JP6211450B2 - 航空機の脚構造、及び、航空機の脚構造の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、航空機の脚構造、及び、航空機の脚構造の動作方法に関する。

航空機は、着地するために降着装置を備える。一般的な降着装置は、地上の滑走路を走行するための車輪を備えている。

特許第４４６０９５４号公報

Ｃｏｕｒｔｎｅｙ Ｅ．Ｄｏｙｌｅ，"ＡＶＩＡＮ−ＩＮＳＰＩＲＥＤ ＰＡＳＳＩＶＥ ＬＡＮＤＩＮＧ ＭＥＣＨＡＮＩＳＭＳ ＦＯＲ ＰＥＲＣＨＩＮＧ ＲＯＴＯＲＣＲＡＦＴ"，［ｏｎｌｉｎｅ］，ユタ大学，［平成２６年３月２０日検索］，インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｃｏｎｔｅｎｔ．ｌｉｂ．ｕｔａｈ．ｅｄｕ／ｕｔｉｌｓ／ｇｅｔｆｉｌｅ／ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ／ｅｔｄ３／ｉｄ／１３１／ｆｉｌｅｎａｍｅ／４０２．ｐｄｆ＞

本願発明の発明者等は、一般的な降着装置ではなく、鳥が枝に止まる（パーチング）ように、何らかの対象物に止まることができるパーチング機構の開発を行っている。パーチング機構は、特に、鳥を擬態して、翼をはばたかせる事によって飛行する無人機（鳥ロボット、オーニソプター）に適している。

鳥ロボットのような小型の無人機（ＵＡＶ、Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）においては、軽量化が重要な課題となる。能力の高いモータやバッテリを用いてパーチング機構を実現すると、その重量が問題となる。そのため発明者等は、パーチングのための力をモータ等の駆動系に頼ることない降着装置の研究開発を進めている。

図１、図２は、モータ等の駆動系を使わずに、無人機の自重を利用して受動的にパーチングを可能とする技術の一例を示す。図１では、無人機１０１の胴体１０９の下部に、柔軟性のある素材によって形成された脚１０２が取り付けられる。脚１０２は、鳥の脚の構造を模擬したひざ関節１０６と足首関節１０７の２つの屈曲部を持つ。足首関節１０７の先に、木の枝のような略円筒形の対象物１０８をつかむことができる指１０３が設けられる。

このような脚１０２に、鳥の脚の腱を模擬する構造として、長さ方向に伸縮しないワイヤ１０４が取り付けられる。ワイヤ１０４の先端は、指１０３の内部（ワイヤ１０５）まで延長し、指１０３の先端において固定される。

図１に示す無人機１０１が対象物１０８にパーチングした状態を図２に示す。無人機１０１が対象物１０８の上に止まると、胴体１０９の自重によって、ひざ関節１０６と足首関節１０７が曲がる。その結果、脚１０２においてワイヤ１０４を通す経路の長さが伸びる。ワイヤ１０４の長さとワイヤ１０５の長さを足した総延長は一定であるため、指１０３に取り付けられたワイヤ１０４の長さは短くなる。そのため、指１０３を形成する部材をワイヤ１０４が引っ張り、指１０３が閉じる。指１０３が閉じて対象物１０８を把持することにより、パーチングが行われる。

上記のような機構により、鳥と同じような機構で、受動的にパーチングを実行することが可能である。また非特許文献１には、受動的なパーチング機構に関する技術の一例が開示されている。しかしながら発明者等は、このような機構には、以下のような点において、更に改善する余地があることに着目した。
（１）非パーチング時の指の開き具合は、指の関節部のばね定数に起因するため、調整が困難である。そのため平地への着地が難しい。
（２）パーチングの力をアシストするために胴体側に駆動系を取り付けると、関節模擬部（ひざ関節１０６、足首関節１０７）が立ち上がってしまい、力を付与できない。
（３）指の付け根には駆動系を取り付けるスペースが少なく、配線の取り回しも困難である。

従来とは異なる特性を有するパーチング機構が望まれる。

本発明の一側面において、航空機の脚構造は、航空機に取り付けられる脚部材を備える。脚部材は、下ブロックと、航空機の本体側に取り付けられ、下ブロックに対して脚部材が伸縮するように摺動をする上ブロックとを備える。航空機の脚構造は更に、下ブロックに取り付けられ、対象物を把持する把持姿勢と、対象物を放す開放姿勢とを取り得る指と、少なくとも１つの軸部材に第１線状部材を掛けることによって第１線状部材の一端に加わる力を他端に加わる力に変換する第１伝達機構とを備える。着地時に本体の自重により上ブロックが下ブロックに対して接地面側に摺動をする縮み動作が発生すると、第１伝達機構が摺動の力を指に伝達することにより、指が把持姿勢を取る。

本発明により、従来とは異なる特性を有するパーチング機構が提供される。

図１は、パーチング技術の一例を示す。 図２は、パーチング技術の一例を示す。 図３は、無人機を示す。 図４は、無人機の脚部を示す。 図５は、無人機の脚部を示す。 図６は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図７は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図８は、パーチング機構の上側の分解図である。 図９は、パーチング機構の下側の分解図である。 図１０は、指のリンク機構を示す。 図１１は、パーチング機構の動作の説明図である。 図１２は、パーチング機構の動作の説明図である。 図１３は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図１４は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図１５は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図１６は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図１７は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図１８は、駆動系が備える制御部の動作について説明するための図である。 図１９は、制御部の動作を示す。 図２０は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図２１は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図２２は、パーチング機構を説明するための側面図である。 図２３は、パーチング機構を説明するための側面図である。

［第１実施形態］
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明の第１実施形態におけるＵＡＶ（無人機）１を示す。ＵＡＶ１として、鳥を模擬し、翼３を羽ばたかせることにより飛行する羽ばたき機が好適に例示されるが、例えば有人機や固定翼機など、どのようなタイプの飛行体でも以下の説明は適用できる。

