(57)【要約】【課題】  ホバリングから前進または後退飛行への移行を効率的に行うことができる移動装置を提供する。【解決手段】  前羽軸１０３の羽ばたき角がγ＋Δγ／２であり、かつ、後羽軸１０４の羽ばたき角がγ−Δγ／２である。すなわち、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間の振幅差がΔγである。また、前羽軸１０３の羽ばたき運動がｓｉｎ（τ＋φ／２）で表される運動であり、後羽軸１０４の羽ばたき運動がｓｉｎ（τ−φ／２）で表される運動である。すなわち、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間の位相差がφである。さらに、振幅差Δγおよび位相差φは、それぞれ、共通の媒介変数を用いた関数で表わされる。したがって、制御部は、振幅差Δγおよび位相差φを独立して変更し、羽の先端部１０７と仮想の所定の平面とがなす捻り角を様々に変化させることができる。【選択図】        図１
2006312436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が存在する空間において羽ばたく動作をする羽部と、
前記羽部に羽ばたき動作をさせる駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部および前記制御部が搭載された胴体部と、を備えた移動装置であって、
前記羽部は、
前記駆動部に接続された一方側羽軸部および他方側羽軸部と、
少なくとも前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との間に渡って形成された羽本体部部とを含み、
前記駆動部は、
前記一方側羽軸部に第１周期運動をさせる一方側駆動部と、
前記一方側駆動部とは別個独立して、前記他方側羽軸部に第２周期運動をさせる他方側駆動部とを含み、
前記制御部は、前記第１周期運動と前記第２周期運動との間の位相差および前記第１周期運動と前記第２周期運動との間の振幅差のうち少なくともいずれか一方が変化するように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御し、それにより、前記羽本体部の先端部と仮想の所定の平面とがなす捻り角を変化させる、移動装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記振幅差が一定に維持された状態で、前記位相差が変化するように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御する、請求項１に記載の移動装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記位相差が一定に維持された状態で、前記振幅差が変化するように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御する、請求項１に記載の移動装置。
【請求項４】
前記捻り角は、周期的な変化をするものであり、
前記制御部は、前記第１周期運動および前記第２周期運動のうちの少なくともいずれか一方と前記周期的な変化との間の位相差を一定に維持するように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御する、請求項１に記載の移動装置。
【請求項５】
前記捻り角は、周期的な変化をするものであり、
前記制御部は、飛行速度が上昇するにつれて、前記第１周期運動および前記第２周期運動のうちの少なくともいずれか一方と前記周期的な変化との間の位相差を変化させて、推進力がピーク値に近づくように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御する、請求項１に記載の移動装置。
【請求項６】
流体が存在する空間において羽ばたく動作をする羽部と、
前記羽部に羽ばたき動作をさせる駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部および前記制御部が搭載された胴体部と、を備えた移動装置であって、
前記羽部は、
前記駆動部に接続された一方側羽軸部および他方側羽軸部と、
少なくとも前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との間に渡って形成された羽本体部部とを含み、
前記駆動部は、
前記一方側羽軸部に第１周期運動をさせる一方側駆動部と、
前記一方側駆動部とは別個独立して、前記他方側羽軸部に第２周期運動をさせる他方側駆動部とを含み、
前記制御部は、前記第１周期運動と前記第２周期運動と間の位相差および前記第１周期運動と前記第２周期運動との間の振幅差の双方が、共通の媒介変数を用いて表わされる変化をするように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御し、それにより、前記羽本体部の先端部と仮想の所定の平面とがなす捻り角を変化させる、移動装置。
【請求項７】
前記捻り角は、周期的な変化をするものであり
前記制御部は、前記位相差および前記振幅差の双方が前記共通の媒介変数を用いて表わされる変化をすることによって前記第１周期運動および前記第２周期運動のうち少なくともいずれか一方と前記周期的な変化との間の位相差が一定に維持されるように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御する、請求項６に記載の移動装置。
【請求項８】
前記捻り角は、周期的な変化をするものであり
前記制御部は、前記位相差および前記振幅差の双方が前記共通の媒介変数を用いて表わされる変化をすることによって前記周期的な変化の振幅の最大値が一定に維持されるように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御する、請求項６に記載の移動装置。
【請求項９】
流体が存在する空間において羽ばたく動作をする羽部と、
前記羽部に羽ばたき動作をさせる駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部および前記制御部が搭載された胴体部と、を備えた移動装置であって、
前記羽部は、
前記駆動部に接続された一方側羽軸部および他方側羽軸部と、
少なくとも前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との間に渡って形成された羽本体部部とを含み、
前記駆動部は、
前記一方側羽軸部に第１周期運動をさせる一方側駆動部と、
前記一方側駆動部とは別個独立して、前記他方側羽軸部に第２周期運動をさせる他方側駆動部とを含み、
前記制御部は、前記第１周期運動の周期と前記第２周期運動の周期とが同一になるように、前記一方側駆動部および前記他方側駆動部を制御し、それにより、前記羽本体部の先端部と仮想の所定の平面とがなす捻り角を変化させる、移動装置。
【請求項１０】
前記第１周期運動および前記第２周期運動のそれぞれが単振動である、請求項９に記載の移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき動作をする羽部を有する移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間の生活環境や災害地といったあらかじめ整備されおらず多種多様な障害物の存在する環境においてロボットなどの移動装置が活動することが求められている。
【０００３】
そのような従来の移動装置の一つとして、移動のための車輪を備えたロボット（たとえば、特開平５−２８２０４０号公報）が提案されている。また、多関節の脚を備えた移動装置の研究が盛んに行なわれている。また、安定性を重視した６脚の昆虫模型形ロボット（たとえば、特開平６−９９３６９号公報）の開発も行なわれている。
【０００４】
さらに、機能性を重視したヒューマノイド型と言われる２足自律歩行ロボット（たとえば、特開平９−２７２０８３号公報）の開発も行なわれている。また、さらに、無限軌道（たとえば、特開平６−３０５４５５号公報）を備えたロボットの開発も行なわれている。
