JP4399526B2 - 水中航走装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中探査や水中作業に使用される水中航走装置に係り、特に、その操縦機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中探査ロボットを用いて複雑な海底を探査する場合、海底に生息する魚のように、ホバリングや素早い旋回などの細かな運動が要求される。また、腕付きロボットが海底から浮上して作業を行う場合、ロボット本体の位置及び姿勢の細かな制御が要求される。
【０００３】
従来、水中ロボットなどの位置及び姿勢を制御する水中航走装置の操縦機構として、例えば、翼やスクリュー式スラスターなどが用いられてきた。この内、翼は、水中航走装置が停止した状態ではほとんど推力が発生しないので、停止状態での位置および姿勢制御には利用できない。また、スクリュー式スラスターも、水中航走装置が停止した状態では、正負の推力を迅速に切り換えることが困難であることから、停止状態における位置および姿勢の維持性能が十分に得られないという欠点がある。
【０００４】
推進の観点から、魚の尾鰭の運動を模した振動翼を利用する水中航走装置に関して多数の試みが公表されている。しかし、尾鰭の運動機構を主スラスターとして水中航走装置に適用した場合、それによって誘起される水中航走装置自身の振動などの問題があり、停止状態における位置及び姿勢の制御に適用することは容易ではない。一方、魚の胸鰭の運動を、水中航走装置の推力、あるいは浮遊して停止している状態での位置及び姿勢の制御に適用する試みは、これまで行われていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来から用いられている翼やスクリュー式スラスターなどに代わって、ホバリングや旋回などの位置及び姿勢の細かな制御を実現することが可能な操縦装置を備えた水中航走装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の水中航走装置は、
胴体と、胴体の側面に備えられた左右一対の胸鰭と、胴体の内部に備えられた胸鰭駆動装置とを備えた水中航走装置であって、
前記胸鰭駆動装置は、前記各胸鰭に、鉛直軸まわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動、胴体の長手方向にほぼ平行な水平軸まわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動、及び胴体の長手方向にほぼ垂直な水平軸まわりで往復回転するフェザリング運動の３種類のモードの運動を、同時に且つ左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動及び姿勢の制御を行うことを特徴とする。
【０００７】
本願発明者は、水中ロボットなどの水中航走装置の操縦性能の向上の観点から、魚が停止状態でその運動を制御するのに重要な役割を担っていると見られる胸鰭の運動に着目して、その運動を詳細に観察して解析を行った。
【０００８】
その結果、（ａ）胸鰭の運動は主として、図５に示すように、鉛直軸まわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動、胴体の長手方向にほぼ平行な水平軸まわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動、及び胴体の長手方向にほぼ垂直な水平軸まわりで往復回転するフェザリング運動の３種類の運動モードから成り立っていること、（ｂ）これらの３種類の運動モードは、それぞれ、ほぼ正弦的な動きを示すこと、（ｃ）これらの３種類の運動モードは、同時に存在していること、（ｄ）リード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリードラグ運動とフラッピング運動の位相差をそれぞれ調整することによって、前後移動、横移動、上下移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回などの各運動が形成されていることを発見した。この知見に基づいて、本発明の水中航走装置を開発した。
【０００９】
本発明の水中航走装置によれば、前記胸鰭駆動装置は、左右一対の胸鰭に、リード・ラグ運動、フラッピング運動及びフェザリング運動の３種類の運動モードを、同時に且つ左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動方向、移動速度、及び姿勢の制御を行う。
【００１０】
好ましくは、前記各胸鰭の、リード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリードラグ運動とフラッピング運動の位相差をそれぞれ調整することによって、水中航走装置自身の前後移動、横移動、上下移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回の各運動を制御する。
【００１１】
これによって、本発明の水中航走装置は、停止状態において精度の高い位置及び姿勢の制御性能を備えるとともに、停止状態から前進、後退、上昇、下降、左右移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回などの動作への移行を迅速に実現することができる。