ＵＡＶ１の胴体２に、脚部４が取り付けられる。図４と図５は、脚部４のみを描いた斜視図である。図４は脚部４が備える３本の指７−１〜７−３が開いた状態を示し、図５はパーチング時に指７−１〜７−３が閉じた状態を示す。

脚部４は、固定部５、脚部材６、指７、及びかかと８を備える。固定部５は脚部４の基部となる部材であり、胴体２の内部に取り付けられる。固定部５に対して取付け用ねじ１１によって脚部材６が取り付けられる。ナット１０については後述する。固定部５を用いずに、脚部材６の上端部を直接に胴体２に固定してもよい。脚部材６は、鳥の脚（ｌｅｇ）に相当する部分であり、胴体２から概ね下側に伸びる。脚部材６の最下部に、かかと８が取り付けられる。かかと８に指７が取り付けられる。かかと８の下面と指７の下面は、着地時に接地する接地面を形成する。指７は、パーチング時に対象物９を把持する部材であり、少なくとも前方に一本の前指と、後方に一本の後指とを含む。図４、図５の例では、指７は二本の前指７−１、７−２と一本の後指７−３を備える。

本実施形態について最初に概略を説明する。脚部材６は、鳥の脚では膝上に相当する上ブロックと、膝下やかかとに相当する下ブロックを備える。下ブロックは、着地時に接地する接地面を有する。上ブロックは、ＵＡＶ１の本体側に取り付けられ、下ブロックに対して脚部材６の長手方向（ＵＡＶ１が水平飛行をしているときの概ね鉛直方向）に摺動をする。この摺動により、上ブロックと下ブロックからなる脚部材が上下方向に伸縮する。この摺動が、第１線状部材と軸部材（滑車やピン）を用いた第１伝達機構によって、指７の内部の第１線状部材に伝達される。第１線状部材が指７を引っ張ることにより、指を曲げて、図５のような把持姿勢とすることができる。更に、この摺動が、第２線状部材と軸部材を用いた第２伝達機構によって、指７の内部の第２線状部材に伝達される。第２線状部材が指７を引っ張ることにより、指を伸ばして、図４のような開放姿勢とすることができる。

なお、第１線状部材及び第２線状部材は、長尺で可撓性の伝達部材である。第１線状部材及び第２線状部材、すなわち、長尺で可撓性の伝達部材には、ワイヤ、ケーブル、糸、紐、ロープ、ピアノ線、鋼線、釣糸、ベルト、帯、リボン、鎖等が含まれる。第１線状部材及び第２線状部材、すなわち、長尺で可撓性の伝達部材は、長手方向の伸縮性が小さい材料で構成するのが好ましい。しかし、第１線状部材及び第２線状部材、すなわち、長尺で可撓性の伝達部材は、パーチング機構を作動可能な範囲において、伸縮性があっても構わない。なお、以下において、第１線状部材及び第２線状部材、すなわち、長尺で可撓性の伝達部材がワイヤである例を用いて、第１の実施形態を説明する。

次に、パーチング機構について、より詳細に説明する。図６、図７は、そのようなパーチング機構を説明するための側面図である。図８と図９は、それぞれパーチング機構の上側と下側の構造を示す分解図である。但し、図６と図７では、図面の簡略化のために、図８、図９に示す部品の一部が描かれていない。

脚部材６は、フレーム１４、フレームカバー１５、及び脚カバー４３を備える。脚カバー４３は、フレームカバー１５の周囲を覆う円筒形の部材であり、固定部５に対して取付け用ねじ１１で固定される。脚カバー４３は下側で開口する。フレームカバー１５は、その開口部から脚カバー４３の内部に挿入され、固定部５に対して取付け用ねじ１１で固定される。

フレームカバー１５に対してロッド１８−２が取り付けられる。ロッド１８−２は、その長さ方向の全域に渡って雄ねじのねじ山が形成された全ねじロッドである。ロッド１８−２の上端は、ナット１０によってフレームカバー１５に固定される。脚カバー４３、フレームカバー１５の上部には、ロッド１８−２が貫通する穴が設けられる。それらの穴は、ロッド１８−２の直径よりも大きく形成される。すなわち、ロッド１８−２のねじと螺合しない通し穴である。ロッド１８−２の上端近くに、ロッド１８−２のねじと螺合するナット４１が取り付けられる。固定部５側のナット１０と、もう一方のナット４１とが、フレームカバー１５を間に挟むようにして締め付けられることにより、ロッド１８−２がフレームカバー１５に対して強固に位置固定される。

ロッド１８−２のナット４１よりも下の部分に、スプリング１９が嵌められる。スプリング１９は、典型的には圧縮コイルばねである。フレームカバー１５は、下側に開口するキャビティ１８−１を有する。フレーム１４は、キャビティ１８−１に嵌め込まれ、フレームカバー１５に対して上下方向（脚部材６の長手方向）に摺動する。この摺動が、上ブロックと下ブロックとの間の摺動（フレームカバー１５がフレーム１４に対して摺動する縮み動作、又は、伸長動作）となる。

フレーム１４の上部に設けられた穴３２にロッド１８−２が通される。穴３２は、脚カバー４３、フレームカバー１５の穴と同様に、ロッド１８−２の直径よりも大きく、ロッド１８−２と螺合しない。そのためロッド１８−２は穴３２に対して自在に上下動できる。フレーム１４は、下側に開口する空洞を有する。ロッド１８−２の下端部は、そのフレーム１４の空洞内（開口部）に突出する。

