一部（例えば手のひら等）の存在の有無を検出し、その情報を制御装置４に送信する。
【００４９】
制御装置４は、これらの情報によりロボット９０の動作を決定し、ロボット９０を制御する。また、制御装置４は、支持構造１に配された発光ダイオード８のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００５０】
上述の左右アクチュエータ２１および２２、制御装置４、センサ５１〜５３、および発光ダイオード８等を駆動するエネルギーは、電力として電源６により供給される。電源６は、２次電池であり、電極６１１，６１２，６１３を経由して供給される電力によって充電される。
【００５１】
また、これとは別に、ロボット９０の軌道データをベースステーション９１より受取るための受信用シリアルインタフェースとして、電極６１２が配される。
【００５２】
また、電極６１１，６１２，６１３は、位置決めピンの役割も兼ねる。そのため、電磁石による吸引が可能なように、１つ以上のピンが磁性体を含む構成となっている。この構成により、ロボット９０は、後述する、電磁石による吸引機能を備えたベースステーション９１の位置決穴に、所定の姿勢で定位することが可能である。なお、以上の電極６１１，６１２，６１３は、個別に運動することがないので簡便のため、まとめて電極６１とも称する。
【００５３】
次に、上述の支持構造１について、図２を用いてより詳細に説明する。
支持構造１は、機械的強度を確保した上で十分軽量であることが望ましい。本実施の形態におけるロボット９０の支持構造１では、略球殻状に整形したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられるものとする。
【００５４】
また、支持構造１の材料や形状は、飛行の性能を損なわないものであれば、上述の材料や、図２に示された形状に限られるものではない。すなわち、支持構造１の材料は、特に、軽量で剛性が高いことが望ましい。そのため、例えば、蟹や海老等の生物に使われているキトサンなどの有機物と、シリカゲルなどの無機物とを、分子レベルでハイブリッド化した複合材料を用いることも考えられる。前記複合材料を用いることにより、蟹や海老等の外骨格が備える、軽くて丈夫であり、かつ、形状加工が容易であるという、生物が本来持っている最適な組成値をそのまま支持構造１に転用することができる。また、上述の複合材料は、環境に対しても害が少ないため望ましい材料である。さらに、貝殻の材料である炭酸カルシウムを、前述のキトサンに替えて用いることでも、剛性の高い支持構造１を構築することができる。
【００５５】
また、アクチュエータ２１および２２、羽３１および３２の配置、形状についても、図２に示される態様に限るものではない。
【００５６】
なお、本実施の形態では、ロボット９０の浮上の安定性を特に重要視して、すなわち、浮上時に自然に図２に示した姿勢となるように、重心Ｏの位置を羽３１および３２の力学的作用中心点（回転中心の中点Ａ０）の位置よりも下に位置させている。しかし、重心Ｏと力学的作用点（回転中心の中点Ａ０）の位置とを一致させる方が、ロボット９０姿勢制御に必要な左右の羽３１および３２の流体力の差を最も小さくすることができるため、ロボット９０の姿勢を容易に変更することができる。よって、ロボット９０の形態は、上述の、重心Ｏの位置を羽３１および３２の力学的作用中心点の位置よりも下に位置する形態に限定されず、上述の、重心Ｏと力学的作用点の位置とを一致させる形態、すなわち、姿勢制御の容易さを優先した設計を行なうことも考えられる。
【００５７】
次に、上述のロボット９０の、羽３１および３２の構成とその動作について、以下に説明する。
【００５８】
ここで、説明の簡便のため、図２における座標系を定義する。
まず、支持構造１の略中央を原点とする。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。
【００５９】
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３２に向かってｙ軸を定義する。また、原点から、ｙ軸とｚ軸との右手系における外積方向にｘ軸を定義し、以後これを前方、その反対方向を後方と称する。
【００６０】
また、図２には、ロボット９０が、右羽３１の右アクチュエータ２１に対する力学的作用点Ａ１と、左羽３２の左アクチュエータ２２に対する力学的作用点Ａ２との中点Ａ０から、重力加速度方向に下ろした線上に本装置の重心Ｏが位置する状態であることが示されている。本実施の形態においては、左アクチュエータのロータ２２９（図示せず）は略球状であり、左羽３２の主軸３２１の延長線上にこのロータ２２９の球心が位置するように左羽３２が配置される。左アクチュエータ２２に対する力学的作用点Ａ２および主軸３２１の回転運動の支点は、このロータ２２９の球心に一致する。なお、右アクチュエータ２１についても同様である。
【００６１】
以後、前述したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は図２に示される状態において、支持構造１に対して固定された、本実施の形態のロボット９０に固有の座標系であるものとして説明を行なう。
【００６２】
一方、上述のロボット９０の固定された座標系に対して、空間に固定された任意の点を原点とする空間座標として、ｘ’軸、ｙ’軸およびｚ’軸を定義する。これにより、ロボット９０が移動する作業空間９２の座標は、上述のｘ’軸、ｙ’軸およびｚ’軸のそれぞれの座標を用いて表され、ロボット９０における固有の座標は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のそれぞれの座標を用いて表される。
【００６３】
次に、羽３１および３２の構造について説明する。
左羽３２は、主軸３２１と、主軸３２１から枝状に伸びた枝３２２とから構成される支持部材に、膜３２３を張ることで形成される。主軸３２１は、左羽３２において、前方よりの位置に配される。また、枝３２２は、先に行くほど（主軸３２１から遠くなるほど）下方を向く。さらに、左羽３２は、上に凸状の断面形状を有する。これによって、特に左羽３２を打下ろす際に、左羽３２は、流体から受ける力に対して高い剛性を得る。
【００６４】
上述の主軸３２１と枝３２２とは、軽量化のため、それぞれカーボングラファイトの中空構造である。また、膜３２３は、その面内において収縮する方向に自発的な張力を有し、左羽３２全体の剛性を高める働きを行なう。
【００６５】
なお、具体的に、本発明者らが実験に用いた数値は、以下の数値である。左羽３２の主軸３２１の直径は、支持構造１に支持された根元の部分では１００μｍ、先端部では５０μｍであり、主軸３２１は根元から先端部へ向かって細くなるテーパー形状である。また、膜３２３の材質はポリイミドであり、膜３２３の大きさは前後方向約１ｃｍ、左右方向約４ｃｍ、厚さは約２μｍである。
【００６６】
さらに、上述の具体的な左羽３２の構成を図示する。図３は、左羽３２の構成の具体例を示す図である。図３に示された左羽３２は、説明のために主軸３２１はその太さが拡大されて示されている。図示されない右羽３１は、ｘｚ平面を挟んで左羽３２と鏡面対象になるように支持構造１に取付けられる。
【００６７】
なお、ここに示した羽３１および３２の形状、材質等は具体例の１つであり、飛行の機能を実現する羽３１および３２の構成は、ここに示される形状、材質等に限定されない。
【００６８】
次に、羽３１および３２の動作について、左羽３２を例に挙げて説明する。
左アクチュエータ２２は、左羽３２を回転３自由度で動かすことが可能である。つまり、左羽３２の駆動状態は、その姿勢で表わされる。ここで、以後の説明の簡便のため、左羽３２の姿勢を、図２に示される状態に基づき、以下のように定義する。図４および図５は、左羽３２の姿勢を示すための第１の図および第２の図である。
【００６９】
まず、図４に示すように、主軸３２１の回転運動の支点（力学的作用点Ａ２）と、ｘ軸およびｙ軸にそれぞれ平行な軸（／／ｘ、／／ｙ）とを含むｘｙ平面に平行な平面を基準として、点Ａ２と左羽３２の主軸３２１の根元とを結ぶ線分がその平面となす角度を、羽ばたきのストローク角θとする。また、主軸３２１の回転運動の支点（力学的作用点Ａ２）とｙ軸およびｚ軸にそれぞれ平行な軸（／／ｙ、／／ｚ）とを含むｙｚ平面に平行な平面を基準として、点Ａ２と左羽３２の主軸３２１の根元とを結ぶ線分がその平面となす角度を偏角αとする。
【００７０】
このとき、ストローク角θはｘｙ平面に平行な平面より上方では正とし、下方では負とする。また偏角αはｙｚ平面に平行な平面よりも前方では正とし、後方では負とする。
【００７１】
そして、図５に示すように、左羽３２の主軸３２１の根元における膜３２３の接平面ｐ１が、点Ａ２を通りｘ軸と平行な軸（／／ｘ）と主軸３２１とを含む平面ｐ０となす角度を、ねじり角βとする。このとき、ねじり角βは、主軸３２１の根元から先端に向かって見たときに、時計回りを正とする。
【００７２】
次に、アクチュエータ２１および２２について説明を行なう。
本実施の形態におけるアクチュエータ２１および２２については、トルクが大きいこと、往復運動が簡単に実現できること、および構造が単純なことなどから、圧電素子（ピエゾ）を用いて発生した進行波によって駆動する、一般的に超音波モータと呼ばれるアクチュエータを用いる。
【００７３】
まず始めに、一般的な超音波モータについて検討を行なう。図６は、一般的な超音波モータ２３を示す図である。
【００７４】
図６を参照して、超音波モータ２３は、図６（ａ）に示される如く、下面に圧電素子２３０を貼付けてあるアルミニウムの円盤２３１上に、突起２３２〜２３７が円盤２３１の中心を重心とする正六角形をなすように６カ所配され、さらにこの圧電素子２３０の下面には円周方向に１２分割された電極２３８が配される構造である。
【００７５】
さらに、超音波モータ２３の構造の概略を図６（ｂ）に示す。１２分割された電極２３８の各電極は、１つおきに電気的に短絡されており、それぞれ、円盤２３１を規準に電圧が印加される。すなわち圧電素子２３０には、２相の異なる電圧が加えられる。この様子を図６（ｃ）に、ハッチングと黒塗りつぶしとに分けて示す。このそれぞれに異なる時間的パターンで電圧を加えることによって、円盤２３１上に進行波が発生し、突起２３２〜２３７の先端が楕円運動を行なう。
【００７６】
なお、以上の、検討に用いた一般的な超音波モータ２３の、具体的な数値の例を挙げる。
【００７７】
超音波モータ２３のトルクは、１．０ｇｆ・ｃｍで、無負荷回転速度は８００ｒｐｍである。また、その際の最大消費電流は２０ｍＡである。また、円盤２３１の直径は８ｍｍ、突起２３２〜２３７の配されている間隔は２ｍｍである。円盤２３１の厚さは０．４ｍｍ、突起の高さは約０．４ｍｍである。また、この場合の圧電素子２３０の駆動周波数は３４１ｋＨｚである。
【００７８】
上述の一般的な超音波モータ２３を用いて、ステータを構成することができる。このステータは、ステータ上に接触して配されたロータ２３９（図示せず）を、上述の突起２３２〜２３７の先端の楕円運動により搬送する。
【００７９】
本実施の形態におけるロボット９０では、上述のステータ部分を流用したアクチュエータ２１および２２を用いる。
【００８０】
次に、図７は、右アクチュエータ２１の構成を示す図である。
図７を参照して、右アクチュエータ２１は、図７（ｂ）に示す如く、球殻状のロータ２１９を、上述のステータと同様のステータ２１０とベアリング２１１とで挟込んで保持する構造である。ただし、ステータ２１０のロータ２１９との接触部は、ロータ２１９表面と一致する形状に加工される。
【００８１】
なお、本実施の形態におけるロータ２１９のサイズの具体例としては、外形３．１ｍｍ、内径２．９ｍｍの球殻で、表面に右羽主軸３１１が配される。ステータ２１０の突起のある面に向かって見て時計回り（以後、これを正回転、この逆の回転を逆回転と呼ぶ）にロータ２１９を搬送させる操作を行なうと、右羽主軸３１１は図７（ｂ）に示すθの方向に移動する。
【００８２】
さらに、上述のロータ２１９を３自由度で駆動するために、上部補助ステータ２１２と下部補助ステータ２１３とをベアリング２１４、２１５と共にステータ２１０、ベアリング２１１と同様に図７（ａ）に示すように配する。本実施の形態においては、各補助ステータ２１２，２１３の大きさの具体例としては、ステータ２１０の０．７倍である。
【００８３】
上述のステータの駆動方向は、必ずしも直交していない。しかし、それぞれ独立した要素への回転を与えるため、これらの運動の組合わせによって、ロータ２１９を３自由度で駆動することができる。
【００８４】
例えばロータ２１９に対して、上部補助ステータ２１２によって正回転を、下部補助ステータ２１３によって同じく正回転を与えれば、ロータ２１９はこの合成であるβ方向に回転する。また、上部補助ステータ２１２によって逆回転を、下部補助ステータ２１３によって正回転を与えれば、α方向に回転する。
【００８５】
なお、実際の駆動に際しては、回転中心の異なる２つの回転を行なわせることは、摩擦によって効率を低下させてしまう。そのため、例えば上部補助ステータ２１２と下部補助ステータ２１３とをごく短時間周期で交互に動作させ、その間、動作していないステータの突起はロータ２１９に接触しない、等の駆動方法を行なうことが望ましい。これは、ステータの電極全てに、圧電素子の収縮方向に電圧を印加することで、特別に構成要素を付加することなく実現することができる。
【００８６】
また、実際の圧電素子の駆動周波数が３００ｋＨｚ以上と、せいぜい１００Ｈｚ程度である羽ばたき周波数に比べて十分高速であるので、交互にアクチュエータ２１を動作させても、実質上なめらかな動きを右羽主軸３１１に与えることができる。
【００８７】
以上により、上述の検討に用いた一般的な超音波モータ２３と同等の特性を有する、３自由度を備えるアクチュエータ２１および２２が構成される。
【００８８】
なお、上述のステータの発生する進行波の振幅がサブミクロンオーダであるため、上述のロータ２１９は、このオーダの真球度であることが要求される。民生用の光学製品に用いられている放物面鏡の加工精度は数１０ｎｍであり、また、光学干渉計に用いられる光学部品の加工精度は数ｎｍ程度であることから、このようなロータは現在の加工方法、技術で作成することが可能である。
【００８９】
なお、これは本発明における３自由度の運動を羽３１および３２に与えるアクチュエータ２１および２２を超音波モータで構成した具体例の１つに過ぎず、各構成要素の配置、サイズ、材質、および駆動方法等は、羽ばたき飛行に要求される物理的機能、例えばトルク等が実現できるならこの限りではない。
【００９０】
また、言うまでもなく、羽３１および３２の駆動機構や、羽３１および３２の駆動に用いるアクチュエータ２１および２２の種類についても、特に上述に限定されるものれはない。たとえば特開平５−１６９５６７号公報に開示されているような、外骨格構造とリニアアクチュエータとを組合わせて用いた羽ばたき機構等であっても、上述のアクチュエータ２１および２２と等価な羽３１および３２の動作を実現できる。
【００９１】
また、駆動エネルギーとして電力を用いたが、内燃機関を用いることも可能である。さらに、昆虫の筋肉に見られるような、生理的酸化還元反応により、化学的エネルギーを運動エネルギーに変換するアクチュエータを用いることも可能である。例えば、昆虫から採取した筋肉をリニアアクチュエータとして用いる方法や、虫の筋肉のタンパク質のアミノ酸と無機物とを材料として分子レベルでこれらを複合化させて作った複合材料の人工筋肉をリニアアクチュエータとして用いる、等の方法がある。
【００９２】
さらに、基本的な駆動力を上述の内燃機関等のエネルギー効率の高いアクチュエータで得て、これらの制御もしくは補助として電力で駆動するアクチュエータを用いる手法も可能であることは言うまでもない。
【００９３】
次に、ロボット９０の浮上方法について説明を行なう。
なお、ここでは、羽３１および３２が流体から受ける力を流体力と呼ぶこととする。また、説明の簡便のため、空気の流れはがはばたきによってのみ起こる状態、すなわち無風状態であるものと仮定して説明する。さらに、説明の簡便のため、ロボット９０に及ぼされる外力は、羽３１および３２に流体から作用する力、すなわち、流体力と重力とのみであるものとする。
【００９４】
ロボット９０が恒常的に浮上するためには、１回の羽ばたき動作の間で、平均して、
（羽にかかる上方向の流体力の総和）＞（ロボット９０にかかる重力）
であることが必要である。
【００９５】
ここでは、昆虫の羽ばたきを単純化した羽ばたき方である、打下ろし時の流体力を打上げ時の流体力よりも大きくする方法について説明する。説明の簡便のため、流体の挙動もしくはそれが羽３１および３２に及ぼす力については、その主要成分を挙げて説明する。また、この羽ばたき方によりロボット９０に作用する浮上力と重力との大小については後述する。
【００９６】
羽３１および３２には、羽３１および３２が運動する方向と逆方向の流体力が作用する。そのため、羽３１および３２の打下ろし時には羽３１および３２に上向きの流体力が作用し、打上げ時には羽３１および３２に下向きの流体力が作用する。そこで、打下ろし時に流体力を大きくし、打上げ時には流体力を小さくすることで、１回の羽ばたき動作（打下ろし動作と打上げ動作とをまとめて羽ばたき動作と言う）の間で時間平均すると上方向の流体力が得られることになる。
【００９７】
そのためには、まず、打下ろし時に、羽３１および３２が移動する空間の体積が最大になるように打下ろせば、羽３１および３２にほぼ最大の流体力が作用する。これは、羽３１および３２の接平面と略垂直に羽３１および３２を打下ろすことに相当する。
【００９８】
一方、打上げ時に、羽３１および３２が移動する空間の体積が最小になるように打上げれば、羽３１および３２に及ぼされる流体力はほぼ最小となる。これは、羽３１および３２の断面の曲線にほぼ沿って羽３１および３２を打上げることに相当する。
【００９９】
このような羽３１および３２の動作について、図８および図９を用いて、例として左羽３２について説明を行なう。図８および図９は、左羽３２の、主軸３２１に垂直な第１および第２の断面図である。図８は左羽３２の移動する空間の体積が最大になるように打下ろした場合を示す図であり、図９は左羽３２の移動する空間の体積が最小になるように打上げた場合を示す図である。
【０１００】
図８および図９では、移動前の左羽３２の位置は破線で示され、移動後の左羽３２の位置は実線で示されている。また、左羽３２の移動方向が一点鎖線の矢印によって示されている。図８および図９において太線矢印に示される如く、流体力は左羽３２の移動方向とは逆向きに左羽３２に作用する。
【０１０１】
このように、打上げ時における左羽３２が移動する空間の体積が、打下ろし時における左羽３２が移動する空間の体積よりも大きくなるように、左羽３２の姿勢を左羽３２の移動方向に対して変化させることで、１回の羽ばたき動作の間の時間平均において、左羽３２に作用する上方向の流体力を、ロボット９０に作用する重力よりも大きくすることができる。
【０１０２】
本実施の形態のロボット９０では、羽３１および３２のねじり角βが制御可能である。そのため、ねじり角βを時間的に変化させることによって、上述の羽３１および３２の運動が実現される。
【０１０３】
具体的には、図１０〜図１３に示される左羽３２の羽ばたき動作に沿って、以下のステップＳ１〜Ｓ４の説明を行なう。図１０〜図１３は、左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ１〜ステップＳ４を示す図である。
【０１０４】
まず、図１０を参照して、ステップＳ１では、左羽３２の打下ろしが行なわれる。そのとき、左羽３２のストローク角θは、＋θ０から−θ０に変化する。
【０１０５】
次に、図１１を参照して、ステップＳ２では、左羽３２の第１の回転動作が行なわれる。このとき、左羽３２のねじり角βは、β０からβ１に変化する。
【０１０６】
また、図１２を参照して、ステップＳ３では、左羽３２の打上げ（ストローク角θ＝−θ０→＋θ０、ねじり角β＝β１→β２が行なわれる。このとき、左羽３２の曲面に沿った運動を行ない流体力を最小限にとどめるために、左羽３２のストローク角θは−θ０→から＋θ０に変化し、ねじり角βはβ１からβ２に変化する。
【０１０７】
さらに、図１３を参照して、ステップＳ４では、左羽３２の第２の回転動作が行なわれる。このとき、左羽３２のねじり角βは、β２からβ０に変化する。
【０１０８】
上述の、ステップＳ１およびステップＳ３において左羽３２に作用する流体力を時間平均すると、上述のように左羽３２の移動する空間の体積の違いから、上向きの流体力となる。なお、この上向きの流体力の鉛直成分と重力との大小関係については後述する。
【０１０９】
なお、言うまでもなく、ステップＳ２およびＳ４においても、左羽３２に作用する流体力の時間平均は、上向きの流体力であることが望ましい。
【０１１０】
ここで、ロボット９０の羽３１および３２では、図１０〜図１３に示す如く、羽３１および３２の前縁近傍に、羽３１および３２の回転中心（主軸３２１部分）が位置する。つまり、主軸３２１から羽３２の後縁までの長さの方が主軸３２１から羽３２の前縁までの長さよりも長い。このため、図１１および図１３に示すように、羽３２の回転動作においては、羽３２の回転方向に沿って生じる流体の流れに加えて、主軸３２１から羽３２の後縁に向かう方向に沿って流体の流れが生じる。
【０１１１】
そして、羽３１および３２には、このような流体の流れの反作用として、それぞれの流れの向きとは逆向きの力が作用して、図１１に示すステップＳ２では実質的に上向きの流体力が左羽３２に与えられ、図１３に示すステップＳ４では主に下向きの流体力が左羽３２に与えられる。
【０１１２】
さらに、図１２に示すステップＳ３では、左羽３２の断面の曲線に沿うように左羽３２のねじり角βをβ１からβ２に変化させながら打上げ動作が行なわれる。また、図１１に示すステップＳ２における左羽３２の回転角は、図１３に示すステップＳ４における左羽３２の回転角よりも大きい。これにより、ステップＳ２およびステップＳ４においても、左羽３２に上向きに作用する流体力が下向きに作用する流体力に打勝って、時間平均すると上向きの流体力が左羽３２に作用する。
【０１１３】
なお、図１０〜図１３では、それぞれのステップＳ１〜Ｓ４における左羽３２の移動前の姿勢が波線で示され、移動後の姿勢が実線で示されている。また、各ステップＳ１〜Ｓ４における左羽３２の移動方向が一点鎖線の矢印によって示されている。また、各ステップＳ１〜Ｓ４において主に発生する流体の流れが実線の矢印によって示されている。
【０１１４】
次に、ストローク角θおよびねじり角βの時間変化について図１４に示す。図１４は、ストローク角θおよびねじり角βの値を時間の関数として表した図である。ただし、図１４では、ストローク角θ、およびねじり角βのそれぞれの縦軸の比率は異なっている。
【０１１５】
なお、具体的に、本発明者らが実験に用いた数値は、以下の数値である。θ０は６０°である。β０は０°である。β１は−１２０°である。β２は−７０°である。
【０１１６】
さらに、上述の説明においては、説明の簡便のためステップＳ１〜Ｓ４は独立した動作として記述したが、ステップＳ１において左羽３２を打下ろしながら左羽３２のねじり角を大きくするような動作も可能である。また、上述した例は、最も近似的な考察から説明されるものであり、実際に浮上可能な羽ばたき方法は上述の例に限られるものではない。