【０００５】
これらの移動装置によれば、いずれも地面にその移動装置の一部を接触させることで自らの体重を支えて、移動動作が行なわれる。
【０００６】
一方、ヘリコプターなどのように地上の障害物を避けて空中を移動できる移動装置もある。
【特許文献１】特開平５−２８２０４０号公報
【特許文献２】特開平６−９９３６９号公報
【特許文献３】特開平９−２７２０８３号公報
【特許文献４】特開平６−３０５４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の移動装置には以下のような問題があった。まず、家庭内では、環境が整備された工場やオフィスなどとは異なり、たとえば、人、ペット、椅子、装飾品またはおもちゃなど、その時々によって位置を変える障害物が多く存在している。また、家庭内には、狭い通路、階段または部屋と部屋との間の段差なども存在している。
【０００８】
従来開発されてきた移動装置では、「段差を乗り越える能力」と「隙間を通り抜ける能力」がトレードオフである。たとえば、移動装置を移動させるために車輪を用いた場合、車輪とその接触面との摩擦力によって移動が行なわれる。この摩擦力は接触面における垂直抗力に比例する。
【０００９】
ところが、車輪の半径をＤとすると、半径Ｄより高い段差の場合には垂直抗力がゼロになってしまう。このため、半径Ｄより高い段差が存在するところでは、車輪と接地面との間の摩擦力が得られないことになるため、移動装置はその段差を乗り越えることができなくなる。
【００１０】
したがって、ある環境において隈なく移動可能な車輪を用いた移動装置を設計する場合には、車輪の半径Ｄはその環境における最大の段差よりも大きいことが要求される。
【００１１】
一方、より高い段差を乗り越えることを目的として車輪の半径Ｄを大きくすると、隙間を通り抜ける能力が低下することになる。たとえば半径Ｄの車輪の直径は２Ｄとなり、この車輪を用いた移動装置の全長は車輪の直径２Ｄよりも大きくなる。このため、たとえば直角に曲がっている隙間の場合、その隙間を通り抜けるためには隙間の幅が車輪の半径Ｄの約２．８１倍より大きいことが必要とされる。
【００１２】
また、その場で移動装置を方向転換させるためには、最低半径Ｄの４倍以上の領域内に障害物がないことが必要とされる。
【００１３】
このような状況から、従来の車輪を用いた移動装置は、比較的小さい径を有する車輪を採用して比較的段差の低い環境に限って使用するか、または比較的大きな車輪を採用して障害物の少ない環境に限って使用するかのいずれかしかできない。
【００１４】
複数の関節を持つ脚を用いた移動装置では、脚の長さとして段差程度分の長さが必要とされる。そして、安定して歩行するために脚と脚との接地点の間隔としては、この脚の長さ程度の間隔が必要になる。このため、車輪を用いた場合の移動装置と同様に、脚を用いた移動装置においても「段差を乗り越える能力」と「隙間を通り抜ける能力」のトレードオフを解消することはできなかった。
【００１５】
たとえば、移動装置として特開平９−２７２０８３号公報における２足歩行ロボットの場合、段差ｈの階段を上るためには、脚の最大長が段差ｈより長くなければならない。したがって、ロボットのサイズが段差ｈよりも小さくなるように、脚が折り畳み可能な構造にしようとすると、移動装置がより複雑になってしまった。
【００１６】
また、家庭内における家具等の配置は家屋ごとに異なっており、さらに、同一の家屋内においても、たとえば食事の際には椅子の位置が変化するように、状況により家具等の位置が変わるものである。これら家具等の多くは床面に配置されている。
【００１７】
このような障害物を避けて移動装置を移動させようとすると、障害物の検出および経路探索をリアルタイムで行なう必要があった。
【００１８】
ところが、このような機能を移動装置にもたせようとすると、移動装置において検出装置や演算装置などが多くの体積を占めることになって、移動装置の小型化を図るのが難しくなった。その結果、移動装置が狭い隙間を通り抜けることができなくなるという問題があった。
【００１９】
さらに、災害地や一般のフィールドにおいては、比較的整然とした家庭内とは全く異なる環境があり、舗装されていない道路、荒地、草原、川、池、断崖、瓦礫の山などが存在する。このような環境の中を自由に進んでいくことは、車輪や脚等を用いた従来の移動装置ではほとんど不可能であった。
【００２０】
そして、障害物を避けて空中を移動しようとすると、たとえば飛行機のような移動装置では一定の速度以上でないと失速してしまい、停空飛翔を行なうことができなかった。また、ヘリコプターのような移動装置では、回転翼により停空飛翔を行なうことができるが、大きな回転トルクのために、優れた機動性（静止状態と通常の飛行のすばやい移行）を発揮することができなかった。
【００２１】
このように、車輪や脚等を備えた従来の移動装置では、家庭内や災害地などにおいて障害物を避けて自由に移動することができなかった。また、ヘリコプターなどの従来の移動装置では、優れた機動性を得ることができなかった。
【００２２】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、家庭内や一般のフィールドのような障害物の多い環境において、そのような障害物に制約されることなく移動することができ、しかも機動性に優れた移動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の各局面の移動装置は、流体が存在する空間において羽ばたく動作をする羽部と、羽部に羽ばたき動作をさせる駆動部と、駆動部を制御する制御部と、羽部が取付けられ、駆動部および制御部が搭載された胴体部と、を備えた移動装置である。羽部は、駆動部に接続された一方側羽軸部および他方側羽軸部と、少なくとも一方側羽軸部と他方側羽軸部との間に渡って形成された羽本体部部とを含んでいる。駆動部は、一方側羽軸部に第１周期運動をさせる一方側駆動部と、一方側駆動部とは別個独立して、他方側羽軸部に第２周期運動をさせる他方側駆動部とを含んでいる。
【００２４】
本発明の一の局面の移動装置においては、制御部が、第１周期運動と第２周期運動との間の位相差および第１周期運動と第２周期運動との間の振幅差のうち少なくともいずれか一方が変化するように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御し、それにより、羽本体部の先端部と仮想の所定の平面とがなす捻り角を変化させる。この構成によれば、移動装置は、その運動状態の変化を効率的に行なうことができる。
【００２５】
前述の一の局面の移動装置においては、制御部は、振幅差が一定に維持された状態で、位相差が変化するように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御するものであってもよい。この構成によれば、移動装置の運動状態の変化のための制御が容易になる。
【００２６】
前述の一の局面の移動装置の制御部は、位相差が一定に維持された状態で、振幅差が変化するように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御するものであってもよい。この構成によっても、移動装置の運動状態の変化のための制御が容易になる。
【００２７】
また、前述の一の局面の移動装置は、捻り角が周期的な変化をするものであってもよく、また、その制御部は、飛行速度が上昇するにつれて、第１周期運動および第２周期運動のうちの少なくともいずれか一方と周期的な変化との間の位相差を変化させて、推進力がピーク値に近づくように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御するものであってもよい。
【００２８】
本発明の一の局面の移動装置においては、捻り角が周期的に変化するものであってもよく、また、その制御部は、第１周期運動および第２周期運動のうちの少なくともいずれか一方と周期的な変化との間の位相差を一定に維持するように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御するものであってもよい。この構成によれば、移動装置は、浮上力（揚力および抗力）を一定に維持しながら、その運動状態を変化させることができる。