フレーム１４の空洞（開口の内部）に、ブラケット１６が配置される。ブラケット１６は、フレーム１４の開口と概ね同じ平面形状を有する板状部材であり、フレーム１４に対して上下方向に摺動可能である。ブラケット１６は、厚さ方向に貫通する穴３１を有する。穴３１の内壁に、ロッド１８−２の雄ねじと螺合する雌ねじが形成される。フレーム１４の空洞内（開口部）に突出したロッド１８−２が穴３１に取り付けられることにより、ブラケット１６がフレームカバー１５に対して位置固定される。ブラケット１６が存在することにより、フレーム１４はフレームカバー１５の下側から外れることが無い。フレームカバー１５とブラケット１６は、上ブロックの部材として機能する。

スプリング１９の弾性力により、フレーム１４が下方側に付勢される。ブラケット１６に対して面直方向、すなわちブラケット１６がフレーム１４に対して摺動する上下方向に延長するように、ブラケット１６を形成する板状部材を貫通する貫通孔が設けられる。その貫通孔の内周に雌ねじが切られる。その雌ねじに、下側からテンション調整ねじ３６が螺合しつつねじ込まれる。テンション調整ねじ３６を回転することによって、ブラケット１６の上面から突出するテンション調整ねじ３６の長さが変化する。テンション調整ねじ３６の上端は、フレーム１４の上端を上側に押す。その結果、テンション調整ねじ３６の回転によって、フレーム１４とブラケット１６との上下方向の相対的な位置を調整することができる。ブラケット１６に対してフレーム１４を上げ下げすることにより、スプリング１９の長さが変わるため、スプリング１９の張力を調整することができる。

フレーム１４の下端は、ボルト３３によってベース３９に固定される。ベース３９は、かかと８に相当する部位を構成する部品である。ベース３９の下面に、樹脂製のシートであるかかと部材３５が取り付けられる。フレーム１４、ベース３９、かかと部材３５は、下ブロックの部材として機能する。

ベース３９の前方と後方に、指７が取り付けられる。本実施形態においては、前方に二本の指７−１、７−２が取り付けられ、後方に一本の指７−３が取り付けられる。しかし、違う本数の指７を設けることも可能であり、対象物９を把持するためには、少なくとも一本の前指と一本の後指とが設けられればよい。

各指７は、ベース３９に近い根元側から指先まで並ぶ複数のリンク１２−１〜１２−３によって構成される。複数のリンク１２−１〜１２−３のうちの互いに隣接するリンクは、ヒンジピン１３によって、所定角度まで互いに回転可能であるように接続される。その回転軸は、指７の長さ方向に垂直であり、且つ、ＵＡＶ１の飛行姿勢ないし着地姿勢が水平状態のとき、水平方向を向く。以下の説明において単に「幅方向」という用語を用いた場合には、この回転軸の方向を指すものとする。このヒンジピン１３を中心とした回転により、各指７は水平方向に真っ直ぐに延びた開放姿勢（伸展姿勢）と、パーチング時に対象物９を把持する把持姿勢（屈曲姿勢）とを取ることができる。各リンク１２−１〜１２−３の下面に、パーチング時の衝撃を緩和し、把持力を向上するためのゴム等の樹脂製のシート３４が取り付けられる。

フレーム１４に滑車（又はガイドピン等）２１、２３が取り付けられる。ここで言う「滑車」とは、回転軸を中心に小さい摩擦力で自在に回転することができる構造部材である。滑車にワイヤＷを掛けた状態でワイヤＷを引っ張ると、滑車の外周部がワイヤＷに引っ張られて回転する。その結果、ワイヤＷを非常に小さい摩擦で牽引することができる。

パーチング機構の大きさやワイヤＷの素材によっては、ワイヤＷを掛ける部材として滑車を用いずに、回転しない固定ピンを用いることも可能である。

滑車２１は、幅方向を長手方向とするピン状の部材であり、フレーム１４の上端近くの両側面を幅方向に横断して、フレーム１４に固定される。滑車２１のフレーム１４の内側の部分は、幅方向を回転軸とする滑車として機能する。滑車２３は、幅方向を長手方向とするピン状の部材であり、フレーム１４の下端近くの両側面を幅方向に横断して、フレーム１４に固定される。滑車２３のフレーム１４の内側の部分は、幅方向を回転軸とする滑車として機能する。滑車２１は、ブラケット１６に対して上方に位置する。滑車２３は、ブラケット１６に対して下側に設けられる。滑車２３は特に、開放姿勢における指７の内部の上側ワイヤ１７と同じ高さに設けられることが好ましい。

図６、図７には更に、滑車２３よりも低く、開放姿勢における指７の内部の下側ワイヤ１８と同じ高さに設けられる滑車２０が描かれている。図８では、この滑車２０の図示が省略されている。

ブラケット１６の幅方向の側面に、ボルト２２が固定される。このボルト２２は、指７の本数と同じ３本設けられる。

各指７の内部に、上側ワイヤ１７と下側ワイヤ１８が配置される。各指の上側ワイヤ１７と下側ワイヤ１８は、実際には一本のワイヤＷの第１部分と第２部分である。図９では、３本の指７に対応するワイヤＷがそれぞれワイヤ３０−１、３０−２、３０−３として示されている。上側ワイヤ１７と下側ワイヤ１８は、引っ張り方向に柔軟性・伸縮性が小さい材料で形成される。そのため、以下の説明においては、これらのワイヤの長さは実質的に一定であるものとする。このようなワイヤとして、金属やナイロンなどを材料としたワイヤを採用することができる。しかし、これらの例に限られず、引っ張り力を伝達する線状部材であれば、本実施形態における上側ワイヤ１７や下側ワイヤ１８の役割を果たす部材として用いることができる。以下の説明で登場する他のワイヤについても同様である。

