JP6844775B2 - 羽ばたき飛行機 - Google Patents

Description

本発明は、機軸の左右に揺動自在に装着された翼の羽ばたきによって飛翔する羽ばたき飛行機に関する。

機体の左右に揺動自在に装着された翼の羽ばたきによって飛翔する羽ばたき飛行機が知られている（特許文献１，２，３，４参照）。これらの発明は、昇降する部材を備え、この昇降部材の昇降運動を剛体リンクの三次元的往復揺動運動に変換する機構を有している。往復揺動運動は翼のフラッピング運動（上下運動）およびリード・ラグ運動（前後運動）さらにはフェザリング運動（翼の前縁部に対する捩り運動）に変換されて、羽ばたき飛行機が飛翔する。

特開２０１０−１０５４１３号公報 特開２０１０−０１８０５９号公報 特開２００９−２８７７２３号公報 国際公開第２０１１／０１３６６７号

一般的なはばたきロボットは、１つのアクチュエータで左右の翅を同時に駆動させているためにフラッピング角を左右独立して変化させることはできなかった（特許文献１，２，３参照）。従って、方向転換には尾翼を追加してラダーなどの舵取り機構を用いる場合が多く、その結果全長が伸びてしまい質量も増加するという課題があった。また、左右の翼をそれぞれのアクチュエータで駆動させて角度制御を可能としているものもあるが、システムの大型化や消費電力が増加する（常時左右の翅のアクチュエータを駆動するため）という課題があった。

さらに、特許文献４のように、左右の翅のはばたき時間を変えることで左旋回もしくは右旋回を行うはばたきロボットがあるが、時間差を生み出すように構造的に設計されたものであって飛翔中の動的な旋回制御はできないという課題があった。

本発明は、前記背景におけるこれらの実情に鑑みてなされたものであり、尾翼やラダーといった付加的な装置を必要とせず、左右の翼のフラッピング角度をそれぞれ変化させて非対称にして、左右の翅が生成する揚力差から回転モーメントを生じさせる、ロール制御する羽ばたき飛行機を提供することをその目的とする。

本発明に係る羽ばたき飛行機は、機軸と該機軸の法線方向に延出された対向する少なくとも２以上の複数の翼を備えている。そして、前記機軸の延出方向をロール軸、前記法線方向をピッチ軸、該ロール軸および該ピッチ軸と互いに直交する方向をヨー軸とし、該ロール軸の延出する一方を飛行方向としたとき、前記機軸の該飛行方向側に配され、前記複数の翼を該ロール軸周りおよび該ヨー軸周りを回動自在に枢支する枢支部材と、前記機軸に沿ってロール軸方向に設けられて、前記機軸に対して近接と遠隔を繰り返す往復運動を行う揺動軸と、前記揺動軸と前記複数の翼とを結ぶ弾性体リンクと、を備えている。前記弾性体リンクが、前記揺動軸に所定の捩り・曲げを加えられて取り付けられ、前記揺動軸の往復運動によって前記複数の翼を揺動させる。さらに、対向する前記翼のそれぞれの前記ロール軸周りの回動範囲を独立して規制する規制手段を有している。

この態様によれば、翼と枢支部材によって、羽ばたき飛行に必要な３つの運動である、翼を機軸に対して上下に動かすロール軸周りのフラッピング運動、翼の前縁部に対して捻るフェザリング運動、翼を機軸に対して前後に動かすリード・ラグ運動を実現させる。そして、これらの運動は揺動軸の往復運動によって動力を供給することで、羽ばたきによる飛行を実現させる。さらに、規制手段が対向する翼のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を規制することで、翼のフラッピング角度（羽ばたきの振り幅）を制御することができる。回動範囲を狭めることによって、全ての羽根のフラッピング角度を減少させられるため、揚力を減少させて機体を下降させる。このように機体を上昇させるとともに下降させることも可能になる。

加えて、規制手段は、対向する翼のフラッピング角度を独立して規制することができる。例えば、片側の羽根のフラッピング角度を減少させると、ロール軸周りのバランスが崩れ、フラッピング角度が減少した翼方向への回転モーメントが発生する。この回転モーメントの発生によって、機体はフラッピング角度が減少した翼方向へ回転する。この機体の回転によって、羽ばたき飛行機を旋回させることができる。このように、本態様は、従来技術では困難であった、羽ばたき飛行機の上昇下降とともに旋回させる飛行制御を実現させている。

前記態様において、前記規制手段が前記枢支部材の前記回動範囲を規制する構成とすることができる。

この態様によれば、機体のロール軸周りを回動自在に枢支する枢支部材の回動範囲を規制することで、翼のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を規制することができるため、簡単な構成で、羽ばたき飛行機の飛行制御を実現することができる。

本発明の他の態様は、前記規制手段を前記弾性体リンクの曲げ量が規制されるように構成しても良い。

この態様によれば、フラッピング運動の動力を伝達する弾性体リンクの曲げ量が規制して、伝達される動力を減少させることで、翼のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を規制することができるため、簡単な構成で、羽ばたき飛行機の飛行制御を実現することができる。

前記態様において、前記弾性体リンクの延在方向中間部に曲げ規制部材を装着する構成とすることができる。

この態様によれば、曲げ規制部材によって弾性体リンクの弾性変化する範囲を変えることができるため、簡単な構成で、羽ばたき飛行機の飛行制御を実現することができる。

前記態様において、前記規制手段が形状記憶合金であり、該記憶形状合金の動作を制御する制御手段を備えるように構成することができる。

この態様によれば、電力供給を調整することで形状記憶合金の硬軟を制御することによって、機体のロール軸周りを回動自在に枢支する枢支部材の回動範囲を規制する部材とすることができ、もしくは弾性体リンクの延在方向中間部に曲げ規制部として備えて弾性体リンクの弾性変化する範囲を変えることができる。