【００２９】
本発明の他の局面の移動装置の制御部は、第１周期運動と第２周期運動と間の位相差および第１周期運動と第２周期運動との間の振幅差の双方が、共通の媒介変数を用いて表わされる変化をするように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御し、それにより、羽本体部の先端部と仮想の所定の平面とがなす捻り角を変化させる。
【００３０】
上記の構成によれば、移動装置は、位相差および振幅差の双方を１つの媒介変数の変更によって制御することができるため、簡単な制御で、その運動状態を変化させることができる。
【００３１】
前述の他の局面の移動装置においては、捻り角が周期的に変化するものであってもよく、また、その制御部が、位相差および振幅差の双方が共通の媒介変数を用いて表わされる変化をすることによって第１周期運動および第２周期運動のうち少なくともいずれか一方と周期的な変化との間の位相差が一定に維持されるように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御するものであってもよい。この構成によれば、移動装置は、より簡単な制御で、その運動状態を変化させることができる。
【００３２】
前述の他の局面の移動装置においては、捻り角が周期的に変化するものであってもよく、また、その制御部が、位相差および振幅差の双方が共通の媒介変数を用いて表わされる変化をすることによって周期的な変化の振幅の最大値が一定に維持されるように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御するものであってもよい。この構成によっても、移動装置は、より簡単な制御で、その運動状態を変化させることができる。
【００３３】
本発明のさらに他の局面の移動装置においては、制御部が、第１周期運動の周期と第２周期運動の周期とが同一になるように、一方側駆動部および他方側駆動部を制御し、それにより、羽本体部の先端部と仮想の所定の平面とがなす捻り角を変化させる。この構成によれば、移動装置は、簡単な制御で、その運動状態を変化させることができる。なお、第１周期運動および第２周期運動のそれぞれは単振動であってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、図を用いて、本発明の実施の形態の移動装置としての羽ばたき装置について説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、羽部として２本の羽軸を有する羽ばたき装置を示す図である。図１（ａ）では、羽ばたき装置の前方正面部分が示され、図１（ｂ）では、羽ばたき装置の前方正面に向かって左側面部分が示されている。
【００３５】
なお、図１（ａ）および図１（ｂ）においては、羽ばたき装置の正面を前方から見たときの左羽部しか示されていないが、実際には、胴体部１０５に中心軸８０２を挟んで左右対称に右羽部も取り付けられている。また、説明を簡単にするため、胴体部１０５の前後方向に沿って延びる胴体軸８０１は水平面内にあり、重心を通る中心軸８０２は鉛直方向に延びているものとする。
【００３６】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、羽ばたき装置の胴体部１０５には、前羽軸１０３および後羽軸１０４と、その前羽軸１０３と後羽軸１０４との間を渡すように設けられた羽の膜（羽本体部）１０６とを有する羽部（左羽部）が形成されている。
【００３７】
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１０４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、１０２の配置、ならびに、前羽軸１０３、後羽軸１０４および羽の膜１０６を含む羽部の形状は、飛行の性能が損なわれないならば、前述のものに限定されない。
【００３８】
さらに、前述の羽ばたき装置の場合、羽部の断面形状を鉛直上方に凸となるようにしておけば、水平方向の飛行においては、羽部には、抗力だけでなく、揚力も発生するため、羽ばたき装置は、より大きな浮上力が得られることになる。
【００３９】
また、羽ばたき装置の重心の位置は、羽ばたき装置の安定性を重視するため、羽部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、羽ばたき装置の姿勢を容易に変更する観点からは重心の高さと前述の作用点の高さとを略一致させておくことが望ましい。この場合には、姿勢制御に必要な左の羽部が流体から受ける力と右の羽部が流体から受ける力との差が小さくなるため、羽ばたき装置の姿勢変更を容易に行なうことができる。
【００４０】
２つの回転型アクチュエータ１０１および１０２は互いに回転軸８００を共有している。この回転軸８００は胴体軸８０１とは所定の角度（９０°−θ）で交差している。前羽軸１０３および後羽軸１０４は、それぞれ、アクチュエータ１０１および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。この仰角θは、仰角制御部１０８によって、変更される。仰角制御部１０８は、回転型アクチュエータ１０１および１０２を支持する支持部を、左右方向に延びる回転中心軸まわりに回転させる。それにより、回転型アクチュエータ１０１および１０２とともに前羽軸１０３および後羽軸１０４が、左右方向に延びる回転中心軸まわりに回転する。その結果、仰角θは仰角制御部１０８の回転角に比例した回転角だけ変化する。したがって、仰角制御部１０８が回転角を制御すれば、前羽軸１０３の往復運動の軌跡を含む面または後羽軸１０４の往復運動の軌跡を含む面と前後方向および左右方向を含む仮想の基準面とのなす角度を変化させることができる。
【００４１】
胴体部１０５は、羽ばたき装置の機械的強度を確保するとともに、羽ばたき装置の軽量化を図るために、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの材料が円筒状に成形されたものが用いられることが望ましいが、胴体部１０５の材料および形状は、前述の材料および形状に限定されない。
【００４２】
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の理由から、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ことが望ましい。超音波進行波アクチュエータには、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１（ａ）および図１（ｂ）では、回転型アクチュエータが用いられている。
【００４３】
ここでは、進行波を用いた超音波素子によって羽部を直接駆動する方法を中心に説明するが、この羽部を駆動するための機構、および、その機構に用いられるアクチュエータの種類は、特に本実施の形態に示したものに限定されない。
【００４４】
回転型アクチュエータとしては、図１（ａ）および図１（ｂ）に示された回転型アクチュエータ１０１および１０２の他に、たとえば、図１１に示される回転型アクチュエータ４０１が用いられてもよい。
【００４５】
図１１に示された羽ばたき装置では、胴体部４０４に搭載された回転型アクチュエータ４０１に前羽軸または後羽軸４０３が取付けられている。前羽軸または後羽軸４０３は回転型アクチュエータ４０１の回転軸４０２を中心軸として回動運動をする。この回転型アクチュエータ４０１の代わりに、ボイスコイルモータなどを用いても、回転型アクチュエータ１０１，１０２に前述の回動運動と同様の回動運動をさせることが可能である。
【００４６】
また、羽部を駆動するための機構としては、外骨格構造とリニアアクチュエータとを組合わせた機構が用いられてもよい。その機構が用いられた羽ばたき装置が図１２または図１３に示されている。
【００４７】
