(57)【要約】【課題】  屋内や屋外において障害物や地形等に左右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。【解決手段】  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１０６とを有する羽（左羽）が形成されている。  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。前（後）羽軸１０３、１０４はアクチュエータ１０１、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。【選択図】        図１
2004231182.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、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記羽部は、
羽本体部と
前記羽本体部を支持する羽軸部と
を有し、
前記駆動部は、前記羽軸部を駆動させることにより前記羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを含み、
前記羽本体部は、前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との間を渡すように形成された膜部を含み、
前記駆動部は、
前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部とを個々に駆動させ、
前記羽部の前記打ち下ろし時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より大きくすること、および、前記羽部の前記打ち上げ時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より小さくすることのうち少なくともいずれか一方によって、前記移動装置を前進または後退させる、移動装置。
【請求項２】
流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記羽部は、
羽本体部と
前記羽本体部を支持する羽軸部と
を有し、
前記駆動部は、前記羽軸部を駆動させることにより前記羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを含み、
前記羽本体部は、前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との間を渡すように形成された膜部を含み、
前記駆動部は、
前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部とを個々に駆動させ、
前記羽部の前記打ち下ろし時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より小さくすること、および、前記羽部の前記打ち上げ時の前記一方側羽軸部と前記他方側羽軸部との位相差を前記ホバリング時より大きくすることのうち少なくともいずれか一方によって、前記移動装置を後退または前進させる、移動装置。
【請求項３】
前記駆動部は、前記移動装置を前進させるときには、前記羽部の羽ばたき周波数が、前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも小さくなるように、前記一方側羽軸部および前記他方側羽軸部を駆動する、請求項１または２に記載の移動装置。
【請求項４】
前記駆動部は、前記移動装置を後退させるときには、前記羽部の羽ばたき周波数が、前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも大きくなるように、前記一方側羽軸部および前記他方側羽軸部を駆動する、請求項１または２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、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記駆動部は、前記羽部の羽ばたき周波数を前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも上げることによって、前記移動装置を上昇させる、移動装置。
【請求項６】
流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置であって、
前記駆動部は、前記羽部の羽ばたき周波数を前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも下げることによって、前記移動装置を下降させる、移動装置。
【請求項７】
流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記羽部は、
羽本体部と
前記羽本体部を支持する羽軸部と
を有し、
前記駆動部は、
前記羽軸部を駆動させることにより前記羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させることが可能であり、
前記打ち上げ動作から前記打ち下ろし動作への変化点、および、前記打ち下ろし動作から前記打ち上げ動作の変化点の前後で、前記捻り角を変化させる、移動装置。
【請求項８】
流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記駆動部は、前記左羽部の推力と前記右羽部の推力とに差を有する状態にすることによって、前記移動装置を左または右へ旋回させる、移動装置。
【請求項９】
流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき角と前記左羽部の羽ばたき角とに差を持たせることによって、前記移動装置を右または左へ旋回させる、移動装置。
【請求項１０】
流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、
前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記左羽部は、
左羽本体部と
前記左羽本体部を支持する左羽軸部と
を有し、
前記左駆動部は、前記左羽軸部を駆動させることにより前記左羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記右羽部は、
右羽本体部と
前記右羽本体部を支持する右羽軸部と
を有し、
前記右駆動部は、前記右羽軸部を駆動させることにより前記右羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させ、
前記左羽軸部は一方側左羽軸部と他方側右羽軸部とを含み、
前記左羽本体部は、前記一方側左羽軸部と前記他方側左羽軸部との間を渡すように形成された左膜部を含み、
前記左駆動部は、前記一方側左羽軸部と前記他方側左羽軸部とを個々に駆動させ、
前記右羽軸部は一方側右羽軸部と他方側右羽軸部とを含み、
前記右羽本体部は、前記一方側右羽軸部と前記他方側右羽軸部との間を渡すように形成された右膜部を含み、
前記右駆動部は、前記一方側右羽軸部と前記他方側右羽軸部とを個々に駆動させ、
前記左駆動部および前記右駆動は、前記一方側左羽軸部と前記他方側左羽軸部との位相差と、前記一方側右羽軸部と前記他方側右羽軸部との位相差とに差を持たせることによって、前記移動装置を右または左へ旋回させる、移動装置。
【請求項１１】
流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記駆動部は、前記右羽部の羽ばたき仰角と、前記左羽部の羽ばたき仰角を前記右羽部の羽ばたき仰角とに差を持たせることによって、前記移動装置を右または左へ旋回させる、移動装置。
【請求項１２】
流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と、
前記羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、
前記羽部が取付けられ、前記駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記移動装置は、該移動装置の重心をずらすための重心制御部を含み、
該重心制御部は、前記重心をずらすことによって、前記移動装置を右または左に旋回させる、移動装置。
【請求項１３】
前記移動装置は、ホバリングが可能であり、
前記駆動部は、前記移動装置を右または左に旋回させるときには、前記羽部の羽ばたき周波数を、前記ホバリング時の前記羽部の羽ばたき周波数よりも大きくする、請求項１に記載の移動装置。
【請求項１４】
流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、
流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、
前記左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、
前記右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、前記右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、前記左羽部および前記右羽部が取付けられ、前記左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置であって、
前記左駆動部および前記右駆動部は、前記左羽部の羽ばたき周波数と前記右羽部の羽ばたき周波数とが同じになるように、前記左羽部および前記右羽部を駆動する、移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動装置に関し、特に、羽の打ち上げ動作と打ち下ろし動作によって所定の力を生み出すことにより浮上を可能と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摩擦力が得られないことになって、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０．７１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では、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の態様に限られていた。
【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各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】
