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自然動物の運動を表現するためのリンク機構及び人工動物

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澤井 豊
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Abstract

【課題】自然現象を直截的に表現するコンパクトな機械機構の基本原理を解明し、その機構を元に自然動物の運動を表現する自然現象を表現する機械機構と、その機構を用いて自然動物の運動を表現する方法、リンク機構、人工動物、自然動物の運動の表現方法、コンピュータグラフィックス及びコンピュータグラフィックスの生成方法を提供する。
【解決手段】 自然動物の運動を表現するための拘束条件を元にして配置することを特徴とする。自然動物の運動を表現するためのリンク機構を用いて人工動物を作成することができる。
本機構は、ダイヤモンド、菱型、マッチ箱等、見た人によって口々に色んな表現が為される基本的な配置条件を拘束条件として採用する。
この配置条件では従動リンクの支点と、駆動リンクの支点の位置の相関関係によって自然なバランスを実現することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、動物の能力と随意運動の原理に関し、特には自然現象に運動を適応するための機械機構と、その機構を用いて自然動物の随意運動を表現する方法、リンク機構、人工動物、自然動物の随意運動の表現方法、コンピュータグラフィックス及びコンピュータグラフィックスの生成方法に関するものである。

非特許文献1 ̄非特許文献8に、動物の随意運動の原理に関する機械機構の、過去の幾多の研究内容が記載されている。

18世紀に開発された動物の運動機構
1733年のMaillardによるオートマタ
・車椅子を牽引する人工馬
・ヴェルサイユ宮殿の水路でゴンドラを牽引する人工海馬
・人工の泳ぐ白鳥とその改良
Von Hamelによる馬オートマタ
1772年のCoxの時計展覧会での歩く象のメカニズム
(以上は非特許文献1:LE MONDE DES AUTOMATES Chapitre XIX Les Animaux Mecaniques p.144-149)

19世紀、世界中で大勢のオートマタ製作者達の手によって機械機構による自然動物の運動表現が研究開発された。出来上がった成果は次の世代へと受け継がれ改良されていった。
19世紀に開発された機械歩行メカニズム:
1830年頃、ロンドンでジュネーヴのCh.BRUGUIERによって制作された歩く魔女のアンドロイド。
1862年にロンドンのAlfred NEWTONによる発明特許の歩く若い娘のアンドロイド。その原理を元にした改良版レプリカ。
1891−1893年にアメリカのGeorge MOORE教授の発明した蒸気人間オートマタ。
(以上は非特許文献1:LE MONDE DES AUTOMATES Chapitre XXIII Les Automates et Androides Marchants p.220−224)

また非特許文献2〜非特許文献6には以下が記載されている。
1867年のW.F.GOODWINの発明特許である歩く馬のアンドロイド。
1868年のW.F.GOODWINの発明特許である歩く人のアンドロイド。
1878年のA.J.DAVISの発明特許である歩く馬のアンドロイド。
1893年のL.A.RIGGの発明特許の歩く馬のアンドロイド。

21世紀:20062007年のサント・クロワのフランソワ・ジュノーとレガネス自治体によるスペイン・プロジェクト制作したアンドロイド(老婆、サッカーボールで遊ぶ少年と少女、馬)

また特許文献1には、四本足の乗り物に関する発明が記載されている。この乗り物は、従来、車輪で実現していた部分を二本の棒で実現するというものである。しかし、このままでは、動物に例えると膝の部分までしか動きを実現できず、さまざまな随意運動を表現するのは難しい。

さらに特許文献2には、骨盤と太ももの関節をつなぐ股関節に、もう一つの関節肢を追加するという発明が記載されている。このアイデア自体は、ボストン・ダイナミックスの二足歩行ロボでも使われており、現在はありふれた技術である。この特許文献2では動きの説明に関して、古典的なチェビシェフのリンク機構について触れている。チェビシェフのリンク機構は、従動リンクには支点の他に作用点が一点しか無いので、関節数を増やすことができない。これだけでは、上腕・前腕・手といった、複数の関節で構成される、動物の四肢の表現はできない。

さらに特許文献3は、サスペンションのデザインに関する発明で、地面に脚がついた時に、股関節と膝の部分にサスペンションを取り付けることでショックを和らげるというものである。動きについての新しい考察は特に無く、電気的、磁気的に動かすという言及にとどまっている。

