JP2003162326A - 群ロボットシステム、それに用いられるセンシングロボット、ベースステーションおよびフェロモンロボット - Google Patents

群ロボットシステム、それに用いられるセンシングロボット、ベースステーションおよびフェロモンロボット

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JP2003162326A
JP2003162326A JP2002051279A JP2002051279A JP2003162326A JP 2003162326 A JP2003162326 A JP 2003162326A JP 2002051279 A JP2002051279 A JP 2002051279A JP 2002051279 A JP2002051279 A JP 2002051279A JP 2003162326 A JP2003162326 A JP 2003162326A
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Yoshiji Oota
佳似 太田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ベースステーションが停止している状態での
探索範囲を広げることができる群ロボットシステムを提
供する。 【解決手段】 群ロボットシステム１００の通信体系
を、ベースステーション１０１を最上層として、複数の
センシングロボット群１０２，１０３，１０４同士で複
数層を構成する階層構造をなすようにし、この階層構造
において、ベースステーション１０１からは、複数のセ
ンシングロボット群１０２，１０３，１０４それぞれま
で階層構造の下層側へ順に、複数のセンシングロボット
群１０２，１０３，１０４それぞれの動作の制御に関す
る情報が伝達され、複数のセンシングロボット群１０
２，１０３，１０４それぞれからは、べースステーショ
ン１０１まで階層構造の上層側へ順に、複数のセンシン
グロボット群１０２，１０３，１０４それぞれの対象物
の探索に関する情報が伝達される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、対象物を探索する
ためのロボットが多数集まり群として動作する群ロボッ
トシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】特開平７−９３０２８号公報には、図４
８に示すように、ベースステーションの一例としての１
個の親ロボットと、センシングロボットの一例としての
複数の子ロボットとからなる移動ロボット群を含む群ロ
ボットシステムが開示されている。その群ロボットシス
テムにおいては、親ロボットには非接触センサによるセ
ンシング機能を持たせ、子ロボットには接触型センサに
よるセンシング機能を持たせ、親ロボットは子ロボット
の配置と移動経路を決定して子ロボットに位置と移動距
離の指令を与えるものである。
【０００３】また、前述のシステムにおいては、ベース
ステーションのセンシングによる情報とセンシングロボ
ットのセンシングによる情報とを使用して、経路計画法
によってベースステーションが出発地から目的地まで移
動する経路を計画して実行するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記特開平７−９３０
２８号公報に記載された構成では、ベースステーション
とセンシングロボットとは１対１の関係で通信を行なっ
ているため、広い探索範囲を探索する場合に、全てのセ
ンシングロボットに長距離の通信を行なう必要性が生じ
ることがある。そのため、前述のような群ロボットシス
テムでは、ベースステーションが停止している場合に
は、センシングロボットそれぞれに最大通信距離が長い
通信機構、すなわち、大型化または重量化した通信機構
が必要とされていた。
【０００５】また、通信機構を大きくすると個々のセン
シングロボットも大型化または重量化し、センシングロ
ボットの探索機能に支障をきたすことが考えられる。そ
のため、ベースステーションが停止している状態での群
ロボットシステム全体の探索範囲を広げることが困難で
あった。
【０００６】また、上記従来の群ロボットシステムのよ
うに、ベースステーションとセンシングロボットとが１
対１の関係で通信を行なっている場合は、ベースステー
ションと個々のセンシングロボットとがそれぞれ通信す
る必要があった。そのため、ベースステーションが停止
している状態での群ロボットシステム全体の探索範囲を
広げようとすると、ベースステーションにおいてもそれ
ぞれのセンシングロボットと長距離通信できるように大
きな通信機構を備える必要があった。この観点からも、
ベースステーションが停止している状態での群ロボット
システム全体の探索範囲を広げることが困難であった。
【０００７】本発明は、上記の問題を解決するためにな
されたものであり、センシングロボットまたはベースス
テーションの通信機構の小型化または軽量化を図りなが
ら、ベースステーションが停止している状態での探索範
囲を広げることができる群ロボットシステム、それに用
いられるセンシングロボットおよびベースステーション
を提供することである。
【０００８】また、さらに、前述の群ロボットシステム
の探索範囲を広げるにあったて、センシングロボットの
制御をより確実にする必要がある。その場合に、センシ
ングロボットの移動を制限することにより、さらに通信
制御によるコントロールを確実にしようとすると、セン
シングロボットの移動をコントロールするロボット、た
とえば、フェロモンロボットが必要であると考えられ
る。
【０００９】そこで、本発明の他の目的は、群ロボット
システムの探索範囲を広げるにあったて、センシングロ
ボットの移動を制限して群ロボットシステムにおけるセ
ンシングロボットのコントロールをより確実にすること
ができるフェロモンロボットを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の群ロボットシス
テム（又は、群ロボットの制御方法）は、対象物の探索
に用いられる複数のセンシングロボットと、複数のセン
シングロボットを通信により制御するためのベースステ
ーションとを備えた群ロボットシステム（又は、群ロボ
ットシステムに適用される制御方法）であって、群ロボ
ットシステムの通信体系が、ベースステーションを最上
層として、複数のセンシングロボット同士で複数層を構
成する階層構造をなし、階層構造において、ベースステ
ーションからは、複数のセンシングロボットそれぞれま
で階層構造の下層側へ順に、複数のセンシングロボット
それぞれの動作の制御に関する情報が伝達され（ステッ
プ１）、複数のセンシングロボットそれぞれからは、べ
ースステーションまで階層構造の上層側へ順に、複数の
センシングロボットそれぞれの対象物の探索に関する情
報が伝達される（ステップ２）。
【００１１】上記のような構成にすることにより、セン
シングロボットそれぞれの通信機構の小型化または軽量
化を図りながら、ベースステーションが停止している場
合の探索範囲を広げることができる。
【００１２】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、階層構造の上層から下層へ向かってはベースス
テーションから複数のセンシングロボットそれぞれへの
通信ルートが必ず１つとなるように設定されている。こ
のような構成にすることにより、通信による制御命令の
混乱を避けることができる。
【００１３】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、ベースステーションとの通信により複数のセン
シングロボットのうち階層構造の最下層にあるセンシン
グロボットの移動を制限する制御を行なうフェロモンロ
ボットをさらに備えている。このような構成にすること
により、階層構造の最下層にあるセンシングロボットが
ベースステーションの指示が届かない位置に移動してし
まうことによって、最下層にあるセンシングロボットの
制御が不能となることを抑制することができる。
【００１４】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、ベースステーションからフェロモンロボットを
経て複数のセンシングロボットそれぞれへ情報を伝達す
ることが可能である。このような構成にすることによ
り、ベースステーションからの情報の伝達系統が、階層
構造の上層側から下層側へ、および、下層側から上層側
への２系統となるため、ベースステーションからセンシ
ングロボットへの情報の伝達不能のおそれを低減するこ
とができる。
【００１５】なお、本発明の群ロボットシステムは、フ
ェロモンロボットを使用する場合には、フェロモンロボ
ットとベースステーションとの最大通信距離が、ベース
ステーションと階層構造の最上層にあるセンシングロボ
ットとの間の最大通信距離、フェロモンロボットと階層
構造の最下層にあるセンシングロボットとの間の最大通
信距離、および、複数のセンシングロボット同士の間の
最大通信距離のいずれかよりも大きくなるように設定さ
れていることが、フェロモンロボットを有効に機能させ
るための前提条件である。
【００１６】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、フェロモンロボットとベースステーションとの
最大通信距離が、ベースステーションと階層構造の最上
層にあるセンシングロボットとの間の最大通信距離と、
フェロモンロボットと階層構造の最下層にあるセンシン
グロボットとの間の最大通信距離と、複数のセンシング
ロボット同士の間の最大通信距離の和とを加えた距離よ
りも大きくなるように設定されている。このような構成
にすることにより、階層構造の最下層のセンシングロボ
ットまでのベースステーションからの通信可能距離が最
も長くなるように効率的にセンシングロボットを使用す
ることができる。
【００１７】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、対象物の探索にあたっては、ベースステーショ
ンに対するフェロモンロボットの位置関係を決定するこ
とにより、全体の探索範囲が決定されるように設定され
ている。このような構成にすることにより、対象物の探
索範囲の決定が容易になる。
【００１８】本発明の群ロボットシステムは、さらに好
ましくは、全体の探索範囲に基づいて、複数のセンシン
グロボットの個々の探索範囲が決定されるように設定さ
れている。このような構成にすることにより、センシン
グロボットの個々の探索範囲の決定が容易になる。
【００１９】本発明の群ロボットシステムは、またさら
に好ましくは、個々の探索範囲に基づいて、複数のセン
シングロボット個々の対象物の探索能力および通信強度
のうち少なくともいずれか一方が決定されるように設定
されている。このような構成にすることにより、対象物
の探索能力および通信強度のうち少なくともいずれか一
方を的確に決定することができる。
【００２０】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、複数のセンシングロボットそれぞれは、階層構
造の１つ上層にある、センシングロボットまたはベース
ステーションからの通信強度が予め決められた基準レベ
ルを下回った場合に、通信強度が基準レベルを上回るよ
うな方向へ移動するように設定されている。このような
構成にすることにより、あるセンシングロボットとの通
信が不能になり、そのセンシングロボットをベースステ
ーションで制御することができないという不都合の発生
を抑制することができる。
【００２１】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、階層構造の通信においては、互いに隣接する階
層の複数のセンシングロボット同士の間の通信、また
は、最上層のセンシングロボットとベースステーション
との間の通信は、互いに同じ通信強度となるように設定
されており、複数のセンシングロボットそれぞれが、階
層構造の１つ上層にある、センシングロボットまたはベ
ースステーションからの通信強度が予め決められた基準
レベルを下回った場合に、通信強度が基準レベルを上回
るまで互いの通信強度を強くするように設定されてい
る。このような構成にすることにより、あるセンシング
ロボットとの通信が不能になり、そのセンシングロボッ
トをベースステーションで制御することができないとい
う不都合の発生を抑制することができる。
【００２２】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、階層構造における通信方式が、スペクトラム拡
散通信方式である。このような構成にすることにより、
群ロボットシステムの通信体系に混乱を生じさせること
なく、群ロボットシステムを機能させることができる。
【００２３】本発明の群ロボットシステムは、また、ス
ペクトラム拡散通信方式において、階層構造の１つ上層
にあるセンシングロボットおよび１つ下層にあるセンシ
ングロボットの識別を、拡散符号により行なうように設
定されている。このような構成にすることにより、階層
の上下の通信の体系に混乱を生じさせることなく、群ロ
ボットシステムを機能させることができる。
【００２４】本発明の群ロボットシステムは、また、ス
ペクトラム拡散通信方式において、階層構造の同階層で
の他のセンシングロボットの識別を、拡散符号により行
なうように設定されている。このような構成にすること
により、階層の同層の通信の体系に混乱を生じさせるこ
となく、群ロボットシステムを機能させることができ
る。
【００２５】本発明の群ロボットシステムは、スペクト
ラム拡散通信方式には、同期確定のための通信層および
拡散符号、１つ上層にあるセンシングロボットを識別す
るための通信層および拡散符号、ならびに、１つ下層に
あるセンシングロボットを識別するための通信層および
拡散符号が用いられる。
【００２６】本発明の群ロボットシステムは、より好ま
しくは、ベースステーションが移動する機能を備えてい
る。このような構成にすることにより、群ロボットシス
テムの探索範囲をベースステーションを移動させること
で容易に変更することができる。
【００２７】本発明の群ロボットシステムは、階層構造
がツリー構造である。このような構成にすることによ
り、ベースステーションからそれぞれのセンシングロボ
ットへの指令系統を１本化することができる。
【００２８】本発明のセンシングロボットは、ベースス
テーションにより制御されて対象物の探索を行なうセン
シングロボットであって、通信体系が、ベースステーシ
ョンを最上層として、複数のセンシングロボット同士で
複数層を構成する階層構造をなすように設定された群ロ
ボットシステムにおいて用いられ、階層構造の上層側へ
自己より下側の階層のセンシングロボットの対象物の探
索に関する情報を伝達する機能と、階層構造の１つ下層
側へ自己より下側の階層のセンシングロボットの動作に
関する情報を伝達する機能とを備えている。
【００２９】上記のような構成にすることにより、セン
シングロボットそれぞれの通信機構の小型化または軽量
化を図りながら、ベースステーションが停止している場
合の探索範囲を広げることができる。
【００３０】なお、コンピュータに、前述のセンシング
ロボットを動作させるためのプログラムが実行されて、
センシングロボットは群ロボットシステムにおいて機能
する。なお、このプログラムは、ＣＤＲＯＭなどの記録
媒体に記録されていているものがロボットに読込まれて
もよいとともに、インターネットなどの情報伝達網から
インストールされてロボットに読込まれてもよい。
【００３１】本発明のベースステーションは、複数のセ
ンシングロボットに対象物を探索させる制御を行なうベ
ースステーションであって、通信体系が、ベースステー
ションを最上層として、複数のセンシングロボット同士
で複数層を構成する階層構造をなすように設定された群
ロボットシステムにおいて用いられ、階層構造におい
て、ベースステーションから複数のセンシングロボット
それぞれまで階層構造の下層側へ順に、複数のセンシン
グロボットそれぞれの動作の制御に関する情報を伝達で
き、複数のセンシングロボットそれぞれからベースステ
ーションまで階層構造の上層側へ順に、複数のセンシン
グロボットそれぞれの対象物の探索に関する情報が伝達
される。
【００３２】上記のような構成にすることにより、全て
のセンシングロボットそれぞれと通信できる通信機能を
有しなくてもよいため、ベースステーションの通信機構
の小型化または軽量化を図りながら、ベースステーショ
ンが停止している場合の群ロボットシステムの探索範囲
を広げることができる。
【００３３】なお、コンピュータに、前述のベースステ
ーションを動作させるためのプログラムが実行されて、
ベースステーションは群ロボットシステムにおいて機能
する。なお、このプログラムは、ＣＤＲＯＭなどの記録
媒体に記録されていているものがロボットに読込まれて
もよいとともに、インターネットなどの情報伝達網から
インストールされてロボットに読込まれてもよい。
【００３４】本発明のフェロモンロボットは、対象物の
探索に用いられる複数のセンシングロボットと、通信に
より該複数のセンシングロボットを制御するためのベー
スステーションとを備え、ベースステーションとの通信
により、複数のセンシングロボットを、ベースステーシ
ョンによる制御が可能な範囲に位置するように、センシ
ングロボットの移動を制限する制御を行なう。
【００３５】このような構成にすることにより、複数の
センシングロボットを、ベースステーションによる制御
が可能な範囲に位置するように、センシングロボットの
移動を制限する制御を行なうことにより、センシングボ
ットがベースステーションの指示が届かない位置に移動
してしまうことによって、複数のセンシングロボットう
ちいずれかのセンシングロボットの制御が不能となるこ
とを抑制することにより、ベースステーションが停止し
ている場合の探索範囲を広げることができる。
【００３６】本発明のフェロモンロボットは、より好ま
しくは、ベースステーションとの通信により複数のセン
シングロボットのうちベースステーションからの距離が
最も遠い位置にあるセンシングロボットの移動を制限す
る制御を行なう。
【００３７】このような構成にすることにより、複数の
センシングロボットのうちベースステーションからの距
離が最も遠い位置にあるセンシングロボットがベースス
テーションの指示が届かない位置に移動してしまうこと
によって、複数のセンシングロボットのうちベースステ
ーションからの距離が最も遠い位置にあるセンシングロ
ボットの制御が不能となることを抑制することにより、
ベースステーションが停止している場合の探索範囲を広
げることができる。
【００３８】本発明のフェロモンロボットは、より好ま
しくは、通信体系が、ベースステーションを最上層とし
て、複数のセンシングロボット同士で複数層を構成する
階層構造をなすように設定された群ロボットシステムに
おいて用いられ、ベースステーションとの通信により複
数のセンシングロボットのうち階層構造の最下層にある
センシングロボットの移動を制限する制御を行なう。
【００３９】このような構成にすることにより、階層構
造の最下層にあるセンシングロボットがベースステーシ
ョンの指示が届かない位置に移動してしまうことによっ
て、階層構造の最下層にあるセンシングロボットの制御
が不能となることを抑制することにより、ベースステー
ションが停止している場合の探索範囲を広げることがで
きる。
【００４０】なお、コンピュータに、前述のフェロモン
ロボットを動作させるためのプログラムが実行されて、
フェロモンロボットは群ロボットシステムにおいて機能
する。なお、このプログラムは、ＣＤＲＯＭなどの記録
媒体に記録されていているものがロボットに読込まれて
もよいとともに、インターネットなどの情報伝達網から
インストールされてロボットに読込まれてもよい。
【００４１】本発明のフェロモンロボットは、より好ま
しくは、ベースステーションに対して指向性を有する通
信機構を備えている。このような構成にすることによ
り、全方位に対して通信を行なう必要がないフェロモン
ロボットにおいて、より容易に正確な通信を実現するこ
とができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】本実施の形態のロボットを含む群
ロボットシステムを、図１〜図６を用いて説明する。本
実施の形態のロボットを含む群ロボットシステムを、た
とえば、１辺、最小数１０メートルから最大数キロメー
トル平方の面積の部分から火事や人などの熱源の探索、
ＣＯなどの有毒ガスや有毒放射線の探索、地雷などの金
属探査、都市設計のためのＶＲデータ収集のための３次
元の画像データの収集などを行なうものを例にして説明
する。
【００４３】本実施の形態においては、都市全体の有毒
ガスや有毒放射線の探索を行なう場合には、群ロボット
が一度にすべての市街地を探索するのではなく、数分の
１に分割された市街地を、ベースステーションを同心円
状の中心に据えた、探索羽ばたきロボット群が目的物の
探索を行なう。羽ばたきロボット群が、上記の数分の１
に分割された市街地の、有毒ガスや有毒放射能の探索を
終えると、ベースステーションが次の数分の１に分割さ
れた市街地の探索をするために、徐々に移動を始め、目
的地の市街地区域に来るとベースステーションを停止す
る。
【００４４】ベースステーションの移動に追従して、フ
ェロモンロボット、センシングロボットが移動を始め
る。ベースステーションが次の市街地区域で移動を停止
すると、センシングロボット群は、ベースステーション
を同心円状の中心にして、分割された市街地の有毒ガス
や有毒放射線の探索を行なう。このようにして、本実施
の形態の群ロボットシステムにおいては、分割された区
域をロボット群で探索し、探索結果をベースステーショ
ンに送りながら、区域の探索終了後、全体のロボット群
は、ベースステーション中心に移動しながら次の区域の
探索を行なうことにより、この移動の動作を繰返しなが
ら全体面積の探索を行なう。
【００４５】本実施の形態の群ロボットシステムについ
ては、図１〜図６に基づいて説明すれば以下のとおりで
ある。本実施の形態に使用する群ロボットシステム１０
０は、図１に示すように、ベースステーションＢＳ、複
数の羽ばたきセンシングロボットＣＳ、複数の羽ばたき
フェロモンロボットＦＥとで構成されている。
【００４６】図１は、群ロボットシステムの全体イメー
ジを模式的に描いたものである。図２において、群ロボ
ットシステムのセンシングロボットＣＳ同士およびセン
シングロボットＣＳとベースステーションＢＳとの間の
通信における階層構造と位置の関係を示す。本実施の形
態においては、複数の羽ばたきセンシングロボットＣＳ
は、ベースステーションＢＳに最も近いグループ１０２
（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）、次に近いグループ１０３（Ｃ
Ｓ２１〜ＣＳ２ｊ）、最も遠いグループ１０４（ＣＳ３
１〜ＣＳ３ｋ）の３個のグループに分かれている。本実
施の形態では、３個のグループに分かれているが、３個
のグループに限るものではなく、複数のグループが存在
すればよい。
【００４７】ベースステーションＢＳから最も遠い羽ば
たきセンシングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）
の時間あたりの移動距離は、次に遠い羽ばたきセンシン
グロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）に比べて大き
い。つまり、羽ばたきセンシングロボット１０４（ＣＳ
３１〜ＣＳ３ｋ）の羽ばたきの周波数が、羽ばたきセン
シングロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）の羽ばた
き周波数に比べて大きい。
【００４８】同様にして、センシングロボット１０３
（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）の時間あたりの移動距離は、最
もベースステーションＢＳに近いセンシングロボット１
０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）に比べて大きい。つまり、
羽ばたきセンシングロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２
ｊ）の羽ばたきの周波数が、羽ばたきセンシングロボッ
ト１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）の羽ばたき周波数に比
