(57)【要約】【課題】  １自由度のアクチュエータを用いて、大きなエネルギー損失なしに、羽部にストローク運動と捻り運動とを同時にさせる移動装置を提供する。【解決手段】  羽部１１０は第１の中間部材１０２に接続される。第１の中間部材１０４は第１のヒンジ部１０３および第２のヒンジ部１０５を介して第１の回転部材１０２および第２の中間部材１０６に接続され、第２の中間部材１０６は第３のヒンジ部１０７を介して第２の回転部材１０８に接続される。第１の回転部材１０２は第１の駆動部１００１に接続され、第２の回転部材１０８は第２の駆動部１００２に接続される。第１の駆動部１００１が第１の回転部材１０２を往復回転運動させ、第２の駆動部１００２が第１の回転部材１０２とは独立して第２の回転部材１０８を往復回転運動させ、羽膜部１００の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角が変化する。【選択図】        図５
2006069482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部が接続された駆動機構部と、
前記駆動機構部および前記羽部を所定の方向に往復回転運動させる第１および第２の駆動部と、
前記駆動機構部ならびに前記第１および第２の駆動部が搭載された本体とを備えた移動装置であって、
前記駆動機構部は、第１および第２の回転部材、ｎ個（ｎ≧１）の中間部材、およびｎ＋１個のヒンジ部を有し、
前記羽部が、前記ｎ個の中間部材のうちの少なくともいずれか１の中間部材に接続され、
前記ｎが２以上の場合には、前記ｎ個の中間部材のうちの隣接する中間部材同士が、前記ｎ＋１個のヒンジ部のうちのいずれか１のヒンジ部を介して接続され、
前記ｎ個の中間部材のうちの前記第１の回転部材に隣接する中間部材と前記第１の回転部材とが、互いに前記ｎ＋１個のヒンジ部のうちの前記１のヒンジ部とは異なる他のヒンジ部を介して接続され、
前記ｎ個の中間部材のうちの前記第２の回転部材に隣接する中間部材と前記第２の回転部材とが、互いに前記ｎ＋１個のヒンジ部のうちの前記１または他のヒンジ部とは異なるさらに他のヒンジ部を介して接続され、
前記第１の回転部材は、第１の駆動部に接続され、
前記第２の回転部材は、前記第２の駆動部に接続され、
前記第１の駆動部が、前記第１の回転部材を往復回転運動させるとともに、前記第２の駆動部が、前記第１の回転部材の往復回転運動とは独立して、前記第２の回転部材を往復回転運動させることによって、前記羽部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角が変化する、移動装置。
【請求項２】
前記羽部は、羽膜部と前記羽膜部を支持する羽軸部とを有し、前記第１の回転部材または前記第２の回転部材に隣接する中間部材に接続されており、
前記羽軸部が、前記他のヒンジ部または前記さらに他のヒンジ部が延びる方向の線に沿って延びるように設けられた、請求項１に記載の移動装置。
【請求項３】
前記ｎ＋１個のヒンジ部のうちの２以上のヒンジ部は、第１および第２の回転部材のうちの少なくともいずれか一方の往復回転運動が行なわれているときに、それらの延長線同士が互いに交差点を有する状態を維持するように設けられた、請求項１に記載の移動装置。
【請求項４】
前記交差点が、前記第１および第２の駆動部のうちの少なくともいずれか一方の回転中心軸上に位置する、請求項３に記載の移動装置。
【請求項５】
流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部が接続された駆動機構部と、
前記駆動機構部および前記羽部を所定の方向に往復回転運動させる第１および第２の駆動部と、
前記駆動機構部ならびに前記第１および第２の駆動部が搭載された本体を備えた移動装置であって、
前記駆動機構部は、第１および第２の回転部材、第１および第２の中間部材、ならびに、第１、第２および第３のヒンジ部を有し、
前記羽部は、前記第１の中間部材に接続され、
前記第１の中間部材は、前記第１のヒンジ部を介して前記第１の回転部材に接続されるとともに、前記第２のヒンジ部を介して前記第２の中間部材に接続され、
前記第２の中間部材は、第３のヒンジ部を介して前記第２の回転部材に接続され、
前記第１の回転部材は、前記第１の駆動部に接続され、
前記第２の回転部材は、前記第２の駆動部に接続され、
前記第１の駆動部が、前記第１の回転部材を往復回転運動させるとともに、前記第２の駆動部が、前記第１の回転部材の往復回転運動とは独立して、前記第２の回転部材を往復回転運動させることによって、前記羽部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角が変化する、移動装置。
【請求項６】
前記羽部は、羽膜部と前記羽膜部を支持する羽軸部とを有し、
前記羽軸部が、前記第１のヒンジ部が延びる方向の線に沿って延びるように設けられた、請求項５に記載の移動装置。
【請求項７】
前記第１、第２、および第３のヒンジ部のうちの少なくともいずれか２つのヒンジ部は、前記第１および第２の回転部材のうちの少なくともいずれか一方の往復回転運動が行なわれているときに、それらの延長線が互いに交差点を有する状態を維持するように設けられた、請求項５に記載の移動装置。
【請求項８】