本発明の一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、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、羽部が取付けられ、駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置である。
【００２４】
羽部は、羽本体部と羽本体部を支持する羽軸部とを有している。駆動部は、羽軸部を駆動させることにより羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させる。羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを含む。羽本体部は、一方側羽軸部と他方側羽軸部との間を渡すように形成された膜部を含む。
【００２５】
駆動部は、一方側羽軸部と他方側羽軸部とを個々に駆動させ、羽部の前記打ち下ろし時の一方側羽軸部と他方側羽軸部との位相差をホバリング時より大きくすること、および、羽部の打ち上げ時の一方側羽軸部と他方側羽軸部との位相差をホバリング時より小さくすることのうち少なくともいずれか一方によって、移動装置を前進または後退させる。
【００２６】
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、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、羽部が取付けられ、駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置である。
【００２７】
羽部は、羽本体部と羽本体部を支持する羽軸部とを有している。駆動部は、羽軸部を駆動させることにより羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させる。羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを含む。羽本体部は、一方側羽軸部と他方側羽軸部との間を渡すように形成された膜部を含む。
【００２８】
駆動部は、一方側羽軸部と他方側羽軸部とを個々に駆動させ、羽部の打ち下ろし時の一方側羽軸部と他方側羽軸部との位相差をホバリング時より小さくすること、および、羽部の打ち上げ時の一方側羽軸部と他方側羽軸部との位相差をホバリング時より大きくすることのうち少なくともいずれか一方によって、移動装置を後退または前進させる。
【００２９】
前述の移動装置は、駆動部が、移動装置を前進させるときには、羽部の羽ばたき周波数が、ホバリング時の羽部の羽ばたき周波数よりも小さくなるように、一方側羽軸部および他方側羽軸部を駆動する。また、前述の駆動部が、移動装置を後退させるときには、羽部の羽ばたき周波数が、ホバリング時の羽部の羽ばたき周波数よりも大きくなるように、一方側羽軸部および他方側羽軸部を駆動する。
【００３０】
本発明のさらに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、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、羽部が取付けられ、駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置である。
【００３１】
駆動部は、羽部の羽ばたき周波数をホバリング時の羽部の羽ばたき周波数よりも上げることによって、前記移動装置を上昇させる。
【００３２】
本発明の別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、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、羽部が取付けられ、駆動部が搭載される胴体部とを備え、ホバリングが可能な移動装置である。
【００３３】
駆動部は、羽部の羽ばたき周波数をホバリング時の羽部の羽ばたき周波数よりも下げることによって、移動装置を下降させる。
【００３４】
本発明のさらに別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、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、羽部が取付けられ、駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置である。
【００３５】
羽部は、羽本体部と羽本体部を支持する羽軸部とを有している。駆動部は、羽軸部を駆動させることにより羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させることが可能であり、打ち上げ動作から打ち下ろし動作への変化点、および、打ち下ろし動作から打ち上げ動作の変化点の前後で、捻り角を変化させる。
【００３６】
本発明の異なる局面の移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、左羽部および右羽部が取付けられ、左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置である。
【００３７】
駆動部は、左羽部の推力と右羽部の推力とに差を有する状態にすることによって、移動装置を左または右へ旋回させる。
【００３８】
本発明のさらに異なる局面の移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、左羽部および右羽部が取付けられ、左駆動部および前記右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置である。
【００３９】
駆動部は、右羽部の羽ばたき角と左羽部の羽ばたき角とに差を持たせることによって、前記移動装置を右または左へ旋回させる。
【００４０】
本発明のもう１つ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左羽部と、流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、左羽部および右羽部が取付けられ、左駆動部および右駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置である。
【００４１】
左羽部は、左羽本体部と左羽本体部を支持する左羽軸部とを有している。左駆動部は、左羽軸部を駆動させることにより左羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させる。右羽部は、右羽本体部と右羽本体部を支持する右羽軸部とを有している。右駆動部は、右羽軸部を駆動させることにより右羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させる。左羽軸部は一方側左羽軸部と他方側右羽軸部とを含む。左羽本体部は、一方側左羽軸部と他方側左羽軸部との間を渡すように形成された左膜部を含む。左駆動部は、一方側左羽軸部と他方側左羽軸部とを個々に駆動させる。右羽軸部は一方側右羽軸部と他方側右羽軸部とを含む。右羽本体部は、一方側右羽軸部と他方側右羽軸部との間を渡すように形成された右膜部を含む。右駆動部は、一方側右羽軸部と他方側右羽軸部とを個々に駆動させる。
【００４２】
左駆動部および右駆動は、一方側左羽軸部と他方側左羽軸部との位相差と、一方側右羽軸部と他方側右羽軸部との位相差とに差を持たせることによって、移動装置を右または左へ旋回させる。
【００４３】
本発明のさらに前述とは異なる局面の移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための左羽部と、流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、左羽部および右羽部が取付けられ、左駆動部および右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置である。
【００４４】
駆動部は、右羽部の羽ばたき仰角と左羽部の羽ばたき仰角とに差を持たせることによって、移動装置を右または左へ旋回させる。
【００４５】
本発明の前述とは別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、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための駆動部と、羽部が取付けられ、駆動部が搭載される胴体部とを備えた移動装置である。
【００４６】
移動装置は、その重心をずらすための重心制御部を含む。重心制御部は、重心をずらすことによって、移動装置を右または左に旋回させる。
【００４７】
前述の移動装置は、ホバリングが可能である。駆動部は、移動装置を右または左に旋回させるときには、羽部の羽ばたき周波数を、ホバリング時の羽部の羽ばたき周波数よりも大きくする。
【００４８】
本発明の最後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左羽部と、流体が存在する空間を羽ばたくための右羽部と、左羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、左羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための左駆動部と、右羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、右羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なうための右駆動部と、左羽部および右羽部が取付けられ、左駆動部および右羽部が搭載される胴体部とを備えた移動装置である。
【００４９】
左駆動部および右駆動部は、左羽部の羽ばたき周波数と右羽部の羽ばたき周波数とが同じになるように、左羽部および右羽部を駆動する。
【００５０】
以下、前述の本発明とは異なる発明の移動装置について述べる。
【００５１】
本発明とは異なる発明の移動装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための羽部と駆動部と胴体部とを含む浮上本体部を備えている。駆動部は、羽部を上方から下方に向かって打ち下ろす打ち下ろし動作と、羽部を下方から上方に向かって打ち上げる打ち上げ動作とを行なう。胴体部には羽部が取付けられ、駆動部が搭載される。そして、一連の打ち下ろし動作および打ち上げ動作の間の時間平均では、羽部が流体から受ける力のうち鉛直上向きの力が浮上本体部に作用する重力よりも大きくなる。
【００５２】
この構造によれば、羽部の羽ばたき動作において打ち下ろし動作および打ち上げ動作の間の時間平均では、羽部が流体から受ける力のうち鉛直上向きの力が浮上本体部に作用する重力よりも大きくなることで、浮上本体部に浮力が与えられることになる。その結果、浮上本体部は地面に接することなく移動することができる。