特許文献4と、これより前にテオ・ヤンセンが世界で発表したリンク機構も、共に、前後の脚(上肢と下肢)の構造がシンメトリになっているが、自然界にこのような四肢形態の動物はいない。

従動リンクの作用点が二点あると、複数の関節肢を持つことが可能である。これに該当する、この特許文献4にあるリンク機構は、従動リンクの支点と二点の作用点が直線上に並んでいる。しかし、この形態は、1867 年に W.F.Goodwin に、歩行する馬のオートマタの脚で既に発明されている。1868年にW.F.Goodwinは、この直線上にあった従動リンク三点をV型に配置することで、人の歩行を表現する機構を発明した。フランソワ・ジュノーは、2006 年のスペイン・プロジェクトで、歩く馬のオートマタの後脚を開発する上で、W.F.Goodwin のモデルを踏襲しつつ、上記のV型の従動リンクの支点を駆動リンクで動かし、さらに別の従動リンク一点を追加して全体を動かすことに成功した。神技的に高度な技法を示した。

レオナルド・ダ・ビンチは1485年に鳥の羽ばたきを研究しメカニズムを図面に描き残した。シテ科学産業博物館で公開された、ダ・ビンチの図面を元に実際に動くように補完して製作された羽ばたき機では、直線上に並んだ二点の作用点を持つ従動リンクを複数の可変ジョイントを経て駆動リンクに繋がっている。簡単には説明ができない複雑なリンクである。

特開平9−132119号公報 特開2005−144583号公報 特開2002−103253号公報 特開2005−144581号公報

アルフレッド・シャピュイ、エドワール・ジュリ(Alfred CHAPUIS、 Edouard GELIS)共著 「オートマタの世界 歴史と技術の研究(LE MONDE DES AUTOMATES ETUDE HISTORIQUE ET TECHNIQUE) エドモン・アロクール序文 二巻(PREFACE de M. Edmond HARAUCOURT TOME SECOND)」 スラトキン・ジュネーヴ(Slatkine GENEVE)出版 1984年 Paris出版 1928年の再版 W.F.Goodwin Automatic Toy, Patented Aug. 25, 1868. No. 81,491. W.F.Goodwin Automatic Toy, Patented Jan. 22, 1867. No. 61,416. A.J.DAVIS. Automatic Toy, Patented Oct.29, 1878. No. 209,468. L.A.RYGG. MECHANICAL HORSE. Patented Feb. 14, 1893. No. 491,927 Prof. George Moore. Steam Man. 1891−1893 (Canadian/American) アブラアン=ルイ・ブレゲ(Abraham-Louis Breguet) − 動物の能力と随意運動の原理についてのエッセイ(Essai sur la force animale et sur le principe du mouvement volentaire) − パリにて(A Paris), フィルマン・ディドの印刷(de l’imprimerie de firmin didot), 1811年 Leonardo da Vinci, Ornithopter, 1485年

以上の過去に開発されたさまざまな歩行機構の研究は、その後、走行や飛行、水泳といった自然動物全体の随意運動を表現する発展には至らなかった。

例えば特許文献4で示されたものを代表とするこれまでに開発された各機構全てを総括すると、一般的にこれらの構造に置いて、従動リンクと駆動リンクの位置との相関関係が悪く、振幅が小さく、振りの左右のバランスの悪い歩行しか表現できない。

進歩を改善するために、これまでの開発アプローチを変える必要性がある。全体の運動を汎用的に司るような、根本的な自然現象を表現する機械機構を見つけ出せれば、それを元にして自然に忠実な動物の運動を表現することが出来る。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑み、自然現象を直截的に表現するコンパクトな機械構造の基本原理を解明し、その機構を元に、自然動物の随意運動を表現する機構と、その機構を用いて自然動物の随意運動を表現する方法、リンク機構、人工動物、自然動物の運動の表現方法、コンピュータグラフィックス及びコンピュータグラフィックスの生成方法を提供することを目的とする。

すなわち本発明のリンク機構は、自然動物の運動を表現するための拘束条件を元にして配置することを特徴とする。このリンク機構を用いて、自然動物の運動を実現する人工動物を作成することができる。

