JP5392891B2 - 飛翔ロボット - Google Patents

Description

この発明は、操縦機からの指示に応じて自動的に空中移動および空中静止が可能な飛翔ロボットに関するものである。

事故により放射線、有毒ガス、有毒薬液などが漏れたり、漏れているおそれがあったりする場合には、現場の状況をできるだけ早く正確に知り、原因の究明、二次災害の防止、人命の救助などの対策をすばやく的確に行なう必要がある。

しかし、そうした事故環境に人間が入ることは危険であり、該放射線、有毒ガス、有毒薬液などが漏れたり、漏れているおそれがあったりする事故が、障害物があって人間が入れない狭い空間で起きた場合には、仮に防護体制を取って人間が入りたくても、物理的に入り得ないこともある。

このような場合に、操縦機からの指示に応じて自動的に空中移動および空中静止ができる飛翔ロボットを飛ばし、該飛翔ロボットにカメラ、ビデオカメラ、録音素子、放射線センサ、ガスセンサなどを搭載しておけば、現場の状況を早く、かつ、正確に知ることができ、収集した情報を破損した設備や機器の早期復旧、人命の救助、二次災害の防止などに役立てることができる。

また、可載重量がある程度大きい飛翔ロボットで、操縦機からの指示に応じて自動的に空中移動および空中静止ができる飛翔ロボットがあれば、人間が入って出られなくなっていたり、負傷者がいても直ぐに救援隊がアクセスできなかったりする場合に、開けたい扉の予備鍵、応急薬、連絡用紙、筆記具などのたとえば数ｇ〜１００ｇ程度の軽い品物を災害現場に届けることもできる。

そのため、操縦機からの指示に応じて自動的に空中移動および空中静止が可能な飛翔ロボットが様々な研究機関で研究されている。

たとえば、非特許文献１には、二重反転回転翼を揚力源として空中に浮上させ、飛翔ロボットの機体の一部に可動の錘部を設け、操縦機からの指示に応じて該錘部の位置を、超薄型超音波モータを用いたリニアアクチュエータにより水平面内で変えることにより、機体の重心位置を変化させ、該重心の不釣合いに応じて該飛翔ロボットの機体を傾けて二重反転回転翼を傾け、空中移動や空中静止を制御する飛翔ロボットを製作した例が開示されている。

この方式により飛翔ロボットを自動制御して空中に浮揚したまま静止させるためには、該飛翔ロボットの傾き角に応じて、超薄型超音波モータを用いたリニアアクチュエータにより前記錘部の位置を自動制御して該飛翔ロボットの傾き角が０になるようにし、該飛翔ロボットを所定の方向に移動させるためには、該飛翔ロボットを傾けることにより前記二重反転回転翼を傾け、該飛翔ロボットを移動させる方向の推進力を得ている。

一方、非特許文献２には、二重反転回転翼を用いた飛翔ロボットに４枚の補助翼を設け、対角に位置する補助翼どうしを水平方向の軸まわりに同方向に傾斜させることにより該飛翔ロボットの位置を移動させられることや、対角に位置する補助翼どうしを水平方向の軸まわりに逆方向に傾斜させることにより二重反転回転翼の回転軸回りに回転させられることが開示されている。

一方、屋内用小型飛翔玩具のラジコンヘリコプタも飛翔ロボットの一種と考えることができるが、たとえば、ヒロボー社製のＸＲＢ−ＳＲ ｓｈｕｔｔｌｅは、二重反転回転翼を用いており、下の回転翼の回転軸に対する傾斜角をスワッシュプレートにより制御して機体に対して該下の回転翼の回転面を傾けることにより該ラジコンヘリコプタの位置を移動させ、また、上下の回転翼の回転速度を変えることにより機体を二重反転回転翼の回転軸まわりに回転させている。
機械設計第４８巻、第２号、１−４頁 長島康太郎、堀内敏行：２００６年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集、４６３−４６４頁

しかし、上記の各種の従来の飛翔ロボットでは、人間が入ると危険な場所や人間が入れない狭い空間に飛ばして状況察知や小物運搬に用いようとすると、可載重量が少な過ぎたり、操縦機からの指示に応じて、随意に自動的に空中移動および空中静止ができなかったりして、所期の目的を達し得ない。

すなわち、非特許文献１に開示されている飛翔ロボットにしろ、非特許文献２に開示されている飛翔ロボットにしろ、上記の屋内用小型飛翔玩具のラジコンヘリコプタにしろ、危険な場所や狭くて人間が入れない場所に飛ばし、操縦機からの指示に応じて自動的に空中移動および空中静止ができ、カメラを搭載して、現場の状況を早く正確に知ることができるようにするには、飛翔ロボットの応答性、自動制御機能、移動速度などをさらに向上させなければならない。

前記の非特許文献１に開示された飛翔ロボットは総質量がわずか１２ｇの軽量ロボットであり、揚力はそれよりわずかに大きいだけなので、超小型カメラは搭載されているが、ほかに色々なセンサを搭載したり、人間が入ると危険な場所や人間が入れない狭い空間に届ける軽量小物を搭載したりする余裕は全くなく、空気にわずかな流れや乱れがあるだけで、大きく流されてしまう。

