(57)【要約】【課題】小型化が容易で様々な場所において用いることができる液体内移動装置を提供する。【解決手段】液体内移動装置は、筐体と、筐体の外部に取り付けられる弾性板と、筐体内に設置され、筐体を振動させる振動部とを備え、筐体の重心位置と振動部の加振位置とが異なる。【選択図】図１
2015116453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体の外部に取り付けられる弾性板と、
前記筐体内に設置され、前記筐体を振動させる振動部と
を備え、
前記筐体の重心位置と前記振動部の加振位置とが異なる液体内移動装置。
【請求項２】
前記筐体の内部と前記弾性板とが隔離されている請求項１に記載の液体内移動装置。
【請求項３】
前記弾性板は筐体側の幅が大きく、筐体と反対側の先端の幅が小さい請求項１又は２に記載の液体内移動装置。
【請求項４】
前記弾性板は２つ以上取り付けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体内移動装置。
【請求項５】
前記振動部は２つ以上のモータからなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の液体内移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、液体内移動装置に関する。特に、本発明は、加振力を利用する液体内移動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、ヒレ部と、生体内を泳動する生体内泳動装置における本体部に、ヒレ部を可動に接続する関節部とを備え、関節部が振動することによって生じるヒレ部の振動で、生体内泳動装置を泳動させる生体内泳動装置用ヒレであって、ヒレ部は、関節部よりもヤング率の大きい、または、曲げ剛性の高い物質からなる生体内泳動装置用ヒレが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の生体内泳動装置用ヒレによれば、生体内泳動装置用ヒレの小型化を実現することができる。【０００３】
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７９０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、特許文献１に記載の生体内泳動装置用ヒレは、外部磁場によりヒレを駆動しているので、外部磁場を用いることができる環境下での利用に特化される。【０００６】  したがって、本発明の目的は、小型化が容易で様々な場所において用いることができる液体内移動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は、上記目的を達成するため、筐体と、筐体の外部に取り付けられる弾性板と、筐体内に設置され、筐体を振動させる振動部とを備え、筐体の重心位置と振動部の加振位置とが異なる液体内移動装置が提供される。【０００８】  また、上記液体内移動装置は、筐体の内部と弾性板とが隔離されていてもよい。
また、弾性板は筐体側の幅が大きく、筐体と反対側の先端の幅が小さくてもよい。
更に、弾性板は２つ以上取り付けられていてもよい。そして、振動部は２つ以上のモータから構成されていてもよい。
【発明の効果】
【０００９】  本発明に係る液体内移動装置によれば、小型化が容易で様々な場所において用いることができる液体内移動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】推進原理の図である。
【図２】試作機の図である。
【図３】製作した実験機の図である。
【図４】加振位置を示す図である。
【図５】旋回機能を有する小型遊泳ロボットの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】  以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】  近年では水中での活動を目的としたロボットの研究が数多く行われ、人の手が届きにくい水中での探索や作業などに期待されている。推進機に焦点を当てるとプロペラスクリューが主流な一方で、静粛性や効率が優れている等の理由から、魚のひれによる泳ぎを利用したものに関する研究がなされており、水中での移動手段として注目を集めている。特に水道管のような狭所水中での移動が可能なｍｍスケールでの小型ロボットを設計する場合には、サーボモータなど一般にひれ推進で用いられるアクチュエータを使用することは難しく、また小型化のためできるだけ単純な構造であることが望ましい。