【００５３】
浮上本体部に浮力を与えるためには、打ち下ろしの動作の際に羽部が移動する空間の体積は打ち上げの動作の際に羽部が移動する空間の体積よりも大きいことが望ましく、たとえば、浮力と浮上本体部に作用する重力とを釣り合わせることで地面から離れた状態で空間に留まる停空飛翔（ホバリング）も可能になる。
【００５４】
このような浮上本体部は、屋内において所定の作業を行なうための移動手段として用いられること、または、屋外において所定の作業を行なうための移動手段として用いられることが望ましい。
【００５５】
浮上本体部は浮力を得て地面を離れて移動することができるので、たとえば家具等のさまざまな物体が置かれ、そして、そのような物体の位置が時間的に変化する屋内において、そのような障害物を避けて移動することができて各部屋の状況把握等の所定の作業を容易に行なうことができる。また、屋外においては、たとえば災害地における障害物や一般のフィールドなどにおける地形等に左右されることなくに移動することができて、情報収集等の所定の作業を容易に行なうことができる。
【００５６】
具体的に、羽部は羽本体部と羽本体部を支持する羽軸部とを有し、駆動部は、羽軸部を駆動させることにより羽本体部の先端部と仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させることが望ましい。
【００５７】
これにより、羽部が流体から浮ける流体力の大きさや向きが変化して、浮上本体部を上昇、下降、前進または後退させることができる。
【００５８】
また、打ち下ろしの動作の際に羽部が移動する空間の体積を打ち上げの動作の際に羽部が移動する空間の体積よりも大きくするために、駆動部は打ち下ろし動作における捻り角と打ち上げ動作における捻り角とを異ならせる必要がある。
【００５９】
さらに、駆動部は捻り角を時間的に変化させることが望ましい。
【００６０】
この場合には、羽部の姿勢を滑らかに変化させることができて、羽部に急激に流体力が作用するのを抑制することができる。
【００６１】
また、羽軸部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを含み、羽本体部は一方側羽軸部と他方側羽軸部との間を渡すように形成された膜部を含み、駆動部は一方側羽軸部と他方側羽軸部とを個々に駆動させることが望ましい。
【００６２】
この場合、一方側羽軸部と他方側羽軸部とを個々に駆動させることで、捻り角を容易に変えることができる。
【００６３】
そして、羽軸部は駆動部を支点として仮想の一平面上を往復運動し、胴体部は一方向に向かって延び、胴体部が延びる方向と仮想の一平面とがなす仰角が変えられることが望ましい。
【００６４】
この場合には、羽ばたき運動の自由度が増えて、より複雑な羽ばたき運動を実現することができる。また、この仰角をより大きくし捻り角を制御することで、より高速な飛行を行なうことができる。さらに、この仰角を実質的に０°にすることで、機動性に優れハチドリのようなホバリングを行なうことができる。
【００６５】
また具体的に、羽部は主軸部とその主軸部から主軸部が延びる方向と略直交する方向に形成された羽本体部とを有し、駆動部は主軸部を駆動させることにより羽本体部に接する仮想の一平面と主軸部を含む仮想の所定の基準面とのなす捻り角を変化させることが望ましい。
【００６６】
これにより、羽部が流体から浮ける流体力の大きさや向きが変化して、浮上本体部を上昇、下降、前進または後退させることができる。
【００６７】
このような主軸部にて羽部の姿勢を変えるためには、駆動部は少なくとも３自由度を有するアクチュエータを含んでいることが望ましい。
【００６８】
また、羽部は胴体部の略中心を挟んで一方側と他方側とにそれぞれ形成され、駆動部は一方側に形成された羽部と他方側に形成された羽部とを個々に駆動させることが望ましい。
【００６９】
この場合には、一方側に形成された羽部と他方側に形成された羽部の姿勢を個々に変化させることができて、容易に浮上本体部の向きを変えることができる。
【００７０】
さらに、周囲の状況を把握するためのセンサ部、情報を記憶するためのメモリ部、あるいは、情報を送受信するための通信部を備えていることが望ましい。
【００７１】
センサ部を備えることで、浮上本体部の位置や姿勢、速度、周囲の障害物の位置や移動速度、温度や明るさなどの環境情報を入手し、より適切な羽ばたき制御を行なうことができる。また、メモリ部を備えることで、得られた環境情報を蓄積することができて、浮上本体部に学習機能をもたせることができる。さらに、通信部を備えていることで、複数の浮上本体部とベースステーションとの間で情報のやり取りを行なうことができ、取得した情報を交換することで複数の浮上本体部間で協調行動などを容易に行なうことができる。
【００７２】
また、一方側羽軸部および他方側羽軸部が、一方側羽軸部および他方側羽軸部それぞれの先端に向かって互いの間隔が広がるように形成されることが望ましい。
【００７３】
この場合、一方側羽軸部および他方側羽軸部が、一方側羽軸部および他方側羽軸部それぞれの先端に向かって互いの間隔が広がるように形成されることで、羽軸の弾性力や羽軸の間を渡すように形成された膜部の張力を利用して、捻り角の変化を高速化することができる。
【００７４】
さらに、一方側羽軸部および他方側羽軸部を、一方側羽軸部および他方側羽軸部それぞれの軸まわりに回動できる自由度を有するように構成すれば、一方側羽軸部および他方側羽軸部の位置関係が変化しても、羽の膜が一方側羽軸部および他方側羽軸部に連結されている部分それぞれを互いにほぼ向き合せるように、羽軸が回動することが可能となるため、羽軸部を駆動する駆動装置にかかる負荷を軽減し、効率のよい制御が可能となる。
【００７５】
前述の移動装置は、目標とする移動態様を、基本動作パターンデータに基づく基本動作を時系列にて組合わせて実現することが好ましい。このようにすることにより、移動態様の制御が簡単となる。
【００７６】
前述の移動装置は、さらに、前述の基本動作パターンデータと、その基本動作パターンデータを実現する駆動部の駆動態様に関する駆動態様データとの組合せが記憶された記憶手段を備えている。このようにすることにより、駆動装置の駆動態様の決定を迅速に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７７】
実施の形態１
本発明の実施の形態１に係る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。
【００７８】
なお、図１（ａ）および図１（ｂ）では羽ばたき装置の前方正面に向かって左羽しか示されていないが、実際には、胴体部１０５の中心軸を挟んで左右対称に右羽も形成されている。また、説明を簡単にするため、胴体部１０５が延びる方向に沿った軸（胴体軸８０１）は水平面内にあり、重心を通る中心軸８０２は鉛直方向に保たれているとする。
【００７９】
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１０６とを有する羽（左羽）が形成されている。
【００８０】
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の配置や前羽軸１０３、後羽軸１０４および羽の膜１０６を含む羽の形状は、飛行の性能が損なわれないならばこれに限られるものではない。
【００８１】
さらに、この羽ばたき装置の場合、羽の断面形状を鉛直上方に凸となるようにしておけば、水平方向への飛行に際して抗力だけでなく揚力も発生して、より大きな浮上力が得られることになる。
【００８２】
また、この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に羽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とその作用点を略一致させておくことが望ましく、この場合には、姿勢制御に必要な左右の羽が流体から受ける力の差が小さくなって、羽ばたき装置の姿勢変更を容易に行なうことができる。
【００８３】
２つの回転型アクチュエータ１０１、１０２は互いに回転軸８００を共有している。この回転軸８００は胴体軸とは所定の角度（９０°−θ）をなしている。前（後）羽軸１０３、１０４はアクチュエータ１０１、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。
【００８４】
胴体部１０５としては、機械的強度を確保するとともに、十分な軽量化を図るために、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などを円筒状に成形したものが望ましいが、このような材料や形状に限定されるものではない。
【００８５】
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のが望ましい。これには、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。
【００８６】
ここでは、進行波を用いた超音波素子によって羽を直接駆動する方法を中心に説明するが、この羽を駆動するための機構や、それに用いるアクチュエータの種類については特に本実施の形態に示したものに限られない。
【００８７】
回転型アクチュエータとしては、図１（ａ）（ｂ）に示された回転型アクチュエータ１０１、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を用いてもよい。
【００８８】
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に羽４０３が取付けられている。羽４０３は回転型アクチュエータ４０１の回転軸４０２を中心として往復運動をする。
【００８９】
また、羽を駆動するための機構としては、特開平５−１６９５６７号公報に記載されているような外骨格構造とリニアアクチュエータを組合わせた機構を適用して、たとえば図１２または図１３に示すような羽ばたき装置を構成してもよい。
【００９０】
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を介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に伝えられることで羽ばたき運動が行なわれる。この羽ばたき運動は、羽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たものである。
【００９１】
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。そして、その上面胴体部６０３の運動がヒンジ６０２を介して前羽軸または後羽軸６０３に伝えられることで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たものである。