上側ワイヤ１７は、少なくともヒンジピン１３よりも上側に配置される。好ましくは上側ワイヤ１７は、指７の上側面２８の近くに設けられた経路を通るように配置される。上側ワイヤ１７は、指７の根元（ベース３９側）と指先とを結ぶ長手方向に沿って伸びるように配置される。上側ワイヤ１７の一端は、指先の端部の第２固定部２４において固定される。上側ワイヤ１７のそれ以外の部分は、指７の内部でその経路に沿って指７に対して摺動可能である。

下側ワイヤ１８は、少なくともヒンジピン１３よりも下側に配置される。好ましくは下側ワイヤ１８は、指７の下側面２９（着地時に接地する面）の近くに設けられた経路を通るように配置される。下側ワイヤ１８は、指７の根元と指先とを結ぶ長手方向に沿って伸びるように配置される。下側ワイヤ１８の一端は、指先の端部の第１固定部２５において固定される。下側ワイヤ１８のそれ以外の部分は、指７の内部でその経路に沿って指７に対して摺動可能である。

上側ワイヤ１７の指７の根元側からフレーム１４の側に引き回されたワイヤＷは、滑車２３に下から掛けられて上方に向かい、ボルト２２によってブラケット１６に固定（クランプ）される。ワイヤＷは、ボルト２２の固定部から更に上方に引き回され、滑車２１に上から掛けられて下方に向かう。ワイヤＷは更に、滑車２０に掛けられて指７の根元側に向かい、指７の内部に引き込まれて下側ワイヤ１８となる。

指７は、切り欠きＣ４を有する。この切り欠きＣ４について、図１０を参照して説明する。図１０は、一本の指７を拡大した側面図である。指７を構成する複数のリンク１２−１〜１２−３は、指７が真っ直ぐに伸びた開放状態において、各ヒンジピン１３の下側に、斜めの端面２６によって構成された切り欠きＣ４を形成する。この切り欠きＣ４が設けられていることによって、指７はヒンジピン１３の回転軸Ｃ３を中心とした回転により、下方に曲がることができる。

図１０のリンク１２−１とリンク１２−２との間の切り欠きＣ４は、開放状態の指関節を示している。図１０のリンク１２−２とリンク１２−３との関係は、指７が曲げられた把持状態の指関節を示している。把持状態においては、切り欠きＣ４を形成する両端面２６の少なくとも一部が互いに接触することにより、指関節が曲げられた状態で安定した形状を保つ。この状態においては、上側面２８側のリンク１２−２とリンク１２−３との間に隙間Ｃ５ができる。逆に、開放状態においては、隙間Ｃ５の両端面２７の少なくとも一部が互いに接触することによって、指７が伸びた状態で安定する。

上側ワイヤ１７と下側ワイヤ１８は、指先の端面Ｃ２の第２固定部２４、第１固定部２５でそれぞれ固定されている。従って、指７の根元側の端面Ｃ１の側から上側ワイヤ１７と下側ワイヤ１８のいずれかを引っ張ることにより、指７の姿勢を制御することができる。下側ワイヤ１８が引っ張られた場合、指７の内部での下側ワイヤ１８の経路が短くなる方向に力が働く。従って、ヒンジピン１３を中心に、各リンク１２−１〜１２−３の間の切り欠きＣ４が閉じる方向に回転することになる。逆に上側ワイヤ１７が引っ張られた場合、指７の内部での上側ワイヤ１７の経路が短くなる方向に力が働く。従って、ヒンジピン１３を中心に、各リンク１２−１〜１２−３の間の隙間Ｃ５が閉じる方向に回転することになる。

次に、図６と図７を参照して、本実施形態におけるパーチング機構の動作を説明する。図６は、ＵＡＶ１が対象物９の上にまだ着地していない状態を示す。図７は、ＵＡＶ１が対象物９の上に着地した状態を示す。着地していない状態では、スプリング１９がフレーム１４を下方に付勢している。そのため、フレーム１４の上面がフレームカバー１５の上面に対して離れた位置にある。言い換えれば、脚部材６が比較的長く伸びた状態である。

脚部材６が伸びた状態においては、ブラケット１６がフレーム１４に対して比較的高い場所に位置する。そのため、ボルト２２と滑車２３の間の距離が大きくなる。ボルト２２から第２固定部２４までのワイヤＷの距離は不変だから、この状態において、滑車２３から第２固定部２４までの上側ワイヤ１７の距離は短くなる。従って、上側ワイヤ１７が引っ張られ、上側面２８の隙間Ｃ５（図１０参照）が閉じられて、指７が開放状態となる。

一方、図７に示すようにＵＡＶ１がかかと８を対象物９の上に置いて着地したとき、ＵＡＶ１の自重が脚部材６に対して上から掛かる。その結果、スプリング１９が圧縮され、フレーム１４に対してフレームカバー１５が押し下げられる。ブラケット１６の位置はフレームカバー１５に対して固定されているから、ブラケット１６に対してフレーム１４の高さが押し上げられることになる。その結果、ブラケット１６のボルト２２で固定されたワイヤＷの上側が、滑車２１によって引き上げられる。その結果、ワイヤＷのクランプ位置（ボルト２２）から滑車２０までの長さが大きくなる。クランプ位置から第１固定部２５までのワイヤＷの長さは不変だから、指７の内部における下側ワイヤ１８の長さが短くなる。従って、下側ワイヤ１８が引っ張られ、下側面２９の切り欠きＣ４が閉じられて指７が曲がり、図７に示すような把持姿勢を取る。

次に、離陸時の動作を説明する。図７の状態からＵＡＶ１が離陸のために例えば羽ばたきを開始すると、パーチング機構に掛かる自重が軽くなる。その結果、下側ワイヤ１８が緩むことによって対象物９を把持している把持力が弱くなり、指７が対象物９から外れる。更に、自重が掛からなくなることにより、スプリング１９がフレーム１４を押し下げる。その結果、パーチング機構が図６の状態に戻る。滑車２３に対してブラケット１６の位置が引き上げられることにより、上側ワイヤ１７が引っ張られて、指７が開放姿勢となる。