また、重心を動かすために、超薄型超音波モータを用いたリニアアクチュエータを用いているが、重心を動かす錘部は軽く、その位置は精密にわずかな量、たとえばミクロンオーダーの距離だけ移動するので、超薄型超音波モータでも動くが、総質量がたとえば１００ｇ〜５００ｇの飛翔ロボットにおいては、より重い錘部を設け、より重心を大きく移動させるようになし、該錘部の水平面内の位置の制御を迅速に、精度良く、低電力で行わなければならないので、駆動力や駆動速度が小さい上記と同じような超薄型超音波モータを用いたリニアアクチュエータを用いることはできない。

一方、非特許文献２に開示されている飛翔ロボットでは、空中での任意の水平方向への移動と二重反転回転翼の回転軸回りの回転を同じ４枚の補助翼によって行うため、各補助翼の傾斜角のわずかな誤差やアンバランスによって水平方向への移動と回転軸回りの回転運動が干渉して生じ、水平方向へ移動したり、一定位置に静止させようとすると意図せぬ回転が付随して生じ、方位回転をさせたり、方位回転しないように保持しようとしたりすると意図せぬ水平方向への移動が起こる。

また、非特許文献２に開示されている飛翔ロボットでは、二重反転回転翼の回転軸回りの回転は非常に容易に行える一方、水平方向への移動は速度が遅く、所期の水平方向へのスムーズな移動が困難である。

他方、屋内用小型飛翔玩具のラジコンヘリコプタは、位置や方位角が操縦者による操縦機の微妙な操作に依存しており、空中で一定の位置を保持して静止させることは極めて難しく、熟練した者が操縦しても、操縦者の意に反してふらついたり、位置がシフトしたりしてしまっていた。

人間が入ると危険な場所や人間が入れない狭い空間に飛翔ロボットを飛ばして状況察知や小物運搬を行うためには、飛翔ロボットの応答性、移動速度、自動制御性能を改善し、空中移動や空中静止、方位の維持や変更を操縦機からの指示通りに高精度に速く行なえるようにする必要があり、本発明では、課題を解決するため、以下の手段を用いる。

請求項１に示す飛翔ロボットは、機体の上部に該機体を浮揚させる回転翼を有し、該機体の上部と下部とを少なくとも直交２軸方向に回転自由な自在継ぎ手により連結し、該自在継ぎ手を中心として該機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を有し、該機構をサーボモータによって駆動し、前記サーボモータの回転軸に取り付けた傾斜回転リンクを設け、該傾斜回転リンクの両端に傾斜ロッドをそれぞれ連結し、該傾斜ロッドの他端を飛翔ロボットの機体の上部にそれぞれ連結することにより、該飛翔ロボットの機体の上部と下部との相対傾き角を変える機構となし、機体の上部および／または下部に重力加速度の成分を検出して鉛直方向に対する傾斜角を検出する少なくとも１個の加速度センサを設け、該加速度センサにより検出した機体の上部および／または下部の鉛直方向に対する傾斜角に基づいて前記サーボモータによって前記機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を動かすか、機体の上部および／または下部に少なくとも１個の鉛直方向に対する傾斜角速度を検出する角速度センサを設け、該角速度センサによって検出した機体の上部および／または下部の傾斜角速度に基づいて前記サーボモータによって前記機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を動かすか、もしくは前記傾斜角および傾斜角速度の両方に基づいて前記サーボモータによって前記機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を動かすか、して、機体の上部または下部に、前記回転翼の回転軸との傾斜角を変化させて該回転軸まわりの回転を制御する少なくとも１枚の補助翼を設け、機体の上部または下部に、前記回転翼の回転軸まわりまたはおおむね鉛直軸まわりの飛翔ロボットの機体の回転角速度を検出する角速度センサおよび／または地磁気の方向を検出する方位センサを設け、該方位センサの検出した前記回転翼の回転軸まわりまたはおおむね鉛直軸まわりの角速度および／または方位角に基づいて前記補助翼を動かして該飛翔ロボットの方位を制御するようになし、該飛翔ロボットが空中の同じ場所に維持するように、かつ、方位を一定に維持するように、自動制御するようになす。

請求項２に示す飛翔ロボットは、請求項１に示した飛翔ロボットにおいて、前記機体の下部は、前記傾斜回転リンクが動くと前記傾斜回転リンクから移動力を受ける下部フレームを有する。

本発明の飛翔ロボットによれば、飛翔ロボットの機体の上部と下部との間の直交２軸方向の相対傾き角を変えて飛翔ロボットの重心の位置を変えるため、該飛翔ロボットの重心の位置を、容易に大きく速く細かく意図通りに変化させることができる。

そのため、該重心の移動に連動して二重反転回転翼を取り付けた機体の上部の傾斜角を容易に大きく速く細かく意図通りに変化させることができ、飛翔ロボットの水平方向の移動や空中静止を操縦機からの指示通りに高精度に速く行なうことができる。