【００９２】
図１３に示す羽ばたき装置の場合、１つのアクチュエータ６０１によって左右の羽軸６０３が同時に駆動されるため、左右の羽軸を別々に駆動することができず、細かな飛行制御を行なうことはできないが、アクチュエータの数を減らすことができて、軽量化および消費電力の低減を図ることが可能である。
【００９３】
さて、図１（ａ）および図１（ｂ）に示された羽ばたき装置では、回転型アクチュエータ１０１、１０２には前羽軸１０３と後羽軸１０４とがそれぞれ接続されている。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おり、羽全体の剛性を高める働きをしている。
【００９４】
軽量化のため前羽軸１０３と後羽軸１０４は中空構造であり、それぞれカーボングラファイトから形成されている。このため、前羽軸１０３と後羽軸１０４には弾力性があり、前羽軸１０３と後羽軸１０４とは羽の膜１０６の張力により変形可能である。
【００９５】
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は省略されている。
【００９６】
胴体部７００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が配されている。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や赤外線センサ７０２によって検出された結果から羽ばたき装置と周囲の障害物や人間との距離などの情報が処理される。また、加速度センサ７０３や角加速度センサ７０４によって検知された結果から、羽ばたき装置の浮上状態、目的位置または姿勢などの情報が処理されて、左右のアクチュエータ７０６および重心制御部７０７の駆動制御が決定される。
【００９７】
なお、ここでは、本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を用い、本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を用いたが、本羽ばたき装置の周囲環境や位置と姿勢が計測可能なセンサであれば、上記センサに限られない。
【００９８】
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７００の異なる位置に配して得られる加速度情報からも、本羽ばたき装置の姿勢を算出することは可能である。また、本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で本羽ばたき装置の位置と姿勢を算出することも可能である。
【００９９】
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が、軽量化の観点から、たとえばマイクロマシニング技術により羽ばたき制御部７０５と一体で同一基板上に形成してもよい。
【０１００】
また、本羽ばたき装置では羽の駆動をオープンループ制御としているが、羽の付け根に羽の角度センサを設け、この角度センサから得られる角度情報によりクローズドループ制御を行なうことも可能である。
【０１０１】
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ならば、ここに挙げたセンサ類は必須ではない。
【０１０２】
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をメモリ部７０８に送込み、必要に応じてメモリ部７０８の情報を書換えることもでき、羽ばたき装置として学習機能を持たせることができる。
【０１０３】
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、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（他の羽ばたき装置やベースステーションなど）とのデータの送受信を行なう。
【０１０４】
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、羽ばたき装置では入手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に蓄積することで、羽ばたきの制御に利用することもできる。たとえば、大きなマップ情報のすべてを羽ばたき装置に記憶させなくても、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することなどが可能となる。
【０１０５】
なお、図１４では、アンテナ部７１０は胴体部７００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、形状、配置などこれに限られない。たとえば、前羽軸７１２や後羽軸７１３を利用して、羽の上にループ状のアンテナを形成してもよい。また、胴体部７００にアンテナを内蔵した形態でも、あるいは、アンテナと通信制御部７０９とを一体化させた形態でもよい。
【０１０６】
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により供給される電流によって駆動される。
【０１０７】
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。あるいは、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も採用できる。たとえば、電力については熱電素子、電磁波などが挙げられる。
【０１０８】
（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と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、羽を打ち下ろし次に羽を打ち上げる動作をいう。
【０１０９】
さらに、鉛直上向きの流体力を卓越させて上昇させるためには、
（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）＞（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）
となる必要がある。
【０１１０】
ここでは、昆虫の羽ばたき方を単純化した羽ばたき方法により、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。）より大きくする方法について説明する。
【０１１１】
説明の簡便のため、流体の挙動もしく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、本羽ばたき装置に作用する重力（以下「重量」と記す。）の大小については後述する。
【０１１２】
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。
【０１１３】
反対に、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。
【０１１４】
そこで、回転型アクチュエータ１０１、１０２により回転軸８００の周りに両羽軸１０３、１０４を往復運動させる際に、各羽軸１０３、１０４が水平面と略一致する位置を中心として上方と下方とにそれぞれ角度γだけ往復運動させるとする。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の往復運動を適当な位相φだけ遅れさせる。
【０１１５】
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３０１の前羽軸３０３が先に打ち下ろされるため、前羽軸３０３および後羽軸３０４の先端と羽の膜３０６が水平に近づく。
【０１１６】
一方、図７〜図１０に示された打ち上げ時においては、両羽軸３０３、３０４の先端の高さの差が拡大されて、羽の膜３０６も垂直に近づく。この結果、前羽軸３０３と後羽軸３０４に張られた羽の膜３０６が流体を押し下げ、あるいは、押し上げる量に差異が生じ、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。
【０１１７】
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後に傾く。前方に傾けば推進運動、後方に傾けば後退運動、真上に向けば停空飛翔（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や羽ばたき角γを制御することが可能である。また、この羽ばたき装置では、羽ばたき仰角θを固定しているが、これを変化させる機能を追加して、自由度を増やしても構わない。
【０１１８】
（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。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、羽の先端部がなす捻り角αは、羽の長さ（羽の膜の前羽軸および後羽軸に沿った長さ）をｌ、羽の幅（前羽軸と後羽軸の間隔）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）、前羽軸と後羽軸の位相差をφとすれば（図３、９、１０を参照）、およそ以下の式で表わされる。
【０１１９】
ｔａｎα＝（ｗ／ｌ）・〔ｓｉｎ（γ・ｃｏｓτ）−ｓｉｎ｛γ・ｃｏｓ（τ＋φ）｝〕
実際には、前羽軸や後羽軸には弾性があり変形可能であるので、この捻り角αは多少違った値をとる。また、羽軸の根元ほどこの角度は小さい。しかし、以下の議論では簡便のため、上の式のαを用いて説明する。
【０１２０】
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）
となる。なお、羽に作用する流体力の水平方向成分は、左右の羽が同じ運動をすれば互いに打ち消し合うことになる。
【０１２１】
羽に捻り角αをもたせると、上記成分Ｆの羽ばたき運動平面に垂直な成分Ｌと、水平な成分Ｄはそれぞれ次のようになる。
【０１２２】
Ｌ＝Ｆ・ｃｏｓα・ｓｉｎα
Ｄ＝Ｆ・ｃｏｓ2α
これに、羽ばたき仰角θを考慮すると、重量と釣り合うべき鉛直方向の成分Ａと、前後運動の推力となる水平方向成分Ｊは、打ち下ろし時では、
Ａ↓＝−Ｌ・ｃｏｓθ＋Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ↓＝−Ｌ・ｓｉｎθ−Ｄ・ｃｏｓθ
打ち上げ時では、
Ａ↑＝Ｌ・ｃｏｓθ−Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ↑＝Ｌ・ｓｉｎθ＋Ｄ・ｃｏｓθ
となる。実際の浮力や推進力は、羽ばたき運動の１周期分を積分したものとなる。
【０１２３】