【０１１７】
また、ここでは左羽３２について説明したが、右羽３１についてもｘｚ平面に関して鏡面対称に左手系に基づいてストローク角θ、偏角α、およびねじり角βを定義すれば同一の議論が成立つ。以下、羽３１および３２に作用する上向きの流体力を浮上力とし、羽３１および３２に作用する前向きの流体力を推進力とする。
【０１１８】
次に、本実施の形態におけるロボット９０に任意の運動を行なわせるための制御手法について説明を行なう。ここでは、本実施の形態におけるロボットの左羽３２については右手系に基づくストローク角θ、偏角αおよびねじり角βを用い、そして、右羽３１についてはｘｚ平面に対して鏡面対称の左手系に基づくストローク角θ、偏角αおよびねじり角βを用いて羽の姿勢を示す。
【０１１９】
上述の如く、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われる。そのため、羽の運動により、ロボット９０に与えられる加速度と角加速度とが直接制御される。
【０１２０】
まず、Ｓを目標とする浮上状態と現在の浮上状態との差異とする。Ｔ（Ｓ）を浮上状態から加速度および角加速度への変換を表わす関数とする。ｓを加速度および角加速度とする。Ｆα（ｓ）を加速度センサ５１および角加速度センサ５２のセンサ応答を含めた制御アルゴリズムを表わす関数とする。ｓαをアクチュエータ制御量とする。Ｇｗ（ｓα）をアクチュエータ２１および２２と羽３１および３２との応答を表わす関数とする。Ｓｗを羽３１および３２の運動とする。Ｇｆｓ（ｓｗ）を羽３１および３２の運動によりロボット９０に及ぼされる加速度もしくは角加速度Ｓｅを表わす関数とする。Ｓｅがこの一連のプロセスにより行なわれる浮上状態の変更とする。そのとき、入力Ｓより出力Ｓｅが得られるプロセスは、図１５に示す如くなる。図１５は、羽ばたき動作制御における応答を示す図である。
【０１２１】
さらに、図１５を参照して、実際には、羽３１および３２と流体との慣性力により、現在までの羽３１および３２の運動Ｒｗと、流体の運動の時刻歴に依存する影響Ｒｆｓとが、ＧｗとＧｆｓとに加わる。
【０１２２】
なお、上述の方法以外にも、Ｆα以外の全ての関数を正確に求め、これよりＳ＝Ｓｅとなる制御アルゴリズムＦαを算出する手法もありうる。しかし、この手法においては、ロボット９０周囲の流体の流れと羽３１および３２の運動の時刻歴とが必要であり、膨大なデータ量と演算速度とが必要となる。また、流体と構造と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。そのため、この手法は実用的でない。そこで、予め基本的な動作パターンを用意し、目標とする浮上状態を分割して、これら基本動作パターンを時系列に組合わせて実現する手法が簡便で望ましい。
【０１２３】
物体の運動にはｘ方向、ｙ方向、ｚ方向３自由度の並進自由度とθｘ方向、θｙ方向、θｚ方向３自由度の回転自由度、つまり６自由度が存在する。すなわち前後、左右、上下、そしてこれらの方向を軸とする回転である。
【０１２４】
このうち、左右への移動は、θｚ方向の回転と前後方向への移動とを組合わせて行なうことができる。そこで、ここでは、上下方向すなわちｚ軸方向への並進動作、前後方向すなわちｘ軸方向への並進移動、およびｘ軸ｙ軸ｚ軸周りの回転動作について、それぞれその実現方法を説明する。
【０１２５】
（１）上下方向（ｚ軸方向）の動作
羽３１および３２が移動することで、羽３１および３２が流体から受ける力は羽３１および３２の移動速度に依存する。そのため、羽３１および３２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
等の方法がある。これらの方法によってロボット９０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。
【０１２６】
なお、これらの手法によれば、羽３１および３２が流体から受ける流体力そのものが大きくなる。そのため、羽３１および３２が流体力を上下方向以外から受けることによって、羽３１および３２の力学的支点Ａ１およびＡ２に羽３１および３２から上下方向以外の力が及ぼされている際には、上昇と共に、その方向へのこの支点Ａ１およびＡ２にかかる力の増加も伴なう。例えば、前方に略等速直線運動を行なっている際に羽ばたき周波数を大きくすると、ロボット９０は速度増加を伴なって上昇する。このように、現時点での羽ばたき方によって、副次的にこのような他の運動を伴なうが、以後、特に断らない限り、停空状態からの制御について説明する。
【０１２７】
また、羽３１および３２のねじり角βを変えて、羽３１および３２が移動する空間の体積を変化させることによっても浮上力は変化する。例えば、打上げ時における羽３１および３２が移動する空間の体積がより大きく、もしくは、打下ろし時における羽３１および３２が移動する空間の体積がより小さくなるようなねじり角βとすることで、羽３１および３２に作用する上向きの流体力の時間平均は小さくなる。実際には、羽３１および３２は剛体でなく変形を伴なうため、同一のねじり角βによっても羽３１および３２が移動する空間の体積は変化する。しかし、第一原理的には、羽３１および３２の移動する方向に垂直なねじり角βが最も大きくなる、羽３１および３２が移動する空間の体積を考える。また、羽３１および３２が移動する方向に平行なねじり角βが最も小さくなる、羽３１および３２が移動する空間の体積を考える。
【０１２８】
なお、この場合、副次的に、羽ばたきと垂直方向にも流体力が作用する。そのため、この垂直方向の流体力が制御上支障を生じるレベルである場合は、これを打消す羽３１おおよび３２の動きを付加する必要がある。最も単純には、偏角αの変更により実現できる。
【０１２９】
また、前記のステップＳ２もしくはステップＳ４において、羽３１および３２の回転角速度を変化させることによっても、ｚ軸方向の動作を行なうことは可能である。例えば、ステップＳ２において羽３１および３２の回転角速度（−ｄβ／ｄｔ）を大きくすると、この回転によって生じる流体の下方向への流速が大きくなるため、この反作用によって羽３１および３２に作用する上向きの流体力は大きくなる。
【０１３０】
なお、上述の場合、ロボット９０に及ぼされる、羽３１および３２の主軸３１１および３２１を回転軸とするトルクが、副次的に変化する。よって、この変化が制御上支障のない範囲内で、この回転角速度変化を行なうことが望ましい。
【０１３１】
また、この場合、ロボット９０に及ぼされる、前後方向への力も副次的に変化する。よって、この変化が制御上支障を来たす場合は、（２）として後述する前後方向への力の制御も同時に行なうことが望ましい。
【０１３２】
（２）前後方向（ｘ軸方向）への動作
前述した羽ばたき方法では、主にステップＳ２およびステップＳ４にて、ｘ方向正の向きへの流体力が羽３１および３２に作用する。したがって、この羽３１および３２の動かし方においては、前進を伴なって浮上する。
【０１３３】
また、打下ろしの際に、偏角αを増加して羽３１および３２を前方に移動させることで、羽３１および３２には後向きの流体力が作用することになる。したがって、打下ろしの際、すなわちステップＳ１における偏角αを制御して、ステップＳ１における羽３１および３２に作用する後向きの流体力を、他の（主にステップＳ２とステップＳ４における）前向きの流体力よりも大きくすれば後退し、小さくすれば前進することができる。また、この後向きの流体力と前向きの流体力とがほぼ釣合えば、前後方向に静止することができる。
【０１３４】
特に、ロボット９０が前後方向に静止しており、左右の羽３１および３２が略対象な運動を行ない、重力とロボット９０における浮上力とが釣合っているならば、ホバリング状態が実現できる。
【０１３５】
なお、偏角αの変更に伴ない、副次的に、羽３１および３２に及ぼされる流体力の鉛直方向成分が変化する。そのため、この流体力の鉛直方向成分が制御上支障を生じるレベルである場合には、これを打消す羽３１および３２の動きを付加する必要がある。これは主に前述（１）の上下方向の動作によって行なうのが簡便である。
【０１３６】
さらに、前述したステップＳ２およびステップＳ４において、羽３１および３２の回転動作の角速度を大きくすると前向きの流体力が増加し、小さくすると減少する。これによっても前後方向への動作を変化させることができる。
【０１３７】
また、（１）に述べた羽３１および３２のねじり角βの変更に伴なう副次的な流体力のうち、ｘ軸方向成分を利用する手法を用いることもできる。つまり、打下ろし時に、ねじり角β＞０なら前方向への力が働き、ねじり角β＜０なら後ろ方向への力が働く。
【０１３８】
なお、打上げ時のねじり角β、偏角α、およびストローク角θの関係は、ある程度拘束されているが、以上の流体力の制御は、ステップＳ３においても可能である。
【０１３９】
（３）ｚ軸を回転軸とする回転動作
（２）において述べた前後方向への制御を、左羽３２と右羽３１について個別に行ない、これを異ならせることで、ロボット９０にトルクを与えることができる。
【０１４０】
すなわち、右羽３１の前向きの流体力を、左羽３２のそれに対して高くすれば、ロボット９０はｘ軸正の向きに向かって左方向を向き、低くすれば同じく右方向を向く。これによって、ｚ軸を回転軸とする回転動作を行なうことができる。
【０１４１】
（４）ｘ軸を回転軸とする回転動作
（３）と同様に、右羽３１の上向きの流体力を、左羽３２のそれに対して大きくすれば右側が持上がり、小さくすれば左側が持上がる。これによって、ｘ軸を回転軸とする回転動作を行なうことができる。
【０１４２】
（５）ｙ軸を回転軸とする回転動作
（２）に述べた、羽３１および３２のねじり角βの角速度変更によって、ロボット９０にかかるｙ軸周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。例えば、ステップＳ１におけるねじり角βの回転角速度を大きくすると、ロボット９０は機首を下げ、逆に小さくすると機首を上げる。
【０１４３】
（６）ホバリング（停空飛翔）
ロボット９０を停空させる際のストローク角θ、偏角α、およびねじり角βと時間との関係を、図１６に示す。図１６は、ロボット９０を停空させる際のストローク角θ、偏角α、およびねじり角βの値を、時間の関数として表わした図である。ただし、図１６においては、それぞれの角度の縦軸の比率は異なっている。
【０１４４】
なお、具体的に、本発明者らが実験に用いた数値は、以下の数値である。θ０は６０°である。β０は−１０°である。α１は３０°である。β１は−１００°である。β２は−６０°である。
【０１４５】
さらに、上述の（１）および（２）に示された動作においての、各ステップＳ１〜Ｓ４における左羽３２の運動と、それにより左羽３２の力学的支点Ａ２に生じる加速度および角加速度とを図１７に示す。図１７は、羽３１および３２の制御とそれによりもたらされる動作とを対応付ける図である。図１７においては、各ステップＳ１からＳ４における左羽３２の運動ごとに、左羽３２の力学的支点Ａ２に生じる加速度および角加速度とを丸印で示す。ただし、左右の羽３１および３２の運動の非対称によって起こすことができるため、（３）、（４）に示すｘ軸、ｚ軸を回転軸とする回転動作については省略する。
【０１４６】
次に、本実施の形態におけるロボット９０に任意の運動を行なわせるための制御方法を決定する手法について説明を行なう。
【０１４７】
ロボット９０の現在の浮上状態は、ロボット９０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換した値を用いて求められる。例えば、速度は、加速度を時間積分した値に速度の初期値を加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。当然、浮上状態に、浮上状態の時刻歴を含む手法を用いることもできる。
【０１４８】
制御装置４は、現在のロボット９０の浮上状態と、目的とする浮上状態とから、ロボット９０の動作を決定する。この制御は、３次元で行なわれる点以外は従来から行なわれている制御手法を適用することができる。
【０１４９】
ロボット９０の動作は、制御装置４にて、アクチュエータ２１および２２の駆動に変換される。
【０１５０】
この変換には、テーブル参照、もしくはその補完を用いる方法が高速である。例えば、図１８は、基本となる動作と、それを実現するアクチュエータ２１および２２の駆動の組合わせとを定めるテーブルである。図１８に示されるテーブルを予め用意することで、ロボット９０の動作が、制御装置４にて、アクチュエータ２１および２２の駆動に変換される。なお、図１８の左端列は、目的とする動作である。また、羽ばたきにおけるＡおよびＢは、Ａは前進時の羽ばたき方、Ｂは停空時の羽ばたき方である。より具体的には、それぞれ図１４および図１６に示される、偏角α、ねじり角β、およびストローク角θの時刻歴を、時間的に離散化したものである。制御装置４は、ロボット９０の動作から、この駆動もしくはその補完した駆動を、図１８に示されるテーブルより算出する。
【０１５１】
なお、ここでは説明のため、まずロボット９０の動作を算出し、これをアクチュエータ２１および２２の駆動に変換するという手法を用いたが、浮上状態から直接アクチュエータ２１および２２の駆動を選択する手法を用いてもよい。
【０１５２】
例えば、定位制御を行なう場合、現在位置と目標位置との差によって、上述したアクチュエータ２１および２２の駆動のいずれか、もしくはそれを補完した駆動を直接算出する手法であってもよい。
【０１５３】
また、言うまでもなく、ロボット９０の浮上状態を表わす物理量は、上述の位置、速度、加速度等に限定されるものではない。また、言うまでもなく、アクチュエータ２１および２２の駆動を決定する手法は、この態様に限らない。
【０１５４】
次に、本実施の形態におけるロボット９０の構成で浮上が可能な条件について、以下に述べる。
【０１５５】
本発明者らの実験環境では、アクチュエータ２１および２２として進行波アクチュエータを用いた。この進行波アクチュエータによれば、ステータ２１０は超音波モータ２３と同等であるので、θ方向の羽ばたきに関してはトルク１．０ｇｆ・ｃｍである。
【０１５６】
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で羽ばたいた際の流体力を算出した。以下にその際の値を、具体例として挙げる。
【０１５７】
羽３１および３２は、アクチュエータ２１および２２から離れる方向が長辺で、長辺４ｃｍ、短辺１ｃｍの矩形であるものとする。なお、羽３１および３２の変形は無視する。また、幅８ｍｍ、長さ３３ｍｍのトンボの羽が約２ｍｇであったので、これにならい、羽３１および３２の質量は３ｍｇとする。
【０１５８】
さらに、超音波モータ２３は、突起先端２３２〜２３７の微小な楕円運動の累積によってロータを駆動するため、実際の駆動トルクの立上がりおよび立下がりは、楕円運動の周期オーダ、すなわち１０の５乗ヘルツオーダーである。しかし、計算の安定性からの制約上、±２５０ｇｆ・ｃｍ／ｓｅｃとする。すなわち、トルクは０．００４秒に１ｇｆ・ｃｍ上昇する。
【０１５９】
この羽３１および３２を、一方の短辺を、この辺を回転軸とする回転自由度のみ残して固定し、この回転自由度にトルクを与える。図１９は、回転軸にかかる反力を、上述の具体的な数値を用いて算出した結果を示す図である。ただし、偏角α＝０（度）、ねじり角β＝０（度）である。
【０１６０】
図１９を参照して、時刻０秒において羽３１および３２は水平、すなわちストローク角θ＝０（度）である。ここから時刻０．００４秒までの間にトルクを１ｇｆ・ｃｍまで直線的に向上させ、０．００４秒から０．０１秒まで１ｇｆ・ｃｍを保つ。そして時刻０．０１秒から０．０１８秒までの間にトルクを１ｇｆ・ｃｍから−１ｇｆ・ｃｍまで直線的に変化させ、同０．０１８秒から０．０３秒までは−１ｇｆ・ｃｍを保ち、同０．０３秒から０．０３８秒までの間に再び１ｇｆ・ｃｍへと直線的に変化させる。
【０１６１】
これにより得られた接点反力を、打下ろしの間、すなわちトルクが負である時間である時刻０．０１４秒から時刻０．０３４秒までの間で平均すると約０．２９ｇｆである。
【０１６２】
以上のシミュレーションは、１自由度のはばたき動作の結果であるため、打上げ時における流体力の作用は不明である。しかし、断面積に比して流体の抵抗は減少するので、打上げ時に働く下向きの支点反力を小さくし、かつ、打下ろし時と同じトルクで打上げることが可能なため、打上げに要する時間は打下ろしに要する時間より遙かに短い。すなわち、打上げの際の力が作用する時間は短いこと、また打下ろし以外にも羽３１および３２の回転などを用いて浮上力が更に得られることから、トルク１ｇｆ・ｃｍのアクチュエータ２１および２２を用いて、０．２９ｇ程度の質量を浮上させることは可能であると言える。すなわち、本実施の形態における装置（ロボット９０）全体の質量が０．５８ｇ以下であれば、浮上させることが可能である。以下、上述の具体的な数値を用いて、ロボット９０の重量について検討する。
【０１６３】
まず、ステータ２１０の質量は、電極と圧電素子とが薄いため、比重２．７、厚さ０．４ｍｍ、半径４ｍｍの円盤と同等であり、０．０５４ｇである。
【０１６４】
また、補助ステータ２１２および２１３の重量は、ステータ２１０の直径が０．７倍であることから０．０１９ｇである。
【０１６５】
３つのベアリング２１１，２１４，２１５はいずれも外形４．２ｍｍ、内径３．８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのドーナツ状のボールベアリングである。材質は、比重４．８のチタンで、約３０％の空隙があるため、ベアリング２１１，２１４，２１５の質量は約０．０１３ｇである。
【０１６６】
また、ロータ２１９は、材質がアルミで壁央半径３ｍｍ、厚さが０．２ｍｍであるため、質量は約０．０６１ｇである。
【０１６７】
これらの総和から、アクチュエータ２１の質量は０．１９２ｇである。
また、右羽３１の質量は、前述の通り０．００３ｇである。
【０１６８】
以上の構成が左右計２つあるので、質量の和は０．３９０ｇである。
また、本発明者らが採用した、図２に示す支持構造１は、直径１ｃｍ、比重０．９、厚さ０．１ｍｍの球体であるので、支持構造１の質量は約０．０２８ｇである。
【０１６９】
また、本発明者らが採用した制御装置４、通信装置７、加速度センサ５１、および角加速度センサ５２はそれぞれ、５ｍｍ×５ｍｍの半導体ベアチップで、各質量は約０．０１ｇである。すなわち、これらの質量の総和は０．０４ｇである。
【０１７０】
また、本発明者らが採用した電源６の重量は０．１３ｇである。
以上、ロボット９０の全ての構成要素の重量の合計は、０．５７９ｇとなる。そのため、上述の如く、１対の羽３１および３２で浮上力０．５８ｇｆを得るので、ロボット９０は、この構成で浮上することが可能である。
【０１７１】
次に、制御装置４について、図２および図１６を用いて説明する。
図２に示すとおり、制御装置４は、演算装置４１とメモリ４２とシリアルインタフェース４３とからなる。
【０１７２】
上述の演算装置４１は、ロボット９０における各構成要素の動作を決定し、制御する。なお、本実施の形態における演算装置４１は、情報を処理し、その情報に基づいて何らかの物理量を出力するものの総称であり、特に算術演算を行なう装置に限るものではない。
【０１７３】
本実施の形態においてはより具体的に、演算装置４１は加速度センサ５１および角加速度センサ５２からの情報によりロボット９０の加速度および角加速度を算出する。また、速度および角速度と、目標とする経路からのずれとから、演算装置４１は、現時点でロボット９０に与えられるべき加速度と角加速度とを算出する。さらに演算装置４１は、この算出された加速度と角加速度より、各アクチュエータ２１および２２の動作パラメータを決定する機能を有し、これを用いて各アクチュエータ２１および２２の動作を決定する。
【０１７４】
最も代表的な手法として、ロボット９０における加速度センサ５１および角加速度センサ５２の情報を時間積分することにより、ロボット９０の速度および角速度を算出し、さらにこれをそれぞれ更に時間積分することによりロボット９０の位置と姿勢とをそれぞれ算出することができる。積分定数としては、ロボット９０が待機状態での値、すなわち、速度および角速度が共に０で、位置と姿勢とはベースステーション９１に固定されている状態での値を用いればよい。当然、誤差を避けるためにこれらの演算はなるべく高いサンプリング周波数で行なわれることが望ましい。
【０１７５】
このように、現時点でロボット９０に与えられるべき加速度および角加速度は、目標とする軌道に静定することを目標とする一般的な制御演算により求めることができる。
【０１７６】
これにより、ロボット９０のアクチュエータ類の駆動が決定される。さらにより具体的には、演算装置４１は、ロボット９０に与えられるべき代表的な加速度と角加速度との組合わせに対応した偏角α、ねじり角β、およびストローク角θの時系列値をテーブルとして有し、これらの値、もしくはその補間値を各アクチュエータ２１および２２の動作パラメータとする。なお、偏角α、ねじり角β、およびストローク角θの時系列値とは、例えば加速度、角加速度共に０であるホバリングの場合は、図１９にグラフで示される値を離散化したものである。これらの値によって各アクチュエータ２１および２２は駆動される。
【０１７７】
なお、ここに挙げる偏角α、ねじり角β、およびストローク角θは、制御パラメータの一例であり、説明の簡便のためこれらのパラメータを指定することでアクチュエータ２１および２２が駆動されることを前提に記述している。しかし、例えば、より直接的にこれらを実現する各アクチュエータ２１および２２の駆動電圧や制御電圧に変換したものを用いる手法の方がより効率的である。これらは既存のアクチュエータ制御方式と特に異なるものではないので、ここでは代表的なパラメータとして偏角α、ねじり角β、およびストローク角θを挙げている。なお、同等の機能が実現できる手法であれば、本実施の形態に限るものではない。
【０１７８】
また、演算装置４１は、人体センサ５３から送られてくる人体情報によって、行動を変更する機能をも有する。
【０１７９】
より具体的には、目標位置にてホバリング中に人体センサ５３より人体検出信号を受取ると、演算装置４１は、ホバリングによるロボット９０の待機状態を解除し、帰路に沿ってベースステーション９１に帰還する行動を開始する。復路も往路と同様に実現される。
【０１８０】
また、演算装置４１は、発光ダイオード８のＯＮ／ＯＦＦを制御する機能を有する。これにより、睡眠者９３が、アラーム停止機能を作動させたことを認識することが可能になる。
【０１８１】
当然、制御装置４の機能は、上述の機能に限定されない。例えば無線通信機能等を備えても構わない。
【０１８２】
さらに、これらの動作開始または終了は、シリアルインタフェース４３を経由して、ベースステーション９１より送られてくる動作指示命令をトリガとすることができるものとする。
【０１８３】
これにより、ロボット９０は、電極６１が電極９１４と電気的に結合している場合、ベースステーション９１より受信した軌道データに基づく行動を、ベースステーション９１の指示により開始または終了することができる。
