JP4260642B2 - 羽ばたき浮上移動装置 - Google Patents
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" Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight"(SCIENCE 1999 June VOL 284 pp.1954-1960) " Wing Transmission for a Micromechanical Flying Insect",( R.S. Fearing, K.H. Chiang, M. Dickinson, D.L. Pick, M. Sitti, and J. Yan, IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, April, 2000.)
まず、本実施の形態の浮上移動装置の全体の主要な構成について、図1および図2を用いて説明する。なお、本実施の形態の浮上移動装置では、特に断らない限り、説明の簡便のため、羽の駆動に関わる主要な部分は、左右方向に垂直な面に対して鏡面対称の一対の構成要素からなるものとする。したがって、以後においては、浮上移動装置の左半分についてのみ説明を行ない、右半分の構成要素は、左半分に対して鏡面対称であるものとする。
次に、支持構造9について説明する。支持構造9は、支持構造としての機能を損なわない範囲内の質量であれば、より軽量であることが望ましい。この範囲は、従来のエンジニアリングの技術で求めることができる。たとえば、軽量化のあまり剛性が低下し過ぎてしまい、羽部4を駆動させるべきエネルギーが支持構造9の振動となって散逸することがないこと等が、その範囲を決定するための基準となる。本実施の形態の浮上移動装置1においては、軽量なカーボングラファイトが支持構造9に用いられる。
次に、羽の駆動部について、図2〜7を用いて説明する。
まず、アクチュエータ2について、図2を用いて説明する。
ベアリング31は、その外周部31aがロータ部22に固定されている。ベアリング32は、その外周部32aがロータ部22に固定されている。ベアリング31は、外周部31aに対して内周部31bが円滑に回転できるようになっており、内周部31bには伝達軸33が固定されている。ベアリング32は、外周部32aに対して内周部32bが円滑に回転できるようになっており、内周部32bには伝達軸33が固定されている。したがって、アクチュエータ2は、伝達軸33含む面であって、アクチュエータ2の主表面と平行な面において、伝達軸33をアクチュエータ2の回動中心軸回りに回動させることが可能である。
次に、固定部材34および被接触部材351,352について図2〜7を用いて説明する。
次に、被接触部材移動機構361,362について、図3および7を用いて説明する。
次に、本実施の形態の羽ばたき装置の羽部4を、図8〜図12を用いて説明する。
図8および図9に示すように、羽部4は、前縁部41、内側枝部421、中央枝部422、羽面縁取部441、連結部43、羽面膜部442、および枝膜部45からなっている。また、梁状部材である前縁部41、内側枝部421、中央枝部422、羽面縁取部441、および連結部43のそれぞれは、ステンレスからなる。また、羽面膜部442および枝膜部45のそれぞれは、フィルム状部材からなっている。
前縁部41は、厚さが20μmであり、長さが30mmであり、幅が2.5mmである。前縁部41、羽面縁取部441および羽面膜部442の断面模式図(図8のA−B線断面)、ならびに、前縁部41、連結部43および枝膜部45の断面模式図(図8のC−D線断面)は、図10に示されている。前縁部41は、図10から分かるように、山部および谷部のそれぞれを1つずつ有する波板状の構造を有している。山部と谷部とのピッチは1mmであり、山部の高さおよび谷部の深さは、それぞれ、0.5mmである。このような波板構造を、昆虫の羽における類似の形状の呼称を用いて、コルゲーションと称する。
内側枝部421は、厚さが40μmであり、幅が約0.2mmであり、長さが約10mmである。また、内側枝部421は、前縁部41に近い側の一端が、伝達軸33に対して拘束されており、前縁部41から遠い側の一端が、連結部43に拘束されている。
中央枝部422は、厚さが20μmであり、幅が約0.2mmであり、長さが約10mmである。中央枝部422は、その前縁部41に近い側の一端が、前縁部41に対して拘束されている。また、中央枝部422は、前縁部41から遠い側の一端が、連結部43の内側枝部421に拘束されていない側の端部に拘束されている。さらに、中央枝部422は、羽面縁取部441の前縁部41に拘束されていない側の端部に拘束されている。この構成により、羽面膜部442は、その面内方向において張力を有するように、前縁部41、羽面縁取部441および中央枝部422によって保持されている。