前記交差点が、前記第１および第２の駆動部のうちの少なくともいずれか一方の回転中心軸上に位置する、請求項７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、空間を自由に羽ばたき飛行することができる移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、家庭内において使用可能な様々なロボットが開発されている。そのロボットの一例として、羽ばたき飛行を利用して移動する羽ばたきロボットの研究が盛んになりつつある。さらに、この羽ばたきロボットの羽ばたき運動をさせる機構についても、様々なものが提案されている。たとえば、羽ばたき機構として、３自由度のアクチュエータ１つを用いた機構、および、１自由度のアクチュエータ２つを用いた機構などが開示されている。
【０００３】
羽ばたき運動によって、羽部は、複雑な３次元的軌跡を描くが、３自由度のアクチュエータが１つあれば、それを工学的に実現することができる。しかしながら、３自由度のアクチュエータは、大変精密な加工精度が要求され、未だ製品化されているものは存在しない。
【０００４】
一方、羽ばたき運動を、羽軸部の本体に対するストローク運動と、羽膜部の羽軸部が延びる方向の回転中心軸まわりの捻り運動との合成運動であると考えれば、１自由度の往復回転運動をするアクチュエータが２つ用いられれば、羽部に複雑な３次元的軌跡を描かせることができる。この考え方を用いたものとしては、主に、２つのアクチュエータからそれぞれ延びる２本の羽軸の間に羽膜部またはその一部を形成する機構が提案されている。
【特許文献１】特開２００２−３２６５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述の１自由度で往復回転運動をする２つのアクチュエータからそれぞれ延びる２本の羽軸部で直接羽膜部を駆動する機構では、羽膜部に捻りを与える運動において、２本の羽軸部の根元同士の距離と２本の羽軸部の先端同士の距離とが時間的に変化してしまうため、２本の羽軸部の間に張られた羽膜部、または、２本の羽軸部自身が簡単に変形し得る必要がある。
【０００６】
また、たとえ、羽膜部または羽軸部が変形しても、その変形のために浮上力には寄与しない余分なエネルギーが必要となる。そのため、アクチュエータの消費電力を増大させる必要がある。また、アクチュエータの消費電力を増加させないためには、往復回転運動の振幅を小さくし、浮上力を減少させる必要がある。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、１自由度のアクチュエータを用いて、大きなエネルギー損失なしに、羽部にストローク運動と捻り運動とを同時にさせることが可能な移動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の局面の移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、羽部が接続された駆動機構部とを備えている。また、移動装置は、駆動機構部および羽部を所定の方向に往復回転運動させる第１および第２の駆動部と、駆動機構部ならびに第１および第２の駆動部が搭載された本体とを備えている。
【０００９】
駆動機構部は、第１および第２の回転部材、ｎ個（ｎ≧１）の中間部材、およびｎ＋１個のヒンジ部を有している。羽部が、ｎ個の中間部材のうちの少なくともいずれか１の中間部材に接続されている。ｎが２以上の場合には、ｎ個の中間部材のうちの隣接する中間部材同士が、ｎ＋１個のヒンジ部のうちのいずれか１のヒンジ部を介して接続されている。ｎ個の中間部材のうちの第１の回転部材に隣接する中間部材と第１の回転部材とが、互いにｎ＋１個のヒンジ部のうちの１のヒンジ部とは異なる他のヒンジ部を介して接続されている。ｎ個の中間部材のうちの第２の回転部材に隣接する中間部材と第２の回転部材とが、互いにｎ＋１個のヒンジ部のうちの１または他のヒンジ部とは異なるさらに他のヒンジ部を介して接続されている。第１の回転部材は、第１の駆動部に接続され、第２の回転部材は、第２の駆動部に接続されている。第１の駆動部が、第１の回転部材を往復回転運動させるとともに、第２の駆動部が、第１の回転部材の往復回転運動とは独立して、第２の回転部材を往復回転運動させることによって、羽部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角が変化する。
【００１０】
上記の構成によれば、羽部の変形に起因する大きなエネルギー損失なしに、羽部に往復回転運動（ストローク運動）と捻り運動（前述の捻り角が変化する運動）とを同時にさせることができる。たとえ、ｎ＝１の場合であっても、中間部材のみの変形エネルギは羽部の変形エネルギに比較して小さいため、従来の羽部が変形する移動装置に比較して、変形エネルギに起因する駆動エネルギの損失を小さくすることができる。
【００１１】
また、羽部が、羽膜部と羽膜部を支持する羽軸部とを有し、第１の回転部材または第２の回転部材に隣接する中間部材に接続されており、羽軸部が、他のヒンジ部またはさらに他のヒンジ部が延びる方向の線に沿って延びるように設けられていることが望ましい。
【００１２】
上記の構造によれば、往復回転運動に伴なう羽軸部の運動面（ストローク面）が、一定のコニング角（駆動部の回転中心軸と前述のヒンジ部が延びる方向の線とがなす角）を頂角とする円錐の側面、または、コニング角が直角の場合は平らな扇型の面となる。つまり、コニング角が一定に保たれる。そのため、羽軸部におけるフラッタリング（運動する流体内での振動）を防止することができる。