前記構成において、前記揺動軸を前記往復運動させる駆動部をさらに備え、前記駆動部が、前記揺動軸の前記揺動軸の前記飛行方向の反対側に前記ピッチ軸方向に軸支されたクランク軸と、一端が前記クランク軸に枢支され、他端が前記機軸に枢支され、前記クランクの回転を前記揺動軸に対する前記機軸の相対回転運動に変換して伝える連接杆と、を備える構成とすることができる。

この態様によれば、揺動軸を往復運動させる手段として駆動部を備え、その駆動部をピッチ軸方向に軸支されたクランク軸とすることで、翼の羽ばたき運動に干渉しにくい構成とできるため、機体に近接した翼とすることや、大きなフェザリング運動をさせることができる。

本発明の他の態様は前記揺動軸を前記往復運動させる駆動部をさらに備え、前記駆動部が、前記揺動軸の前記揺動軸の前記飛行方向の反対側に前記ロール軸方向に軸支されたクランク軸と、一端が前記クランク軸に枢支され、他端が前記機軸に枢支され、前記クランクの回転を前記揺動軸に対する前記機軸の相対回転運動に変換して伝える連接杆と、を備える構成とすることもできる。

この態様によれば、揺動軸を往復運動させる手段として駆動部を備え、その駆動部をロール軸方向に軸支されたクランク軸とすることで、機体の全長を短縮することができるため、コンパクトな羽ばたき飛行機とすることができる。

前記態様において、前記クランクを回転させるモータと、前記モータと前記規制手段への電力を供給する電池と、をさらに備え、前記制御部が、前記モータと前記規制手段への電力を制御する構成とすることができる。

この態様によれば、外部からエネルギを供給することなく、自立飛行できる羽ばたき飛行機とすることができる。また、制御部に通信手段を備えてもよく、リモートコントロールによる飛行も実現することができる。なお、動力源、エネルギは電池、モータに限定されることはなく、特許文献１〜３のようにゴム等によってエネルギを蓄積するとともに動力として利用しても良い。

本発明は、尾翼やラダーといった付加的な装置を必要とせず、左右の翼のフラッピング角度をそれぞれ変化させて非対称にし、左右の翅が生成する揚力差から回転モーメントを生じさせる、ロール制御が可能な羽ばたき飛行機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る羽ばたき飛行機の主構成を説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る翼の枢支機構を説明する拡大斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る翼の枢支機構を説明する分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る動力伝達機構を説明する側面図である。 本発明の第１実施形態に係る弾性体リンクの挙動を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る羽ばたき運動を説明する側面図である。 本発明の第１実施形態に係る羽ばたき運動を説明する上面図である。 本発明の第１実施形態に係る規制部材の一実施例を説明する斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る回旋運動を説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る規制部材の一実施例を説明する斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る羽ばたき飛行機の主構成を説明する斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る動力伝達機構を説明する側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の羽ばたき飛行機に係る好適な実施の形態について説明する。以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

本発明の一態様は、機軸と該機軸の法線方向に延出された対向する少なくとも２以上の複数の翼を備えている。そして、前記機軸の延出方向をロール軸、前記法線方向をピッチ軸、該ロール軸および該ピッチ軸と互いに直交する方向をヨー軸とし、該ロール軸の延出する一方を飛行方向としたとき、前記機軸の該飛行方向側に配され、前記複数の翼を該ロール軸周りおよび該ヨー軸周りを回動自在に枢支する枢支部材と、前記機軸に沿ってロール軸方向に設けられて、前記機軸に対して近接と遠隔を繰り返す往復運動を行う揺動軸と、前記揺動軸と前記複数の翼とを結ぶ弾性体リンクと、を備えている。前記弾性体リンクが、前記揺動軸に所定の捩り・曲げを加えられて取り付けられ、前記揺動軸の往復運動によって前記複数の翼を揺動させる。さらに、対向する前記翼のそれぞれの前記ロール軸周りの回動範囲を独立して規制する規制手段を有しているものであれば、その具体的態様はいかなるものであっても構わない。

（第１実施形態）
はじめに、図１〜４を参照して、本発明の第１実施形態に係る羽ばたき飛行機の主要な構成を説明する。次に、図５〜７を参照して、羽ばたき機構を説明する。そして、図８，９を参照して、ロール軸周りの回動範囲を独立して規制する規制手段の例と規制手段による羽ばたき飛行機の回旋運動について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る羽ばたき飛行機の主構成を説明する斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る翼の枢支機構を説明する拡大斜視図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る翼の枢支機構を説明する分解斜視図である。図４は、本発明の第１実施形態に係る動力伝達機構を説明する側面図である。図５は、本発明の第１実施形態に係る弾性体リンクの挙動を説明する図である。図６は、本発明の第１実施形態に係る羽ばたき運動を説明する側面図である。図７は、本発明の第１実施形態に係る羽ばたき運動を説明する上面図である。図８は、本発明の第１実施形態に係る規制部材の一実施例を説明する斜視図である。図９は、本発明の第１実施形態に係る回旋運動を説明する図である。

以下の説明において、機軸１０の延出方向をロール軸、法線方向をピッチ軸、ロール軸およびピッチ軸と互いに直交する方向をヨー軸とし、ロール軸の延出する一方を飛行方向とする。ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸はそれぞれ頭文字をとってＲ軸、Ｐ軸、Ｙ軸と表す場合がある。

（主要構成の説明）
図１を参照すると、本発明の第１実施形態に係る羽ばたき飛行機１００は、機軸１０とこの機軸１０のピッチ方向に延出された対向する２枚の翼２０，２０を備えている。機軸１０の飛行方向側に配され、翼２０，２０のロール軸周りおよびヨー軸周りを回動自在に枢支する枢支部材４０と、機軸１０に沿ってロール軸方向に設けられて、機軸１０に対して近接と遠隔を繰り返す往復運動を行う揺動軸７０と、揺動軸７０と翼２０，２０とを結ぶ弾性体リンク８０とを備えている。また、図４に詳しく示すように、揺動軸７０を往復運動させる駆動部１１０も備えている。