図１２に示された羽ばたき装置では、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を支点と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。それにより、羽ばたき運動が行なわれる。この羽ばたき運動は、羽部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て思い付かれたものである。
【００４８】
図１３に示された羽ばたき装置では、胴体部は上面胴体部６０３と下面胴体部６０４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。その上面胴体部６０３の運動がヒンジ６０２を支点として前羽軸または後羽軸６０３に伝えられる。それにより、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て思い付かれたものである。
【００４９】
図１３に示す羽ばたき装置の場合、１つのリニアアクチュエータ６０１によって左右の前羽軸または後羽軸６０３が同時に駆動される。そのため、左右の羽軸を別々に駆動することができない。その結果、羽ばたき装置は、木目細かな飛行を行なうことはできない。ただし、アクチュエータの数を減らすことができる。したがって、羽ばたき装置の軽量化および消費電力の低減を図ることが可能になる。
【００５０】
また、図１（ａ）および図１（ｂ）に示された羽ばたき装置においては、回転型アクチュエータ１０１および１０２には、それぞれ、前羽軸１０３および後羽軸１０４が接続されている。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いる。その張力は、羽全体の剛性を高める働きをしている。
【００５１】
軽量化のため、前羽軸１０３および後羽軸１０４は、それぞれ、中空構造であり、カーボングラファイトで形成されている。このため、前羽軸１０３および後羽軸１０４は弾力性を有し、前羽軸１０３と後羽軸１０４とは羽の膜１０６の張力により変形し得る。
【００５２】
図１４は本羽ばたき装置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部は描かれていない。
【００５３】
胴体部１０５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が設けられている。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。羽ばたき制御部７０５では、超音波センサ７０１または赤外線センサ７０２によって検出された情報に基づいて、羽ばたき装置と周囲の障害物または人間との距離などが算出される。また、加速度センサ７０３または角加速度センサ７０４によって検知された情報に基づいて、羽ばたき装置の浮上状態、目的位置または姿勢などが算出され、左右のアクチュエータ１０１，１０２および重心制御部７０７の駆動態様が決定される。それにより、前羽軸１０３および後羽軸１０４の往復運動が制御される。その結果、羽の膜１０６が所定の羽ばたき動作を行なう。
【００５４】
なお、本実施の形態においては、羽ばたき装置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が用いられている。また、羽ばたき装置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が用いられている。しかしながら、羽ばたき装置の周囲環境、位置および姿勢が計測可能なセンサであれば、センサはいかなるものであってもよい。
【００５５】
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１０５の異なる位置に設け、その２つの加速度センサによって得られる加速度情報に基づいて、羽ばたき装置の姿勢を算出することも可能である。また、羽ばたき装置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によっても、羽ばたき装置の位置および姿勢を算出することは可能である。
【００５６】
また、図１４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。しかしながら、軽量化の観点から、前述のセンサは、マイクロマシニング技術によって、羽ばたき制御部７０５の基板上に一体的に形成されていてもよい。
【００５７】
また、羽ばたき装置の羽部の制御においては、オープンループ制御が用いられている。しかしながら、羽部の付け根に角度センサが設けられており、この角度センサから得られる角度情報を用いて羽部を制御するクローズドループ制御が行なわれてもよい。
【００５８】
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であるならば、前述のセンサ類は必須の構成要素ではない。
【００５９】
また、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はメモリ部７０８に送り込まれ、必要に応じてメモリ部７０８の情報が書換えられる。また、羽ばたき装置が、学習機能を有していてもよい。
【００６０】
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と接続されており、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とのデータの送受信を行なう。
【００６１】
このような通信機能により、羽ばたき装置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、羽ばたき装置は、自ら入手することが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に蓄積することによって、羽ばたき動作を制御するものであってもよい。たとえば、大きなマップ情報のすべてを羽ばたき装置が記憶していなくても、羽ばたき装置が、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してもよい。
【００６２】
なお、図１４では、アンテナ部７１０は胴体部１０５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、その形状および配置など前述のものに限定されない。たとえば、前羽軸１０３および後羽軸１０４を利用して、羽の膜１０６の上にループ状のアンテナが形成されていてもよい。また、胴体部１０５にアンテナが内蔵された羽ばたき装置であっても、または、アンテナと通信制御部７０９とが一体化された羽ばたき装置であってもよい。
【００６３】
超音波センサ７０１、赤外線センサ７０２、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にから供給される電流によって駆動される。
【００６４】
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。また、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を用いることも可能である。また、電力は、熱電素子および電磁波などから得ることも可能である。
【００６５】
（浮上方法）
説明の簡便のため、本羽ばたき装置に作用する外力は、羽が流体から受ける流体力および羽ばたき装置に作用する重力（羽ばたき装置の質量と重力加速度との積）のみであるとする。本羽ばたき装置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）＞（本羽ばたき装置に作用する重力）
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、その後、羽を打ち上げる一連の動作をいう。
【００６６】
さらに、鉛直上向きの流体力が羽ばたき装置の重力よりも大きく、羽ばたき装置が上昇するためには、