【００１３】
また、ｎ＋１個のヒンジ部のうちの２以上のヒンジ部は、第１および第２の回転部材のうちの少なくともいずれか一方の往復回転運動が行なわれているときに、それらの延長線同士が互いに交差点を有する状態を維持するように設けられていることが好ましい。
【００１４】
上記の構造によれば、第１および第２の回転部材ののうちの少なくともいずれか一方の往復回転運動に伴なってｎ個の中間部材およびｎ＋１個のヒンジ部に生じる歪みを小さくすることができる。また、ｎ＋１個のヒンジ部のうち少なくともいずれか２つは互いに接触することがないため、ヒンジ部同士の摩擦に起因する駆動力のロスを低減することができる。
【００１５】
また、交差点が、第１および第２の駆動部のうちの少なくともいずれか一方の回転中心軸上に位置することが好ましい。
【００１６】
上記の構造によれば、第１および第２の回転部材の往復回転運動に伴ってｎ個の中間部材およびｎ＋１個のヒンジ部に生じる歪みをより一層小さくすることができる。
【００１７】
また、本発明の他の局面の移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、羽部が接続された駆動機構部とを備えている。また、移動装置は、駆動機構部および羽部を所定の方向に往復回転運動させる第１および第２の駆動部と、駆動機構部ならびに第１および第２の駆動部が搭載された本体を備えている。
【００１８】
駆動機構部は、第１および第２の回転部材、第１および第２の中間部材、ならびに、第１、第２および第３のヒンジ部を有している。羽部は、第１の中間部材に接続されている。第１の中間部材は、第１のヒンジ部を介して第１の回転部材に接続されるとともに、第２のヒンジ部を介して第２の中間部材に接続されている。第２の中間部材は、第３のヒンジ部を介して第２の回転部材に接続されている。第１の回転部材は、第１の駆動部と接続され、第２の回転部材は、第２の駆動部と接続されている。第１の駆動部が、第１の回転部材を往復回転運動させるとともに、第２の駆動部が、第１の回転部材の往復回転運動とは独立して、第２の回転部材を往復回転運動させることによって、羽部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角が変化する。
【００１９】
上記の構成によれば、少ない数の中間部材で、大きなエネルギー損失なしに、羽部にストローク運動と捻り運動とを同時にさせることができる。
【００２０】
また、羽部は、羽膜部と羽膜部を支持する羽軸部とを有し、羽軸部が、第１のヒンジ部が延びる方向の線に沿って延びるように設けられていることが望ましい。
【００２１】
上記の構造によれば、往復回転運動に伴なう羽軸部の運動面（ストローク面）が、一定のコニング角（駆動部の回転軸と前述のヒンジ部の主軸とがなす角）を頂角とする円錐の側面、または、コニング角が直角の場合は平らな扇型の面となる。つまり、コニング角が一定に保たれる。そのため、羽軸部におけるフラッタリング（運動する流体内での振動）を防止することができる。
【００２２】
また、第１、第２、および第３のヒンジ部のうちの少なくともいずれか２つのヒンジ部は、第１および第２の往復回転運動のうちの少なくともいずれか一方が行なわれているときに、それらの延長線が互いに交差点を有する状態を維持するように設けられていることが好ましい。
【００２３】
上記の構造によれば、第１および第２の回転部材のうちの少なくともいずれか一方の往復回転運動に伴って第１および第２の中間部材および第１、第２、および第３のヒンジ部に生じる歪みを小さくすることができる。また、第１、第２、および第３のヒンジ部のうち少なくともいずれか２つは互いに接触することがないため、ヒンジ部同士の摩擦に起因する駆動力のロスを低減することができる。
【００２４】
また、交差点が、第１および第２の駆動部のうちの少なくともいずれか一方の回転中心軸上に位置することが好ましい。
【００２５】
上記の構造によれば、第１および第２の回転部材の往復回転運動に伴って第１および第２の中間部材および第１、第２、および第３のヒンジ部に生じる歪みをより一層小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態の移動装置（羽ばたき装置）を、図を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
実施の形態１および２の羽ばたき装置１の全体の主要な構成については、図１に描かれている。図１に示すように、本体５００と、本体５００の前後方向に対する左側および右側のそれぞれに設けられた一対の羽部１１０とを有している。その羽ばたき装置は、羽部１１０が、その運動により周囲流体に流体力を生じさせる。その流体力は、羽ばたき装置の重力の方向とは逆向きに、羽ばたき装置の重力よりも大きな浮上力を羽ばたき装置に生じさせることが可能である。
【００２８】
また、羽ばたき装置は、一方端側が、羽部１１０に固定された駆動機構部８００を有している。駆動機構部８００は、他方端側が、本体５００内の第１および第２の駆動部１００１および１００２に接続されており、第１および第２の駆動部１００１および１００２の駆動力を羽部１１０に伝達する。なお、左半分に対して鏡面対称である構成要素が右半分について設けられているものとするが、本発明の移動装置においては、左右対称であることは、必須の条件ではない。