以上の動作について、図１１と図１２を参照して、より詳細に説明する。図１１は、開放状態におけるワイヤＷの各部の長さの説明図である。図１２は、把持状態におけるワイヤＷの各部の長さの説明図である。滑車２０から下側ワイヤ１８の第１固定部２５までのワイヤＷを第１部分Ｔ１として示す。滑車２０から滑車２１までのワイヤＷを第２部分Ｔ２として示す。滑車２１からクランプ箇所（ボルト２２）までのワイヤＷを第３部分Ｔ３として示す。クランプ箇所から滑車２３までのワイヤＷを第４部分Ｔ４として示す。滑車２３から上側ワイヤ１７の第２固定部２４までのワイヤＷを第５部分Ｔ５として示す。

滑車２０（第１軸部材）と、滑車２１（第２軸部材）と、ボルト２２と、それらに掛けられたワイヤの第１部分Ｔ１、第２部分Ｔ２、第３部分Ｔ３（これらを合わせて第１ワイヤと呼ぶ）は、上ブロックと下ブロックとの摺動を、指７を引っ張る力に替える第１伝達機構として機能する。ボルト２２と、滑車２３と、それらに掛けられたワイヤの第４部分Ｔ４、第５部分Ｔ５（これらを合わせて第２ワイヤと呼ぶ）は、上ブロックと下ブロックとの摺動を、指７を引っ張る力に替える第２伝達機構として機能する。

第１ワイヤの一端は、上ブロックの一部であるブラケット１６に固定される。第１ワイヤの他端は、指先の第１固定部２５に固定される。すなわち第１ワイヤは、指の下ブロックに近い側の端部である根元位置と、その反対側の端部である指先位置とを結ぶ長さ方向に沿って配置される。第１固定部２５の位置は、必ずしも正確に指先の端部ではなくてもよい。指７の中で根元位置から見て２番目のリンク１２−２以降の位置、すなわち２番目のリンク１２−２から最も指先側のリンク１２−３までの内部に設定される第１位置の第１固定部２５に第１ワイヤの他端を固定すれば、指７を把持方向に曲げることができる。

第２ワイヤの一端は、上ブロックの一部であるブラケット１６に固定される。第２ワイヤの他端は、指先の第２固定部２４に固定される。この固定部の位置も、必ずしも正確に指先の端部ではなくてもよい。指７の長さ方向の位置において第１位置と同様に設定される第２位置の第２固定部２４に第２ワイヤの他端を固定すれば、指７を開放方向に伸ばすことができる。

着地時にＵＡＶ１の本体の自重によって上ブロックが下ブロックに対して接地面（かかと８）側に摺動する縮み動作が発生すると、第１伝達機構によって第１固定部２５における第１ワイヤが指７を引っ張ることにより、指７が把持姿勢を取る。

離陸時にスプリング１９が上ブロックから下ブロックに対して接地面側に付勢力を与える。その付勢力により、下ブロックが上ブロックに対して押し下げられる伸長動作が発生する。その伸長動作に応じて、第２ワイヤが第２固定部２４で指７を引っ張ることにより、指７が開放姿勢を取る。

図１１の開放状態における高さ方向の距離Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３を以下のように定義する。上側の滑車２１からクランプ箇所までの距離をＬ１１とする。クランプ箇所から滑車２３までの距離をＬ１２とする。滑車２３から滑車２０までの距離をＬ１３とする。同様に、図１２の把持状態における高さ方向の距離Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３を以下のように定義する。上側の滑車２１からクランプ箇所までの距離をＬ２１とする。クランプ箇所から滑車２３までの距離をＬ２２とする。滑車２３から滑車２０までの距離をＬ２３とする。但しＬ１３＝Ｌ２３である。

ＵＡＶ１が着地し、図１１の開放状態が図１２の把持状態になると、フレーム１４に対してブラケット１６の位置が相対的に下がるため、滑車２１とクランプ箇所の距離がΔＬ＝Ｌ２１−Ｌ１１長くなる。クランプ箇所と滑車２３との間の距離は同じ距離ΔＬ＝Ｌ１２−Ｌ２２短くなる。

第１部分Ｔ１、第２部分Ｔ２、第３部分Ｔ３のワイヤＷの長さの和は一定である。また第４部分Ｔ４と第５部分Ｔ５のワイヤＷの長さの和も一定である。開放状態から把持状態になると、第４部分Ｔ４の長さがΔＬ短くなるため、第５部分Ｔ５の長さがΔＬ長くなる。よって、第５部分Ｔ５にある上側ワイヤ１７に、図１０に示した隙間Ｃ５ができる余裕長さが発生する。

更に、第２部分Ｔ２と第３部分Ｔ３の長さの和は、開放状態で２×Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１３、把持状態で２×Ｌ２１＋Ｌ２２＋Ｌ２３なので、開放状態から把持状態になったとき、第２部分Ｔ２と第３部分Ｔ３の長さの和は以下の長さ、長くなる。
（２×Ｌ２１＋Ｌ２２＋Ｌ２３）−（２×Ｌ１１＋Ｌ１２＋Ｌ１３）
＝２×（Ｌ２１−Ｌ１１）＋（Ｌ２２−Ｌ１２）
＝２ΔＬ＋（−ΔＬ）
＝ΔＬ
すなわち、第２部分Ｔ２と第３部分Ｔ３の長さの和はΔＬ長くなる。従って、第１部分Ｔ１の長さはΔＬ短くなる。

すなわち、ＵＡＶ１の着地によって下側ワイヤ１８の長さはΔＬ短くなるため、ヒンジピン１３に対して下側において指７が引っ張られ、各リンク１２−１〜１２−３の間の切り欠きＣ４が閉じる。その結果、指７が対象物９の方向に曲がり、把持状態となる。