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°、打ち上げ時の位相差φ↑＝１６°とした場合における鉛直方向成分Ａと水平方向成分Ｊの時間変化を各角度の時間変化とともに図１５に示す。
【０１２４】
横軸は１周期分の時間が位相τとして表わされている。前半が打ち下ろし、後半が打ち上げを示している。各グラフの曲線は前羽軸の羽ばたき角γｆ、後羽軸の羽ばたき角γｂ、水平面からの羽の捻り角（θ−α）、流体力の鉛直方向成分Ａおよび水平方向成分Ｊの時間変化をそれぞれ示している。
【０１２５】
この例では、単位時間当りの流体力の鉛直方向成分Ａにお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枚の羽では羽ばたき装置の重量が約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。
【０１２６】
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、前進することができる。このとき、水平に前進させるためには、周波数ｆを少し小さくするのが望ましい。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↑を大きくすれば後退することができる。このとき、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。
【０１２７】
この羽ばたき装置では、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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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るかすればよい。水平飛行中でも、上昇と下降については、主に周波数ｆによって制御が可能である。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。
【０１３０】
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、アクチュエータへの負荷を減らすためである。浮力を得るための羽ばたき運動としては、打ち上げ動作中や打ち下ろし動作中は羽の捻り角αを一定の値に設定して、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を急激に変化させるようにしてもよい。
【０１３１】
羽ばたき仰角θ＝０°とした場合の鉛直方向成分Ａと水平方向成分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、左右の羽の羽ばたき運動を別々に制御できる場合、それぞれの羽による推力に差を持たせればよい。たとえば、前方へ飛行中に右方向へ旋回するには、右羽の羽ばたき角γを左羽よりも小さくする、または、右羽の前羽軸と後羽軸の位相差を、左羽より大きくする、あるいは、羽ばたき仰角θが制御できるような場合には、右羽のθを左羽よりも小さくするといった制御を行なう。これにより、右羽の推進力が左羽の推進力に比べて相対的に下が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、その逆の制御を行なえばよい。
【０１３２】
一方、図１３に示された羽ばたき装置のように、左右の羽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をこの羽ばたき装置に搭載して、羽ばたき装置の重心を左右にずらすことで左右への旋回を行なうことができる。
【０１３３】
たとえば、重心を右にずらして右羽を下方へ左羽を上方へ傾け、そして、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。重心を左にずらして、同様に、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。
【０１３４】
以上の説明では、前（後）羽軸１０３，１０４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（後）羽軸７１２、７１３の往復運動する平面に角度を持たせてもよい。こうすることで、前（後）羽軸７１２，７１３の弾性力や羽の膜７１４の張力により、打ち上げ運動から打ち下ろし運動、あるいは打ち下ろし運動から打ち上げ運動に移る際の、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。
【０１３５】
図４０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間の距離Ｗｏが最大となるため、そのときの羽軸の弾性力や羽の膜の張力も最大となり、絶対値｜α｜＞０の状態の方が安定となるため、捻り角αの変化を高速化することができる。
【０１３６】
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。
【０１３７】
さらに、前（後）羽軸７１２，７１３が、その軸まわりに軸回転できる自由度を付加すれば、前（後）羽軸７１２，７１３同士の位置関係が変化しても、羽の膜７１４が前（後）羽軸７１２，７１３に固定されている部分を互いにほぼ向き合せるように、回転することが可能となるため、アクチュエータ７０６にかかる負荷を軽減し、効率のよい制御が可能となる。
【０１３８】
実施の形態２
本発明の実施の形態２に係る移動装置としての羽ばたき装置について説明する。ここでは、実施の形態１の場合と同様に、羽が流体から受ける力を流体力と呼ぶ。また、説明の簡便のため、空気の流れを羽ばたきによってのみ起こる状態、すなわち無風状態を仮定して説明する。
【０１３９】
（主要な構成）
まず、羽ばたき装置の主要な構成について説明する。図１７に示すように、支持構造１の上部に、右アクチュエータ２１と左アクチュエータ２２が固定されている。右アクチュエータ２１には右羽３１が取付けられ、左アクチュエータ２２には左羽３２が取付けられている。
【０１４０】
各アクチュエータ２１、２２は、それぞれ取付けられた羽３１、３２をアクチュエータの支点を略中心として３自由度をもって回転させることができる。各アクチュエータ２１、２２の回転は、支持構造１に搭載された制御回路４によって制御される。
【０１４１】
支持構造１は、機械的強度を確保したうえで十分軽量であることが望ましい。この羽ばたき装置の支持構造１では、略球殻状に成形したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられている。
【０１４２】
また、支持構造１には、加速度センサ５１および角加速度センサ５２が搭載されている。これらのセンサ５１、５２の検出結果は制御装置４に送られる。制御装置４では、加速度センサ５１および角加速度センサ５２から送られてくる情報によって羽ばたき装置の浮上の状態を検知する。そして、制御装置４では、その時刻における目的位置および姿勢により左右アクチュエータ２１、２２の駆動が決定される。
【０１４３】
左右アクチュエータ２１、２２、制御装置４、加速度センサ５１および角加速度センサ５２は電源６に供給される電流によって駆動される。なお、羽ばたき装置の重心は、羽が流体より受ける力のアクチュエータに対する作用点よりも下に位置している。
【０１４４】
（アクチュエータ）
アクチュエータ２１、２２として、起動トルクが大きいこと、往復運動を確実に実現できること、構造が簡単なことなどから圧電素子（ピエゾ）を用いたものが望ましい。このようなアクチュエータは超音波モータと呼ばれ、圧電素子によって発生した進行波によって駆動する。
【０１４５】
図１８および図１９は、市販の超音波モータ２３を示す。図１８および図１９に示すように、アルミニウムの円盤２３１の下面には圧電素子２３０が貼り付けられている。また、円盤２３１の上面には複数の突起２３２〜２３７が配設されている。各突起２３２〜２３７は円盤２３１の中心を重心とする正六角形の頂点の位置にそれぞれ配置されている。
【０１４６】
圧電素子２３０の下面には、円周方向に１２分割された電極２３８が配設されている。各電極は１つおきに電気的に短絡されている。各電極は円盤２３１を基準に電圧が印加される。これにより、図２０に示すように、圧電素子２３０にはハッチングのある部分とハッチングのない部分との２相の異なる電圧が印加されることになる。
【０１４７】
各電極に印加する電圧を時間的に変化させることで、円盤２３１上には進行波が発生して、突起２３２〜２３７の先端部分が楕円運動を行なう。これにより、ロータ２３９を動かすことができる。超音波モータのステータは上記のように構成される。
【０１４８】
この超音波モータ２３のトルクは１．０ｇｆ・ｃｍ、無負荷回転速度は８００ｒｐｍ、最大消費電流は２０ｍＡである。円盤２３１の直径は８ｍｍである。突起２３２〜２３７が配置されている間隔は２ｍｍである。円盤２３１の厚さは０．４ｍｍである。突起２３２〜２３７の高さは約０．４ｍｍである。圧電素子２３０の駆動周波数は３４１ｋＨｚである。
【０１４９】
この羽ばたき装置では、この超音波モータのステータ部分を流用したアクチュエータを用いる。図２１および図２２に示すように、たとえば右アクチュエータ２１では、そのようなステータ２１０とベアリング２１１によって球殻状のロータ２１９が挟み込まれて保持されている。なお、ロータ２１９と接触するステータ２１０の部分はロータ２１９の表面と一致するように加工が施されている。
【０１５０】
ロータ２１９は外径３．１ｍｍ、内径２．９ｍｍの球殻である。ロータ２１９の表面部分に右羽主軸３１１が取付けられている。ステータ２１０の突起が設けられた面に向かって時計回りにロータ２１９を搬送させる操作を行なうと、右羽主軸３１１は図２２に示すθの方向に移動する。なお、ステータ２１０の突起が設けられた面に向かって時計回りの回転を正回転、反時計回りの回転を逆回転とする。
【０１５１】
そして、図２１および図２２に示すように、このロータ２１９を３自由度をもって駆動するために、さらに、上部補助ステータ２１２、下部補助ステータ２１３およびベアリング２１４、２１５が配設されている。上部補助ステータ２１２および下部補助ステータ２１３のそれぞれの大きさは、ステータ２１０の大きさの約０．７倍である。
【０１５２】
各ステータ２１０、２１２、２１３は、ロータ２１９を挟んでそれぞれ直交するようには配設されていないが、各ステータ２１０、２１２、２１３により、それぞれ独立した回転をロータ２１９に与えることができる。これにより、それぞれの回転運動を組合わせることによって、ロータ２１９を３自由度をもって駆動することができる。
【０１５３】
たとえば、ロータ２１９に対して上部補助ステータ２１２によって正回転を与え、下部補助ステータ２１２によって正回転を与えることによって、ロータ２１９をβ方向に回転させることができる。また、ロータ２１９に対して上部補助ステータ２１２によって逆回転を与え、下部補助ステータ２１２によって正回転を与えることによって、ロータ２１９をα方向に回転させることができる。