（打ち下ろし動作において羽部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部に作用する鉛直下向きの流体力）
という条件が満足される必要がある。
【００６７】
ここでは、昆虫の羽ばたき方が単純化された羽ばたき方法を用いて、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。）よりも大きくする方法について説明する。
【００６８】
説明の簡便のため、流体の挙動また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、羽ばたき装置に作用する重力（以下「重量」と記す。）との大小関係については後述する。
【００６９】
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１０６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。
【００７０】
一方、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。
【００７１】
本実施の形態においては、回転型アクチュエータ１０１および１０２の回動によって、前羽軸１０３および後羽軸１０４に、回転軸８００のまわりに角度(羽ばたき角）γの回動をさせる。さらに、図２に示すように、前羽軸１０３の往復運動に対して後羽軸１０４の往復運動を位相差φだけ遅れさせる。
【００７２】
これにより、図３〜図１０（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３〜図７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１０１の前羽軸１０３が先に打ち下ろされるため、前羽軸１０３および後羽軸１０４の先端同士の間の羽の先端部１０７が水平に近づく。
【００７３】
一方、図７〜図１０に示された打ち上げ時においては、前羽軸１０３および後羽軸１０４の先端の高さの差が拡大されて、羽の先端部１０７は、垂直に近づく。この結果、羽の膜１０６が流体を押し下げる量または押し上げる量に差異が生じる。この羽ばたき装置の場合には、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。
【００７４】
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方および後方のいずれかに傾く。浮上力のベクトルが前方に傾けば、羽ばたき装置は推進運動状態となり、浮上力のベクトルが後方に傾けば羽ばたき装置は後退運動状態となり、浮上力のベクトルが真上に向けば羽ばたき装置は停空飛翔（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または前羽軸１０３もしくは後羽軸１０４の往復運動の最大角度（ストローク角）を特定可能な羽ばたき角γを制御することが可能である。
【００７５】
（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。ここで、前羽軸１０３の羽ばたき運動の位相τｆと後羽軸１０４の羽ばたき運動の位相τｂとが等しい時に２つの羽軸を含む仮想の所定の平面を基準とし、羽の先端部１０７がその仮想の所定の平面となす角を捻り角αとする。上述した羽ばたき装置では、打ち下ろし動作または打ち上げ動作の際に、捻り角αは、羽の長さ（羽の膜の前羽軸１０３および後羽軸１０４のそれぞれに沿った長さ）をｌ、羽の幅（前羽軸１０３と後羽軸１０４との間隔）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１０３と後羽軸１０４との位相差をφとすれば（図３、図５、図９、および図１０を参照）、およそ以下の式で表わされる。
【００７６】
ｔａｎα＝（ｗ／ｌ）・〔ｓｉｎ（γ・ｃｏｓτ）−ｓｉｎ｛γ・ｃｏｓ（τ＋φ）｝〕
実際には、前羽軸１０３および後羽軸１０４は、弾性を有し、変形可能である。そのため、この捻り角αは多少違った値になる。また、羽軸の根元ほど捻り角αは小さい。しかし、以下の議論では簡便のため、上の式のαを用いて説明がなされる。なお、捻り角αを規定するための仮想の所定の平面として、前述の平面以外にも、例えば、羽の先端部１０７が羽ばたき運動で描く平面（通常ストローク面と呼ばれる）を用いてもよいとともに、水平面（重力の方向に垂直な面）を用いてもよい。本発明の移動装置とって重要なことは、羽ばたき運動における羽部の迎え角を変化させることであり、本実施の形態では、その迎え角と物理的に等価なパラメータとして、捻り角αを用いている。
【００７７】
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、羽ばたき角をγ、羽ばたき周波数をｆとして、およそ
Ｆ＝（４／３）・π2ρｗγ2ｆ2ｌ3・ｓｉｎ2τ・ｃｏｓ（γ・ｃｏｓτ）
という式で表わされる。この式をτについて積分し、１周期平均のＦ⊥を計算すると、
Ｆ⊥＝（１／６）・π3ρｗγ2ｆ2ｌ3（３＋ｃｏｓγ）
となる。なお、左右の羽部に作用する流体力の水平方向成分同士は、左右の羽部が同じ運動をすれば、互いに打ち消し合うことになる。
【００７８】
打ち下ろし時の羽の捻り角をα↓とし、打ち上げ時の羽の捻り角をα↑とすると、上記成分Ｆ⊥の羽ばたき運動平面に垂直な成分Ｌおよび水平な成分Ｄはそれぞれ次の式によって表わされる。
【００７９】
すなわち、打ち上げ時の式は、
Ｌ↑＝Ｆ⊥・ｓｉｎα↑・ｃｏｓα↑
Ｄ↑＝−Ｆ⊥・ｓｉｎ2α↑であり、
打ち下ろし時の式は、
Ｌ↓＝Ｆ⊥・ｓｉｎα↓・ｃｏｓα↓
Ｄ↓＝Ｆ⊥・ｓｉｎ2α↓である。
【００８０】
従って、羽ばたき１周期での平均の揚力Ｌと抗力Ｄは、
Ｌ＝（Ｌ↓＋Ｌ↑）／２＝（Ｆ⊥／２）ｓｉｎ（α↑＋α↓）ｃｏｓ（α↑−α↓）
Ｄ＝（Ｄ↓＋Ｄ↑）／２＝（Ｆ⊥／２）ｓｉｎ（α↑＋α↓）ｓｉｎ（α↑−α↓）という式によって表わされる。
【００８１】
前述の式と羽ばたき仰角θとを考慮すると、重量と釣り合うべき鉛直方向の成分Ａおよび前後運動の推力となる水平方向成分Ｊは、１周期の平均で、
Ａ＝Ｌ・ｃｏｓθ＋Ｄ・ｓｉｎθ
＝（Ｆ⊥／２）ｓｉｎ（α↓＋α↑）ｃｏｓ（α↓−α↑＋θ）  ・・・  式（１）
Ｊ＝Ｌ・ｓｉｎθ−Ｄ・ｃｏｓθ
＝（Ｆ⊥／２）ｓｉｎ（α↓＋α↑）ｓｉｎ（α↓−α↑＋θ）  ・・・  式（２）
という式によって表わされる。
【００８２】
以上より、この飛行制御の一例として、羽ばたき装置の羽の長さ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°、および、打ち上げ時の位相差φ↑＝１６°である場合における鉛直方向成分Ａおよび水平方向成分Ｊの時間変化を各角度の時間変化とともに図１５に示す。
【００８３】
図１５においては、横軸は羽ばたき運動の１周期分の時間を示しており、その時間は位相τとして表わされている。また、図１５においては、前半が打ち下ろしを示し、後半が打ち上げを示している。グラフの複数の曲線は、前羽軸１０３の羽ばたき運動の位相τｆ、後羽軸１０４の羽ばたき運動の位相τｂ、鉛直面となす羽部の捻り角（θ−α）、流体力の鉛直方向成分（浮上力）Ａおよび水平方向成分（推進力）Ｊの時間変化をそれぞれ示している。
【００８４】
この例では、単位時間当りの流体力の鉛直方向成分（浮上力）Ａについては、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枚の羽を用いると、羽ばたき装置は、その重量が約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（推進力）Ｊは、１周期の間にほぼ打ち消されるため、重量１ｇ程度の羽ばたき装置であればホバリング可能となる。
【００８５】
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、羽ばたき装置は前進することができる。このとき、羽ばたき装置を水平に前進させるためには、周波数ｆを少し小さくすることが望ましい。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、羽ばたき装置は後退することができる。このとき、羽ばたき装置を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。