（機軸の説明）
機軸１０は、飛行機の機体に相当する構造体となる長尺の部材である。機軸１０には、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有した樹脂、竹等の木材、金属、ＦＲＰ等を適用できる。ただし、機軸１０は羽ばたき運動を行う翼２０、動力を提供する駆動部１１０、往復運動を行う揺動軸７０を支持することから、これらの運動、負荷に応じた強度、弾性、柔軟性を備えた材料、形状が選択される。

図２を参照すると、機軸１０の飛行方向側（以下「前端側」といい、飛行方向の反対側を「後端側」という場合がある。）の端部には、枢支部材４０の一部を収容するように、ヨー方向から見て凹状の切り欠きとなる枢支部材収容部１１が形成され、枢支部材４０を回動自在に枢支するための機軸枢支部材結合ピン４６（図３参照）が挿通される機軸枢支部材結合ピン孔１５がロール軸方向に端面から枢支部材収容部１１を超えた対面まで穿孔されている。

図４を参照すると、機軸１０の後端側にはモータ１１１が装着されるとともに、揺動軸７０の往復運動の支点７２が配設される支持体１２が、機体１０のヨー方向下側に延出されている。機軸１０と支持体１２とは固着されている。支持体１２には、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有した樹脂、竹等の木材、金属、ＦＲＰ等を適用できる。

支持体１２にはロール軸方向の後端側へ延出するウォームギア支持体１３が固着されている。ウォームギア支持体１３には、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有した樹脂、竹等の木材、金属、ＦＲＰ等を適用できる。

このように、機軸１０，支持体１２，ウォームギア支持体１３は、互いに固着された機体を構成しており、全てを一体で形成しても良い。

（翼の説明）
次に、再び図１を参照すると、翼２０は、蝶の翅に類似した構成としており、前縁翅脈（しみゃく）２２と、側翅脈２３と、前縁翅脈２２と側翅脈２３との間に張られた翼膜２１とからなる。

前縁翅脈２２は、羽ばたき飛行機１００の飛行方向の前縁に張り出すように配された長尺の部材であり、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有した樹脂、竹等の木材、金属、ＦＲＰ等を適用できる。

図２，３を参照すると、前縁翅脈２２の一端は、枢支部材結合部２４が形成されており、枢支部材４０の翼結合部４４に固着される。固着は、接着剤による結合、ネジ等による機械的結合等、どのような形態でも良い。

側翅脈２３は、羽ばたき飛行機１００の機軸１０に沿うように配された長尺の部材であり、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有した樹脂、竹等の木材、金属、ＦＲＰ等を適用できる。側翅脈２３の一端は前縁翅脈２２の枢支部材結合部２４に固着され、側翅脈２３は前縁翅脈２２と同じ動きをする。

前縁翅脈２２と側翅脈２３とは扇状に広がるように配されており、その間に翼膜２１が張られる。翼膜２１は、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有した樹脂や繊維、布等によって形成されている。

翼２０は、羽ばたき飛行機１００の羽ばたき動作によって、ヨー軸方向上下に往復し、翼を機軸に対して上下に動かすロール軸周りのフラッピング運動、翼の前縁部に対して捻るフェザリング運動を生じさせている。ここで、フェザリング運動の程度は、羽ばたき飛行機１００の機体形状やサイズ、動力の大きさに応じて、翼膜２１，前縁翅脈２２、側翅脈２３の形状・材質を適宜組み合わせることで調整することができる。

なお、本実施形態では、蝶の翅に類似した翅脈と翼膜という構成を適用しているが、翅脈を有さない１枚の板状翅にしても良いし、構造的な強度を高めたり、フェザリング運動の状態を変えたりするために、翅脈の数を増加させても良い。また、翼２０は少なくとも２以上の複数の翼２０であれば良いが、翼２０に追加される複数の翼は、前記した翼２０と同じ運動をさせることで冗長的な構成とすることができる。

（枢支部材の説明）
次に図２（Ａ），（Ｂ），図３を参照して、枢支部材４０を説明する。枢支部材４０は、機軸１０の前端側に配され、複数の翼２０，２０のロール軸周りおよびヨー軸周りを回動自在に枢支するものである。

枢支部材４０は、ロール軸周りを回動自在に枢支してフラッピング運動をさせるロール枢支部４１と、ヨー軸周りを回動自在に枢支してリード・ラグ運動をさせるリード・ラグ枢支部４２からなる。

ロール枢支部４１には、ロール軸方向にロールピン孔４７と、ヨー軸方向のヨーピン孔４８とが貫通するように穿孔されている。

ロール枢支部４１は、ロールピン孔４７と機軸枢支部材ピン孔１５とが連通するように、枢支部材収容部１１に収容される。ロール枢支部４１が枢支部材収容部１１に収容された後、機軸枢支部材結合ピン４６が、機軸枢支部材結合ピン孔１５から挿通され、ロールピン孔４７を貫通して、枢支部材収容部１１を超えた対面側の機軸枢支部材結合ピン孔１５まで挿入される。なお、機軸枢支部材結合ピン４６は、抜け落ちることがないように処置される。

ロール枢支部４１のロールピン孔４７の周りは、ロール枢支部４１が機軸枢支部材結合ピン４６を回転軸として、ロール軸周りを回動自在となるように、枢支部材収容部１１に接触しない円筒状の形状としている。ヨーピン孔４８は、円筒状の一部から延出された板状の部分であるリード・ラグ枢支部４２と係合する係合部５０に穿孔されている。