【００２９】
次に、図１における駆動機構部８００（図１中、点線で囲まれた部分）の左羽側を拡大したものを図２に示す。図２では、Ｚ軸によって鉛直方向が示され、Ｙ軸によって前後方向が示され、Ｘ軸によって左右方向が示されている。また、図１においては、第１および第２の駆動部１００１および１００２に共通の回転中心軸をＺ軸とする。図２では、図を見易くするため、第１および第２の回転部材１０２および１０８のみがそれぞれ独立してＺ軸周りに回転するように描かれ、第１および第２の駆動部１００１および１００２ならびに羽部１１０は描かれていない。なお、第１および第２の駆動部１００１および１００２は、それぞれ、何らかの支持部材で本体５００に固定されているとともに、本体５００に対して相対的に回転することが可能に構成されいるが、図１では、その支持部材等の構造の描写は行なわれていない。
【００３０】
ただし、第１の駆動部１００１と第１の回転部材１０２とが接続され、第１の駆動部１００１の回転往復運動に伴って、第１の回転部材１０２が往復回転運動する。また、第２の駆動部１００２と第２の回転部材１０８とが接続され、第２の駆動部１００２の往復回転運動に伴って、第２の回転部材１０８が往復回転運動する。また、第１の駆動部１００１と第２の駆動部１００２とは、独立して往復回転運動するため、第１の回転部材１０２と第２の回転部材１０８とも、互いに独立して、回転往復運動する。それにより、羽部１１０の先端部１０９と仮想の所定の基準面（ＸＹ平面）とのなす捻り角が変化する。
【００３１】
なお、各実施の形態においては、第１の駆動部１００１の回転中心軸と第２の駆動部１００２の回転中心軸とが一致している駆動機構部８００が示されているが、それらの回転中心軸同士が一致していない駆動機構部であっても、各実施の形態の駆動機構部８００によって達成される目的と同様の目的を達成することは可能である。
【００３２】
図２に示した駆動機構部８００は、２つの回転部材、２つの中間部材、および３つのヒンジ部、つまり、第１および第２の回転部材１０２および１０８、第１および第２の中間部材１０４および１０６、第１、第２、および第３のヒンジ部１０３、１０５、および１０７を有している。
【００３３】
第１の回転部材１０２と第１の中間部材１０４とは、第１のヒンジ部１０３を介して接続され、第１の中間部材１０４と第２の中間部材１０６とは、第２のヒンジ部１０５を介して接続され、第２の中間部材１０６と第２の回転部材１０８とは、第３のヒンジ部１０７を介して接続されている。第１の中間部材１０４は、第１のヒンジ部１０３が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能であり、かつ、第２のヒンジ部１０５が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能である。第２の中間部材１０６は、第２のヒンジ部１０５が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能であり、かつ、第３のヒンジ部１０７が延びる方向の回転中心軸周りに自由に回動することが可能である。
【００３４】
なお、本発明においては、少なくとも２つの回転部材の間に接続される中間部材の個数ｎはｎ≧１であればよい。ただし、ｎ＝１の時は、第１の回転部材１０２の回転角θ1および第２の回転部材１０２の回転角θ2の差（θ1−θ2）が変化すると、中間部材の両端の２つのヒンジ部の先端（原点Оから遠方側の端部）同士の間の距離が変化するため、中間部材または回転部材がある程度以上大きく変形できるものでなければならない。それを避けるためには、中間部材の数、すなわち、ｎが２個以上（ｎ≧２）であることが望ましい。そこで、本実施の形態においては、ｎ≧２という条件を具備するもののうちで最も製造が容易なｎ＝２という条件を具備する羽ばたき装置について説明がなされる。
【００３５】
本実施の形態においては、図１に示す羽部１１０、すなわち、羽膜部１００および羽軸部１０１のうち少なくともいずれか一方は、第１の中間部材１０４と固定されているものとする。また、羽膜部１００に捻り角αを与えるときにも、羽軸部１０１が延びる方向の回転中心軸がＺ軸と成す角（コニング角）が一定値に保たれるように、羽軸部１０１が延びる方向の回転中心軸の延長線が、回転部材の一端のヒンジ部（たとえば、第１のヒンジ部１０３）の回転中心軸と重なっているものとする。なお、捻り角αは、羽部１１０の先端部１０９がＸＺ平面となす角度であるものとする。さらに、説明を容易にするため、第１のヒンジ部１０３の回転中心軸は、Ｘ軸上にあるものとする。つまり、Ｚ軸と第１のヒンジ部１０３とがなすコニング角が直角であるものとする。
【００３６】
一方、回転部材の回転に伴って各中間部材および各ヒンジ部に生じる歪みが小さくなるように、各ヒンジ部の一端（一般にはヒンジ部の回転中心軸の延長線上の所定の点）が原点Оと重なっているものとする。後述する実施の形態では、図５および図８に示されているように、各ヒンジ部および各中間部材は、相互に摩擦が生じず、それぞれの動作がスムーズに行なえるように、原点Оの近傍で切断されたものが描かれているが、図２においては、煩雑さを避けるため、各ヒンジ部および各中間部材は、原点０まで延びているものが描かれている。
【００３７】