べて大きい。
【００４９】センシングの分解能については、すべての
センシングロボットＣＳにおいて、センサの精度、サン
プリング速度が同じである場合には、上記の単位時間あ
たりの移動距離との関係から、ベースステーションＢＳ
１０１から最も遠い羽ばたきセンシングロボット１０４
（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）の目的物検出のための空間分解
能は、次に遠い羽ばたきセンシングロボット１０３（Ｃ
Ｓ２１〜ＣＳ２ｊ）が目的検出のための空間分解能に比
べて低分解能である。
【００５０】つまり、ベースステーションＢＳ１０１か
ら最も遠い羽ばたきセンシングロボット１０４（ＣＳ３
１〜ＣＳ３ｋ）は、次に遠い羽ばたきセンシングロボッ
ト１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）に比べて、目的物検出
のための位置検出の精度あるいは障害物の大きさの測定
値の精度が粗くなる。
【００５１】同様にして、すべてのセンシングロボット
ＣＳにおいて、センサの精度、サンプリング速度が同じ
である場合には、上記単位時間あたりの移動距離との関
係から、羽ばたきセンシングロボット１０３（ＣＳ２１
〜ＣＳ２ｊ）の目的検出のための分解能は、ベースステ
ーションＢＳ１０１から最も近い位置にある羽ばたきセ
ンシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）の目的
物検出のための空間分解能に比べて低分解能である。
【００５２】つまり、センシングロボット１０３（ＣＳ
２１〜ＣＳ２ｊ）は、ベースステーションＢＳ１０１か
ら最も近い位置にある羽ばたきセンシングロボット１０
２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）に比べて目的物検出のための
位置検索の制度あるいは障害物の大きさの測定値の精度
は粗くなる。
【００５３】上記の例では、サンプリング速度が同じ
で、単位時間あたりの移動距離の大きさから空間分解能
に違いを出しているが、すべての羽ばたきセンシングロ
ボットＣＳが、ほぼ同じ早さで移動している場合には、
サンプリングの速度を変えることにより、空間分解能を
変える方法ということも考えられる。
【００５４】あるセンシングロボットＣＳが目的物を検
出すると、後述する方法によりベースステーションＢＳ
１０１に目的物の有無、位置情報などが伝えられる。伝
えられた情報により、ベースステーションＢＳ１０１
が、目的物に向けて徐々に移動を始める。ベースステー
ションＢＳ１０１の移動に伴い、ほぼ同心円状に存在す
るセンシングロボットＣＳも目的物に向かって移動す
る。ベースステーションＢＳに近いセンシングロボット
ＣＳほど空間分解能が高いため、ベースステーションＢ
Ｓが目的物に近づくに従い目的物検出のための位置検出
の精度あるいは障害物の大きさのセンシング情報はより
精度の高いものがベースステーションＢＳに送られる。
【００５５】あるいは、あるセンシングロボットＣＳが
目的物を検出すると、検出したロボット自身が分解能を
上げて、同時に後述する方法によりベースステーション
ＢＳ１０１に目的物の有無、位置情報などが伝えられる
ことが考えられる。つまり、検出したセンシングロボッ
トは、目的物検出後、サンプリング速度を速くすること
により空間分解能を高くするあるいは羽ばたき周波数を
落として分解能を高くする。その後、目的物検出信号が
ベースステーションＢＳに伝わることにより、ベースス
テーションＢＳからすべてのセンシングロボットＣＳに
対し、サンプリング速度を速くすることにより分解能を
高くするか、または、羽ばたき周波数を落とし分解能を
高くすることが伝達され、目的物検出後は、目的物の一
致検出の精度、または、障害物の大きさの情報のより精
度の高いものがベースステーションＢＳに送られる。
【００５６】また、たとえば、センシングロボットＣＳ
は、目的物を検出するまでは超音波センサあるいは赤外
線センサで検出を行ない、あるセンシングロボットＣＳ
が目的物を検出すると、検出したセンシングロボットＣ
Ｓは、センサの種類をＣＣＤあるいはＣＭＯＳイメージ
センサに変更し、目的物の詳細な全体画像情報を送信す
ることができる。なお、他のセンサを搭載することが可
能であれば、音声情報、温度情報、湿度情報、または、
飛行区域の雰囲気の状態（ガスの種類など）等の探索に
関する情報を送信してもよい。
【００５７】同時に後述する方法によりベースステーシ
ョンＢＳ１０１に目的物の有無、位置情報などが伝えら
れることにより、検出したセンシングロボットＣＳが属
する上位のセンシングロボットＣＳに同じように支配さ
れる、目的物の周辺のセンシングロボットＣＳのセンサ
の種類を、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳイメージセンサに変
更することにより、短時間で効率的に目的物の詳細な全
体画像情報を送付することができる。
【００５８】また、たとえば、センシングロボットＣＳ
は、目的物を検出するまではエッジ検出の画像処理を行
ない、あるセンシングロボットＣＳが目的物を検出する
と、検出したセンシングロボットＣＳは、色検出処理に
変更することも考えられる。つまり、センサのハードウ
ェアは同じで、目的物検出後は、センサ情報の処理の方
法を変える結果である。
【００５９】また、センシングロボットＣＳが、目的物
を検出せずとも、決められたセンシングロボットＣＳ群
による予め決められた面積のスキャン作業が終了するま
では、センシングロボットＣＳの空間分解能やセンサの
種類、画像処理の方法は変更せず、予め決められた面積
のスキャン作業が終了し、検出信号があった場合に同じ
場所を、センシングロボットＣＳ群で、センサの空間分
解能やセンサの種類、画像処理の方法を変更して再度目
的値の違った情報の検出作業を行なうことも考えられ
る。
【００６０】図１〜図３に示すように、ベースステーシ
ョンＢＳ１０１と複数のセンシングロボットとの間の通
信構造は、階層構造になっている。より具体的には、図
３に示すように、１つのセンシングロボットＣＳにはベ
ースステーションＢＳ１０１からの通信ルートが必ず１
つとなるツリー構造になっている。ベースステーション
ＢＳ１０１は、同心円状にベースステーションに最も近
いグループであるセンシングロボット１０２（ＣＳ１１
〜ＣＳ１ｉ）の通信を行なう。上流であるベースステー
ションＢＳからは、羽ばたきセンシングロボット１０２
（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）に対しては、羽ばたき周波数、
方向などの羽ばたきの変更点が送信される。下流である
センシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）から
は、目的物の有無、位置情報などがベースステーション
ＢＳに送信される。
【００６１】次に、センシングロボット１０２（ＣＳ１
１〜ＣＳ１ｉ）は、隣で接しているグループであるセン
シングロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）と通信を
行なう。上流であるセンシングロボット１０２（ＣＳ１
１〜ＣＳ１ｉ）からは、センシングロボット１０３（Ｃ
Ｓ２１〜ＣＳ２ｊ）に対して、ベースステーションＢＳ
１０１からセンシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ
１ｉ）に送信されたセンシングロボット１０３（ＣＳ２
１〜ＣＳ２ｊ）用の羽ばたき周波数、方向などの羽ばた
きの変更点が送信される。逆に下流であるセンシングロ
ボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）からは、目的物の
有無、位置情報などがセンシングロボット１０２（ＣＳ
１１〜ＣＳ１ｉ）に送信される。
【００６２】次に、センシングロボット１０３（ＣＳ２
１〜ＣＳ２ｊ）は、隣で接しているグループであるセン
シングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）と通信を
行なう。上流であるセンシングロボット１０３（ＣＳ２
１〜ＣＳ２ｊ）からは、センシングロボット１０４（Ｃ
Ｓ３１〜ＣＳ３ｋ）に対して、ベースステーションＢＳ
１０１からセンシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ
１ｉ）を介してセンシングロボット１０３（ＣＳ２１〜
ＣＳ２ｊ）に送信されたセンシングロボット１０４（Ｃ
Ｓ３１〜ＣＳ３ｋ）用の羽ばたき周波数、方向などの羽
ばたきの変更点が送信される。逆に下流であるセンシン
グロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）からは、目的
物の有無、位置情報などが上位のセンシングロボット１
０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）に送信される。
【００６３】つまり、目的物がセンシングロボットＣＳ
３１の探索域で検出された場合、検出信号が上位のセン
シングロボットＣＳ２１に伝えられ、センシングロボッ
トＣＳ２１からより上位のセンシングロボットＣＳ１１
に伝えられる。そして、最後のセンシングロボットＣＳ
１１からベースステーションＢＳに目的物の検出が伝え
られる。ベースステーションＢＳの通信強度は、すべて
の羽ばたきセンシングロボットＣＳの通信エリアをカバ
ーする通信強度である必要がなく、ベースステーション
を取巻く同心円状の最も近いグループのセンシングロボ
ットＣＳ群のみの通信を確保できる通信強度さえあれば
よい。よって、すべてのセンシングロボットとの通信を
確保できる通信強度に比べ、弱い通信強度でよく、通信
のための消費電力が少なくて済む。
【００６４】羽ばたきセンシングロボットＣＳ１１とベ
ースステーションＢＳとの通信強度が予め決められた強
度を下回った場合、羽ばたきセンシングロボットＣＳ１
１は、通信強度が再度予め定められたレベルを超えるま
で、ベースステーションＢＳ側に移動する。同様に上位
の羽ばたきセンシングロボットＣＳがセンシングロボッ
ト１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１４）であり、下流の羽ばた
きセンシングロボットＣＳがセンシングロボット１０３
（ＣＳ２１〜ＣＳ２４）である場合であっても同様に、
通信強度が再度予め定められたレベルを超えるまで、セ
ンシングロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２４）が移動
する。
【００６５】また、上記の例では、下位用のセンシング
ロボットＣＳは通信強度が予め定められたレベルより強
くなるまで移動したが、階層構造において互いに上下と
なる層のセンシングロボットＣＳ同士の間の通信強度ま
たはベースステーションＢＳとセンシングロボットＣＳ
との間の通信強度が略同一となるように定めておき、互
いの通信強度が予め決められたレベルを下回った場合に
は、センシングロボットＣＳとその上位のセンシングロ
ボットＣＳとのお互いの通信強度をある基準値になるま
で上げることにより、上位にあるセンシングロボットと
そのセンシングロボットＣＳの支配下にある下位のセン
シングロボットＣＳとの間の通信強度を確保してもよ
い。
【００６６】図２において、本実施の形態の群ロボット
システムの、ベースステーション、センシングロボット
およびフェロモンロボットの階層構造およびその位置の
関係を示す。
【００６７】ベースステーションＢＳを中心として、ベ
ースステーションＢＳの通信範囲を示す円内（ＢＣ２）
に、ベースステーションＢＳが支配するセンシングロボ
ットＣＳ１ｉが存在する。次に、センシングロボットＣ
Ｓ１ｉを中心として、センシングロボットＣＳ１ｉの通
信範囲を示す円内（Ｃ１）にセンシングロボットＣＳ１
ｉが支配するセンシングロボットＣＳ２ｊが存在する。
【００６８】同じように、センシングロボットＣＳ２ｊ
を中心として、センシングロボットＣＳ２ｊの通信範囲
を示す円内（Ｃ２）に、センシングロボットＣＳ２ｊが
支配するセンシングロボットＣＳ３ｋが存在する。セン
シングロボットＣＳ２ｊの通信支配円内には、ＣＳ２ｊ
が支配する複数のセンシングロボットＣＳ３ｋが存在す
ることになる。
【００６９】センシングロボットＣＳ３ｋが、最も外側
に位置するセンシングロボットＣＳである場合には、セ
ンシングロボットＣＳ３ｋは、フェロモンロボットＦＥ
にも支配されることになる。つまり、センシングロボッ
トＣＳ３ｋは、フェロモンロボットを中心として、フェ
ロモンロボットＦＥの通信範囲を示す円内（ＦＣ２）に
存在する。
【００７０】フェロモンロボットＦＥとベースステーシ
ョンＢＳの通信強度は、他の通信強度に比べて大きなパ
ワーで通信を行なっている。上記のフェロモンロボット
ＦＥは、ベースステーションＢＳを中心にした場合、基
本的に探索分割区域の最も外側に存在する。フェロモン
ロボットＦＥはベースステーションＢＳを中心として、
ベースステーションＢＳとフェロモンロボットＦＥ用の
強い通信範囲を示す円内（ＢＣ１）に存在する。フェロ
モンロボットＦＥからベースステーションＢＳへの通信
範囲は、全方位をカバーする必要がないため指向性が強
い楕円型になる（ＦＣ１）。
【００７１】フェロモンロボットＦＥ群１０５について
説明する。フェロモンロボットＦＥ群１０５は、ベース
ステーションＢＳ１０１を中心にした場合、センシング
ロボット群１００の外側に位置し、センシングロボット
ＣＳの移動制御用であり、また、探索範囲を決定するロ
ボットである。つまり、センシングロボットＣＳは、ベ
ースステーションＢＳ１０１とフェロモンロボットＦＥ
１０５との間に存在することになる。フェロモンロボッ
トＦＥ１０５の上位のロボットは、ベースステーション
ＢＳ１０１であり、下位のロボットは、ベースステーシ
ョンＢＳ１０１の同心円状で最も外側に位置するセンシ
ングロボット群１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）である。
【００７２】例では、センシングロボット群１０４（Ｃ
Ｓ３１〜ＣＳ３ｋ）である。フェロモンロボットＦＥ１
０５と下流であるセンシングロボット１０４（ＣＳ３１
〜ＣＳ３ｋ）との通信強度は、ベースステーションＢＳ
とセンシングロボットＣＳおよびセンシングロボットＣ
Ｓ同士の間の通信強度と同じであるが、フェロモンロボ
ットＦＥ１０５とベースステーションＢＳ１０１との通
信強度は、他の通信強度に比べて大きなパワーで通信を
行なっている。
【００７３】たとえば、本実施の形態の群ロボットシス
テムにおいては、フェロモンロボットＦＥとベースステ
ーションＢＳとの最大通信距離が、ベースステーション
ＢＳと階層構造の最上層にあるセンシングロボット（Ｃ
Ｓ１１〜ＣＳ１ｉ）との間の最大通信距離と、フェロモ
ンロボットＦＥと階層構造の最下層にあるセンシングロ
ボット（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）との間の最大通信距離
と、複数のセンシングロボットＣＳ同士の間の最大通信
距離の和とを加えた距離よりも大きくなるように設定す
ることが好ましい。それにより、階層構造の最下層のセ
ンシングロボット（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）までのベース
ステーションＢＳからの通信可能距離を直線にして、そ
れぞれが有する通信距離を最大限利用して、効率的にセ
ンシングロボットＣＳを使用することができる。
【００７４】ベースステーションＢＳ１０１は、ベース
ステーションＢＳ１０１を中心としたほぼ同心円状の探
索部分の外径部分に、フェロモンロボットＦＥｎを配置
し、探索部分を決定する。次に、階層構造の数に応じ
て、同心円状の階層範囲を決定する。次に、階層の中の
羽ばたきセンシングロボットの数に応じたセルの範囲
（階層構造における同層のセンシングロボットそれぞれ
の探索範囲）を決定し、センシングロボットの探索空間
分解能を決定する。最後に下位操作による同心円の半径
の差、同心円で表されたセンシングロボット各々が探索
する範囲を規定するセルのセル面積に応じたベースステ
ーションＢＳとセンシングロボットＣＳおよびセンシン
グロボットＣＳ同士間の通信強度を決定する。
【００７５】探索区域を変更する場合、ベースステーシ
ョンＢＳ１０１は、ベースステーションＢＳ１０１の移
動距離と移動方向とを、まず、フェロモンロボットＦＥ
１０５に通信する。その後、ベースステーションＢＳ１
０１は、センシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１
ｉ）に移動距離と方向を送信する。それにより、図１の
矢印の方向にベースステーションＢＳ１０１が移動する
ことに伴って、群ロボットシステム全体が図１の矢印の
方向に移動することになる。
【００７６】より具体的には、ベースステーションＢＳ
から群ロボットシステム全体の移動を示す信号を受信し
たセンシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）
は、移動距離と移動方向とを、下位のセンシングロボッ
ト１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）に送信後に、図１の矢
印の方向に自らが移動する。一方、フェロモンロボット
ＦＥ１０５は、移動距離と移動方向とを最下位のセンシ
ングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）に送信後、
ベースステーションＢＳと同じように図１の矢印の方向
に移動する。
【００７７】このように、探索空間を変更する場合、ベ
ースステーションＢＳからセンシングロボットＣＳ、上
位のセンシングロボットＣＳから下位のセンシングロボ
ットＣＳへの上流から下流への移動情報の伝達と、フェ
ロモンロボットＦＥからセンシングロボットＣＳ、下位
のセンシングロボットＣＳから上位のセンシングロボッ
トＣＳへの下流から上流への移動情報の伝達がほぼ同時
に流れる。
【００７８】探索エリアの最も外側に位置するフェロモ
ンロボット１０５は、センシングロボットの最も外側に
あるグループ（すなわち、階層構造の最下層）のセンシ
ングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）を直接の管
理下に置く。フェロモンロボットＦＥは、ＰＮ符号で特
定されるセンシングロボットＦＥを常に通信圏内に置
く。
【００７９】たとえば、監視下の羽ばたきセンシングロ
ボットＣＳ３ｋとフェロモンロボットＦＥ１０５との通
信強度が予め定められたレベルを下回った場合、羽ばた
きセンシングロボットＣＳ３ｋは、通信強度が再度予め
決められたレベルを超えるまで、フェロモンロボットＦ
Ｅ側１０５に移動する。また、フェロモンロボット１０
５は、ベースステーションＢＳ１０１の監視下にあるた
め、通信の同期遅延によりベースステーションＢＳから
の距離を制御し、常にベースステーションＢＳ１０１か
らの決められた距離をほぼ守ることができる。その結
果、群全体の探索エリアを、常に同じように定めること
ができる。
【００８０】図３において、階層構造の通信体系におけ
る信号の流れを示す。図の実線は、動き制御信号（ダウ
ンストリーム）、検出信号（アップストリーム）、点線
は電力信号を示す。
【００８１】羽ばたきセンシングロボットとベースステ
ーションとの間、羽ばたきセンシングロボット同士の間
の通信は、双方向通信である。上流から下流への信号
は、ロボット羽ばたき周波数、方向などのセンシングロ
ボットの動き制御信号あるいはセンサ制御のための制御
信号である。下流から上流への信号は、目的物の有無、
位置情報などの検出信号である。また、コントロールす
る上流ロボットとコントロールされる下流ロボットとの
通信における連鎖の関係は、１対多あるいは１対１、す
なわち、全体としてツリー構造の通信ルートとなるよう
になっている。これにより、ベースステーションＢＳか
らのそれぞれのセンシングロボットＣＳへの通信ルート
が必ず１つになるようになるため、通信系統の混乱が生
じ難くなっている。
【００８２】ベースステーションＢＳとフェロモンロボ
ットＦＥとの間の通信も、双方向通信である。ベースス
テーションＢＳからフェロモンロボットＦＥへの信号
は、ベースステーションＢＳの移動の早さ、方向信号で
ある。フェロモンロボットＦＥは、この信号に基づき、
自身の移動の早さおよび方向を決定し、センシングロボ
ットＣＳに羽ばたき周波数、方向などの制御信号を送信
する。フェロモンロボットＦＥからベースステーション
ＢＳへの信号は、受信電力測定用の信号である。
【００８３】ベースステーションＢＳでフェロモンロボ
ットＦＥからの送信信号を受信し、その電力を測定する
ことにより、間接的にベースステーションＢＳとフェロ
モンロボットＦＥとの間の距離の大きさを想定し、電力
の大きさにより、フェロモンロボットＦＥを近づけさせ
たりベースステーションＢＳからフェロモンロボットＦ
Ｅへの送信信号を強くしたりする。また、ベースステー
ションＢＳとフェロモンロボットＦＥとの数の関係は１
対多あるいは１対１である。
【００８４】フェロモンロボットＦＥと羽ばたきセンシ
ングロボットＣＳとの間の通信も、双方向通信である。
フェロモンロボットＦＥからセンシングロボットＣＳへ
の信号は、ロボットの羽ばたき周波数および方向などの
センシングロボットＣＳの動き制御信号あるいはセンサ
制御のための制御信号である。羽ばたきセンシングロボ
ットＣＳからフェロモンロボットＦＥへの信号は、受信
電力測定用の信号である。
【００８５】フェロモンロボットＦＥでセンシングロボ
ットＣＳからの送信信号を受信し、その電力を測定する
ことにより、間接的にフェロモンロボットＦＥとセンシ
ングロボットＣＳとの間の距離の大きさを想定し、電力
の大きさより、センシングロボットＣＳをフェロモンロ
ボットＦＥに近づけさせたりする。また、フェロモンロ
ボットＦＥとセンシングロボットＣＳとの数の関係は、
１対多あるいは１対１である。
【００８６】図４に、階層構造の群ロボットシステムに
おけるロボット群の移動手順の例をフローで示す。
【００８７】まず、動き制御信号の流れを図４（ａ）を
用いて説明する。この図４（ａ）において、横の実線は
動き制御信号の流れを示すものであり、点線は電力信号
の流れを示すものであり、縦の実線は時間遅延を示すた
めのものである。
【００８８】最初に、ベースステーションＢＳからセン
シングロボットＣＳ１１とセンシングロボットＣＳ１２
に、羽ばたきセンシングロボットとしての羽ばたき周波
数、方向などのセンシングロボットＣＳの動き制御信
号、または、センサ制御のための制御信号が伝えられ
る。同時に、ベースステーションＢＳからフェロモンロ
ボットＦＥにベースステーションＢＳの移動の速さ、方
向が伝えられる。フェロモンロボットＦＥからベースス
テーションＢＳには、ベースステーションＢＳとフェロ
モンロボットＦＥとの間の距離測定用の電力測定用の信
号が送られる。
【００８９】次に、センシングロボットＣＳ１１は、セ
ンシングロボットＣＳ２０、ＣＳ２１に、羽ばたきセン
シングロボットとしての羽ばたき周波数および方向など
のセンシングロボットの動き制御信号、または、センサ
制御のための制御信号を伝える。センシングロボットＣ
Ｓ１２は、センシングロボットＣＳ２２に、ロボットの
羽ばたき周波数および方向などのセンシングロボットＣ
Ｓの動き制御信号あるいはセンサ制御のための制御信号
を伝える。
【００９０】また、フェロモンロボットＦＥ１は、セン
シングロボットＣＳ３０、ＣＳ３１に、羽ばたきセンシ
ングロボットとしての羽ばたき周波数および方向などの
センシングロボットＣＳの動き制御信号あるいはセンサ
制御のための制御信号を伝える。
【００９１】フェロモンロボットＦＥ２は、センシング
ロボットＣＳ３２、ＣＳ３３、ＣＳ３４に、羽ばたきロ
ボットとしての羽ばたき周波数および方向などのセンシ
ングロボットＣＳの動き制御信号あるいはセンサ制御の
ための制御信号を伝える。センシングロボットＣＳ３
０、ＣＳ３１からフェロモンロボットＦＥ１には、セン
シングロボットＣＳ３０、ＣＳ３１とフェロモンロボッ
トＦＥ１間の距離測定用の電力測定用の信号が送られ
る。
【００９２】センシングロボットＣＳ３２、ＣＳ３３、
ＣＳ３４からフェロモンロボットＦＥ２には、センシン
グロボットＣＳ３２、ＣＳ３３、ＣＳ３４とフェロモン