リード・ラグ枢支部４２は、直方体ブロックの一部にロール軸方向のスリット状の凹部となる係合収容部５１と、スリットの幅方向に直交する方向（ヨー軸方向）に貫通した枢支部間結合ピン孔４３と、係合収容部５１とは反対側のヨー軸方向の上側の面の一部に翼結合部４４を、下側の面の一部に弾性体リンク結合部４５を備えている。

ロール枢支部４１の係合部５０は、ヨーピン孔４８と枢支部材間結合ピン孔４３と連通するように、リード・ラグ枢支部４２の係合収容部５１に嵌入される。その後、枢支部間結合ピン４９が、枢支部材間結合ピン孔４３から挿通され、ヨーピン孔４８を貫通して、係合収容部５１を超えた対面側の枢支部材間結合ピン孔４３まで挿入される。なお、枢支部間結合ピン４９は、抜け落ちることがないように処置される。

ロール枢支部４１のヨーピン孔４８の周りは、リード・ラグ枢支部４２が枢支部間結合ピン４９を回転軸として、ヨー軸周りを回動自在となるように、係合収容部５１に接触しない円筒状の形状としている。

翼結合部４４には翼２０の前縁翅脈２２の一端が固着され、弾性体リンク結合部４５には、弾性体リンク８０の一端に設けられた枢支部材結合部８１が固着される。固着は、接着剤による結合、ネジ等による機械的結合等、どのような形態でも良い。

なお、枢支部材４０は、互いに直交する２つの回転軸としての機軸枢支部材結合ピン４６，枢支部間結合ピン４９を離れた位置に設けたが、この２軸をユニバーサルジョントのような一部材として構成することもできる。

（弾性体リンクおよび羽ばたき運動の説明）
次に図５，６も併せて参照して、弾性体リンク８０と羽ばたき運動について説明する。弾性体リンク８０は、機軸１０や揺動軸７０と比べて弾性変化がし易い、樹脂の帯板状部材を適用することができる。弾性体リンク８０の一端の帯状の面はリード・ラグ枢支部４２に設けられた弾性体リンク結合部４５に固着され、他端は揺動軸７０の前端側に設けられた弾性体リンク結合部７１に固着される。固着は、接着剤による結合、ネジ等による機械的結合等、どのような形態でも良い。

図５（Ａ）〜（Ｄ）を参照すると、弾性体リンク８０は、前記揺動軸に所定の捩り・曲げを加えられて逆Ｃ字になるように、機軸１０や揺動軸７０に固着される。なお、図５（Ａ）〜（Ｄ）では、弾性体リンク８０が揺動軸７０の弾性体リンク結合部７１内に挿入されているように描いているが、これは固着状態を強調するためであり、図２（Ｃ）、（Ｄ）のように揺動軸７０の面に弾性体リンク結合部７１を設けて接着等する形態でも同様となる。また、弾性体リンク８０と枢支部材４０との結合面の位置および結合状態を変化させていないが、弾性体リンク８０の挙動を説明するために簡略化している。

まず、図５（Ａ）、（Ｂ）を参照すると、弾性体リンク８０は、ロール軸とヨー軸による座面上に機軸１０や揺動軸７０に固着されている。このとき、弾性体リンク８０には捻りはなく、揺動軸７０の往復運動によって、伸縮運動を行う。このときの翼２０，２０の羽ばたきは翼２０を機軸１０に対して上下に動かすロール軸周りのフラッピング運動となる。

次に、図５（Ｃ）、（Ｄ）を参照すると、弾性体リンク８０の一端はロール軸とヨー軸による座面上で機軸１０に、他端は座面をヨー軸で回転させた面で揺動軸７０に固着されている。このとき、弾性体リンク８０に捻りが付加され、揺動軸７０の往復運動によって、捻りを伴った複雑な伸縮運動を行う。

この複雑な伸縮運動について図６も併せて参照して説明する。往復運動によって揺動軸７０が機軸１０から最も離れた状態が、図６（Ａ）となる。このとき図５（Ｃ）に示すように翼２０には弾性体リンク８０の捻りによって後端側（図５の奥側）に押す力が働く。リード・ラグ枢支部４２があるため、翼２０はこの後端側へ押す力によって後端側へ後退する。

揺動軸７０が機軸１０に近づく過程では図６（Ｂ）となり、捻りが反転して、翼２０が前端側へ移動する。さらに揺動軸７０が機軸１０に最も近づいた図６（Ｃ）では、図５（Ｄ）に示すように、図５（Ｃ）から反転した捻り状態となるため、翼２０は最も前端側に移動した状態となる。このようにリード・ラグ移動長ＸＬＲがＸＬＲ１＜ＸＬＲ２＜ＸＬＲ３となる、リード・ラグ運動が実現される。なお、この構成は１例であり、例えば翼２０が水平になったときに、リード・ラグ長を最大に、すなわち ＸＬＲ２＜ＸＬＲ１、ＸＬＲ３ とすることで、翼面積を最大にして飛行方向への抵抗を少なくするとともに、推進力を大きくすることができる。なお機体の姿勢に応じたリード・ラグ長の長短のコントロールは、弾性体リンク８０の捩り、曲げの状態を任意に設定することで具現化することができる。

さらに、図６（Ａ）では、翼２０が打ち下ろされることでフラッピング運動ＦＩを発生させ、柔軟性のある翼２０の構造によって図６（Ｃ）に示すようなフェザリング運動ＦＥを発生させる。弾性体リンク８０を、前記揺動軸に所定の捩り・曲げを加えられて逆Ｃ字になるように、機軸１０や揺動軸７０に固着することで、フラッピング運動ＦＩとフェザリング運動ＦＥとの位相差を発生させ、羽ばたき運動における上昇に係る空気力を効果的に発生させることができる。