【００１３】  そこで本実施形態では振動モータをロボット筐体内に内蔵し、その振動による慣性力を水中での推進力として利用したひれ付き小型推進機を考案した。駆動部を筐体内にすべて内蔵するため防水設計が容易で、また筐体やひれなどの外装形状やモータ振動数によって推進力が変化する特徴がある。本実施形態ではその原理を示し、基本特性を実験により検証した。
【００１４】  機構の推進原理の概要を図１に示す。ロボットの筐体内に振動モータを内蔵し、外装後部にはプラスチック板などの弾性板を尾ひれ部として取り付ける。モータで偏心したおもりを回転させ、ロボット自体を振動させるとその慣性力が尾ひれ部に伝播し、弾性板が揺動運動することで推進する原理となる。
【００１５】  振動モータによる振動は偏重心を回転させた運動となるため、平面上の単純な往復運動にはならない。そこで我々はまず振動モータの回転軸が遊泳性能にあたえる影響を調べるため、発泡材に弾性板とモータを取り付けた単純な試作機を用いて実験機を製作する前の予備実験を行った。図２に示すようにモータの回転軸をｘ，ｙ，ｚの３軸方向でそれぞれ取り付け（図２はｘ軸の例）、尾ひれであるプラスチック板の配置はｘｚ平面上とする。これを水上で駆動させたところ，ｘ，ｚ軸中心の振動の場合に尾ひれを振るわせ直進遊泳したのに対して、回転軸がｙ軸方向に向く設置での振動では遊泳しなかった。
【００１６】  以上のことから振動モータの駆動によって引き起こされる揺動運動が弾性板に対して鉛直（ｙ軸）の方向であるとき、振動が弾性振動板に伝わり推進し、振動モータの回転方向が遊泳性能に大きく影響を与えることが分かった。
【００１７】  次に振動モータの周波数やひれ形状等が推進力に与える影響を調べるため、実験機を製作した（図３）。図４に示すように、振動モータの加振位置を前後・中央で調節することができる。また、充電池と赤外線受信機を内蔵することで、送信機から受ける信号からＰＷＭ制御でモータ回転速度をワイヤレスで操作することができる。実際に水上で駆動してみると、尾ひれ形状が０．２ｍｍ厚、幅１５ｍｍ、長さ１０ｍｍのプラスチック板を用い、振動モータによる加振位置を前方（または後方）に設置したところ、特定周波数で直進遊泳することが確認できた。
【００１８】  ここで加振位置を中央に設置した場合に泳がなかったのは、ロボット胴体の重心とモータ加振位置の関係が尾ひれを振る力に影響したからと考えられる。また、特定周波数で遊泳したのは尾ひれに用いた弾性素材を片持ち梁とみなしたときの固有振動数が影響していると考えられる。遊泳時の様子を高速度カメラで尾ひれを観察すると、先端部が比較的大きく振られているのを確認できた。
【００１９】  次に、振動モータの加振位置と胴体の重心位置が遊泳性能に与える影響を調べるため、簡単な検証を行った。重心位置は２ｇの重りを取り付けることで調整し、簡単のため重りとモータの各設置位置は前方、中央、後方の３段階として、各組み合わせで比較することで定性的な推進力の変化を調べる。弾性板は遊泳試験と同様、０．２ｍｍ厚の１５ｍｍ×１０ｍｍのプラスチック板を尾ひれとして用い、遊泳時の様子を高速度カメラで記録することで遊泳速度と振動数を求めた。
【００２０】  遊泳実験の結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
2015116453.tif 000003
【００２２】  枠内数値は遊泳速度であり括弧内は振動数を表す。重りと振動モータの位置によってはロボットのバランスが傾き、遊泳が不可能であったため表記していない。遊泳時のモータ振動数はいずれも約１１０Ｈｚであり、その振動数付近を外れるとほとんど遊泳しなかった。加振位置に関してみると、中央設置の場合にはロボット全体が振動していてもほとんど直進遊泳することはなかった。また加振位置が後方のとき、重りを中央よりも前に取り付けた場合には速度が上昇した。一方で重りを取り付けなかった場合、胴体重心はほぼ中央であるが加振位置が後方、次いで前方設置のときに速く泳いだ。
【００２３】  以上のことから、振動モータの設置位置による遊泳性能の変化は、尾ひれへのモータ振動力の伝わりやすさが影響していると考えられる。胴体重心まわりのモーメントは加振位置と重心位置の間隔が離れるほど大きくなる。すなわち、モータの加振位置を前方または後方に設置することで中央設置のときよりも大きな揺動運動が尾ひれに伝わり遊泳することができた。今回の遊泳実験から振動モータの設置位置や振動数等が推進力に与える影響の大まかな傾向を把握することができた。