自然動物の胴体、腕、脚の構造は全ての動物で共通しており、それら全ては、前述した基本的な配置条件を拘束条件として組み立てらている。
個別の動物個体における右前脚の開始角度は何度で、左前足は何度で等は個体毎の生存条件との関係で多様なばらつきがあり、その点に関しては本発明とは関係の無いところである。

本機構は、ダイヤモンド、菱型、マッチ箱等、見た人によって口々に色んな表現が為される基本的な配置条件を拘束条件として採用する。
この配置条件では従動リンクの支点と、駆動リンクの支点の位置の相関関係によって自然なバランスを実現することができる。

本発明によって、ある一定の配置条件を指定することによって、左右のバランスが取れ、振幅を大きくすることが可能になり、走行を始めとした森羅万象の動きを表現することが可能になった。

自然が動物の動作に与える2つの賜物が乱流と渦と呼ばれる流体現象である。カンブリア紀に海中で誕生した最古の脊索動物であるハイコウイクチスは、この自然現象から推進力を得るために自らの姿を最適化した。この自然の恩恵と、動物の随意運動のこの自然現象へのマッチムーブにより、動物は流れの方向に対して莫大な推進力を生み出すことができるようになった。例えば、魚類のニジマスは川の急流の中を、重力に抗して、流体中をさかのぼって登ることができる。

この流体中を運動する時に、物体の後ろに発生する乱流現象において、流れの速さが大きくなり、流体の中を移動する物体への抵抗が増すに連れて、物体の後ろの流体の形状は変化する。この乱流現象は、双子渦からカルマン渦列となり乱流となって消滅し、カルマン渦列が再発生するというようにその形状は変化していく。この流体中を運動する物体が受ける抗力を表した数値をレイノルズ数と称している。このレイノルズ数は物体の大きさ、物体の粘性と流れの速さで決まる。

海中に住んでいた動物は、その後、長い年月を経て陸地に上がった後、骨格や関節肢に四肢を形成するに至った。
動物の四肢は、上肢は、上腕、前腕、手から形成する。下肢は、上脚、前脚、足から形成する。動物の胴体は、頭部、胸部、肋骨を経て尾によって形成する。
海中、大気中共に、胴体と四肢は、随意運動中に、形態をジグザグの波の形を形成することで、物体が自然の流体中を運動する時に、物体の後ろに発生する乱流現象のカルマン渦列を踏み台のように捉えることで推進力を得る。

本発明はこの自然現象を直截的に表現するコンパクトな機械機構の基本原理を解明し、これによって得られる基本機構を元に自然動物の運動を表現する例を提供する。

本発明は過去に考案された歩行機構の機械要素を元に、基本原理に基づきシンメトリーと中心を意識しながら再配置した結果、機構の配置の最適化を成し遂げた。
一般に動物の腕や脚の関節は0度(曲げてたたんだ状態)から180度(開いて伸ばした状態)まで変化する。一方、渦は、0度から360度まで開く。本発明者はテレスコピック・サスペンション等で干渉する連結リンクを伸縮させることで、動物の関節を逆に曲げることも可能であり、0度から360度まで変化させることができることに想到した。

本発明に係るリンク機構によって単純な回転運動を、自然現象に基づいた動物の多様で自然な随意運動に変換することができる。

乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における半時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の、大きな流れによって基本発生する、カルマン渦列に適応する本発明の第一の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 乱流現象の流に適応する本発明の態様の実施の形態のリンク機構を示し、上段(a)図に反時計回り、下段(b)に時計回りの図を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の歩行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。 鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。

本発明のリンク機構は、図1〜図24に示されるようにリンク構造によって構成される機械機構である。基本の型は二つあり、一つ目は、図1〜図12の自然の乱流現象を象る、外に向かって波打つ機構である。二つ目は、図13〜図24の自然の渦現象を象る、内に向かって巻きつく機構である。なお図1〜図12では上段(a)図にカルマン渦列画像と対比する態様で第一の態様における半時計回り、下段(b)に第一の態様における時計回りの図を示しており、図13〜図24では上段(a)図に左右の大きさを一定にした双子渦の画像と対比する態様で第二の態様における半時計回り、下段(b)に第二の態様における時計回りの図を示す。