逆にＵＡＶ１の離陸時には、下側ワイヤ１８の長さがΔＬ長くなり、上側ワイヤ１７の長さがΔＬ短くなるため、ヒンジピン１３に対して上側において指７が引っ張られ、各リンク１２−１〜１２−３間の上側に空いた隙間Ｃ５が閉じる。その結果、指７が真っ直ぐに伸び、開放状態となる。

以上のような機構により、ＵＡＶ１は平地に着地することもできる。開放状態においては、全ての指７の下側面２９は概ね平坦な面上に位置する。この状態で着地すると、ＵＡＶ１の自重がパーチング機構に掛かるが、その自重によって平坦な下側面２９が平坦な地面に押し付けられるため、パーチング機構は把持状態とならず、開放状態を維持する。その結果、ＵＡＶ１が平坦な地面に着地することが可能である。

本実施形態においては、各指７にワイヤＷが導入される。以上の説明では、一本のワイヤＷによって、上側ワイヤ１７と下側ワイヤ１８が形成された。しかしながら、このワイヤＷの動作は、クランプ箇所を境として両側で独立である。従って、第１部分Ｔ１、第２部分Ｔ２、及び第３部分Ｔ３を第１ワイヤによって形成し、第４部分Ｔ４、及び第５部分Ｔ５を第１ワイヤとは異なる第２ワイヤによって形成することもできる。その場合、第１ワイヤと第２ワイヤをブラケット１６上の異なる箇所にクランプしてもよい。但し、構造の単純性の面では、一本のワイヤＷによって第１ワイヤと第２ワイヤの役割を兼ねるように構成することが望ましい。

以上の説明では、無人機（ＵＡＶ１）を例として説明した。しかしながら、本実施形態におけるパーチング機構は、有人の航空機であっても同様に採用することができる。但し、有人機の場合には人の操作によってパーチングを行うことも考えられるが、本実施形態におけるパーチング機構は人の操作を必要としない点で、特に無人機に適している。

［第１変形例］
次に、本実施形態の第１変形例について説明する。図１３は、本変形例におけるパーチング機構（開放状態）を示す。隣接するリンク１２−１〜１２−３の間の上側面２８に、図１０で示した下側面２９の切り欠きＣ４と同様の形状の切り欠きＣ６が設けられている。このような切り欠きＣ６を設けることにより、ヒンジピン１３を中心にして隣接するリンク１２−１〜１２−３が把持状態とは逆に、上向きに反る方向に回転することができる。このような構成により、着地する場所が窪みになっている場合に、その地形に応じて上向きに反るように指７が変形することができ、安定した着地が可能となる。

［第２変形例］
次に、本実施形態の第２変形例を説明する。図１４と図１５は、変形例におけるパーチング機構の開放状態と把持状態をそれぞれ示す。本変形例においては、図６と図７に比べて、各指７の内部に上側ワイヤ１７が無く、下側ワイヤ１８のみである点で異なっている。より正確には、図１１及び図１２と比較した場合、各ワイヤＷの第４部分Ｔ４と第５部分Ｔ５が無い点で異なっている。更に、本変形例におけるワイヤＷは、金属製のワイヤのような剛性のある素材で形成することが望ましい。

本変形例において、図１４の開放姿勢から図１５の把持姿勢へ変化する動作については第１実施形態と同様に行われるため、説明を省略する。以下に、把持姿勢から開放姿勢へ変化する動作について説明する。ＵＡＶ１の離陸時に、スプリング１９がフレーム１４を押し下げる。その結果、図１１と図１２で説明したように、下側ワイヤ１８の長さがΔＬ長くなる。この下側ワイヤ１８が金属ワイヤなどのある程度の剛性を持った素材である場合、ΔＬ長くなった下側ワイヤ１８が指７の内部に押し出され、第１固定部２５を押すことにより、指７の下側が伸び、パーチング機構が開放姿勢に戻る。ワイヤＷの剛性や、スプリング１９のばね係数や、ＵＡＶ１の自重等の条件によってこのような動作が可能である場合には、上側ワイヤ１７は無くてもよい。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。図１６と図１７は、本実施形態におけるパーチング機構の開放状態と把持状態とをそれぞれ示す。ＵＡＶ１の全体図としては、図３と同様の構成を採用することができる。本実施形態では、所定の条件が満たされたとき（例えばパーチング姿勢が不安定など）、上ブロックと下ブロックが摺動して脚部材６が縮む縮み動作をアシストする駆動系が設けられる。このアシストにより、把持力を高めることができる。

本実施形態では、第１実施形態に比べて、駆動系５０と、バッテリ（図示せず）と、ワイヤ５１と、ボルト５２が追加されている。駆動系５０は、バッテリから供給される電力によって動力を発生する電動モータ等の動力源である。ボルト５２は、ワイヤ５１の一端をフレーム１４に固定する。ワイヤ５１の他端は、駆動系５０に接続される。駆動系５０は、所定の条件が満たされると、ワイヤ５１を上方に牽引する。

ワイヤ５１の上方牽引は、下側ワイヤ１８を引っ張る力となるため、結果的に指７が対象物９を把持する力が増加する。従って、駆動系５０により、第１実施形態における自重によって働くパーチング機構をアシストして把持力を増加することができる。パーチング機構の開閉動作は、基本的には第１実施形態と同様に、自重に基づいて受動的に行われる。従って駆動系５０としては、完全にモータ動力によってパーチングを行うような能動的な機構に比べて、小型・軽量の機構を用いることができる。