【０１８４】
次にロボット９０の駆動エネルギー源、すなわち電源６について説明する。
本実施の形態における電源６は、リチウムイオンポリマーを電解質とする。そこで、リチウムイオンポリマーを、支持構造１に封入しておけばよい。これにより液漏れを防ぐための余分な構造が不要であり、実質的なエネルギー密度を高めることができる。
【０１８５】
なお、現在市販されているリチウムイオン二次電池の一般的な質量エネルギー密度は１５０Ｗｈ／ｋｇである。本実施の形態におけるアクチュエータ２１および２２での消費電流は最大４０ｍＡであるので、電源６の電解質重量を約０．１ｇとすると、本実施の形態のおいては約７．５分の飛行が可能である。
【０１８６】
また、本実施の形態における左右のアクチュエータ２１および２２の最大消費電流は合計４０ｍＡである。また、電源電圧は３Ｖである。そのため、電源６の電解質重量が０．１ｇであるので、０．１２Ｗ／０．１ｇ、つまり１２００Ｗ／ｋｇの重量パワー密度を持つ電源６の実現が求められる。ここで、市販品で実現されているリチウムイオンポリマー二次電池の重量パワー密度は約６００Ｗ／ｋｇであるが、これは携帯電話等の情報機器に用いられている、１０ｇ以上の製品における電池の重量パワー密度の値である。一般に、電解質質量に対する電極面積の比はサイズに反比例するので、本実施の形態における電源６は、前出の情報機器などに用いられている二次電池の１０倍以上の電極面積比を持つため、１０倍程度の質量パワー密度が達成可能であり、冒頭の質量パワー密度は十分達成可能である。
【０１８７】
さらに、アクチュエータ２１および２２の駆動エネルギーを、外部から供給する方法を用いることもできる。例えば、電力エネルギーを外部から供給する媒体については、温度差および電磁波等が挙げられ、これを駆動エネルギーに変換する機構としてはそれぞれ熱電素子およびコイル等が挙げられる。
【０１８８】
なお、異なる種類のエネルギー源を混載する手法を用いることもできる。電力以外のエネルギー源を用いる場合、基本的には、制御は制御装置４からの電気的信号を用いることになると考えられる。
【０１８９】
まら、他のエネルギー源の種類としては、太陽電池、燃料電池、原子力などの使用も可能である。
【０１９０】
次に、ロボット９０に搭載される各センサ５１〜５３について説明する。
加速度センサ５１は支持構造１の３自由度並進加速度を、角加速度センサ５２は支持構造１の３自由度回転角加速度を、人体センサ５３は人体の有無情報を検出する。これらの検出結果は制御装置４に送られる。
【０１９１】
なお、本発明者が用いた加速度センサ５１の帯域の具体的な数値としては、帯域４０Ｈｚである。当然、加速度センサ５１や角加速度センサ５２の帯域は、高ければ高いほど時間的に緻密な制御が可能であるが、ロボット９０の浮上状態の変更は、１回以上の羽ばたきの結果起きるものであると考えられるので、現在市販されている帯域が数十Ｈｚ程度のセンサでも実用が可能である。
【０１９２】
本実施の形態では、加速度センサ５１および角加速度センサ５２によりロボット９０の位置および姿勢を検出するものとしたが、ロボット９０の位置と姿勢とが計測可能な手段であるならば上記センサに限らない。たとえば、互いに直交する３軸方向の加速度を測定可能な加速度センサを少なくとも２つ、それぞれ支持構造１の異なる位置に配置させ、その加速度センサから得られる加速度情報に基づいてロボット９０の姿勢を算出することも可能である。また、講演会場９２内に位置情報を明示的に組込み、これをロボット９０が検出して位置および姿勢を算出する手法を用いることもできる。例えば、講演会場９２内に磁場分布を設け、磁気センサによりこの磁場分布を検知することで、ロボット９０の位置と姿勢とを算出する手法を用いることも可能である。また、ＧＰＳ（Global Positioning System；衛星位置標定システム）センサ等を用いる手法も考えられる。なお、後述するベースステーション９１がロボット９０の位置と姿勢とを直接検出する機能を有する場合には、言うまでもなくこれのセンサは必須ではない。
【０１９３】
また、加速度センサ５１および角加速度センサ５２をはじめとするセンサ類は、制御装置４とは別部品として表現したが、軽量化の観点から、マイクロマシニング技術によって制御装置４と一体で同一のシリコン基板上に形成してもよい。
【０１９４】
なお、本実施の形態におけるセンサ５１〜５３は、本実施の形態の目的を達成する一例としての最低限の構成要素であって、センサの種類、個数、構成については上述に限定されるものではない。
【０１９５】
例えば、ロボット９０における羽３１および３２の駆動には、フィードバックのない制御を用いているが、羽３１および３２の付け根に羽の角度センサを設け、ここから得られた角度情報によりフィードバックを行ない、より正確に羽３１および３２を駆動する方法を用いることもできる。
【０１９６】
また逆に、浮上する領域における気流が既知であり、予め定められた羽ばたき方のみによって目的位置に定位することが可能ならば、ロボット９０の浮上状態を検出することは不要となるので、加速度センサ５１や角加速度センサ５２は必須ではない。
【０１９７】
次に、ロボット９０における、人体の有無情報の処理について説明を行なう。本実施の形態においては、人体センサ５３として、焦電型赤外線センサを用いる。しかし、これは人体の検出が可能なセンサの一例であり、特に人体検出の目的を果たすセンサに対して、本実施の形態に特化した機能を必要とするものではない。
【０１９８】
なお、ロボット９０が浮上状態である場合で接触することは、ロボット９０の転倒、落下の危険が伴なう。そのため、人体センサ５３は、非接触性のセンサであることが望ましい。
【０１９９】
当然、本実施の形態においては、睡眠者９３を起立状態に導くことを意図しているため、人体センサ５３での人体検出が可能な領域は、睡眠者９３が睡眠状態にある状態では到達し得ない領域に位置することが望ましい。これによって、ロボット９０は睡眠者９３の位置と姿勢とを監視することができる。
【０２００】
また、不用意な人体との衝突を避けるため、ロボット９０は睡眠者９３の身長以上の高さにあることが望ましい。
【０２０１】
このため、人体センサ５３は、ロボット９０の下部にあり、その人体検出領域が、睡眠者９３の身長より高度の低い領域にも感度を有することは、上述の条件に合致して望ましいセンサ配置の一例となる。以下、本実施の形態においてはこの条件を用いる。
【０２０２】
なお、ここで述べる身長の値としては、直立時の床面から頭頂部までの高さのみならず、挙手時の床面から挙手の指先端までの高さを採用してもよい。この場合、睡眠者９３は、ロボット９０の人体センサ５３の検出可能範囲に、挙手して手を差入れることで、ロボット９０に人体検出を行なわせることになる。
【０２０３】
また、人体センサ５３は、羽が人体検出の邪魔にならないように、支持構造１の下部であって、正面から見て略中央に位置することが望ましい。
【０２０４】
当然、これらは人体とロボット９０とが衝突しないことを最優先に考えられた設計であり、この条件が不要であるならば上述のセンサの配置はこれに限ったものではない。
【０２０５】
例えば、目覚まし時計としてのなじみ易さを優先するならば、支持構造１の正面略中央に、前方にその検出領域を向けて人体センサ５３を配し、ロボット９０と睡眠者９３とが正対する状態で、ロボット９０が人体センサ５３により人体を検出する構成であってもよい。
【０２０６】
以述の如く、人体センサ９０によって得られた人体の存在の有無情報は、演算装置４１に入力される。これにより、演算装置４１は、ロボット９０が帰還動作に入るのか、待機動作を継続するのかを選択する。
【０２０７】
次に、発光ダイオード８について説明を行なう。
発光ダイオード８は、制御装置４によって制御され、睡眠者９３に、ロボット９０の状態を告知すると共に、ロボット９０の位置を睡眠者９３に明示する役割も果たす。睡眠中は、部屋の電気は消灯もしくは最低限の明るさであり、睡眠者９３が、ロボット９０の位置を把握しがたい場合がほとんどである。このため、能動的に発光する素子である発光ダイオード８を用いて、視覚的にロボット９０の位置を睡眠者９３に提示するのが合理的である。
【０２０８】
具体的には、発光ダイオード８は、目標位置にて待機状態にある際は点灯、帰還状態に入るときは点滅、および他の状態にあるときは消灯、の状態にすれば、睡眠者９３は、待機状態にあるロボット９０の位置と、ロボット９０の待機状態から帰還状態への変遷とを知ることができる。当然、ここにあげた発光ダイオード８の動作態様は一例であり、これに限らない。
【０２０９】
また当然、上記機能が必要でない場合や、他の機能で置換えられる場合には、発光ダイオード８は必須ではない。例えば、羽ばたき周波数を変更することによって、羽音でロボット９０の状態を告知するなどの方法であってもよい。
【０２１０】
以上で、ロボット９０についての説明を終了し、次に、ベースステーション９１について説明を行なう。
【０２１１】
まず始めに、ベースステーション９１の主要な構成と機能とを説明する。図２０は、ベースステーション９１の主要な構成と機能とを示す図である。なお、図２０に示されるベースステーション９１の主要な構成は、本発明の主旨の技術を実現する構成の一例であり、これに限定されるものではない。
【０２１２】
図２０を参照して、ベースステーション９１は、その上面がロボット９０の離着陸台を兼ねており、ロボット９０はその電極６１がベースステーション９１の電極９１４に嵌合する。この状態で、ベースステーション９１は、シリアルインタフェース９１６を介してロボット９０に軌道情報を送信する機能を有する。また、ベースステーション９１は、シリアルインタフェース９１６を介して、ロボット９０に離陸動作開始命令を送信することができる。これによりロボット９０はベースステーション９１より浮上する。
【０２１３】
また、ベースステーション９１は、ロボット９０の離着陸を補助するための、ロボット検出装置９１７、および電磁石９１５を備える。また、ベースステーション９１は、ロボット９０の電源６を充電するための充電器９１３を備える。
【０２１４】
また、ベースステーション９１は、全面に入出力パネル９１９を有する。睡眠者９３は、入出力パネル９１９より、起床時刻やロボット９０の行動設定などを行なうことができる。
【０２１５】
また、ベースステーション９１は、アラーム９１０を備え、所定時刻にこのアラーム９１０を動作させることで睡眠者９３に覚醒を促す機能を有する。また、ベースステーション９１は、ロボット９０の着陸に応じてこのアラーム９１０を停止させる機能を有する。
【０２１６】
そして、上述の各構成要素は、ベースステーション９１の演算装置９１１により制御される。
【０２１７】
続いて、入出力パネル９１９について、図２０および図２１を参照して説明を行なう。図２１は、ロボット９０の目標とする軌道の定め方を説明する図である。
【０２１８】
なお、以下の説明は入出力パネル９１９の機能の一具体例であって、これに限るものではない。
【０２１９】
図２０を参照して、入出力パネル９１９は、時刻表示部と起床時刻設定部とロボット軌道設定部とからなる。ここでは説明の簡便のため、時刻表示部は一般的なアナログの３針式時計であり、起床時刻設定部とロボット軌道設定部とは、デジタルによる数値入力であるものとする。また、起床時刻入力は、２４時間制での起床時刻を入力するものとし、ロボット軌道設定部は、軌道高さと目標地点とまでの距離と向きと軌道半径とをそれぞれ数値入力するものとする。このように、軌道高さと目標地点とまでの距離と向きと軌道半径とを設定することで、最も単純にロボット９０が障害物を回避する起動を設定することができる。なお、数値入力手法は一般的なプッシュスイッチによるものとし、ここでの詳細な説明については省略する。また、その他の入力方法としては、例えば、マウスを用いたポインタや、音声入力等によって入力を行なうこともできる。
【０２２０】
上述の入出力パネル９１９により、ベースステーション９１の演算装置９１１には、起床時刻が入力される。また、同じく演算装置９１１には、ロボット９０の軌道が入力される。軌道の各種数値については後述する。
【０２２１】
これらの数値はメモリ９１２に格納され、これらの数値に従う軌道を、シリアルインタフェース９１６を介してロボット９０に送信する。そして、ベースステーション９１の演算装置９１１は、設定された起床時刻に、ロボット９０の浮上を開始させる。
【０２２２】
次に前述の軌道の各種数値について、図２１を参照しつつ述べる。
本実施の形態においては、ロボット９０の待機する位置、すなわち目標位置は、睡眠者９３の起床後に続いて行なう動作に近い場所を設定することが望ましい。例えば、睡眠者９３が起床後第１に行なう動作が、部屋９２のドア９２１を開けて部屋９２より外に出る動作である場合、ロボット９０の目標位置はドア９２１近傍であることが望ましい。このように設定することで、睡眠者９３は余計な移動を行なうことなく、次の行動を効率的に行なうことができる。
【０２２３】
しかし、ドア９２１の位置は、各部屋によって一定ではないため、目標地点までの距離ｄと向き（角度）θとを設定することで、これを定める必要がある。このように距離ｄと向き（角度）θとで目標地点を設定することで、ロボット９０の位置を簡便に指定することができる。
【０２２４】
また、本実施の形態においてロボット９０が飛行することが想定される、睡眠者９３の身長以上であって部屋９２の天井の高さ以下である領域には、ほとんど障害物が存在しないと一般的には考えられるが、照明器具等を回避するため、同じ位置に定位する場合にも、軌道を変更できるよう構成することが望ましい。本実施の形態においては、最も単純に、ある回転半径Ｒをもって目標位置に到達する、その半径Ｒを設定する手法を採用する。これによって、ロボット９０が障害物を回避する軌道を簡便に指定することができる。また、このように軌道を簡便に設定できることで、様々な家庭環境に対しても柔軟に適応できる利便性の高いアラームシステムを構築することができる。
【０２２５】
以上のｄ、θ、およびＲの関係を、図２１に部屋９２の上面図において示されている。ただし、θはベースステーション９１の入出力パネル９１９の面に対する法線を基準にとる。
【０２２６】
当然、軌道を表す数値はここに示したものに限らない。また、ポインティングデバイスなどを用いて図形として入力する等の手法も、直感的に軌道が入力できるので利便性が高い。
【０２２７】
次に、演算装置９１１について、図２２を参照しつつ説明する。図２２は、本実施の形態のアラームシステムにおける各種情報の流れを示す図である。なお、各機能の動作の順については、全体の動作手順の項に後述する。
【０２２８】
演算装置９１１は、ベースステーション９１の各構成要素から得られた情報等により、ベースステーション９１を制御する。
【０２２９】
演算装置９１１は、クロックを内蔵し、入出力パネル９１９の時刻表示部に時刻情報を送り、現在時刻を表示させる。また、入出力パネル９１９より入力された起床時刻にアラーム９１０を動作させる。
【０２３０】
また、演算装置９１１は、シリアルインタフェース９１６を通じて、軌道情報をロボット９０に送信する。また、同じくシリアルインタフェース９１６を通じて、離陸開始命令をロボット９０に送信する。
【０２３１】
また、演算装置９１１は、ロボット検出装置９１７からの信号により、電磁石９１５の制御を行なう。すなわち、ロボット９０をロボット検出器９１７が検出した際には電磁石９１５を動作させるなどの手法で、ロボット９０をベースステーション９１に吸着させる。またこの際、アラーム９１０の動作を停止させる。
【０２３２】
また、演算装置９１１は、入力パネル９１９より、ロボット９０の移動するべき軌道情報を受取る。
【０２３３】
また、演算装置９１１は充電器９１３を制御し、ロボット９０の電極６１がベースステーション９１の電極９１４に結合している場合であって、ロボット９０の電源６に充電が必要な場合に、ロボット９０への充電を行なう。
【０２３４】
次に、ベースステーション９１が行なう、ロボット９０の離着陸の際の補助の手法について説明を行なう。
【０２３５】
ロボット９０の羽ばたきの開始もしくは終了時、すなわちロボット９０の離着陸の際は、羽ばたきによって発生する気流が急激に増加もしくは減少し不安定である。そのため、ベースステーション９１がロボット９０の位置および姿勢を制御することは難しい。そこで、本実施の形態では、離陸の前の段階において、ベースステーション９１に備えられた電磁石９１５がロボット９０を吸着する。そのため、ロボット９０の離陸の際は羽ばたきによる気流が安定するまで電磁石９１５を作動させ、気流が安定した時点で電磁石９１５による吸着を停止する、等の手法を用いることで、ベースステーション９１はロボット９０の安定した離陸を実現することが可能である。
【０２３６】
ロボット９０の着陸の概略について説明する。まず、ベースステーション９１は、ロボット９０の電極６１が充電穴９１４の上部に位置するようロボット９０を移動させる。そして、この状態で電磁石９１５を作動させ、ロボット９０を吸着する。このため、ベースステーション９１は、さらにその後にロボット９０の羽ばたきを停止させれば気流が不安定となる状態でも、ロボット９０の着陸時の位置と姿勢とを安定させることができる。なお、ロボット９０の定位を容易にするため、電極６１もしくは充電穴９１４の少なくとも一方はテーパー形状をしていることが望ましい。
【０２３７】
なお、重量が許すならロボット９０が電磁石９１５を有する構成であっても構わない。また、この構成により、ロボット９０はベースステーション９１に限らず、強磁性もしくは軟磁性材料で構成される物質全てに対して安定した離着陸が可能になる。
【０２３８】
さらに、ロボット９０のより加速度の小さい離陸を実現するために、電磁石９１５に力覚センサを配し、この力覚センサにかかる力によって電磁石９１５の吸引力を制御する手法を用いることも可能である。
【０２３９】
また、上述の補助の手法は、離着陸時の気流不安定性に伴なうロボット９０の不安定浮上を防ぐ手法の一例にすぎないため、離着陸時にロボット９０を一時的に保持する機構であれば他の手段を用いても構わない。例えば、電磁石９１５に替えて空気を用いてロボット９０を吸引する手法を用いることもできる。また、レール等のガイド機構に沿ってロボット９０の離着陸を行なう等の手法を用いることもできる。
【０２４０】
以上で、ベースステーション９１についての説明は終了し、次に、アラームシステム全体の動作について説明を行なう。
【０２４１】
図２３は、本アラームシステムのロボット９０が、人体検出を行なうまでの処理を示すフローチャートである。図２３のフローチャートに示される処理は、ベースステーション９１の演算装置９１１がメモリ９１２に記憶されているプログラムを実行し、また、ベースステーション９１からの指示信号に基づいて、ロボット９０の制御装置４がプログラムを実行することによって実現される。なお、以降の説明において、簡便のため、起床時刻でのロボット９０の軌道は、目標位置を部屋９２のドア９２１近傍に既に設定されているものとする。また、この際のロボット９０の浮上高度は、睡眠者９３の身長以上であり、かつ、人体センサ５３の検出領域が睡眠者９３の身長の高度を含む高度であるとする。
【０２４２】
動作開始前において、ロボット９０は、ベースステーション９１の電極９１４に電極６１が接続され、固定されている。また必要に応じて電源６に対して充電が行なわれている。
【０２４３】
ロボット９０の動作を開始するにあたって、ベースステーション９１の演算装置９１１、メモリ９１２、およびシリアルインタフェース９１６、また、ロボット９０の制御装置４、およびシリアルインタフェース４３が動作する（Ｓ１０１，Ｓ１１１）。また、シリアルインタフェース４３とシリアルインタフェース９１６との間に、コネクションが成立する。
【０２４４】
起床時刻以前の適当な時刻に、ベースステーション９１はシリアルインタフェース９１６を介してロボット９０に軌道情報を送信する（Ｓ１０２）。ロボット９０はベースステーション９１から送信された軌道情報を受信し、シリアルインタフェース４３を介して演算装置４１に伝える（Ｓ１１２）。
【０２４５】
その後、ベースステーション９１は、ロボット９０の離陸動作開始時刻まで待機する。なお、動作開始時刻は、先に設定された起床時刻より、ロボット９０が動作を開始してから目標位置に定位するまでに要する所用時間を差引いた時刻以前であることが望ましいが、上記所要時間が、睡眠者９３の起床の利便性を損なわない程度の短時間であるならば、起床時刻そのものであってもよい。
【０２４６】
動作開始時刻に到達するまで、ベースステーション９１は電磁石９１５を動作し、ロボット９０をベースステーション９１に吸着する（Ｓ１０３）。
【０２４７】
ロボット９０は、遅くとも電磁石９１５が吸着を解除するまでには、ロボット９０の加速度センサ５１、角加速度センサ５２の動作を開始させ、浮上状態の算出を開始させる。また、演算装置４１によって（必要に応じてメモリ４２の情報を参照して)、目標位置への経路を算出させる。そして、制御装置４が、ロボット９０の浮上状態を検出できる状態に達している必要がある。また、制御装置４が、例えば加速度の積分などの、浮上状態の演算を開始している必要がある（Ｓ１１３）。
【０２４８】
そして、動作開始時刻に到達すると、ベースステーション９１はロボット９０に対して浮上開始命令を送信する（Ｓ１０４）。
【０２４９】
ロボット９０は、ベースステーション９１に吸着された状態で、シリアルインタフェース４３を介してベースステーション９１より浮上開始命令を受信し（Ｓ１１４）、略垂直方向への上昇のための羽ばたき動作を開始する。このように、ベースステーション９１からの指示によってロボット９０の浮上が行なわれることで、ロボット９０の余計な浮上時間をなくすることができる。
【０２５０】
ベースステーション９１は、ロボット９０を吸着した状態で羽ばたき気流が安定するまで待機し（Ｓ１０５）、羽ばたきによる気流が安定した時点で、電磁石９１５のロボット９０の吸着を弱める（Ｓ１０６）。
【０２５１】
ロボット９０は、電磁石９１５の吸着力とロボット９０の浮力とがバランスする点よりさらに電磁石９１５の吸着力が弱まった時点で、浮上を開始する。
【０２５２】
ロボット９０の制御装置４は、目標とする浮上状態と、現在の浮上状態との差異より、内蔵する制御テーブルを介して得られるアクチュエータ駆動方法により、羽の駆動を算出し（Ｓ１１５）、羽を駆動する（Ｓ１１６）。これにより、ロボット９０は、浮上以後、予め設定された軌道情報に従って飛行を行ない、目標位置に定位する（Ｓ１１７でＹｅｓ）。
【０２５３】
目標位置に定位すると、ロボット９０は、人体センサ５３を動作させ（Ｓ１１８）、ホバリングを行ないながら、人体センサ５３による人体の検出を待機する（Ｓ１１９）。
【０２５４】
また、ロボット９０は発光ダイオード８を点灯させておくことで（Ｓ１１８）、睡眠者９３が覚醒した際に、位置を把握しやすいように備える。
【０２５５】
ベースステーション９１の演算装置９１１は、ロボット検出装置９１７を動作させ（Ｓ１０７）、ロボット９０の帰還を検出できる状態とする。
【０２５６】
起床時刻が到来すると、ベースステーション９１はアラーム９１０を動作させ（Ｓ１０８）、睡眠者９３に覚醒を促す。
【０２５７】