連結部43は、厚さが20μm、幅が約0.2mmであり、長さが約15mmであり、一端が内側枝部421に拘束されている。また、連結部43は、浮上移動装置が羽部4を静止させている状態においては、図9に示されるように、上方に約2mmだけ膨らんでいる。
羽面縁取部441は、厚さが20μmであり、幅が約0.2mmであり、長さが約20mmであり、その一端が中央枝部422によって拘束され、その他端が前縁部41によって拘束されている。
羽部4の変形は、以下に記載されている現象によって支配される。
図12に示されるように、羽部4は、その移動速度が小さいアクチュエータ2に近い側の部分の変形が、その移動速度が大きいアクチュエータ2から遠い側の部分の変形に比較して、小さい。そのため、羽部4の移動速度が小さいアクチュエータ2に近い側の部分の迎え角が、その移動速度が大きいアクチュエータ2から遠い側の部分の迎え角に比較して、大きい。弾性変形する羽部4は、打ち下ろしおよび打ち上げの双方において、前述のように羽が変形をする。そのため、打ち下ろしおよび打ち上げの双方において、図13に示される羽ばたき方のように、伝達軸33の捻り角すなわち伝達軸33の回転角βのみを制御することで、羽部4の各部位における迎え角を適切な値にすることができる。したがって、本実施の形態の浮上移動装置1は、移動速度が小さい羽部4の内側では、迎え角を大きくすることによって揚力を増加させ、かつ、移動速度が大きい羽部4の外側では、迎え角を小さくすることによって失速を防止するとともに流体の抵抗を受け難くすることができる。
本発明者らの実験によれば、図5および図6に示す羽部4の運動により発生する浮上力の最大値は、羽1枚あたり約0.13gfである。また、この浮上力を得る際に必要なアクチュエータ2の駆動トルクは最大約1gf・cmである。
次に、飛行の制御方法について、図6、図13および図14を用いて説明する。なお、ここに示した飛行の制御方法は第一義近似的な例示である。実際には羽ばたきの変更によって羽に及ぼされる力は、周囲流体である空気と羽部4との相互作用によって複雑にその挙動が変化する。そのため、現実には下記する羽ばたき方の変更のみに対応して羽ばたき飛行の態様が行なわれるとは限らない。
本実施の形態の浮上移動装置においては、図13に示す羽ばたき方でホバリングが可能である。固定部材34および被接触部材351,352のそれぞれの形状は、被接触部材移動機構361,362により被接触部材351,352が移動しない状態で、アクチュエータ2が伝達軸33を回動角α=±45°回動させる際に、この図13に示す運動が実現されるよう設計されている。
上述の羽部4の前後方向の±45°の回動により、羽部4には、鉛直下向きの流れ以外に、伝達軸33が延びる方向において、アクチュエータ2側から羽部4の先端側(伝達軸33の先端側)へ向かうように、図14に矢印で示すような流れが発生する。この流れを利用することで浮上移動装置1に前後方向の移動をさせることができる。
さらに、上述の羽部4の表面において、伝達軸33が延びる方向においてアクチュエータ2側から羽部4の先端側へ向かう流れを用いることで、浮上移動装置1を左右のいずれかへ旋回させることが可能である。なお、浮上移動装置1の重心は、真上から見たとき、左のアクチュエータ2の回転中心点と右のアクチュエータ2の回転中心点との中点に位置するものとする。
浮上および降下する最も単純な方法は、アクチュエータ2の駆動を変更し、羽ばたき周波数を上昇または低下させる手法が挙げられる。
上述の運動変更により、浮上移動装置1の姿勢は変化する。姿勢の変化が望ましくない場合には、浮上移動装置1の重心を、伝達軸33の位置より低くしておけばよい。これによって、ある程度の時間ホバリングすることによって、左のアクチュエータ2の回転中心点と右のアクチュエータ2の回転中心点との中間の位置の下側に浮上移動装置1の重心が位置するように、浮上移動装置1の姿勢が安定する。
本実施の形態の浮上移動装置1においては、駆動エネルギー供給方法は、浮上機能を損なわない限りその手法に制約はない。
本実施の形態においては、作成可能な範囲でなるべく効率の良い羽を用いたが、効率の悪化を許容できるのであれば、本実施の形態に示された羽と一部の機能を同じくする、簡略化された羽を用いることも可である。この場合、羽の作成においてコストダウンが可能であるというメリットがある。