【０１５４】
実際の駆動に際して、回転中心の異なる２つの回転を行なわせることは摩擦により超音波モータの効率を低下させることになる。そこで、たとえば上部補助ステータ２１２と下部補助ステータ２１３を、ごく短時間の周期でもって交互に動作させ、その間に、動作していないステータの突起をロータ２１９に接触させないなどの駆動方法を採用することが望ましい。
【０１５５】
これには、ステータの電極すべてに、圧電素子の収縮方向に電圧を印加することで、付加的な要素を設けることなく容易に実現することができる。
【０１５６】
また、圧電素子の駆動周波数は３００ｋＨｚ以上である。一方、羽ばたき装置の羽ばたき周波数はせいぜい１００ｋＨｚである。したがって、圧電素子の駆動周波数は、羽ばたき装置の羽ばたき周波数に比べて十分に高速であるので、交互にアクチュエータを動作させても、実質上滑らかな動きを右羽主軸３１１に与えることができる。
【０１５７】
上述したアクチュエータのステータは、実現されており入手可能である。また、アクチュエータに用いられるベアリング類も、たとえばディスクドライブなどの小型の情報機器、または宇宙機器の分野において重量的にこの羽ばたき装置に適用できるものが実用化されている。
【０１５８】
また、ステータの発生する進行波の振幅がサブミクロンオーダであるので、ロータはこのオーダの真球度であることが要求される。民生用の光学製品に用いられている放物面鏡の加工精度は光の波長の８分の１程度、すなわち可視領域において用いられている光学製品では７０ｎｍ以下であり、また、光学干渉計に用いられる光学部品の加工精度は光の波長の１００分の１程度、すなわち、数ｎｍのオーダであることから、このようなサブミクロンオーダの真球度を有するロータを既存の加工方法により形成することが可能である。
【０１５９】
このようにして、市販の超音波モータと同等の特性を有し３自由度の運動を与えることのできるアクチュエータが構成される。なお、これは、３自由度の運動を羽に与えるアクチュエータを超音波モータによって構成した一例に過ぎず、羽ばたき装置の各構成要素の配置、サイズ、材質および駆動方法などは、羽ばたき飛行に要求される物理的機能、たとえばトルク等が実現できるならばこれに限られるものではない。
【０１６０】
（羽とその動作）
次に、羽とその動作について説明する。説明の簡便のため、図１７に示すように、羽ばたき装置に固定された座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を定義する。すなわち、略球状の支持構造１の略中心（球心）を原点とする。また、重力加速度の方向を下方向、その逆を上方向とする。原点から上方に向かってｚ軸を定義する。次に、右アクチュエータ２１の形状中心と左アクチュエータ２２の形状中心を結ぶ方向を左右方向とし、原点から左羽に向かってｙ軸を定義する。また、原点からｙ軸とｚ軸の右手系における外積方向にｘ軸を定義する。ｘ軸正の方向を前方、ｘ軸負の方向を後方と称する。
【０１６１】
また、図１７に示す羽ばたき装置では、右羽３１の右アクチュエータ２１に対する力学的作用点Ａ１と、左羽３２の左アクチュエータ２２に対する力学的作用点Ａ２の中点Ａ０から、重力加速度方向に下ろした線上に本装置の重心Ｏが位置する状態である。
【０１６２】
この羽ばたき装置の場合、左アクチュエータ２２のロータ２２９は略球状であり、主軸３２１の延長線上にこのロータ２２０の球心が位置するように左羽３２が配置されている。左アクチュエータ２２に対する力学的作用点Ａ２および主軸３２１の回転運動の支点はこの球心に一致している。右アクチュエータ２１についても同様である。
【０１６３】
以後、上述したｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は支持構造１に対して固定された本羽ばたき装置における固有の座標系であるとする。
【０１６４】
一方、羽ばたき装置に固定された座標系に対して、空間に固定され任意の点を原点とする空間座標として、ｘ′軸、ｙ′軸およびｚ′軸を定義する。これにより、羽ばたき装置が移動する空間の座標はｘ′軸、ｙ′軸およびｚ′軸のそれぞれの座標を用いて表わされ、羽ばたき装置における固有の座標はｘ軸、ｙ軸およびｚ軸のそれぞれの座標を用いて表わされる。
【０１６５】
次に、羽の構造について説明する。図２３に示すように、たとえば左羽３２は主軸３２１および枝３２２を有する支持部材に膜３２３を張ることで形成されている。主軸３２１は左羽３２において前方よりの位置に配置されている。また、枝３２２は先端部に近づくほど下方に向いている。
【０１６６】
左羽３２は上に凸状の断面形状を有する。これによって、特に打ち下ろしの際に流体から受ける力に対して高い剛性が得られる。軽量化のため主軸３２１と枝３２２は中空構造であり、それぞれカーボングラファイトから形成されている。膜３２３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おり、羽全体の剛性を高める働きをしている。
【０１６７】
本発明者らが実験に用いた羽の主軸３２１の直径は、支持構造１に支持された根元の部分では１００μｍ、先端部では５０μｍであり、主軸３２１は根元から先端部へ向かって細くなったテーパ形状となっている。また、膜３２３はポリイミドであり、大きさは前後方向約１ｃｍ、左右方向約４ｃｍ、厚さは約２μｍである。
【０１６８】
なお、図２３に示された左羽３２では、説明のために主軸３２１はその太さが拡大されている。図示されない右羽３１はｘｚ平面を挟んで左羽３２と鏡面対称になるように支持構造に取付けられている。
【０１６９】
次に、羽の動作について左羽３２を例に挙げて説明する。左アクチュエータ２２は、左羽３２を３自由度をもって回転させることが可能である。つまり、左羽３２の駆動状態（羽ばたき状態）は左羽３２の姿勢で表わすことができる。以後説明の簡便のため、図１７に示された状態に基づき左羽３２の姿勢を次のように定義する。
【０１７０】
まず、図２４に示すように、主軸の回転運動の支点（力学的作用点Ａ２）とｘ軸およびｙ軸にそれぞれ平行な軸（//ｘ、//ｙ）を含むｘｙ平面に平行な平面を基準として、点Ａ２と左羽３２の主軸３２１の根元とを結ぶ線分がその平面となす角度を羽ばたきのストローク角θとする。また、主軸の回転運動の支点（力学的作用点Ａ２）とｙ軸およびｚ軸にそれぞれ平行な軸（//ｙ、//ｚ）を含むｙｚ平面に平行な平面を基準として、点Ａ２と左羽３２の主軸３２１の根元とを結ぶ線分がその平面となす角度を偏角αとする。
【０１７１】
このとき、ストローク角θはｘｙ平面に平行な平面より上方では正とし下方では負とする。また偏角αはｙｚ平面に平行な平面よりも前方では正とし後方では負とする。
【０１７２】
そして、図２５に示すように、左羽３２の主軸３２１の根元における膜３２３の接平面ｐ１が、点Ａ２を通りｘ軸と平行な軸（//ｘ）と主軸３２１を含む平面ｐ０となす角度を捻り角βとする。このとき、捻り角βは主軸３２１の根元から先端に向かってみたときに時計回りを正とする。
【０１７３】
（浮上方法）
次に、浮上方法について説明する。説明の簡便のため、この羽ばたき装置にかかる外力は、羽が流体から受ける力すなわち流体力と、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。この羽ばたき装置においても、恒常的に浮上するには１回の羽ばたき動作の間に時間平均して、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。
【０１７４】
ここでは、昆虫の羽ばたきを単純化した羽ばたき法により、打ち下ろし時の流体力を、打ち上げ時の流体力より大きくする方法について説明する。説明の簡便のため、流体の挙動もしくはそれ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、この羽ばたき法により得られる浮上力と、本羽ばたき装置に作用する重力の大小については後述する。
【０１７５】
羽には、羽が運動する方向と逆方向の流体力が作用するので、羽の打ち下ろし時には羽に上向きの流体力が作用し、打ち上げ時には羽に下向きの流体力が作用する。そこで、打ち下ろし時に流体力を大きくし、打ち上げ時には流体力を小さくすることで、１回の羽ばたき動作（打ち下ろし動作と打ち上げ動作）の間で時間平均すると上方向の流体力が得られることになる。
【０１７６】
そのためには、まず、打ち下ろし時には羽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、羽にはほぼ最大の流体力が作用する。これは、羽の接平面と略垂直に羽を打ち下ろすことに相当する。一方、打ち上げ時には羽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、羽に及ぼされる流体力はほぼ最小となる。これは、羽の断面の曲線にほぼ沿って羽を打ち上げることに相当する。
【０１７７】
このような羽の動作について羽の主軸３２１に垂直な断面図を用いて説明する。まず、図２６は羽が移動する空間の体積が最大になるように打ち下ろした場合を示し、図２７は羽が移動する空間の体積が最小になるように打ち上げた場合を示す。
【０１７８】
図２６および図２７では、移動前の羽の位置が破線で示され、移動後の羽の位置が実線で示されている。また、羽の移動方向が一点鎖線の矢印によって示されている。さらに、羽に作用する流体力の方向が実線の矢印によって示されている。同図に示すように、流体力は羽の移動方向とは逆向きに羽に作用する。
【０１７９】
このように、打ち上げ時における羽が移動する空間の体積が打ち下ろし時における羽が移動する空間の体積よりも大きくなるように羽の姿勢を羽の移動方向に対して変化させて、１回の羽ばたき動作の間の時間平均において、羽に作用する上方向の流体力を羽ばたき装置に作用する重力よりも大きくすることができる。
【０１８０】
この羽ばたき装置では、羽の捻り角βを時間的に変化させることによって上述した羽の運動が実現される。
【０１８１】
具体的には、次のステップＳ１〜Ｓ４が繰返される。まず、ステップＳ１では、図２８に示すように羽の打ち下ろし（ストローク角θ＝＋θ0→−θ0）が行なわれる。ステップＳ２では、図２９に示すように羽の回転１（羽の捻り角β＝β0→β1）動作が行なわれる。ステップＳ３では、図３０に示すように羽の打ち上げ（ストローク角θ＝−θ0→＋θ0、捻り角β＝β1→β2（流体力を最小限にとどめるための羽の断面の曲線に沿った運動））が行なわれる。ステップＳ４では、図３１に示すように羽の回転２（羽の捻り角β＝β2→β0）動作が行なわれる。
【０１８２】
ステップＳ１およびステップＳ３における羽に作用する流体力を時間平均すると、上向きの流体力が羽ばたき装置に作用する重力よりも大きくなる。ステップＳ２およびステップＳ４においても羽に作用する流体力の時間平均が上向きの流体力であることが望ましい。