さらに、本発明の飛翔ロボットでは、飛翔ロボットの傾斜を加速度センサや傾斜角速度センサにより検出して該傾斜角および／または傾斜角速度が０になるように飛翔ロボットの機体の上部と下部との間の直交２軸方向の相対傾き角を自動的に変えることができるため、放置しても長時間一定の空中位置に留まることができる。

そのため、本発明の飛翔ロボットにカメラやビデオカメラを搭載すれば、鮮明で安定した映像で周囲を撮影することができ、録音素子、放射線センサ、ガスセンサなどを使用する場合も場所を変えて音、放射線濃度、ガス濃度などを測定すれば、位置と関係付けて音、放射線濃度、ガス濃度などを検知することができる。

また、本発明の飛翔ロボットにカメラを搭載して撮影した飛翔ロボット周辺のカメラ映像を操縦者に無線で送って実時間観察できるようにすれば、鮮明で位置が安定した該カメラの映像に基づいて飛翔ロボットを操縦することができる。

一方、本発明の飛翔ロボットでは、補助翼を設けて方位の維持や変更を行い、方位センサにより回転翼の回転軸まわりまたはおおむね鉛直軸まわりの角速度および／または方位角を検出するため、操縦機からの指示通りに方位の維持や変更を高精度に速く行なうことができる。

そのため、本発明の飛翔ロボットにカメラやビデオカメラを搭載して方位角を一定に維持した状態で飛翔ロボットの周辺を撮影すれば、鮮明で安定した映像で撮影することができ、録音素子、放射線センサ、ガスセンサなどを使用する場合も方位と関係付けて音、放射線濃度、ガス濃度などを検知することができる。

また、本発明の飛翔ロボットにカメラを搭載して撮影した飛翔ロボット周辺のカメラ映像を操縦者に無線で送って実時間観察できるようにすれば、鮮明で方位が安定した該カメラの映像に基づいて飛翔ロボットを操縦することができる。

このように、本発明の飛翔ロボットは、自動制御により空中に静止させたり、一定の方位を維持したりすることができるため、熟練を要さずに飛翔ロボットを操縦することができる。

従来の非特許文献２に開示された飛翔ロボットでは、４枚の補助翼を設けて、空中での水平方向への移動と二重反転回転翼の回転軸回りの回転を同じ４枚の補助翼によって行っていたため、各補助翼の傾斜角のわずかな誤差やアンバランスによって水平方向への移動と二重反転回転翼の回転軸回りの回転運動がとの間に干渉が生じたのに対し、本発明の飛翔ロボットでは、空中での水平方向への移動は、飛翔ロボットの機体の上部と下部との間の直交２軸方向の相対傾き角を変えて飛翔ロボットの重心の位置を変えて行い、二重反転回転翼の回転軸回りの回転のみを補助翼を用いて制御するため、水平方向への移動と二重反転回転翼の回転軸回りの回転運動との間の干渉が大幅に低減される。

また、本発明の飛翔ロボットでは、飛翔ロボットの機体の上部と下部との間を自在継ぎ手で接続して直交２軸方向の相対傾き角を変えるようにしたことによって非特許文献１記載の重心制御用の錘部を不要とし、軽い補助翼の傾斜角をわずかに変えることによって飛翔ロボットの方位を制御するため、低出力のモータによって低消費電力で方位を制御できるようにしてあり、装備を軽量化できるため、可載重量を大きくとれる。

そのため、様々なカメラやセンサ類を搭載して人間が入ると危険な場所や人間が入れない狭い空間に飛ばせば、情報量の多い状況察知ができ、予備鍵、応急薬、連絡用紙、筆記具などの小物運搬に用いることもできる。

発明の実施するための最良の形態

図１、図２は、本発明の飛翔ロボットの実施形態であり、図１が正面図、図２が右側面図であり、Ｘ、Ｙ、Ｚは、図中に示した通り、座標の方向を示す。

飛翔ロボットは二重反転回転翼により飛翔力を得る構造にしてあり、上の回転翼１と下の回転翼２を互いに反対方向に回転させて両回転翼の反動トルクを打ち消して合わせ、機体が回転する現象がなるべく生じないようにしてある。

回転軸３は上の回転翼１の回転軸、回転軸４は下の回転翼２の回転軸であり、５、６は回転翼１、回転翼２を回転軸３、回転軸４に取り付ける回転翼固定具である。

また、回転軸３、回転軸４は、単数または複数のモータや減速歯車などを任意に組み合わせ、回転数を適切に制御してモータ駆動装置７により回転させる。

回転軸３、回転軸４の軸受およびモータ駆動装置７は、飛翔ロボットの機体の上部フレーム８に取り付けて固定する。

回転軸３、回転軸４の軸受は非図示であり、回転軸４を筒状にして回転軸３をガイドする構造とすれば、回転軸３の軸受は特別に設けなくてもよい。

また、回転軸３および／または回転軸４を駆動源のモータ軸や減速機付きモータの減速機軸に直接接続する場合には、回転軸３および／または回転軸４の軸受を設けなくてもよい。