【００８６】
前述の羽ばたき装置は、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。
【００８７】
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。
【００８８】
ホバリング状態のまま、羽ばたき装置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ればよい。水平飛行中における上昇および下降については、主に周波数ｆの変更によって制御することが可能である。周波数ｆを上げることで羽ばたき装置は上昇し、周波数ｆを下げることで羽ばたき装置は下降する。
【００８９】
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、アクチュエータにかかる負荷を減らすためである。大きな浮力を得るための羽ばたき運動をする必要があるときには、打ち上げ動作中や打ち下ろし動作中は羽の捻り角αを一定の値に維持し、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を急激に変化させてもよい。
【００９０】
羽ばたき仰角θ＝０°とした場合の鉛直方向成分（浮上力）Ａと水平方向成分（推進力）Ｊの時間変化を各角度の時間変化とともに図１６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、左の羽部の羽ばたき運動と右の羽部の羽ばたき運動とを独立して制御できる場合、左の羽部および右の羽部のそれぞれによる生じる推進力同士の間に差があればよい。たとえば、前方へ飛行中に右方向へ旋回するには、右羽部の羽ばたき角γを左羽部の羽ばたき角γよりも小さくするか、または、右羽部の前羽軸と後羽軸の位相差を、左羽部の前羽軸と後羽軸の位相差よりも大きくする制御が考えられる。また、羽ばたき仰角θを変更することができるため、右羽部の羽ばたき仰角θを左羽部の羽ばたき仰角θよりも小さくするといった制御を行なうことも考えられる。これらの制御により、右羽部の推進力が左羽部の推進力に比べて相対的に小さくなり、右に旋回することができる。羽ばたき装置を左へ旋回させる場合には、右旋回の制御とは左右対称の制御を行なえばよい。
【００９１】
一方、図１３に示された羽ばたき装置のように、左右の羽部を別々に制御することができないような場合には、図１４に示された羽ばたき装置に搭載されているような重心制御部７０７を用いて、羽ばたき装置の重心を左または右にずらすことで、羽ばたき装置は、左または右への旋回を行なうことができる。
【００９２】
たとえば、重心を右にずらして右羽部を下方へ左羽部を上方へ傾け、周波数ｆを大きくすることで、羽ばたき装置を右へ旋回させることができる。また、重心を左にずらして右羽を上方へ左羽を下方へ傾け、周波数ｆを大きくすることで、羽ばたき装置を左に旋回させることができる。なお、この方法は２つの羽部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、いずれの羽ばたき装置においても、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。
【００９３】
以上の説明では、前羽軸１０３および後羽軸１０４のそれぞれの往復運動する平面が、回転軸８００と直交する場合について述べてきた。したがって、この場合は、これら２つの平面が互いに平行な関係となる。しかしながら、図１４に示したように、前羽軸１０３の往復運動の軌跡を含む平面と後羽軸１０４の往復運動の軌跡を含む平面とが所定の角度で交差していてもよい。こうすることで、前（後）羽軸１０３，１０４の弾性力および羽の膜１０６の張力により、打ち上げ運動から打ち下ろし運動へ、あるいは、打ち下ろし運動から打ち上げ運動へ移る際の、羽の捻り角αの正値から負値、あるいは、負値から正値への変化を高速化することができる。
【００９４】
図１７に示すように、前（後）羽軸９０１，９０２の先端方向が、互いに平行な位置から角度εだけ外側を向いている場合、羽軸の付け根９０５の幅をｗ、羽軸の長さをｌとして、
ｓｉｎε＞｛（ｗ2＋８・ｌ2）1/2−ｗ｝／（４・ｌ）
を満たすεであれば、羽の捻り角α＝０°（γｆ＝γｂ）における羽軸先端９０６同士の間の距離Ｗｏが最大となる。そのため、そのときの羽軸の弾性力や羽の膜の張力も最大となる。また、絶対値｜α｜＞０の状態の方が安定となる。その結果、捻り角αの変化を高速化することができる。
【００９５】
なお、上式を満たすεは、羽のアスペクト比Ａｐ（ｌ／ｗ）＝１のとき、ε＞３０°、Ａｐ＝４のとき、ε＞１７．２°、Ａｐ＝１０のとき、ε＞１１．５°である。
【００９６】
さらに、前羽軸９０１および後羽軸９０２のそれぞれが、その軸まわりに回転することができれば、前羽軸９０１と後羽軸９０２との間の位置関係が変化しても、羽の膜１０６が前羽軸９０１に固定されている部分と羽の膜１０６が後羽軸９０２に固定されている部分とが互いに向き合うように、羽の膜１０６は回転することが可能となる。そのため、前羽軸９０１および前羽軸９０２を駆動するアクチュエータにかかる負荷が軽減され、効率のよい制御が行なわれる。
【実施例１】
【００９７】
次に、上述のような羽ばたき装置の制御方法を説明する。
前羽軸１０３の羽ばたき角がγ＋Δγ／２であり、かつ、後羽軸１０４の羽ばたき角がγ−Δγ／２である。すなわち、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間の振幅差がΔγである。なお、羽ばたき角とは、前羽軸１０３または後羽軸１０４の往復運動の回動の角度の最大値または最小値を示すものである。
【００９８】
前羽軸１０３の往復運動はｓｉｎ（τ＋φ／２）で表される運動（単振動）であり、かつ、後羽軸１０４の往復運動はｓｉｎ（τ−φ／２）で表される運動（単振動）である。すなわち、前羽軸１０３と後羽軸１０４との間の位相差がφである。
【００９９】
したがって、羽の捻り角αは、位相差φがあまり大きくならない場合においては、次式（３）を用いて近似的に表わされる。
【０１００】
α＝（γ＋Δγ／２）ｓｉｎ（τ＋φ／２）−（γ−Δγ／２）ｓｉｎ（τ−φ／２）
≒Δγｓｉｎτ＋γφｃｏｓτ                ・・・式（３）
ここで、ｓｉｎτとｃｏｓτとは１次独立（線形独立）である。一方、式（３）において、ｓｉｎτの係数であるΔγとｃｏｓτの係数であるφとは独立して変更され得るものである。したがって、制御部は、振幅差Δγおよび位相差φを独立して変更することで、羽ばたき運動において、捻り角αを様々に変化させることができる。
【０１０１】
特に、振幅差Δγ＝０°の状態において、位相差φのみが制御されれば、捻り角αは、羽ばたき運動を表わす関数ｓｉｎτと位相が±９０°ずれた関数±ｃｏｓτで表わされる変化をする。ｃｏｓτの符号が正であるか負であるかは、上式（３）の前（後）項を前（後）羽軸の運動とするか、それとも、後（前）羽軸の運動とするかによって決定される。図１８には、羽ばたき角γにおける前羽軸１０３の運動、後羽軸１０４の運動、および捻り角αの変化の関係が示されている。図１８から、前羽軸１０３または後羽軸１０４の往復運動の回動の角度の最大値γまたは最小値−γと捻り角αの最大値または最小値とが、ほぼ９０°ずれていることが分かる。
【０１０２】
また、位相差φ＝０°の状態において、振幅差Δγのみが制御されれば、捻り角αは、羽ばたき運動を表わす関数ｓｉｎτと同位相（０°）または逆位相（１８０°）の関数±ｓｉｎτで表わされる変化をする。ｓｉｎτの符号が正であるか負であるかも、上式（３）の前（後）項を前（後）羽軸の運動とするか、それとも、後（前）羽軸の運動とするかによって決定される。図１９には、羽ばたき角γにおける前羽軸１０３の運動、後羽軸１０４の運動、および捻り角αの変化の関係が示されている。図１９から、前羽軸１０３または後羽軸１０４の往復運動の回動の角度の最大値γまたは最小値−γと捻り角αの位相の最大値または最小値とがほぼ１８０°ずれていることが分かる。