次に、駆動系５０を制御するためのＵＡＶ１の内部に搭載される制御部の動作について、図１８、図１９を用いて説明する。図１８のようにＵＡＶ１が迎角（ないし仰角）θを持って対象物９に止まるときを考える。このような場合、ＵＡＶ１の質量をｍ、地球の重力加速度をｇ、機体の前後軸方向における重心６０と対象物９の距離をＬとすると、自重ｍの脚部４の軸方向（長手方向）の成分がｍｇ・ｃｏｓθとなる。この成分により、パーチング時に対象物９の周りに発生するＵＡＶ１の回転モーメントＭ＝ｍｇＬが発生する。この回転モーメントが大きいと、パーチング力が足りずに機体が回転してしまう可能性がある。受動的パーチングによって安定的に止まることができるトルクの上限値をＭとする。そのときの迎角をθ´とする。迎角θが閾値θ´を超えたとき、駆動系５０によるアシストが行われる。

本実施形態におけるＵＡＶ１の制御部は、例えばかかと８に取り付けた感圧センサ等のパーチング機構作動検出部を備え、ＵＡＶ１が着地してパーチング機構が作動したことを検出することができる。制御部は更に、自機の迎角（ないし仰角）を検知する角度センサを備える。

図１９は、駆動系５０が備える制御部の制御フローである。ＵＡＶ１が対象物９にパーチングするとき、かかと８が対象物９に載ってＵＡＶ１の自重が脚部４に掛かり、パーチング機構が受動的に作動する。感圧センサは、パーチング機構の作動を検出する（ステップＳ１）。

パーチング機構の作動検出に応答して、角度センサがＵＡＶ１の迎角θを検知する（ステップＳ２）。制御部は、検知された迎角θと、予め記憶装置に格納された迎角（閾値）θ´とを比較する（ステップＳ３）。比較の結果、θ≦θ´であった場合は、受動的にパーチングが行えると判断する。制御部は、パーチング機構が作動している間、迎角θの検出とθ´との比較を続ける（ステップＳ３ｎｏ）。比較の結果、θ＞θ´となった場合（ステップＳ３ｙｅｓ）、自重によるトルクが大きい状態なので、制御部は駆動系５０を作動し、ワイヤ５１を引き上げる（ステップＳ４）。その結果、自重による受動的なパーチングに加えて、駆動系５０のアシストによって強い把持力が発生する。その結果、ＵＡＶ１が迎角を取った状態であっても安定的にパーチングすることができる（ステップＳ５）。離陸する場合は、羽ばたき機構などのＵＡＶ１の飛行制御システムからの離陸開始を示す信号に応じて、駆動系５０によるアシストが停止される。この場合、ワイヤ５１は張力を発生しないフリーな状態となる。

以上の制御の他にも、例えば風速に基づく制御が考えられる。ＵＡＶ１が風速計を搭載している場合、検出された風速が所定の速度を上回った場合に、駆動系５０によるアシストを行ってもよい。

図１６、図１７では、駆動系５０のワイヤ５１はフレーム１４の下部にボルト５２でクランプされた。しかしながら、ワイヤ５１を他の場所にクランプしてもよい。その例を図２０、図２１に示す。この例では、駆動系５０が牽引するワイヤ５１ａの下端部が、フレーム１４の上端にボルト５２ａでクランプされる。この位置でクランプすると、長さの短いワイヤ５１ａを用いることができる。この場合でも、図１６、図１７で説明した動作と同様の動作を行うことができる。

図２２と図２３は、第２実施形態の変形例を示す。図１６と図１７の構造では、駆動系５０がワイヤ５１によってフレームカバー１５に対してフレーム１４を引き上げた。それに対して図２２と図２３の構造では、フレーム１４の側からフレームカバー１５を引き下げることにより、同様のアシスト効果を得る。

フレーム１４に、滑車５３が取り付けられる。その高さ方向の位置は、把持状態のときのブラケット１６よりも下（かかと８に近い側）である。駆動系５０に接続され下方向に引き回されたワイヤ５１ｂは、その滑車５３に掛けられて上方向に向かい、ブラケット１６に固定されたボルト２２でクランプされる。

このようなアシスト機構も、図１８と図１９で説明したような制御に基づいて作動する。アシスト機構が作動すると、駆動系５０がワイヤ５１ｂを引き上げる。すると滑車５３とボルト２２の間に張られたワイヤ５１ｂはブラケット１６を引き下げ、図２３の把持状態となる方向にパーチングをアシストする。

１ ＵＡＶ
２ 胴体
３ 翼
４ 脚部
５ 固定部
６ 脚部材
７ 指
７−１、７−２ 指（前指）
７−３ 指（後指）
８ かかと
９ 対象物
１０ ナット
１１ 取付け用ねじ
１２−１〜１２−３ リンク
１３ ヒンジピン
１４ フレーム
１５ フレームカバー
１６ ブラケット
１７ 上側ワイヤ
１８ 下側ワイヤ
１８−１ キャビティ
１８−２ ロッド
１９ スプリング
２０ 滑車
２１ 滑車
２２ ボルト
２３ 滑車
２４ 第２固定部
２５ 第１固定部
２６ 端面
２７ 端面
２８ 上側面
２９ 下側面
３０−１〜３０−３ ワイヤ
３１ 穴
３３ ボルト
３５ かかと部材
３６ テンション調整ねじ
３９ ベース
４１ ナット
４２ フレームカバー
４３ 脚カバー
５０ 駆動系
５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ ワイヤ
５２、５２ａ ボルト
５３ 滑車
６０ 重心
１０１ 無人機
１０２ 脚
１０３ 指
１０４ ワイヤ
１０５ ワイヤ
１０６ ひざ関節
１０７ 足首関節
１０８ 対象物
１０９ 胴体
Ｃ１ 端面
Ｃ２ 端面
Ｃ３ 回転軸
Ｃ４ 切り欠き
Ｃ５ 隙間
Ｔ１ 第１部分
Ｔ２ 第２部分
Ｔ３ 第３部分
Ｔ４ 第４部分
Ｔ５ 第５部分