本発明のリンク機構の配置関係について説明する。先ず、駆動リンクの作用点 β1と従動リンクの作用点 δ1を任意の地点に置き、駆動リンクの支点 α1を、( δ1−β1)を結ぶ直線上の任意の地点に置く。そして、駆動リンクの作用点 β1と従動リンクの支点 α2とを結ぶ直線(β1−α2)が、従動リンクの作用点(δ1−γ1)を結ぶ直線上を交差するように、α2と γ1を任意の地点に置く。以上が本機構の基本となる配置条件である。これを起点に、中間リンクと連結リンクを接続し、リンク機構を完成する。この機構は、α1が、(δ1−β1)を結ぶ直線上にある時に、(β1−α2)を結ぶ直線が、( δ1−γ1)を結ぶ直線上の《中間点》を通過する配置が、最も精度の高い安定した動作を現す。そして、この駆動リンク(α1−β1)の幅が、関節肢(α1−α2−α3−α4… αn)の振幅の大きさになって現れる。

以上のようにして配置してなる本発明のリンク機構の作動を説明する。
駆動リンク(支点 α1−作用点 β1)の回転運動が、中間リンク(β1−γ1−γ2−δ2)に伝わり、従動リンク(支点 α2−作用点 δ1−γ1)を動かし、従動リンクに連結される、連結リンクI(δ1−β2)が、連結リンクIと中間リンクに連結される、連結リンクII(β2−γ2−γ3−δ3)を動かす。

以下、連結リンクIII(δ2−β3)IV(β3−γ3−γ4−δ4)、連結リンクV(δ3−β4)VI(β4−γ4−γ5−δ5)…二つの形状の連結リンク(δn−(βn+1))と(βn−γn−(γn+1)−(δn+1))がペアになり、鎖状に連結リンクが接続することにより、関節肢(γ1−γ2−γ3−γ4… γn)を形成する。なお、基本機構2の軌道である図13〜図24の左の内に向かって巻き付く小さな渦のように、連結リンクIII,V,VII,IX… δn−(βn+1)の長さが、長すぎるために、駆動リンクの回転運動に干渉してしまうケースがある。これには、テレスコピック・サスペンション等で干渉する連結リンクを伸縮させることで対応する。動物の形態では、基本的にこの基本機構2が加わるのは、動物の手足首と尻尾のみで、この問題は発生しない。

以上の本発明のリンク機構を以下にさらに詳細に説明する。本発明のリンク機構は、例えば自然動物の運動を表現するための拘束条件を提供し、係るリンク機構を用いて自然動物の運動を表現することによって人工動物を構成することができる。

係る本発明のリンク機構は、図1〜図12又は図13〜図24に示されるように、順次連結されるジョイントγ1,2,3,・・・nと、ジョイントγ1,2,3,・・・nの各々に対応して連結されるジョイントβ1,2,3,・・・n及びジョイントδ1,2,3,・・・nを有し、かつジョイントδ1とジョイントβ2、ジョイントδ2とジョイントβ3、・・・ジョイントδnとジョイントβn+1とを連結してなる。

以上の本発明のリンク機構は、図1〜図12に示されるように、ジョイントβn(n=1以上の整数)とジョイントγn(n=1以上の整数)とジョイントγn(n=2以上の整数)とジョイントδn(n=2以上の整数)とを連結して一辺を有しない四辺形状の定形に保持されるN個(N=1以上の整数)のリンク要素を有する。またジョイントδn(n=1以上の整数)とジョイントβn(n=2以上の整数)とが連結される。

或いは以上の本発明のリンク機構は、図13〜図24に示されるように、ジョイントβn(n=1以上の整数)とジョイントγn(n=1以上の整数)とジョイントγn(n=2以上の整数)とジョイントδn(n=2以上の整数)とを連結して、ジョイントγnとジョイントγ(n+1)とを連結する軸線を介してジョイントβnとジョイントδnとが相互に逆側に位置する定形に保持されるN個(N=1以上の整数)のリンク要素を有する。

さらにジョイントγ1に連結されるジョイントβ1が一の中心支持点α1に、この中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に連結され、ジョイントδ1は他の中心支持点α2を介してジョイントγ1に連結され、かつジョイントδ1及びジョイントγ1は他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を相互の位置関係を一定に保持して周回可能に配置される。