詳しくは、翼２０の打ち下ろし時には、左右の翼２０，２０を引き剥がす動作で両翼の上面間に負圧を生じさせ、図６（Ａ）の状態において翼２０の間の負圧が翼２０の上面の全面に広がり、この上方への負圧により上から引き上げられるように機体が上昇する。そして、図６（Ｂ）から（Ｃ）に示す翼２０の打ち上げにより、左右の翼２０，２０を広げる動作で両翼の下面間に負圧を生じさせ、翼２０，２０の下面が前向きに近い間、翼の上下面の圧力差により機体が前進する。

図６（Ａ）に対応する図７（Ｂ）および図６（Ｃ）に対応する図７（Ａ）を参照すると、リード・ラグ運動によって、ヨー軸方向から見た翼２０の面積が変わる。図７（Ｂ）を見ると、翼２０の打ち下ろし時には、羽ばたき飛行機１００の機体の重心ＣＯＧと翼２０の推力ＦＬ、ＦＲの力点となる右翼重心ＬＯＧＲ、左翼重心ＬＯＧＬとの距離ＬＬ，ＬＲは近づいており、重心ＣＯＧを中心としたモーメントは機軸１０を上昇させる方向に働いている。

一方、図７（Ａ）を見ると、翼２０の打ち上げ時には、羽ばたき飛行機１００の機体の重心ＣＯＧと翼２０の推力ＦＬ、ＦＲの力点となる右翼重心ＬＯＧＲ、左翼重心ＬＯＧＬとの距離ＬＬ，ＬＲは打ち下ろし時と比べて離れており、この位置関係によって機軸１０の前端を上側に傾斜させて、前進とともに上昇を行う羽ばたき運動を可能としている。以上から図５に示すように、弾性体リンク８０が、揺動軸７０に所定の捩り・曲げを加えられて取り付けられることで、羽ばたき飛行を行うための複雑な運動を実現している。

（揺動軸および駆動部の説明）
図４を参照すると、駆動部１１０は、クランク軸を構成するウォームホイール１１３およびウォームホイール１１３に動力を伝達するウォーム１１２と、ウォーム１１２を回転させるモータ１１１と、モータ１１１に電力を供給する電池１２０と、電力を制御する制御部１２１と、制御部１２１とモータ１１１を電気的に連結するケーブル１２３とからなる。

ウォームホイール１１３は円盤状のはす歯歯車であって、このはす歯歯車に合うねじ歯車であるウォーム１１２と組み合わせてウォームギアを構成している。このウォームギアの機構によって、ウォーム１１２のロール軸周りの回転は、ウォームホイール１１３のピッチ軸周りの回転に変換される。

ウォームホイール１１３は、支持体１２からロール軸方向後端側に延出されたウォームギア支持体１３のロール軸方向の端部付近に、ピッチ軸周りに回転自在に軸支される。

ウォームホイール１１３の円盤の側面で回転軸心から放射線方向にずれた位置には、ピッチ軸方向に延出した突起であるガイドピン１１４が備えられている。このガイドピン１１４は、ウォームホイール１１３の回転に伴い、回転軸心に対して、ヨー軸方向上下に往復運動する。ガイドピン１１４は、揺動軸７０のガイド溝７３内に収容され、ガイドピン１１４のヨー軸方向上下の往復運動を揺動軸７０に伝達している。なお、ウォームホイール１１３回転時のガイドピン１１４の位置によっては、ロール軸方向の往復運動も発生するが、ガイド溝７３の長さを適宜設定することで、この往復運動の影響をキャンセルすることができる。

本実施形態では、このようにウォームホイール１１３とガイドピン１１４によって、クランク軸および連結杆としての作用を奏させることができる。また、厚みのない円盤状のウォームホイール１１３をピッチ軸周りに回転させることで、翼２０，２０の羽ばたき運動に干渉しにくい構成とできるため、機軸１０に近接した位置に翼２０を配置することや、大きなフェザリング運動をさせることができる。

モータ１１１は、ウォーム１１２を回転させる小型の電動モータであって、ＤＣモータ、ブラシレスモータ、超音波モータ、サーボモータ、ステッピングモータ、リニアモータ等を適用できる。なお、動力の供給はモータに限定されることはなく、特許文献１〜３のようにゴム紐を撚ることで回転力を供給しても良いし、形状記憶合金を適用して直接揺動軸７０を往復運動させてもよい。

モータ１１１は、機軸１０に取り付けても良いし、支持体１２に取り付けても良い。ただし、モータ１１１の取り付け位置は、機体全体の重心ＣＯＧに影響することから、羽ばたき飛行運動を考慮して設定される。

制御部１２１は、予め設定されたプログラム、もしくは、外部からの指令に従って、電池１２０からモータ１１１への電力供給量を制御する。外部からの指令によって制御する場合には、通信に係る機能を搭載する。制御部１２１は、機軸１０に取り付ける構成としているが、支持体１２に取り付けても良い。ただし、モータ１１１の取り付け位置に応じて、機体全体の重心ＣＯＧを所定の位置にするよう適宜設定される。なお、制御部１２１からモータ１１１への送電はケーブル１２３を通じて行われるが、無線で伝送する形式でも良い。さらに、受信部を設けて、無線で電力を供給する形式でも良い。

揺動部７０は、ウォームホイール１１３とガイドピン１１４によるクランク軸としての作用であるヨー軸方向上下の往復運動を弾性体リンク８０に伝達する。揺動軸７０の後端側には、ガイドピン１１４を収容するとともに、そのガイドピン１１４が揺動軸７０の長尺方向の所定幅を移動できるスリットが設けられたガイド溝７３が形成されている。そして、揺動軸７０の前端側には弾性体リンク８０が固着される弾性体リンク結合部７１が設けられている。