【００１２】
好ましくは、前記各胸鰭の、リード・ラグ運動の回転軸とフラッピング運動の回転軸を、ジンバル機構を介して接続する。これによって、リード・ラグ運動の回転軸とフラッピング運動の回転軸の交点に、フェザリング運動の回転軸を一致させることができる。
【００１３】
なお、前記胸鰭を、胴体の側面の前部及び後部に、それぞれ左右一対設けることもできる（合計４枚）。この場合、前記胸鰭駆動装置は、各胸鰭に、リード・ラグ運動、フラッピング運動及びフェザリング運動の３種類の運動モードを、同時に且つ前後左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動方向、移動速度、及び姿勢の制御を行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づく水中航走装置について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１に、本発明の水中航走装置の外観を示す。（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。水中航走装置は、胴体６の左右に一対の胸鰭１を備え、胴体６の内部には、後述する胸鰭の駆動機構が組み込まれれている。
【００１６】
図２、３、４に、水中航走装置の内部に組み込まれている胸鰭の駆動機構の構造を示す。図２は立面図、図３は平面図、図４は側面図である。
【００１７】
この胸鰭の駆動機構は、ジンバル機構１０に三台のサーボモータ２、３、４を組み合わせることによって構成され、ジンバル機構１０の中央に胸鰭１が取り付けられている。ジンバル機構１０は、フレーム２０を介して、水中航走装置の胴部（６；図１）の側面に取り付けられている。
【００１８】
ジンバル機構１０は、外側の第一リング１１、中間の第二リング１２、中央の第三リング１３、第一リング１１と第二リング１２の間を接続する第一回転軸１６、第二リング１２と第三リング１３の間を接続し第一回転軸１６に対して直交方向の第二回転軸１７、などから構成される。ここで、水平面内に互い直交するＸ軸及びＹ軸をとり、鉛直方向にＺ軸をとる。水中航走装置の姿勢が基準状態にあるとき、水中航走装置の長手方向がＸ軸に一致し、第一回転軸１６がＺ軸に平行になり、第二回転軸１７がＸ軸に平行になる。
【００１９】
第一リング１１は、フレーム２０のほぼ中央に設けられた開口部の内側に固定される。第一回転軸１６は上下の軸受を介して第一リング１１に支持され、第二リング１２は第一回転軸１６の中央に固定されている。サーボモータ４は、第一リング１１の外側に固定され、その駆動軸はベルト及びプーリ等を介して第一回転軸１６に接続されている。これによって、第二リング１２は、第一回転軸１６のまわりで往復回転運動をすることができる。
【００２０】
第二回転軸１７は、左右の軸受を介して第二リング１２に支持され、第三リング１３は第二回転軸１７の中央に固定されている。サーボモータ２は、第二リング１２の外側に固定され、その駆動軸はベルト及びプーリ等を介して第二回転軸１７に接続されている。更に、サーボモータ２は、第一軸１６を中心とする半円弧状のアーム５の上に摺動自在に支持されている。これによって、第三リング１３は、第二回転軸１７のまわりで往復回転運動をすることができる。
【００２１】
第三リング１３には、サーボモータ３が固定されている。サーボモータ３の駆動軸は、第一回転軸１６及び第二回転軸１７に対して直交する軸上にあり、この駆動軸の先に胸鰭１が取り付けられている。
【００２２】
サーボモータ４は、胸鰭１に、第一回転軸１６（基準状態において鉛直軸）のまわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動を与える。サーボモータ２は、胸鰭１に、第二回転軸１７（基準状態において水平軸）のまわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動を与える。サーボモータ３は、胸鰭１に、リード・ラグ運動及びフラッピング運動にのって、第一回転軸１６及び第二回転軸１７に対して直交する軸（基準状態においてＹ軸）の回りで往復回転するフェザリング運動を与える。
【００２３】
以上の様な構造を備えることによって、本発明の水中航走装置は、左右一対の胸鰭１に、リード・ラグ運動（図３（ａ））、フラッピング運動（図３（ｃ））及びフェザリング運動（図３（ｂ））を、同時且つ左右独立に与えることができる。このとき、リード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリードラグ運動とフラッピング運動の位相差を調整することによって、各胸鰭１の前後、左右、上下方向の推力を制御することができる。
【００２４】
特に、本発明の水中航走装置によれば、リードラグ運動とフラッピング運動の位相差を最適の値に設定することによって、単にリード・ラグ運動とフェザリング運動を組み合わせた場合と比較して、大きな推進力を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の水中航走装置によれば、海底から離れて定位置保持した状態において精度の高い位置及び姿勢の制御性能を実現するとともに、停止状態から前進、後進、上昇、下降、左右移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回などの動作に迅速に移行することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水中航走装置の外観を示す図、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を表す。