β1とδ1を結ぶ仮想線上に、中心支持点α1がある条件下で、ジョイントβ1と中心支持点α2とを結ぶ仮想線が、ジョイントδ1とジョイントγ1とを結ぶ仮想線と交差するようにすることができる。

またβ1とδ1と中心支持点α1とが一の仮想直線上に整列する条件下で、ジョイントβ1と中心支持点α2とを結ぶ仮想線が、ジョイントδ1とジョイントγ1とを結ぶ仮想線と交差するようにしてもよい。

さらに以上の場合にβ1とδ1とが最大間隔となる配置を形成することができる。
すなわち、その位置から、β1がα1を軸に回転すると、β1とδ1の二点間の距離が必ず縮まるようにすることができ、一直線上に三点(β1、δ1、α1)が整列するタイミングはβ1がα1を軸に180度回転した時にも再度現れる。
そのタイミングでは『α1とδ1を結ぶ仮想線上に、β1がある』状況は逆に《β1とδ1の最短距離》となる。

以上のβ1とδ1が最大間隔となる配置を形成する時に、β1とα2を結ぶ仮想線が、δ1とγ1を結ぶ仮想線のほぼ《中間点を》交差する配置を設定することによって、本発明のリンク機構の駆動部分を形成する各部の配置関係の形態は正方形やひし形の形状になり、これが、左右にバランスのとれた最も大きな振幅運動を生み出す。

またジョイントδ1とジョイントγ1とが中心支持点α2を中心とする同一の周回軌道上のそれぞれ一部を往復動可能に配置される。

図1〜図12に示されるリンク機構と、図13〜図24に示されるリンク機構とを組み合わせて使用して多様な人工動物に自然な動作を行わせることができる。

図1〜図12に示されるリンク機構及び/又は図13〜図24に示されるリンク機構を使用し、リンク機構の一部にひねりを加えることによって多様な人工動物に自然な動作を行わせることができる。

以上の本発明のリンク機構を用い、ジョイントγ1に連結されるジョイントβ1を一の中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回させることによって、ジョイントδ1及びジョイントγ1を他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を往復動させ、これに伴い順次連結されるジョイントγ2,3,・・・nと、ジョイントγ2,3,・・・nの各々に連結されるジョイントβ2,3,・・・n及びジョイントδ2,3,・・・nを変位させる自然動物の運動の表現方法によって、多様な人工動物に自然な動作を行わせることができる。

また図1〜図12に示されるリンク機構及び/又は図13〜図24に示されるリンク機構の各ジョイントを描画点として、相互に等距離を保って配置される描画点γ1,2,3,・・・nと、描画点γ1,2,3,・・・nの各々に等距離を保つ様に配置される描画点β1,2,3,・・・n及び描画点δ1,2,3,・・・nを用い、かつ描画点δ1と描画点β2、描画点δ2と描画点β3、・・・描画点δnと描画点βn+1とを距離可変にしてなり、
描画点γ1に等距離を保つ様に配置される描画点β1が一の中心支持点α1に等距離を保つ様に配置されて、この中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、描画点δ1は他の中心支持点α2を介して描画点γ1に等距離を保つ様に配置され、かつ描画点δ1及び描画点γ1は他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を周回可能に配置されてなるコンピュータグラフィックスを作成することができる。

相互に等距離を保って配置される描画点γ1,2,3,・・・nと、描画点γ1,2,3,・・・nの各々に等距離を保つ様に配置される描画点β1,2,3,・・・n及び描画点δ1,2,3,・・・nを用い、かつ描画点δ1と描画点β2、描画点δ2と描画点β3、・・・描画点δnと描画点βn+1とを距離可変にしてなり、
描画点γ1に等距離を保つ様に配置される描画点β1が一の中心支持点α1に等距離を保つ様に配置されて、この中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、描画点δ1は他の中心支持点α2を介して描画点γ1に等距離を保つ様に配置され、かつ描画点δ1及び描画点γ1は他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、
描画点γ1に等距離を保つ様に配置される描画点β1を一の中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回させることによって、描画点δ1及び描画点γ1を他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を往復動させ、これに伴い順次等距離を保つ様に配置される描画点γ2,3,・・・nと、描画点γ2,3,・・・nの各々に等距離を保つ様に配置される描画点β2,3,・・・n及び描画点δ2,3,・・・nを変位させることを特徴とするコンピュータグラフィックスの生成方法。