次に、たとえば、第１および第２の回転部材１０２および１０８の回転角がθ1およびθ2であり、Ｘ軸が延びる方向が角度０°である場合を考える。この場合、羽部１１０の羽ばたき運動は、ＸＹ平面に平行に、±θだけ、第１および第２の回転部材１０２および１０８を往復回転運動させることによって行なわれる。一方、羽軸部１０１が延びる方向の回転軸周りの捻り角α、すなわち、羽軸部１０１が延びる方向に羽膜部１００を見たときに羽膜部１００が羽軸部１０１周りに回転する角度は、２つの回転角θ1およびθ2の差θ2−θ1≡Δθを変化させることによって制御される。
【００３８】
なお、以下の各実施の形態では、第１の駆動部１００１の回転に起因した第１の回転部材１０２の回転によって、羽部１１０（羽膜部１００および羽軸部１０１）の所定の点は、ＸＹ平面に平行な面内の往復回転運動（ストローク運動）を行なう。また、第２の駆動部１００２の回転に起因した第２の回転部材１０８の往復回転運動によって、羽部１１０（羽膜部１００および羽軸部１０１）の所定の点は、ＹＺ平面に平行な面内の往復回転運動（捻り角αが変化する捻り運動）を行なう。
【００３９】
また、２つの回転角θ1およびθ2の差Δθと捻り角αとの関係は、次のように求められる。図２においては、Ｘ軸上の第１のヒンジ部１０３が線分ＯＰによって表わされている。第１のヒンジ部１０３の長さがｂであるとすると、第１のヒンジ部１０３の先端Ｐの座標は（ｂ，０，０）である。また、第２のヒンジ部１０５が線分ＯＱによって表わされる。第２のヒンジ部１０５の先端Ｑは、第１のヒンジ部１０３の先端から距離ａだけ離れており、線分ＯＱとＸＹ平面とがなす角度（位置角）は、ωであるものとすると、第２のヒンジ部１０５の先端Ｑの座標は（ｂ，ａ×cosω，ｂ×cosω）である。さらに、第３のヒンジ部１０７が線分ＯＲによって表わされている。第３のヒンジ部１０７の先端Ｒは、ＸＹ平面から距離ｄだけ離れており、かつ、Ｚ軸から距離ｂだけ離れており、線分ＯＲとＸＺ平面とがなす角度（位置角）は、λであるものとする。このとき、第３のヒンジ部１０７の先端Ｒの座標は（ｂ×cosλ，ｂ×sinλ，ｄ）となる。
【００４０】
ここで、θ1＝０°であると仮定され、回転角θ2がΔθであるとすると、２つの回転角θ1およびθ2の差は、θ2−θ1＝Δθであり、かつ、羽膜部１００が羽軸部１０１が延びる方向の回転中心軸の周りに捻り角αだけ捻られるとすれば、ωがω＋αに変化する。このとき、回転前と回転後との比較において、線分ＰＱの距離は変化しないとすると、次の式（１）および（２）が成立する。
【００４１】
ＰＲ2（回転前）＝［ｂ−ｂ×cosλ］2＋［ａ×sinω−ｂsinλ］2＋［ａ×cosω−ｄ］2
ＰＲ2（回転後）＝［ｂ−ｂcos（λ＋Δθ）］2  …（１）
＋［ａ×sin（ω＋α）−ｂ×sin（λ＋Δθ）］2＋［ａ×cos（ω＋α）−ｄ］2                                                                        …（２）
前述の式（１）の右辺と式（２）の右辺とが等しいことから、次の式（３）が成立する。
【００４２】
ａ×ｄ×cos（ω＋α）＋ａ×ｂ×sin（λ＋Δθ）×sin（ω＋α）
＝ｂ2×cosλ−ｂ2×cos（λ＋Δθ）＋ａ×ｂ×sinω×sinλ＋ａ×ｄ×cosω
…（３）
この式（３）を解くと、捻り角αが求められる。
【００４３】
以上の結果から、本実施の形態の駆動機構部８００において、第１、第２および第３のヒンジ部１０３、１０５、および１０７のそれぞれを配置する適切な位置を求めることができる。その際の設計基準の一つとして、たとえば、（捻り角α）／（２つの回転角の差Δθ）がより大きい場合を検討する。この場合、２つの回転角θ1およびθ2の差Δθが小さく、かつ、大きな捻り角αが得られる羽ばたき装置の設計が可能となる。
【００４４】
一般に、ｂ／ａおよびａ／ｄが大きい程、（捻り角α）／（２つの回転角θ1およびθ2の差Δθ）も大きくなるが、あまり大きな（捻り角α）／（２つの回転角θ1およびθ2の差Δθ）が採用されると、羽ばたき装置のサイズが制約されたり、第１および第２の駆動部１００１および１００２に大きなトルクが要求されたりする。そのため、本実施の形態においては、ｂ／ａ＝３、かつ、ａ／ｄ＝２とする。また、位置角λを９０°に近づけると、駆動機構部８００の幅（Ｙ軸方向の長さ）が大きくなるため、λ＝０°とする。これらのパラメータから、差Δθが＋１０°および−１０°のそれぞれの場合の捻り角αと位置角ωとの関係が図３のグラフに示されている。図３のグラフから、位置角ω＝±４５〜１３５°の範囲であれば、捻り角αの角度の範囲Δαは、約９０°という大きな値（α／Δθ≒４．５）になる。後述の実施の形態１においては、位置角ω＝９０°の場合の実際の駆動機構部８００が説明される。
【００４５】
また、たとえば、距離ｄ＝０である場合の捻り角αと位置角ωとの関係が図４のグラフに示されている。このとき、位置角λを０°近傍の値にすると、第１の中間部材１０４と第２の中間部材１０６とが接近し過ぎるため、一例として、λ＝４５°が用いられている。この場合、位置角ω＝−１５〜＋４０°であるか、または、位置角ω＝＋１４０〜−１６５°であれば、捻り角αの角度の範囲Δαは、約６０°という大きな値（α／Δθ≒３）になる。後述する実施の形態２においては、位置角ω＝１８０°の場合の実際の駆動機構部８００が説明される。
【００４６】
（実施の形態１）
