JP5765771B2 - ハチドリ型羽ばたき飛翔ロボット - Google Patents

Description

本発明は、羽ばたき飛翔ロボットに関し、特に、ハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットに関する。

羽ばたき飛翔ロボットとは、翼を有し、翼を羽ばたかせることによって飛行することのできるものであり、一般的には本体部と、主翼と、尾翼とを有して構成されている。羽ばたき飛翔ロボットの飛行においては、姿勢等飛行制御を行うことが非常に重要である。

従来型の羽ばたき飛翔ロボットは、例えば下記文献１に記載があるように、胴体後方の尾翼に設置されたエレベータを動かすことで重心から離れた位置において後流を調整し、空気力によるモーメントを発生させ、頭上げや頭下げ等の飛行制御を行っていた。

"ＤＥＬＦＬＹ"、インターネット（ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｅｌｆｌｙ．ｎｌ／）、検索日平成２２年１２月１日

しかしながら、上記文献１に記載の技術では、羽ばたきにより発生した空気力の一部を利用しピッチングモーメントを稼ぐため、羽ばたきによる揚力に大きな損失が生じてしまうといった課題がある。また、羽ばたきの後流によりピッチングモーメントを稼ぐため非定常な流れを利用したモーメントを稼ぐシステムとなっており、どの程度のモーメントを稼げるのかを計算で導き出すことは困難であり、正確な制御が難しいといった課題もある。更に、非定常な流れを受けることから後流と面積の関係によっては不安定性が生じる可能性がある。

そこで、本発明は、上記課題を鑑み、より空気力の損失を少なく、また正確かつ安定的な飛行と低速高速の切り替えが可能となるハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための第一の手段としては、本発明に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットは、本体部材と、本体部材に配置される複数の主翼部材、主翼部材を駆動する主翼駆動部材、尾翼部材、重り及びこの重りの移動を行う重り移動部材と、を有し、重り移動部材は、複数の主翼部材を高速に羽ばたかせるように主翼駆動部材を高速駆動する時に、重りを本体部材の前側に移動させ、複数の主翼部材を低速に羽ばたかせるように主翼駆動部材を低側駆動する時に、重りを本体部材の後側に移動させる。

以上本発明により、より空気力の損失を少なく、また正確かつ安定的な飛行と低速高速の切り替えが可能となるハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットを提供することができる。

実施形態に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの概略図である。 実施形態に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの主翼部材の概略図である。 実施形態に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの尾翼部材の概略図である。 実施形態に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの重り移動部材の概略図である。 実施形態に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの重り移動部材の概略図である。 実施例に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの写真図である。 実施例に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの写真図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の記載にのみ限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボット（以下「本飛翔ロボット」という。）１の概略図（側面図）である。本図で示すように、本飛翔ロボット１は、本体部材２と、本体部材２に配置される複数の主翼部材３、主翼部材３を駆動する主翼駆動部材４、尾翼部材５、及び、重り６１を有する重り移動部材６と、を有する。

本実施形態において、本体部材２は、本飛翔ロボット１の主要骨格を形成する部材であって、本飛翔ロボット１の他の部材を保持、配置することのできるものである。飛行することができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えば軽く細い棒状のものであることは好ましい一例である。これにより軽量にすることができるとともに、飛翔ロボットの重心位置をより求めやすくなるといった効果がある。なお本体部材２の材質としては限定されるわけではないが、木材、金属、紙等適宜使用することができ、特に限定はされない。

図２は、本実施形態に係る主翼部材３の概略（正面）を示す図である。また本実施形態において、主翼部材３は、羽ばたき動作を行い、空気力を発生させるものであり、主翼駆動部材４を介して本体部材２に設置されている。主翼部材の数としては、特に限定されるわけではないが、主軸部材２に対して対称に配置されていることが好ましく、例えば２枚、より好ましくは４枚配置されていることが好ましい。

また、主翼部材３の構造としては、本飛翔ロボット１が飛行できる程度の空気力を発生させることができる限りにおいて限定されるわけではないが、骨部材３１と、この骨部材に張られた帆部材３２とを有していることが好ましい。骨部材３１は、帆部材３２を張ることができる程度に強度のあるものである限りにおいて限定されるわけではないが、例えば木材、金属、紙等適宜使用することができ、特に限定はされない。また帆部材３２としては、膜状に張ることができ羽ばたきに十分耐えられる程度の強度を有するものであれば限定されず、例えばポリマーフィルム、紙等適宜選択可能であり、特に限定はされない。