上述した被接触部材、突起、および被接触部材移動機構は一例であり、浮上移動に支障無く、本実施の形態に示す羽ばたき方を実現することができるのであれば、浮上移動装置の駆動機構は上述した機構以外のものであってもよい。
次に、本実施の形態の浮上移動装置1の特徴を、図8〜図10を用いて説明する。本実施の形態の浮上移動装置1は、図8に示すように、前縁部41から後縁部としての羽面縁取部441へ向かって延びるように設けられた羽膜部としての羽面膜部442とを有する羽部4を備えている。浮上移動装置1は、また、前縁部41を往復運動をさせるとともに捻るように運動させる羽駆動機構としての伝達軸33、アクチュエータ2、ベアリング31および32、固定部材34、ならびに、被接触部材351および352を備えている。また、浮上移動装置1は、羽面膜部442の弾性変形または羽膜部442の全体形状の変化を制限する変形制限部材としての内側枝部421および連結部43を備えている。
次に、羽部4の設計思想を、図15〜図22を用いて説明する。本実施の形態の浮上移動装置1の羽部の設計の手順は次のようなものである。
Claims (11)
- 前縁部と該前縁部から後縁部へ向かって延びるように設けられた羽膜部とを有する羽部と、
一方端が前記羽部に固定され、駆動力を前記羽部に伝達する伝達軸と、
前記伝達軸の他方端が取り付けられた機構であって、前記駆動力を生じさせることにより前記前縁部を往復運動をさせるとともに捻るように運動させる羽駆動機構と、
前記羽駆動機構と前記羽膜部との間において前記羽膜部の前記前縁部側よりも前記後縁部側に近い位置と前記前縁部または前記伝達軸とを接続する部材であって、前記羽膜部の弾性変形または前記羽膜部の全体形状の変化を制限する変形制限部材とを備えた、羽ばたき浮上移動装置。 - 前記変形制限部材は、前記往復運動の往路の前記羽部の所定の位置の迎え角と前記往復運動の復路の前記羽部の所定の位置の迎え角とが同じ値になるように、前記羽膜部の弾性変形または前記羽膜部の全体形状の変化を制限する、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記変形制限部材は、移動速度が相対的に小さい前記前縁部の付根側の前記羽膜部の迎え角が、移動速度が相対的に大きな前記前縁部の先端側の前記羽膜部の迎え角よりも大きくなるように、前記羽膜部の弾性変形または前記羽膜部の全体形状の変化を制限する、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記変形制限部材は、前記羽部の一部である、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記変形制限部材と前記羽膜部との間に他の羽膜部が設けられた、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記前縁部を含む羽縁部は、前記羽膜部よりも剛性が高い部材により構成された、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記前縁部と前記羽縁部との間に、翅脈構造が形成された、請求項6に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記変形制限部材は、無負荷状態では所定の曲率を有しており、前記前縁部の往復運動によって負荷がかけられたときに曲率が小さくなる部材である、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記前縁部には、該前縁部に沿って波板部が設けられた、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記波板部は、少なくとも1つの山部と1つの谷部とを含む、請求項9に記載の羽ばたき浮上移動装置。
- 前記羽駆動機構として、
当該羽ばたき浮上移動装置の本体の前後方向および左右方向を含む面に平行な面に沿って前記伝達軸を所定の中心点回りに回動させるアクチュエータと、
前記伝達軸の周面または前記羽部に固定された固定部材と、
前記伝達軸の前記所定の中心点回りの回動の両端の折り返し時のそれぞれにおいて、前記固定部材に接触する一対の被接触部材とを備え、
前記固定部材と前記被接触部材との接触により、該固定部材が固定された前記伝達軸に該伝達軸が延びる方向を回転軸とするトルクが加わる、請求項1に記載の羽ばたき浮上移動装置。
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