この際、睡眠者９３は、ロボット９０の発光ダイオード８や羽音、また視覚情報を基準にしてロボット９０を発見し、ロボット９０の人体センサ５３に検出されるように、ロボット９０の直下に移動する。
【０２５８】
そして、ロボット９０の人体センサ５３は、ロボット９０の直下に直立した睡眠者９３を検出する（Ｓ１１９でＹＥＳ）。
【０２５９】
人体センサ５３で検出された睡眠者９３の検出情報は、制御装置４に送られる。これにより、制御装置４の演算装置４１は、睡眠者９３が覚醒したものと判断し、ベースステーション９１のアラーム動作を停止させるべく、ロボット９０をベースステーション９１に帰還させる制御を行なう。
【０２６０】
以上で図２３に示される処理が終了し、引続いて、図２４に示される処理が実行される。図２４は、ロボット９０がベースステーション９１に着陸するまでの処理を示すフローチャートである。
【０２６１】
ロボット９０がベースステーション９１に帰還する経路、すなわち帰路は、ロボット９０が期間動作を開始する前には、ロボット９０の演算装置４１によって（必要に応じてメモリ４２の情報を参照して）既に算出されている。
【０２６２】
そこで、図２４を参照して、帰還の際、ロボット９０の制御装置４は、発光ダイオード８の点滅と、人体センサ５３の動作停止とを指示する（Ｓ１３１）。この発光ダイオード８の点滅により、睡眠者９３はロボット９０が帰還状態になったことを認識できる。
【０２６３】
本実施の形態においては、ロボット９０の電極６１は、ベースステーション９１の電極９１４に挿入される形になっている。そのため、ロボット９０の制御装置４は、電極６１がベースステーション９１の電極９１４の略鉛直上方に位置するように位置および姿勢を保ちながら下降できる羽の駆動を算出し（Ｓ１３２）、羽の駆動を制御する（Ｓ１３３）。そして、目標とするベースステーション９１の電極９１４の真上に到達する（Ｓ１３４でＹｅｓ）。
【０２６４】
当然、着陸に適した体勢が本実施の形態と異なる場合、着陸の動作もそれに応じたものを採用すべきであり、着陸の動作に応じた羽の駆動が行なわれるものとする。
【０２６５】
ベースステーション９１は、ロボット検出装置９１７がロボット９０を検出すると（Ｓ１２１でＹｅｓ）、ロボット９０の検出情報を演算装置９１１に伝える。演算装置９１１は電磁石９１５を作動させ、ロボット９０を吸引する（Ｓ１２２）。ロボット９０の浮力が、電磁石９１５がロボット９０に及ぼす吸引力を下回った時点で、ロボット９０はベースステーション９１に吸着される。このようにして、ロボット９０をベースステーション９１に固定することで、ベースステーション９１は、ロボット９０の吸着を完了し（Ｓ１２３）、アラーム９１０の動作を停止させる（Ｓ１２４）。当然、ベースステーション９１にロボット９０が固定されて以後、ロボット９０の加速度センサ５１、角加速度センサ５２は動作を停止してよい。
【０２６６】
ロボット９０を固定すると、ベースステーション９１は、ロボット９０に羽ばたき動作の終了を指示する（Ｓ１２５）。より現実的には、アクチュエータの寿命がある場合、浮上に関係のない羽の動作は少ない方がよりロボット９０を長期間利用できるため、待機時に羽を停止させることは有効である。また、ロボット９０の動作音等で、睡眠者９３の睡眠が阻害されるのを防ぐことができる。
【０２６７】
ロボット９０は、ベースステーション９１からの指示を受信し（Ｓ１３５）、羽ばたき動作を終了する。
【０２６８】
以上の動作により、ロボット９０がベースステーション９１に着陸するまでの処理が終了する。そして、上述の図２３および図２４のフローチャートに示される処理によって、本発明におけるアラームシステムが、目覚まし時計としての機能を果たすことができる。
【０２６９】
本実施の形態におけるアラームシステムが、浮上しているロボットに作用してアラームを停止させる構成であるため、アラームによる効果が確認されるまでアラームを継続させることができる。また、アラームによる効果を、浮上しているロボットにより高めることができる。
【０２７０】
具体的には、本実施の形態におけるアラームシステムを目覚まし時計として用いる場合、人体が起立状態に入るまでアラームを停止させることができない。そのため、確実に人体が起立した状態、すなわち覚醒状態に移行した状態になるまでアラームが継続する。これによって、より確実に、また無理なく、睡眠者を覚醒状態に移行させることができる。
【０２７１】
また、本実施の形態におけるアラームシステムは、浮上しているロボットが人体検出機能で起立した睡眠者を検出することでアラームを停止させるため、睡眠者にとっては、覚醒行動以外の何ら余計な負担を課せられることなくアラームを停止させることができる。すなわち、覚醒の際に、睡眠者に不快感を与えることがない。
【０２７２】
また、本実施の形態のアラームシステムにおけるロボット９０が、羽ばたき飛行を行なうことで、回転翼を用いた浮上に比べて翼部の運動が低速であり、安全性に優れている。また、浮力を用いた浮上に比べて、羽を小型化できるというメリットがある。また、市販の超音波モータ等によって構築することができるため、比較的安価で本アラームシステムを構築することができる。
【０２７３】
なお、上述においては、本発明におけるアラームシステムが睡眠者の覚醒を目的とした場合について説明しているため、一般的に睡眠者の覚醒に用いられている音声などを用いたアラームをアプリケーションとして用いるのが適しているものとして説明を行なったが、用途によっては上述のアプリケーションに限らない。また、本発明におけるアラームシステムの目的も、睡眠者の覚醒に限定するものではない。例えば、アラームの替わりに遠隔地と通信することのできる表示機能を設け、老人の遠隔介護などに用いる等の手法も可である。
【０２７４】
また、本実施の形態においては、時計としての機能を重視して、時刻の視認性を損なわないように時計本体の位置を固定し、ベースステーション９１とロボット９０との如く機能を分化させたが、例えば音声にて時刻を提示するなどの手法を用いることにより、上述の時計としての機能が損なわれないのであれば、ベースステーション９１の機能をロボット９０に統合してしまい、ロボット９０単独で動作する構成であっても構わない。
【０２７５】
また、上述の如く、本実施の形態におけるアラームシステムは、睡眠者が起立している状態を確認しない限りアラームを停止しないため、人体のある特定の状態を確認することが目的の、他の用途に用いることもできる。例えば、睡眠者の覚醒に限定されず、工事現場などでの座ったままの作業を防止する目的などに利用することもできる。
【０２７６】
なお、図２においては電極が、共通陰極である電極６１１、シリアルインタフェース端子である電極６１２、および充電用正極である電極６１３の３本の電極（位置決めピン）からなる構成が示されているが、充電状態検出用端子などを含む、４本以上の電極からなる構成であっても構わない。当然、本実施の形態に示した機能を損なわないのであれば電極形状等もこれに限らない。
【０２７７】
また、本実施の形態では、構成の簡略化の観点より、ロボット９０の帰還の検出することによってアラームを停止するものとしたが、他の方法でアラームの停止を行なってもよい。
【０２７８】
例えば、ロボット９０が無線通信機能を備え、人体センサ５３による人体検出情報を即時ベースステーション９１に送信できる場合には、この情報によりアラームを停止させても構わない。この方法であると、睡眠者９３は、ロボット９０がベースステーション９１へ帰還したことを確認しなくてもアラームの停止を知ることができる。そのため、ロボット９０がベースステーション９１に帰還できなかった等によりアラームが停止されないといった事態が発生することはなく、睡眠者９３がロボット９０の帰還を確認するための手間を省くことができる。
【０２７９】
また、機能の実施手段によっては人体検出センサ５３も必須ではない。例えば、睡眠者９３が直接ロボット９０を捕獲することや、ベースステーション９１に手動で帰還させることでもアラームを停止させることができる。当然、この場合には、ロボット９０を使捨てにする、もしくはロボット９０を丈夫で頑強に作成する等して、睡眠者９３によって捕獲される際にロボット９０に加わる衝撃が、次回の覚醒動作に支障を及ぼさないよう工夫することが望ましい。
【０２８０】
また、睡眠者９３が、起床時刻以前に部屋９２を去ってしまった場合に備えて、ロボット９０がタイマを備え、待機状態においてある程度以上の時間経過を検出すると自動的にベースステーション９０に帰還する機能を備えてもよい。
【０２８１】
また、本実施の形態では、ロボット９０は、ベースステーション９１より軌道情報を受信した後は、ほぼスタンドアロンにて目標位置への定位を行なうものとしたが、これは必須ではない。例えば、ロボット９０がベースステーション９１との通信装置を備える場合、ベースステーション９１がロボット９０の制御装置４の機能を備え、ベースステーション９１が通信によりロボット９０を遠隔制御する構成や、この中間的な構成であっても構わない。これらの構成は、ロボット９０が軌道に沿って移動するために必要な演算量や演算頻度などに応じて、通信速度、通信装置や演算装置の質量、および浮上可能質量等を鑑みて決定される必要がある。
【０２８２】
また、当然、ロボット９０が本実施の形態に示されるセンサ以外のセンサを備えても構わない。例えば、ロボット９０に壁（障害物）検出センサを備える場合、より安全に目標位置に定位することもでき、より確実にベースステーション９１に帰還することもできる。また、侵入者を検出するようなセンサを備える場合、起床時刻の到来の通知みならず、侵入者の警報を兼ねることができる。
【０２８３】
また、本実施の形態においては、電極重量の増大を避けるため、ベースステーション９１とロボット９０とのインタフェースは、最も簡単にシリアルインタフェースで一方通行の通信を行なうものとしたが、当然、機能の必然によってはこれに限るものではない。
【０２８４】
また、ロボット９０がベースステーション９１に着陸する時のみ通信が確立されれば足りるため、通信はシリアルインタフェースを介した有線通信としたが、この形態に限るものでもない。例えば、無線通信によってロボット９０の状態をベースステーション９１に送信してもよい。
【０２８５】
また、本実施の形態においては、説明の簡便のため、ロボット９０の飛行する軌道が垂直方向の直線移動と水平面内の円弧状の移動とである説明を行なったが、当然、障害物が回避でき、かつ、睡眠者９３を適切な起立状態に導く位置に定位できる軌道であれば、ロボット９０の飛行する軌道はこれに限らない。
【０２８６】
また、本実施の形態においては説明の簡便のため、ロボット９０は待機時にホバリングを行なうものとしたが、睡眠者９３を起立状態に導く目的に支障を来さない範囲で、他の飛行態様をとってもよい。例えば、より睡眠者９３に覚醒を促すため、ある一定時間以上の間人体が検出されていないとロボット９０が帰還動作に移らない設定とし、待機時にロボット９０を運動（移動）させることもできる。このような設定にすることで、睡眠者９３は、上記の時間以上、ロボット９０の人体センサ５３の人体検出領域内に留まるためにロボット９０を運動に連動して移動する必要があり、このため睡眠者９３の覚醒をより進行させることができる。
【０２８７】
さらに、上述のアラームシステムの制御方法を、プログラムとして提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体にて記録させて、プログラム製品として提供することもできる。あるいは、コンピュータに内蔵するハードディスクなどの記録媒体にて記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。
【０２８８】
提供されるプログラム製品は、ハードディスクなどのプログラム格納部にインストールされて実行される。
【０２８９】
なお、プログラム製品は、プログラム自体と、プログラムが記録された記録媒体とを含む。
【０２９０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態におけるアラームシステムの構成を示す図である。
【図２】 図１に示されるロボット９０の主要な構成について示す図である。
【図３】 左羽３２の構成の具体例を示す図である。
【図４】 左羽３２の姿勢を示すための第１の図である。
【図５】 左羽３２の姿勢を示すための第２の図である。
【図６】 一般的な超音波モータ２３を示す図である。
【図７】 右アクチュエータ２１の構成を示す図である。
【図８】 左羽３２の、主軸３２１に垂直な第１の断面図である。
【図９】 左羽３２の、主軸３２１に垂直な第２の断面図である。
【図１０】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ１を示す図である。
【図１１】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ２を示す図である。
【図１２】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ３を示す図である。
【図１３】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ４を示す図である。
【図１４】 ストローク角θおよびねじり角βの値を時間の関数として表した図である。
【図１５】 羽ばたき動作制御における応答を示す図である。
【図１６】 ロボット９０を停空させる際のストローク角θ、偏角α、およびねじり角βの値を、時間の関数として表わした図である。
【図１７】 羽３１および３２の制御とそれによりもたらされる動作とを対応付ける図である。
【図１８】 基本となる動作と、それを実現するアクチュエータ２１および２２の駆動の組合わせとを定めるテーブルである。
【図１９】 回転軸にかかる反力を、具体的な数値を用いて算出した結果を示す図である。
【図２０】 ベースステーション９１の主要な構成と機能とを示す図である。
【図２１】 ロボット９０の目標とする軌道の定め方を説明する図である。
【図２２】 本実施の形態のアラームシステムにおける各種情報の流れを示す図である。
【図２３】 本アラームシステムのロボット９０が、人体検出を行なうまでの処理を示すフローチャートである。
【図２４】 ロボット９０がベースステーション９１に着陸するまでの処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 支持構造、４ 制御装置、６ 電源、８ 発光ダイオード、２１ 右アクチュエータ、２２ 左アクチュエータ、２３ 超音波モータ、３１ 右羽、３２左羽、４１ 演算装置、４２ メモリ、４３ シリアルインタフェース、５１加速度センサ、５２ 角加速度センサ、５３ 人体センサ、６１，６１１，６１２，６１３ 電極、８１ 発光素子、８２ 拡散光学系、９０ ロボット、９１ ベースステーション、９２ 部屋，講演会場、９３ 睡眠者、２１０ ステータ、２１１，２１４，２１５ ベアリング、２１２ 上部補助ステータ、２１３ 下部補助ステータ、２１９，２２９ ロータ、２３０ 圧電素子、２３１ 円盤、２３２〜２３７ 突起、２３８ 電極、３１１，３２１ 主軸、３１２，３２２ 枝、３１３，３２３ 膜、９１０ アラーム、９１１ 演算装置、９１２ メモリ、９１３ 充電器、９１４ 電極、９１５ 電磁石、９１６ シリアルインタフェース、９１７ ロボット検出装置、９１９ 入出力パネル、９２１ドア。
【発明の属する技術分野】
この発明はアラームシステムおよび目覚まし時計に関し、特に、確実に睡眠者を覚醒状態に移行させることのできるアラームシステムおよび目覚まし時計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、より確実に人を覚醒させ得る目覚まし時計はいろいろと考えられてきている。
【０００３】
一般的な目覚まし時計は、音により睡眠者を覚醒する手法を採用している。しかし、その性質上、覚醒のための音（以降、アラームと称する）を停止させるスイッチ（以降、アラームスイッチと称する）を備えている必要がある。睡眠者はアラームスイッチを簡単に操作できるため、アラーム停止後に、再び睡眠状態に入ってしまう、いわゆる「二度寝」をしてしまうという問題があった。
【０００４】
このため、感覚器官を刺激して、より確実に睡眠者を覚醒状態に移行させる手法が考えられてきた。
【０００５】
例えば、音量を大きくする等の手法が挙げられる。
また例えば、特開２０００−１４７１５０号公報には、特定の器具により解除されるアラームスイッチを備え、睡眠者が覚醒状態に移行してこの特定の器具を取得しない限りアラームを止めることが難しい構成を実現することにより、より容易に睡眠者を覚醒状態に移行させる機能を備える目覚まし時計が提案されている。
【０００６】
また、実開平５−２５３９２号公報では、所定時刻になると、睡眠者が睡眠状態ではアラームスイッチに手を届かせることのできない位置に移動することによって、睡眠者に起立を促し、より容易に睡眠者を覚醒状態に移行させる機能を備える目覚まし時計が提案されている。
【０００７】
また、枕に空気を送込んで膨らませる、ベッドが傾く等の手法で、強制的に睡眠者を起立状態にすることで覚醒状態に移行させる機能はすでに実用化されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の目覚まし時計は、睡眠者を覚醒させる際に睡眠者に不快感を与えてしまう、もしくは睡眠者が使用する際に不便が生ずるという問題があった。
【０００９】
具体的には、上述の特開２０００−１４７１５０号公報に提案されている目覚まし時計を用いた場合、睡眠者は覚醒状態に移行しきらぬ状態でアラームを停止させるための器具を捜索することを強制されているため、非常に不快感を覚えてしまうという問題がある。逆に、この不快感を緩和させるために、アラームを停止させる器具を配する場所を容易に取得できる場所に設定すると、覚醒が不充分なうちに目覚まし時計のアラームを停止してしまい、二度寝が容易になってしまうという問題があった。このため、覚醒することとは直接関係のない不快感を増加させることと、目覚まし時計としての機能を向上させることとが両立できないう問題があった。
【００１０】
また、上述の実開平５−２５３９２号公報に提案されている目覚まし時計を用いた場合、睡眠者に起立を促す手法であるため、覚醒することと関係のない不快感は発生しない。しかし、当該目覚まし時計が回転動作を伴なうため、睡眠者と衝突する危険があり、睡眠者に不安感を与えるという問題があった。また、当該目覚まし時計の本体が運動する構成であるため、時刻表示を読取ることができなくなるという問題もあった。
【００１１】
当然、音量の大きなアラームは、精神的にも肉体的にも苦痛であり、程度によっては安眠を阻害するという問題があった。
【００１２】
また上述の従来技術である、枕に空気を送込んで膨らませる、もしくはベッドを傾ける等の手法では、人体を移動させるだけのパワーを備えるポンプやアクチュエータが必要となり、高価であるという問題があった。このため、利用するのは電車運転手などの、時間を守ることが必要とされる特定の職業に限られてしまうという問題があった。
【００１３】
本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであって、睡眠者に不快感や不安感を与えることなく、容易かつ確実に睡眠者を覚醒状態に移行させることのできる安価なアラームシステムおよび目覚まし時計を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、アラームシステムは、ベースステーションとロボットとからなるアラームシステムであって、ベースステーションは、予め設定されたタイミングでアラームを動作させるアラーム開始手段を備え、ロボットは、アラームを停止させるアラーム停止手段と、羽ばたき飛行によって浮上移動する移動手段と、人体を検出する人体検出手段と、人体検出手段で人体を検出する際の、ロボットの位置を、ベースステーションからの距離と、ベースステーションを基準とする角度とによって、予め設定する位置設定手段とを備える。
【００１５】
また、好ましくは、アラーム停止手段は、人体検出手段でを検出することをトリガとしてアラームを停止させる。
【００１６】
また、好ましくは、人体検出手段は、浮上移動を行なって人体を検出する。
【００１８】
また、好ましくは、人体検出手段は、非接触状態にて人体を検出する。
また、好ましくは、アラームシステムは、人体が特定の位置および姿勢であるときに、検出手段で人体を検出することのできる位置および姿勢に、ロボットを定位する定位手段をさらに備える。
【００１９】
また、アラームシステムは、ロボットを定位する位置および姿勢を設定する定位設定手段をさらに備えることが望ましい。
【００２１】
また、好ましくは、ロボットは、設定された位置に予め設定された曲線に沿って定位する。
【００２２】
また、上述の曲線は、予め設定された値を円弧の半径とする曲線であり、円弧の両端が、人体検出手段で人体を検出する際のロボットの位置と、ベースステーションとであることが望ましい。
【００２３】
また、より好ましくは、ロボットを定位する位置は、アラームの停止後に上記人体が経由する領域を人体検出手段の検出領域に含む位置である。または、より好ましくは、ロボットを定位する位置は、伏臥状態の上記人体を人体検出手段の検出範囲に含まず、起立状態の上記人体を検出範囲に含む位置である。
【００２４】
また、上述のベースステーションは、ロボットの浮上を指示する指示手段をさらに備えることが望ましい。
【００２５】
本発明の他の局面に従うと、目覚まし時計は、ベースステーションとロボットとからなる目覚まし時計であって、ベースステーションは、時刻を計測する時刻計測手段と、時刻計時手段で予め設定された時刻が計時されるとアラームを動作させるアラーム開始手段とを備え、ロボットは、アラームを停止させるアラーム停止手段と、羽ばたき飛行によって浮上移動する移動手段と、人体を検出する人体検出手段と、人体検出手段で人体を検出する際の、ロボットの位置を、ベースステーションからの距離と、ベースステーションを基準とする角度とによって、予め設定する位置設定手段とを備える。
【００２６】
また、好ましくは、アラーム停止手段は、人体検出手段で人体を検出することでアラームを停止する。
【００２７】
また、好ましくは、人体検出手段は、起立状態である人体のみを検出する。より詳しくは、人体検出手段は、伏臥状態の上記人体を検出範囲に含まず、起立状態である上記人体を検出範囲に含むことがより好ましい。
【００２８】
また、目覚まし時計は、ロボットが浮上移動する軌道を設定する設定手段をさらに備えることが望ましい。
【００２９】
また、上述のベースステーションは、ロボットの離陸を指示する指示手段をさらに備えることが望ましい。
【００３０】
また、上述のアラーム停止手段は、ロボットが浮上移動後に所定の場所に帰還することによって、アラームを停止させることが望ましい。
【００３１】
また、人体検出手段で人体を検出する際のロボットの浮上高度が、起立状態である人体の身長以上であることが望ましい。
【００３２】
また、上述のロボットは、人体を検出する人体検出手段をさらに備え、人体検出手段で人体を検出する際のロボットの位置が、睡眠状態にある人体が覚醒後に第１に活動を行なう位置に起立した際の起立状態である人体を、人体検出手段で検出できる位置であることが望ましい。