また本実施形態において、主翼駆動部材４は、本体部材２に配置され、上記主翼部材３を駆動させるものである。主翼駆動部材４は、この機能を有する限りにおいて限定されないが、例えばモータ４１と、このモータ４１を駆動するバッテリ４２と、モータ４１に接続されたギア４３と、このギア４３に接続され主翼３を駆動させる伝達部材４４と、を有して構成されていることが好ましい。このようにすることで、モータ４１の回転の動きをギア４３を介して主翼３の羽ばたき動作に変換することができる。

また、本実施形態において主翼駆動部材４は、主翼部材３の羽ばたき動作の速度を異ならせることができるよう構成しておくことも好ましい。羽ばたき動作の速度を異ならせることで、本飛翔ロボット１の様々な動作（飛行モード）を実現することができる。例えば羽ばたき動作が速いすなわち高速駆動モードは大きな力を発生することができ本飛翔ロボット１の低速移動（例えばホバリング）に適したモードであり、羽ばたき動作が遅いすなわち低速駆動モードは本飛翔ロボット１の高速前進移動に適したモードである。羽ばたき動作の速度を異ならせる方法としては、限定されるわけではないが、モータ４１の単位時間当たりの回転数を制御することが容易であり、例えば無線を介して制御することが好ましい。具体的には、例えば受信機と、スピードコントローラと、を有するモータ制御部を有していることが好ましい。また、受信機は他のデータも同時に扱える３チャンネル以上のものが好ましい。また、全体の構成としては、軽量なことが求められる。受信機は入力として送信機からのデータを得、スピードコントローラに出力する。スピードコントローラは、入力として、電池からの電圧及び、受信機からのデータを得、出力としてモータに印加される電圧を制御し動力とする。この動力をギア更にはクランクシャフトを介し主翼駆動部の速度を制御する。

図３は、本実施形態に係る尾翼部材５の概略図である。また本実施形態において尾翼部材５は、本体部材２の端部に設けられる部材であり、本飛翔ロボット１の姿勢の安定を図るための部材である。尾翼部材５は、本体部材２に固定されて配置されており、主翼部材の羽ばたき動作により発生する空気力の流れを安定的に制御し本飛翔ロボット１を安定化させることができる限りにおいて限定されないが、例えば水平尾翼５１及び垂直尾翼５２を有して構成されていることが好ましい。

また本実施形態における尾翼部材５の水平尾翼５１及び垂直尾翼５２それぞれの構造としては、主翼３と同様の構造を採用することができ、骨部材５１１、５２１と、この骨部材に張られた帆部材５１２、５２２とをそれぞれ有していることが好ましい。骨部材５１１、５２１は、帆部材５１２、５２２を張ることができる程度に強度のあるものである限りにおいて限定されるわけではないが、例えば木材、金属、紙等適宜使用することができ、特に限定はされない。また帆部材５１２、５２２についても、膜状に張ることができ飛行に十分耐えられる程度の強度を有するものであれば限定されず、例えばポリマーフィルム、紙等適宜選択可能である。

また本実施形態における尾翼部材５の垂直尾翼５２には、可動の方向舵５２３が配置されていることが好ましい。このようにすることで本飛翔ロボット１の左右方向（水平面内方向）の移動が可能となる。また本実施形態において、方向舵５２３には、この方向舵５２３の方向を制御するための方向舵制御部５２３１を有していることが好ましい。この構成としては、受信機と、アクチュエータドライバと、を有するモータ制御部を有していることが好ましく、主翼部の制御部と一体であるとより好ましい。受信機は入力として送信機からのデータを得、アクチュエータドライバに出力する。アクチュエータドライバは、入力として、電池からの電圧及び、受信機からのデータを得、出力としてアクチュエータに印加される電圧を制御することで尾翼方向舵の向きを制御する。