以上の本発明のリンク機構を用い、ジョイントγ1に連結されるジョイントβ1を一の中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回させることによって、ジョイントδ1及びジョイントγ1を他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を往復動させ、これに伴い順次連結されるジョイントγ2,3,・・・nと、ジョイントγ2,3,・・・nの各々に連結されるジョイントβ2,3,・・・n及びジョイントδ2,3,・・・nを変位させることによって自然動物の運動を表現することができる。

以上の本発明のリンク機構による表現を用い、相互に等距離を保って配置される描画点γ1,2,3,・・・nと、描画点γ1,2,3,・・・nの各々に等距離を保つ様に配置される描画点β1,2,3,・・・n及び描画点δ1,2,3,・・・nを用い、かつ描画点δ1と描画点β2、描画点δ2と描画点β3、・・・描画点δnと描画点βn+1とを距離可変にし、描画点γ1に等距離を保つ様に配置される描画点β1が一の中心支持点α1に等距離を保つ様に配置されて、この中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、描画点δ1は他の中心支持点α2を介して描画点γ1に等距離を保つ様に配置され、かつ描画点δ1及び描画点γ1は他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を周回可能に配置してコンピュータグラフィックスを作成することができる。

このコンピュータグラフィックスは、相互に等距離を保って配置される描画点γ1,2,3,・・・nと、描画点γ1,2,3,・・・nの各々に等距離を保つ様に配置される描画点β1,2,3,・・・n及び描画点δ1,2,3,・・・nを用い、かつ描画点δ1と描画点β2、描画点δ2と描画点β3、・・・描画点δnと描画点βn+1とを距離可変にし、描画点γ1に等距離を保つ様に配置される描画点β1が一の中心支持点α1に等距離を保つ様に配置されて、この中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、描画点δ1は他の中心支持点α2を介して描画点γ1に等距離を保つ様に配置され、かつ描画点δ1及び描画点γ1は他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を周回可能に配置し、描画点γ1に等距離を保つ様に配置される描画点β1を一の中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回させることによって、描画点δ1及び描画点γ1を他の中心支持点α2を中心とする周回軌道上を往復動させ、これに伴い順次等距離を保つ様に配置される描画点γ2,3,・・・nと、描画点γ2,3,・・・nの各々に等距離を保つ様に配置される描画点β2,3,・・・n及び描画点δ2,3,・・・nを変位させるコンピュータグラフィックスの生成方法によって作成される。

以上において(δnとγn+1とβn+1)はそれぞれの点が結びつき、辺を構成して三角形の関係にある。一方、ジョイント(γn+1とβn+1)の間隔は不変である。またδnとγn+1を結ぶ仮想線の距離は可変であり、ジョイント(δnとβn+1)も可変になる。

したがって図13〜図24に示されるリンク機構及びこれによる表現を用いる描画機構ではδnとγn+1が短くなる場合、最終的に、(δnとβn+1)上に(γn+1)がある時に、(δnとγn+1)が最短距離になる。
これ以上(δnとγn+1)が短くなると、(δnとβn+1)のジョイントも縮まる。
つまり(δnとγn+1)+(γn+1とβn+1)>=(δnとβn+1)の関係が成立する。
図1〜図12に示されるリンク機構及びこれによる表現を用いる描画機構では(δnとγn+1)が長くなる場合、最終的に、(δnとγn+1)上に(βn+1)がある時に、(δnとγn+1)が最長距離になる。
これ以上(δnとγn+1)が長くなると、(δnとβn+1)のジョイントも伸びる。
つまり(δnとβn+1)+(βn+1とγn+1)>=(δnとγn+1)の関係が成立する。
以上のように(γnとδn)+(δnとβn+1)>=(γnとβn+1)も成立する。

実際に図13〜図24に示されるリンク機構及びこれによる表現を用いる描画機構、すなわち、δが、γを軸にして、βに対して反対側に配置されているジョイント若しくは描画点が連続して続いた形態では、回転するとそのうち左側に渦となって内側に巻き付く。この時、描画点δnと描画点βn+1の距離が可変になるところがある。具体的に、双子渦の左側の渦を観察すると、小さく内向きに巻き付く時に、δnとγn+1を結ぶ仮想線は距離がどんどん短くなる。