揺動軸７０のガイド溝７３と弾性体リンク結合部７１に挟まれた中間部には、支点７２が配されており、揺動軸７０は支点７２を中心にヨー軸方向上下に往復運動する。支点７２は、例えば、支持体１２にピッチ方向に貫通孔を穿孔し、揺動軸７０に形成した突起を挿入して、揺動軸７０をピッチ軸周りに回動自在に支持するものである。

なお、揺動軸７０は、支点７２を中心にピッチ軸周りに回動していることから、弾性体リンク結合部７１の位置は、機軸１０に対して相対的にロール軸方向で前後する。この前後運動によって、弾性体リンク８０には曲げとともに捩りが生じ、翼２０にフラッピング運動、フェザリング運動、リード・ラグ運動を奏させる弾性体リンク８０の挙動を実現している。

（規制部材の説明）
次に、対向する翼のフラッピング角度を独立して規制する規制手段について説明する。以下では、枢支部材４０のロール枢支部４１のロール軸周りの回転を規制する枢支部回動規制部材１３０の実施例を説明する。しかしながら規制手段は、これらの実施例に限定されることはなく、例えば、ロール枢支部４１にエンコーダとステッピングモータを搭載して、指示するフラッピング角度の範囲に制御しても良い。

（枢支部回動規制についての説明）
図８を参照すると、ロール軸方向に回動自在とされたロール枢支部４１に係合されているリード・ラグ枢支部４２があり、機軸１０のヨー軸方向の上面からリード・ラグ枢支部４２のヨー軸方向の上面に架けて枢支部回動規制部材１３０が配されている。

枢支部回動規制部材１３０の一端は機軸１０の上面に固着されている。他端はリード・ラグ枢支部４２の上面に延出されているが、枢支部回動規制部材１３０はリード・ラグ枢支部４２には固定されておらず、構造的に自由端としている。なお、厳密な回動範囲の規制をするために、枢支部回動規制部材１３０をリード・ラグ枢支部４２に固定した固定端としても良い。ただし、係る構成を適用する場合には、羽ばたきする力と枢支部回動規制部材１３０がリード・ラグ枢支部４２を押圧する力との調整をとり、羽ばたきの力を過度に抑制しないように構成する必要がある。

枢支部回動規制部材１３０は、帯板状の形状記憶合金であり、先端部に熱を加えると、その方向に屈伸するという形状記憶合金の性質を利用している。すなわち、枢支部回動規制部材１３０に電流を流すワイヤ１２２をつなぎ、制御部１２１の指令によって、形状記憶合金に通電することでジュール熱を発生させ、枢支部回動規制部材１３０の他端を所定の方向に曲げるものである。

例えば、フラッピング角度を大きくとりたいときには、翼２０のロール軸周りの回転規制を緩和するように、枢支部回動規制部材１３０の他端がヨー軸方向上方に曲げられ、一方フラッピング角度を小さくしたいときには、翼２０のロール軸周りの回転規制を強化するように、枢支部回動規制部材１３０の他端がリード・ラグ枢支部４２を押さえつけるようにする。

枢支部回動規制部材１３０は、機軸１０に対して対向して配されている規制部材４０，４０のそれぞれに備えられており、制御部１２１の指令によって独立した曲げ制御を行い、翼２０，２０のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を独立して規制する規制手段として働く。

このように本実施形態によれば、機体のロール軸周りを回動自在に枢支する枢支部材４０の回動範囲を、軽量かつ簡易な構成で規制することができる。この枢支部回動規制部材１３０によって、翼２０，２０のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を規制することで羽ばたき飛行機の制御を実現することができる。

（フラッピング角度制御の説明）
次に、図９を参照して、対向する翼のフラッピング角度を独立して規制する規制手段を適用した制御について説明する。

図９（Ａ）は、飛行方向に対して左側の翼２０のフラッピング角度が、右側の翼２０のフラッピング角度よりも大きい場合を示している。ここでＦは翅反力であり、翼２０に空気の下向きの流れをつくったときの反力を表している。

フラッピング角度の大きさは、翅反力と比例関係にあるため、図９（Ａ）では左翅反力ＦＬ＞右翅反力ＦＲとなる。この翅反力の差は飛行方向に対して時計回り（図では反時計回りとなる）のロール回転モーメントＲＭを生じさせる。ロール回転モーメントＲＭの発生によって、羽ばたき飛行機１００の機体は飛行方向に対して右方向（図９（Ａ）では左方向）に旋回する。

一方、図９（Ｂ）に示すように、飛行方向に対して右側の翼２０のフラッピング角度が、左側の翼２０のフラッピング角度よりも大きい場合には、右翅反力ＦＲ＞左翅反力ＦＬとなる。この翅反力の差は飛行方向に対して反時計回り（図では時計回りとなる）のロール回転モーメントＲＭを生じさせる。ロール回転モーメントＲＭの発生によって、羽ばたき飛行機１００の機体は飛行方向に対して左方向（図９（Ｂ）では右方向）に旋回する。

また、対向する翼２０，２０の両方について、同時にフラッピング角度が減じるように規制することで、通常の直進する羽ばたき飛行におけるフラッピング運動、フェザリング運動、リード・ラグ運動を減少させて、直進方向の速度を減少させることや、上昇速度減少から下降させる制御も実現できる。

この実施形態によれば、翼２０，２０と枢支部材４０によって、羽ばたき飛行に必要な３つの運動である、翼２０，２０を機軸１０に対して上下に動かすロール軸周りのフラッピング運動、翼の前縁部に対して捻るフェザリング運動、翼を機軸に対して前後に動かすリード・ラグ運動の制御を実現させる。