ロボットＦＥ２間の距離測定用の電力測定用の信号が送
られる。
【００９３】最後に、センシングロボットＣＳ２０は、
センシングロボットＣＳ３０、ＣＳ３１に、ロボットの
羽ばたき周波数および方向などのセンシングロボットの
動き制御信号またはセンサ制御のための制御信号を伝え
る。センシングロボットＣＳ２１は、センシングロボッ
トＣＳ３２、ＣＳ３３、ＣＳ３４に、ロボットの羽ばた
き周波数および方向などのセンシングロボットＣＳの動
き制御信号またはセンサ制御のための制御信号を伝え
る。
【００９４】次に、図４（ｂ）を用いて検出信号の流れ
を説明する。図４（ｂ）において、横の実線は検出信号
の流れを示すものであり、縦の実線は時間遅延を示すた
めのものである。
【００９５】まず、センシングロボットＣＳ３０、ＣＳ
３１からのセンシングロボットＣＳ２０に目的物の有
無、位置情報などの検出信号が伝えられる。センシング
ロボットＣＳ３２、ＣＳ３３、ＣＳ３４からのセンシン
グロボットＣＳ２１に、目的物の有無、位置情報などの
検出信号が伝えられる。
【００９６】次に、センシングロボットＣＳ２０からセ
ンシングロボットＣＳ１１に目的物の有無、位置情報な
どの検出信号が伝えられる。センシングロボットＣＳ２
１、ＣＳ２２からセンシングロボットＣＳ１２に、目的
物の有無および位置情報などの検出信号が伝えられる。
【００９７】最後に、センシングロボットＣＳ１１、Ｃ
Ｓ１２からベースステーションＢＳに、目的物の有無お
よび位置情報などの検出信号が伝えられる。
【００９８】例では、センシングロボットＣＳ３ｋの層
から、情報が上がってきているが、センシングロボット
ＣＳ２ｊ、ＣＳ１ｉの層で目的物を検出した場合には、
当然その検出した層から情報が始まり、ベースステーシ
ョンＢＳに情報が上がってくる。
【００９９】なお、羽ばたきセンシングロボットＣＳと
ベースステーションＢＳとの間、羽ばたきセンシングロ
ボットＣＳ同士の間、ベースステーションＢＳとフェロ
モンロボットＦＥとの間の通信方式は、同期通信方式で
あるスペクトラム拡散通信方式により行なう。このスペ
クトラム拡散通信方式を、図５および図６に基づいて説
明すれば以下のとおりである。
【０１００】本実施の形態の群ロボットシステムのロボ
ット群は、基本的に同期確定のためのＡ層、上流ロボッ
トとの通信のためのＢ層、下流ロボットの通信のための
Ｃ層の３層の通信層を持っている。Ａ層のＰＮ符号につ
いては、ベースステーション１０１、センシングロボッ
トＣＳ群１０２，１０３，１０４、フェロモンロボット
ＦＥ１０５のいずれも同じ符号０である。符号０は、た
とえば、２５６タップのＰＮ（Pseudorandom Noise）符
号の１つであるとする。
【０１０１】まず、ベースステーションＢＳ１０１と下
流のセンシングロボット群１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１
ｉ）との通信を説明する。ベースステーションＢＳ１０
１はＡ層の通信として、スペクトラム拡散によりＰＮ符
号０を、センシングロボット群１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ
１ｉ）に通信する。センシングロボット１０２（ＣＳ１
１〜ＣＳ１ｉ）は、受信波に同じＰＮ符号である符号０
を乗算することにより逆拡散する。マッチドフィルタな
どにより逆拡散することにより、ＰＮ符号を１周期分逆
拡散すると、必ずＰＮ符号がマッチする同期点が見つか
る。
【０１０２】図５のが、ベースステーションＢＳ１０
１の同期時間とすると、センシングロボット群１０２
（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）での同期点（時間）が、のよ
うに、ベースステーションＢＳ１０１とセンシングロボ
ット群１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）との距離分だけ遅
れた時間でマッチドフィルタのピークがあり、同期が見
つかる。
【０１０３】同様にして、センシングロボット群１０２
（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）が、Ａ層の通信として、スペク
トラム拡散によりＰＮ符号０を、センシングロボット群
１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）に送信する。ベースステ
ーションＢＳ１０１とセンシングロボット群１０３（Ｃ
Ｓ２１〜ＣＳ２ｊ）との間の距離は、ベースステーショ
ンＢＳ１０１とセンシングロボット１０２（ＣＳ１１〜
ＣＳ１ｉ）との間の距離に、センシングロボット１０２
（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）とセンシングロボット１０３
（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）との間の距離が加算されるた
め、センシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）
よりもさらに遅れたセンシングロボット１０３（ＣＳ２
１〜ＣＳ２ｊ）の同期点は、図５のになる。
【０１０４】また、同様にして、センシングロボット群
１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）はＡ層の通信としてスペ
クトラム拡散によりＰＮ符号０を、センシングロボット
１０４群（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）に通信する。ベースス
テーションＢＳ１０１と、センシングロボット群１０４
（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）の距離は、ベースステーション
ＢＳ１０１とセンシングロボット１０３（ＣＳ２１〜Ｃ
Ｓ２ｊ）の距離に、センシングロボット１０３（ＣＳ２
１〜ＣＳ２ｊ）とセンシングロボット１０４（ＣＳ３１
〜ＣＳ３ｋ）との間の距離が加算されるため、センシン
グロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）よりもさらに
遅れたセンシングロボット群１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３
ｋ）の同期点は、図５のになる。
【０１０５】ベースステーションＢＳ１０１と、後で説
明する移動制御用のフェロモンロボットＦＥ１０５の距
離は、ベースステーションＢＳ１０１とセンシングロボ
ットＣＳ群１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）との間の距離
よりも大きいため、センシングロボットＣＳ群１０４
（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）よりもさらに遅れたフェロモン
ロボット１０５の同期点は、図５のになる。
【０１０６】上記の各々のロボットの同期点の確定は、
断続的に繰返され、同期点は常に更新される。センシン
グロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）の同期点は、
図５のになる。
【０１０７】センシングロボット１０２（ＣＳ１１〜Ｃ
Ｓ１ｉ）は、上流であるベースステーションＢＳ１０１
との通信の確立用に、Ｂ層のＰＮ符号１０により逆拡
散、復調する。Ｂ層のＰＮ符号の同期点は、Ａ層の符号
０により確定された図５のである。また、センシング
ロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）のＢ層のＰＮ符
号１０は、ベースステーションＢＳ１０１の下流のセン
シングロボットとの通信確立用のＣ層のＰＮ符号１０と
同じである。つまり、ベースステーションＢＳ１０１の
Ｃ層と同じＰＮ符号１０を、Ｂ層で使っているセンシン
グロボット（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）群１０２のみが、ベ
ースステーションＢＳと通信することができる。
【０１０８】図６の例では、ＣＳ１（ｉ−２）、ＣＳ１
（ｉ−１）、ＣＳ１ｉのＢ層は、符号１０であるため、
ベースステーションＢＳと通信ができるが、Ｂ層のＰＮ
符号が符号１０でないセンシングロボットＣＳは、符号
１０との相関ピークが検出されないためベースステーシ
ョンＢＳとは通信できない。
【０１０９】センシングロボット１０２（ＣＳ１１〜Ｃ
Ｓ１ｉ）には、下流であるセンシングロボット１０３
（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）との通信の確立用に、Ｃ層のＰ
Ｎ符号２０、符号２１、符号２２により逆拡散、復調す
る。Ｃ層のＰＮ符号の同期点は、Ａ層の符号０により確
定された図５のである。また、センシングロボット１
０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）のＣ層のＰＮ符号２０，２
１，２２は、センシングロボット１０３（ＣＳ２１〜Ｃ
Ｓ２ｊ）の上流のセンシングロボットとの通信の確立用
のＢ層のＰＮ符号２０，２１，２２と同じである。
【０１１０】つまり、センシングロボット１０３（ＣＳ
２１〜ＣＳ２ｊ）のＢ層と同じＰＮ符号を、Ｃ層で使っ
ているセンシングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１
ｉ）のみが、下流であるセンシングロボット１０３（Ｃ
Ｓ２１〜ＣＳ２ｊ）と通信することができる。たとえ
ば、ＣＳ１（ｉ−２）が、ＣＳ２（ｊ−３）と、ＣＳ２
（ｊ−２）と通信可能であり、ＣＳ１（ｉ−１）が、Ｃ
Ｓ２（ｊ−１）と通信可能であり、ＣＳ１ｉは、ＣＳ２
ｊと通信可能である。
【０１１１】センシングロボット１０３（ＣＳ２１〜Ｃ
Ｓ２ｊ）の同期点は、図５のになる。センシングロボ
ット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）は、上流であるセン
シングロボット１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）との通信
の確立用に、Ｂ層のＰＮ符号２０，２１，２２により逆
拡散、復調する。Ｂ層のＰＮ符号の同期点は、Ａ層の符
号０により確立された図５のである。センシングロボ
ット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）とセンシングロボッ
ト１０２（ＣＳ１１〜ＣＳ１ｉ）の通信については、前
述で説明しているためここでは省略する。
【０１１２】センシングロボット１０３（ＣＳ２１〜Ｃ
Ｓ２ｊ）は、下流であるセンシングロボット１０４（Ｃ
Ｓ３１〜ＣＳ３ｋ）との通信の確立用に、Ｃ層のＰＮ符
号３１，３２，３３により逆拡散、復調する。Ｃ層のＰ
Ｎ符号の同期点は、Ａ層の符号０により確立された図５
のである。また、センシングロボット１０３（ＣＳ２
１〜ＣＳ２ｊ）のＣ層のＰＮ符号３０，３１，３２，３
３は、センシングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３
ｋ）の上流のセンシングロボットＣＳの通信の確立用の
Ｂ層のＰＮ符号３０，３１，３２と同じである。
【０１１３】つまり、センシングロボット１０４（ＣＳ
３１〜ＣＳ３ｋ）のＢ層と同じＰＮ符号を、Ｃ層で使っ
ているセンシングロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２
ｊ）のみが、下流であるセンシングロボット１０４（Ｃ
Ｓ３１〜ＣＳ３ｋ）と通信することができる。たとえ
ば、ＣＳ２（ｊ−３）は、ＣＳ３（ｋ−３）、ＣＳ３
（ｋ−２）、ＣＳ３（ｋ−１）と通信可能であり、ＣＳ
２（ｊ−２）は、ＣＳ３ｋと通信可能であり、ＣＳ１ｉ
は、ＣＳ２ｊと通信可能である。
【０１１４】センシングロボット１０４（ＣＳ３１〜Ｃ
Ｓ３ｋ）の同期点は、図５のになる。センシングロボ
ット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）は、上流であるセン
シングロボット１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）との通信
の確立用に、Ｂ層のＰＮ符号３０，３１により逆拡散お
よび復調する。Ｂ層のＰＮ符号の同期点は、Ａ層の符号
０により確立された図５のである。センシングロボッ
ト１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）とセンシングロボット
１０３（ＣＳ２１〜ＣＳ２ｊ）の通信については、前述
で説明しているためここでは省略する。
【０１１５】フェロモンロボットＦＥ１０５は、上流で
あるベースステーションＢＳ１０１と通信の確立用に、
Ｂ層のＰＮ符号１０により逆拡散および復調する。Ｂ層
のＰＮ符号の同期点は、Ａ層の符号０により確定された
図５のである。Ａ層の同期のためのＰＮ符号は他のセ
ンシングロボットＣＳと同じ符号０である。Ｂ層のＰＮ
符号１０は、ベースステーションＢＳの下流のセンシン
グロボットＣＳとの通信の確立用のＣ層のＰＮ符号１０
と同じである。Ｂ層のＰＮ符号が符号１０でない場合
は、フェロモンロボットＦＥは、ベースステーションＢ
Ｓの符号１０と相関ピークが検出されないため、ベース
ステーションＢＳと通信できなくなる。
【０１１６】フェロモンロボットＦＥｎには、下流であ
るセンシングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）と
の通信の確立用に、Ｃ層のＰＮ符号４０により逆拡散お
よび復調する。Ｃ層のＰＮ符号の同期点は、Ａ層の符号
０により確立された図５のである。また、フェロモン
ロボットＦＥｎのＣ層のＰＮ符号４０は、最も外側に位
置するセンシングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３
ｋ）とフェロモンロボットＦＥの通信確立用のＣ層のＰ
Ｎ符号４０と同じである。
【０１１７】つまり、センシングロボット１０４（ＣＳ
３１〜ＣＳ３ｋ）のＣ層と同じＰＮ符号を、Ｃ層で使っ
ているフェロモンロボットＦＥｎのみが、下流であるセ
ンシングロボット１０４（ＣＳ３１〜ＣＳ３ｋ）と通信
することができる。図６の例では、フェロモンロボット
ＦＥｎは、センシングロボットＣＳ３（ｋ−３）、ＣＳ
３（ｋ−２）、ＣＳ３（ｋ−１）と通信可能であり、Ｃ
Ｓ３ｋとは拡散符号が違うため通信できない。
【０１１８】なお、スペクトラム拡散通信の詳細につい
ては、著者：山内雪路、出版局：東京電機大学出版局の
スペクトラム拡散通信（次世代高性能化に向けて）に記
載されており、本実施の形態のスペクトラム拡散通信に
おいては、一例として本願の発明者らにより発明された
スペクトラム拡散通信装置（特開平１１−１６８４０７
号公報）を適用することとする。
【０１１９】次に、上記の群ロボットシステムに用いる
羽ばたきセンシングロボット１体を制御するための制御
システム（羽ばたきセンシングロボット１体とベースス
テーションとの関係）を説明する。なお、ここでは、ベ
ースステーションＢＳによるセンシングロボットＣＳの
制御の一例として、ベースステーションＢＳが直接セン
シングロボットＣＳを制御する場合のみを示すが、ベー
スステーションＢＳが階層構造の上層のセンシングロボ
ットＣＳを介して下層のセンシングロボットＣＳを制御
する場合には、以下の例で示す制御信号を用いて、より
上層のセンシングロボットＣＳからより下層のセンシン
グロボットＣＳへと羽ばたき動作等に関する制御信号が
伝達されるとともに、より下層のセンシングロボットＣ
Ｓからより上層のセンシングロボットＣＳへとセンサに
より得られた信号が伝達される。
【０１２０】（システム構成）まず、本実施の形態の羽
ばたきセンシングロボット１体におけるシステムの構成
を、図７を用いて説明する。
【０１２１】本実施の形態における羽ばたきセンシング
ロボットの制御システムは、たとえば、図２に示す探索
区域Ｃの一例としての作業空間９２と、作業空間９２に
配置された、この空間内を浮上移動することができ、こ
の空間内における物理量を取得もしくは変更できる羽ば
たきセンシングロボットＣＳの一例としてのロボット９
０と、ロボット９０と情報を交換できるベースステーシ
ョンＢＳの一例としてのベースステーション９１とから
なる。
【０１２２】以下においては、たとえば、本発明の探索
の対象物を人として説明する。たとえば、本実施の形態
の羽ばたきセンシングロボットＣＳの一例としてのロボ
ット９０は、自身に搭載された赤外線センサによって赤
外線量を取得することによって、探索対象としての人９
３を検出し、検出された人９３に対して発光ダイオード
８を用いて可視光を照射することによって人９３に何ら
かの情報を報知することが可能である。
【０１２３】（本実施の形態の羽ばたきセンシングロボ
ットの詳細な説明） （ロボット９０の説明） （主要な構成と主要な機能）まず、本発明のセンシング
ロボットの一例としてのロボット９０の主要な構成につ
いて図８を用いて説明する。
【０１２４】図８に示すように、ロボット９０は支持構
造１を主構造とし、これに各構成部品が配されている。
支持行動１の上部には、右アクチュエータ２１と左アク
チュエータ２２とが固定されている。右アクチュエータ
２１には右羽根３１が取付けられ、左アクチュエータ２
２には左羽根３２が取付けられている。また、下部に電
極６１が配されている。
【０１２５】各アクチュエータ２１，２２はそれぞれ取
付けられた羽３１，３２をアクチュエータの支点をほぼ
中心として３自由度をもって回転させることができる。
各アクチュエータ２１，２２の回転は、支持構造１に搭
載された制御回路４によって制御される。各アクチュエ
ータの詳細な構造については後述する。
【０１２６】なお、図８の状態におけるロボット９０の
重心Ｏは、左右アクチュエータ２１，２２の回転中心の
中点Ａ０よりも鉛直下方にある。また、支持構造１に
は、加速度センサ５１、角加速度センサ５２、および、
焦電型赤外線センサ５３が搭載されている。また、支持
構造１には通信装置７が配されている。通信装置７はベ
ースステーション９１との情報の送受信を行なう。
【０１２７】制御装置４では、加速度センサ５１および
角加速度センサ５２から送られてくる情報によって羽ば
たきセンシングロボットとしのロボット９０の浮上の状
態が検知されるとともに、焦電型赤外線センサ５３から
送られてくる情報によって、焦電型赤外線センサ検出領
域５３１内における発熱源の情報が取得される。そし
て、これらの情報が、通信装置７を介してベースステー
ション９１に送信される。
【０１２８】また、制御装置４は支持構造１に配された
発光ダイオード８のＯＮ／ＯＦＦを制御する。また、通
信装置７はベースステーションからの指示信号を受信す
る。制御装置４は、この指示信号に応じて各アクチュエ
ータ２１，２２や発光ダイオード８の動作を算出し、そ
れぞれの駆動を決定する。左右アクチュエータ２１，２
２、制御装置４、センサ５１〜センサ５３、通信装置
７、発光ダイオード８などの駆動動力は電源６により供
給される。
【０１２９】電源６は、２次電池であり、電極６１を経
由して供給される電力によって充電される。また、電極
６１は、位置決めピンの役割も兼ねており、ベースステ
ーション９１における位置決め穴に決まった姿勢で定位
が可能である。
【０１３０】なお、図７においては、電極６１は、正
極、負極の２本のピンからなっているが、充電状態検出
用ピンなどを含む３本以上のピンからなる構成も可能で
ある。
【０１３１】（支持構造）次に、支持構造１について図
８を用いてより詳細に説明する。
【０１３２】支持構造１は、機械的強度を確保した上で
十分軽量であることが好ましい。この羽ばたきセンシン
グロボットとしてのロボット９０の支持構造１では、ほ
ぼ球殻状に整列したポリエチレンテレフタレート（ＰＥ
Ｔ）が用いられている。支持構造１下部には、着地の際
に転倒せぬよう、支持脚１１が配されている。この支持
脚１１は、着地時の安定性が確保されるか、もしくは、
着地時の安定性が機能的に問題にならないのであればこ
れは必須ではない。
【０１３３】また、支持構造１の材料や形状は飛行に性
能を損なわないならば、図８に示すものに限られるもの
ではない。支持構造１の材料は特に、軽量で剛性が高い
ことが望ましい。
【０１３４】たとえば、カニやエビなどの生物に使われ
ているキトサンなどの有機物と、シリカゲルなどの無機
物とを分子レベルでハイブリッド化した複合材料を用い
ることにより、カニやエビの外骨格が持っている軽くて
丈夫な性質を持ってはいるが、形状加工が容易で、生物
が本来持っている最適な組成値をそのまま転用すること
ができる。また、環境に対しても害が少ない。
【０１３５】また、貝殻の材料である炭酸カルシウムを
前述のキトサンの代わりに用いることでも、剛性の高い
支持構造を構築することができる。
【０１３６】また、アクチュエータや羽根の配置形状に
ついても、本実施の形態に示した態様に限られるもので
はない。
【０１３７】特に、本実施の形態では、浮上の安定性を
重視して、自然に図８に示した姿勢となるように、重心
の位置を羽根の力学的作用中心点よりも下に位置させた
が、重心と力学的作用点の位置とを一致させる方が姿勢
制御に必要な左右の羽根の流体力の差が最も小さくて済
むので、ロボット９０の姿勢を容易に変更することがで
きる。よって、アプリケーションによってはこのような
姿勢制御の容易さを優先した設計も考えられる。
【０１３８】（浮上機構） （羽根とその動作）次に、羽根とその動作について図９
〜図１１を用いて説明する。
【０１３９】説明の簡便のため、図８における座標系を
定義する。まず、支持構造１のほぼ中央を原点とする。
また、重力加速度の方向を下方向、その逆を上方向とす
る。原点から上方向に向かってｚ軸を定義する。次に、
右アクチュエータ２１の形状中心と左アクチュエータ２
２の形状中心とを結ぶ方向を左右方向とし、原点から左
羽根に向かってｙ軸を定義する。また、原点からｙ軸と
ｚ軸との右手系における外積方向にｘ軸を定義し、以後
これを前方、その反対方向を後方と称する。
【０１４０】また、図８は、右羽根３１の右アクチュエ
ータ２１に対する力学的作用点Ａ１と、左羽根３２の左
アクチュエータ２２に対する力学的作用点Ａ２の中点Ａ
０から重力加速度方向に下ろした線上に羽ばたきセンシ
ングロボットの一例としてのロボット９０の重心Ｏが位
置する状態である。本実施の形態においては、左アクチ
ュエータのロータ２２９はほぼ球状であり、主軸３２１
の延長線上にこのロータ２２９の球心が位置するように
左羽根３２が配置されている。左アクチュエータ２２に
対する力学的作用点Ａ２および主軸３２１の回転運動の
支点はこの球心に位置している。右アクチュエータ２１
についても同様である。
【０１４１】以後、前述したｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は図８の
状態において支持構造１に対して固定された、ロボット
９０固有の座標系であるとする。
【０１４２】一方、ロボット９０の固定された座標系に
対して、空間に固定された任意の点を原点とする空間座
標としてｘ′軸、ｙ′軸およびｚ′軸を定義する。これ
により、ロボット９０が移動する作業空間９２の座標は
ｘ′軸、ｙ′軸およびｚ′軸のそれぞれの座標を用いて
表わされ、ロボット９０における固有の座標はｘ軸、ｙ
軸およびｚ軸のそれぞれの座標を用いて表わされる。
【０１４３】次に、羽根の構造について説明する。たと
えば、左羽根３２は主軸３２１の枝３２２が生えた支持
部材に、膜３２３を張ることで形成されている。主軸３
２１は左羽根３２２において前方寄りの位置に配されて
いる。また、枝３２２は先に行くほど下方に向いてい
る。
【０１４４】左羽根３２は上に凸状の断面形状を有す
る。これによって、特に打ち下ろしの際に流体から受け
る力に対して高い剛性が得られる。主軸３２１と枝３２
２は軽量化のため、それぞれカーボングラファイトの中
空構造となっている。膜３２３はその内面において収縮
する方向に自発的な張力を有しており、羽根全体の剛性
を高める働きをしている。
【０１４５】本発明者らが実験に用いた羽根の主軸３２
１の直径は、支持構造１に支持された根元の部分では１
００μｍ、先端部では５０μｍであり、主軸３２１は根
元から先端部へ向かって細くなったテーパ形状である。
また、膜３２３はポリイミドであり、大きさは前後方向
約１ｃｍ、左右方向約４ｃｍ、厚さは約２μｍである。
【０１４６】なお、図９に示された左羽根３２では、説