γn+1とβn+1の距離は不変なので、δnは自分のジョイント相手であるβn+1を《γn+1を軸にして》押し回すことで、二点の距離を保つ。この結果、三点(δn、γn+1、βn+1)は三角形だったのが一直線に並び、δnとβn+1を結ぶ仮想線上にγn+1が位置し、δnとγn+1とを結ぶ仮想線は最短距離になる。

δnとγn+1はその距離がこの後もまだ短くなるが、既に最短距離にあるので、後は、δnとβn+1のジョイント自体の長さが縮まってゆく。最初は(δnとγn+1の仮想線距離)+(γn+1とβn+1のジョイント)>(δnとβn+1のジョイント)であり、次第に(δnとγn+1の仮想線距離)は距離がどんどん短くなり、結果、(δnとγn+1)+(γn+1とβn+1)=(δnとβn+1)と、距離が等しくなる。この後も(δnとγn+1)の仮想線距離が短くなろうとするので、(δnとβn+1)のジョイント自体が短くなる。すなわち、(δnとγn+1)+(γn+1とβn+1)<(δnとβn+1)となることはない。

次に、本機構の基本形態から、自然動物の随意運動の任意の形態に適用する方法について述べる。古くは、仏教の尼僧であった五枚師太は闘争する鶴の首の動きを観察して、それを元にして、徒手武術を創案したと今に伝えられている。このように、四肢と胴体の運動フォームは基本的に同じである。

この理由から、本機構は、表現する動物オブジェクトの胴体、腕(前脚,翼,エラ)、脚に適用できる(図25〜図72参照)。胴体部には、みぞおちの上の位置に本機構を置き、関節肢は上部は頭まで、下部は尾まで形成する。上肢に当たる、翼、腕もしくは前脚部には、肩の位置に本機構を置き、胴体の首の付け根と、上肢の駆動リンクの支点及び、従動リンクの支点(図1〜図24に示されるα1とα2)を連結する。

下肢に当たる、脚もしくは後脚部には、股関節の位置に本機構を置き、胴体の尾の付け根と、下肢の駆動リンクの支点及び従動リンクの支点を連結する。四肢は、関節肢は下部のみ存在し、つま先まで形成する。機構及び関節肢の形態は、機構は基本となる配置条件に沿うことを守り、回転方向は、運動状況により、反時計回りまたは、時計回りになる。関節肢は運動フォームに合わせて変形し、本機構の基本になる二つの形態をミックスして実現する。

図25〜図36は魚(アジ)の泳法に本発明の基本機構を適用した適用例。図25(a)〜図36(a)は外観透視図、図25(b)〜図36(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。

図37〜図48は二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、図37(a)〜図48(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、図37(b)〜図48(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。

図49〜図60は二足歩行動物(人)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、図49(a)〜図60(a)は全体側面図、腕、脚の外観透視図、図49(b)〜図60(b)は対応するリンク機構の作動状態を示す。
この様に本発明の基本機構を適用することによって、設定を少し変えることで走行→歩行→スキップ→階段の昇降のように、動作表現を多彩に変化させることができる。

図61〜図72は四足歩行動物(馬、豹)に本発明の基本機構を適用した場合の走行状態を示し、全体側面図、胴体、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。

図73〜図84は鳥(隼)に本発明の基本機構を適用し羽ばたきが表現される場合を示し、全体側面図、全体正面図及び胴体、翼、脚の外観とこれを透視した構造図を示す。

オートマタ、ロボット、三次元造形および、造型機器、二足、四足歩行、その他の輸送用機器、移動補助機器、防災用機器・医療機器、スポーツ、レジャー用機器、写真機器、音楽機器、楽器、演奏補助品、調理機器、器具、食器、台所用品、釣り用具、ゲーム機器、知育玩具及び遊戯用具、宝飾品及び美術工芸品、オーディオ・ビジュアル作品、以上に関するソフトウェア・プログラム

Claims (9)