なお、回転翼１および／または回転翼２に回転の慣性を増すことにより回転を安定化するためのスタビライザ（非図示）を付けてもよい。

前記の飛翔ロボット機体の上部フレーム８の下部には上部フレーム底板９を取り付け、該上部フレーム底板９に、Ｘ方向まわりおよびＹ方向まわりに回転自在の継ぎ手を有する自在継ぎ手１０を付け、該自在継ぎ手１０を介して飛翔ロボットの機体の下部フレーム１１の上部に取り付けた下部フレーム天板１２と接続する。

該自在継ぎ手１０はＸ方向まわりおよびＹ方向まわりに回転自在であれば任意の構造でよく、任意の方向まわりに回転自在のボール継ぎ手でもよい。

１３は自在継ぎ手１０のＹ方向まわりの回転軸であり、自在継ぎ手１０の上半分より上の飛翔ロボット機体の上部と、自在継ぎ手１０の下半分より下のロボット機体の下部とは該自在継ぎ手１０のＹ方向まわりの回転軸１３を介してＹ方向まわりに回転自在に保持してある。

飛翔ロボット機体の上部フレーム８の左右下部には、Ｙ傾斜ロッド端保持板１４、１５および傾斜ロッド端保持軸受１６、１７を設けてＹ傾斜ロッド１８、１９の片端を支持する。

２１および２２は、Ｙ傾斜ロッド１８、１９の上部フレーム側端のＹ方向まわりの回転軸である。

飛翔ロボットの機体の下部側には、Ｙ傾斜回転リンク２３を設け、Ｙ傾斜ロッド１８、１９の下側の端を取り付ける。

Ｙ傾斜ロッド１８、１９の下側端は、Ｙ傾斜ロッド１８、１９がそれぞれＹ方向まわりに回転できるようにＹ傾斜回転リンク２３に取り付ける。

２４および２５は、Ｙ傾斜ロッド１８、１９の下側端のＹ方向まわりの回転軸であり、Ｙ傾斜ロッド１８、１９の下側端とＹ傾斜回転リンク２３との間には、上側端と同様に傾斜ロッド端保持軸受を設けてもよい。

飛翔ロボットの機体の上部と下部は、前記のように、自在継ぎ手１０のＹ方向まわりの回転軸１３を介してＹ方向まわりに回転自在に保持してあるが、Ｙ傾斜ロッド１８、１９により連結されているので、Ｙサーボモータ２６により該Ｙ傾斜ロッド１８、１９の下側端を取り付けたＹ傾斜回転リンク２３を動かすと、飛翔ロボットの機体の上部を任意に傾斜させることができる。

２７はＹサーボモータ２６の回転軸であり、回転軸２６の回転に連動してＹ傾斜回転リンク２３が傾斜回転する。

また、２８は下部フレーム１１に取り付けた、Ｙサーボモータ支持板である。

下部フレーム１１は、下部フレーム底枠２９に固定してあり、該下部フレーム底枠２９の底面の一部または全部により非飛翔時に飛翔ロボットは接地される。

３０は下部フレーム底枠２９に固定したバッテリーである。

以上、飛翔ロボットの機体の上部と下部との間のＹ方向まわりの傾斜角調整機構について説明したが、次にＸ方向まわりの傾斜角調整について説明する。

図２を参照するとき、３３は自在継ぎ手１０のＸ方向まわりの回転軸であり、自在継ぎ手１０の上半分より上の飛翔ロボットの機体の上部と、自在継ぎ手１０の下半分より下の飛翔ロボットの機体の下部とは該自在継ぎ手１０のＸ方向まわりの回転軸３３を介してＹ方向まわりに回転自在に保持してある。

自在継ぎ手１０のＸ方向まわりの回転軸３３のＺ方向の位置は、自在継ぎ手１０の構造によっては、自在継ぎ手１０のＹ方向まわりの回転軸１３と完全に合致せずに少しずれる場合があるが、Ｘ方向とＹ方向の傾斜角調整機構が独立しているので支障はない。

飛翔ロボットの機体の上部フレーム８の下部には、Ｘ傾斜ロッド端保持板３４、３５および傾斜ロッド端保持軸受３６、３７を設けてＸ傾斜ロッド３８、３９の上側端を支持してあり、４１および４２は、Ｘ傾斜ロッド３８、３９の上部フレーム側端のＸ方向まわりの回転軸である。

飛翔ロボット機体の下部側には、Ｘ傾斜回転リンク４３を設け、Ｘ傾斜ロッド１８、１９の下側端を取り付ける。

Ｘ傾斜ロッド３８、３９の下側端は、Ｘ傾斜ロッド３８、３９がそれぞれＸ方向まわりに回転できるようにＸ傾斜回転リンク４３に取り付ける。

４４および４５は、Ｘ傾斜ロッド３８、３９の下側端のＸ方向まわりの回転軸であり、Ｘ傾斜ロッド３８、３９の下側端とＸ傾斜回転リンク４３との間には、上側端と同様に傾斜ロッド端保持軸受を設けてもよい。