図４は、本実施形態に係る重り移動部材６の概略図である。また本実施形態において、重り移動部材６は、上記のとおり重り６１を有し、この重りを移動させる、より具体的には本体部材２の延伸方向に対して重り６１の位置を前後に移動させることのできるものである。より具体的に説明すると、重り６１の位置を前に移動させる（図４左図）と、本体部材２の延伸方向を水平方向に近づけることが可能となり、高速に移動するとのできるモードとなり、重り６１の位置を後ろに移動させる（図４右図）と、本体部材２の延伸方向を鉛直方向に近づけることが可能となり、低速に移動することができるモードとなる。すなわち、このような構成を採用することで高速移動、低速移動を空気力の損失を最小限に抑えて行うことができるようになる。

また、本実施形態において、重り移動部材６は、重りを本体部材２の延伸方向に対する垂直方向に沿って上下に移動させるよう構成されていることも好ましい。このようにすることで、水平方向に近づけること、又は鉛直方向に近づけることができる。

また本実施形態において、重り移動部材６は、限定されるわけではないが、上記重り６１と、モータ６２と、このモータ６２を駆動するバッテリと、モータ６２に接続され回転するモータギア６３と、このモータギア６３及び重り６１に接続されモータの駆動を伝達する伝達部材６４と、を有して構成されていることが好ましい。このようにすることで重り６１の位置を調節することが可能となる。なお図５は、重り移動部６の側面を表す図（重りが後になった状態の図）である。

また本実施形態に係る本伝達部材６４は、本図で示すように、更に、上記モータギア６３に接続され、駆動ギア６４１と、モータ６２に対して固定して配置されるブラケット６４２と、駆動ギア６４１に固定され、駆動ギア６４１の回転に応じて回転し重り６１を回転移動させる軸６４３と、を有して構成されている。なおブラケット６４２にはストッパ６４４が配置されており、駆動ギア６４１又は軸６４３に接触することで駆動ギア６４１の回転を所定の位置で止めることができる。このようにすることで、本飛翔ロボット１は、重り６１を、本体部材が延伸する方向に沿って前後、本体部材の延伸方向に対して垂直な方向に対して上下に移動させることができ、複数の飛行モードを実現することができる。

また本実施形態において、重り６１としては、特に限定されるわけではないが、バッテリであることは好ましい一例である。このようにすることで、バッテリを駆動源だけでなく重りとして用いることができるといった効果があり、より軽量化を図ることができる。もちろん、バッテリが十分に軽い場合はバッテリと重りとを別の要素とすることも可能ではある。本図では、重りがバッテリの例を示している。

また本実施形態において、重り移動部材６は、重りの位置を制御するための重り位置制御部を有していることが好ましい。この重り位置切替部の構造としては、限定されるわけではないが、例えばモータの回転方向を変化させるための受信機と、アクチュエータドライバと、を有するアクチュエータ制御部を有していることが好ましく、主翼部及び方向舵の制御部と一体であることがより好ましい。受信機は入力として送信機からのデータを得、アクチュエータドライバに出力する。アクチュエータドライバは、入力として、電池からの電圧及び、受信機からのデータを得、出力としてモータに印加される電圧を制御し導力とする。この動力をギアを介し重りの位置を制御する。

また本実施形態において、重り移動部材６は、翼駆動部材４と、尾翼５の間に配置されていることが好ましい。このようにすることで、本飛翔ロボット１の重心を本体部材２の中心近傍に配置することができ、重りの移動距離に対する重心位置の変化量を増大させることができるといった効果がある。

ここで、上記説明した本飛翔ロボット１の動作について説明する。

（高速モード）
高速モードでは、重り６１は本体部材２前側かつ下側に配置されている。この結果、本体部材２を水平面側に傾くこととなる。またこの際、主翼駆動部材４は、モータを低速回転させ、主翼３を低速に羽ばたかせる。この結果、高速の飛行が可能となる。なお低速モードから高速モードに切り替わる場合、主翼駆動部材４のモータの回転数の切り替えと重り移動部材６の重り位置の切り替えは同時期に行われることが好ましい。

（低速モード）
低速モードでは、重り６１は本体部材２後ろ側かつ上側に配置され、本体部材２は垂直面側に傾くこととなる。また翼駆動部４は、モータを高速回転とし、主翼３を高速に羽ばたかせる。この結果、低速の飛行が可能となる。なお高速モードから低速モードに切り替わる場合、主翼駆動部材４のモータの回転数の切り替えと重り移動部材６の重り位置の切り替えは同時期に行われることが好ましい。