明のために主軸３２１はその太さが拡大されている。図
示されていない右羽根３１はｘｚ平面を挟んで左羽根３
２と鏡面対称になるように支持構造に取付けられてい
る。
【０１４７】次に、羽根の動作の表現について左羽根３
２を例に挙げて説明する。左アクチュエータ２２は、左
羽根３２を回転３自由度で動かすことが可能である。つ
まり、左羽根３２の駆動状態は、その姿勢で表わすこと
ができる。以後説明の簡便のため、左羽根３２の姿勢
を、図８の状態に基づき以下のように定義する。
【０１４８】まず、図１０に示すように、軸の回転運動
の支点（力学的作用点Ａ２）と、ｘ軸およびｙ軸にそれ
ぞれ平行な軸（／／ｘ、／／ｙ）を含むｘｙ平面に平行
な平面を基準として、点Ａ２と左羽根３２の主軸３２１
の根元を結ぶ線分がその平面となす角度を、羽ばたきの
ストローク角θとする。また、軸の回転運動の支点（力
学的作用点Ａ２）と、ｙ軸およびｚ軸それぞれに平行な
軸（／／ｙ、／／ｚ）を含むｙｚ平面に平行な平面を基
準として、点Ａ２と左羽根３２の主軸３２１の根元とを
結ぶ線分がその平面となす角度を偏角αとする。
【０１４９】このとき、ストローク角θはｘｙ平面に平
行に平面より上方では正とし、下方では負とする。ま
た、偏角αはｙｚ平面に平行な平面よりも前方では正と
し、後方では負とする。
【０１５０】そして、図１１に示すように、左羽根３２
の主軸３２１の根元における膜３２３の接平面ｐ１が、
点Ａ２を通りｘ軸と平行な軸（／／ｘ）と主軸３２１を
含む平面ｐ０とをなす角度をねじり角βとする。このと
きねじり角βは主軸３２１の根元から先端に向かって見
たときの時計回りを正とする。
【０１５１】（アクチュエータ）次に、アクチュエータ
について図１２および図１３を用いて説明する。
【０１５２】本実施の形態のロボット９０の羽部を動作
させるアクチュエータについては、トルクが大きいこ
と、往復運動が簡単に実現できること、構造が単純なこ
とから、圧電素子（ピエゾ素子）を用いて発生した信号
波によって駆動する。一般的に超音波モータと呼ばれる
アクチュエータを用いる。
【０１５３】図１２に示すのは市販の超音波モータ２３
である。これは、図１２（ａ）に示す、下面に圧電素子
２３０を貼付けてあるアルミニウムの円板２３１上に突
起２３２〜突起２３７が、円板の中心を重心とする正六
角形をなすように６ヵ所配置され、さらにこの圧電素子
２３０の下面には円周方向に１２分割された電極２３８
が配置されている構造をしている。この構造の概略を図
１２（ｂ）に示す。各電極は１つおきに電気的に短絡さ
れており、それぞれ、円板２３１を基準に電圧が印加さ
れる。
【０１５４】すなわち、圧電素子２３０は位相の異なる
電圧が加えられる。この様子を図１２（ｃ）に、ハッチ
ングの部分とのハッチング以外の部分に分けて示す。こ
のそれぞれに異なる時間的パターンで電圧を加えること
によって円板２３１上に信号波が発生し、突起２３２〜
突起２３７先端が楕円運動を行なう。以上でステータが
構成され、このステータはステータ上に接触して配置さ
れたロータ２３９を上述の突起２３２〜突起２３７先端
の楕円運動より円周方向に回転するように搬送すること
ができる。
【０１５５】この超音波２３のトルクは１．０ｇｆ・ｃ
ｍで、無負荷回転速度は８００ｒｐｍである。また、最
大消費電流は２０ｍＡである。また、円板２３１の直径
は８ｍｍ、突起２３２〜突起２３７の配されている間隔
は２ｍｍである。円板２３１の厚さは０．４ｍｍ、突起
２３２〜突起２３７の高さは約０．４ｍｍである。ま
た、圧電素子２３０の駆動周波数は３４１ｋＨｚであっ
た。
【０１５６】本実施の形態では、このステータの部分を
利用したアクチュエータを用いる。右アクチュエータ３
１は、図１３（ｂ）に示すごとく、球殻状のロータ２１
９を、上述のステータと同様のステータ２１０とベアリ
ング２１１で挟み込んで保持する構造をしている。
【０１５７】ただし、ステータ２１０のロータ２１９と
の接触部分はロータ表面と一致する形状に加工されてい
る。ロータ２１９は外形３．１ｍｍ、内径２．９ｍｍの
球殻で、表面に右羽根主軸３１１が配されている。ステ
ータ２１０の突起のある面に向かって見て時計回り（以
後、これを正回転、この逆の回転を逆回転と呼ぶ）にロ
ータ２１９を搬送させる操作を行なうと、右羽根主軸３
１１は図１３（ｂ）に示すθの方向に移動する。
【０１５８】さらにこのロータ２１９を３自由度で駆動
するために、上部補助ステータ２１２と下部補助ステー
タ２１３をベアリング２１４，２１５とともにステータ
２１０、ベアリング２１１と同様に図１３（ａ）に示す
ように配する。各補助ステータの大きさはステータ２１
０の０．７倍である。
【０１５９】各ステータの駆動方向は必ずしも直交して
いないが、それぞれ独立した要素への回転を与えるた
め、これらの運動の組合せによってロータ２１９を３自
由度で駆動することができる。
【０１６０】たとえば、ロータ２１９に対して、上部補
助ステータ２１２によって正回転を、下部補助ステータ
２１３によって同じく正回転を与えれば、ロータ２１９
がこの構成であるβ方向に、上部補助ステータ２１２に
よって逆回転を、下部補助ステータ２１３によって正回
転を与えればα方向に回転する。
【０１６１】実際の駆動に際しては、回転中心の異なる
２つの回転を行なわせることは摩擦によって効率を低下
させてしまうので、たとえば、上部補助ステータ２１２
と下部補助ステータ２１３をごく短時間周期で交互に動
作させ、その間、動作していないステータの突起はロー
タ２１９に接触しない、などの駆動方法が望ましい。こ
れは、ステータの電極すべてに圧電素子の収縮方向に電
圧を印加することで、特別に構成要素を付加することな
く実現できる。
【０１６２】また、圧電素子の周波数が３００ｋＨｚ以
上と、せいぜい１００Ｈｚ程度である羽ばたき周波数に
比べて十分高速であるので、交互にアクチュエータを動
作させても実質上滑らかな動きを右羽根主軸３１１に与
えることができる。以上により、本発明者らが検討に用
いた市販の超音波モータと同等の特性を有する３自由度
アクチュエータが構成される。
【０１６３】ステータの発生中信号波の振幅がサブミク
ロンオーダであり、このロータはこのオーダの真球度で
あることが要求される。民生用の光学製品に用いられて
いる放物面鏡の加工精度は数十ｎｍであり、また、光学
干渉計に用いられている光学部品の加工精度は数ｎｍ程
度であることからこのようなロータは現在の加工方法技
術で作製することが可能である。
【０１６４】当然、これは本発明における３自由度の運
動を羽根に与えるアクチュエータを超音波モータで構成
した例の１つに過ぎず、各構成要素の配置、サイズ、材
質、駆動方法などは、羽ばたき飛行に要求される物理的
機能たとえばトルクなどが実現できるならこの限りでは
ない。
【０１６５】また、当然、羽根の駆動機構やそれに用い
るアクチュエータの種類についても、特に本実施の形態
に示したものにはよらない。たとえば、特開平５−１６
９５６７号公報に見られるような、外骨格構造とリニア
アクチュエータとを組合せて用いた羽ばたき飛行も、本
実施の形態に示すアクチュエータと等価な羽根の動作を
実現できるため可能である。
【０１６６】また、駆動エネルギとして電力を用いた
が、内燃機関を用いることも可能である。さらに、昆虫
の筋肉に見られるような、生理的酸化還元反応により、
化学的エネルギを運動エネルギに変換するアクチュエー
タを用いることも可能である。たとえば、昆虫から採取
した筋肉をリニアアクチュエータとして用いる方法や、
虫の筋肉のタンパク質のアミノ酸と無機物とを材料とし
て分子レベルでこれを複合化させて作った複合材料の人
工筋肉をリニアアクチュエータとして用いるなどの方法
がある。
【０１６７】なお、基本的な駆動力の上述の内燃機関な
どのエネルギ効率が高いアクチュエータを得て、これら
の制御もしくは補助として電力で駆動するアクチュエー
タを用いる手法も可能である。
【０１６８】（浮上方法）次に、浮上方法について図１
４〜図２０を用いて説明する。
【０１６９】なお、ここでは、羽根が流体から受ける力
を流体力と呼ぶ。また、説明の簡便のため空気の流れを
羽ばたきによってのみ起こる状態、すなわち、無風状態
を仮定して説明する。
【０１７０】説明の簡便のため、ロボット９０に及ぼさ
れる外力は羽根に流体から作用する力すなわち流体力と
重力のみであるとする。
【０１７１】ロボット９０が恒常的に浮上するには、１
回の羽ばたき動作の間で平均して、（羽根にかかる上方
向の流体力の総和）＞（ロボット９０にかかる重力）で
あることが必要である。
【０１７２】ここでは、昆虫の羽ばたきを単純化した羽
ばたき方により、打ち下ろし時の流体力を、打ち上げ時
の流体力よりも大きくする方法について説明する。説明
の簡便のため、流体の挙動もしくはそれが羽根に及ぼす
力については、その主用成分を挙げて説明する。また、
この羽ばたき方によりロボット９０に作用する浮上力と
重力との大小については後述する。
【０１７３】羽根には、羽根が運動する方向と逆方向の
流体力が作用するので、羽根の打ち下ろし時には羽根の
上向きに流体力が作用し、打ち上げ時には羽根の下向き
に流体力が作用する。そこで、打ち下ろし時に流体力を
大きくし、打ち上げ時には流体力を小さくすることで、
１回の羽ばたき動作（打ち下ろし動作と打ち上げ動作）
の間で時間平均すると上方向の流体力が得られることに
なる。
【０１７４】そのためには、まず、打ち下ろし時には羽
根が移動する空間の体積が最大になるように打ち下ろせ
ば、羽根にはほぼ最大の流体力が作用する。これは、羽
根の接する平面とほぼ垂直に羽根を打ち下ろすことに相
当する。
【０１７５】一方、打ち上げ時には羽根が移動する空間
の体積が最小になるように打ち上げれば、羽根に及ぼさ
れる流体力がほぼ最小となる。これは羽根の断面の曲線
にほぼ沿って羽根を打ち上げることに相当する。
【０１７６】このような羽根の動作について羽根の主軸
３２１に垂直な断面を用いて説明する。まず、図１４の
羽根は移動する空間の体積が最大になるように打ち下ろ
した場合、図１５が羽根の移動する空間の体積が最小に
なるように打ち上げた場合を示す。
【０１７７】図１４および図１５では、移動前の羽根の
位置が破線で示され、移動後の羽根の位置は実線で示さ
れている。また、羽根の移動方向が一点鎖線の矢印によ
って示されている。同図に示すように、流体力は羽根の
移動方向とは逆向きに羽根に作用する。
【０１７８】このように、打ち上げ時における羽根が移
動する空間の体積が打ち下ろし時における羽根が移動す
る空間の体積よりも大きくなるように羽根の姿勢を羽根
の移動方向に対して変化させて、１回の羽ばたき動作の
間の時間平均において、羽根に作用する上方向の流体力
を羽ばたきセンシングロボットとしてのロボット９０に
作用する重力よりも大きくすることができる。
【０１７９】本実施の形態においては、羽根のねじり角
βが制御可能であり、これを時間的に変化させることに
よって上述の羽根の運動が実現される。
【０１８０】具体的には、以下のステップＳ１〜Ｓ４が
繰返される。まず、ステップＳ１では、図１６に示すよ
うに羽根の打ち下ろし（ストローク角θ＝＋θ０→−θ
０）が行なわれる。ステップＳ２では、図１７に示すよ
うに羽根の回転１（羽根のねじり角β＝β０→β１）動
作が行なわれる。ステップ３では、図１８に示すように
羽根の打ち上げ（ストローク角θ＝−θ０→＋θ０、ね
じり角β＝β１→β２（羽根の曲面に沿った運動によ
り、流体力を最小限にとどめる運動））が行なわれる。
ステップＳ４では、図１９に示すように、羽根の回転２
（羽根のねじり角β＝β２→β０）動作が行なわれる。
【０１８１】ステップＳ１およびステップＳ３における
羽根に作用する流体力を時間平均すると、上述のように
羽根の移動する空間の体積の違いから、上向きの流体力
となる。この上向きの流体力の鉛直成分と重力との大小
関係については後述する。
【０１８２】当然、ステップＳ２，ステップＳ４におい
ても、羽根に作用する流体力の時間平均が上向きの流体
力であることが望ましい。
【０１８３】ロボット９０の羽根においては、図１６〜
図１９に示すように、羽根の前縁近傍に羽根の回転中心
（主軸３２１部分）が位置している。つまり、主軸３２
１から羽根の後縁までの長さの方が主軸３２１から羽根
の前縁までの長さよりも長くなっている。このため、図
１７および図１９に示すように、羽根の回転動作におい
ては羽根の回転方向に沿って生じる流体の流れに加え
て、主軸３２１から羽根の後縁に向かう方向に沿って流
体の流れが生じることになる。
【０１８４】そして、羽根にはこのような流体の流れの
反作用としてそれぞれの流れの向きとは逆向きの力が作
用することになり、図１７に示すステップＳ２では、実
質的に上向きの流体力が羽根に与えられ、図１９に示す
ステップＳ４では、主に下向きの流体力が羽根に与えら
れることになる。
【０１８５】図１８に示すステップＳ３では、羽根の断
面の曲線に沿うように羽根のねじり角βをβ１からβ２
に変化させながら打ち上げ動作が行なわれる。また、図
１７に示すステップＳ２における羽根の回転角は図１９
に示すステップＳ４における羽根の回転角よりも大き
い。これによりステップＳ２およびステップＳ４におい
ても羽根に上向きに作用する流体力が下向きに作用する
流体力に勝って、時間平均すると上向きの流体力が羽根
に作用することになる。
【０１８６】なお、図１６〜図１９では、それぞれのス
テップＳ１〜Ｓ４における羽根の移動前の姿勢が波線で
示され、移動後の姿勢が実線で示されている。各ステッ
プＳ１〜Ｓ４における羽根の移動方向が一点鎖線の矢印
によって示されている。また、各ステップＳ１〜Ｓ４に
おいて主に発生する流体の流れが実線の矢印によって示
されている。
【０１８７】次に、ストローク角θおよびねじり角βの
値を時間の関数として表わしたグラフを図２０に示す。
ただし、図２０では、ストローク角θおよびねじり角β
のそれぞれの縦軸の比率が異なっている。
【０１８８】本発明者らの行なった実験においては、θ
０は、たとえば６０°である。β０は、たとえば０°で
ある。β１は、たとえば−１２０°である。β２は、た
とえば−７０°である。
【０１８９】上述した説明では、説明の簡便のためステ
ップＳ１〜Ｓ４は独立した動作として記述したがたとえ
ばステップＳ１において羽根を打ち下ろしながら羽根の
ねじり角を大きくしていくような動作も可能である。
【０１９０】また、上述した例は第１近似的な考察から
説明されるものであり、実際に浮上可能な羽ばたき方法
はこれに限定されるものではない。
【０１９１】また、ここでは左羽根について説明した
が、右羽根についてもｘｚ平面に関して鏡面対称に左手
系に基づくストローク角θ、偏角αおよびねじり角βを
定義すれば同一の議論が成り立つ。以下、羽根に作用す
る上向きの流体力を浮上力とし、羽根に作用する前向き
の流体力を推進力とする。
【０１９２】（制御方法）次に、羽ばたき装置、すなわ
ち、ロボット９０に任意の運動を行なわせる制御手法に
ついて説明する。ここでは、ロボット９０の左羽につい
ては右手形に基づくストローク角θ、偏角αおよび捻り
角βを用い、そして、右羽についてはｘｚ平面に対して
鏡面対称の左手形に基づくストローク角θ、偏角αおよ
び捻り角βを用いて羽の姿勢を示す。
【０１９３】（制御フロー）羽ばたきによる浮上移動は
羽にかかる流体力によって行なわれるので、羽の運動に
より直接制御されるのは、ロボット９０に与えられる加
速度と角加速度である。
【０１９４】まず、Ｓを目標とする浮上状態と現在の浮
上状態との差異、Ｔ（Ｓ）を浮上状態から加速度、角加
速度への変換を表わす関数、ｓを加速度、角加速度Ｆα
（ｓ）を、加速度センサ５１、角加速度センサ５３のセ
ンサ応答を含めた制御アルゴリズムを表す関数、ｓαを
アクチュエータ制御量、ＧW（ｓα）をアクチュエータ
と羽の応答を表す関数、ｓWを羽の運動、ＧfS（ｓW）を
羽の運動により本羽ばたき装置に及ぼされる加速度もし
くは角加速度ｓeを表す関数、Ｓｅがこの一連のプロセ
スにより行なわれる浮上状態の変更とすると、入力Ｓよ
り出力Ｓｅが得られるプロセスは図４５に示すようなも
のとなる。
【０１９５】また、実際には、羽と流体の慣性力によ
り、現在までの羽の運動、流体の運動の時刻歴に依存す
る影響ＲWとＲfSがＧWとＧfSに加わることになる。
【０１９６】（動作分割）当然、Ｆα以外のすべての関
数を正確に求め、これによりＳ＝Ｓｅとなる制御アルゴ
リズムＦαを算出する手法もあり得るが、本羽ばたき装
置周囲の流体の流れと羽の運動の時刻歴が必要であり、
膨大なデータ量と演算速度を必要とする。また、流体と
行動の連成した挙動は複雑で、多くの場合カオティック
な応答になってしまうため、実用的でない。
【０１９７】そこで、予め基本的な動作パターンを用意
しておき、目標とする浮上状態を分割してこれらの基本
動作パターンを時系列にて組合わせて実現する手法が簡
便で望ましい。
【０１９８】物体の運動にはｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の
３自由度の並進自由度と、θx方向、θy方向、θz方向
の３自由度の回転自由度、つまり６自由度が存在する。
すなわち、前後、左右、上下、そしてこれらの方向を軸
とする回転である。
【０１９９】このうち、左右への移動は、θz方向の回
転と前後方向への移動を組合わせて行なうことができ
る。そこで、ここでは、前後方向、すなわちｘ軸方向へ
の並進移動、上下方向、すなわちｚ軸方向への並進動
作、また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転動作についてそ
れぞれの実現方法を説明する。
【０２００】（動作） （１） 上下方向（ｚ軸方向）の動作 羽が移動することで、羽が流体から受ける力は羽の移動
速度に依存するので、羽に及ぼされる上向きの流体力を
大きく（小さく）するには、 Ａ：ストローク角θの振幅を大きく（小さく）する Ｂ：羽ばたき周波数を大きく（小さく）する などの方法がある。これらによってロボット９０は上昇
（下降）することができる。ただし、流体力には負の値
も含まれる。
【０２０１】なお、これらの手法によれば、羽が流体か
ら受ける流体力そのものが大きくなるので、羽が流体力
を上下方向以外から受けることによって、羽の力学的支
点に羽から上下方向以外の力が及ぼされている際には、
上昇とともにその方向へこの支点にかかる力の増加も伴
う。たとえば、前方にほぼ等速直線運動を行なっている
際に、羽ばたき周波数を大きくすると、ロボット９０は
速度増加を伴って上昇する。このように、現時点での羽
ばたき方によって、副次的にこういった他の運動を伴う
が、以後特に断らない限り、停空状態からの制御につい
て説明する。
【０２０２】また、羽の捻り角βを変えて、羽が移動す
る空間の体積を変化させることによっても浮上力は変化
する。たとえば、打ち上げ時における羽が移動する空間
の体積がより大きく、もしくは、打ち下ろし時における
羽が移動する空間の体積がより小さくなるようなβを与
えることで、羽に作用する上向きの流体力の時間平均は
小さくなる。
【０２０３】実際には、羽は剛体ではなく変形を伴うた
め、同一のβによっても羽が移動する空間の体積は変化
するが、第１原理的には、羽の移動する方向に垂直なβ
が最も大きな羽が移動する空間の体積を与える。また、
羽が移動する方向に平行なβが最も小さな羽が移動する
空間の体積を与える。
【０２０４】なお、この場合、副次的に、羽ばたきと垂
直方向にも流体力が作用するため、これが制御上支障を
生じるレベルである場合はこれを打ち消す羽の動きを付
加する必要がある。最も単純には偏角αの変更により実
現できる。
【０２０５】また、前記のステップＳ２もしくはステッ
プＳ４において羽の回転角速度を変化させることによっ
てもｚ軸方向の動作を行なうことは可能である。たとえ
ば、ステップＳ２において羽の回転角速度（−ｄβ／ｄ
ｔ）を大きくすると、この回転によって生じる流体の下
方向への流速が大きくなるため、この反作用によって羽
に作用する上向きの流体力が大きくなる。
【０２０６】なお、この場合、ロボット９０に及ぼされ
る、羽の主軸を回転軸とするトルクが副次的に変化す
る。よって、この変化が制御上支障ない範囲に収まる範
囲内でこの回転角速度変化を行なうことが望ましい。
【０２０７】また、この場合、ロボット９０に及ぼされ
る、前後方向への力も副次的に変化する。よって、この
変化が制御上支障をきたす場合は、（２）として後述す
る前後方向への力の制御も同時に行なうことが望まし
い。
【０２０８】（２） 前後方向（ｘ軸方向）の動作 前述した羽ばたき方法では、主にステップＳ２とステッ
プＳ４にて、ｘ方向の向きへの流体力が羽に作用する。
したがって、この羽の動かし方においては前進を伴い浮
上する。
【０２０９】また、打ち下ろしの際に偏角αを増加し羽
を前方に移動させることで、羽には後向きの流体力が作
用することになる。したがって、打ち下ろしの際の、す
なわち、ステップＳ１における偏角αを制御して、ステ
ップＳ１における羽に作用する後向きの流体力を、他の
主にステップＳ２とステップＳ４における前向きの流体
力よりも大きくすれば後退し、小さくすれば前進するこ
とができる。また、この２力がほぼ釣り合えば前後方向
に静止することができる。
【０２１０】特に、ロボット９０が前後方向に静止して
おり、左右の羽がほぼ対称な運動を行ない、重力と本羽
ばたき装置における浮上力が釣り合っているならば、ホ
バリング状態が実現できる。
【０２１１】なお、偏角αの変更に伴い副次的に、羽に
及ぼされる流体力の鉛直方向成分が変化するので、これ
が制御上支障を生じるレベルにある場合にはこれを打ち
消す羽の動きを付加する必要がある。これは、主に、前
述の（１）の上下方向の動作によって行なうのが簡便で
ある。
【０２１２】さらに、前述したステップＳ２とステップ
Ｓ４において羽の回転動作の角速度を大きくすると前向
きの流体力が増加し、小さくすると減少する。これによ
っても前後方向の動作を変化させることができる。
【０２１３】また、（１）に述べた羽の捻り角βの変更
に伴う副次的な流体力のうち、ｘ軸方向成分を利用する
手法も可能である。つまり、打ち下ろし時にβ＞０なら
前方向への、β＜０なら後方向への力が働く。
【０２１４】なお、打ち上げ時のβ、α、θの関係はあ
る程度拘束されているが、以上の流体力の制御はステッ
プＳ３においても可能である。
【０２１５】（３） ｚ軸を回転軸とする回転動作 （２）において述べた前後方向への制御を、左羽と右羽
について個別に行ない、これを異ならせることでロボッ
ト９０にトルクを与えることができる。
【０２１６】すなわち、右羽の前向きの流体力を左羽の
それに対して高くすれば本羽ばたき装置はｘ軸正の向き
に向かって左方向を向き、低くすれば同じく右方向を向
く。
【０２１７】（４） ｘ軸を回転軸とする回転動作 （３）と同様に、右羽の上向きの流体力を左羽のそれに
対して大きくすれば右側が持ち上がり、小さくすれば左
側が持ち上がる。これによって、ｘ軸を回転軸とする回
転動作を行なわせることができる。
【０２１８】（５） ｙ軸を回転軸とする回転動作 （２）に述べた、羽の捻り角βの角速度変更によって、
ロボット９０にかかるｙ軸周りのトルクを変化させるこ
とができる。これにより、ｙ軸を回転軸とする回転動作
を行なうことができる。たとえば、ステップＳ１におけ
る捻り角βの回転角速度を大きくすると本羽ばたき装置
は機首を下げ、逆に小さくすると機首を上げる。
【０２１９】（６） ホバリング（停空飛翔） ロボット９０を停空させる際のストローク角θおよび偏
角αならびに捻り角βの値を時間の関数として表したグ
ラフを図２１に示す。ただし、図２１ではそれぞれの角
度の縦軸の比率と異なっている。
【０２２０】本発明者らが行なった実験においては、θ
0はたとえば６０°である。β0はたとえば−１０°であ
る。α1はたとえば３０°である。β1はたとえば−１０
０°である。β2はたとえば−６０°である。
【０２２１】各ステップにおける左羽の運動と、それに
より左羽の力学的支点Ａ２に生じる加速度、角加速度を
図４６に示す。ただし、（３）（４）のｘ軸、ｚ軸を回
転軸とする回転動作については略してある。これらは、
前述のとおり、左右の羽の運動の非対称によって起こさ
れる。
【０２２２】（制御方法決定手法）現在の浮上状態は、
ロボット９０に搭載された加速度センサ５１や角加速度
センサ５２が取得した値を適宜変更した値を用いて求め
られる。たとえば、速度は、加速度を時間積分した値に
速度の初期値を与えることで求められる。また、位置
は、速度を時間積分した値に位置の初期値を与えること
で求められる。なお、浮上状態に、浮上状態の時刻歴を
含む手法も可能である。
【０２２３】制御装置４は、加速度センサ５１および角