【０１０３】
これらの図に示される羽ばたき運動を行なう羽ばたき装置は、例えば、羽ばたき仰角θ＝０°かつ振幅差Δγ＝０°の状態で、位相差φのみを制御することによって、ホバリングを行なうことができる。また、羽ばたき装置は、仰角θ＝９０°かつ位相差φ＝０°の状態で、振幅差Δγのみを制御することによって、前進飛行または後退飛行を行なうことができる。その詳細は、次の実施例２において述べる。
【０１０４】
なお、位相差φおよび振幅差Δγが、ともに変更されても、羽ばたき装置は羽ばたき飛行を行なうことができる。
【実施例２】
【０１０５】
実際の飛行においては、ホバリング状態から、前進飛行または後退飛行へ移行するときに、浮上力Ａをあまり大きく変化させずに、前後方向への推進力Ｊを増大させることが望ましい。
【０１０６】
しかしながら、前述のように、羽ばたき仰角θ＝０°かつ振幅差Δγ＝０°の状態において、位相差φを制御することによってホバリングを行っている状態から、単に、仰角θを大きくしたり、打ち下ろし時の捻り角α↓と打ち上げ時の捻り角α↑とを異ならせたりするだけでは、式（１）および式（２）から明らかなように、推進力Ｊを大きくすると浮上力Ａが小さくなり、浮上力Ａを大きくすると推進力Ｊが小さくなってしまう。そこで、たとえば、推進力Ｊを大きくするにしたがって、羽ばたき周波数ｆまたは羽ばたき角γを増大させることによって、浮上力Ａの減少分を補う手法が考えられる。
【０１０７】
ただし、アクチュエータ１０１、１０２に必要とされるトルクは周波数ｆまたは羽ばたき角γの２乗に比例するため、周波数ｆまたは羽ばたき角γを増加させて浮上力Ａの減少分を補おうとすると、消費電力が増大してしまう。そこで、ある程度の対地速度までは周波数ｆまたはは羽ばたき角γを変えずにホバリングから直線飛行へ移行するというような、よりエネルギー効率の高い手法が考えられる。この手法においては、最初に、ホバリング状態において、羽ばたき仰角θを少し大きくする。それにより、式（１）および式（２）から分かるように、浮上力Ａはやや小さくなるが、一方、推進力Ｊは急速に大きくなる。たとえば、羽ばたき仰角θを０°から２０°まで増加させると、α↑＝α↓であれば、式（１）から、浮上力Ａは、およそ６％減少することが分かるが、一方、式（２）より、推進力Ｊは、ほぼ３４％も増大することが分かる。浮上力Ａの減少がこの程度であれば、たとえば、羽ばたき周波数ｆを＝４０Ｈｚから４１．３Ｈｚまで増大させるだけ、減少した浮上力を補うことは可能である。この時の消費電力の増加は、７％程度である。
【０１０８】
推進力Ｊの増大により、羽ばたき装置は、例えば前進を始める。羽ばたき装置は、対地速度Ｖで前進するとき、前方から速度Ｖの風を受けることになる。この時、浮上力Ａおよび推進力Ｊのそれぞれは、以下の式で表される。ここで、羽ばたき角γの前羽軸１０３または後羽軸１０４および捻り角αは、それぞれ、正弦波で表わされる変化をするともに、羽ばたき運動中において、前羽軸１０３と後羽軸１０４とは、位相がηだけずれた状態で、同じ周波数ｆで運動するものとする。
【０１０９】
Ａ＝（１６／４５）・π2ρｗγ2ｆ2ｌ3・ｃｏｓθ・ｓｉｎ２α・ｓｉｎη・（４＋ｃｏｓγ）＋（２／３）・πρｗγｆｌ2Ｖｓｉｎ２θ［ｃｏｓ2α（２＋ｃｏｓγ）＋ｓｉｎ2α・ｃｏｓ２η・（６−ｃｏｓγ）／５］
Ｊ＝（１６／４５）・π2ρｗγ2ｆ2ｌ3・ｓｉｎθ・ｓｉｎ２α・ｓｉｎη（４＋ｃｏｓγ）＋（２／３）・πρｗγｆｌ2Ｖｃｏｓ２θ［ｃｏｓ2α（２＋ｃｏｓγ）＋ｓｉｎ2α・ｃｏｓ２η（６−ｃｏｓγ）／５］
図２０および図２１には、上式において、流体の密度ρ＝１．１８ｍｇ／ｃｍ3（常温かつ常圧の空気）、羽の長さｌ＝４ｃｍ、羽の幅ｗ＝１ｃｍ、羽ばたき周波数ｆ＝３８Ｈｚ、羽ばたき角γ＝６０°、捻り角の最大値α＝４５°、および羽ばたき仰角θ＝２０°を代入し、対地速度Ｖが０ｍ／ｓから１０ｍ／ｓまで大きくなった時の浮上力Ａおよび推進力Ｊの変化の様子が示されている。横軸は、羽ばたき角γで往復運動する前羽軸１０３または後羽軸１０４の往復運動の位相と捻り角αの周期的な変化の位相との間の位相差ηを示している。
【０１１０】
図２０から、羽ばたき装置の対地速度Ｖが大きくなるにつれて、羽ばたき装置に生じる浮上力Ａが増大することが分かる。この例では、対地速度Ｖ＝０ｍ／ｓの時に位相差η＝９０°で、最も大きな約１０００ｄｙｎの浮上力（地球の重力下では、約１ｇのものを浮上させられる力）を得られるが、対地速度Ｖが増加するにつれて、浮上力が増大するため、逆に同じ１ｇのものを浮上させるのであれば、位相差ηを９０°という一定値に固定しなくてもよいことが分かる。図２０から、対地速度が２ｍ／ｓの時には９０°±２６°の範囲で、対地速度が４ｍ／ｓの時には９０°±４４°の範囲で、対地速度が６ｍ／ｓの時には９０°±６２°の範囲で、対地速度が８ｍ／ｓの時には９０°±７９°の範囲で、１０ｍ／ｓの時には９０°±９２°の範囲で、位相差ηを変えることが可能であることが分かる。
【０１１１】
一方、図２１から、対地速度Ｖが増大するにつれて、推進力Ｊも増大するが、推進力Ｊのピークとなるηの値（図２１の○印）は、位相差η＝９０°の位置から２つに分かれ、２つのピークとなるηの値が、０°および１８０°のそれぞれに近付いて行くことが分かる（図２１の点線参照）。推進力Ｊのピークとなるηは、対地速度が、２ｍ／ｓまでは９０°であるが、４ｍ／ｓの時には９０°±３５°、６ｍ／ｓの時には９０°±５５°、８ｍ／ｓの時には９０°±７０°、１０ｍ／ｓの時には９０°±７５°となる。これらの値は、図２０における位相差ηが変化し得る範囲に含まれている。したがって、対地速度Ｖが上昇するにつれて位相差ηの値を推進力Ｊがピークの値に近づくように変化させることが、浮上力を損なわずに対地速度を上げる最も効率のよい方法であることが分かる。
【０１１２】
なお、図２２〜図２５には、位相差ηが−９０°、０°、９０°、および１８０°のそれぞれにおける、位相差φおよび振幅差Δγを有する前羽軸１０３および後羽軸１０４の動作の一例が示されている。
【０１１３】
次に、いかにして、位相差ηを変更するかが問題となる。位相差ηを変更する方法はいろいろあるが、浮上力Ａがあまり大きく変動しないようにするためには、捻り角αの最大値αｍａｘ．を一定に保ったままで、羽ばたき角γで往復運動する前羽軸１０３または後羽軸１０４の周期的な変化と捻り角αの周期的な変化との間の位相差ηを変化させることが望ましい。
【０１１４】
羽ばたき角γの前羽軸１０３または後羽軸１０４の位置がγ・ｓｉｎτによって表わされる変化をする時、前羽軸１０３または後羽軸１０４の位相に対して位相差ηだけ位相が遅れている捻り角αの変化は、α＝αｍａｘ.・ｓｉｎ（τ＋η）という式で表わされる。
【０１１５】
この式を展開すると、
α＝αｍａｘ.・ｓｉｎ（τ＋η）
＝αｍａｘ.・ｃｏｓη・ｓｉｎτ＋αｍａｘ.・ｓｉｎη・ｃｏｓτ
という式が導き出される。
【０１１６】
この式と前述の式（３）のα≒Δγｓｉｎτ＋γφｃｏｓτとを比較すると、
Δγ＝αｍａｘ.・ｃｏｓη            ・・・式（４）
γ・φ＝αｍａｘ.・ｓｉｎη
∴  φ＝（αｍａｘ.／γ）・ｓｉｎη    ・・・式（５）
という式で表わされる変化をさせることが好ましいことが分かる。したがって、振幅差Δγおよび位相差φを前述の式（４）および式（５）によって表わされるように変化させれば、捻り角αの最大値αｍａｘ.を一定値に維持したまま、位相差ηを任意の値に設定することができる。
【０１１７】
また、位相差ηを変化させたい場合には、式（４）および式（５）に所望の位相差ηに対応する振幅差Δγの値および位相差φの値を代入する。それにより、羽ばたき角γの前羽軸１０３の往復運動と捻り角αの周期的な変化との間の位相差ηを連続的に変化させることが可能となる。その結果、たとえば、ホバリングから前進飛行または後退飛行へスムーズ（効率的に）に移行することができる。
【実施例３】
【０１１８】
本実施例においては、浮上力Ａおよび推進力Ｊを次のように定義する。