そして、これらの運動は揺動軸７０の往復運動によって動力を供給することで、羽ばたきによる飛行を実現させる。さらに、規制手段である枢支部回動規制部材１３０が対向する翼２０，２０のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を規制することで、翼２０，２０のフラッピング角度（羽ばたきの振り幅）を制御することができる。さらに、回動範囲を狭めることによって、全ての羽根のフラッピング角度を減少させられるため、揚力を減少させて機体を下降させる。このように機体を上昇させるとともに下降させることも可能になる。

（第２実施形態）
次に、図１０を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図１０は、本発明の第２実施形態に係る規制部材の一実施例を説明する斜視図である。本発明の第２実施形態は、対向する翼のフラッピング角度を独立して規制する規制手段に係る実施形態であり、その他の構成については第１実施形態と同じであるため、以下の説明において、第１実施形態と重複する構成については、その説明を省略する。

図１０（Ａ）を参照すると、揺動軸７０の先端側ヨー方向の上面から弾性体リンク８０の中間部に架けて弾性体リンク曲げ規制部材１４１が配されている。

図１０（Ｂ）も併せて参照すると、弾性体リンク曲げ規制部材１４１の一端は揺動軸７０の上面に固着されている。他端は弾性体リンク８０の機軸１０側の面方向に延出されているが、弾性体リンク曲げ規制部材１４１と弾性体リンク８０とは固定されておらず、構造的に自由端としている。なお、厳密な回動範囲の規制をするために、弾性体リンク曲げ規制部材１４１を弾性体リンク８０に固定した固定端としても良い。ただし、係る構成を適用する場合には、羽ばたきする力と弾性体リンク曲げ規制部材１４１が弾性体リンク８０を押圧する力との調整をとり、羽ばたきの力を過度に抑制しないように構成する必要がある。

弾性体リンク曲げ規制部材１４１は、帯板状もしくはワイヤ状の形状記憶合金であり、先端部に熱を加えると、その方向に屈伸するという形状記憶合金の性質を利用している。すなわち、弾性体リンク曲げ規制部材１４１に電流を流すワイヤ１２２をつなぎ、制御部１２１の指令によって、形状記憶合金に通電することでジュール熱を発生させ、弾性体リンク曲げ規制部材１４１の他端を所定の方向に曲げるものである。

例えば、フラッピング角度を大きくとりたいときには、翼２０のロール軸周りの回転規制を緩和するように、弾性体リンク曲げ規制部材１４１の他端を機軸１０方向に曲げて弾性体リンク８０の曲げられる範囲を大きくする。一方、フラッピング角度を小さくしたいときには、翼２０のロール軸周りの回転規制を強化するように、弾性体リンク曲げ規制部材１４１の他端が弾性体リンク８０の中間部を押さえつけるようにする。

弾性体リンク曲げ規制部材１４１は、揺動軸７０の左右に対向する翼２０，２０に対応するように備えられており、制御部１２１の指令によって独立した曲げ制御を行い、翼２０，２０のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を独立して規制する規制手段として働く。

このように本実施形態によれば、軽量かつ簡易な構成で翼２０，２０のそれぞれのロール軸周りの回動範囲を規制することで羽ばたき飛行機の制御を実現することができる。

（第３実施形態）
次に、図１１、１２を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。図１１は、本発明の第３実施形態に係る羽ばたき飛行機の主構成を説明する斜視図である。図１２は、本発明の第３実施形態に係る動力伝達機構を説明する側面図である。

本発明の第３実施形態は、揺動軸および駆動部の変形例に係る実施形態であり、その他の構成については第１実施形態と同じであるため、以下の説明において、第１実施形態と重複する構成については、その説明を省略する。

図１１，１２を参照すると、機軸１０の後端側にはヨー軸下方側にモータ支持体２１４が延出している。モータ支持体２１４は、機軸１０の一部でも良いし、別体として取り付けて固定しても良い。モータ支持体２１４の下側には環状部材等によってモータ２１１が取り付けられる。モータ２１１の回転方向はロール軸周りとしている。

さらに機軸１０の中間部には、電池２２０、制御部２２１が装着されるとともに、ヨー軸下方に延出して、支点２７２を構成する支点支持体２３０が備えられている。支点支持体２３０は、機軸１０の一部でも良いし、別体として取り付けて固定しても良い。モータ支持体２１４および支点支持体２３０には、軽量であるとともに適度な強度、弾性、柔軟性を有した樹脂、竹等の木材、金属、ＦＲＰ等を適用できる。

駆動部２００は、クランク軸を構成する第２平歯車２１３および第２平歯車２１３に動力を伝達する第１平歯車２１２と、第１平歯車２１２を回転させるモータ２１１と、モータ２１１に電力を供給する電池２２０と、電力を制御する制御部２２１と、制御部２２１とモータ２１１を電気的に連結するケーブル２２３とからなる。なお、図では回動規制制御の指令を送るケーブル２２２も示している。

第２平歯車２１３は平歯車であって、この平歯車に合う平歯車である第１平歯車２１２と組み合わせている。この伝達機構によって、第１平歯車２１２のロール軸周りの回転が、第２平歯車２１３に伝達される。

第２平歯車２１３は、機軸１０の後端からロール軸方向に延出された回転軸２２５によって、ロール軸周りに回転自在に軸支される。

揺動軸２７０の後端側にはクランク機構の連結杆となるガイド体２７１が、揺動軸２７０に対してロール軸周りに回動自在に取り付けられている。ガイド体２７１には図示しないガイド溝が形成されている。そして、本実施形態においても、第１実施形態の図４に示した構成と同じく、このガイド体２７１と、第２平歯車２１３の円盤の側面で回転軸心から放射線方向にずれた位置に備えられた突起状のガイドピンとでクランク軸としての作用を奏するガイド機構２４０としている。