まず、図５〜図７を用いて、本発明の本実施の形態１の駆動機構部１を説明する。なお、本実施の形態の羽ばたき装置の全体構成は、図１に示されている羽ばたき装置の全体構成と同一である。つまり、図５に示す駆動機構部８００に付されている参照符号と図２に示す駆動機構部８００に付されている参照符号とが同一の部位同士は、互いに同一の構造および機能を有している。したがって、以下、図５に示す駆動機構部８００の構造および動作の説明においては、主に、前述の図２に示す駆動機構部８００の構造および動作と異なる構造の部分の説明がなされる。
【００４７】
本実施の形態においては、図５に示すように、羽軸部１０１は、第１の中間部材１０４に接続されている。羽軸部１０１は、第１の中間部材１０４を含む平面内に存在する板状部材によって構成されている。また、羽膜部１００は、その一辺が羽軸部１０１に固定されている。羽軸部１０１を含む平面と羽部１１０を含む平面とは角度τをなして交差している。
【００４８】
また、角度τに関しては、羽ばたき飛行中に羽膜部１００が撓んでも、羽膜部１００と羽軸部１０１との接合部においては、羽膜部１００の接平面と羽軸部１０１の接平面とがなす角は一定であるものとする。また、角度τは９０°であることが望ましいが、本発明の移動装置においては、角度τが９０°以外の角度である移動装置であっても、角度τが９０°である移動装置と同様の目的を達成することができる。
【００４９】
回転部材と中間部材とは、それらを接続するヒンジ部が延びる方向の回転中心軸周りに回転可能である。また、ヒンジ部が延びる方向の延長線の全て（図５中の点線）は、原点Оで交わる。原点Оは、第１および第２の駆動部１００１および１００２の往復回転運動の共通の回転中心軸であるＺ軸上に位置している。このため、第１の回転部材１０２の回転角θ1と、第２の回転部材１０８の回転角θ2との差Δθ＝θ2−θ1が一定の範囲内であれば、第１および第２の中間部材１０４および１０６が滑らかに動作する。これにより、第１および第２の駆動部１００１および１００２の往復回転運動が、第１の中間部材１０４および羽軸部１０１を介して、羽膜部１００に伝達され、羽膜部１００は、ＹＺ平面に平行な捻り角αの往復回転運動を伴いながら、ＸＹ平面と平行な回転角Δθの往復回転運動する。
【００５０】
また、回転角θ1＝θ2＝０°の状態では、第１および第２の回転部材１０２および１０８は、同一平面（図５ではＸＺ平面）内に位置している。この状態では、第２のヒンジ部１０５は、ＸＹ平面内でＸ軸と所定の角度をなしており、第１および第２の中間部材１０４および１０６は、第２のヒンジ部１０５と第１および第２の回転部材１０２および１０８との間に位置している。また、図５に示す構造は、図２に示す構造と同様に、Ｚ軸から第１および第２の回転部材１０２および１０８のそれぞれの先端までの距離がｂであり、第１の回転部材１０２の先端と第２の回転部材１０８の先端との間の距離がｄであり、第２のヒンジ部１０５の先端とＸ軸の距離がａである。
【００５１】
本実施の形態の移動装置においても、図５に示す構造は、理解の容易のために、第１のヒンジ部１０３が延びる方向の回転中心軸がＺ軸となす角（コニング角）が９０°（直角）であり、第１および第２の駆動部１００１および１００２の往復回転運動に伴なう羽軸部１０１の運動面（ストローク面）が、ＸＹ平面上に平行な面であって扇型の面となるものとするが、コニング角は直角以外の角度であってもよい。その場合は、羽軸部１０１は、ストローク面がＺ軸を中心軸とした円錐の側面の一部となるように、往復回転運動する。このように、本実施の形態の羽ばたき装置によれば、コニング角が一定に保たれるため、羽軸部１０１におけるフラッタリング（運動する流体内での振動）を防止することができる。
【００５２】
また、第１の回転部材１０２が停止した状態（θ1＝０）で、第２の回転部材１０８を、一定のトルクで回転させた場合（θ2−θ1の場合）に、第２の回転部材１０８の回転角θ2＝Δθと羽部１１０に生じる捻り角αとの関係が、どのように変化するかについて、構造解析が行なわれた。その結果が、図６および図７に示されている。この構造解析においては、第１の回転部材１０２に与えるトルクを±５ｇｆ・ｃｍとし、駆動機構部８００のサイズに関しては、ａ＝５ｍｍ、ｂ＝１５ｍｍ、およびｄ＝２．５ｍｍであり、また、ヒンジ部の位置角に関しては、λ＝０°、および、ω＝９０°である。材料に関しては、回転部材および中間部材には、０．１ｍｍ厚のアルミニウム（ヤング率７０ＧＰａ、比重２．７ｇ）の板が用いられるが、ヤング率がより大きく、より比重が小さいものとして、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック：Carbon Fiber Reinforced Plastic：ヤング率が１２０ＧＰａ、比重が１．６ｇ）などが用いられてもよい。また、ヒンジ部には、５μｍ厚のＰＥＴ（ポリエチレン・テレフタレート：ヤング率が３．９ＧＰａ、比重が１．２ｇ）が用いられている。
【００５３】
図６は、第１の回転部材１０２に−５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角θ2＝Δθ−＝−３．９°であり、羽部１１０の捻り角α−＝−２１．７°である。また、図７は、第１の回転部材１０２に＋５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角Δθ＋＝＋８．１°であり、羽部１１０の捻り角α＋＝＋３５．８°である。合計でΔθ＝Δθ＋−Δθ−＝１２．０°であり、α＝α＋−α−＝５７．５°である。このことから、第１回転部材１０２の回転角θ1と第２回転部材１０８の回転角θ2との差Δθが小さな値でも、羽膜部１００は大きな捻り角αで捻られることが分かる（α／Δθ＝４．８）。