加速度センサ５２から得られる現在の浮上状態と、目的
とする浮上状態から、ロボット９０の動作を決定する。
この制御は、三次元で行なわれる点以外は従来から行な
われている制御手法を適用することができる。
【０２２４】ロボット９０の動作は、制御装置４にて、
アクチュエータの駆動に変換される。この変換には、テ
ーブル参照、もしくはその補完を用いるのが高速であ
る。たとえば、図４７に示すように、基本となる動作
と、それを実現するアクチュエータの駆動の組合せを予
め用意しておく。なお、図４７の左端列は目的とする動
作、羽ばたきにおけるＡとＢは、Ａは前進時の羽ばたき
方、Ｂは停空時の羽ばたき方であり、より具体的にはそ
れぞれ図２０、図２１にグラフで示されるα、β、θの
時刻歴を時間的に離散化したものである。制御装置４
は、ロボット９０の動作から、この駆動もしくはその補
完した駆動をこのテーブルより算出する。
【０２２５】ここでは、説明のため一旦ロボット９０の
動作を算出し、これをアクチュエータの駆動に変換する
という手法を用いたが、浮上状態から直接アクチュエー
タの駆動を選択する手法も可能である。
【０２２６】たとえば、定位制御を行なう場合、現在位
置と目標位置との差によって、上述したアクチュエータ
の駆動のいずれか、もしくはそれを補完した駆動を直接
算出する手法も可能である。
【０２２７】また、当然、ロボット９０の浮上状態を表
す物理量はここに示した位置、速度、加速度などに限ら
ない。
【０２２８】また、当然、アクチュエータの駆動を決定
する手法はこの態様に限らない。 （浮上可能重量）次に、本実施の形態におけるロボット
９０の構成で浮上が可能な条件を、図２２を用いて示
す。本発明者の実験環境ではアクチュエータとして進行
波アクチュエータを用いた。この進行波アクチュエータ
によれば、ステータ２１０が超音波モータ２３と同等で
あるので、θ方向の羽ばたきに関してはトルク１．０ｇ
ｆ・ｃｍである。そこで、本発明者らはシミュレーショ
ンによりこのトルクで羽ばたいた際の流体力を算出し
た。
【０２２９】羽根はアクチュエータから離れる方向が長
辺で、長辺４ｃｍ、短辺１ｃｍの矩形で、羽根の変形は
無視する。また、幅８ｍｍ、長さ３３ｍｍのとんぼの羽
根が約２ｍｇであったので、これに倣い、羽根の質量は
３ｍｇとした。
【０２３０】さらに、超音波モータ２３は、突起先端の
微小な楕円運動の累積によってロータを駆動するため、
実際の駆動トルクの立上がり立下がりはダイヤモンドの
周期オーダ、すなわち１０5ヘルツオーダであるが、計
算の安定性から制約上±２５０ｇｆ・ｃ／ｓｅｃである
とした。すなわち、トルクは０．００４秒に１ｇｆ・ｃ
ｍ上昇する。
【０２３１】この羽根を、一方の短辺をこの辺を回転軸
とする回転自由度のみ残して固定し、この回転自由度に
トルクを与え、この回転軸にかかる反力を算出した結果
が図２２である。ただし、前に定義するところの偏角α
＝０（度）、２次角β＝０（度）である。
【０２３２】時刻０においては、羽根は水平すなわちス
トローク角θ＝０（度）である。ここから時刻０．００
４秒までの間にトルクを１ｇｆ・ｃｍまで直線的に向上
させ、０．００４秒から０．０１秒まで、１ｇｆ・ｃｍ
を保つ。そして時刻０．０１秒から０．０１８秒までの
間にトルク１ｇｆ・ｃｍから−１ｇｆ・ｃｍまで直線的
に変化させ、同０．０１８秒から０．０３秒までは−１
ｇｆ・ｃｍを保ち、同０．０３秒から０．０３８秒まで
の間に再び１ｇｆ・ｃｍへと直線的に変化する。
【０２３３】これにより得られた接点反力を、打ち下ろ
しの間すなわちトルクが負である時間である時刻０．０
１４秒から０．０３４秒までの間で平均すると約０．２
９ｇｆであった。
【０２３４】以上のシミュレーションは、１自由端羽ば
たきの結果であるため、打ちが上げ時の流体力の作用は
不明である。しかし、断面積に比して流体の抵抗が減少
するので、打上げ時に働く下向きの始点反力は小さいこ
と、かつ、打下ろし時と同じトルクで打上げることが可
能なため、打上げに要する時間は打下ろしに要する時間
よりもはるかに短い。
【０２３５】すなわち、打上げの際の力が作用する時間
は短いこと、また、打下ろし以外にも羽根の回転などを
用いて浮上力がさらに得られることから、トルク１ｇｆ
・ｃｍのアクチュエータを用いて、０．２９ｇ程度の質
量を浮上させることは可能であるといえる。すなわち、
実施の形態における羽ばたきセンシングロボット全体の
質量が０．５８ｇ以下であれば浮上が可能である。以
下、装置全体の重量について検討する。
【０２３６】まず、ステータ２１０の質量は、電極と圧
電素子が薄いため、比重２．７、厚さ０．４ｍｍ、半径
４ｍｍの円板と同等であるので、０．０５４ｇである。
【０２３７】また、補助ステータの重量は、ステータの
直径が０．７倍であることから０．０１９ｇである。
【０２３８】３つのベアリングはいずれも外径４．２ｍ
ｍ、内径３．８ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのドーナツ状のボ
ールベアリングである。材質は比重４．８のチタンで、
約３０％の空隙があるため、ベアリングの質量は約０．
０１３ｇである。また、ロータ２１９は材質がアルミで
壁中央半径３ｍｍ、厚さが０．２ｍｍであるため、約
０．０６１ｇである。これらの総和から、アクチュエー
タ２１の質量は０．１９２ｇである。また、羽根３１は
前述のとおり０．００３ｇである。以上の構成が左右系
２つあるので、０．３９０ｇである。
【０２３９】また、本発明者らが採用した図１に示す指
示構造１は、直径１ｃｍ、比重０．９、厚さ０．１ｍｍ
の球体であるので質量が約０．０２８ｇである。また、
本発明者らが採用した制御装置４、通信装置７、加速度
センサ５１、角加速度センサ５２、焦電型赤外線センサ
５３はそれぞれ５ｍｍ×４ｍｍの半導体ベアチップで、
角約０．００８ｇである。すなわちこれらの質量の総和
は０．０４ｇである。
【０２４０】また、本発明者らが採用した電源６の重量
は０．１３ｇである。以上、すべての構成要素の重量の
合計は０．５７９ｇとなる。１対の羽根で浮上力０．５
８ｇｆを得ているので、この構成で浮上することが可能
である。
【０２４１】（通信装置）次に、通信装置７について説
明する。
【０２４２】通信装置７は送信機能を備え、各種センサ
の測定値を送信する。これにより、ベースステーション
９１が、ロボット９０の情報を得ることができる。
【０２４３】ベースステーション９１が得る情報は、ロ
ボット９０もしくはその周囲の物理量である。より具体
的には、前者の一例としては、加速度センサから得られ
たロボット９０の加速度情報、または、角加速度センサ
５２が得られたロボット９０の角加速度情報、後者の一
例としては、焦電型赤外線センサ５３より得られた赤外
線量情報である。
【０２４４】また、通信装置７は、受信機能を備え、制
御信号を受信する。これによりベースステーション９１
がロボット９０に対して制御を行なうことができる。
【０２４５】ベースステーション９１より送信される制
御信号を、ロボット９０の浮上状態に対する制御信号
と、ロボット９０の周囲に与える物理量変更における制
御信号とである。
【０２４６】より具体的には、前者の一例としては、ロ
ボット９０に与えられるべき加速度と角加速度とを指定
する信号、後者の一例としては、発光ダイオード８の光
量を指定する信号である。
【０２４７】なお、本実施の形態においては、ここに例
示した情報を送受信するものとして以後の説明を行な
う。
【０２４８】もちろん、送受信すべき情報はここに示し
た限りではない。たとえば、ベースステーション９１よ
り発せられた制御信号を、ロボット９０が正しく受信し
たか否か確認する応答信号なども送受信可能な情報であ
る。
【０２４９】（制御装置）次に、制御装置４について、
図８および図２４を用いて説明する。
【０２５０】図８に示すように、制御装置４は、演算装
置４１とメモリ４２とからなる。演算装置４１は、通信
装置７を経て、ロボット９０における各種センサによっ
て得られた情報を送信する機能を有する。また、演算装
置４１は、通信装置７を経て得られた制御信号に基づ
き、各構成要素の動作を制御する機能を有する。また、
メモリ４２はこれら送受信されたデータを保持する機能
を有する。
【０２５１】本実施の形態においてより具体的には、演
算装置４１は加速度センサ５１および角加速度センサ５
２からの情報によりロボット９０の加速度および角加速
度を算出し、通信装置７を経由してベースステーション
９１にこの情報を送信する。また、ベースステーション
９１からは現在ロボット９０に与えられるべき加速度の
情報と、角加速度の情報とが送信される。これらの情報
を、通信装置７を経て受信し、演算装置４１はこの受信
された加速度と角加速度とにより各アクチュエータの動
作パラメータを決定する機能を有する。
【０２５２】さらにより具体的には、演算装置４１は、
ロボット９０に与えられるべき代表的な加速度と角加速
度との組合せに対応したα、β、θの時系列値をテーブ
ルとして有しており、これらの値、もしくはその補間値
を各アクチュエータの動作のパラメータとする。なお、
α、β、θの時系列値とは、たとえば、加速度、角加速
度ともに０であるホバリングの場合は図２０にグラフで
示される値を離散化したものである。
【０２５３】当然、ここで挙げるα、β、θは制御パラ
メータの一例であり、説明の簡便のためこれらのパラメ
ータを指定することでアクチュエータが駆動されること
を前提に記述したが、たとえば、より直線的にこれらを
実現する各アクチュエータへの駆動電圧や制御電圧に変
換したものを用いることが効率的である。しかし、これ
らが既存のアクチュエータ制御方式と特に異なるもので
はないので、代表的なパラメータとしてα、β、θを挙
げているにすぎず、このパラメータのみに限るものでは
ない。
【０２５４】また、別なる機能の具体例として、演算装
置４１は、焦電型赤外線センサ５３から送られてくる情
報を、通信装置７を介して送信する機能を有する。
【０２５５】これによりベースステーション９１がロボ
ット９０に搭載された焦電型赤外線センサ５３における
赤外線情報検出領域５３１における赤外線情報を取得す
ることが可能になる。
【０２５６】また、演算装置４１は、ベースステーショ
ン９１から送信された発光ダイオード８の発光制御信号
を、通信装置７を介して受信して、この制御信号に従い
発光ダイオード８に流れる電流を制御する機能を有す
る。これにより、ベースステーション９１が発光ダイオ
ード８の発光を制御することが可能になる。なお、制御
装置４の機能はここに示したものに限らない。
【０２５７】飛行制御は時間的に連携するものであるの
で、羽根の動作時刻歴を、制御装置４におけるメモリ４
２に記憶させておき、ベースステーション９１からの制
御信号をこの時刻歴情報によって補正する手段も可能で
ある。
【０２５８】また、ロボット９０の浮上移動を優先する
場合、通信の帯域からの送信不可能なデータが発生する
ことも考えられる。また、通信が途絶する場合も考えら
れる。これらをはじめとして、重量の増加が浮上移動に
障害をもたらさない範囲内ならば、メモリ４２を搭載す
ることは有効である。
【０２５９】また、逆に、演算装置４１におけるレジス
タの類を除き、ロボット９０の機能によっては明示的に
必須ではない。
【０２６０】（駆動エネルギ源）次に、駆動エネルギ
源、すなわち、電源６について説明する。
【０２６１】左右アクチュエータ２１，２２、制御装置
４、センサ５１〜センサ５３、を駆動する電力は電源６
により供給される。
【０２６２】電源６はリチウムイオンポリマを電解質と
しているので支持構造１により封入しておけばよい。こ
れにより液漏れを防ぐための余分な構造が不用であり、
実質的なエネルギ密度を高めることができる。
【０２６３】なお、現在市販されているリチウムイオン
２次電池の一般的な質量エネルギ密度は１５０Ｗｈ／ｋ
ｇであり、本実施の形態においてはアクチュエータにお
ける消費電流は最大４０ｍＡであるので、電源６の電解
質重量を約０．１ｇとすると、本実施の形態においては
約７．５分の飛行が可能である。また、本実施の形態に
おけるアクチュエータの最大消費電流は左右合計４０ｍ
Ａである。
【０２６４】また、電源電圧３Ｖである。電解質重量が
０．１ｇであるので、０．１２Ｗ／ｇ、つまり、１２０
０Ｗ／ｋｇの重量パワー密度を持つ電源６の実現が求め
られる。市販品で実現されているリチウムイオンポリマ
２次電池の重量パワー密度は約６００Ｗ／ｋｇである
が、これは携帯電話などの情報機器に用いられている１
０ｇ以上の製品などである。
【０２６５】一般に、電解質質量に対する電極面積の比
は正負に反比例するので、実施の形態における電源６
は、前述の情報機器用に用いられている２次電池の１０
倍以上の電極面積比を持つので、１０倍程度の質量パワ
ー密度が達成可能であり、冒頭の出力パワー密度は十分
達成可能である。
【０２６６】アクチュエータの駆動エネルギを外部から
供給する方法も可能である。たとえば、電力エネルギを
外部から供給する媒体については温度差、電磁波などが
挙げられ、これを駆動エネルギに変換する機構としては
それぞれ熱電素子およびコイルなどが挙げられる。
【０２６７】当然、異なる種類のエネルギ源を混載する
手法も可能である。電力以外のエネルギ源を用いる場
合、基本的には制御は制御装置４からの電気的信号を用
いることになると考えられている。
【０２６８】（センサ類（物理量入力部））次にセンサ
について説明する。
【０２６９】加速度センサ５１は支持構造１の３自由度
並進加速度を、角加速度センサ５２の支持構造１の３自
由度回転加速度、焦電型赤外線センサ５３は焦電型赤外
線センサ検出領域５３１における赤外線量を検出する。
これらのセンサ５１〜センサ５３の検出結果は制御装置
４に送られる。
【０２７０】本発明者が用いた加速度センサは帯域４０
Ｈｚである。なお、加速度センサ５１や角加速度センサ
５２は帯域が高いほど時間的に緻密な制御が可能である
が、ロボット９０の浮上状態の変更は１回以上の羽ばた
きの結果起きるものであると考えられるので、現在市販
されている帯域が数１０Ｈｚ程度のセンサでも実用可能
になる。
【０２７１】本実施の形態では加速度センサと角加速度
センサとにロボット９０の位置および姿勢を検出するも
のとしたが、ロボット９０の位置と姿勢が計測可能な手
段であるかどうかは上記センサには限らない。たとえ
ば、互いに直交する３軸方向の加速度を測定可能な加速
度センサを少なくとも２つそれぞれ支持構造１の異なる
位置に配置させ、角加速度センサから得られる加速度情
報に基づいてロボット９０の姿勢を算出することも可能
である。
【０２７２】また、作業空間９２内に地上波を明示的に
組込んでおき、これをロボット９０が検出して位置およ
び姿勢を算出する方法も可能である。たとえば、作業空
間９２内に磁場分布を設けておき、磁気センサによりこ
の磁場分布を検知することで、ロボット９０の位置と姿
勢を算出する手法も可能である。また、ＧＰＳセンサ等
を用いる手法も考えられる。
【０２７３】また、後述するベースステーション９１な
ど、ロボット９０以外においてロボット９０の位置と姿
勢とを直接検出する手法も考えられる。たとえば、ベー
スステーション９１がカメラを有し、画像処理によって
ロボット９１の位置を算出する手法も可能である。当然
この場合ロボット９０における加速度センサ５１などは
必須ではない。
【０２７４】また、加速度センサ５１、角加速度センサ
５２をはじめとするセンサ類は、制御装置４とは別部品
として表現されたが、軽量化の観点から、マイクロマシ
ニング技術によって制御装置４と一体で同一のシリコン
基板上に形成してもよい。
【０２７５】当然本実施の形態におけるセンサは、アプ
リケーションすなわち警備の目的を達成する最低限の構
成要素であって、センサの種類、個数、構成については
ここに示す限りではない。
【０２７６】たとえば、ロボット９０における羽根の駆
動には、フィードバックのない制御を用いているが、羽
根のつけ根に羽根の角度センサを設け、ここから得られ
る角度情報によりフィードバックを行ない、より正確に
羽根を駆動する方法も可能である。
【０２７７】また、逆に、浮上する領域における気流が
既知であり、予め定められた羽ばたき方のみによって目
的位置に定位することが可能ならば、ロボット９０の浮
上状態を検出することは不用となるので加速度センサ５
１や角加速度センサ５２は必須ではない。人体検出につ
いては、焦電型赤外線センサ５３を用いて、従来のロボ
ットに採用されている手法と同様に行なえる。
【０２７８】なお、本実施の形態で例示する探索対象物
としての人９３もロボット９０に対して移動の障害とな
るが、焦電型赤外線センサ検出領域５３１をロボット９
０の下方に配することで、ロボット９０が侵入者の情報
を飛行しても人９３を検出することが可能であるため、
人９３を障害とせず、かつ、人９３を検出することが可
能である。
【０２７９】また、人体検出センサとして、現在広く安
価に用いられている焦電型赤外線センサを例として挙げ
たが、当然これも人体を検出するという機能が達成され
るならばこの限りではない。
【０２８０】（発光ダイオード（物理量出力部））次
に、発光ダイオード８について説明する。
【０２８１】発光ダイオード８は、焦電型赤外線センサ
５３における焦電型赤外線センサ検出領域５３１を概ね
包含する可視光照射領域を有する。また、発光ダイオー
ド８の動作は制御装置４によって制御される。
【０２８２】以上の構成より、焦電型赤外線センサ検出
領域５３１内に検出された赤外線放射源を人９３である
と制御装置４が判断すれば、これに対して可視光を照射
する動作を行なうことができる。なお、本実施の形態で
は、物理量出力部として発光ダイオード８を例示した
が、これに限定されるわけではない。
【０２８３】上述の構成要素の決定の際、ロボット９０
の機動性を損なわないためには、当該構成要素の機能を
損なわない範囲内で軽量であることが望ましい。
【０２８４】（ベースステーションの説明） （主要な構成と主要な機能）まず、図２３を用いてベー
スステーション９１の主要な構成と機能とを説明する。
ただし、ベースステーションの主要な目的はロボット９
０からの情報取得とこれに基づくロボット９０の制御で
あるので、図２３はこれを具体化した一例にすぎず、外
観、形状、また付帯的な構成要素の有無については上述
の目的を害しない限りここに記す限りではない。
【０２８５】図２３に示すように、ベースステーション
９１は、演算装置９１１とメモリ９１２および通信装置
９１７を備えている。通信装置９１７は、ロボット９０
より送信された信号を受信する機能を有する。また、ロ
ボット９０に信号を送信する機能を有する。
【０２８６】ベースステーション９１は、メモリ９１２
に格納された作業空間９２のマップデータなどと、ロボ
ット９０より通信装置９１７を介して受信したロボット
９０の加速度情報を初めとする各種情報から、ロボット
９０の行動を決定する機能を有する。また、この行動を
通信装置９１７を介してロボット９０に送信する機能を
有する。
【０２８７】前述の受信機能と行動決定機能と送信機能
によってベースステーション９１はロボット９０自身も
しくはその周辺環境情報に基づき通信機能を介してロボ
ット９０を制御することができる。
【０２８８】ベースステーション９１は、その上面をロ
ボット９０の離発着台として用いている。すなわち、ベ
ースステーション９１上面には充電器９１３が備わって
おり、充電孔９１４にロボット９０における電極６１が
結合することで電気的に電源６に接続され、充電が可能
な状態になる。本実施の形態においては節電のため、充
電器９１３は演算装置９１１により制御され、ロボット
９０がベースステーション９１に結合している際も動作
して充電を行なう。
【０２８９】また、この充電孔９１４は位置決め孔の役
割も兼ねている。さらに、ベースステーション９１には
電磁石９１５が備えられており、必要に応じてロボット
９０を吸着している。すなわち、離陸前のロボット９０
におけるベースステーション９１に対する相対位置は、
電磁石９１５を動作させることにより固定されており、
また相対速度は０である。
【０２９０】（動作指示）本実施の形態においてはベー
スステーション９１は、演算装置９１１とメモリ９１２
および通信装置９１７を備えており、メモリ９１２に格
納された作業空間９２のマップデータと、予め設定され
た目的を達成するロボット９０の作業空間９２における
予定経路に対して、ロボット９０より受信したロボット
９０の加速度情報をはじめとする各種情報からロボット
９０に与えるべき加速度、角加速度を、通信装置９１７
を介してロボット９０に送信する機能を有する。たとえ
ば、ロボット９０の角加速度情報を２回積分することで
ロボット９０の姿勢を算出することができる。
【０２９１】また、これとロボット９０の加速度情報を
前出るの姿勢で回転変換して得た絶対座標系における加
速度情報を２回積分することでロボット９０の位置を算
出することができる。なお、これらの積分定数は、離陸
前の速度、角速度がともに０であり、位置、姿勢はベー
スステーション９１に対して充電孔９１４に固定されて
いるためいつでも既知である。このようにして演算装置
９１１はロボット９０の位置と姿勢を算出し、上述のロ
ボット９０への制御指示を行なうことができる。
【０２９２】以上の機能により、ベースステーション９
１が、ロボット９０に作業空間９２内を巡回させるよう
に制御することが可能になる。これらの機能は互いに相
関することも当然可能である。たとえば、前述のロボッ
ト９０における加速度情報と角加速度情報より焦電型赤
外線センサ５３における赤外線検出領域５３１の作業空
間９２における位置を算出することができる。
【０２９３】この位置と赤外線量をマッピングすること
で赤外線放射源の位置、形状、動作などを算出し、赤外
線放射源の重心付近に向けてダイオードを発光させると
いった手法も可能である。当然これらのバリエーション
は多岐にわたり、アプリケーションによって最適なもの
をデザインするものであって、ここに示した形態に限る
ものではない。
【０２９４】（巡回手法）ロボット９０における巡回手
法は、従来から提案されている車輪などで床面を移動す
るロボットに用いられてきた巡回手法に、高さ方向の自
由度を加えて構築することが可能である。
【０２９５】たとえば、まず概ね一定の高さでの巡回を
行ない、これが終了した後、ロボット９０の高度を変更
してまた別の高さで巡回を行なうといった手法で、２次
元平面上での巡回の高さ方向の自由度を加え、３次元空
間を巡回する手法が実現される。
【０２９６】また、焦電型赤外線センサ５３の検出距離
によっては、ある高さで巡回すれば作業空間９２の全域
において人を検出することが実質的に可能な場合も考え
られる。この場合は、従来から提案されている２次元平
面での巡回を行なうアルゴリズムのみで巡回が可能であ
る。
【０２９７】これら巡回経路は、ある定まった経路をメ
モリ９１２内に予め用意していてもよいし、メモリ９１
２におけるマップデータからある情報を基準に演算装置
９１１が算出する方法も可能である。たとえば、作業空
間９２における監視上の重要度などを指定し、この重要
度に応じて巡回頻度を高く設定するなどの手法が考えら
れる。また、巡回中においても経路の変更は可能であ
る。たとえば、人検出時などに、人を検出した位置でホ
バリングするなどの変更が考えられる。
【０２９８】以上に示したのはロボット９０の作業空間
９２の巡回手法の単純な一例であり、この限りではな
い。ベースステーション９１の質量はロボット９０の浮
上には影響しないため、これらの巡回経路や手法の策定
を高度に複雑に行なうことは容易である。
【０２９９】（離着陸補助）羽ばたきの開始もしくは終
了時、すなわち、ロボット９０の離着陸の際は、羽ばた
きによって起こる気流が急激に増加もしくは減少し不安
定であるため、ロボット９０の位置および姿勢を制御す
ることは難しい。本実施の形態では、離陸前の段階にお
いて、ベースステーション９１に備えられた電磁石９１
５がロボット９０を吸着している。離陸の際は羽ばたき
による気流が安定するまで電磁石９１５を作動させ、気
流が安定した時点で電磁石９１５による吸着を停止する
などの手法で安定した離陸が可能である。
【０３００】着陸においては、大まかに電極６１が充電
孔９１４の上部に位置するようロボット９０を移動さ
せ、この状態で電磁石９１５を作動させ、ロボット９０
をベースステーション９１に吸着する。しかる後に羽ば
たきを停止させれば、気流がＧ不安定である状態で着陸
時の位置と姿勢を安定させることができる。なお、定位
を容易にするため、電極６１もしくは充電孔９１４の少
なくとも一方がテーパ状をしていることが望ましい。
【０３０１】なお、重量が許すなら、ロボット９０が電
磁石９１５を有する構成も可能である。また、この構成