【０１８３】
この羽ばたき装置では、図２８〜図３１に示すように、羽の前縁近傍に羽の回転中心（主軸３２１部分）が位置している。つまり、主軸３２１から羽の後縁までの長さの方が主軸３２１から羽の前縁までの長さよりも長くなっている。このため、図２９および図３１に示すように、羽の回転動作においては羽の回転方向に沿って生じる流体の流れに加えて、主軸３２１から羽の後縁に向かう方向に沿って流体の流れが生じることになる。
【０１８４】
そして、羽にはこのような流体の流れの反作用としてそれぞれの流れの向きとは逆向きの力が作用することになり、図２９に示すステップＳ２では実質的に上向きの流体力が羽に与えられ、図３１に示すステップＳ４では主に下向きの流体力が羽に与えられることになる。
【０１８５】
図３０に示すステップＳ３では、羽の断面の曲線に沿うように捻り角βをβ1からβ2に変化させながら打ち上げ動作が行なわれる。また、図２９に示すステップＳ２における羽の回転角は図３１に示すステップＳ４における羽の回転角よりも大きい。これにより、ステップＳ２およびステップＳ４においても羽に上向きに作用する流体力が下向きに作用する流体力よりも勝って、時間平均すると上向きの流体力が羽に作用することになる。
【０１８６】
なお、図２８〜図３１では、それぞれのステップＳ１〜Ｓ４における羽の移動前の姿勢が破線で示され、移動後の姿勢が実線で示されている。各ステップＳ１〜Ｓ４における羽の移動方向が一点鎖線の矢印によって示されている。また、各ステップＳ１〜Ｓ４において主に発生する流体の流れが実線の矢印によって示されている。
【０１８７】
次に、ストローク角θおよび捻り角βの値を時間の関数として表したグラフを図３２に示す。ただし、図３２ではストローク角θおよび捻り角βのそれぞれの縦軸の比率は異なっている。
【０１８８】
本発明者らの行なった実験においては、θ0はたとえば６０°である。β0はたとえば０°である。β1はたとえば−１２０°である。β2はたとえば−７０°である。
【０１８９】
上述した説明では、説明の簡便のためステップＳ１〜Ｓ４は独立した動作としたが、たとえばステップＳ１において羽を打ち下ろしながら羽の捻り角を大きくしていくような動作も可能である。また、上述した例は第１近似的な考察から説明されるものであり、実際に浮上可能な羽ばたき方法はこれに限られるものではない。
【０１９０】
また、ここでは左羽について説明したが、右羽についてもｘｚ平面に関して鏡面対称に左手系に基づくストローク角θ、偏角αおよび捻り角βを定義すれば同一の議論が成立する。以下、羽に作用する上向きの流体力を浮上力とし、羽に作用する前向きの流体力を推進力とする。
【０１９１】
（制御方法）
次に、羽ばたき装置に任意の運動を行なわせる制御方法について説明する。ここでは、本羽ばたき装置の左羽については右手形に基づくストローク角θ、偏角αおよび捻り角βを用い、そして、右羽についてはｘｚ平面に対して鏡面対称の左手形に基づくストローク角θ、偏角αおよび捻り角βを用いて羽の姿勢を示す。
【０１９２】
（制御フロー）
羽ばたきによる浮上移動は羽にかかる流体力によって行なわれるので、羽の運動により直接制御されるのは、本羽ばたき装置に与えられる加速度と角加速度である。
【０１９３】
まず、Ｓを目標とする浮上状態と現在の浮上状態との差異、Ｔ（Ｓ）を浮上状態から加速度、角加速度への変換を表わす関数、ｓを加速度、角加速度Ｆα（ｓ）を、加速度センサ５１、角加速度センサ５３のセンサ応答を含めた制御アルゴリズムを表わす関数、ｓαをアクチュエータ制御量、ＧW（ｓα）をアクチュエータと羽の応答を表わす関数、ｓWを羽の運動、ＧfS（ｓW）を羽の運動により本羽ばたき装置に及ぼされる加速度もしくは角加速度ｓeを表わす関数、Ｓｅがこの一連のプロセスにより行なわれる浮上状態の変更とすると、入力Ｓより出力Ｓｅが得られるプロセスは図３７に示すようなものとなる。
【０１９４】
また、実際には、羽と流体の慣性力により、現在までの羽の運動、流体の運動の時刻歴に依存する影響ＲWとＲfSがＧWとＧfSに加わることになる。
【０１９５】
（動作分割）
当然、Ｆα以外のすべての関数を正確に求め、これによりＳ＝Ｓｅとなる制御アルゴリズムＦαを算出する手法もあり得るが、本羽ばたき装置周囲の流体の流れと羽の運動の時刻歴が必要であり、膨大なデータ量と演算速度を必要とする。また、流体と構造の連成した挙動は複雑で、多くの場合カオティックな応答になってしまうため、実用的でない。
【０１９６】
そこで、予め基本的な動作パターンを用意しておき、目標とする浮上状態を分割してこれらの基本動作パターンを時系列にて組合わせて実現する手法が簡便で望ましい。
【０１９７】
物体の運動にはｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の３自由度の並進自由度と、θx方向、θy方向、θz方向の３自由度の回転自由度、つまり６自由度が存在する。すなわち、前後、左右、上下、そしてこれらの方向を軸とする回転である。
【０１９８】
このうち、左右への移動は、θz方向の回転と前後方向への移動を組合わせて行なうことができる。そこで、ここでは、前後方向、すなわちｘ軸方向への並進移動、上下方向、すなわちｚ軸方向への並進動作、また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転動作についてそれぞれ実現方法を説明する。
【０１９９】
（動作）
（１）  上下方向（ｚ軸方向）の動作
羽が移動することで、羽が流体から受ける力は羽の移動速度に依存するので、羽に及ぼされる上向きの流体力を大きく（小さく）するには、
Ａ：ストローク角θの振幅を大きく（小さく）する
Ｂ：羽ばたき周波数を大きく（小さく）する
などの方法がある。これらによって本羽ばたき装置は上昇（下降）することができる。ただし、流体力には負の値も含まれる。
【０２００】
なお、これらの手法によれば、羽が流体から受ける流体力そのものが大きくなるので、羽が流体力を上下方向以外から受けることによって、羽の力学的支点に羽から上下方向以外の力が及ぼされている際には、上昇とともにその方向へこの支点にかかる力の増加も伴う。たとえば、前方にほぼ等速直線運動を行なっている際に、羽ばたき周波数を大きくすると、本羽ばたき装置は速度増加を伴って上昇する。このように、現時点での羽ばたき方によって、副次的にこういった他の運動を伴うが、以後特に断らない限り、停空状態からの制御について説明する。
【０２０１】
また、羽の捻り角βを変えて、羽が移動する空間の体積を変化させることによっても浮上力は変化する。たとえば、打ち上げ時における羽が移動する空間の体積がより大きく、もしくは、打ち下ろし時における羽が移動する空間の体積がより小さくなるようなβを与えることで、羽に作用する上向きの流体力の時間平均は小さくなる。
【０２０２】
実際には、羽は剛体ではなく変形を伴うため、同一のβによっても羽が移動する空間の体積は変化するが、第１原理的には、羽の移動する方向に垂直なβが最も大きな羽が移動する空間の体積を与える。また、羽が移動する方向に平行なβが最も小さな羽が移動する空間の体積を与える。
【０２０３】
なお、この場合、副次的に、羽ばたきと垂直方向にも流体力が作用するため、これが制御上支障を生じるレベルである場合はこれを打ち消す羽の動きを付加する必要がある。最も単純には偏角αの変更により実現できる。
【０２０４】
また、前記のステップＳ２もしくはステップＳ４において羽の回転角速度を変化させることによってもｚ軸方向の動作を行なうことは可能である。たとえば、ステップＳ２において羽の回転角速度（−ｄβ／ｄｔ）を大きくすると、この回転によって生じる流体の下方向への流速が大きくなるため、この反作用によって羽に作用する上向きの流体力が大きくなる。
【０２０５】
なお、この場合、本羽ばたき装置に及ぼされる、羽の主軸を回転軸とするトルクが副次的に変化する。よって、この変化が制御上支障ない範囲に収まる範囲内でこの回転角速度変化を行なうことが望ましい。
【０２０６】
また、この場合、本羽ばたき装置に及ぼされる、前後方向への力も副次的に変化する。よって、この変化が制御上昇に支障をきたす場合は、（２）として後述する前後方向への力の制御も同時に行なうことが望ましい。
【０２０７】
（２）  前後方向（ｘ軸方向）の動作
前述した羽ばたき方法では、主にステップＳ２とステップＳ４にて、ｘ方向の向きへの流体力が羽に作用する。したがって、この羽の動かし方においては前進を伴い浮上する。
【０２０８】
また、打ち下ろしの際に偏角αを増加し羽を前方に移動させることで、羽には後向きの流体力が作用することになる。したがって、打ち下ろしの際の、すなわち、ステップＳ１における偏角αを制御して、ステップＳ１における羽に作用する後向きの流体力を他の主にステップＳ２とステップＳ４における前向きの流体力よりも大きくすれば後退し、小さくすれば前進することができる。また、この２力がほぼ釣り合えば前後方向に静止することができる。
【０２０９】
特に、本羽ばたき装置が前後方向に静止しており、左右の羽がほぼ対称な運動を行ない、重力と本羽ばたき装置における浮上力が釣り合っているならば、ホバリング状態が実現できる。
【０２１０】
なお、偏角αの変更に伴い副次的に、羽に及ぼされる流体力の鉛直方向成分が変化するので、これが制御上支障を生じるレベルにある場合にはこれを打ち消す羽の動きを付加する必要がある。これは、主に、前述の（１）の上下方向の動作によって行なうのが簡便である。
【０２１１】
さらに、前述したステップＳ２とステップＳ４において羽の回転動作の角速度を大きくすると前向きの流体力が増加し、小さくすると減少する。これによっても前後方向の動作を変化させることができる。
【０２１２】
また、（１）に述べた羽の捻り角βの変更に伴う副次的な流体力のうち、ｘ軸方向成分を利用する手法も可能である。つまり、打ち下ろし時にβ＞０なら前方向への、β＜０なら後方向への力が働く。
【０２１３】
なお、打ち上げ時のβ、α、θの関係はある程度拘束されているが、以上の流体力の制御はステップＳ３においても可能である。
【０２１４】
（３）  ｚ軸を回転軸とする回転動作
（２）において述べた前後方向への制御を、左羽と右羽について個別に行ない、これを異ならせることで本羽ばたき装置にトルクを与えることができる。
【０２１５】
すなわち、右羽の前向きの流体力を左羽のそれに対して高くすれば本羽ばたき装置はｘ軸正の向きに向かって左方向を向き、低くすれば同じく右方向を向く。
【０２１６】
（４）  ｘ軸を回転軸とする回転動作
（３）と同様に、右羽の上向きの流体力を左羽のそれに対して大きくすれば右側が持ち上がり、小さくすれば左側が持ち上がる。これによって、ｘ軸を回転軸とする回転動作を行なわせることができる。
【０２１７】
（５）  ｙ軸を回転軸とする回転動作