揺動部２７０は、ヨー軸方向上下の往復運動を弾性体リンク８０に伝達する。揺動軸２７０のガイド体２７１と弾性体リンク結合部２７５に挟まれた中間部には、支点２７２が配されており、揺動軸２７０は支点２７２を中心にヨー軸方向上下に往復運動する。支点２７２は、例えば、支点支持体２３０にピッチ方向に貫通孔を穿孔し、揺動軸２７０に形成した突起を挿入して、揺動軸２７０をピッチ軸周りに回動自在に支持するものである。

なお、揺動軸２７０は、ピッチ軸周りに回動していることから、弾性体リンク結合部２７５の位置は、ロール軸方向に対して相対的に前後する。この前後運動によって、弾性体リンク８０には曲げとともに捩りが生じ、翼２０にフラッピング運動、フェザリング運動、リード・ラグ運動のための弾性体リンク８０の挙動を実現している。

本実施形態では、ロール軸周りに回転する第２平歯車２１３によって、クランク軸としての作用を奏させることができるため、羽ばたき飛行機機体の全長を短縮化することができる。

以上で説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、対向する翼をさらに増加することや、増加した翼それぞれのフラッピング角度を制御して、複雑な飛行を実現させることもできる。

１０・・・機軸
１１・・・枢支部材収容部
１２・・・支持体
１３・・・ウォームギア支持体
１５・・・機軸枢支部材結合ピン孔
２０・・・翼
２１・・・翼膜
２２・・・前縁翅脈（しみゃく）
２３・・・側翅脈
２４・・・枢支部材結合部
４０・・・枢支部材
４１・・・ロール枢支部
４２・・・リード・ラグ枢支部
４３・・・枢支部間結合ピン孔
４４・・・翼結合部
４５・・・弾性体リンク結合部
４６・・・機軸枢支部材結合ピン
４７・・・ロールピン孔
４８・・・ヨーピン孔
４９・・・枢支部間結合ピン
５０・・・係合部
５１・・・係合収容部
７０・・・揺動軸
７１、２７５・・・弾性体リンク結合部
７２・・・支点
７３・・・ガイド溝
８０・・・弾性体リンク
８１・・・枢支部材結合部
１００，２００・・・羽ばたき飛行機
１１０・・・駆動部
１１１・・・モータ
１１２・・・ウォーム
１１３・・・ウォームホイール
１１４・・・ガイドピン
１２０・・・電池
１２１・・・制御部
１２２，１２３・・・ケーブル
１３０・・・枢支部回動規制部材
１４１・・・弾性体リンク曲げ規制部材
２００・・・駆動部
２１１・・・モータ
２１２・・・第１平歯車
２１３・・・第２平歯車
２１４・・・モータ支持体
２２０・・・電池
２２１・・・制御部
２２２，２２３・・・ケーブル
２２５・・・回転軸
２３０・・・支点支持体
２４０・・・ガイド機構
２７０・・・揺動軸
２７１・・・ガイド体
ＣＯＧ・・・機体重心
ＦＬ，ＦＲ・・・翅反力
ＬＯＧＲ・・・右翼重心
ＬＯＧＬ・・・左翼重心
ＸＬＲ１，２，３・・・リード・ラグ移動長
ＲＭ・・・回転モーメント

Claims (6)

1. 機軸と該機軸の法線方向に延出された対向する少なくとも２以上の複数の翼と、
   前記機軸の延出方向をロール軸、前記法線方向をピッチ軸、該ロール軸および該ピッチ軸と互いに直交する方向をヨー軸とし、該ロール軸の延出する一方を飛行方向としたとき、前記機軸の該飛行方向側に配され、前記複数の翼を該ロール軸周りおよび該ヨー軸周りを回動自在に枢支する枢支部材と、
   前記機軸に沿ってロール軸方向に設けられて、前記機軸に対して近接と遠隔を繰り返す往復運動を行う揺動軸と、
   前記揺動軸と前記複数の翼とを結ぶ弾性体リンクと、を備え、
   前記弾性体リンクが、前記揺動軸に所定の捩り・曲げを加えられて取り付けられ、前記揺動軸の往復運動によって前記複数の翼を揺動させる羽ばたき飛行機において、
   対向する前記翼のそれぞれの前記ロール軸周りの回動範囲を独立して規制する規制手段を有し、
   前記規制手段が前記弾性体リンクの曲げ量を規制し、
   前記弾性体リンクの延在方向中間部に曲げ規制部材が装着される、ことを特徴とする羽ばたき飛行機。
2. 前記規制手段が前記枢支部材の前記回動範囲を規制する、ことを特徴とする請求項１に記載の羽ばたき飛行機。
3. 前記規制手段が形状記憶合金であり、該記憶形状合金の動作を制御する制御手段を備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の羽ばたき飛行機。
4. 前記揺動軸を前記往復運動させる駆動部をさらに備え、
   前記駆動部が、
   前記揺動軸の前記揺動軸の前記飛行方向の反対側に前記ピッチ軸方向に軸支されたクランク軸と、
   一端が前記クランク軸に枢支され、他端が前記機軸に枢支され、前記クランクの回転を前記揺動軸に対する前記機軸の相対回転運動に変換して伝える連接杆と、を備える、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の羽ばたき飛行機。
5. 前記揺動軸を前記往復運動させる駆動部をさらに備え、
   前記駆動部が、
   前記揺動軸の前記飛行方向の反対側に前記ロール軸方向に軸支されたクランク軸と、
   一端が前記クランク軸に枢支され、他端が前記機軸に枢支され、前記クランクの回転を前記揺動軸に対する前記機軸の相対回転運動に変換して伝える連接杆と、を備える、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の羽ばたき飛行機。
6. 前記クランクを回転させるモータと、
   前記モータと前記規制手段への電力を供給する電池と、をさらに備え、
   前記制御部が、前記モータと前記規制手段への電力を制御する、ことを特徴とする請求項４または５に記載の羽ばたき飛行機。