【００３３】
また、目覚まし時計は、一定時間経過後に、自動的に前記ロボットを所定の場所に帰還させる帰還手段をさらに備えることが望ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００３５】
図１は、本実施の形態におけるアラームシステムの構成を示す図である。
図１を参照して、本実施の形態におけるアラームシステムは、羽ばたき浮上移動機構を備えたロボット９０と、ベースステーション９１とから構成される。
【００３６】
次に、上述のアラームシステムの動作について、具体的に説明を行なう。
アラームシステムのロボット９０は少なくとも、目標位置への定位、目標位置での待機、および目標位置よりベースステーション９１への帰還、の３つの動作を行なう。以降の説明において、これらの動作をそれぞれ定位動作、待機動作、および帰還動作、またこの動作を行なっている状態をそれぞれ、定位状態、待機状態、および帰還状態と称する。
【００３７】
部屋９２において、予め設定した時刻になるとロボット９０は、ベースステーション９１より浮上移動し、覚醒対象である睡眠者９３の身長以上の高さに定位する。また、ベースステーション９１はアラームを動作させる。
【００３８】
目標位置に定位後、ロボット９０はホバリングを行ない、後述の、睡眠者９３の起立確認がなされるまで略同位置にて待機する。
【００３９】
睡眠者９３は、起立し、ロボット９０の近辺まで移動し、ロボット９０に自らが起立状態にあることを認識させる。ロボット９０は、備えられたセンサにより、睡眠者９３が起立状態にあることを認識する。ロボット９０が睡眠者９３の起立状態を認識すると、ロボット９０は待機状態を解除し、ベースステーション９１に帰還する。ベースステーション９１はロボット９０の帰還を検出すると、アラームを停止させる。以上のプロセスにより、睡眠者９３はアラームを停止させることができる。
【００４０】
また、睡眠者９３は、起立状態にない限りアラームを停止させることができない。そのため、以上のプロセスにより、本実施の形態におけるアラームシステムは、アラーム停止動作と同時に、確実にかつ簡便に、睡眠者９３を起立状態に導くことができる。
【００４１】
次に、図１に示されるロボット９０について説明する。
図２は、図１に示されるロボット９０の主要な構成について示す図である。
【００４２】
図２を参照して、ロボット９０は支持構造１を主構造とし、これに各構成部品が配される。
【００４３】
より詳細には、支持構造１の上部には右アクチュエータ２１と左アクチュエータ２２とが固定される。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が取付けられる。各羽３１および３２の構成については、後に詳述する。
【００４４】
また、支持構造１の下部に電極６１が配される。
各アクチュエータ２１および２２は、各々取付けられた羽３１および３２を、アクチュエータ２１および２２の支点を略中心として、３自由度をもって回転させる。各アクチュエータ２１および２２の回転は、支持構造１に搭載された制御装置４によって制御される。各アクチュエータ２１および２２の詳細な構造については後述する。
【００４５】
なお、図２に示される状態におけるロボット９０の重心Ｏは、左右アクチュエータ２１および２２の回転中心の中点Ａ０よりも鉛直下方にある。
【００４６】
また、支持構造１には、加速度センサ５１、角加速度センサ５２、および人体センサ５３が搭載される。
【００４７】
上述の制御装置４は、上述の加速度センサ５１および角加速度センサ５２から送られる情報によって、ロボット９０の浮上の状態を検知する。
【００４８】
人体センサ５３は、人体もしくはその一部（例えば手のひら等）の存在の有無を検出し、その情報を制御装置４に送信する。
【００４９】
制御装置４は、これらの情報によりロボット９０の動作を決定し、ロボット９０を制御する。また、制御装置４は、支持構造１に配された発光ダイオード８のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００５０】
上述の左右アクチュエータ２１および２２、制御装置４、センサ５１〜５３、および発光ダイオード８等を駆動するエネルギーは、電力として電源６により供給される。電源６は、２次電池であり、電極６１１，６１２，６１３を経由して供給される電力によって充電される。
【００５１】
また、これとは別に、ロボット９０の軌道データをベースステーション９１より受取るための受信用シリアルインタフェースとして、電極６１２が配される。
【００５２】
また、電極６１１，６１２，６１３は、位置決めピンの役割も兼ねる。そのため、電磁石による吸引が可能なように、１つ以上のピンが磁性体を含む構成となっている。この構成により、ロボット９０は、後述する、電磁石による吸引機能を備えたベースステーション９１の位置決穴に、所定の姿勢で定位することが可能である。なお、以上の電極６１１，６１２，６１３は、個別に運動することがないので簡便のため、まとめて電極６１とも称する。
【００５３】
次に、上述の支持構造１について、図２を用いてより詳細に説明する。
支持構造１は、機械的強度を確保した上で十分軽量であることが望ましい。本実施の形態におけるロボット９０の支持構造１では、略球殻状に整形したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられるものとする。
【００５４】
また、支持構造１の材料や形状は、飛行の性能を損なわないものであれば、上述の材料や、図２に示された形状に限られるものではない。すなわち、支持構造１の材料は、特に、軽量で剛性が高いことが望ましい。そのため、例えば、蟹や海老等の生物に使われているキトサンなどの有機物と、シリカゲルなどの無機物とを、分子レベルでハイブリッド化した複合材料を用いることも考えられる。前記複合材料を用いることにより、蟹や海老等の外骨格が備える、軽くて丈夫であり、かつ、形状加工が容易であるという、生物が本来持っている最適な組成値をそのまま支持構造１に転用することができる。また、上述の複合材料は、環境に対しても害が少ないため望ましい材料である。さらに、貝殻の材料である炭酸カルシウムを、前述のキトサンに替えて用いることでも、剛性の高い支持構造１を構築することができる。
【００５５】
また、アクチュエータ２１および２２、羽３１および３２の配置、形状についても、図２に示される態様に限るものではない。
【００５６】
なお、本実施の形態では、ロボット９０の浮上の安定性を特に重要視して、すなわち、浮上時に自然に図２に示した姿勢となるように、重心Ｏの位置を羽３１および３２の力学的作用中心点（回転中心の中点Ａ０）の位置よりも下に位置させている。しかし、重心Ｏと力学的作用点（回転中心の中点Ａ０）の位置とを一致させる方が、ロボット９０姿勢制御に必要な左右の羽３１および３２の流体力の差を最も小さくすることができるため、ロボット９０の姿勢を容易に変更することができる。よって、ロボット９０の形態は、上述の、重心Ｏの位置を羽３１および３２の力学的作用中心点の位置よりも下に位置する形態に限定されず、上述の、重心Ｏと力学的作用点の位置とを一致させる形態、すなわち、姿勢制御の容易さを優先した設計を行なうことも考えられる。
【００５７】
次に、上述のロボット９０の、羽３１および３２の構成とその動作について、以下に説明する。
【００５８】
ここで、説明の簡便のため、図２における座標系を定義する。
まず、支持構造１の略中央を原点とする。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。
【００５９】
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３２に向かってｙ軸を定義する。また、原点から、ｙ軸とｚ軸との右手系における外積方向にｘ軸を定義し、以後これを前方、その反対方向を後方と称する。
【００６０】
また、図２には、ロボット９０が、右羽３１の右アクチュエータ２１に対する力学的作用点Ａ１と、左羽３２の左アクチュエータ２２に対する力学的作用点Ａ２との中点Ａ０から、重力加速度方向に下ろした線上に本装置の重心Ｏが位置する状態であることが示されている。本実施の形態においては、左アクチュエータのロータ２２９（図示せず）は略球状であり、左羽３２の主軸３２１の延長線上にこのロータ２２９の球心が位置するように左羽３２が配置される。左アクチュエータ２２に対する力学的作用点Ａ２および主軸３２１の回転運動の支点は、このロータ２２９の球心に一致する。なお、右アクチュエータ２１についても同様である。
【００６１】
以後、前述したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は図２に示される状態において、支持構造１に対して固定された、本実施の形態のロボット９０に固有の座標系であるものとして説明を行なう。
【００６２】
一方、上述のロボット９０の固定された座標系に対して、空間に固定された任意の点を原点とする空間座標として、ｘ’軸、ｙ’軸およびｚ’軸を定義する。これにより、ロボット９０が移動する作業空間９２の座標は、上述のｘ’軸、ｙ’軸およびｚ’軸のそれぞれの座標を用いて表され、ロボット９０における固有の座標は、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のそれぞれの座標を用いて表される。
【００６３】
次に、羽３１および３２の構造について説明する。
左羽３２は、主軸３２１と、主軸３２１から枝状に伸びた枝３２２とから構成される支持部材に、膜３２３を張ることで形成される。主軸３２１は、左羽３２において、前方よりの位置に配される。また、枝３２２は、先に行くほど（主軸３２１から遠くなるほど）下方を向く。さらに、左羽３２は、上に凸状の断面形状を有する。これによって、特に左羽３２を打下ろす際に、左羽３２は、流体から受ける力に対して高い剛性を得る。
【００６４】
上述の主軸３２１と枝３２２とは、軽量化のため、それぞれカーボングラファイトの中空構造である。また、膜３２３は、その面内において収縮する方向に自発的な張力を有し、左羽３２全体の剛性を高める働きを行なう。
【００６５】
なお、具体的に、本発明者らが実験に用いた数値は、以下の数値である。左羽３２の主軸３２１の直径は、支持構造１に支持された根元の部分では１００μｍ、先端部では５０μｍであり、主軸３２１は根元から先端部へ向かって細くなるテーパー形状である。また、膜３２３の材質はポリイミドであり、膜３２３の大きさは前後方向約１ｃｍ、左右方向約４ｃｍ、厚さは約２μｍである。
【００６６】
さらに、上述の具体的な左羽３２の構成を図示する。図３は、左羽３２の構成の具体例を示す図である。図３に示された左羽３２は、説明のために主軸３２１はその太さが拡大されて示されている。図示されない右羽３１は、ｘｚ平面を挟んで左羽３２と鏡面対象になるように支持構造１に取付けられる。
【００６７】
なお、ここに示した羽３１および３２の形状、材質等は具体例の１つであり、飛行の機能を実現する羽３１および３２の構成は、ここに示される形状、材質等に限定されない。
【００６８】
次に、羽３１および３２の動作について、左羽３２を例に挙げて説明する。
左アクチュエータ２２は、左羽３２を回転３自由度で動かすことが可能である。つまり、左羽３２の駆動状態は、その姿勢で表わされる。ここで、以後の説明の簡便のため、左羽３２の姿勢を、図２に示される状態に基づき、以下のように定義する。図４および図５は、左羽３２の姿勢を示すための第１の図および第２の図である。
【００６９】
まず、図４に示すように、主軸３２１の回転運動の支点（力学的作用点Ａ２）と、ｘ軸およびｙ軸にそれぞれ平行な軸（／／ｘ、／／ｙ）とを含むｘｙ平面に平行な平面を基準として、点Ａ２と左羽３２の主軸３２１の根元とを結ぶ線分がその平面となす角度を、羽ばたきのストローク角θとする。また、主軸３２１の回転運動の支点（力学的作用点Ａ２）とｙ軸およびｚ軸にそれぞれ平行な軸（／／ｙ、／／ｚ）とを含むｙｚ平面に平行な平面を基準として、点Ａ２と左羽３２の主軸３２１の根元とを結ぶ線分がその平面となす角度を偏角αとする。
【００７０】
このとき、ストローク角θはｘｙ平面に平行な平面より上方では正とし、下方では負とする。また偏角αはｙｚ平面に平行な平面よりも前方では正とし、後方では負とする。
【００７１】
そして、図５に示すように、左羽３２の主軸３２１の根元における膜３２３の接平面ｐ１が、点Ａ２を通りｘ軸と平行な軸（／／ｘ）と主軸３２１とを含む平面ｐ０となす角度を、ねじり角βとする。このとき、ねじり角βは、主軸３２１の根元から先端に向かって見たときに、時計回りを正とする。
【００７２】
次に、アクチュエータ２１および２２について説明を行なう。
本実施の形態におけるアクチュエータ２１および２２については、トルクが大きいこと、往復運動が簡単に実現できること、および構造が単純なことなどから、圧電素子（ピエゾ）を用いて発生した進行波によって駆動する、一般的に超音波モータと呼ばれるアクチュエータを用いる。
【００７３】
まず始めに、一般的な超音波モータについて検討を行なう。図６は、一般的な超音波モータ２３を示す図である。
【００７４】
図６を参照して、超音波モータ２３は、図６（ａ）に示される如く、下面に圧電素子２３０を貼付けてあるアルミニウムの円盤２３１上に、突起２３２〜２３７が円盤２３１の中心を重心とする正六角形をなすように６カ所配され、さらにこの圧電素子２３０の下面には円周方向に１２分割された電極２３８が配される構造である。
【００７５】
さらに、超音波モータ２３の構造の概略を図６（ｂ）に示す。１２分割された電極２３８の各電極は、１つおきに電気的に短絡されており、それぞれ、円盤２３１を規準に電圧が印加される。すなわち圧電素子２３０には、２相の異なる電圧が加えられる。この様子を図６（ｃ）に、ハッチングと黒塗りつぶしとに分けて示す。このそれぞれに異なる時間的パターンで電圧を加えることによって、円盤２３１上に進行波が発生し、突起２３２〜２３７の先端が楕円運動を行なう。
【００７６】
なお、以上の、検討に用いた一般的な超音波モータ２３の、具体的な数値の例を挙げる。
【００７７】
超音波モータ２３のトルクは、１．０ｇｆ・ｃｍで、無負荷回転速度は８００ｒｐｍである。また、その際の最大消費電流は２０ｍＡである。また、円盤２３１の直径は８ｍｍ、突起２３２〜２３７の配されている間隔は２ｍｍである。円盤２３１の厚さは０．４ｍｍ、突起の高さは約０．４ｍｍである。また、この場合の圧電素子２３０の駆動周波数は３４１ｋＨｚである。
【００７８】
上述の一般的な超音波モータ２３を用いて、ステータを構成することができる。このステータは、ステータ上に接触して配されたロータ２３９（図示せず）を、上述の突起２３２〜２３７の先端の楕円運動により搬送する。
【００７９】
本実施の形態におけるロボット９０では、上述のステータ部分を流用したアクチュエータ２１および２２を用いる。
【００８０】
次に、図７は、右アクチュエータ２１の構成を示す図である。
図７を参照して、右アクチュエータ２１は、図７（ｂ）に示す如く、球殻状のロータ２１９を、上述のステータと同様のステータ２１０とベアリング２１１とで挟込んで保持する構造である。ただし、ステータ２１０のロータ２１９との接触部は、ロータ２１９表面と一致する形状に加工される。
【００８１】
なお、本実施の形態におけるロータ２１９のサイズの具体例としては、外形３．１ｍｍ、内径２．９ｍｍの球殻で、表面に右羽主軸３１１が配される。ステータ２１０の突起のある面に向かって見て時計回り（以後、これを正回転、この逆の回転を逆回転と呼ぶ）にロータ２１９を搬送させる操作を行なうと、右羽主軸３１１は図７（ｂ）に示すθの方向に移動する。
【００８２】
さらに、上述のロータ２１９を３自由度で駆動するために、上部補助ステータ２１２と下部補助ステータ２１３とをベアリング２１４、２１５と共にステータ２１０、ベアリング２１１と同様に図７（ａ）に示すように配する。本実施の形態においては、各補助ステータ２１２，２１３の大きさの具体例としては、ステータ２１０の０．７倍である。
【００８３】
上述のステータの駆動方向は、必ずしも直交していない。しかし、それぞれ独立した要素への回転を与えるため、これらの運動の組合わせによって、ロータ２１９を３自由度で駆動することができる。
【００８４】
例えばロータ２１９に対して、上部補助ステータ２１２によって正回転を、下部補助ステータ２１３によって同じく正回転を与えれば、ロータ２１９はこの合成であるβ方向に回転する。また、上部補助ステータ２１２によって逆回転を、下部補助ステータ２１３によって正回転を与えれば、α方向に回転する。
【００８５】
なお、実際の駆動に際しては、回転中心の異なる２つの回転を行なわせることは、摩擦によって効率を低下させてしまう。そのため、例えば上部補助ステータ２１２と下部補助ステータ２１３とをごく短時間周期で交互に動作させ、その間、動作していないステータの突起はロータ２１９に接触しない、等の駆動方法を行なうことが望ましい。これは、ステータの電極全てに、圧電素子の収縮方向に電圧を印加することで、特別に構成要素を付加することなく実現することができる。
【００８６】
また、実際の圧電素子の駆動周波数が３００ｋＨｚ以上と、せいぜい１００Ｈｚ程度である羽ばたき周波数に比べて十分高速であるので、交互にアクチュエータ２１を動作させても、実質上なめらかな動きを右羽主軸３１１に与えることができる。
【００８７】
以上により、上述の検討に用いた一般的な超音波モータ２３と同等の特性を有する、３自由度を備えるアクチュエータ２１および２２が構成される。
【００８８】
なお、上述のステータの発生する進行波の振幅がサブミクロンオーダであるため、上述のロータ２１９は、このオーダの真球度であることが要求される。民生用の光学製品に用いられている放物面鏡の加工精度は数１０ｎｍであり、また、光学干渉計に用いられる光学部品の加工精度は数ｎｍ程度であることから、このようなロータは現在の加工方法、技術で作成することが可能である。
【００８９】
なお、これは本発明における３自由度の運動を羽３１および３２に与えるアクチュエータ２１および２２を超音波モータで構成した具体例の１つに過ぎず、各構成要素の配置、サイズ、材質、および駆動方法等は、羽ばたき飛行に要求される物理的機能、例えばトルク等が実現できるならこの限りではない。
【００９０】
また、言うまでもなく、羽３１および３２の駆動機構や、羽３１および３２の駆動に用いるアクチュエータ２１および２２の種類についても、特に上述に限定されるものれはない。たとえば特開平５−１６９５６７号公報に開示されているような、外骨格構造とリニアアクチュエータとを組合わせて用いた羽ばたき機構等であっても、上述のアクチュエータ２１および２２と等価な羽３１および３２の動作を実現できる。
【００９１】
また、駆動エネルギーとして電力を用いたが、内燃機関を用いることも可能である。さらに、昆虫の筋肉に見られるような、生理的酸化還元反応により、化学的エネルギーを運動エネルギーに変換するアクチュエータを用いることも可能である。例えば、昆虫から採取した筋肉をリニアアクチュエータとして用いる方法や、虫の筋肉のタンパク質のアミノ酸と無機物とを材料として分子レベルでこれらを複合化させて作った複合材料の人工筋肉をリニアアクチュエータとして用いる、等の方法がある。
【００９２】
さらに、基本的な駆動力を上述の内燃機関等のエネルギー効率の高いアクチュエータで得て、これらの制御もしくは補助として電力で駆動するアクチュエータを用いる手法も可能であることは言うまでもない。
【００９３】
次に、ロボット９０の浮上方法について説明を行なう。
なお、ここでは、羽３１および３２が流体から受ける力を流体力と呼ぶこととする。また、説明の簡便のため、空気の流れはがはばたきによってのみ起こる状態、すなわち無風状態であるものと仮定して説明する。さらに、説明の簡便のため、ロボット９０に及ぼされる外力は、羽３１および３２に流体から作用する力、すなわち、流体力と重力とのみであるものとする。
【００９４】
ロボット９０が恒常的に浮上するためには、１回の羽ばたき動作の間で、平均して、
（羽にかかる上方向の流体力の総和）＞（ロボット９０にかかる重力）
であることが必要である。
【００９５】
ここでは、昆虫の羽ばたきを単純化した羽ばたき方である、打下ろし時の流体力を打上げ時の流体力よりも大きくする方法について説明する。説明の簡便のため、流体の挙動もしくはそれが羽３１および３２に及ぼす力については、その主要成分を挙げて説明する。また、この羽ばたき方によりロボット９０に作用する浮上力と重力との大小については後述する。
【００９６】
羽３１および３２には、羽３１および３２が運動する方向と逆方向の流体力が作用する。そのため、羽３１および３２の打下ろし時には羽３１および３２に上向きの流体力が作用し、打上げ時には羽３１および３２に下向きの流体力が作用する。そこで、打下ろし時に流体力を大きくし、打上げ時には流体力を小さくすることで、１回の羽ばたき動作（打下ろし動作と打上げ動作とをまとめて羽ばたき動作と言う）の間で時間平均すると上方向の流体力が得られることになる。
【００９７】
そのためには、まず、打下ろし時に、羽３１および３２が移動する空間の体積が最大になるように打下ろせば、羽３１および３２にほぼ最大の流体力が作用する。これは、羽３１および３２の接平面と略垂直に羽３１および３２を打下ろすことに相当する。
【００９８】
一方、打上げ時に、羽３１および３２が移動する空間の体積が最小になるように打上げれば、羽３１および３２に及ぼされる流体力はほぼ最小となる。これは、羽３１および３２の断面の曲線にほぼ沿って羽３１および３２を打上げることに相当する。
【００９９】
このような羽３１および３２の動作について、図８および図９を用いて、例として左羽３２について説明を行なう。図８および図９は、左羽３２の、主軸３２１に垂直な第１および第２の断面図である。図８は左羽３２の移動する空間の体積が最大になるように打下ろした場合を示す図であり、図９は左羽３２の移動する空間の体積が最小になるように打上げた場合を示す図である。
【０１００】
図８および図９では、移動前の左羽３２の位置は破線で示され、移動後の左羽３２の位置は実線で示されている。また、左羽３２の移動方向が一点鎖線の矢印によって示されている。図８および図９において太線矢印に示される如く、流体力は左羽３２の移動方向とは逆向きに左羽３２に作用する。
【０１０１】
このように、打上げ時における左羽３２が移動する空間の体積が、打下ろし時における左羽３２が移動する空間の体積よりも大きくなるように、左羽３２の姿勢を左羽３２の移動方向に対して変化させることで、１回の羽ばたき動作の間の時間平均において、左羽３２に作用する上方向の流体力を、ロボット９０に作用する重力よりも大きくすることができる。
【０１０２】
本実施の形態のロボット９０では、羽３１および３２のねじり角βが制御可能である。そのため、ねじり角βを時間的に変化させることによって、上述の羽３１および３２の運動が実現される。
【０１０３】
具体的には、図１０〜図１３に示される左羽３２の羽ばたき動作に沿って、以下のステップＳ１〜Ｓ４の説明を行なう。図１０〜図１３は、左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ１〜ステップＳ４を示す図である。
【０１０４】