Claims (14)

1. 航空機に取り付けられる脚部材を具備し、
   前記脚部材は、下ブロックと、
   前記航空機の本体側に取り付けられ、前記下ブロックに対して前記脚部材が伸縮するように摺動をする上ブロックとを具備し、
   更に、前記下ブロックに取り付けられ、対象物を把持する把持姿勢と、対象物を放す開放姿勢とを取り得る指と、
   少なくとも１つの軸部材に第１線状部材を掛けることによって前記第１線状部材の一端に加わる力を他端に加わる力に変換する第１伝達機構とを具備し、
   着地時に前記本体の自重により前記上ブロックが前記下ブロックに対して接地面側に前記摺動をする縮み動作が発生すると、前記第１伝達機構が前記摺動の力を前記指に伝達することにより、前記指が前記把持姿勢を取る
   航空機の脚構造。
2. 請求項１に記載された航空機の脚構造であって、
   前記第１線状部材の前記一端は前記上ブロックに取り付けられ、
   前記第１線状部材の前記他端は前記指の前記下ブロックに近い側の端部である根元位置とその反対側の端部である指先位置とを結ぶ長さ方向に沿って第１位置まで配置され、且つ前記第１位置の第１固定部において前記指に対して固定され、
   前記縮み動作が発生すると、前記第１伝達機構によって前記第１固定部における前記第１線状部材が前記指を引っ張ることにより、前記指が前記把持姿勢を取る
   航空機の脚構造。
3. 請求項２に記載された航空機の脚構造であって、
   前記指は、前記長さ方向に並ぶ複数のリンクを具備し、前記複数のリンクのうちの互いに隣接するリンクは、前記長さ方向に垂直で且つ前記航空機が水平飛行をしているときに水平となる回転軸を中心に互いに所定角度まで回転可能に接続され、
   前記第１位置は、前記複数のリンクのうち、前記根元位置から見て２番目以降のリンクに設定される
   航空機の脚構造。
4. 請求項２又は３に記載された航空機の脚構造であって、
   前記第１伝達機構は、前記一端よりも前記本体側において前記下ブロックに取り付けられた第１軸部材と、前記一端よりも前記接地面側において前記下ブロックに取り付けられた第２軸部材とを具備し、
   前記第１線状部材は、前記一端から見て、前記第１軸部材に掛けられて前記接地面側に向かい、次いで前記第２軸部材に掛けられて前記指の前記第１位置に向かう
   航空機の脚構造。
5. 請求項４に記載された航空機の脚構造であって、
   更に、前記上ブロックから前記下ブロックに対して前記接地面側に付勢する付勢力を与えるばね
   を具備する航空機の脚構造。
6. 請求項５に記載された航空機の脚構造であって、
   更に、少なくとも１つの軸部材に第２線状部材を掛けることによって前記第２線状部材の一端に加わる力を他端に加わる力に変換する第２伝達機構を具備し、
   前記第２線状部材の前記一端は前記上ブロックに取り付けられ、
   前記第２線状部材の前記他端は前記指の長手方向に沿って第２位置まで配置され、且つ前記第２位置の第２固定部において前記第２線状部材が前記指を引っ張ることにより、前記指が前記開放姿勢を取る
   航空機の脚構造。
7. 請求項６に記載された航空機の脚構造であって、
   前記第１線状部材と前記第２線状部材とは、一本の線状部材の第１部分と第２部分によって実現される
   航空機の脚構造。
8. 請求項６又は７に記載された航空機の脚構造であって、
   前記指は、前記着地時に、前記開放姿勢において、接地面の窪みに応じて上向きに反ることができる
   航空機の脚構造。
9. 請求項５乃至８のいずれか一項に記載された航空機の脚構造であって、
   更に、前記開放姿勢における前記付勢力を調整するテンション調整ねじ
   を具備する航空機の脚構造。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載された航空機の脚構造であって、
    更に、所定の条件が満たされた場合、前記縮み動作をアシストする動力を供給するアシスト部
    を具備する航空機の脚構造。
11. 請求項１０に記載された航空機の脚構造であって、
    更に、前記航空機の飛行姿勢の傾きを検出する傾き検出部と、
    検出された前記傾きが所定の角度を超えたとき、前記アシスト部が前記動力を供給するように制御する制御部と
    を具備する航空機の脚構造。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一項に記載された航空機の脚構造と、
    前記本体と
    を具備する無人機。
13. 航空機の脚構造の動作方法であって、
    前記脚構造は、航空機に取り付けられる脚部材を具備し、
    前記脚部材は、下ブロックと、
    前記航空機の本体側に取り付けられ、前記下ブロックに対して前記脚部材が伸縮するように摺動をする上ブロックとを具備し、
    更に、前記下ブロックに取り付けられ、対象物を把持する把持姿勢と、対象物を放す開放姿勢とを取り得る指と、
    少なくとも１つの軸部材に第１線状部材を掛けることによって前記第１線状部材の一端に加わる力を他端に加わる力に変換する第１伝達機構とを具備し、
    前記動作方法は、
    着地時に前記本体の自重により前記上ブロックが前記下ブロックに対して接地面側に前記摺動をする縮み動作が発生すると、前記第１伝達機構が前記摺動の力を前記指に伝達することにより、前記指が前記把持姿勢を取るステップと、
    所定の条件が満たされた場合、アシスト部が前記縮み動作をアシストする動力を供給するステップと
    を具備する動作方法。
14. 請求項１３に記載された航空機の脚構造の動作方法であって、
    更に、前記航空機の飛行姿勢の傾きを検出するステップと、
    検出された前記傾きが所定の角度を超えたとき、前記アシスト部が前記動力を供給するように制御するステップと
    を具備する動作方法。

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