Ａ＝（１６／４５）・π2ρｗγ2ｆ2ｌ3・ｃｏｓθ・ｓｉｎ２α・ｓｉｎη・（４＋ｃｏｓγ）＋πρｗｌＶ2・ｃｏｓ2α・ｓｉｎ２θ
Ｊ＝（１６／４５）・π2ρｗγ2ｆ2ｌ3・ｓｉｎθ・ｓｉｎ２α・ｓｉｎη（４＋ｃｏｓγ）−πρｗｌＶ2（ｃｏｓ2α・ｃｏｓ２θ＋１）
それにより、図２６および図２７に示すような結果を得る。
【０１１９】
図２６および図２７には、上式において、流体の密度ρ＝１．１８ｍｇ／ｃｍ3（常温かつ常圧の空気）、羽の長さｌ＝８ｃｍ、羽の幅ｗ＝２ｃｍ、羽ばたき周波数ｆ＝３０Ｈｚ、羽ばたき角γ＝６０°、捻り角の最大値α＝４５°、および羽ばたき仰角θ＝２５°を代入し、対地速度Ｖが０ｍ／ｓから３ｍ／ｓまで変化するときの浮上力Ａおよび推進力Ｊの変化の様子が示されている。なお、図２６および図２７において、横軸は、羽ばたき角γで往復運動する前羽軸１０３または後羽軸１０４の往復運動の位相と捻り角αの周期的な変化の位相との間の位相差ηを示している。
【０１２０】
図２６から、羽ばたき装置の対地速度Ｖが大きくなるにつれて、羽ばたき装置に生じる浮上力Ａが増大することが分かる。この例では、対地速度Ｖ＝０ｍ／ｓの時に位相差η＝９０°であれば、最も大きな約１．７×１０4ｄｙｎの浮上力（地球の重力下では、約１７ｇのものを浮上させられる力）を得られるが、対地速度Ｖが増加するにつれて、浮上力が増大するため、逆に同じ１７ｇのものを浮上させるのであれば、位相差ηを９０°という一定値に固定しない方がよいことが分かる。さらに、図２６から、前述の位相差ηは、対地速度が０ｍ／ｓであるホバリング時には、９０°（図２６の○印Ａ）であってもよいが、対地速度が１ｍ／ｓの時には９０°±１０°（図２６の○印Ｂ）、２ｍ／ｓの時には９０°±２０°（図２６の○印Ｃ）、３ｍ／ｓの時には９０°±３０°（図２６の○印Ｄ）に変更されることが望ましいことも分かる。
【０１２１】
一方、図２７から、対地速度Ｖが増大するにつれて、推進力Ｊは風圧によって減少するが、位相差ηの値（図２７の○印Ａ〜Ｄ：図２６に対応している）を前述のように変更しても、対地速度Ｖが３ｍ／ｓに達するまでは、推進力Ｊは正の値に維持されることが分かる。また、推進力Ｊ＝０になったところで、対地速度Ｖの増加がなくなり、すなわち羽ばたき装置の加速度がゼロになり、その時点での飛行速度（羽ばたき装置が前方へ進む速度）が維持される。したがって、対地速度Ｖが所定値（上記例では約３ｍ／ｓ）になるまでは、周波数ｆまたは羽ばたき角γを変更せずに、位相差ηの値を変化させることが、浮上力を低下させることなく対地速度を増加させるために最も効率的な方法であることが分かる。
【０１２２】
本実施例のような移動装置であっても、実施例２の移動装置と同様の効果を得ることができる。
【０１２３】
今回開示された実施の形態および実施例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て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。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】実施の形態の羽ばたき装置を示す図であり、（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２】実施の形態の羽ばたき装置の、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３】実施の形態の羽ばたき装置の、羽ばたき装置における羽ばたき動作の第１の状態を示す図である。
【図４】実施の形態の羽ばたき装置の羽ばたき動作の第２の状態を示す図である。
【図５】実施の形態の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第３の状態を示す図である。
【図６】実施の形態の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第４の状態を示す図である。
【図７】実施の形態の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第５の状態を示す図である。
【図８】実施の形態の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第６の状態を示す図である。
【図９】実施の形態の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第７の状態を示す図である。
【図１０】実施の形態の羽ばたき装置における羽ばたき動作の第８の状態を示す図である。
【図１１】実施の形態の羽ばたき装置の変形例を示す正面模式図である。
【図１２】実施の形態の羽ばたき装置の他の変形例を示す正面模式図である。
【図１３】実施の形態の羽ばたき装置のさらに他の変形例を示す正面模式図である。
【図１４】図１に示す羽ばたき装置の全体構造を示す平面模式図である。
【図１５】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１６】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１７】前羽軸と後羽軸の先端方向が、互いに平行な位置から角度εだけ外側を向いている場合の、２本の羽軸の関係を示す図である。
【図１８】前羽軸および後羽軸の羽ばたき角γでの往復運動の位相の変化と捻り角の位相の変化との関係を示す第１のグラフである。
【図１９】前羽軸および後羽軸の羽ばたき角γでの往復運動の位相の変化と捻り角の位相の変化との関係を示す第２のグラフである。
【図２０】各対地速度での浮上力と羽ばたき運動の位相と捻り角の位相との間の差との関係を示すグラフである。
【図２１】各対地速度での推進力と羽ばたき運動の位相と捻り角の位相との間の差との関係を示すグラフである。
【図２２】位相差ηが−９０°のときの前羽軸および後羽軸の位相差および振幅差を示す図である。
【図２３】位相差ηが０°のときの前羽軸および後羽軸の位相差および振幅差を示す図である。
【図２４】位相差ηが９０°のときの前羽軸および後羽軸の位相差および振幅差を示す図である。
【図２５】実施例２の位相差ηが１８０°のときの前羽軸および後羽軸の位相差および振幅差を示す図である。
【図２６】各対地速度での浮上力と羽ばたき運動の位相と捻り角の位相との間の差との関係を示す他の例のグラフである。
【図２７】各対地速度での推進力と羽ばたき運動の位相と捻り角の位相との間の差との関係を示す他の例のグラフである。
【符号の説明】
【０１２５】
１  支持構造、２１  右アクチュエータ、２２  左アクチュエータ、３１  右羽、３２  左羽、３１１  右羽主軸、３１２  右羽枝、３１３  右羽膜、３２１  左羽主軸、３２２  左羽枝、３２３  左羽膜、４，４１  制御装置、５１  加速度センサ、５２  角加速度センサ、６  電源、１０１，１０２，３０１，３０２，４０１  回転型アクチュエータ、１０３，３０３  前羽軸、１０４，３０４  後羽軸、１０５，３０５，４０４，５０４  胴体部、１０６，３０６，７１４  羽の膜、１０７，３０７  羽の先端部、１０８  仰角制御部、２０１  前羽軸の振幅、２０２  後羽軸の振幅、４０２  回転中心、４０３，５０３，６０３  羽軸、５０１，６０１  リニアアクチュエータ、５０２，６０２  ヒンジ、６０３  上面胴体部、６０４  下面胴体部、７０１  超音波センサ、７０２  赤外線センサ、７０３  加速度センサ、７０４  角加速度センサ、７０５  羽ばたき制御部、７０６  アクチュエータ、７０７  重心制御部、７０８  メモリ部、７０９  通信制御部、７１０  アンテナ部、７１１  電源部、９０１  前羽軸、９０２  後羽軸、９０３  前羽軸の振動軸、９０４  後羽軸の振動軸、９０５  羽軸の付け根、９０６  羽軸先端。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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