飛翔ロボットの機体の上部と下部は、前記のように、自在継ぎ手１０のＸ方向まわりの回転軸３３を介してＸ方向まわりに回転自在に保持してあるが、Ｘ傾斜ロッド３８、３９により連結されているので、Ｘサーボモータ４６により該Ｘ傾斜ロッド３８、３９の下側端を取り付けたＸ傾斜回転リンク４３を動かすと、飛翔ロボット機体の上部を飛翔ロボット機体の下部に対して相対的に任意に傾斜させることができる。

４７はＸサーボモータ４６の回転軸であり、回転軸４７の回転に連動してＸ傾斜回転リンク４３が傾斜回転する。

また、４８は下部フレーム１１に取り付けた、Ｘサーボモータ支持板である。

図３はＹ方向まわりの傾斜調整機構を説明する図であり、Ｙ傾斜ロッド１８、１９の下側端のＹ方向まわりの回転軸２４および２５の中心をＡおよびＢ、Ｙ傾斜ロッド１８、１９の上側端のＹ方向まわりの回転軸２１および２２の中心をＣおよびＤ、自在継ぎ手１０のＹ方向まわりの回転軸１３の中心をＯ、Ｙサーボモータ２６の回転軸２７の中心をＱとする。

点ＡおよびＢはＹ傾斜回転リンク２３の両端の支点なので、ＡＢ間の距離は一定であり、Ｙサーボモータ２６により回転軸２７を回転させ、図中に示すように角度θだけＹ傾斜回転リンク２３を傾けると、点ＡおよびＢは点Ａ’およびＢ’に移動する。

これに伴い、点ＣおよびＤが移動する点を考えると、ＡＣ間の距離が一定なので、点Ｃの移動後の点Ｃ’は点Ａ’を中心とする半径ＡＣの円弧６１上にあり、点Ｄの移動後の点Ｄ’はＢ’を中心とする半径ＢＤの円弧６２上にある。

一方、点ＣおよびＤは飛翔ロボットの機体の上部フレーム８の左右下部に取り付けたＹ傾斜ロッド端保持板１４、１５に固定された点なので、点Ｏを中心に回転する自由度しかなく、点Ｃ’および点Ｄ’は、図示したように、半径ＯＣ＝ＯＤの円６３上を移動する。

したがって、点Ｃ’および点Ｄ’は、点Ａ’を中心とする半径ＡＣの円弧６１および点Ｂ’を中心とする半径ＢＤの円弧６２と半径ＯＣ＝ＯＤの円６３との交点となる。

なお、６４は飛翔ロボットの機体の二重反転回転翼を除いた上部全体、６５は下部全体を模式化して示したものであり、二重反転回転翼は省略して描いてある。

また、四辺形ＡＢＤＣ、四辺形Ａ’Ｂ’Ｄ’Ｃ’は、Ｙ傾斜回転リンク２３が水平の場合と角度θ傾いた場合のリンク機構の形状の変化を示している。

Ｘ方向まわりの傾斜調整機構も構造はＹ方向まわりの傾斜調整機構と同じである。

図４は本発明の飛翔ロボット機体の傾斜と移動について説明する図である。

上記のように、Ｙ傾斜回転リンク２３を動かして、飛翔ロボットの機体の上部６４を機体の下部６５に対して相対的に傾斜させると、二重反転回転翼の付いた飛翔ロボット機体の上部６４に対して機体の下部６５の重心の位置が変わるため、二重反転回転翼の付いた飛翔ロボットの機体の上部６４が、該機体の上部６４と機体の下部６５との重量比に応じて、機体の下部６５の重心が移動した方向に少し傾き、該飛翔ロボットの機体の上部６４と下部６５は図示のような状態になる。

そして、その結果、二重反転回転翼から吹き降ろされる風に矢印６６ａ、６６ｂに示すようにＸ方向の成分が生じるため、飛翔ロボットは、風が流れるのと反対の、矢印６７の方向に動く。

ところで、飛翔ロボットを操縦する場合、Ｘ軸、Ｙ軸まわりの傾斜角に加えて、Ｚ軸まわりの回転角すなわち方位も制御する必要がある。

図１および図２に示した本発明の飛翔ロボットにおいては、Ｚ軸まわりの回転角すなわち方位角を制御するため、補助翼５１、５２を設け、補助翼サーボモータ５３、５４によって、二重反転回転翼の回転軸に対して補助翼５１、５２を傾ける。

５５、５６は補助翼サーボモータ５３、５４の軸であり、補助翼５１、５２を直接または接続部品を介して取り付ける。

該補助翼５１、５２を二重反転回転翼の回転軸に対して傾斜させると、上の回転翼１と下の回転翼２から吹き降ろされる風が当たって該補助翼５１、５２を二重反転回転翼の回転軸まわりに回転させる分力を生じる。

飛翔ロボットの位置がずれないようにするためには、上の回転翼１と下の回転翼２から吹き降ろされる風が補助翼５１、５２に当たって生ずるのが二重反転回転翼の回転軸まわりのモーメントのみになるようにすることが好ましいため、補助翼５１と補助翼５２は逆向きに傾斜させる。

なお、図１および図２では補助翼の枚数を２枚としてＸ方向と−Ｘ方向に取り付けて描いてあるが、取り付ける方向はＹ方向、−Ｙ方向など、任意でよく、取り付ける位置も飛翔ロボットの上部、下部の二重反転回転翼からの風が当たる任意の位置でよい。