まず、図１０を参照して、ステップＳ１では、左羽３２の打下ろしが行なわれる。そのとき、左羽３２のストローク角θは、＋θ０から−θ０に変化する。
【０１０５】
次に、図１１を参照して、ステップＳ２では、左羽３２の第１の回転動作が行なわれる。このとき、左羽３２のねじり角βは、β０からβ１に変化する。
【０１０６】
また、図１２を参照して、ステップＳ３では、左羽３２の打上げ（ストローク角θ＝−θ０→＋θ０、ねじり角β＝β１→β２が行なわれる。このとき、左羽３２の曲面に沿った運動を行ない流体力を最小限にとどめるために、左羽３２のストローク角θは−θ０→から＋θ０に変化し、ねじり角βはβ１からβ２に変化する。
【０１０７】
さらに、図１３を参照して、ステップＳ４では、左羽３２の第２の回転動作が行なわれる。このとき、左羽３２のねじり角βは、β２からβ０に変化する。
【０１０８】
上述の、ステップＳ１およびステップＳ３において左羽３２に作用する流体力を時間平均すると、上述のように左羽３２の移動する空間の体積の違いから、上向きの流体力となる。なお、この上向きの流体力の鉛直成分と重力との大小関係については後述する。
【０１０９】
なお、言うまでもなく、ステップＳ２およびＳ４においても、左羽３２に作用する流体力の時間平均は、上向きの流体力であることが望ましい。
【０１１０】
ここで、ロボット９０の羽３１および３２では、図１０〜図１３に示す如く、羽３１および３２の前縁近傍に、羽３１および３２の回転中心（主軸３２１部分）が位置する。つまり、主軸３２１から羽３２の後縁までの長さの方が主軸３２１から羽３２の前縁までの長さよりも長い。このため、図１１および図１３に示すように、羽３２の回転動作においては、羽３２の回転方向に沿って生じる流体の流れに加えて、主軸３２１から羽３２の後縁に向かう方向に沿って流体の流れが生じる。
【０１１１】
そして、羽３１および３２には、このような流体の流れの反作用として、それぞれの流れの向きとは逆向きの力が作用して、図１１に示すステップＳ２では実質的に上向きの流体力が左羽３２に与えられ、図１３に示すステップＳ４では主に下向きの流体力が左羽３２に与えられる。
【０１１２】
さらに、図１２に示すステップＳ３では、左羽３２の断面の曲線に沿うように左羽３２のねじり角βをβ１からβ２に変化させながら打上げ動作が行なわれる。また、図１１に示すステップＳ２における左羽３２の回転角は、図１３に示すステップＳ４における左羽３２の回転角よりも大きい。これにより、ステップＳ２およびステップＳ４においても、左羽３２に上向きに作用する流体力が下向きに作用する流体力に打勝って、時間平均すると上向きの流体力が左羽３２に作用する。
【０１１３】
なお、図１０〜図１３では、それぞれのステップＳ１〜Ｓ４における左羽３２の移動前の姿勢が波線で示され、移動後の姿勢が実線で示されている。また、各ステップＳ１〜Ｓ４における左羽３２の移動方向が一点鎖線の矢印によって示されている。また、各ステップＳ１〜Ｓ４において主に発生する流体の流れが実線の矢印によって示されている。
【０１１４】
次に、ストローク角θおよびねじり角βの時間変化について図１４に示す。図１４は、ストローク角θおよびねじり角βの値を時間の関数として表した図である。ただし、図１４では、ストローク角θ、およびねじり角βのそれぞれの縦軸の比率は異なっている。
【０１１５】
なお、具体的に、本発明者らが実験に用いた数値は、以下の数値である。θ０は６０°である。β０は０°である。β１は−１２０°である。β２は−７０°である。
【０１１６】
さらに、上述の説明においては、説明の簡便のためステップＳ１〜Ｓ４は独立した動作として記述したが、ステップＳ１において左羽３２を打下ろしながら左羽３２のねじり角を大きくするような動作も可能である。また、上述した例は、最も近似的な考察から説明されるものであり、実際に浮上可能な羽ばたき方法は上述の例に限られるものではない。
【０１１７】
また、ここでは左羽３２について説明したが、右羽３１についてもｘｚ平面に関して鏡面対称に左手系に基づいてストローク角θ、偏角α、およびねじり角βを定義すれば同一の議論が成立つ。以下、羽３１および３２に作用する上向きの流体力を浮上力とし、羽３１および３２に作用する前向きの流体力を推進力とする。
【０１１８】
次に、本実施の形態におけるロボット９０に任意の運動を行なわせるための制御手法について説明を行なう。ここでは、本実施の形態におけるロボットの左羽３２については右手系に基づくストローク角θ、偏角αおよびねじり角βを用い、そして、右羽３１についてはｘｚ平面に対して鏡面対称の左手系に基づくストローク角θ、偏角αおよびねじり角βを用いて羽の姿勢を示す。
【０１１９】
上述の如く、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われる。そのため、羽の運動により、ロボット９０に与えられる加速度と角加速度とが直接制御される。
【０１２０】
まず、Ｓを目標とする浮上状態と現在の浮上状態との差異とする。Ｔ（Ｓ）を浮上状態から加速度および角加速度への変換を表わす関数とする。ｓを加速度および角加速度とする。Ｆα（ｓ）を加速度センサ５１および角加速度センサ５２のセンサ応答を含めた制御アルゴリズムを表わす関数とする。ｓαをアクチュエータ制御量とする。Ｇｗ（ｓα）をアクチュエータ２１および２２と羽３１および３２との応答を表わす関数とする。Ｓｗを羽３１および３２の運動とする。Ｇｆｓ（ｓｗ）を羽３１および３２の運動によりロボット９０に及ぼされる加速度もしくは角加速度Ｓｅを表わす関数とする。Ｓｅがこの一連のプロセスにより行なわれる浮上状態の変更とする。そのとき、入力Ｓより出力Ｓｅが得られるプロセスは、図１５に示す如くなる。図１５は、羽ばたき動作制御における応答を示す図である。
【０１２１】
さらに、図１５を参照して、実際には、羽３１および３２と流体との慣性力により、現在までの羽３１および３２の運動Ｒｗと、流体の運動の時刻歴に依存する影響Ｒｆｓとが、ＧｗとＧｆｓとに加わる。
【０１２２】
なお、上述の方法以外にも、Ｆα以外の全ての関数を正確に求め、これよりＳ＝Ｓｅとなる制御アルゴリズムＦαを算出する手法もありうる。しかし、この手法においては、ロボット９０周囲の流体の流れと羽３１および３２の運動の時刻歴とが必要であり、膨大なデータ量と演算速度とが必要となる。また、流体と構造と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。そのため、この手法は実用的でない。そこで、予め基本的な動作パターンを用意し、目標とする浮上状態を分割して、これら基本動作パターンを時系列に組合わせて実現する手法が簡便で望ましい。
【０１２３】
物体の運動にはｘ方向、ｙ方向、ｚ方向３自由度の並進自由度とθｘ方向、θｙ方向、θｚ方向３自由度の回転自由度、つまり６自由度が存在する。すなわち前後、左右、上下、そしてこれらの方向を軸とする回転である。
【０１２４】
このうち、左右への移動は、θｚ方向の回転と前後方向への移動とを組合わせて行なうことができる。そこで、ここでは、上下方向すなわちｚ軸方向への並進動作、前後方向すなわちｘ軸方向への並進移動、およびｘ軸ｙ軸ｚ軸周りの回転動作について、それぞれその実現方法を説明する。
【０１２５】
（１）上下方向（ｚ軸方向）の動作
羽３１および３２が移動することで、羽３１および３２が流体から受ける力は羽３１および３２の移動速度に依存する。そのため、羽３１および３２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
等の方法がある。これらの方法によってロボット９０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。
【０１２６】
なお、これらの手法によれば、羽３１および３２が流体から受ける流体力そのものが大きくなる。そのため、羽３１および３２が流体力を上下方向以外から受けることによって、羽３１および３２の力学的支点Ａ１およびＡ２に羽３１および３２から上下方向以外の力が及ぼされている際には、上昇と共に、その方向へのこの支点Ａ１およびＡ２にかかる力の増加も伴なう。例えば、前方に略等速直線運動を行なっている際に羽ばたき周波数を大きくすると、ロボット９０は速度増加を伴なって上昇する。このように、現時点での羽ばたき方によって、副次的にこのような他の運動を伴なうが、以後、特に断らない限り、停空状態からの制御について説明する。
【０１２７】
また、羽３１および３２のねじり角βを変えて、羽３１および３２が移動する空間の体積を変化させることによっても浮上力は変化する。例えば、打上げ時における羽３１および３２が移動する空間の体積がより大きく、もしくは、打下ろし時における羽３１および３２が移動する空間の体積がより小さくなるようなねじり角βとすることで、羽３１および３２に作用する上向きの流体力の時間平均は小さくなる。実際には、羽３１および３２は剛体でなく変形を伴なうため、同一のねじり角βによっても羽３１および３２が移動する空間の体積は変化する。しかし、第一原理的には、羽３１および３２の移動する方向に垂直なねじり角βが最も大きくなる、羽３１および３２が移動する空間の体積を考える。また、羽３１および３２が移動する方向に平行なねじり角βが最も小さくなる、羽３１および３２が移動する空間の体積を考える。
【０１２８】
なお、この場合、副次的に、羽ばたきと垂直方向にも流体力が作用する。そのため、この垂直方向の流体力が制御上支障を生じるレベルである場合は、これを打消す羽３１おおよび３２の動きを付加する必要がある。最も単純には、偏角αの変更により実現できる。
【０１２９】
また、前記のステップＳ２もしくはステップＳ４において、羽３１および３２の回転角速度を変化させることによっても、ｚ軸方向の動作を行なうことは可能である。例えば、ステップＳ２において羽３１および３２の回転角速度（−ｄβ／ｄｔ）を大きくすると、この回転によって生じる流体の下方向への流速が大きくなるため、この反作用によって羽３１および３２に作用する上向きの流体力は大きくなる。
【０１３０】
なお、上述の場合、ロボット９０に及ぼされる、羽３１および３２の主軸３１１および３２１を回転軸とするトルクが、副次的に変化する。よって、この変化が制御上支障のない範囲内で、この回転角速度変化を行なうことが望ましい。
【０１３１】
また、この場合、ロボット９０に及ぼされる、前後方向への力も副次的に変化する。よって、この変化が制御上支障を来たす場合は、（２）として後述する前後方向への力の制御も同時に行なうことが望ましい。
【０１３２】
（２）前後方向（ｘ軸方向）への動作
前述した羽ばたき方法では、主にステップＳ２およびステップＳ４にて、ｘ方向正の向きへの流体力が羽３１および３２に作用する。したがって、この羽３１および３２の動かし方においては、前進を伴なって浮上する。
【０１３３】
また、打下ろしの際に、偏角αを増加して羽３１および３２を前方に移動させることで、羽３１および３２には後向きの流体力が作用することになる。したがって、打下ろしの際、すなわちステップＳ１における偏角αを制御して、ステップＳ１における羽３１および３２に作用する後向きの流体力を、他の（主にステップＳ２とステップＳ４における）前向きの流体力よりも大きくすれば後退し、小さくすれば前進することができる。また、この後向きの流体力と前向きの流体力とがほぼ釣合えば、前後方向に静止することができる。
【０１３４】
特に、ロボット９０が前後方向に静止しており、左右の羽３１および３２が略対象な運動を行ない、重力とロボット９０における浮上力とが釣合っているならば、ホバリング状態が実現できる。
【０１３５】
なお、偏角αの変更に伴ない、副次的に、羽３１および３２に及ぼされる流体力の鉛直方向成分が変化する。そのため、この流体力の鉛直方向成分が制御上支障を生じるレベルである場合には、これを打消す羽３１および３２の動きを付加する必要がある。これは主に前述（１）の上下方向の動作によって行なうのが簡便である。
【０１３６】
さらに、前述したステップＳ２およびステップＳ４において、羽３１および３２の回転動作の角速度を大きくすると前向きの流体力が増加し、小さくすると減少する。これによっても前後方向への動作を変化させることができる。
【０１３７】
また、（１）に述べた羽３１および３２のねじり角βの変更に伴なう副次的な流体力のうち、ｘ軸方向成分を利用する手法を用いることもできる。つまり、打下ろし時に、ねじり角β＞０なら前方向への力が働き、ねじり角β＜０なら後ろ方向への力が働く。
【０１３８】
なお、打上げ時のねじり角β、偏角α、およびストローク角θの関係は、ある程度拘束されているが、以上の流体力の制御は、ステップＳ３においても可能である。
【０１３９】
（３）ｚ軸を回転軸とする回転動作
（２）において述べた前後方向への制御を、左羽３２と右羽３１について個別に行ない、これを異ならせることで、ロボット９０にトルクを与えることができる。
【０１４０】
すなわち、右羽３１の前向きの流体力を、左羽３２のそれに対して高くすれば、ロボット９０はｘ軸正の向きに向かって左方向を向き、低くすれば同じく右方向を向く。これによって、ｚ軸を回転軸とする回転動作を行なうことができる。
【０１４１】
（４）ｘ軸を回転軸とする回転動作
（３）と同様に、右羽３１の上向きの流体力を、左羽３２のそれに対して大きくすれば右側が持上がり、小さくすれば左側が持上がる。これによって、ｘ軸を回転軸とする回転動作を行なうことができる。
【０１４２】
（５）ｙ軸を回転軸とする回転動作
（２）に述べた、羽３１および３２のねじり角βの角速度変更によって、ロボット９０にかかるｙ軸周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。例えば、ステップＳ１におけるねじり角βの回転角速度を大きくすると、ロボット９０は機首を下げ、逆に小さくすると機首を上げる。
【０１４３】
（６）ホバリング（停空飛翔）
ロボット９０を停空させる際のストローク角θ、偏角α、およびねじり角βと時間との関係を、図１６に示す。図１６は、ロボット９０を停空させる際のストローク角θ、偏角α、およびねじり角βの値を、時間の関数として表わした図である。ただし、図１６においては、それぞれの角度の縦軸の比率は異なっている。
【０１４４】
なお、具体的に、本発明者らが実験に用いた数値は、以下の数値である。θ０は６０°である。β０は−１０°である。α１は３０°である。β１は−１００°である。β２は−６０°である。
【０１４５】
さらに、上述の（１）および（２）に示された動作においての、各ステップＳ１〜Ｓ４における左羽３２の運動と、それにより左羽３２の力学的支点Ａ２に生じる加速度および角加速度とを図１７に示す。図１７は、羽３１および３２の制御とそれによりもたらされる動作とを対応付ける図である。図１７においては、各ステップＳ１からＳ４における左羽３２の運動ごとに、左羽３２の力学的支点Ａ２に生じる加速度および角加速度とを丸印で示す。ただし、左右の羽３１および３２の運動の非対称によって起こすことができるため、（３）、（４）に示すｘ軸、ｚ軸を回転軸とする回転動作については省略する。
【０１４６】
次に、本実施の形態におけるロボット９０に任意の運動を行なわせるための制御方法を決定する手法について説明を行なう。
【０１４７】
ロボット９０の現在の浮上状態は、ロボット９０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換した値を用いて求められる。例えば、速度は、加速度を時間積分した値に速度の初期値を加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。当然、浮上状態に、浮上状態の時刻歴を含む手法を用いることもできる。
【０１４８】
制御装置４は、現在のロボット９０の浮上状態と、目的とする浮上状態とから、ロボット９０の動作を決定する。この制御は、３次元で行なわれる点以外は従来から行なわれている制御手法を適用することができる。
【０１４９】
ロボット９０の動作は、制御装置４にて、アクチュエータ２１および２２の駆動に変換される。
【０１５０】
この変換には、テーブル参照、もしくはその補完を用いる方法が高速である。例えば、図１８は、基本となる動作と、それを実現するアクチュエータ２１および２２の駆動の組合わせとを定めるテーブルである。図１８に示されるテーブルを予め用意することで、ロボット９０の動作が、制御装置４にて、アクチュエータ２１および２２の駆動に変換される。なお、図１８の左端列は、目的とする動作である。また、羽ばたきにおけるＡおよびＢは、Ａは前進時の羽ばたき方、Ｂは停空時の羽ばたき方である。より具体的には、それぞれ図１４および図１６に示される、偏角α、ねじり角β、およびストローク角θの時刻歴を、時間的に離散化したものである。制御装置４は、ロボット９０の動作から、この駆動もしくはその補完した駆動を、図１８に示されるテーブルより算出する。
【０１５１】
なお、ここでは説明のため、まずロボット９０の動作を算出し、これをアクチュエータ２１および２２の駆動に変換するという手法を用いたが、浮上状態から直接アクチュエータ２１および２２の駆動を選択する手法を用いてもよい。
【０１５２】
例えば、定位制御を行なう場合、現在位置と目標位置との差によって、上述したアクチュエータ２１および２２の駆動のいずれか、もしくはそれを補完した駆動を直接算出する手法であってもよい。
【０１５３】
また、言うまでもなく、ロボット９０の浮上状態を表わす物理量は、上述の位置、速度、加速度等に限定されるものではない。また、言うまでもなく、アクチュエータ２１および２２の駆動を決定する手法は、この態様に限らない。
【０１５４】
次に、本実施の形態におけるロボット９０の構成で浮上が可能な条件について、以下に述べる。
【０１５５】
本発明者らの実験環境では、アクチュエータ２１および２２として進行波アクチュエータを用いた。この進行波アクチュエータによれば、ステータ２１０は超音波モータ２３と同等であるので、θ方向の羽ばたきに関してはトルク１．０ｇｆ・ｃｍである。
【０１５６】
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で羽ばたいた際の流体力を算出した。以下にその際の値を、具体例として挙げる。
【０１５７】
羽３１および３２は、アクチュエータ２１および２２から離れる方向が長辺で、長辺４ｃｍ、短辺１ｃｍの矩形であるものとする。なお、羽３１および３２の変形は無視する。また、幅８ｍｍ、長さ３３ｍｍのトンボの羽が約２ｍｇであったので、これにならい、羽３１および３２の質量は３ｍｇとする。
【０１５８】
さらに、超音波モータ２３は、突起先端２３２〜２３７の微小な楕円運動の累積によってロータを駆動するため、実際の駆動トルクの立上がりおよび立下がりは、楕円運動の周期オーダ、すなわち１０の５乗ヘルツオーダーである。しかし、計算の安定性からの制約上、±２５０ｇｆ・ｃｍ／ｓｅｃとする。すなわち、トルクは０．００４秒に１ｇｆ・ｃｍ上昇する。
【０１５９】
この羽３１および３２を、一方の短辺を、この辺を回転軸とする回転自由度のみ残して固定し、この回転自由度にトルクを与える。図１９は、回転軸にかかる反力を、上述の具体的な数値を用いて算出した結果を示す図である。ただし、偏角α＝０（度）、ねじり角β＝０（度）である。
【０１６０】
図１９を参照して、時刻０秒において羽３１および３２は水平、すなわちストローク角θ＝０（度）である。ここから時刻０．００４秒までの間にトルクを１ｇｆ・ｃｍまで直線的に向上させ、０．００４秒から０．０１秒まで１ｇｆ・ｃｍを保つ。そして時刻０．０１秒から０．０１８秒までの間にトルクを１ｇｆ・ｃｍから−１ｇｆ・ｃｍまで直線的に変化させ、同０．０１８秒から０．０３秒までは−１ｇｆ・ｃｍを保ち、同０．０３秒から０．０３８秒までの間に再び１ｇｆ・ｃｍへと直線的に変化させる。
【０１６１】
これにより得られた接点反力を、打下ろしの間、すなわちトルクが負である時間である時刻０．０１４秒から時刻０．０３４秒までの間で平均すると約０．２９ｇｆである。
【０１６２】
以上のシミュレーションは、１自由度のはばたき動作の結果であるため、打上げ時における流体力の作用は不明である。しかし、断面積に比して流体の抵抗は減少するので、打上げ時に働く下向きの支点反力を小さくし、かつ、打下ろし時と同じトルクで打上げることが可能なため、打上げに要する時間は打下ろしに要する時間より遙かに短い。すなわち、打上げの際の力が作用する時間は短いこと、また打下ろし以外にも羽３１および３２の回転などを用いて浮上力が更に得られることから、トルク１ｇｆ・ｃｍのアクチュエータ２１および２２を用いて、０．２９ｇ程度の質量を浮上させることは可能であると言える。すなわち、本実施の形態における装置（ロボット９０）全体の質量が０．５８ｇ以下であれば、浮上させることが可能である。以下、上述の具体的な数値を用いて、ロボット９０の重量について検討する。
【０１６３】
まず、ステータ２１０の質量は、電極と圧電素子とが薄いため、比重２．７、厚さ０．４ｍｍ、半径４ｍｍの円盤と同等であり、０．０５４ｇである。
【０１６４】
また、補助ステータ２１２および２１３の重量は、ステータ２１０の直径が０．７倍であることから０．０１９ｇである。
【０１６５】
３つのベアリング２１１，２１４，２１５はいずれも外形４．２ｍｍ、内径３．８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのドーナツ状のボールベアリングである。材質は、比重４．８のチタンで、約３０％の空隙があるため、ベアリング２１１，２１４，２１５の質量は約０．０１３ｇである。
【０１６６】
また、ロータ２１９は、材質がアルミで壁央半径３ｍｍ、厚さが０．２ｍｍであるため、質量は約０．０６１ｇである。
【０１６７】
これらの総和から、アクチュエータ２１の質量は０．１９２ｇである。
また、右羽３１の質量は、前述の通り０．００３ｇである。
【０１６８】
以上の構成が左右計２つあるので、質量の和は０．３９０ｇである。
また、本発明者らが採用した、図２に示す支持構造１は、直径１ｃｍ、比重０．９、厚さ０．１ｍｍの球体であるので、支持構造１の質量は約０．０２８ｇである。
【０１６９】
また、本発明者らが採用した制御装置４、通信装置７、加速度センサ５１、および角加速度センサ５２はそれぞれ、５ｍｍ×５ｍｍの半導体ベアチップで、各質量は約０．０１ｇである。すなわち、これらの質量の総和は０．０４ｇである。
【０１７０】
また、本発明者らが採用した電源６の重量は０．１３ｇである。
以上、ロボット９０の全ての構成要素の重量の合計は、０．５７９ｇとなる。そのため、上述の如く、１対の羽３１および３２で浮上力０．５８ｇｆを得るので、ロボット９０は、この構成で浮上することが可能である。
【０１７１】
次に、制御装置４について、図２および図１６を用いて説明する。
図２に示すとおり、制御装置４は、演算装置４１とメモリ４２とシリアルインタフェース４３とからなる。
【０１７２】
上述の演算装置４１は、ロボット９０における各構成要素の動作を決定し、制御する。なお、本実施の形態における演算装置４１は、情報を処理し、その情報に基づいて何らかの物理量を出力するものの総称であり、特に算術演算を行なう装置に限るものではない。
【０１７３】