により、ロボット９０はベースステーション９１に限ら
ず、強磁性もしくは軟磁性材料で構成される物質すべて
に対して安定した離着陸が可能になる。また、より加速
度の小さい離陸を行なうために、電磁石９１５に力覚セ
ンサを配し、この力覚センサにかかる力によって電磁石
９１５の吸引力を制御する手法も可能である。
【０３０２】また、ここに示したのは離着陸時の気流不
安定性に伴うロボット９０の不安定浮上を防ぐ手法の一
例にすぎず、離着陸時にロボット９０を一時的に保持す
る機構であれば他の手段も可能である。たとえば、電磁
石９１５の代わりに空気を用いて吸引する手法も可能で
ある。また、レールなどのガイド機構に沿って離着陸を
行なう等の手法も可能である。
【０３０３】（システムの動作）ロボット９０はベース
ステーション９１からの指示により作業空間９２を巡回
し、人を検出する。これをより具体的に一例として記述
したものを例として図２４および図２５を用いて説明す
る。なお、以下の記述は一例であり、本願の権利請求の
範囲を絞るものではない。
【０３０４】（静止状態）ロボット９０の動作開始前は
ロボット９０はベースステーション９１における充電孔
９１４に電極６１が接続され固定されている。また、必
要に応じて電源６に対して充電が行なわれている。ベー
スステーション９１における演算装置９１１、メモリ９
１２は既に動作しているものとする。また、ロボット９
０の巡回経路は既に演算装置９１１によって算出されて
いるものとする。また、人を検出した際のロボット９０
のダイオードの発光動作は既に演算装置９１１によって
算出されているものとする。上記巡回経路、ダイオード
の発光動作をメモリ９１２に格納しておくことが望まし
い。
【０３０５】（離陸、上昇）ベースステーション９１に
おける電磁石９１５が動作し、ロボット９０はベースス
テーション９１に吸着される。この状態でロボット９０
は垂直方向への上昇のための羽ばたき動作を開始する。
遅くとも電磁石９１５が吸着を解除するまでには、ロボ
ット９０における加速度センサ５１、角加速度センサ５
２、制御装置４、および通信装置７は動作を開始してい
る。また、この際には、ベースステーション９１におい
ても通信装置９１７が動作を開始しており、演算装置９
１１がロボット９０の浮上状態を検出できる状態に達し
ている必要がある。
【０３０６】羽ばたきによる気流が安定した時点で、電
磁石９１５はロボット９０の吸着を止めていく。電磁石
９１５の吸着力とロボット９０の浮力がバランスする点
よりさらに電磁石９１５の吸着力を弱めた時点でロボッ
ト９０が浮上を開始する。
【０３０７】また、少なくともロボット９０が浮上を開
始するまでに、ベースステーション９１における演算装
置９１１は、ロボット９０の位置と姿勢を求める演算を
開始している必要がある。
【０３０８】ロボット９０はベースステーション９１に
加速度情報、角加速度情報を送信しつつ上昇する。ベー
スステーション９１はこの情報と目的とする経路より算
出されるロボット９０の位置と姿勢によりロボット９０
に現在与えられるべき加速度を算出し、ロボット９０に
指示する。予め指定された位置にロボット９０が到達す
ると、ベースステーション９１の指示によりロボット９
０はこの高さで巡回を開始する。
【０３０９】（巡回）巡回開始以前に焦電型赤外線セン
サ５３を動作させる。この赤外線情報が通信によって演
算装置９１１に送られる。巡回は、ベースステーション
９１はロボット９０の移動を指示しつつ、赤外線情報を
監視し、赤外線発信源すなわち発熱源の有無を判定する
ことで行なわれる。ロボットは、障害物を避けるため
に、一般的な侵入者の身長以上の高さ、たとえば、概ね
２ｍ程度の高さを巡回する。また、ロボット９０は、た
とえば、赤外線情報検出領域５３１の幅の６０％程度の
幅ずつずらしながら往復するなどの手法を用いて、作業
領域９２をくまなく巡回する。
【０３１０】（着陸）巡回終了時以後、ロボット９０に
おける焦電型赤外線センサ５３は動作を停止する。巡回
終了時には、ロボット９０における電極６１がベースス
テーション９１における充電孔９１４の鉛直上方に位置
するように位置および姿勢を保ちながらロボット９０が
下降するようにベースステーション９１がロボット９０
を制御する。電磁石９１５がロボット９０の吸着可能な
位置にロボット９０が位置したと判断した時点で、電磁
石９１５を作動させ、ロボット９０をベースステーショ
ン９１に固定する。
【０３１１】ベースステーション９１にロボット９０が
固定された以後、ロボット９０における加速度センサ５
１、角加速度センサ５２は動作を停止する。ベースステ
ーション９１にロボット９０が固定されて以後、ベース
ステーション９１はロボット９０へ羽ばたきの停止を指
示する。これ以後、通信装置７、制御装置４などは停止
させてもよい。
【０３１２】（フローチャート）本実施の形態における
各情報の流れを図２４に示す。また、上記動作のフロー
チャートを図２５に示す。当然これらは一例であり、本
実施の形態における対象物の探索を行なうセンシングロ
ボットというアプリケーションを満足するロボット９０
の動作はこの限りではなく、また、これまでアプリケー
ションに用いられる場合、当然この動作は異なったもの
となり得る。
【０３１３】（通信）本実施の形態における通信手法に
ついて、図２６〜図２８を用いて説明する。
【０３１４】なお、ここでは通信されるデータに対する
解説を主に行なう。たとえば、通信のプロトコル、ハン
ドシェイクのタイミングといった通信の手法の細部につ
いてはさまざまな手法があるが、ここで説明するデータ
のやり取りが行なえるものであればよい。
【０３１５】（静止状態、離陸）まず、静止状態〜離陸
時の通信動作について図２６を用いて説明する。
【０３１６】まず、ベースステーション９１の演算装置
９１１、通信装置９１７とロボット９０の制御装置４、
通信装置７を動作させ、ロボット９０とベースステーシ
ョン９１のコネクションを確立させる。そしてベースス
テーション９１における電磁石９１５を動作させ、ロボ
ット９０を吸着し、離陸時の不安定な気流によるロボッ
ト９０の転倒を防止する。
【０３１７】ロボット９０における加速度センサ５１、
角加速度センサ５２はロボット９０の位置と姿勢を正し
く把握するために、ロボットが浮上、すなわち加速度も
しくは角加速度が０でなくなる以前に動作している必要
があるので、羽ばたき開始以前にセンシングを開始して
おく。
【０３１８】ベースステーション９１は、ロボット９０
に浮上用の羽ばたきを指示する。本実施の形態では鉛直
上向きに浮上するような羽ばたきを行なうようにロボッ
ト９０に加速度、角加速度の指示を行なう。
【０３１９】ロボット９０においては、予め用意された
制御テーブルから、鉛直上向きに上昇するためのα、
β、θの時系列のパターンを選び、これに従った羽ばた
きを開始するため、左右アクチュエータを駆動する。
【０３２０】ベースステーション９１は、タイマで一定
時間経過を検出するなどの手法で、ロボットの羽ばたき
による気流が安定するまで待機し、その後、電磁石９１
５の吸着力を低下させていく。
【０３２１】その間、ロボット９０は自身の加速度情報
と角加速度情報とを通信によってベースステーション９
１に送信する。電磁石９１５の吸着力が浮力を下回った
時点でロボットは浮上する。これはロボットの速度が０
でなくなることによって検出される。浮上が完了すれ
ば、ベースステーション９１よりロボット９０に浮上完
了信号が送信され、巡回モードに入る。
【０３２２】（巡回）続いて、巡回時における通信動作
を図２７を用いて説明する。
【０３２３】まず、巡回モードに移行するまでに、ロボ
ット９０は赤外線センサを動作させる（図示なし）。
【０３２４】次に、ロボット９０は各種センサの情報取
得を行なう。そして、取得したセンサ情報を、通信を介
してベースステーションに送信する。
【０３２５】ベースステーション９１は受信したロボッ
ト９０のセンサ情報のうち、赤外線情報をマッピング
し、作業領域９２内での赤外線放射分布を求める。ま
た、加速度情報、角加速度情報から、ロボット９０の位
置と姿勢を算出する。これらの位置、姿勢算出処理、赤
外線マッピング処理は巡回行動中継続的に行なわれてい
るものとする。
【０３２６】得られた赤外線マッピングの結果、メモリ
９１２におけるマップデータに存在しない赤外線放射源
が確認されれば人とみなして発光ダイオードによる報知
動作を行なうことも可能である。そうでない場合は巡回
を継続する。これら次の行動をベースステーション９１
は決定し、ロボット９０に与えるべき加速度、角加速度
をロボット９０に指示情報として送信する。
【０３２７】ロボット９０は受信した指示情報のうちの
加速度指示と角加速度指示より、予め用意された制御テ
ーブルより左右アクチュエータの駆動を算出し、これを
駆動する。また、報知動作指示が行なわれている場合
は、これに従ってＬＥＤの駆動を行なう。報知動作にお
いても、通信態様は、ＬＥＤ駆動を除いて巡回動作と同
様である。
【０３２８】ベースステーション９１が、ロボット９０
が巡回終了に達したと判断した場合、ロボット９０に巡
回終了信号を送信し、着陸モードに移行する。
【０３２９】（着陸）続いて、図２８を用いて着陸にお
ける通信について説明する。
【０３３０】ロボット９０は、巡回終了後、焦電型赤外
線センサ５３の動作を停止させる。ベースステーション
９１は、着陸地点直上、より具体的には、電磁石９１５
によってロボット９０を初期位置に吸着可能な領域にロ
ボット９０を誘導する。この誘導は巡回時の制御と同様
に、ロボット９０より受信した加速度情報、角加速度情
報より算出したロボット９０の位置と姿勢を用いて行な
われる。すなわち、巡回動作と同様の通信態様によって
行なわれる。
【０３３１】ロボット９０が着陸地点直上に来たら、電
磁石９１５を動作させ、ロボット９０をベースステーシ
ョンに吸着する。その後、継続して動作させる必要がな
ければ、ベースステーション９１はロボット９０に対し
動作終了を指示する。これによりロボット９０は羽ばた
き動作、通信動作、センシングを終了させる。
【０３３２】なお、通信形態は１系であり、ロボット９
０のセンサ情報によりベースステーションがロボット９
０の行動指示を行なうのであればここで挙げたものに限
られない。
【０３３３】また、実施の形態では、センサは連続して
動作するものとしたが、ベースステーション９１により
センサ情報要求信号を受信したときのみセンサを動作さ
せるといったように、センサの動作を、ベースステーシ
ョン９１からの指示により間欠的に行なう手法も可能で
ある。
【０３３４】（機能分担）本実施の形態におけるロボッ
ト９０における制御装置４と、ベースステーション９１
における情報処理の機能分担について以下に示す。
【０３３５】ロボット９０とベースステーション９１は
通信路を通じて情報交換可能なので、各々の機能分担を
さまざまな形が可能である。たとえば、上記実施の形態
のごとく、ベースステーション９１の機能をすべてロボ
ット９０に収め、ベースステーション９１を廃した、い
わゆる、スタンドアロンタイプも可能である。しかし、
ロボット９０に過剰な質量を搭載すると浮上が困難にな
る。
【０３３６】また、ロボット９０が軽量である方が機敏
な動きが可能になり、システム動作効率を上げることが
できる。つまり、一般に、情報処理の大部分はベースス
テーション９１にて行ない、ロボット９０を軽量に設計
することが望ましい。特に、作業空間９２におけるマッ
プデータはその作業空間の大きさ、障害物の多さに依存
して大きくなる。
【０３３７】このため、ロボット９０の搭載重量の増加
に繋がらないメモリ９１２が用意されていることが望ま
しい。先の項で示した、赤外線放射源の位置特定など
も、ベースステーション９１における演算装置９１１に
て行なえば、ロボット９０における制御装置４には簡素
なデバイスを用いることができるため、軽量化が可能で
ある。
【０３３８】上述の議論に加え、ロボット９０における
制御装置４と、ベースステーション９１における情報処
理の機能分担については、通信速度の向上が重量増加に
繋がる点を考慮する必要がある。
【０３３９】たとえば、電波を用いた通信の場合、通信
速度が高速になると、キャリアとしてのエネルギの高
い、高周波数の電波を用いなくてはならないため消費電
力が大きくなる。このため、電源６の重量増加に繋が
る。また、補償回路などを用いて信号品質を向上させな
くてはならず、構成要素が増えるため、通信機能の重量
増加に繋がる。総合的にはこれらのトレードオフを考慮
して、実際の機能分担をデザインする必要がある。
【０３４０】たとえば、羽ばたきの細部、すなわち、羽
根の角度α、β、θをもベースステーション９１が指示
する場合を考えると、一般に羽ばたき以降の周波数は数
１０Ｈｚ以上であるため、α、β、θの制御周波数帯域
はｋＨｚオーダである。この場合、α、β、θのデータ
がそれぞれ８ビットであるとして、各々１ｋＨｚで制御
するには、単一の通信路で８（ｂｉｔ）×１（ｋＨｚ）
×３×２（アクチュエータの個数）＝４８（ｋｂｐｓ）
の通信速度が必要である。これは送信のみの速度であ
り、実際には受信のための帯域も必要となる。これに通
信のオーバーヘッド、また、焦電型赤外線センサ５３な
どのセンサからのデータも加わるため、１００ｋｂｐｓ
程度の通信速度を持った通信方法が必要となる。
【０３４１】ところで、ロボット９０における前進や後
退、左右への旋回といった基本的な動作については、各
々の動作に対応した一定のパターンの羽ばたき方を用意
することができる。よってこれら基本動作とそれをもた
らす羽ばたき方のパターンをロボット９０に内包してお
き、ベースステーション９１が予定経路にふさわしい基
本動作を算出し、ロボット９０に指示し、ロボット９０
は指示された基本動作から内包された羽ばたき方のパタ
ーンを選択するなどの手法を用いても、ロボット９０に
所望の経路を飛行させることができる。
【０３４２】このように、ロボット９０は羽ばたき方そ
のものの制御に代表される高い周波数帯域の制御、ベー
スステーション９１は経路制御に代表される低い周波数
帯域での制御を受け持つ形態が、制御装置の演算量の軽
減、通信経路のトラフィックス軽減の観点から望まし
い。なお、これらの基本動作とそれをもたらす羽ばたき
方のパターンは、テーブルとして制御装置４に用意して
おくのが、処理速度、制御装置４における演算量の低減
の観点から望ましい。
【０３４３】当然、特に制御装置４に代表される演算装
置の演算能力や通信速度は今後大きく向上することが期
待されるので、ここで記したロボット９０とベースステ
ーション９１における情報処理の態様は、現状をもとに
基本となる考えを例示したものであり、具体的な機能分
担については、今後ここに記した限りではない。
【０３４４】（高度制御）本実施の形態においては、高
度制御により容易に異なる階への移動が行なえる。すな
わち、マップデータに高さ情報を含めれば、従来の床面
移動ロボット制御手法に、高さ方向の制御を加えるだけ
で、巡回経路の高さ変更を行なうことが可能である。す
なわち、階段のマップデータに従って、たとえば、階段
における鉛直下方面よりほぼ一定の鉛直方向距離を保つ
などのアルゴリズムによって高さを変更しながら浮上移
動することで、階段の上り下りが容易に実現できる。
【０３４５】当然、先に示した異なる階の移動に階段を
用いるのは、異なる階を移動する手法の一例であり、こ
れに限らない。たとえば、通風口や吹きぬけなどを用い
ることも可能である。
【０３４６】（複数の巡回について）本実施の形態にお
いては、単一の巡回のみを例示したが、巡回の態様につ
いては当然これに限らない。本実施の形態に例示したよ
うな巡回行動を繰返し行なうことも可能である。
【０３４７】また、このような巡回方法で新たに巡回を
行なうことも可能である。また、本実施の形態において
は巡回終了後、ベースステーションに帰還する行動形式
を例として示したが、これは一例であり、この限りでは
ない。たとえば、作業空間９２に複数のベースステーシ
ョンを配し、この間を巡回していく手法も可能である。
【０３４８】（エネルギ補充機構について）当然、電源
６の充電方法や形態は、軽量稼働継続使用を両立させる
ために一般的に用いられるエネルギ補充の一形態を例示
したのみで、電源として機能を満たすものであれば電源
６とその充電機構の態様はここに例示した限りではな
い。
【０３４９】たとえば、羽根に金属薄膜スパッタリング
によってコイルを構成し、外部から電波を与え、これを
そのコイルで電力に変換、整流して電源６を充電する方
法も可能である。
【０３５０】また、たとえば、ベースステーション９１
以外に充電のみを目的とする充電ステーションが存在
し、そこで充電を行なうことも可能である。
【０３５１】また、電力以外のエネルギを用いる場合、
これに適したエネルギ補充方法が必要となる。もちろ
ん、電極６１と充電孔９１４の形状は本実施の形態に示
したものとは限らない。また、本実施の形態に示したよ
うに位置決めの役割を兼用していることは必須ではな
い。
【０３５２】（通信について）本実施の形態において
は、ベースステーション９１は常にロボット９０の情報
を得てこれを制御するものとしたが、ロボット９０に自
立的動作が可能である場合など、常にベースステーショ
ン９１がロボット９０を制御することは必ずしも必要で
はない。
【０３５３】また、メモリ４２に情報を一時的に保存し
ておくことで、ベースステーション９１とロボット９０
の通信の頻度を下げることができる。これは後述するロ
ボットやベースステーションが複数存在する場合など、
通信路のトラフィック低減が求められる場合などに有効
である。
【０３５４】ロボット９０とベースステーション９１と
のコネクションは、途絶する可能性を前提として設計す
ることが望ましい。ここで、ロボット９０に通信路が途
絶した場合の行動形式を予め組込んでおけば、コネクシ
ョンが再開された際通信途絶に起因する悪影響を最小限
に抑えることができる。
【０３５５】一例として通信路が途絶した場合、ロボッ
ト９０はホバリングを行なうことで浮上状態を一定に保
つ機能を備えておけば、ホバリングせずに移動し続ける
場合に比べて障害物に衝突する可能性が小さくなる。
【０３５６】また、メモリ４２にある程度先の動作モデ
ルをバッファリングしておくことで、通信路が途絶した
場合でもロボット９０が飛行を続けることができ、逆
に、メモリ４２にセンサの検出した情報をバッファリン
グしておき、通信路が回復した際にこれをベースステー
ション９１がやることで、通信路が途絶している間のセ
ンサ情報をベースステーションが得ることができる。
【０３５７】また、逆にこういったバッファリングを用
いることで、障害物が多く電波がさえぎられやすい環境
においてもより微弱な電波で群ロボットシステムの機能
を達成することができるため、省電力化が可能であり、
電源６の軽量化に繋がるため、ロボット９０の機動性を
高めることができる。
【０３５８】（環境変化について）本実施の形態におい
ては説明の簡便のため、作業空間９２における環境は変
化しないものとしたが、実際の使用においては環境は変
化する。主要な環境辺かとしての気流の発生と障害物の
変化が挙げられる。なお、これらの環境変化が存在する
場合はその補正手段を用意する必要がある。
【０３５９】気流については、羽ばたき飛行であっても
一般の航空機と同様の影響を受けるため、この補正は一
般的な航空機の経路計画に用いられる手法がそのまま応
用可能である。
【０３６０】障害物の変化についても、その対処方法は
従来の遠隔操作ロボットのシステムに採用されている手
法がそのまま適用可能である。たとえば、光センサなど
の障害物検出手段をロボット９０に設け、その障害物検
出データベースをベースステーション９１に送信し、ベ
ースステーション９１はその情報からマップデータを更
新するなどの手法が考えられる。
【０３６１】（システム構成（台数について））本実施
の形態においては説明の簡便のためベースステーション
は１台としたが、複数のベースステーションによってロ
ボット９０を制御することも当然可能である。一例とし
て、ベースステーション９１とロボット９０の通信可能
範囲よりも作業空間９２が広い場合、作業空間９２をカ
バーするように複数のベースステーションを設け、ロボ
ット９０の制御を空間的に分担する手法が挙げられる。
【０３６２】また、本実施の形態においては、ベースス
テーション９１に、ロボット９０の制御機能と離着陸補
助機能とエネルギ補充機能すなわち充電機能を統合した
が、当然これらの機能がベースステーションに統合され
ていることは必須ではない。たとえば、通信可能範囲に
比べ、航続飛行距離、すなわち、外部から駆動エネルギ
を補充することなく飛び続けることができる距離が短い
場合、１台のベースステーションがカバーする通信範囲
内に、他のエネルギ補充ステーションが存在するといっ
た形態が考えられる。
【０３６３】逆に、ロボット９０も単一である必要はな
く、複数のロボットを用いた方が作業空間９２の検索効
率を高めることができる。たとえば、本実施の形態に示
す人の探索の目的の場合、作業空間９２をロボット９０
Ａが１回検索するのにかかる時間Ｔ１（秒）とすると、
ロボット９０Ａが検索を開始してからＴ１／２（秒）後
にロボット９０Ｂに検索を開始させれば作業空間９２に
おけるある位置の検索頻度は毎秒２／Ｔ１（回）とな
り、２倍の頻度で検索されるため、人を発見する確率が
上がる。また、魚群の回遊をモデルとした群行動を行な
うロボットを用いてもよい。
【０３６４】また、当然、ベースステーション９１の機
能すべてをロボット９０に内包でき、かつ、浮上が可能
な重量であるならばスタンドアロンタイプとしてロボッ
ト９０単独での使用形態も可能である。逆に、ほとんど
の情報処理をベースステーション９１が担い、ロボット
９０の制御部はアクチュエータのみである形態も可能で
ある。
【０３６５】本実施の形態の群ロボットシステムによれ
ば、ロボットは浮力を得て地面を離れて移動することが
できるので、たとえば家具などのさまざまな物体が置か
れ、そしてそのような物体の位置が時間的に変化する屋
内において、そのような障害物を避けて移動することが
できて、各部屋の状態把握などの所定の作業を行なうこ
とができる。また、屋外においては、たとえば、災害地
における障害物や一般のフィールドなどにおける地形な
どに左右されることなく移動することができて情報収集
などの作業を容易に行なうことができる。また、既存作
業空間への導入を安価に、簡便に実現できる。
【０３６６】本実施の形態の群ロボットシステムによれ
ば、物理量取得手段と通信手段とを有する上記ロボット
と、このロボットと通信によりロボットからの情報を得
る、もしくはロボットを制御することが可能なベースス
テーションとの構成により、ロボットにおける情報処理
を浮上に影響しない構成要素にて行なうことができるた
め、ロボットの起動力を損なうことなく情報処理量を増
やすことができる。
【０３６７】次に、上記ロボットの別実施の形態を説明
する。 （別実施の形態）別実施の形態に係る羽ばたきセンシン
グロボットを用いた群ロボットシステムについて説明す
る。本実施の形態の群ロボットシステムは、前述の実施
の形態と略同様であるが、羽ばたきセンシングロボット
の構造のみが異なる。すなわち、本実施の形態の羽ばた
きセンシングロボットは、前述の実施の形態の群ロボッ
トシステムにおいて用いられ、ベースステーションと通
信制御の関係は同様の関係で用いられる。また、羽ばた
きセンシングロボットがフェロモンロボットとして用い
られる場合も同様である。さらに、本実施の形態では、
羽ばたきセンシングロボットの羽ばたき飛行に関しての
み説明するが、羽ばたきセンシングロボットには対象物
を検出するためのセンサとして前述の実施の形態と同様
のセンサが設けられており、階層構造においてスペクト
ラム拡散通信を用いて、他の羽ばたきセンシングロボッ
ト、フェロモンロボットまたはベースステーションと通
信可能な通信機構においても前述の実施の形態と同様の
通信機構が設けられている。
【０３６８】図２９（ａ）および図２９（ｂ）は、羽部
として２本の羽軸を有する羽ばたきセンシングロボット
を示す図である。図２９（ａ）では、羽ばたきセンシン
グロボットの前方正面部分が示され、図２９（ｂ）で
は、羽ばたきセンシングロボットの前方正面に向かって
左側面部分が示されている。
【０３６９】なお、図２９（ａ）および図２９（ｂ）で
は羽ばたきセンシングロボットの前方正面に向かって左
羽しか示されていないが、実際には、胴体部１０５の中
心軸を挟んで左右対称に右羽も形成されている。また、
説明を簡単にするため、胴体部１０５が延びる方向に沿
った軸（胴体軸８０１）は水平面内にあり、重心を通る
中心軸８０２は鉛直方向に保たれているとする。