また、枚数もたとえば４枚など、任意でよく、方位角の調整により生ずる位置ずれを修正することとすれば、補助翼の枚数を、１枚、３枚などの奇数枚数としてもよい。

このような構成の本発明により飛翔ロボットを操縦する場合に、飛翔ロボットの機体を傾けて移動させることから、該飛翔ロボットの機体の傾斜角を検出する傾斜センサ７１を機体の上部または下部に搭載し、機体の傾斜角が０になるようにＹサーボモータ２６によりＹ傾斜回転リンク２３、また、Ｘサーボモータ４６によりＸ傾斜回転リンク４３を動かせば、飛翔ロボットは傾斜せず、したがって空中で一定の位置に静止させることができる。

傾斜センサ７１は任意でよく、傾斜による重力加速度の成分を検出すれば傾斜角が計測できることから、加速度センサを用いてもよく、１軸の加速度センサを単数または複数個取り付けてもよく、２軸〜３軸の加速度センサを単数または複数個取り付けてもよい。

傾斜センサ７１として、傾斜角速度を検出する角速度センサを用いてもよく、その場合も、１軸の角速度センサを単数または複数個取り付けても、２軸〜３軸の角速度センサを単数または複数個取り付けてもよい。

また、飛翔ロボットは意図して方位を変更したい場合以外は方位角を一定に保持できることが好ましいことから、方位センサ７２を機体の上部または下部に搭載し、方位角が一定となるように補助翼５１および５２を制御できるようにすればさらによい。

方位センサ７２としては、地磁気の方向を検出する方位角センサを用いてもよく、方位角速度すなわち二重反転回転翼の回転軸まわりの角速度を検出する角速度センサを用いてもよい。

なお、図１および図２では、傾斜センサ７１や方位センサ７２を動かすための電子回路や、制御を行うのに用いるマイコン、バッテリー３０と電子回路やマイコンを結ぶ配線、無線受信機などは表示を省略してある。

また、同じく非表示であるが、飛翔ロボットにカメラ、ビデオカメラ、録音素子、放射線センサ、ガスセンサなどを搭載しておけば、飛翔ロボットの飛翔場所の周辺の各種状況を察知することができる。

飛翔ロボットを空中のほぼ同じ位置に停止維持することができ、また、所定の方位角を維持できるので、カメラやビデオカメラで分かり易く鮮明に周囲の映像を撮影することができ、録音素子、放射線センサ、ガスセンサなどを使用する場合も位置や方位と関係付けて音、放射線濃度、ガス濃度などを検知することができる。

カメラやビデオカメラの映像や検知した音、放射線濃度、ガス濃度などのデータはフィルムやメモリに記憶させ、飛翔ロボットを帰還させてから見てもよく、無線信号で操縦者に送り、操縦者がその場で情報を入手できるようにしてもよい。

また、本発明の飛翔ロボットにカメラを搭載して撮影した飛翔ロボット周辺のカメラ映像を操縦者に無線で送って実時間観察できるようにすれば、該カメラの映像に基づいて飛翔ロボットを操縦することもできる。

ところで、以上の実施形態においては、本発明の飛翔ロボットとして機体の上部に揚力源として二重反転回転翼を取り付けた飛翔ロボットを説明したが、揚力源が一枚の主回転翼で、該主回転翼の回転反力を機体後方のテール回転翼によって打ち消す飛翔ロボットに対しても本発明が適用できることは明らかである。

図５は主回転翼とテール回転翼を有する本発明の飛翔ロボットの実施形態である。

飛翔ロボットの機体の上部８１に主回転翼８２とテール回転翼８３が付いており、該機体の上部８１は機体の下部８４と自在継ぎ手８５により連結されている。

８６は主回転翼の回転軸、８７はテール回転翼８３の回転軸、８８は自在継ぎ手８５の回転軸、円８９はテール回転翼８３の回転面を示す。

また、９１、９２は補助翼、９３は補助翼９１の回転軸であり、破線で示した補助翼９２および非図示の補助翼９２の回転軸は飛翔ロボットの機体の上部８１の裏側に配置されている。

飛翔ロボットの機体の上部８１と機体の下部８４との間のＸ方向まわりおよびＹ方向まわりの相対傾斜角を調整するための傾斜回転リンク、傾斜ロッド、サーボモータ、傾斜センサ、また、補助翼９１、９２を傾斜させるためのサーボモータ、方位角ンサなどは非図示であるが、このような主回転翼８２とテール回転翼８３を用いる実施形態でも本発明が適用でき、Ｘ方向およびＹ方向への位置の移動や静止維持、主回転翼の回転軸まわりの機体の回転や静止維持ができる。

なお、このように飛翔ロボットの機体の上部８１に主回転翼８２とテール回転翼８３を付ける場合には、テール回転翼８３によって主回転翼の回転軸まわりの回転の変更や維持が可能なので、必ずしも補助翼９１、９２やそれらの傾斜を制御するための機材を設けなくてもよい。