【図２】胸鰭の駆動機構の概略立面図。
【図３】胸鰭の駆動機構の概略平面図。
【図４】胸鰭の駆動機構の概略側面図。
【図５】胸鰭の３種類の運動モードについて説明する図、（ａ）はリード・ラグ運動、（ｂ）はフェザリング運動、（ｃ）はフラッピング運動を表す。
【符号の説明】
１・・・胸鰭、
２・・・サーボモータ（フラッピング運動用）、
３・・・サーボモータ（フェザリング運動用）、
４・・・サーボモータ（リード・ラグ運動用）、
５・・・アーム
６・・・胴体
１０・・・ジンバル機構、
１１・・・第一リング、
１２・・・第二リング、
１３・・・第三リング、
１６・・・第一回転軸、
１７・・・第二回転軸、
２０・・・フレーム。
【発明の属する技術分野】
本発明は、水中探査や水中作業に使用される水中航走装置に係り、特に、その操縦機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中探査ロボットを用いて複雑な海底を探査する場合、海底に生息する魚のように、ホバリングや素早い旋回などの細かな運動が要求される。また、腕付きロボットが海底から浮上して作業を行う場合、ロボット本体の位置及び姿勢の細かな制御が要求される。
【０００３】
従来、水中ロボットなどの位置及び姿勢を制御する水中航走装置の操縦機構として、例えば、翼やスクリュー式スラスターなどが用いられてきた。この内、翼は、水中航走装置が停止した状態ではほとんど推力が発生しないので、停止状態での位置および姿勢制御には利用できない。また、スクリュー式スラスターも、水中航走装置が停止した状態では、正負の推力を迅速に切り換えることが困難であることから、停止状態における位置および姿勢の維持性能が十分に得られないという欠点がある。
【０００４】
推進の観点から、魚の尾鰭の運動を模した振動翼を利用する水中航走装置に関して多数の試みが公表されている。しかし、尾鰭の運動機構を主スラスターとして水中航走装置に適用した場合、それによって誘起される水中航走装置自身の振動などの問題があり、停止状態における位置及び姿勢の制御に適用することは容易ではない。一方、魚の胸鰭の運動を、水中航走装置の推力、あるいは浮遊して停止している状態での位置及び姿勢の制御に適用する試みは、これまで行われていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来から用いられている翼やスクリュー式スラスターなどに代わって、ホバリングや旋回などの位置及び姿勢の細かな制御を実現することが可能な操縦装置を備えた水中航走装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の水中航走装置は、
胴体と、胴体の側面に備えられた左右一対の胸鰭と、胴体の内部に備えられた胸鰭駆動装置とを備えた水中航走装置であって、
前記胸鰭駆動装置は、前記各胸鰭に、鉛直軸まわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動、胴体の長手方向にほぼ平行な水平軸まわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動、及び胴体の長手方向にほぼ垂直な水平軸まわりで往復回転するフェザリング運動の３種類のモードの運動を、同時に且つ左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動及び姿勢の制御を行うことを特徴とする。
【０００７】
本願発明者は、水中ロボットなどの水中航走装置の操縦性能の向上の観点から、魚が停止状態でその運動を制御するのに重要な役割を担っていると見られる胸鰭の運動に着目して、その運動を詳細に観察して解析を行った。
【０００８】
その結果、（ａ）胸鰭の運動は主として、図５に示すように、鉛直軸まわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動、胴体の長手方向にほぼ平行な水平軸まわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動、及び胴体の長手方向にほぼ垂直な水平軸まわりで往復回転するフェザリング運動の３種類の運動モードから成り立っていること、（ｂ）これらの３種類の運動モードは、それぞれ、ほぼ正弦的な動きを示すこと、（ｃ）これらの３種類の運動モードは、同時に存在していること、（ｄ）リード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリードラグ運動とフラッピング運動の位相差をそれぞれ調整することによって、前後移動、横移動、上下移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回などの各運動が形成されていることを発見した。この知見に基づいて、本発明の水中航走装置を開発した。
【０００９】