【０３７０】図２９（ａ）および図２９（ｂ）に示すよ
うに、羽ばたきセンシングロボットの胴体部１０５に
は、前羽軸１０３および後羽軸１０４と、その前羽軸１
０３と後羽軸１０４との間を渡すように設けられた羽の
膜１０６とを有する羽（左羽）が形成されている。
【０３７１】また、胴体部１０５には、前羽軸１０３を
駆動するための回転型アクチュエータ１０１と後羽軸１
０４を駆動するための回転型アクチュエータ１０２とが
搭載されている。このようなアクチュエータ１０１、１
０２の配置や前羽軸１０３、後羽軸１０４および羽の膜
１０６を含む羽の形状は、飛行の性能が損なわれないな
らばこれに限られるものではない。
【０３７２】さらに、この羽ばたきセンシングロボット
の場合、羽の断面形状を鉛直上方に凸となるようにして
おけば、水平方向への飛行に際して抗力だけでなく揚力
も発生して、より大きな浮上力が得られることになる。
【０３７３】また、この羽ばたきセンシングロボットの
重心の位置は、羽ばたきセンシングロボットの安定性を
重視するために羽が周囲の流体により受ける力のアクチ
ュエータに対する作用点の位置よりも下方になるように
設定されている。一方、羽ばたきセンシングロボットの
姿勢を容易に変更する観点からは重心とその作用点を略
一致させておくことが望ましく、この場合には、姿勢制
御に必要な左右の羽が流体から受ける力の差が小さくな
って、羽ばたきセンシングロボットの姿勢変更を容易に
行なうことができる。
【０３７４】２つの回転型アクチュエータ１０１、１０
２は互いに回転軸８００を共有している。この回転軸８
００は胴体軸とは所定の角度（９０°−θ）をなしてい
る。前（後）羽軸１０３、１０４はアクチュエータ１０
１、１０２を支点として回転軸８００と直交する平面内
を往復運動する。この回転軸８００と直交する平面と胴
体軸８０１とのなす角度が仰角θとなる。
【０３７５】胴体部１０５としては、機械的強度を確保
するとともに、十分な軽量化を図るために、ポリエチレ
ンテレフタレート（ＰＥＴ）などを円筒状に成形したも
のが望ましいが、このような材料や形状に限定されるも
のではない。
【０３７６】アクチュエータ１０１、１０２としては、
起動トルクが大きいこと、往復運動が簡単に実現できる
こと、構造が単純なことなどから、圧電素子（ピエゾ）
を用いた超音波進行波アクチュエータを用いるのが望ま
しい。これには、回転型アクチュエータとリニア型アク
チュエータとの２つの種類がある。図２９（ａ）および
図２９（ｂ）では、回転型アクチュエータが用いられて
いる。
【０３７７】ここでは、進行波を用いた超音波素子によ
って羽を直接駆動する方法を中心に説明するが、この羽
を駆動するための機構や、それに用いるアクチュエータ
の種類については特に本実施の形態に示したものに限ら
れない。
【０３７８】回転型アクチュエータとしては、図２９
（ａ）および図２９（ｂ）に示された回転型アクチュエ
ータ１０１、１０２の他に、たとえば、図３９に示され
る回転型アクチュエータ４０１を用いてもよい。
【０３７９】図３９に示された羽ばたきセンシングロボ
ットでは、胴体部４０４に搭載された回転型アクチュエ
ータ４０１に羽４０３が取付けられている。羽４０３は
回転型アクチュエータ４０１の回転軸４０２を中心とし
て往復運動をする。
【０３８０】また、羽を駆動するための機構としては、
特開平５−１６９５６７５号公報に記載されているよう
な外骨格構造とリニアアクチュエータを組合わせた機構
を適用して、たとえば図４０または図４１に示すような
羽ばたきセンシングロボットを構成してもよい。
【０３８１】図４０に示された羽ばたきセンシングロボ
ットでは、リニアアクチュエータ５０１の一端に、前羽
軸または後羽軸５０３が接続されている。胴体部５０４
に装着されたヒンジ５０２を介してリニアアクチュエー
タ５０１の運動が前羽軸または後羽軸５０３に伝えられ
ることで羽ばたき運動が行なわれる。この羽ばたき運動
は、羽を直接筋肉で駆動するトンボの羽ばたき運動にヒ
ントを得たものである。
【０３８２】図４１に示された羽ばたきセンシングロボ
ットでは、胴体部は上面胴体部６０３と下面胴体部６０
４に分けられている。下面胴体部６０４に固定されたリ
ニアアクチュエータ６０１の運動が上面胴体部６０３に
伝えられる。そして、その上面胴体部６０３の運動がヒ
ンジ６０２を介して前羽軸または後羽軸６０３に伝えら
れることで羽ばたき運動が行なわれる。この羽ばたき運
動は、トンボ以外のハチなどが用いている羽ばたき運動
にヒントを得たものである。
【０３８３】図４１に示す羽ばたきセンシングロボット
の場合、１つのアクチュエータ６０１によって左右の羽
軸６０３が同時に駆動されるため、左右の羽軸を別々に
駆動することができず、細かな飛行制御を行なうことは
できないが、アクチュエータの数を減らすことができ
て、軽量化および消費電力の低減を図ることが可能であ
る。
【０３８４】さて、図２９（ａ）および図２９（ｂ）に
示された羽ばたきセンシングロボットでは、回転型アク
チュエータ１０１、１０２には前羽軸１０３と後羽軸１
０４とがそれぞれ接続されている。前羽軸１０３と後羽
軸１０４と間には羽の膜１０６が張られている。羽の膜
１０６はその面内において収縮する方向に自発的な張力
を有しており、羽全体の剛性を高める働きをしている。
【０３８５】軽量化のため前羽軸１０３と後羽軸１０４
は中空構造であり、それぞれカーボングラファイトから
形成されている。このため、前羽軸１０３と後羽軸１０
４には弾力性があり、前羽軸１０３と後羽軸１０４とは
羽の膜１０６の張力により変形可能である。
【０３８６】図４２は本羽ばたきセンシングの全体の構
造を示す図である。なお、前方方向（紙面に向かって
上）に向かって左側の羽は省略されている。胴体部７０
０には、超音波センサ７０１、赤外線センサ７０２、加
速度センサ７０３および角加速度センサ７０４が配され
ている。これらのセンサによる検出結果は羽ばたき制御
部７０５に送られる。
【０３８７】羽ばたき制御部７０５では、超音波センサ
７０１や赤外線センサ７０２によって検出された結果か
ら羽ばたきセンシングロボットと周囲の障害物や人間と
の距離などが情報が処理される。また、加速度センサ７
０３や角加速度センサ７０４によって検知された結果か
ら、羽ばたきセンシングロボットの浮上状態、目的位置
または姿勢などの情報が処理処理されて、左右のアクチ
ュエータ７０６および重心制御部７０７の駆動制御が決
定される。
【０３８８】なお、ここでは、本羽ばたきセンシングロ
ボットの周囲に存在する障害物を検出する手段として超
音波センサ７０１および赤外線センサ７０２を用い、本
羽ばたきセンシングロボットの位置および姿勢を検出す
る手段として加速度センサ７０３および角加速度センサ
７０４を用いたが、本羽ばたきセンシングロボットの周
囲環境や位置と姿勢が計測可能なセンサであれば、上記
センサに限られない。
【０３８９】たとえば、直交する３軸方向の加速度を測
定可能な加速度センサ２つをそれぞれ胴体部７００の異
なる位置に配して得られる加速度情報からも、本羽ばた
きセンシングロボットの姿勢を算出することは可能であ
る。また、本羽ばたきセンシングロボットが移動する空
間内に磁場分布を設けておき、磁気センサによってこの
磁場分布を検知することで本羽ばたきセンシングロボッ
トの位置と姿勢を算出することも可能である。
【０３９０】また、図４２では、加速度センサ７０３お
よび角加速度センサ７０４をはじめとするセンサ類は、
羽ばたき制御部７０５とは別部品として示されている
が、軽量化の観点から、たとえばマイクロマシニング技
術により羽ばたき制御部７０５と一体で同一基板上に形
成してもよい。
【０３９１】また、本羽ばたきセンシングロボットでは
羽の駆動をオープンループ制御としているが、羽の付け
根に羽の角度センサを設け、この角度センサから得られ
る角度情報によりクローズドループ制御を行なうことも
可能である。
【０３９２】なお、浮上する空間における流体の流れが
既知であり、予め定められた羽ばたき方法によって浮上
することが可能ならば、ここに挙げたセンサ類は必須で
はない。
【０３９３】羽ばたき制御部７０５はメモリ部７０８と
接続されており、羽ばたき制御に必要な既存のデータを
メモリ部７０８から読出すことができる。また、各セン
サ７０１〜７０４によって得られた情報をメモリ部７０
８に送込み、必要に応じてメモリ部７０８の情報を書換
えることもでき、羽ばたきセンシングロボットとして学
習機能を持たせることができる。
【０３９４】なお、各センサ７０１〜７０４によって得
られた情報をメモリ部７０８に蓄積するだけであれば、
羽ばたき制御部７０５を介さずにメモリ部７０８と各セ
ンサ７０１〜７０４とが直接接続されていてもよい。ま
た、羽ばたき制御部７０５は通信制御部７０９と接続さ
れて、通信制御部７０９とデータの入出力を行なうこと
ができる。通信制御部７０９は、アンテナ部７１０を介
して外部の装置（他の羽ばたきセンシングロボットやベ
ースステーションなど）とのデータの送受信を行なう。
【０３９５】このような通信機能により、羽ばたきセン
シングロボットが取得してメモリ部７０８に蓄えられた
データを速やかに外部の装置に転送することができる。
また、羽ばたきセンシングロボットでは入手できない情
報を外部の装置から受取り、そのような情報をメモリ部
７０８に蓄積することで、羽ばたきの制御に利用するこ
ともできる。たとえば、大きなマップ情報のすべてを羽
ばたきセンシングロボットに記憶さなくても、随時、必
要な範囲のマップ情報をベースステーションなどから入
手することなどが可能となる。
【０３９６】なお、図４２では、アンテナ部７１０は胴
体部７００の端から突き出た棒状のものとして示されて
いるが、アンテナの機能を有するものであれば、形状、
配置などこれに限られない。たとえば、前羽軸７１２や
後羽軸７１３を利用して、羽の上にループ状のアンテナ
を形成してもよい。また、胴体部７００にアンテナを内
蔵した形態でも、あるいは、アンテナと通信制御部７０
９とを一体化させた形態でもよい。
【０３９７】超音波センサ７０１、赤外線センサ７０
２、加速度センサ７０３、角加速度センサ７０４、羽ば
たき制御部７０５、左右のアクチュエータ７０６、重心
制御部７０７、メモリ部７０８、通信制御部７０９およ
びアンテナ部７１０などは、電源部７１１により供給さ
れる電流によって駆動される。
【０３９８】ここでは、駆動エネルギーとして電力を用
いたが、内燃機関を用いることも可能である。また、昆
虫の筋肉に見られるような、生理的酸化還元反応を用い
たアクチュエータを用いることも可能である。あるい
は、アクチュエータの駆動エネルギーを外部から取得す
る方法も採用できる。たとえば、電力については熱電素
子、電磁波などが挙げられる。
【０３９９】（浮上方法）説明の簡便のため、本羽ばた
きセンシングロボットに作用する外力は、羽が流体から
受ける流体力と羽ばたきセンシングロボットに作用する
重力（羽ばたきセンシングロボットの質量と重力加速度
との積）のみであるとする。本羽ばたきセンシングロボ
ットが恒常的に浮上するためには１回の羽ばたき動作の
間の時間平均において、次の関係、 （羽に作用する鉛直上方向の流体力）＞（本羽ばたきセ
ンシングロボットに作用する重力） を満たすことが必要とされる。１回の羽ばたき動作と
は、羽を打ち下ろし次に羽を打ち上げる動作をいう。
【０４００】さらに、鉛直上向きの流体力を卓越させて
上昇させるためには、 （打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流
体力）＞（打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向
きの流体力） となる必要がある。
【０４０１】ここでは、昆虫の羽ばたき方を単純化した
羽ばたき方法により、打ち下ろし動作において羽に作用
する鉛直上向きの流体力（以下「打ち下ろし時の流体
力」と記す。）を、打ち上げ動作において羽に作用する
鉛直下向きの流体力（以下「打ち上げ時の流体力」と記
す。）より大きくする方法について説明する。
【０４０２】説明の簡便のため、流体の挙動もしくは流
体が羽に及ぼす力については、その主要成分を挙げて説
明する。また、この羽ばたき方法により得られる浮上力
と、本羽ばたきセンシングロボットに作用する重力（以
下「重量」と記す。）の大小については後述する。
【０４０３】打ち下ろし時の流体力を打ち上げ時の流体
力よりも大きくするためには、打ち下ろし時に羽の膜１
０６が移動する空間の体積が最大になるように打ち下ろ
せばよい。そのためには、羽の膜１０６を水平面と略平
行に打ち下ろせばよく、これにより、ほぼ最大の流体力
を得ることができる。
【０４０４】反対に、打ち上げ時には羽の膜１０６が移
動する空間の体積が最小になるように打ち上げればよ
い。そのためには、羽の膜１０６を水平面に対して略直
角に近い角度で打ち上げればよく、これにより、羽に及
ぼされる流体力はほぼ最小となる。
【０４０５】そこで、回転型アクチュエータ１０１、１
０２により回転軸８００の周りに両羽軸１０３、１０４
を往復運動させる際に、各羽軸１０３、１０４が水平面
と略一致する位置を中心として上方と下方とにそれぞれ
角度γだけ往復運動させるとする。さらに、図３０に示
すように、前羽軸１０３の往復運動に対して後羽軸１０
４の往復運動を適当な位相φだけ遅れさせる。
【０４０６】これにより、図３１〜図３８（ここではφ
＝２０°として描いた）に示す一連の羽の往復運動のう
ち、図３１〜図３４に示された打ち下ろし時において
は、より高い位置にある回転型アクチュエータ３０１の
前羽軸３０３が先に打ち下ろされるため、前羽軸３０３
および後羽軸３０４の先端と羽の膜３０６が水平に近づ
く。
【０４０７】一方、図３５〜図３８に示された打ち上げ
時においては、両羽軸１０３、１０４の先端の高さの差
が拡大されて、羽の膜３０６も垂直に近づく。この結
果、前羽軸３０３と後羽軸３０４に張られた羽の膜１０
６が流体を押し下げ、あるいは、押し上げる量に差異が
生じ、この羽ばたきセンシングロボットの場合には、打
ち下ろし時の流体力の方が打ち上げ時の流体力よりも大
きくなって浮上力が得られることになる。
【０４０８】この浮上力のベクトルは、位相差φを変化
させることにより前後に傾く。前方に傾けば推進運動、
後方に傾けば後退運動、真上に向けば停空飛翔（ホバリ
ング）状態となる。なお、実際の飛行では、位相差φ以
外にも、羽ばたき周波数ｆや羽ばたき角γを制御するこ
とが可能である。また、この羽ばたきセンシングロボッ
トでは、羽ばたき仰角θを固定しているが、これを変化
させる機能を追加して、自由度を増やしても構わない。
【０４０９】（羽ばたき制御）実際の羽ばたき制御につ
いてさらに詳細に説明する。上述した羽ばたきセンシン
グロボットでは、打ち下ろし動作または打ち上げ動作の
際に、羽の先端部がなす捻り角αは、羽の長さ（羽の膜
の前羽軸および後羽軸に沿った長さ）をｌ、羽の幅（前
羽軸と後羽軸の間隔）をｗ、羽ばたき角をγ、羽ばたき
運動の位相をτ（最も打ち上げた瞬間を０°、最も打ち
下ろした瞬間を１８０°とする）、前羽軸と後羽軸の位
相差をφとすれば（図３１、３７、３８を参照）、およ
そ以下の式で表わされる。
【０４１０】ｔａｎα＝（ｗ／ｌ）・〔ｓｉｎ（γ・ｃ
ｏｓτ）−ｓｉｎ｛γ・ｃｏｓ（τ＋φ）｝〕 実際には、前羽軸や後羽軸には弾性があり変形可能であ
るので、この捻り角αは多少違った値をとる。また、羽
軸の根元ほどこの角度は小さい。しかし、以下の議論で
は簡便のため、上の式のαを用いて説明する。
【０４１１】捻りを加えていない羽に作用する流体力の
鉛直方向成分Ｆは、流体の密度をρ、羽ばたき角度を
γ、羽ばたき周波数をｆとして、およそ Ｆ＝（４／３）・π2ρｗγ2ｆ2ｌ3・ｓｉｎ2τ・ｃｏ
ｓ（γ・ｃｏｓτ） となる。なお、羽に作用する流体力の水平方向成分は、
左右の羽が同じ運動をすれば互いに打ち消し合うことに
なる。
【０４１２】羽に捻り角αをもたせると、上記成分Ｆの
羽ばたき運動平面に垂直な成分Ｌと、水平な成分Ｄはそ
れぞれ次のようになる。
【０４１３】Ｌ＝Ｆ・ｃｏｓα・ｓｉｎα Ｄ＝Ｆ・ｃｏｓ2α これに、羽ばたき仰角θを考慮すると、重量と釣り合う
べき鉛直方向の成分Ａと、前後運動の推力となる水平方
向成分Ｊは、打ち下ろし時では、 Ａ↓＝−Ｌ・ｃｏｓθ＋Ｄ・ｓｉｎθ Ｊ↓＝−Ｌ・ｓｉｎθ−Ｄ・ｃｏｓθ 打ち上げ時では、 Ａ↑＝Ｌ・ｃｏｓθ−Ｄ・ｓｉｎθ Ｊ↑＝Ｌ・ｓｉｎθ＋Ｄ・ｃｏｓθ となる。実際の浮力や推進力は、羽ばたき運動の１周期
分を積分したものとなる。
【０４１４】以上より、この飛行制御の一例として、羽
ばたきセンシングロボットの羽の長さｌ＝４ｃｍ、羽の
幅ｗ＝１ｃｍ、羽ばたき仰角θ＝３０°、羽ばたき角γ
＝６０°、羽ばたき周波数ｆ＝５０Ｈｚ、打ち下ろし時
の位相差φ↓＝４°、打ち上げ時の位相差φ↑＝１６°
とした場合における鉛直方向成分Ａと水平方向成分Ｂの
時間変化を各角度の時間変化とともに図４３に示す。
【０４１５】横軸は１周期分の時間が位相τとして表わ
されている。前半が打ち下ろし、後半が打ち上げを示し
ている。各グラフの曲線は前羽軸の羽ばたき角γｆ、後
羽軸の羽ばたき角γｂ、水平面からの羽の捻り角（α＋
θ）、流体力の鉛直方向成分Ａおよび水平方向成分Ｊの
時間変化をそれぞれ示している。
【０４１６】この例では、単位時間当りの流体力の鉛直
方向成分Ａにおいては打ち下ろし時の方が打ち上げ時よ
りも大きいため、１周期の平均で約５００ｄｙｎの鉛直
上向きの流体力が１枚の羽で得られる。したがって、２
枚の羽では羽ばたきセンシングロボットの重量が約１ｇ
以下であれば浮上することができることになる。また、
単位時間当りの流体力の水平方向成分Ｊは、１周期の間
にほぼ打ち消されるため、重量１ｇ程度の羽ばたきセン
シングロボットであればホバリング可能となる。
【０４１７】ここで、打ち下ろし時の位相差φ↓を大き
く、もしくは、打ち上げ時の位相差φ↑を小さくすれ
ば、前進することができる。このとき、水平に前進させ
るためには、周波数ｆを少し小さくするのが望ましい。
逆に、打ち下ろし時の位相差φ↓を小さくし、もしく
は、打ち上げ時の位相差φ↑を大きくすれば後退するこ
とができる。このとき、水平に後退させるためには、周
波数ｆを少し大きくすることが望ましい。
【０４１８】この羽ばたきセンシングロボットでは、た
とえば、打ち上げ時の位相差φ↑を１６°に保ったまま
打ち下ろし時の位相差φ↓を７°と大きくするか、打ち
下ろし時の位相差φ↓を４°に保ったまま打ち上げ時の
位相差φ↑を１１°と小さくし、そして、羽ばたき周波
数ｆ＝４８Ｈｚに下げることで、最初の１秒間におよそ
１ｍの速度で水平に前進することができる。
【０４１９】また、たとえば、打ち上げ時の位相差φ↑
を１６°に保ったまま打ち下ろし時の位相差φ↓を１°
と小さくするか、打ち下ろし時の位相差φ↓を４°に保
ったまま打ち上げ時の位相差φ↑を２４°と大きくし、
そして、羽ばたき周波数ｆ＝５４Ｈｚに上げることで、
最初の１秒間におよそ１ｍの速度で水平に後退すること
ができる。
【０４２０】ホバリング状態のまま、羽ばたきセンシン
グを上昇または下降させるためには、周波数ｆを上げる
かまたは下げるかすればよい。水平飛行中でも、上昇と
下降については、主に周波数ｆによって制御が可能であ
る。周波数ｆを上げることで羽ばたきセンシングロボッ
トは上昇し、周波数を下げることで羽ばたきセンシング
ロボットは下降する。
【０４２１】この例では、打ち上げ動作中もしくは打ち
下ろし動作中にも、羽の捻り角αをゆっくり変化させて
いるが、これは、アクチュエータへの負荷を減らすため
である。浮力を得るための羽ばたき運動としては、打ち
上げ動作中や打ち下ろし動作中は羽の捻り角αを一定の
値に設定して、打ち下ろし動作から打ち上げ動作、もし
くは、打ち上げ動作から打ち下ろし動作への変化点にお
いて捻り角αを急激に変化させるようにしてもよい。
【０４２２】羽ばたき仰角θ＝０°とした場合の鉛直方
向成分Ａと水平方向成分Ｂの時間変化を各角度の時間変
化とともに図４４に示す。この場合は、ハチドリのホバ
リングにヒントを得た羽ばたき運動である。なお、左右
への舵取りは、左右の羽の羽ばたき運動を別々に制御で
きる場合、それぞれの羽による推力に差を持たせればよ
い。
【０４２３】たとえば、前方へ飛行中に右方向へ旋回す
るには、右羽の羽ばたき角γを左羽よりも小さくする、
または、右羽の前羽軸と後羽軸の位相差を、左羽より大
きくする、あるいは、羽ばたき仰角θが制御できるよう
な場合には、右羽のθを左羽よりも小さくするといった
制御を行なう。これにより、右羽の推進力が左羽の推進
力に比べて相対的に下がり右に旋回することができる。
羽ばたきセンシングロボットを左へ旋回させる場合に
は、その逆の制御を行なえばよい。
【０４２４】一方、図４１に示された羽ばたきセンシン
グロボットのように、左右の羽を別々に制御することが
できないような場合には、図４２に示された羽ばたきセ
ンシングロボットに搭載されているような重心制御部７
０７をこの羽ばたきセンシングロボットに搭載して、羽
ばたきセンシングロボットの重心を左右にずらすことで
左右への旋回を行なうことができる。
【０４２５】たとえば、重心を右にずらして右羽を下方
へ左羽を上方へ傾け、そして、周波数ｆを大きくするこ
とで、羽ばたきセンシングロボットを右へ旋回させるこ
とができる。重心を左にずらして、同様に、周波数ｆを
大きくすることで、羽ばたきセンシングロボットを左に
旋回させることができる。なお、この方法は２つの羽を
別々に制御することができる場合にも適用することがで
きる。また、いずれの羽ばたきセンシングロボットにお
いても、姿勢の安定を保つために、左右のそれぞれの羽
ばたきの周波数ｆを同じ値に設定しておくことが望まし
い。
【０４２６】なお、上記２つの実施の形態のおいては、
センシングロボットに羽ばたきセンシングロボットを用
いた群ロボットシステムを説明したが、リモートコント
ロール可能なヘリコブター、２脚歩行する人型ロボッ
ト、魚型のロボットを用いた魚群ロボットなど、ベース
ステーションにより群ロボットシステムとして、動作、
対象物の検出、および通信等の制御が行なえるものであ
れば他のロボットであってもよい。
【０４２７】最後に、本実施の形態の群ロボットシステ
ムに用いられる羽ばたきセンシングロボット（または羽
ばたきフェロモンロボット）の構成およびその効果をま
とめて記載しておく。
【０４２８】本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トは、流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と駆動
部と胴体部とを含む浮上本体部を備えている。駆動部
は、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろ
し動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打
ち上げ動作とを行なう。胴体部には羽部が取付けられ、
駆動部が搭載される。そして、一連の打ち下ろし動作お
よび打ち上げ動作の間の時間平均では、羽部が流体から
受ける力のうち鉛直上向きの力が浮上本体部に作用する
重力よりも大きくなる。
【０４２９】この構造によれば、羽部の羽ばたき動作に
おいて打ち下ろし動作および打ち上げ動作の間の時間平
均では、羽部が流体から受ける力のうち鉛直上向きの力
が浮上本体部に作用する重力よりも大きくなることで、
浮上本体部に浮力が与えられることになる。その結果、
浮上本体部は地面に接することなく移動することができ
る。
【０４３０】浮上本体部に浮力を与えるためには、打ち
下ろしの動作の際に羽部が移動する空間の体積は打ち上
げの動作の際に羽部が移動する空間の体積よりも大きい
ことが望ましく、たとえば、浮力と浮上本体部に作用す
る重力とを釣り合わせることで地面から離れた状態で空
間に留まる停空飛翔（ホバリング）も可能になる。
【０４３１】このような浮上本体部は、屋内において所
定の作業を行なうための移動手段として用いられるこ
と、または、屋外において所定の作業を行なうための移
動手段として用いられることが望ましい。
【０４３２】浮上本体部は浮力を得て地面を離れて移動
することができるので、たとえば家具等のさまざまな物
体が置かれ、そして、そのような物体の位置が時間的に
変化する屋内において、そのような障害物を避けて移動
することができて各部屋の状況把握等の所定の作業を容
易に行なうことができる。また、屋外においては、たと
えば災害地における障害物や一般のフィールドなどにお
ける地形等に左右されることなくに移動することができ
て、情報収集等の所定の作業を容易に行なうことができ
る。
【０４３３】具体的に、羽部は羽本体部と羽本体部を支