  1. ジョイントγn(n=1以上の整数)とジョイントβn(n=1以上の整数)、前記ジョイントγn(n=1以上の整数)とジョイントδn(n=1以上の整数)、及び、前記ジョイントδn(n=1以上の整数)とジョイントβn+1(n=1以上の整数)、を連結したN個(N=1以上の整数)のリンク要素を有し、
    前記複数のリンク要素は、前記ジョイントγn(n=1以上の整数)とジョイントγn+1(n=1以上の整数)とで連結され、
    前記ジョイントβ1は、中心支持点α1に連結されて、前記中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、
    前記ジョイントδ1は、他の中心支持点α2を介して、前記ジョイントγ1に連結され、
    前記ジョイントδ1と前記ジョイントγ1とは、前記中心支持点α2を中心とする周回軌道上を相互の位置関係を一定に保持して周回可能に配置される、
    自然動物の運動を表現するためのリンク機構。
  2. ジョイントβn(n=1以上の整数)とジョイントγn(n=1以上の整数)、前記ジョイントγn(n=1以上の整数)とジョイントγn+1(n=1以上の整数)、及び、前記ジョイントγn+1(n=1以上の整数)とジョイントδn+1(n=1以上の整数)、を連結して、一辺を有しない四辺形状の定形に保持されるN個(N=1以上の整数)のリンク要素を有し、
    前記ジョイントδn(n=1以上の整数)とジョイントβn+1(n=1以上の整数)とは、連結され、
    前記ジョイントβ1は、中心支持点α1に連結されて、前記中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、
    前記ジョイントδ1は、他の中心支持点α2を介して、前記ジョイントγ1に連結され、
    前記ジョイントδ1と前記ジョイントγ1とは、前記中心支持点α2を中心とする周回軌道上を相互の位置関係を一定に保持して周回可能に配置される、
    自然動物の運動を表現するためのリンク機構。
  3. ジョイントβn(n=以上の整数)とジョイントγn(n=以上の整数)、前記ジョイントγn(n=以上の整数)とジョイントγn+1(n=以上の整数)、及び、前記ジョイントγn+1(n=以上の整数)とジョイントδn+1(n=以上の整数)、を連結して、前記ジョイントγn(n=以上の整数)とジョイントγn+1(n=以上の整数)とを連結する軸線を介して、前記ジョイントβn(n=以上の整数)とジョイントδn(n=以上の整数)とが相互に逆側に位置する定形に保持されるN個(N=1以上の整数)のリンク要素を有し、
    前記ジョイントδn(n=以上の整数)とジョイントβn+1(n=以上の整数)とは、連結され、
    前記ジョイントβ1は、中心支持点α1に連結されて、前記中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回可能に配置され、
    前記ジョイントδ1は、他の中心支持点α2を介して、前記ジョイントγ1に連結され、
    前記ジョイントδ1と前記ジョイントγ1とは、前記中心支持点α2を中心とする周回軌道上を相互の位置関係を一定に保持して周回可能に配置される、
    自然動物の運動を表現するためのリンク機構。
  4. 前記ジョイントβ1と前記ジョイントδ1とを結ぶ仮想線上に前記中心支持点α1がある条件下で、前記ジョイントβ1と前記中心支持点α2とを結ぶ仮想線が、前記ジョイントδ1と前記ジョイントγ1とを結ぶ仮想線と交差する、
    請求項1〜請求項3のいずれか1項記載のリンク機構。
  5. 前記ジョイントβ1、前記ジョイントδ1及び前記中心支持点α1が一の仮想直線上に整列する条件下で、前記ジョイントβ1と前記中心支持点α2とを結ぶ仮想線が、前記ジョイントδ1と前記ジョイントγ1とを結ぶ仮想線と交差する、
    請求項1〜請求項3のいずれか1項記載のリンク機構。
  6. 前記ジョイントβ1と前記ジョイントα2を結ぶ仮想線が、前記ジョイントδ1と前記ジョイントγ1を結ぶ仮想線のほぼ中間点と交差する、
    請求項4又は請求項5のリンク機構。
  7. 前記ジョイントβ1を前記中心支持点α1を中心とする周回軌道上を周回させることにより、前記ジョイントδ1と前記ジョイントγ1とが、前記中心支持点α2を中心とする同一の周回軌道上のそれぞれ一部を往復動するように配置される、
    請求項1〜請求項6のいずれか1項記載のリンク機構。
  8. 請求項1〜7に係るリンク機構のいずれか1つのリンク機構を使用してなる、
    人工動物。
  9. 請求項1〜7に係るリンク機構のうち、少なくとも2つ以上リンク機構を組み合わせて使用してなる、
    人工動物。
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