図１および図２に示したように飛翔ロボットを構成し、バッテリー３０として容量７３０ｍＡｈ、電圧７．４Ｖのリチウムポリマー電池、Ｙサーボモータ２６、Ｘサーボモータ４６としてＰＷＭ方式のＯＫ模型社製のＳ１１０８を用いた。

遠隔操縦には双葉電子社製の無線操縦用送信機Ｔ９ＣＨＰを用い、ＧＷＳ社の無線操縦用受信機ＧＷＲ−６Ｐを介してＹサーボモータ２６、Ｘサーボモータ４６を駆動した。

二重反転回転翼のロータ径は３５０ｍｍ、最高回転数は約１９００ｒｐｍ、飛翔ロボットの全高は１９３ｍｍ、全重量は２５６４ｍＮであり、補助翼には、大きさ９０×６５ｍｍ、厚さ３ｍｍでスチロール板製の軽量補助翼を２枚取り付けた。

また、制御用マイコンとして、ＡＴｍｅｌ社のＡＶＲを用い、ベストテクノロジー社のマイコンボードＢＴＣ０６７ ＡＴｍｅｇａ３２を利用した。

傾斜角の検出には、傾斜センサ７１として、カイオニクス社の３軸加速度センサＫＸＭ５２を搭載し、方位の検出には、方位センサ７２として、ＧＷＳ社の角速度センサＰＧ−０３を搭載した。

飛翔ロボットの機体にレーザポインタを取り付け、床面にスポットを落射するようになし、４ｍ四方の模造紙に１０ｃｍ間隔でグリッドを描き、各グリッド内に座標値を記してレーザスポットの動きをビデオカメラで撮影して飛翔ロボットの水平方向への動きを測定した。

また、飛翔ロボットを横からビデオカメラで撮影し、方位角の変化を計測した。

傾斜センサ７１により検出した傾斜角が０となるように、Ｙサーボモータ２６、Ｘサーボモータ４６によってＹ傾斜回転リンク２３、Ｘ傾斜回転リンク４３を動かし、飛翔ロボット機体の上部と下部との間の相対傾斜角を自動制御したときの、床面上のレーザスポットの原点からの乖離量の変化、すなわち飛翔ロボットの位置維持性能を図６に示す。

飛翔ロボット機体の上部と下部との間の相対傾斜角を変えることのできない、ほぼ同じ大きさを有する非特許文献２に開示された４枚の補助翼で制御する飛翔ロボットや市販のヘリコプタ玩具（ＨＩＲＯＢＯ社、ＸＲＢ−ＳＲ ｓｈｕｔｔｌｅ）では、復元操作を加えずに放置すると、短時間の間に最初の位置から遠く離れた場所へ移動してしまったのに対し、本発明の飛翔ロボットは、自動制御をかければ放置しても最初の位置付近に留まった。

また、非特許文献２に開示された４枚の補助翼で制御する飛翔ロボットや上記の市販のヘリコプタ玩具では、復元操作を加えるにしても熟練が必要であり、数１０ｃｍの範囲に長時間留めることは熟練者が行っても非常に難しいのに対し、本発明によれば、自動制御により、復元操作を加えなくても位置を維持することができた。

一方、方位角維持性能を非特許文献２に開示された４枚の補助翼で制御する飛翔ロボットおよび前記市販のヘリコプタ玩具と比較した結果を図７に示す。

非特許文献２に開示された４枚の補助翼で制御する飛翔ロボットは方位が安定せず、前記市販のヘリコプタ玩具は、復元操作を加えずに放置すると、一定の方向に機体が回転してしまったのに対し、本発明によれば、自動制御により、復元操作を加えなくても機体の方位をほぼ維持できた。

産業上の利用の可能性

以上に説明したように、本発明によれば、飛翔ロボットを自動制御して長時間空中の同じ場所に維持することができ、方位を一定に維持することもできる。

したがって、たとえば、放射線漏れ、ガス漏れ、薬品漏れなどが起きて人間が近づくと危険な環境や、当該の場所に行く途中や床上に障害物があって人間が入りにくいような狭い場所に、カメラ、ビデオカメラ、録音素子、放射線センサ、ガスセンサなどを搭載した本発明の飛翔ロボットを飛ばし、空中にホバリング状態でほぼ静止させれば、その場所の情報を的確に把握することができる。

そのため、災害現場での情報の早期収集を可能にでき、収集した情報は破損した設備や機器の早期復旧、人命の救助、二次災害の防止などに大いに役立てることができる。

また、人間が入って出られなくなっていたり、負傷者がいても直ぐに救援隊がアクセスできなかったりする場合に、開けたい扉の予備鍵、応急薬、筆記具、連絡用紙、携帯電話などの軽い品物を災害現場の被災者に届けることもできる。

一方、ヘリコプタ形状をした室内用の小型飛翔玩具が大人のマニアの間で楽しまれているが、飛ばすのに熟練を要し、空中の所定の場所に静止に近い状態でホバリングさせることはとくに難しく、中々思うように操縦できない。

このようなホビー用途の室内用小型飛翔玩具に本発明の飛翔ロボットを用いれば、誰でも容易に操縦することができ、熟練しなくても空中の所定の場所に静止に近い状態でホバリングさせたり、特定の方位に留めたり、操縦者の意思通りに該玩具を操縦することができる。