本実施の形態においてはより具体的に、演算装置４１は加速度センサ５１および角加速度センサ５２からの情報によりロボット９０の加速度および角加速度を算出する。また、速度および角速度と、目標とする経路からのずれとから、演算装置４１は、現時点でロボット９０に与えられるべき加速度と角加速度とを算出する。さらに演算装置４１は、この算出された加速度と角加速度より、各アクチュエータ２１および２２の動作パラメータを決定する機能を有し、これを用いて各アクチュエータ２１および２２の動作を決定する。
【０１７４】
最も代表的な手法として、ロボット９０における加速度センサ５１および角加速度センサ５２の情報を時間積分することにより、ロボット９０の速度および角速度を算出し、さらにこれをそれぞれ更に時間積分することによりロボット９０の位置と姿勢とをそれぞれ算出することができる。積分定数としては、ロボット９０が待機状態での値、すなわち、速度および角速度が共に０で、位置と姿勢とはベースステーション９１に固定されている状態での値を用いればよい。当然、誤差を避けるためにこれらの演算はなるべく高いサンプリング周波数で行なわれることが望ましい。
【０１７５】
このように、現時点でロボット９０に与えられるべき加速度および角加速度は、目標とする軌道に静定することを目標とする一般的な制御演算により求めることができる。
【０１７６】
これにより、ロボット９０のアクチュエータ類の駆動が決定される。さらにより具体的には、演算装置４１は、ロボット９０に与えられるべき代表的な加速度と角加速度との組合わせに対応した偏角α、ねじり角β、およびストローク角θの時系列値をテーブルとして有し、これらの値、もしくはその補間値を各アクチュエータ２１および２２の動作パラメータとする。なお、偏角α、ねじり角β、およびストローク角θの時系列値とは、例えば加速度、角加速度共に０であるホバリングの場合は、図１９にグラフで示される値を離散化したものである。これらの値によって各アクチュエータ２１および２２は駆動される。
【０１７７】
なお、ここに挙げる偏角α、ねじり角β、およびストローク角θは、制御パラメータの一例であり、説明の簡便のためこれらのパラメータを指定することでアクチュエータ２１および２２が駆動されることを前提に記述している。しかし、例えば、より直接的にこれらを実現する各アクチュエータ２１および２２の駆動電圧や制御電圧に変換したものを用いる手法の方がより効率的である。これらは既存のアクチュエータ制御方式と特に異なるものではないので、ここでは代表的なパラメータとして偏角α、ねじり角β、およびストローク角θを挙げている。なお、同等の機能が実現できる手法であれば、本実施の形態に限るものではない。
【０１７８】
また、演算装置４１は、人体センサ５３から送られてくる人体情報によって、行動を変更する機能をも有する。
【０１７９】
より具体的には、目標位置にてホバリング中に人体センサ５３より人体検出信号を受取ると、演算装置４１は、ホバリングによるロボット９０の待機状態を解除し、帰路に沿ってベースステーション９１に帰還する行動を開始する。復路も往路と同様に実現される。
【０１８０】
また、演算装置４１は、発光ダイオード８のＯＮ／ＯＦＦを制御する機能を有する。これにより、睡眠者９３が、アラーム停止機能を作動させたことを認識することが可能になる。
【０１８１】
当然、制御装置４の機能は、上述の機能に限定されない。例えば無線通信機能等を備えても構わない。
【０１８２】
さらに、これらの動作開始または終了は、シリアルインタフェース４３を経由して、ベースステーション９１より送られてくる動作指示命令をトリガとすることができるものとする。
【０１８３】
これにより、ロボット９０は、電極６１が電極９１４と電気的に結合している場合、ベースステーション９１より受信した軌道データに基づく行動を、ベースステーション９１の指示により開始または終了することができる。
【０１８４】
次にロボット９０の駆動エネルギー源、すなわち電源６について説明する。
本実施の形態における電源６は、リチウムイオンポリマーを電解質とする。そこで、リチウムイオンポリマーを、支持構造１に封入しておけばよい。これにより液漏れを防ぐための余分な構造が不要であり、実質的なエネルギー密度を高めることができる。
【０１８５】
なお、現在市販されているリチウムイオン二次電池の一般的な質量エネルギー密度は１５０Ｗｈ／ｋｇである。本実施の形態におけるアクチュエータ２１および２２での消費電流は最大４０ｍＡであるので、電源６の電解質重量を約０．１ｇとすると、本実施の形態のおいては約７．５分の飛行が可能である。
【０１８６】
また、本実施の形態における左右のアクチュエータ２１および２２の最大消費電流は合計４０ｍＡである。また、電源電圧は３Ｖである。そのため、電源６の電解質重量が０．１ｇであるので、０．１２Ｗ／０．１ｇ、つまり１２００Ｗ／ｋｇの重量パワー密度を持つ電源６の実現が求められる。ここで、市販品で実現されているリチウムイオンポリマー二次電池の重量パワー密度は約６００Ｗ／ｋｇであるが、これは携帯電話等の情報機器に用いられている、１０ｇ以上の製品における電池の重量パワー密度の値である。一般に、電解質質量に対する電極面積の比はサイズに反比例するので、本実施の形態における電源６は、前出の情報機器などに用いられている二次電池の１０倍以上の電極面積比を持つため、１０倍程度の質量パワー密度が達成可能であり、冒頭の質量パワー密度は十分達成可能である。
【０１８７】
さらに、アクチュエータ２１および２２の駆動エネルギーを、外部から供給する方法を用いることもできる。例えば、電力エネルギーを外部から供給する媒体については、温度差および電磁波等が挙げられ、これを駆動エネルギーに変換する機構としてはそれぞれ熱電素子およびコイル等が挙げられる。
【０１８８】
なお、異なる種類のエネルギー源を混載する手法を用いることもできる。電力以外のエネルギー源を用いる場合、基本的には、制御は制御装置４からの電気的信号を用いることになると考えられる。
【０１８９】
まら、他のエネルギー源の種類としては、太陽電池、燃料電池、原子力などの使用も可能である。
【０１９０】
次に、ロボット９０に搭載される各センサ５１〜５３について説明する。
加速度センサ５１は支持構造１の３自由度並進加速度を、角加速度センサ５２は支持構造１の３自由度回転角加速度を、人体センサ５３は人体の有無情報を検出する。これらの検出結果は制御装置４に送られる。
【０１９１】
なお、本発明者が用いた加速度センサ５１の帯域の具体的な数値としては、帯域４０Ｈｚである。当然、加速度センサ５１や角加速度センサ５２の帯域は、高ければ高いほど時間的に緻密な制御が可能であるが、ロボット９０の浮上状態の変更は、１回以上の羽ばたきの結果起きるものであると考えられるので、現在市販されている帯域が数十Ｈｚ程度のセンサでも実用が可能である。
【０１９２】
本実施の形態では、加速度センサ５１および角加速度センサ５２によりロボット９０の位置および姿勢を検出するものとしたが、ロボット９０の位置と姿勢とが計測可能な手段であるならば上記センサに限らない。たとえば、互いに直交する３軸方向の加速度を測定可能な加速度センサを少なくとも２つ、それぞれ支持構造１の異なる位置に配置させ、その加速度センサから得られる加速度情報に基づいてロボット９０の姿勢を算出することも可能である。また、講演会場９２内に位置情報を明示的に組込み、これをロボット９０が検出して位置および姿勢を算出する手法を用いることもできる。例えば、講演会場９２内に磁場分布を設け、磁気センサによりこの磁場分布を検知することで、ロボット９０の位置と姿勢とを算出する手法を用いることも可能である。また、ＧＰＳ（Global Positioning System；衛星位置標定システム）センサ等を用いる手法も考えられる。なお、後述するベースステーション９１がロボット９０の位置と姿勢とを直接検出する機能を有する場合には、言うまでもなくこれのセンサは必須ではない。
【０１９３】
また、加速度センサ５１および角加速度センサ５２をはじめとするセンサ類は、制御装置４とは別部品として表現したが、軽量化の観点から、マイクロマシニング技術によって制御装置４と一体で同一のシリコン基板上に形成してもよい。
【０１９４】
なお、本実施の形態におけるセンサ５１〜５３は、本実施の形態の目的を達成する一例としての最低限の構成要素であって、センサの種類、個数、構成については上述に限定されるものではない。
【０１９５】
例えば、ロボット９０における羽３１および３２の駆動には、フィードバックのない制御を用いているが、羽３１および３２の付け根に羽の角度センサを設け、ここから得られた角度情報によりフィードバックを行ない、より正確に羽３１および３２を駆動する方法を用いることもできる。
【０１９６】
また逆に、浮上する領域における気流が既知であり、予め定められた羽ばたき方のみによって目的位置に定位することが可能ならば、ロボット９０の浮上状態を検出することは不要となるので、加速度センサ５１や角加速度センサ５２は必須ではない。
【０１９７】
次に、ロボット９０における、人体の有無情報の処理について説明を行なう。本実施の形態においては、人体センサ５３として、焦電型赤外線センサを用いる。しかし、これは人体の検出が可能なセンサの一例であり、特に人体検出の目的を果たすセンサに対して、本実施の形態に特化した機能を必要とするものではない。
【０１９８】
なお、ロボット９０が浮上状態である場合で接触することは、ロボット９０の転倒、落下の危険が伴なう。そのため、人体センサ５３は、非接触性のセンサであることが望ましい。
【０１９９】
当然、本実施の形態においては、睡眠者９３を起立状態に導くことを意図しているため、人体センサ５３での人体検出が可能な領域は、睡眠者９３が睡眠状態にある状態では到達し得ない領域に位置することが望ましい。これによって、ロボット９０は睡眠者９３の位置と姿勢とを監視することができる。
【０２００】
また、不用意な人体との衝突を避けるため、ロボット９０は睡眠者９３の身長以上の高さにあることが望ましい。
【０２０１】
このため、人体センサ５３は、ロボット９０の下部にあり、その人体検出領域が、睡眠者９３の身長より高度の低い領域にも感度を有することは、上述の条件に合致して望ましいセンサ配置の一例となる。以下、本実施の形態においてはこの条件を用いる。
【０２０２】
なお、ここで述べる身長の値としては、直立時の床面から頭頂部までの高さのみならず、挙手時の床面から挙手の指先端までの高さを採用してもよい。この場合、睡眠者９３は、ロボット９０の人体センサ５３の検出可能範囲に、挙手して手を差入れることで、ロボット９０に人体検出を行なわせることになる。
【０２０３】
また、人体センサ５３は、羽が人体検出の邪魔にならないように、支持構造１の下部であって、正面から見て略中央に位置することが望ましい。
【０２０４】
当然、これらは人体とロボット９０とが衝突しないことを最優先に考えられた設計であり、この条件が不要であるならば上述のセンサの配置はこれに限ったものではない。
【０２０５】
例えば、目覚まし時計としてのなじみ易さを優先するならば、支持構造１の正面略中央に、前方にその検出領域を向けて人体センサ５３を配し、ロボット９０と睡眠者９３とが正対する状態で、ロボット９０が人体センサ５３により人体を検出する構成であってもよい。
【０２０６】
以述の如く、人体センサ９０によって得られた人体の存在の有無情報は、演算装置４１に入力される。これにより、演算装置４１は、ロボット９０が帰還動作に入るのか、待機動作を継続するのかを選択する。
【０２０７】
次に、発光ダイオード８について説明を行なう。
発光ダイオード８は、制御装置４によって制御され、睡眠者９３に、ロボット９０の状態を告知すると共に、ロボット９０の位置を睡眠者９３に明示する役割も果たす。睡眠中は、部屋の電気は消灯もしくは最低限の明るさであり、睡眠者９３が、ロボット９０の位置を把握しがたい場合がほとんどである。このため、能動的に発光する素子である発光ダイオード８を用いて、視覚的にロボット９０の位置を睡眠者９３に提示するのが合理的である。
【０２０８】
具体的には、発光ダイオード８は、目標位置にて待機状態にある際は点灯、帰還状態に入るときは点滅、および他の状態にあるときは消灯、の状態にすれば、睡眠者９３は、待機状態にあるロボット９０の位置と、ロボット９０の待機状態から帰還状態への変遷とを知ることができる。当然、ここにあげた発光ダイオード８の動作態様は一例であり、これに限らない。
【０２０９】
また当然、上記機能が必要でない場合や、他の機能で置換えられる場合には、発光ダイオード８は必須ではない。例えば、羽ばたき周波数を変更することによって、羽音でロボット９０の状態を告知するなどの方法であってもよい。
【０２１０】
以上で、ロボット９０についての説明を終了し、次に、ベースステーション９１について説明を行なう。
【０２１１】
まず始めに、ベースステーション９１の主要な構成と機能とを説明する。図２０は、ベースステーション９１の主要な構成と機能とを示す図である。なお、図２０に示されるベースステーション９１の主要な構成は、本発明の主旨の技術を実現する構成の一例であり、これに限定されるものではない。
【０２１２】
図２０を参照して、ベースステーション９１は、その上面がロボット９０の離着陸台を兼ねており、ロボット９０はその電極６１がベースステーション９１の電極９１４に嵌合する。この状態で、ベースステーション９１は、シリアルインタフェース９１６を介してロボット９０に軌道情報を送信する機能を有する。また、ベースステーション９１は、シリアルインタフェース９１６を介して、ロボット９０に離陸動作開始命令を送信することができる。これによりロボット９０はベースステーション９１より浮上する。
【０２１３】
また、ベースステーション９１は、ロボット９０の離着陸を補助するための、ロボット検出装置９１７、および電磁石９１５を備える。また、ベースステーション９１は、ロボット９０の電源６を充電するための充電器９１３を備える。
【０２１４】
また、ベースステーション９１は、全面に入出力パネル９１９を有する。睡眠者９３は、入出力パネル９１９より、起床時刻やロボット９０の行動設定などを行なうことができる。
【０２１５】
また、ベースステーション９１は、アラーム９１０を備え、所定時刻にこのアラーム９１０を動作させることで睡眠者９３に覚醒を促す機能を有する。また、ベースステーション９１は、ロボット９０の着陸に応じてこのアラーム９１０を停止させる機能を有する。
【０２１６】
そして、上述の各構成要素は、ベースステーション９１の演算装置９１１により制御される。
【０２１７】
続いて、入出力パネル９１９について、図２０および図２１を参照して説明を行なう。図２１は、ロボット９０の目標とする軌道の定め方を説明する図である。
【０２１８】
なお、以下の説明は入出力パネル９１９の機能の一具体例であって、これに限るものではない。
【０２１９】
図２０を参照して、入出力パネル９１９は、時刻表示部と起床時刻設定部とロボット軌道設定部とからなる。ここでは説明の簡便のため、時刻表示部は一般的なアナログの３針式時計であり、起床時刻設定部とロボット軌道設定部とは、デジタルによる数値入力であるものとする。また、起床時刻入力は、２４時間制での起床時刻を入力するものとし、ロボット軌道設定部は、軌道高さと目標地点とまでの距離と向きと軌道半径とをそれぞれ数値入力するものとする。このように、軌道高さと目標地点とまでの距離と向きと軌道半径とを設定することで、最も単純にロボット９０が障害物を回避する起動を設定することができる。なお、数値入力手法は一般的なプッシュスイッチによるものとし、ここでの詳細な説明については省略する。また、その他の入力方法としては、例えば、マウスを用いたポインタや、音声入力等によって入力を行なうこともできる。
【０２２０】
上述の入出力パネル９１９により、ベースステーション９１の演算装置９１１には、起床時刻が入力される。また、同じく演算装置９１１には、ロボット９０の軌道が入力される。軌道の各種数値については後述する。
【０２２１】
これらの数値はメモリ９１２に格納され、これらの数値に従う軌道を、シリアルインタフェース９１６を介してロボット９０に送信する。そして、ベースステーション９１の演算装置９１１は、設定された起床時刻に、ロボット９０の浮上を開始させる。
【０２２２】
次に前述の軌道の各種数値について、図２１を参照しつつ述べる。
本実施の形態においては、ロボット９０の待機する位置、すなわち目標位置は、睡眠者９３の起床後に続いて行なう動作に近い場所を設定することが望ましい。例えば、睡眠者９３が起床後第１に行なう動作が、部屋９２のドア９２１を開けて部屋９２より外に出る動作である場合、ロボット９０の目標位置はドア９２１近傍であることが望ましい。このように設定することで、睡眠者９３は余計な移動を行なうことなく、次の行動を効率的に行なうことができる。
【０２２３】
しかし、ドア９２１の位置は、各部屋によって一定ではないため、目標地点までの距離ｄと向き（角度）θとを設定することで、これを定める必要がある。このように距離ｄと向き（角度）θとで目標地点を設定することで、ロボット９０の位置を簡便に指定することができる。
【０２２４】
また、本実施の形態においてロボット９０が飛行することが想定される、睡眠者９３の身長以上であって部屋９２の天井の高さ以下である領域には、ほとんど障害物が存在しないと一般的には考えられるが、照明器具等を回避するため、同じ位置に定位する場合にも、軌道を変更できるよう構成することが望ましい。本実施の形態においては、最も単純に、ある回転半径Ｒをもって目標位置に到達する、その半径Ｒを設定する手法を採用する。これによって、ロボット９０が障害物を回避する軌道を簡便に指定することができる。また、このように軌道を簡便に設定できることで、様々な家庭環境に対しても柔軟に適応できる利便性の高いアラームシステムを構築することができる。
【０２２５】
以上のｄ、θ、およびＲの関係を、図２１に部屋９２の上面図において示されている。ただし、θはベースステーション９１の入出力パネル９１９の面に対する法線を基準にとる。
【０２２６】
当然、軌道を表す数値はここに示したものに限らない。また、ポインティングデバイスなどを用いて図形として入力する等の手法も、直感的に軌道が入力できるので利便性が高い。
【０２２７】
次に、演算装置９１１について、図２２を参照しつつ説明する。図２２は、本実施の形態のアラームシステムにおける各種情報の流れを示す図である。なお、各機能の動作の順については、全体の動作手順の項に後述する。
【０２２８】
演算装置９１１は、ベースステーション９１の各構成要素から得られた情報等により、ベースステーション９１を制御する。
【０２２９】
演算装置９１１は、クロックを内蔵し、入出力パネル９１９の時刻表示部に時刻情報を送り、現在時刻を表示させる。また、入出力パネル９１９より入力された起床時刻にアラーム９１０を動作させる。
【０２３０】
また、演算装置９１１は、シリアルインタフェース９１６を通じて、軌道情報をロボット９０に送信する。また、同じくシリアルインタフェース９１６を通じて、離陸開始命令をロボット９０に送信する。
【０２３１】
また、演算装置９１１は、ロボット検出装置９１７からの信号により、電磁石９１５の制御を行なう。すなわち、ロボット９０をロボット検出器９１７が検出した際には電磁石９１５を動作させるなどの手法で、ロボット９０をベースステーション９１に吸着させる。またこの際、アラーム９１０の動作を停止させる。
【０２３２】
また、演算装置９１１は、入力パネル９１９より、ロボット９０の移動するべき軌道情報を受取る。
【０２３３】
また、演算装置９１１は充電器９１３を制御し、ロボット９０の電極６１がベースステーション９１の電極９１４に結合している場合であって、ロボット９０の電源６に充電が必要な場合に、ロボット９０への充電を行なう。
【０２３４】
次に、ベースステーション９１が行なう、ロボット９０の離着陸の際の補助の手法について説明を行なう。
【０２３５】
ロボット９０の羽ばたきの開始もしくは終了時、すなわちロボット９０の離着陸の際は、羽ばたきによって発生する気流が急激に増加もしくは減少し不安定である。そのため、ベースステーション９１がロボット９０の位置および姿勢を制御することは難しい。そこで、本実施の形態では、離陸の前の段階において、ベースステーション９１に備えられた電磁石９１５がロボット９０を吸着する。そのため、ロボット９０の離陸の際は羽ばたきによる気流が安定するまで電磁石９１５を作動させ、気流が安定した時点で電磁石９１５による吸着を停止する、等の手法を用いることで、ベースステーション９１はロボット９０の安定した離陸を実現することが可能である。
【０２３６】
ロボット９０の着陸の概略について説明する。まず、ベースステーション９１は、ロボット９０の電極６１が充電穴９１４の上部に位置するようロボット９０を移動させる。そして、この状態で電磁石９１５を作動させ、ロボット９０を吸着する。このため、ベースステーション９１は、さらにその後にロボット９０の羽ばたきを停止させれば気流が不安定となる状態でも、ロボット９０の着陸時の位置と姿勢とを安定させることができる。なお、ロボット９０の定位を容易にするため、電極６１もしくは充電穴９１４の少なくとも一方はテーパー形状をしていることが望ましい。
【０２３７】
なお、重量が許すならロボット９０が電磁石９１５を有する構成であっても構わない。また、この構成により、ロボット９０はベースステーション９１に限らず、強磁性もしくは軟磁性材料で構成される物質全てに対して安定した離着陸が可能になる。
【０２３８】
さらに、ロボット９０のより加速度の小さい離陸を実現するために、電磁石９１５に力覚センサを配し、この力覚センサにかかる力によって電磁石９１５の吸引力を制御する手法を用いることも可能である。
【０２３９】
また、上述の補助の手法は、離着陸時の気流不安定性に伴なうロボット９０の不安定浮上を防ぐ手法の一例にすぎないため、離着陸時にロボット９０を一時的に保持する機構であれば他の手段を用いても構わない。例えば、電磁石９１５に替えて空気を用いてロボット９０を吸引する手法を用いることもできる。また、レール等のガイド機構に沿ってロボット９０の離着陸を行なう等の手法を用いることもできる。
【０２４０】
以上で、ベースステーション９１についての説明は終了し、次に、アラームシステム全体の動作について説明を行なう。
【０２４１】
図２３は、本アラームシステムのロボット９０が、人体検出を行なうまでの処理を示すフローチャートである。図２３のフローチャートに示される処理は、ベースステーション９１の演算装置９１１がメモリ９１２に記憶されているプログラムを実行し、また、ベースステーション９１からの指示信号に基づいて、ロボット９０の制御装置４がプログラムを実行することによって実現される。なお、以降の説明において、簡便のため、起床時刻でのロボット９０の軌道は、目標位置を部屋９２のドア９２１近傍に既に設定されているものとする。また、この際のロボット９０の浮上高度は、睡眠者９３の身長以上であり、かつ、人体センサ５３の検出領域が睡眠者９３の身長の高度を含む高度であるとする。
【０２４２】
動作開始前において、ロボット９０は、ベースステーション９１の電極９１４に電極６１が接続され、固定されている。また必要に応じて電源６に対して充電が行なわれている。
【０２４３】
ロボット９０の動作を開始するにあたって、ベースステーション９１の演算装置９１１、メモリ９１２、およびシリアルインタフェース９１６、また、ロボット９０の制御装置４、およびシリアルインタフェース４３が動作する（Ｓ１０１，Ｓ１１１）。また、シリアルインタフェース４３とシリアルインタフェース９１６との間に、コネクションが成立する。