持する羽軸部とを有し、駆動部は、羽軸部を駆動させる
ことにより羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面との
なす捻り角を変化させることが望ましい。
【０４３４】これにより、羽部が流体から浮ける流体力
の大きさや向きが変化して、浮上本体部を上昇、下降、
前進または後退させることができる。
【０４３５】また、打ち下ろしの動作の際に羽部が移動
する空間の体積を打ち上げの動作の際に羽部が移動する
空間の体積よりも大きくするために、駆動部は打ち下ろ
し動作における捻り角と打ち上げ動作における捻り角と
を異ならせる必要がある。
【０４３６】さらに、駆動部は捻り角を時間的に変化さ
せることが望ましい。この場合には、羽部の姿勢を滑ら
かに変化させることができて、羽部に急激に流体力が作
用するのを抑制することができる。
【０４３７】また、羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸
部とを含み、羽本体部は一方側羽軸部と他方側羽軸部と
の間を渡すように形成された膜部を含み、駆動部は一方
側羽軸部と他方側羽軸部とを個々に駆動させることが望
ましい。
【０４３８】この場合、一方側羽軸部と他方側羽軸部と
を個々に駆動させることで、捻り角を容易に変えること
ができる。
【０４３９】そして、羽軸部は駆動部を支点として仮想
の一平面上を往復運動し、胴体部は一方向に向かって延
び、胴体部が延びる方向と仮想の一平面とがなす仰角が
変えられることが望ましい。
【０４４０】この場合には、羽ばたき運動の自由度が増
えて、より複雑な羽ばたき運動を実現することができ
る。また、この仰角をより大きくし捻り角を制御するこ
とで、より高速な飛行を行なうことができる。さらに、
この仰角を実質的に０°にすることで、機動性に優れハ
チドリのようなホバリングを行なうことができる。
【０４４１】また具体的に、羽部は主軸部とその主軸部
から主軸部が延びる方向と略直交する方向に形成された
羽本体部とを有し、駆動部は主軸部を駆動させることに
より羽本体部に接する仮想の一平面と主軸部を含む仮想
の所定の基準面とのなす捻り角を変化させることが望ま
しい。
【０４４２】これにより、羽部が流体から浮ける流体力
の大きさや向きが変化して、浮上本体部を上昇、下降、
前進または後退させることができる。
【０４４３】このような主軸部にて羽部の姿勢を変える
ためには、駆動部は少なくとも３自由度を有するアクチ
ュエータを含んでいることが望ましい。
【０４４４】また、羽部は胴体部の略中心を挟んで一方
側と他方側とにそれぞれ形成され、駆動部は一方側に形
成された羽部と他方側に形成された羽部とを個々に駆動
させることが望ましい。
【０４４５】この場合には、一方側に形成された羽部と
他方側に形成された羽部の姿勢を個々に変化させること
ができて、容易に浮上本体部の向きを変えることができ
る。
【０４４６】さらに、周囲の状況を把握するためのセン
サ部、情報を記憶するためのメモリ部、あるいは、情報
を送受信するための通信部を備えていることが望まし
い。
【０４４７】センサ部を備えることで、浮上本体部の位
置や姿勢、速度、周囲の障害物の位置や移動速度、温度
や明るさなどの環境情報を入手し、より適切な羽ばたき
制御を行なうことができる。また、メモリ部を備えるこ
とで、得られた環境情報を蓄積することができて、浮上
本体部に学習機能をもたせることができる。さらに、通
信部を備えていることで、複数の浮上本体部とベースス
テーションとの間で情報のやり取りを行なうことがで
き、取得した情報を交換することで複数の浮上本体部間
で協調行動などを容易に行なうことができる。
【０４４８】なお、今回開示された実施の形態はすべて
の点で例示であって制限的なものではないと考えられる
べきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許
請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意
味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図
される。
【０４４９】
【発明の効果】本発明の群ロボットシステムによれば、
階層構造において通信を行なうため、それぞれのセンシ
ングロボット同士の間またはベースステーションとセン
シングロボットとの間の通信の距離を、ベースステーシ
ョンとセンシングロボットとが１対１で通信を行なう場
合に比較して短くすることができる。そのため、センシ
ングロボットそれぞれの通信機構の小型化または軽量化
を図りながら、ベースステーションが停止している状態
での探索範囲を広げることができる。
【０４５０】本発明のセンシングロボットによれば、階
層構造において通信を行なうため、それぞれのセンシン
グロボット同士の間またはベースステーションとセンシ
ングロボットとの間の通信の距離を、ベースステーショ
ンとセンシングロボットとが１対１で通信を行なう場合
に比較して短くすることができる。そのため、センシン
グロボットそれぞれの通信機構の小型化または軽量化を
図りながら、ベースステーションが停止している状態で
の探索範囲を広げることができる。
【０４５１】本発明のベースステーションによれば、ベ
ースステーションが群ロボットシステムの全てのセンシ
ングロボットそれぞれと通信できる機能を有しなくても
よいため、ベーステーションの通信機構の小型化を図り
ながら、ベースステーションが停止している状態での群
ロボットシステムの探索範囲を広げることができる。
【０４５２】本発明のフェロモンロボットによれば、複
数のセンシングロボットを、ベースステーションによる
制御が可能な範囲に位置するように、センシングロボッ
トの移動を制限する制御を行なうことにより、センシン
グロボットがベースステーションの指示が届かない位置
に移動してしまうことによって、センシングロボットの
制御が不能となるセンシングロボットが発生することを
抑制することにより、群ロボットシステムの探索範囲を
広げるにあったて、群ロボットシステムにおけるセンシ
ングロボットのコントロールをより確実に行なうことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本実施の形態の群ロボットシステムを示す図
である。
【図２】 本実施の形態の群ロボットシステムの通信体
系が階層構造となっていることを説明するための図であ
る。
【図３】 本実施の形態の群ロボットシステムの通信体
系がツリー構造となっていることを説明するための図で
ある。
【図４】 本実施の形態の群ロボットシステムの羽ばた
きセンシングロボットの制御信号のフローを示す図であ
る。
【図５】 本実施の形態の群ロボットシステムのスペク
トラム拡散通信における制御信号の遅延プロファイルを
示す図である。
【図６】 本実施の形態の群ロボットシステムのスペク
トラム拡散通信における拡散符号を示す図である。
【図７】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボット
とベースステーションとの通信の関係を示す概略の一例
を説明するための図である。
【図８】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボット
の構造を示す正面図である。
【図９】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボット
の羽根を示す拡大斜視図である。
【図１０】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽根のストローク角θと偏角αを示す図である。
【図１１】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽根のねじり角βを示す図である。
【図１２】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたきに用いるアクチュエータのステータ部分を
解説するための図である。
【図１３】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたきに用いるステータを用いて構成したアクチ
ュエータを解説するための図である。
【図１４】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における打下ろし動作を示す図であ
る。
【図１５】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における打上げ動作を示す図である。
【図１６】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における第１の状態を示す図である。
【図１７】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における第２の状態を示す図である。
【図１８】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における第３の状態を示す図である。
【図１９】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における第４の状態を示す図である。
【図２０】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における羽根の駆動の時間依存を示す
第１のグラフである。
【図２１】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽ばたき動作における羽根の駆動の時間依存を示す
第２のグラフである。
【図２２】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの羽根を駆動する際のアクチュエータのトルクと始点
反力とのシミュレーション結果を示すグラフである。
【図２３】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トを制御するベースステーションの構成を示す概念図で
ある。
【図２４】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トとベースステーションとの関連を示す説明図である。
【図２５】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トのシステムにの動作の一例を示すフローチャートであ
る。
【図２６】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの離陸過程における情報処理を表わす説明図である。
【図２７】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの巡回過程における情報処理を表わす説明図である。
【図２８】 本実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの着陸過程における情報処理を示す説明図である。
【図２９】 別実施の形態に係る羽ばたきセンシングロ
ボットを示す図であり、（ａ）はその部分正面図であ
り、（ｂ）はその部分側面図である。
【図３０】 別実施の形態において、羽ばたき運動と羽
ばたき運動の位相との関係を示すグラフである。
【図３１】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第１の状態を示す図
である。
【図３２】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第２の状態を示す図
である。
【図３３】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第３の状態を示す図
である。
【図３４】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第４の状態を示す図
である。
【図３５】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第５の状態を示す図
である。
【図３６】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第６の状態を示す図
である。
【図３７】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第７の状態を示す図
である。
【図３８】 別実施の形態において、羽ばたきセンシン
グロボットにおける羽ばたき動作の第８の状態を示す図
である。
【図３９】 別実施の形態において、一変形例に係る羽
ばたきセンシングロボットを示す正面模式図である。
【図４０】 別実施の形態において、他の変形例に係る
羽ばたきセンシングロボットを示す正面模式図である。
【図４１】 別実施の形態において、さらに他の変形例
に係る羽ばたきセンシングロボットを示す正面模式図で
ある。
【図４２】 別実施の形態の羽ばたきセンシングロボッ
トの構造を示す平面模式図である。
【図４３】 別実施の形態において、羽に作用する力お
よび各角度のそれぞれの羽ばたき運動の位相に対する変
化を示す第１のグラフである。
【図４４】 別実施の形態において、羽に作用する力お
よび各角度のそれぞれの羽ばたき運動の位相に対する変
化を示す第２のグラフである。
【図４５】 羽ばたき浮上制御の制御関数を説明するた
めの説明図である。
【図４６】 左羽の羽ばたかせ方の変化と、それに伴っ
て起きる浮上状態の変化とを対応づけた対応表を示す図
である。
【図４７】 羽ばたき浮上の基本動作を実現するための
羽ばたかせ方のパターンを示した対応表を示す図であ
る。
【図４８】 従来の親子ロボットによる群ロボットシス
テムを示す図である。
【符号の説明】
９０ 羽ばたきセンシングロボット、１００ 群ロボッ
トシステム、１０１ベースステーション、１０２，１０
３，１０４ 羽ばたきセンシングロボット群、１０５
フェロモンロボット群。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 佳似 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 東 慎一郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 Ｆターム(参考） 3C007 AS14 AS32 CS08 JS02 JS07 LV02 MT07 WA02 WA11 WA26 WB20 5H301 AA06 AA10 BB10 CC04 CC07 CC10 DD08 DD15 GG07 GG19 KK02 KK12 KK13 KK19 QQ04

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象物の探索に用いられる複数のセンシ
    ングロボットと、 該複数のセンシングロボットを通信により制御するため
    のベースステーションとを備えた群ロボットシステムで
    あって、 該群ロボットシステムの通信体系が、前記ベースステー
    ションを最上層として、前記複数のセンシングロボット
    同士で複数層を構成する階層構造をなし、 該階層構造において、 前記ベースステーションからは、前記複数のセンシング
    ロボットそれぞれまで前記階層構造の下層側へ順に、前
    記複数のセンシングロボットそれぞれの動作の制御に関
    する情報が伝達され、 前記複数のセンシングロボットそれぞれからは、前記べ
    ースステーションまで前記階層構造の上層側へ順に、前
    記複数のセンシングロボットそれぞれの前記対象物の探
    索に関する情報が伝達される、群ロボットシステム。
  2. 【請求項２】 前記階層構造の上層から下層へ向かって
    は前記ベースステーションから前記複数のセンシングロ
    ボットそれぞれへの通信ルートが必ず１つとなるように
    設定された、請求項１に記載の群ロボットシステム。
  3. 【請求項３】 前記ベースステーションとの通信により
    前記複数のセンシングロボットのうち前記階層構造の最
    下層にある前記センシングロボットの移動を制限する制
    御を行なうフェロモンロボットをさらに備えた、請求項
    １または請求項２に記載の群ロボットシステム。
  4. 【請求項４】 前記ベースステーションから前記フェロ
    モンロボットを経て前記複数のセンシングロボットそれ
    ぞれへ情報を伝達することが可能である、請求項３に記
    載の群ロボットシステム。
  5. 【請求項５】 前記フェロモンロボットと前記ベースス
    テーションとの最大通信距離が、前記ベースステーショ
    ンと前記階層構造の最上層にあるセンシングロボットと
    の間の最大通信距離、前記フェロモンロボットと前記階
    層構造の最下層にあるセンシングロボットとの間の最大
    通信距離、および、前記複数のセンシングロボット同士
    の間の最大通信距離のいずれかよりも大きくなるように
    設定された、請求項３または請求項４に記載の群ロボッ
    トシステム。
  6. 【請求項６】 前記フェロモンロボットと前記ベースス
    テーションとの最大通信距離が、前記ベースステーショ
    ンと前記階層構造の最上層にあるセンシングロボットと
    の間の最大通信距離と、前記フェロモンロボットと前記
    階層構造の最下層にあるセンシングロボットとの間の最
    大通信距離と、前記複数のセンシングロボット同士の間
    の最大通信距離の和とを加えた距離よりも大きくなるよ
    うに設定された、請求項５に記載の群ロボットシステ
    ム。
  7. 【請求項７】 前記対象物の探索にあたっては、前記ベ
    ースステーションに対する前記フェロモンロボットの位
    置関係を決定することにより、全体の探索範囲が決定さ
    れるように設定された、請求項３〜請求項６のいずれか
    に記載の群ロボットシステム。
  8. 【請求項８】 前記全体の探索範囲に基づいて、前記複
    数のセンシングロボットの個々の探索範囲が決定される
    ように設定された、請求項７に記載の群ロボットシステ
    ム。
  9. 【請求項９】 前記個々の探索範囲に基づいて、前記複
    数のセンシングロボット個々の対象物の探索能力および
    通信強度のうち少なくともいずれか一方が決定されるよ
    うに設定された、請求項８に記載の群ロボットシステ
    ム。
  10. 【請求項１０】 前記複数のセンシングロボットそれぞ
    れは、前記階層構造の１つ上層にある、前記センシング
    ロボットまたは前記ベースステーションからの通信強度
    が予め決められた基準レベルを下回った場合に、該通信
    強度が前記基準レベルを上回るような方向へ移動するよ
    うに設定された、請求項１〜請求項９のいずれかに記載
    の群ロボットシステム。
  11. 【請求項１１】 前記階層構造の通信においては、互い
    に隣接する階層の前記複数のセンシングロボット同士の
    間の通信、または、最上層の前記センシングロボットと
    前記ベースステーションとの間の通信は、互いに同じ通
    信強度となるように設定されており、 前記複数のセンシングロボットそれぞれは、前記階層構
    造の１つ上層にある、前記センシングロボットまたは前
    記ベースステーションからの通信強度が予め決められた
    基準レベルを下回った場合に、該通信強度が前記基準レ
    ベルを上回るまで互いの通信強度を強くするように設定
    された、請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の群ロ
    ボットシステム。
  12. 【請求項１２】 前記階層構造における通信方式が、ス
    ペクトラム拡散通信方式である、請求項１〜請求項１１
    のいずれかに記載の群ロボットシステム。
  13. 【請求項１３】 前記スペクトラム拡散通信方式におい
    て、前記階層構造の１つ上層にある前記センシングロボ
    ットおよび１つ下層にある前記センシングロボットの識
    別を、拡散符号により行なうように設定された、請求項
    １２に記載の群ロボットシステム。
  14. 【請求項１４】 前記スペクトラム拡散通信方式におい
    て、前記階層構造の同階層での他の前記センシングロボ
    ットの識別を、拡散符号により行なうように設定され
    た、請求項１２または請求項１３に記載の群ロボットシ
    ステム。
  15. 【請求項１５】 前記スペクトラム拡散通信方式には、
    同期確定のための通信層および拡散符号、１つ上層にあ
    る前記センシングロボットを識別するための通信層およ
    び拡散符号、ならびに、１つ下層にある前記センシング
    ロボットを識別するための通信層および拡散符号が用い
    られる、請求項１２〜請求項１４のいずれかに記載の群
    ロボットシステム。
  16. 【請求項１６】 前記ベースステーションが移動する機
    能を備えた、請求項１〜請求項１５のいずれかに記載の
    群ロボットシステム。
  17. 【請求項１７】 前記階層構造はツリー構造である、請
    求項１〜請求項１６のいずれかに記載の群ロボットシス
    テム。
  18. 【請求項１８】 ベースステーションにより制御されて
    対象物の探索を行なうセンシングロボットであって、 通信体系が、前記ベースステーションを最上層として、
    複数の前記センシングロボット同士で複数層を構成する
    階層構造をなすように設定された群ロボットシステムに
    おいて用いられ、 前記階層構造の上層側へ自己より下側の階層のセンシン
    グロボットの前記対象物の探索に関する情報を伝達する
    機能と、前記階層構造の１つ下層側へ自己より下側の階
    層のセンシングロボットの動作に関する情報を伝達する
    機能とを備えた、センシングロボット。
  19. 【請求項１９】 複数のセンシングロボットに対象物を
    探索させる制御を行なうベースステーションであって、 通信体系が、前記ベースステーションを最上層として、
    前記複数のセンシングロボット同士で複数層を構成する
    階層構造をなすように設定された群ロボットシステムに
    おいて用いられ、 前記階層構造において、 前記ベースステーションから前記複数のセンシングロボ
    ットそれぞれまで前記階層構造の下層側へ順に、前記複
    数のセンシングロボットそれぞれの動作の制御に関する
    情報を伝達でき、 前記複数のセンシングロボットそれぞれから前記ベース
    ステーションまで前記階層構造の上層側へ順に、前記複
    数のセンシングロボットそれぞれの前記対象物の探索に
    関する情報が伝達される、ベースステーション。
  20. 【請求項２０】 対象物の探索に用いられる複数のセン
    シングロボットと、通信により該複数のセンシングロボ
    ットを制御するためのベースステーションとを備え、 前記ベースステーションとの通信により、前記複数のセ
    ンシングロボットを、前記ベースステーションによる制
    御が可能な範囲に位置するように、前記センシングロボ
    ットの移動を制限する制御を行なう、フェロモンロボッ
    ト。
  21. 【請求項２１】 前記ベースステーションとの通信によ
    り前記複数のセンシングロボットのうち前記ベースステ
    ーションからの距離が最も遠い位置にある前記センシン
    グロボットの移動を制限する制御を行なう、請求項２０
    に記載のフェロモンロボット。
  22. 【請求項２２】 通信体系が、前記ベースステーション
    を最上層として、前記複数のセンシングロボット同士で
    複数層を構成する階層構造をなすように設定された群ロ
    ボットシステムにおいて用いられ、 前記ベースステーションとの通信により前記複数のセン
    シングロボットのうち前記階層構造の最下層にある前記
    センシングロボットの移動を制限する制御を行なう、請
    求項２０に記載のフェロモンロボット。
  23. 【請求項２３】 前記該ベースステーションに対して指
    向性を有する通信機構を備えた、請求項２０〜請求項２
    ２のいずれかに記載のフェロモンロボット。
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