したがって、年配者、中高生、大学生、主婦などにも気軽に使ってもらえる室内用小型飛翔玩具とすることができる。

本発明の飛翔ロボットの実施形態（正面図） 本発明の飛翔ロボットの実施形態（側面図） 本発明の飛翔ロボットのＹ方向まわりの傾斜調整機構を説明する図 本発明の飛翔ロボット機体の傾斜と移動について説明する図 本発明の主回転翼とテール回転翼を有する飛翔ロボットの実施形態 飛翔ロボットの位置維持性能の比較 飛翔ロボットの方位維持性能の比較

符号の説明

１：上の回転翼
２：下の回転翼
７：モータ駆動装置
４：回転ステージ
８：飛翔ロボットの機体の上部フレーム
９：上部フレーム底板
１０：自在継ぎ手
１１：飛翔ロボットの機体の下部フレーム
１２：下部フレーム天板
１３：自在継ぎ手１０のＹ方向まわりの回転軸
１４：Ｙ傾斜ロッド端保持板
１５：Ｙ傾斜ロッド端保持板
１６：傾斜ロッド端保持軸受
１７：傾斜ロッド端保持軸受
１８：Ｙ傾斜ロッド
１９：Ｙ傾斜ロッド
２３：Ｙ傾斜回転リンク
２７：Ｙサーボモータ２６の回転軸
２８：Ｙサーボモータ支持板
２９：下部フレーム底枠
３０：バッテリー
３３：自在継ぎ手１０のＸ方向まわりの回転軸
３４：Ｘ傾斜ロッド端保持板
３５：Ｘ傾斜ロッド端保持板
３６：傾斜ロッド端保持軸受
３７：傾斜ロッド端保持軸受
３８：Ｘ傾斜ロッド
３９：Ｘ傾斜ロッド
４３：Ｘ傾斜回転リンク
４６：Ｘサーボモータ
４７：Ｘサーボモータ４６の回転軸
４８：Ｘサーボモータ支持板
５１：補助翼
５２：補助翼
５３：補助翼サーボモータ
５４：補助翼サーボモータ
６１：円弧
６２：円弧
６３：円
６４：飛翔ロボット機体の二重反転回転翼を除いた上部全体
６５：飛翔ロボット機体の下部全体
７１：傾斜センサ
７２：方位センサ
８１：飛翔ロボットの機体の上部
８２：主回転翼
８３：テール回転翼８３
８４：飛翔ロボットの機体の下部
８５：自在継ぎ手
８６：主回転翼の回転軸
８８：自在継ぎ手８５の回転軸
９１：補助翼
９２：補助翼
９３：補助翼９１の回転軸

Claims (2)

1. 機体の上部に該機体を浮揚させる回転翼を有し、該機体の上部と下部とを少なくとも直交２軸方向に回転自由な自在継ぎ手により連結し、該自在継ぎ手を中心として該機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を有し、該機構をサーボモータによって駆動し、
   前記サーボモータの回転軸に取り付けた傾斜回転リンクを設け、該傾斜回転リンクの両端に傾斜ロッドをそれぞれ連結し、該傾斜ロッドの他端を飛翔ロボットの機体の上部にそれぞれ連結することにより、該飛翔ロボットの機体の上部と下部との相対傾き角を変える機構となし、
   機体の上部および／または下部に重力加速度の成分を検出して鉛直方向に対する傾斜角を検出する少なくとも１個の加速度センサを設け、該加速度センサにより検出した機体の上部および／または下部の鉛直方向に対する傾斜角に基づいて前記サーボモータによって前記機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を動かすか、機体の上部および／または下部に少なくとも１個の鉛直方向に対する傾斜角速度を検出する角速度センサを設け、該角速度センサによって検出した機体の上部および／または下部の傾斜角速度に基づいて前記サーボモータによって前記機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を動かすか、もしくは前記傾斜角および傾斜角速度の両方に基づいて前記サーボモータによって前記機体の上部と下部との直交２軸方向の相対傾き角を変える機構を動かすか、して、
   機体の上部または下部に、前記回転翼の回転軸との傾斜角を変化させて該回転軸まわりの回転を制御する少なくとも１枚の補助翼を設け、
   機体の上部または下部に、前記回転翼の回転軸まわりまたはおおむね鉛直軸まわりの飛翔ロボットの機体の回転角速度を検出する角速度センサおよび／または地磁気の方向を検出する方位センサを設け、該方位センサの検出した前記回転翼の回転軸まわりまたはおおむね鉛直軸まわりの角速度および／または方位角に基づいて前記補助翼を動かして該飛翔ロボットの方位を制御するようになし、該飛翔ロボットが空中の同じ場所に維持するように、かつ、方位を一定に維持するように、自動制御するようになしたことを特徴とする飛翔ロボット。
2. 前記機体の下部は、前記傾斜回転リンクが動くと前記傾斜回転リンクから移動力を受ける下部フレームを有することを特徴とする請求項１記載の飛翔ロボット。

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