以上、本実施形態に係るハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットは、飛行姿勢の変更に後流を利用しないため空気力の損失つまりは気体を上昇に必要な力の損失を極めて低減させることが可能となる。そのため効率化の面で非常に有効であり最も力を必要とする低速駆動モード時（例えばホバリング時）に、尾翼による姿勢変更方法では最も損失が大きくなったことを回避できるといった優れた効果がある。また、同様に、後流をほとんど利用しなくてよくなるため、気体の尾翼に非定常な流れが当たってしまうことを防ぐ効果もある。これを防ぐことにより高周波で起こる外乱の影響を軽減でき今後制御を行っていく上で有用である。更に、飛行姿勢を一度変えると自動で安定する位置に重りを移動させることができるため駆動のモードを変更した後でも電力を使わずその体制を維持することが可能となる。すなわち、より損失が少なく、正確かつ安定的な飛行が可能となる。

ここで、上記実施形態に基づき、実際にハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットを作成し、その効果を確認した。以下具体的に説明する。

本実施例では、本体部材として、径０．５ｍｍ、長さ６５ｍｍ、重さ０．０２ｇ、材質カーボンの棒状部材を用い、主翼として、径０．３ｍｍ、長さ６０ｍｍ×４、重さ０．０７ｇ、材質カーボンの棒状部材を骨部材とし、ポリエチレンを帆部材として採用したものを２枚本体部材に対称に配置した。更に、翼駆動部材として、モータ（シーアイ化成社製Ａ４Ｂ０５-Ｗ-２）及びバッテリ（ＦＵＬＬ ＲＩＶＥＲ社製 ＦＲ２０）、更には、ギア、クランクシャフトを介して伝達部材として用いた。また、本実施例では、尾翼部材として径０．５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、重さ０．０３ｇ、材質カーボンの棒状部材を骨部材とし、バルサ材を帆部材として採用したものを、本体部材の後部に固定した。更に、重り移動部材として、モータ（ＳＨＩＣＯＨ社製Ｆ７）及びバッテリ（ＦＵＬＬ ＲＩＶＥＲ社製 ＦＲ２０）、更には、ギアを介して重り位置移動のための伝達部材として用いた。この作成したハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットの写真図を図６及び図７に示しておく。

なお本実施例において、駆動モードの変更は翼に対する重心位置の変更をモータで電池を移動することで行い、また重り位置の移動についてもモータで行った。

そして上記構成のハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットを作成し、実際に飛行実験を行ったところ、飛行モードを変更させながら安定的に飛行できることを確認し、より損失が少なく、正確かつ安定的な飛行が可能となっていることを確認した。

本発明は、ハチドリ型羽ばたき飛翔ロボットとして産業上の利用可能性がある。

１…ハチドリ型羽ばたき飛翔ロボット、２…本体部材、３…主翼部材、４…主翼駆動部材４、５…尾翼部材、６…重り移動部材

Claims (4)

1. 本体部材と、
   前記本体部材に配置される複数の主翼部材、前記主翼部材を駆動する主翼駆動部材、尾翼部材、及び、重りを有し前記重りを移動可能な重り移動部材と、を有し、
   高速前進移動時に、前記本体部材の延伸方向を水平方向に近付けるように前記重り移動部材によって前記重りを移動させると共に、前記主要駆動部材によって前記複数の主翼部材を低速に羽ばたかせ、
   低速前進移動時に、前記本体部材の延伸方向を鉛直方向に近付けるように前記重り移動部材によって前記重りを移動させると共に、前記主要駆動部材によって前記複数の主翼部材を高速に羽ばたかせる
   ハチドリ型羽ばたき飛翔ロボット。
2. 前記重り移動部材は、バッテリにより駆動されるモータと、このモータの駆動力によってモータギアを介して移動操作される重りとを有して構成されている請求項１記載のハチドリ型羽ばたき飛翔ロボット。
3. 前記重り移動部材は、前記主翼部材と、前記尾翼部材の間に配置され、
   前記重り移動部材は、前記本体部材の延伸方向に対し前後に移動可能であり、
   前記重り移動部材は、前記高速前進移動時に前記重りを前側に移動させ、前記低速前進移動時に前記重りを後側に移動させる請求項１、または、請求項２記載のハチドリ型羽ばたき飛翔ロボット。
4. 前記重りは、バッテリである請求項１乃至請求項３のいずれか一に記載のハチドリ型羽ばたき飛翔ロボット。