【００５４】
（実施の形態２）
次に、図８〜図１０を用いて、本発明の本実施の形態２の駆動機構部８００を説明する。
【００５５】
図８に示すように、駆動機構部８００は、実施の形態１の駆動機構部８００とほぼ同様である。つまり、図８に示す駆動機構部８００に付されている参照符号と図５に示す駆動機構部８００に付されている参照符号とが同一の部位同士は、互いに同一の構造および機能を有している。本実施の形態の駆動機構部８００が実施の形態１の駆動機構部８００と異なる点は、Ｚ軸方向に関して、駆動機構部８００の上下の位置関係が逆になっていること、羽軸部１０１が羽部１１０の前縁部を構成していること、および、第１の中間部材１０４が延長された面上に羽膜部１００および羽軸部１０１が位置するように、第１の中間部材１０４と羽部１１０および羽軸部１０１とが接続されていることである。なお、本実施の形態においては、第１の中間部材１０４は、羽膜部１００および羽軸部１０１が延長された部材によって構成されている。
【００５６】
次に、第１の回転部材１０２を停止した状態（θ1＝０）で、第２の回転部材１０８に一定のトルクを加えて第２の回転部材１０８が回転角θ2＝Δθだけ回転する場合、羽膜部１００にどのような捻り角αが生じるかについて構造解析した結果を、図９および図１０に示す。本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、第１の回転部材１０２に与えるトルクは、±５ｇｆ・ｃｍであり、駆動機構部８００のサイズに関しては、ａ＝５ｍｍ、ｂ＝１５ｍｍ、およびｄ＝０ｍｍであり、また、ヒンジ部の位置角に関しては、λ＝４５°かつω＝１８０°である。また、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、回転部材および中間部材には、０．１ｍｍ厚のアルミニウム（ヤング率７０ＧＰａ、比重２．７ｇ）の板が用いられ、また、ヒンジ部には、５μｍ厚のＰＥＴ（ポリエチレン・テレフタレート：ヤング率３．９ＧＰａ、比重１．２ｇ）が用いられている。なお、本実施の形態の移動装置において、アルミニウム板の代わりにＣＦＲＰ板などが用いられてもよいことも、実施の形態１の移動装置と同様ある。
【００５７】
図９は、−５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角Δθ−＝−１１．４°であり、羽膜部１００の捻り角α−＝−４０．０°である。また、図１０は、第２の回転部材１０８に＋５ｇｆ・ｃｍのトルクを加えた時の場合の解析結果を示しており、第２の回転部材１０８の回転角Δθ＋＝＋１４．８°であり、羽膜部１００の捻り角α＋＝＋４４．６°である。合計でΔθ＝Δθ＋−Δθ−＝２６．２°であり、α＝α＋−α−＝８４．６°である。この図９および図１０から、実施の形態１と同様に、本実施の形態の駆動機構部８００によれば、第１回転部材１０２の回転角θ1と第２回転部材１０８の回転角θ2との差Δθが小さな値であっても、羽部１１０には大きな捻り角αが生じる（α／Δθ＝３．２）ことが分かる。
【００５８】
本実施の形態の駆動機構部８００によれば、実施の形態１の駆動機構部８００に比較して、α／Δθは小さいが、同じトルクで、より大きな回転角θ1およびθ2の差Δθが得られる。そのため、同じ捻り角αを得るために必要な第１および第２の駆動部１００１および１００２のトルクは、実施の形態２の駆動機構部８００の方が実施の形態１の駆動機構部８００より小さくてもよい、と考えられる。
【００５９】
ただし、ヒンジ部において中間部材と回転部材とがなす角度が１８０°を超えると、回転部材と中間部材との位置関係が可逆的ではなくなるため、その角度の最大値は１８０°より小さくなるような設計が行なわれる必要がある。
【００６０】
前述の回転部材および中間部材の材料としては、アルミニウムまたはＣＦＲＰが用いられているが、これらの材料に限定されるものではない。ただし、回転部材および中間部材の材料としては、密度が小さく、かつ剛性が高いことが望ましいため、ステンレスなどの鋼鉄類、マグネシウム複合材料、または樹脂等が用いられることが好ましい。また、前述の材料が組合わせられた材料が用いられてもよい。
【００６１】
また、ヒンジ部の材料としては、ＰＥＴ（ポリエチレン・テレフタレート）が例示されているが、折り曲げの繰り返しに対して強い靭性に優れた材料が用いられること望ましいため、シリコンゴムまたはポリイミド樹脂などの高分子材料が好ましい。
【００６２】
さらに、回転部材および中間部材とヒンジ部とを接合させるために用いる接合材または接合方法（たとえば、圧着など）などは、互いの相性が良い組み合わせを用いることが望ましい。これら接合材および接合方法の選択は、本発明の本旨ではないため、特に記載しない。
【００６３】
次に、前述の実施の形態に用いられる羽部１１０の具体例を、図１１〜図１９を用いて説明する。なお、図１１〜図１９においては、同一の役割を果たす部位には同一の符号が付されている。
【００６４】
図１１に示すように、羽部１１０は、第１の中間部材１０４に接続される羽基部１１０１を有する羽板部１１００からなっている。つまり、羽軸部１０１は、羽板部１１００の前端部によって構成されている。したがって、図１１に示す羽板部は１１００は、前述の羽膜部１００よりも高い剛性を有するものである。