本発明の水中航走装置によれば、前記胸鰭駆動装置は、左右一対の胸鰭に、リード・ラグ運動、フラッピング運動及びフェザリング運動の３種類の運動モードを、同時に且つ左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動方向、移動速度、及び姿勢の制御を行う。
【００１０】
好ましくは、前記各胸鰭の、リード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリードラグ運動とフラッピング運動の位相差をそれぞれ調整することによって、水中航走装置自身の前後移動、横移動、上下移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回の各運動を制御する。
【００１１】
これによって、本発明の水中航走装置は、停止状態において精度の高い位置及び姿勢の制御性能を備えるとともに、停止状態から前進、後退、上昇、下降、左右移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回などの動作への移行を迅速に実現することができる。
【００１２】
好ましくは、前記各胸鰭の、リード・ラグ運動の回転軸とフラッピング運動の回転軸を、ジンバル機構を介して接続する。これによって、リード・ラグ運動の回転軸とフラッピング運動の回転軸の交点に、フェザリング運動の回転軸を一致させることができる。
【００１３】
なお、前記胸鰭を、胴体の側面の前部及び後部に、それぞれ左右一対設けることもできる（合計４枚）。この場合、前記胸鰭駆動装置は、各胸鰭に、リード・ラグ運動、フラッピング運動及びフェザリング運動の３種類の運動モードを、同時に且つ前後左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動方向、移動速度、及び姿勢の制御を行う。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に基づく水中航走装置について図面を用いて説明する。
【００１５】
図１に、本発明の水中航走装置の外観を示す。（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面図である。水中航走装置は、胴体６の左右に一対の胸鰭１を備え、胴体６の内部には、後述する胸鰭の駆動機構が組み込まれれている。
【００１６】
図２、３、４に、水中航走装置の内部に組み込まれている胸鰭の駆動機構の構造を示す。図２は立面図、図３は平面図、図４は側面図である。
【００１７】
この胸鰭の駆動機構は、ジンバル機構１０に三台のサーボモータ２、３、４を組み合わせることによって構成され、ジンバル機構１０の中央に胸鰭１が取り付けられている。ジンバル機構１０は、フレーム２０を介して、水中航走装置の胴部（６；図１）の側面に取り付けられている。
【００１８】
ジンバル機構１０は、外側の第一リング１１、中間の第二リング１２、中央の第三リング１３、第一リング１１と第二リング１２の間を接続する第一回転軸１６、第二リング１２と第三リング１３の間を接続し第一回転軸１６に対して直交方向の第二回転軸１７、などから構成される。ここで、水平面内に互い直交するＸ軸及びＹ軸をとり、鉛直方向にＺ軸をとる。水中航走装置の姿勢が基準状態にあるとき、水中航走装置の長手方向がＸ軸に一致し、第一回転軸１６がＺ軸に平行になり、第二回転軸１７がＸ軸に平行になる。
【００１９】
第一リング１１は、フレーム２０のほぼ中央に設けられた開口部の内側に固定される。第一回転軸１６は上下の軸受を介して第一リング１１に支持され、第二リング１２は第一回転軸１６の中央に固定されている。サーボモータ４は、第一リング１１の外側に固定され、その駆動軸はベルト及びプーリ等を介して第一回転軸１６に接続されている。これによって、第二リング１２は、第一回転軸１６のまわりで往復回転運動をすることができる。
【００２０】
第二回転軸１７は、左右の軸受を介して第二リング１２に支持され、第三リング１３は第二回転軸１７の中央に固定されている。サーボモータ２は、第二リング１２の外側に固定され、その駆動軸はベルト及びプーリ等を介して第二回転軸１７に接続されている。更に、サーボモータ２は、第一軸１６を中心とする半円弧状のアーム５の上に摺動自在に支持されている。これによって、第三リング１３は、第二回転軸１７のまわりで往復回転運動をすることができる。
【００２１】
第三リング１３には、サーボモータ３が固定されている。サーボモータ３の駆動軸は、第一回転軸１６及び第二回転軸１７に対して直交する軸上にあり、この駆動軸の先に胸鰭１が取り付けられている。
【００２２】
サーボモータ４は、胸鰭１に、第一回転軸１６（基準状態において鉛直軸）のまわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動を与える。サーボモータ２は、胸鰭１に、第二回転軸１７（基準状態において水平軸）のまわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動を与える。サーボモータ３は、胸鰭１に、リード・ラグ運動及びフラッピング運動にのって、第一回転軸１６及び第二回転軸１７に対して直交する軸（基準状態においてＹ軸）の回りで往復回転するフェザリング運動を与える。
【００２３】