【００２４】  弾性平板である尾ひれには固有振動数があり、特定の振動数付近で推力を発生させることがわかっている。この特性を利用し、固有振動数の異なる弾性板を複数用いることで、振動数制御により異方向への操縦が可能になる。左右方向への旋回が可能なタイプの小型遊泳ロボットの外観と遊泳の様子を図５に示す。尾ひれに用いた厚みが異なる２枚の弾性板はそれぞれの固有振動数をもち、図のように互いに直交するよう取り付けた。振動モータは両方の尾ひれ面に対して鉛直方向に振動するよう設置している。印加電圧を変えることによって振動数を変化させ、１つのアクチュエータだけで左右の旋回が可能である。
【００２５】  本実施形態では振動モータによって生じる慣性力を尾ひれに伝播させ、推進力として利用する小型水中移動機を考案した。モータによる加振位置や尾ひれ形状、振動数によって推進力は変化し、遊泳実験により以下の知見が得られた。
【００２６】（１）振動モータの回転軸は、揺動運動が尾ひれの面に対して鉛直の方向に伝わるように設置することで推進力が得られる。
（２）振動モータの加振位置は胴体重心より離して設置することで、大きな揺動運動を生み、より効率的に推進力を得られる。
（３）弾性平板である尾ひれは固有振動数付近で振動させたとき推力を発生する。
【００２７】  今回は簡単な条件で遊泳実験を行ったため、モータの加振位置や重心、振動数等が推進力に与える影響を大まかな傾向として捉えることはできた。
【００２８】  本実施の形態に係る液体内移動装置は、筺体内部と弾性板とを隔離できるので筺体を密封できる。これにより、液体内移動装置を水中で使用することができる。また、液体内移動装置は、例えば、筺体内部に撮像部を設けることができるので、液体内移動装置を生体内に導入することで生体内を撮影できる。また、本実施の形態に係る液体内移動装置をルアーとして用いることができる。たとえば、液体内移動装置内に振動部の動作を赤外線や無線等により遠隔操作する遠隔操作部を設け、振動部を遠隔操作することでルアーとしての液体内移動装置の移動を外部から制御できる。
【００２９】  さらに、本実施の形態に係る液体内移動装置は、筺体内にＧＰＳ装置を設けるか、又は筺体表面に識別マークを付することができる。これにより、複数の液体内移動装置を、例えば、川や湖若しくは海等に放流することで、自然環境の各種データを取得できる。
【００３０】  弾性板平面の法線方向に加振力を加えることで、液体内移動装置の推進力が発生する。そして、筺体内部に振動部及び／又は錘を設け、振動部及び／又は錘を振動させることで、弾性板に「ひねり」の動きを実現させる。また、振動部の加振位置を制御することで弾性板の振動の仕方を制御できるので、液体内移動装置の進み方を制御できる。すなわち、筺体内部に設ける振動部（例えば、振動モータ）、及び／又は錘の筺体に対する位置を制御することにより、液体内移動装置の推進力を制御できる。
【００３１】  弾性板は筺体表面に、例えば、接着剤等で取り付けられる。本実施の形態において弾性板は、弾性板全体の剛性が実質的に同一である。また、弾性板の先端部分（すなわち、筺体に取り付けられている側とは反対側部分）の剛性が、筺体に取り付けられている部分の剛性より小さいことが好ましい（すなわち、弾性板の筺体側より先端部分の方が柔らかいことが好ましい。）。更に、弾性板の大きさ、及び／又は厚さを制御することで、液体内移動装置の推進力を制御できる。
【００３２】  筺体表面の所定の位置に複数の弾性板を取り付けることができる。複数の弾性板は、筺体内部に設けられた少なくとも１つの振動部により振動させられる。また、筺体内部に複数の振動部を設け、複数の振動部それぞれが複数の振動板のそれぞれに対し、異なる方向に加振力を加えてもよい。なお、弾性板は、振動部から離れるに従って、徐々に幅が狭くなるようにしてもよい。また、振動部の駆動（例えば、振動部が振動モータである場合、振動部のオン／オフや回転数等）は、例えば、赤外線によって制御できる。
【００３３】  以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せのすべてが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。
【図１】
2015116453.tif 000004
【図２】
2015116453.tif 000005
【図３】
2015116453.tif 000006
【図４】
2015116453.tif 000007
【図５】
2015116453.tif 000008