【００６５】
また、図１２に示すように、羽部１１０は、羽膜部１００が、第１の中間部材１０４に接続される羽基部１１０１、および羽枠部１１０２によって囲まれている。この場合、羽枠部１０２の前側が羽軸部１０１に相当する。
【００６６】
また、図１３に示すように、羽部１１０は、羽基部１１０１、羽軸部１０１、羽枠部１１０２、および羽膜部１００からなっている。羽膜部１００は、比較的剛性が高い羽基部１１０１、羽軸部１０１、および羽枠部１１０２によって囲まれている。
【００６７】
また、図１４に示すように、図１３に示す構造にさらに羽軸部１０１と羽枠部１１０２とを接続する支柱部１１０５が付加された構造の羽であってもよい。これにれば、所定の変形モードに対する羽の剛性が高められる。
【００６８】
また、図１５に示すように、図１４に示す構造に、さらに、羽軸部１０１にコルゲーション構造が付加されてもよい。これによれば、コルゲーションは、羽の長手方向を含む面内の回転変形に対して強く抵抗し、羽の長手方向を回転中心軸として回転変形し易い、羽ばたき装置の羽に適した構造が得られる。
【００６９】
なお、図１５に示す羽軸部１０１のコルゲーションの構造は、図１６〜図１９に示すいずれの構造であってもよい。
【００７０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明によれば、空間を自由に羽ばたき飛行することができる移動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】実施の形態の羽ばたき装置の全体を示す図である。
【図２】図１に示す羽ばたき装置の駆動機構部を示す拡大図である。
【図３】図２に示す駆動機構部の第２のヒンジ部の位置角ωと羽膜部の捻り角αとの関係を示すグラフである。
【図４】図２に示す駆動機構部の第２のヒンジ部の位置角ωと羽膜部の捻り角αとの関係を示す他のグラフである。
【図５】実施の形態１の駆動機構部を示す図である。
【図６】図５に示す駆動機構部の第１の回転部材に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【図７】図５に示す駆動機構部の第１の回転部材に図６に示す駆動機構部の第１の回転部材に与えたトルクの方向とは逆方向に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【図８】実施の形態２の駆動機構部を示す図である。
【図９】図８に示す駆動機構部の第１の回転部材に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【図１０】図８に示す駆動機構部の第１の回転部材に図９に示す駆動機構部の第１の回転部材に与えたトルクの方向とは逆方向に一定のトルクを与えた場合の構造解析の結果を示す図である。
【図１１】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第１の例である。
【図１２】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第２の例である。
【図１３】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第３の例である。
【図１４】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第４の例である。
【図１５】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第５の例である。
【図１６】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第６の例である。
【図１７】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第７の例である。
【図１８】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第８の例である。
【図１９】本実施の形態の移動装置の羽部の構造を示す第９の例である。
【符号の説明】
【００７３】
１００  羽膜部、１０１  羽軸部、１０２  第１の回転部材、１０３  第１のヒンジ部、１０４  第１の中間部材、１０５  第２のヒンジ部、１０６  第２の中間部材、１０７  第３のヒンジ部、１０８  第２の回転部材、１０９  先端部、１１０  羽部、５００  本体、８００  駆動機構部、１００１  第１の駆動部、１００２  第２の駆動部。
【図１】
2006069482.tif 000003
【図２】
2006069482.tif 000004
【図３】
2006069482.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006069482.tif 000008
【図７】
2006069482.tif 000009
【図８】
2006069482.tif 000010
【図９】
2006069482.tif 000011
【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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