【０２４４】
起床時刻以前の適当な時刻に、ベースステーション９１はシリアルインタフェース９１６を介してロボット９０に軌道情報を送信する（Ｓ１０２）。ロボット９０はベースステーション９１から送信された軌道情報を受信し、シリアルインタフェース４３を介して演算装置４１に伝える（Ｓ１１２）。
【０２４５】
その後、ベースステーション９１は、ロボット９０の離陸動作開始時刻まで待機する。なお、動作開始時刻は、先に設定された起床時刻より、ロボット９０が動作を開始してから目標位置に定位するまでに要する所用時間を差引いた時刻以前であることが望ましいが、上記所要時間が、睡眠者９３の起床の利便性を損なわない程度の短時間であるならば、起床時刻そのものであってもよい。
【０２４６】
動作開始時刻に到達するまで、ベースステーション９１は電磁石９１５を動作し、ロボット９０をベースステーション９１に吸着する（Ｓ１０３）。
【０２４７】
ロボット９０は、遅くとも電磁石９１５が吸着を解除するまでには、ロボット９０の加速度センサ５１、角加速度センサ５２の動作を開始させ、浮上状態の算出を開始させる。また、演算装置４１によって（必要に応じてメモリ４２の情報を参照して)、目標位置への経路を算出させる。そして、制御装置４が、ロボット９０の浮上状態を検出できる状態に達している必要がある。また、制御装置４が、例えば加速度の積分などの、浮上状態の演算を開始している必要がある（Ｓ１１３）。
【０２４８】
そして、動作開始時刻に到達すると、ベースステーション９１はロボット９０に対して浮上開始命令を送信する（Ｓ１０４）。
【０２４９】
ロボット９０は、ベースステーション９１に吸着された状態で、シリアルインタフェース４３を介してベースステーション９１より浮上開始命令を受信し（Ｓ１１４）、略垂直方向への上昇のための羽ばたき動作を開始する。このように、ベースステーション９１からの指示によってロボット９０の浮上が行なわれることで、ロボット９０の余計な浮上時間をなくすることができる。
【０２５０】
ベースステーション９１は、ロボット９０を吸着した状態で羽ばたき気流が安定するまで待機し（Ｓ１０５）、羽ばたきによる気流が安定した時点で、電磁石９１５のロボット９０の吸着を弱める（Ｓ１０６）。
【０２５１】
ロボット９０は、電磁石９１５の吸着力とロボット９０の浮力とがバランスする点よりさらに電磁石９１５の吸着力が弱まった時点で、浮上を開始する。
【０２５２】
ロボット９０の制御装置４は、目標とする浮上状態と、現在の浮上状態との差異より、内蔵する制御テーブルを介して得られるアクチュエータ駆動方法により、羽の駆動を算出し（Ｓ１１５）、羽を駆動する（Ｓ１１６）。これにより、ロボット９０は、浮上以後、予め設定された軌道情報に従って飛行を行ない、目標位置に定位する（Ｓ１１７でＹｅｓ）。
【０２５３】
目標位置に定位すると、ロボット９０は、人体センサ５３を動作させ（Ｓ１１８）、ホバリングを行ないながら、人体センサ５３による人体の検出を待機する（Ｓ１１９）。
【０２５４】
また、ロボット９０は発光ダイオード８を点灯させておくことで（Ｓ１１８）、睡眠者９３が覚醒した際に、位置を把握しやすいように備える。
【０２５５】
ベースステーション９１の演算装置９１１は、ロボット検出装置９１７を動作させ（Ｓ１０７）、ロボット９０の帰還を検出できる状態とする。
【０２５６】
起床時刻が到来すると、ベースステーション９１はアラーム９１０を動作させ（Ｓ１０８）、睡眠者９３に覚醒を促す。
【０２５７】
この際、睡眠者９３は、ロボット９０の発光ダイオード８や羽音、また視覚情報を基準にしてロボット９０を発見し、ロボット９０の人体センサ５３に検出されるように、ロボット９０の直下に移動する。
【０２５８】
そして、ロボット９０の人体センサ５３は、ロボット９０の直下に直立した睡眠者９３を検出する（Ｓ１１９でＹＥＳ）。
【０２５９】
人体センサ５３で検出された睡眠者９３の検出情報は、制御装置４に送られる。これにより、制御装置４の演算装置４１は、睡眠者９３が覚醒したものと判断し、ベースステーション９１のアラーム動作を停止させるべく、ロボット９０をベースステーション９１に帰還させる制御を行なう。
【０２６０】
以上で図２３に示される処理が終了し、引続いて、図２４に示される処理が実行される。図２４は、ロボット９０がベースステーション９１に着陸するまでの処理を示すフローチャートである。
【０２６１】
ロボット９０がベースステーション９１に帰還する経路、すなわち帰路は、ロボット９０が期間動作を開始する前には、ロボット９０の演算装置４１によって（必要に応じてメモリ４２の情報を参照して）既に算出されている。
【０２６２】
そこで、図２４を参照して、帰還の際、ロボット９０の制御装置４は、発光ダイオード８の点滅と、人体センサ５３の動作停止とを指示する（Ｓ１３１）。この発光ダイオード８の点滅により、睡眠者９３はロボット９０が帰還状態になったことを認識できる。
【０２６３】
本実施の形態においては、ロボット９０の電極６１は、ベースステーション９１の電極９１４に挿入される形になっている。そのため、ロボット９０の制御装置４は、電極６１がベースステーション９１の電極９１４の略鉛直上方に位置するように位置および姿勢を保ちながら下降できる羽の駆動を算出し（Ｓ１３２）、羽の駆動を制御する（Ｓ１３３）。そして、目標とするベースステーション９１の電極９１４の真上に到達する（Ｓ１３４でＹｅｓ）。
【０２６４】
当然、着陸に適した体勢が本実施の形態と異なる場合、着陸の動作もそれに応じたものを採用すべきであり、着陸の動作に応じた羽の駆動が行なわれるものとする。
【０２６５】
ベースステーション９１は、ロボット検出装置９１７がロボット９０を検出すると（Ｓ１２１でＹｅｓ）、ロボット９０の検出情報を演算装置９１１に伝える。演算装置９１１は電磁石９１５を作動させ、ロボット９０を吸引する（Ｓ１２２）。ロボット９０の浮力が、電磁石９１５がロボット９０に及ぼす吸引力を下回った時点で、ロボット９０はベースステーション９１に吸着される。このようにして、ロボット９０をベースステーション９１に固定することで、ベースステーション９１は、ロボット９０の吸着を完了し（Ｓ１２３）、アラーム９１０の動作を停止させる（Ｓ１２４）。当然、ベースステーション９１にロボット９０が固定されて以後、ロボット９０の加速度センサ５１、角加速度センサ５２は動作を停止してよい。
【０２６６】
ロボット９０を固定すると、ベースステーション９１は、ロボット９０に羽ばたき動作の終了を指示する（Ｓ１２５）。より現実的には、アクチュエータの寿命がある場合、浮上に関係のない羽の動作は少ない方がよりロボット９０を長期間利用できるため、待機時に羽を停止させることは有効である。また、ロボット９０の動作音等で、睡眠者９３の睡眠が阻害されるのを防ぐことができる。
【０２６７】
ロボット９０は、ベースステーション９１からの指示を受信し（Ｓ１３５）、羽ばたき動作を終了する。
【０２６８】
以上の動作により、ロボット９０がベースステーション９１に着陸するまでの処理が終了する。そして、上述の図２３および図２４のフローチャートに示される処理によって、本発明におけるアラームシステムが、目覚まし時計としての機能を果たすことができる。
【０２６９】
本実施の形態におけるアラームシステムが、浮上しているロボットに作用してアラームを停止させる構成であるため、アラームによる効果が確認されるまでアラームを継続させることができる。また、アラームによる効果を、浮上しているロボットにより高めることができる。
【０２７０】
具体的には、本実施の形態におけるアラームシステムを目覚まし時計として用いる場合、人体が起立状態に入るまでアラームを停止させることができない。そのため、確実に人体が起立した状態、すなわち覚醒状態に移行した状態になるまでアラームが継続する。これによって、より確実に、また無理なく、睡眠者を覚醒状態に移行させることができる。
【０２７１】
また、本実施の形態におけるアラームシステムは、浮上しているロボットが人体検出機能で起立した睡眠者を検出することでアラームを停止させるため、睡眠者にとっては、覚醒行動以外の何ら余計な負担を課せられることなくアラームを停止させることができる。すなわち、覚醒の際に、睡眠者に不快感を与えることがない。
【０２７２】
また、本実施の形態のアラームシステムにおけるロボット９０が、羽ばたき飛行を行なうことで、回転翼を用いた浮上に比べて翼部の運動が低速であり、安全性に優れている。また、浮力を用いた浮上に比べて、羽を小型化できるというメリットがある。また、市販の超音波モータ等によって構築することができるため、比較的安価で本アラームシステムを構築することができる。
【０２７３】
なお、上述においては、本発明におけるアラームシステムが睡眠者の覚醒を目的とした場合について説明しているため、一般的に睡眠者の覚醒に用いられている音声などを用いたアラームをアプリケーションとして用いるのが適しているものとして説明を行なったが、用途によっては上述のアプリケーションに限らない。また、本発明におけるアラームシステムの目的も、睡眠者の覚醒に限定するものではない。例えば、アラームの替わりに遠隔地と通信することのできる表示機能を設け、老人の遠隔介護などに用いる等の手法も可である。
【０２７４】
また、本実施の形態においては、時計としての機能を重視して、時刻の視認性を損なわないように時計本体の位置を固定し、ベースステーション９１とロボット９０との如く機能を分化させたが、例えば音声にて時刻を提示するなどの手法を用いることにより、上述の時計としての機能が損なわれないのであれば、ベースステーション９１の機能をロボット９０に統合してしまい、ロボット９０単独で動作する構成であっても構わない。
【０２７５】
また、上述の如く、本実施の形態におけるアラームシステムは、睡眠者が起立している状態を確認しない限りアラームを停止しないため、人体のある特定の状態を確認することが目的の、他の用途に用いることもできる。例えば、睡眠者の覚醒に限定されず、工事現場などでの座ったままの作業を防止する目的などに利用することもできる。
【０２７６】
なお、図２においては電極が、共通陰極である電極６１１、シリアルインタフェース端子である電極６１２、および充電用正極である電極６１３の３本の電極（位置決めピン）からなる構成が示されているが、充電状態検出用端子などを含む、４本以上の電極からなる構成であっても構わない。当然、本実施の形態に示した機能を損なわないのであれば電極形状等もこれに限らない。
【０２７７】
また、本実施の形態では、構成の簡略化の観点より、ロボット９０の帰還の検出することによってアラームを停止するものとしたが、他の方法でアラームの停止を行なってもよい。
【０２７８】
例えば、ロボット９０が無線通信機能を備え、人体センサ５３による人体検出情報を即時ベースステーション９１に送信できる場合には、この情報によりアラームを停止させても構わない。この方法であると、睡眠者９３は、ロボット９０がベースステーション９１へ帰還したことを確認しなくてもアラームの停止を知ることができる。そのため、ロボット９０がベースステーション９１に帰還できなかった等によりアラームが停止されないといった事態が発生することはなく、睡眠者９３がロボット９０の帰還を確認するための手間を省くことができる。
【０２７９】
また、機能の実施手段によっては人体検出センサ５３も必須ではない。例えば、睡眠者９３が直接ロボット９０を捕獲することや、ベースステーション９１に手動で帰還させることでもアラームを停止させることができる。当然、この場合には、ロボット９０を使捨てにする、もしくはロボット９０を丈夫で頑強に作成する等して、睡眠者９３によって捕獲される際にロボット９０に加わる衝撃が、次回の覚醒動作に支障を及ぼさないよう工夫することが望ましい。
【０２８０】
また、睡眠者９３が、起床時刻以前に部屋９２を去ってしまった場合に備えて、ロボット９０がタイマを備え、待機状態においてある程度以上の時間経過を検出すると自動的にベースステーション９０に帰還する機能を備えてもよい。
【０２８１】
また、本実施の形態では、ロボット９０は、ベースステーション９１より軌道情報を受信した後は、ほぼスタンドアロンにて目標位置への定位を行なうものとしたが、これは必須ではない。例えば、ロボット９０がベースステーション９１との通信装置を備える場合、ベースステーション９１がロボット９０の制御装置４の機能を備え、ベースステーション９１が通信によりロボット９０を遠隔制御する構成や、この中間的な構成であっても構わない。これらの構成は、ロボット９０が軌道に沿って移動するために必要な演算量や演算頻度などに応じて、通信速度、通信装置や演算装置の質量、および浮上可能質量等を鑑みて決定される必要がある。
【０２８２】
また、当然、ロボット９０が本実施の形態に示されるセンサ以外のセンサを備えても構わない。例えば、ロボット９０に壁（障害物）検出センサを備える場合、より安全に目標位置に定位することもでき、より確実にベースステーション９１に帰還することもできる。また、侵入者を検出するようなセンサを備える場合、起床時刻の到来の通知みならず、侵入者の警報を兼ねることができる。
【０２８３】
また、本実施の形態においては、電極重量の増大を避けるため、ベースステーション９１とロボット９０とのインタフェースは、最も簡単にシリアルインタフェースで一方通行の通信を行なうものとしたが、当然、機能の必然によってはこれに限るものではない。
【０２８４】
また、ロボット９０がベースステーション９１に着陸する時のみ通信が確立されれば足りるため、通信はシリアルインタフェースを介した有線通信としたが、この形態に限るものでもない。例えば、無線通信によってロボット９０の状態をベースステーション９１に送信してもよい。
【０２８５】
また、本実施の形態においては、説明の簡便のため、ロボット９０の飛行する軌道が垂直方向の直線移動と水平面内の円弧状の移動とである説明を行なったが、当然、障害物が回避でき、かつ、睡眠者９３を適切な起立状態に導く位置に定位できる軌道であれば、ロボット９０の飛行する軌道はこれに限らない。
【０２８６】
また、本実施の形態においては説明の簡便のため、ロボット９０は待機時にホバリングを行なうものとしたが、睡眠者９３を起立状態に導く目的に支障を来さない範囲で、他の飛行態様をとってもよい。例えば、より睡眠者９３に覚醒を促すため、ある一定時間以上の間人体が検出されていないとロボット９０が帰還動作に移らない設定とし、待機時にロボット９０を運動（移動）させることもできる。このような設定にすることで、睡眠者９３は、上記の時間以上、ロボット９０の人体センサ５３の人体検出領域内に留まるためにロボット９０を運動に連動して移動する必要があり、このため睡眠者９３の覚醒をより進行させることができる。
【０２８７】
さらに、上述のアラームシステムの制御方法を、プログラムとして提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体にて記録させて、プログラム製品として提供することもできる。あるいは、コンピュータに内蔵するハードディスクなどの記録媒体にて記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。
【０２８８】
提供されるプログラム製品は、ハードディスクなどのプログラム格納部にインストールされて実行される。
【０２８９】
なお、プログラム製品は、プログラム自体と、プログラムが記録された記録媒体とを含む。
【０２９０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態におけるアラームシステムの構成を示す図である。
【図２】 図１に示されるロボット９０の主要な構成について示す図である。
【図３】 左羽３２の構成の具体例を示す図である。
【図４】 左羽３２の姿勢を示すための第１の図である。
【図５】 左羽３２の姿勢を示すための第２の図である。
【図６】 一般的な超音波モータ２３を示す図である。
【図７】 右アクチュエータ２１の構成を示す図である。
【図８】 左羽３２の、主軸３２１に垂直な第１の断面図である。
【図９】 左羽３２の、主軸３２１に垂直な第２の断面図である。
【図１０】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ１を示す図である。
【図１１】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ２を示す図である。
【図１２】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ３を示す図である。
【図１３】 左羽３２の羽ばたき動作のステップＳ４を示す図である。
【図１４】 ストローク角θおよびねじり角βの値を時間の関数として表した図である。
【図１５】 羽ばたき動作制御における応答を示す図である。
【図１６】 ロボット９０を停空させる際のストローク角θ、偏角α、およびねじり角βの値を、時間の関数として表わした図である。
【図１７】 羽３１および３２の制御とそれによりもたらされる動作とを対応付ける図である。
【図１８】 基本となる動作と、それを実現するアクチュエータ２１および２２の駆動の組合わせとを定めるテーブルである。
【図１９】 回転軸にかかる反力を、具体的な数値を用いて算出した結果を示す図である。
【図２０】 ベースステーション９１の主要な構成と機能とを示す図である。
【図２１】 ロボット９０の目標とする軌道の定め方を説明する図である。
【図２２】 本実施の形態のアラームシステムにおける各種情報の流れを示す図である。
【図２３】 本アラームシステムのロボット９０が、人体検出を行なうまでの処理を示すフローチャートである。
【図２４】 ロボット９０がベースステーション９１に着陸するまでの処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 支持構造、４ 制御装置、６ 電源、８ 発光ダイオード、２１ 右アクチュエータ、２２ 左アクチュエータ、２３ 超音波モータ、３１ 右羽、３２左羽、４１ 演算装置、４２ メモリ、４３ シリアルインタフェース、５１加速度センサ、５２ 角加速度センサ、５３ 人体センサ、６１，６１１，６１２，６１３ 電極、８１ 発光素子、８２ 拡散光学系、９０ ロボット、９１ ベースステーション、９２ 部屋，講演会場、９３ 睡眠者、２１０ ステータ、２１１，２１４，２１５ ベアリング、２１２ 上部補助ステータ、２１３ 下部補助ステータ、２１９，２２９ ロータ、２３０ 圧電素子、２３１ 円盤、２３２〜２３７ 突起、２３８ 電極、３１１，３２１ 主軸、３１２，３２２ 枝、３１３，３２３ 膜、９１０ アラーム、９１１ 演算装置、９１２ メモリ、９１３ 充電器、９１４ 電極、９１５ 電磁石、９１６ シリアルインタフェース、９１７ ロボット検出装置、９１９ 入出力パネル、９２１ドア。
Claims (21)
- ベースステーションとロボットとからなるアラームシステムであって、
前記ベースステーションは、予め設定されたタイミングでアラームを動作させるアラーム開始手段を備え、
前記ロボットは、
前記アラームを停止させるアラーム停止手段と、
羽ばたき飛行によって浮上移動する移動手段と、
人体を検出する人体検出手段と、
前記人体検出手段で人体を検出する際の、前記ロボットの位置を、前記ベースステーションからの距離と、前記ベースステーションを基準とする角度とによって、予め設定する位置設定手段とを備える、アラームシステム。 - 前記アラーム停止手段は、前記人体検出手段で人体を検出することをトリガとして前記アラームを停止させる、請求項１に記載のアラームシステム。
- 前記人体検出手段は、前記浮上移動を行なって人体を検出する、請求項１に記載のアラームシステム。
- 前記人体検出手段は、非接触状態にて人体を検出する、請求項１に記載のアラームシステム。
- 人体が特定の位置および姿勢であるときに、前記人体検出手段で前記人体を検出することのできる位置および姿勢に前記ロボットを定位する定位手段をさらに備える、請求項１に記載のアラームシステム。
- 前記ロボットを定位する前記位置および姿勢を設定する定位設定手段をさらに備える、請求項５に記載のアラームシステム。
- 前記ロボットは、前記設定された位置に予め設定された曲線に沿って定位する、請求項１に記載のアラームシステム。
- 前記曲線は、予め設定された値を円弧の半径とする曲線であり、前記円弧の両端が、前記人体検出手段で人体を検出する際の前記ロボットの位置と、前記ベースステーションとである、請求項７に記載のアラームシステム。
- 前記ロボットを定位する前記位置は、前記アラームの停止後に前記人体が経由する領域を前記人体検出手段の検出領域に含む位置である、請求項５に記載のアラームシステム。
- 前記ロボットを定位する前記位置は、伏臥状態の前記人体を前記人体検出手段の検出範囲に含まず、起立状態の前記人体を前記検出範囲に含む位置である、請求項５に記載のアラームシステム。
- 前記ベースステーションは、前記ロボットの浮上を指示する指示手段をさらに備える、請求項１に記載のアラームシステム。
- ベースステーションとロボットとからなる目覚まし時計であって、
前記ベースステーションは、
時刻を計測する時刻計測手段と、
前記時刻計時手段で予め設定された時刻が計時されるとアラームを動作させるアラーム開始手段とを備え、
前記ロボットは、
前記アラームを停止させるアラーム停止手段と、
羽ばたき飛行によって浮上移動する移動手段と、
人体を検出する人体検出手段と、
前記人体検出手段で人体を検出する際の、前記ロボットの位置を、前記ベースステーションからの距離と、前記ベースステーションを基準とする角度とによって、予め設定する位置設定手段とを備える、目覚まし時計。 - 前記アラーム停止手段は、前記人体検出手段で人体を検出することでアラームを停止する、請求項１２に記載の目覚まし時計。
- 前記人体検出手段は、起立状態である人体のみを検出する、請求項１２に記載の目覚まし時計。
- 前記人体検出手段は、伏臥状態の前記人体を検出範囲に含まず、起立状態である前記人体を前記検出範囲に含む、請求項１２に記載の目覚まし時計。
- 前記ロボットが浮上移動する軌道を設定する設定手段をさらに備える、請求項１２に記載の目覚まし時計。
- 前記ベースステーションは、前記ロボットの離陸を指示する指示手段をさらに備える、請求項１２に記載の目覚まし時計。
- 前記アラーム停止手段は、前記ロボットが前記浮上移動後に所定の場所に帰還することによって、前記アラームを停止させる、請求項１２に記載の目覚まし時計。
- 前記人体検出手段で人体を検出する際の前記ロボットの浮上高度が、前記起立状態である人体の身長以上である、請求項１４または１５に記載の目覚まし時計。
- 前記人体検出手段で人体を検出する際の前記ロボットの位置が、睡眠状態にある前記人体が覚醒後に第１に活動を行なう位置に起立した際の前記起立状態である人体を、前記人体検出手段で検出できる位置である、請求項１２に記載の目覚まし時計。
- 一定時間経過後に、自動的に前記ロボットを所定の場所に帰還させる帰還手段をさらに備える、請求項１２に記載の目覚まし時計。
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