以上の様な構造を備えることによって、本発明の水中航走装置は、左右一対の胸鰭１に、リード・ラグ運動（図３（ａ））、フラッピング運動（図３（ｃ））及びフェザリング運動（図３（ｂ））を、同時且つ左右独立に与えることができる。このとき、リード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリードラグ運動とフラッピング運動の位相差を調整することによって、各胸鰭１の前後、左右、上下方向の推力を制御することができる。
【００２４】
特に、本発明の水中航走装置によれば、リードラグ運動とフラッピング運動の位相差を最適の値に設定することによって、単にリード・ラグ運動とフェザリング運動を組み合わせた場合と比較して、大きな推進力を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の水中航走装置によれば、海底から離れて定位置保持した状態において精度の高い位置及び姿勢の制御性能を実現するとともに、停止状態から前進、後進、上昇、下降、左右移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回などの動作に迅速に移行することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水中航走装置の外観を示す図、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を表す。
【図２】胸鰭の駆動機構の概略立面図。
【図３】胸鰭の駆動機構の概略平面図。
【図４】胸鰭の駆動機構の概略側面図。
【図５】胸鰭の３種類の運動モードについて説明する図、（ａ）はリード・ラグ運動、（ｂ）はフェザリング運動、（ｃ）はフラッピング運動を表す。
【符号の説明】
１・・・胸鰭、
２・・・サーボモータ（フラッピング運動用）、
３・・・サーボモータ（フェザリング運動用）、
４・・・サーボモータ（リード・ラグ運動用）、
５・・・アーム
６・・・胴体
１０・・・ジンバル機構、
１１・・・第一リング、
１２・・・第二リング、
１３・・・第三リング、
１６・・・第一回転軸、
１７・・・第二回転軸、
２０・・・フレーム。
Claims (4)
- 胴体と、胴体の側面に備えられた左右一対の胸鰭と、胴体の内部に備えられた胸鰭駆動装置とを備えた水中航走装置であって、
前記胸鰭駆動装置は、前記各胸鰭に、鉛直軸まわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動、胴体の長手方向にほぼ平行な水平軸まわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動、及び胴体の長手方向にほぼ垂直な水平軸まわりで往復回転するフェザリング運動の３種類の運動モードを同時に与え、且つ左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動及び姿勢の制御を行う、水中航走装置において、
前記胸鰭駆動装置は、前記各胸鰭のリード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリード・ラグ運動とフラッピング運動の位相差を調整することによって、水中航走装置自身の前後移動、横移動、上下移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回の各運動を制御すること；
を特徴とする水中航走装置。 - 前記各胸鰭の、リード・ラグ運動の回転軸とフラッピング運動の回転軸が、ジンバル機構を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の水中航走装置。
- 胴体と、胴体の側面の前部及び後部にそれぞれ備えられた左右一対の胸鰭と、胴体の内部に備えられた胸鰭駆動装置とを備えた水中航走装置であって、
前記胸鰭駆動装置は、前記各胸鰭に、鉛直軸まわりで前後方向に往復旋回するリード・ラグ運動、胴体の長手方向にほぼ平行な水平軸まわりで上下方向に往復旋回するフラッピング運動、及び胴体の長手方向にほぼ垂直な水平軸まわりで往復回転するフェザリング運動の３種類の運動モードを同時に与え、且つ前後左右独立に与えることによって、水中航走装置自身の移動及び姿勢の制御を行う、水中航走装置において、
前記胸鰭駆動装置は、前記各胸鰭のリード・ラグ運動とフェザリング運動の位相差、及びリード・ラグ運動とフラッピング運動の位相差を調整することによって、水中航走装置自身の前後移動、横移動、上下移動、水平面内旋回及び鉛直面内旋回の各運動を制御すること、
を特徴とする水中航走装置。 - 前記各胸鰭の、リード・ラグ運動の回転軸とフラッピング運動の回転軸が、ジンバル機構を介して接続されていることを特徴とする請求項３に記載の水中航走装置。
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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2000
- 2000-01-05 JP JP2000000345A patent/JP4399526B2/ja not_active Expired - Fee Related
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