（２）に述べた、羽の捻り角βの角速度変更によって、本羽ばたき装置にかかるｙ軸回りのトルクを変化させることができる。これにより、ｙ軸を回転軸とする回転動作を行なうことができる。たとえば、ステップＳ１における捻り角βの回転角速度を大きくすると本羽ばたき装置は機首を下げ、逆に小さくすると機首を上げる。
【０２１８】
（６）  ホバリング（停空飛翔）
羽ばたき装置を停空させる際のストローク角θおよび偏角αならびに捻り角βの値を時間の関数として表わしたグラフを図３３に示す。ただし、図３３ではそれぞれの角度の縦軸の比率と異なっている。
【０２１９】
本発明者らが行なった実験においては、θ0はたとえば６０°である。β0はたとえば−１０°である。α1はたとえば３０°である。β1はたとえば−１００°である。β2はたとえば−６０°である。
【０２２０】
各ステップにおける左羽の運動とそれにより左羽の力学的支点Ａ２に生じる加速度、角加速度を図３８に示す。ただし、（３）（４）のｘ軸、ｚ軸を回転軸とする回転動作については略してある。これらは、前述のとおり、左右の羽の運動の非対称によって起こされる。
【０２２１】
（制御方法決定手法）
現在の浮上状態は、図３５に示すように、羽ばたき装置に搭載された加速度センサ５１や角加速度センサ５２が取得した値を適宜変更した値を用いて求められる。たとえば、速度は、加速度を時間積分した値に速度の初期値を与えることで求められる。また、位置は、速度を時間積分した値に位置の初期値を与えることで求められる。なお、浮上状態に、浮上状態の時刻歴を含む手法も可能である。
【０２２２】
図３４に示すように、制御装置４は、加速度センサ５１および角加速度センサ５２から得られる現在の浮上状態と目的とする浮上状態から、本羽ばたき装置の動作を決定する。この制御は、三次元で行なわれる点以外は従来から行なわれている制御手法を適用することができる。
【０２２３】
本羽ばたき装置の動作は、制御装置４にて、アクチュエータの駆動に変換される。この変換には、テーブル参照、もしくはその補完を用いるのが高速である。たとえば、図３９に示すように、基本となる動作と、それを実現するアクチュエータの駆動の組合せを予め用意しておく。なお、図３９の左端列は目的とする動作、羽ばたきにおけるＡとＢは、Ａは前進時の羽ばたき方、Ｂは停空時の羽ばたき方であり、より具体的にはそれぞれ図３２、図３３にグラフで示されるα、β、θの時刻歴を時間的に離散化したものである。制御装置４は、本羽ばたき装置の動作から、この駆動もしくはその補完した駆動をこのテーブルより算出する。
【０２２４】
ここでは、説明のため一旦本羽ばたき装置の動作を算出し、これをアクチュエータの駆動に変換するという手法を用いたが、浮上状態から直接アクチュエータの駆動を選択する手法も可能である。
【０２２５】
たとえば、定位制御を行なう場合、現在位置と目標位置との差によって、上述したアクチュエータの駆動のいずれかもしくはそれを補完した駆動を直接算出する手法も可能である。
【０２２６】
また、当然、羽ばたき装置の浮上状態を表わす物理量はここに示した位置、速度、加速度などに限らない。
【０２２７】
また、当然、アクチュエータの駆動を決定する手法はこの態様に限らない。
【０２２８】
上述した制御方法を用いることで、羽ばたき装置は変更を適宜行ないながら目的位置へ到達することができる。
【０２２９】
（浮上可能重量）
本発明者らの羽ばたき装置では、ステータ２１０は超音波モータ２３と同等であるので、θ方向の運動に対するトルクは１．０ｇｆ・ｃｍである。そこで、本発明者らは、シミュレーションによりこのトルクをもって羽ばたいた場合の流体力を求めた。
【０２３０】
羽の大きさを長辺４ｃｍ×短辺１ｃｍの矩形とした。なお、長辺はアクチュエータから離れる方向とした。また、羽の変形を無視した。幅８ｍｍ、長さ３３ｍｍのトンボの羽の質量が約２ｍｇであったので、この値に基づいて羽の質量を３ｍｇとした。
【０２３１】
また、超音波モータは、突起の先端部分の微小な楕円運動によってロータを駆動するため、実際の駆動トルクの立ち上がり立下りは楕円運動の周期のオーダ、すなわち、１００ｋＨｚのオーダであるが、計算の安定性の制約から、±２５０ｇｆ・ｃｍ／ｓｅｃであるとした。
【０２３２】
この羽に対して、一方の短辺をこの辺を回転軸とする回転自由度のみを残して固定し、この回転軸にトルクを与え、この回転軸に作用する反力を算出した。その結果を図３６に示す。なお、偏角αは０°であり、捻り角βも０°である。
【０２３３】
図３６に示すように、時刻０秒においては、羽は水平（ストローク角θ＝０°）である。時刻０秒から時刻０．００４秒までの間に、トルクの値を１ｇｆ・ｃｍまでほぼ直線的に増加させる。時刻０．００４秒から時刻０．０１秒の間では、トルクの値を１ｇｆ・ｃｍに保つ。時刻０．０１秒から時刻０．０１８秒までの間に、トルクの値を１ｇｆ・ｃｍから−１ｇｆ・ｃｍまでほぼ直線的に変化させる。時刻０．０１８秒から時刻０．０３秒の間では、トルクの値を−１ｇｆ・ｃｍに保つ。時刻０．０３秒から時刻０．０３８秒までの間に、トルクの値を−１ｇｆ・ｃｍから１ｇｆ・ｃｍまでほぼ直線的に変化させる。
【０２３４】
このようなトルクを与えることによって得られる接点反力の、打ち下ろしの間の時間平均は約０．２９ｇｆであった。打ち下ろしの間とはトルクが負である時間であり、具体的には時刻０．０１４秒から時刻０．０３４秒までの間である。
【０２３５】
このシミュレーションは１自由度の羽ばたき運動における結果であるため、打ち上げ時における流体力の作用は不明である。しかしながら、断面積に比べて流体の抵抗は減少するので、打ち上げ時に作用する下向きの支点反力は小さいこと、そして、その力が作用する時間は比較的短いこと、さらに、打ち下ろし以外にも羽の回転などを用いて浮上力が得られることから、１ｇｆ・ｃｍのトルクを有するアクチュエータを用いて、０．２９ｇ程度の質量のものを浮上させることは可能であるといえる。
【０２３６】
すなわち、本羽ばたき装置の全体の質量を０．５８ｇ以下に抑えることで、羽ばたき装置は浮上することができる。以下、羽ばたき装置の質量について検討する。
【０２３７】
まず、ステータ２１０は、その電極と圧電素子が薄いことで、比重２．７、厚さ０．４ｍｍ、半径４ｍｍの円盤と同等である。これにより、ステータ２１０の質量は０．０５４ｇである。また、補助ステータの質量は、ステータの直径がステータ２１０の直径の０．７倍であることから０．０１９ｇである。
【０２３８】
３つのベアリングはいずれも外径４．２ｍｍ、内径３．８ｍｍおよび厚さ０．４ｍｍのドーナツ状のボールベアリングである。ベアリングを構成する材質は比重４．８のチタンであり、約３０％の空隙があるため、ベアリングの質量は約０．０１３ｇである。
【０２３９】
また、ロータ２１９の材質はアルミニウムであり、壁央半径３ｍｍ、厚さ０．２ｍｍであることから、ロータ２１９の質量は約０．０６１ｇである。これらを合計すると、アクチュエータ２１の質量は０．１９２ｇである。
【０２４０】
また、羽の質量は前述したように０．００３ｇである。羽ばたき装置全体では、上記アクチュエータと羽が左右にそれぞれ１つずつ設けられているので、羽ばたき装置全体ではこれらの質量は０．３９０ｇとなる。
【０２４１】
さらに、この羽ばたき装置の支持構造１は、直径１ｃｍ、比重０．９、厚さ０．１ｍｍの球体であることから、支持構造１の質量は約０．０２８ｇとなる。
【０２４２】
また、制御装置４、加速度センサ５１および角加速度センサ５２はそれぞれ５ｍｍ×５ミリの半導体ベアチップから形成され、質量はいずれも約０．０１ｇである。したがって、制御装置４、加速度センサ５１および角加速度センサ５２を合わせた質量は約０．０３ｇとなる。そして、羽ばたき装置に搭載される電源６の質量は０．１３ｇである。
【０２４３】
以上より、羽ばたき装置の質量の合計は０．５７８ｇとなる。１対の羽により浮上力は０．５８ｇｆであるので、この羽ばたき装置は浮上することが可能になる。
【０２４４】
なお、電源６には以下に説明する重量パワー密度が要求される。まず、この羽ばたき装置の左右アクチュエータにおける最大消費電力は合計４０ｍＡである。電源電圧は３Ｖである。電解質重量が０．１ｇであるので、電源６には０．１２Ｗ／０．１ｇ、すなわち１２００Ｗ／ｋｇの重量パワー密度が要求される。
【０２４５】
たとえば、市販品のリチウムイオンポリマー２次電池の重量パワー密度は約６００Ｗ／ｋｇである。この値は携帯電話などの情報機器に用いられている重量１０ｇ以上の製品についてのものである。
【０２４６】
一般に、電解質重量に対する電極面積の比は電源のサイズに反比例する。この羽ばたき装置に搭載される電源６は、上述した情報機器などに用いられている２次電池の１０倍上の電極面積比を有する。したがって、この電源６はそのような２次電池の約１０倍の重量パワー密度を有することができ、上述した重量パワー密度を有することが可能である。電源６の電解質重量を約０．１ｇとすると、この羽ばたき装置においては約７．５分の飛行が可能になる。また、燃料電池等には、リチウムイオンポリマー２次電池よりも高い重量パワー密度を達成できるものもあり、当然、これらを利用することも、たとえば、質量といった条件が飛行可能な範囲ならば可能である。
【０２４７】
また、羽の羽ばたき動作により熱が発生することが懸念される。たとえば、アクチュエータを構成する材質がアルミニウムであるとし、その比熱を０．２１５ｃａｌ／（ｇ・℃）とすると、アクチュエータの質量は０．１９２ｇであるので、アクチュエータに供給されるエネルギーがすべて熱に変換（エネルギー変換効率０％）されたとしても０．３５℃、また、供給されるエネルギーの７０％が熱に変換されたとしても０．２４℃の温度上昇になる。
【０２４８】
実際には、羽ばたき装置において発生した熱は、羽ばたき装置から放出されることになる。たとえば、厚さ約６ｍｍの光ディスクの場合、光ディスク面に６ｍＷ程度のレーザ光を連続照射させた場合、光ディスク表面上の約１μｍ×１０μｍ程度の楕円領域では平均約１００℃程度まで上昇するが、表面から数十μｍの深さの位置ではほとんど光ディスクが置かれている周囲の温度程度まで下がっていることがわかっている。
【０２４９】
このことから、６０ｍＷ程度のエネルギーでは、ミリメートルオーダのアクチュエータを１℃上昇させることすらありえないと考えられる。
【０２５０】
（その他）
図１７に示すように、この羽ばたき装置では支持構造１として略球殻状に成形したポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を例に挙げて説明したが、材料や形状はこれに限られるものではない。また、アクチュエータの配置や羽の形状についても飛行の性能を損なわないならば、図１７に示すものに限られない。
【０２５１】
特に、この羽ばたき装置では安定性を重視して自然に図１７に示す姿勢となるように、重心を羽の力学的作用点よりも下に位置させたが、重心と力学的作用点の位置を一致させる方が姿勢制御に必要な左右の羽の流体力の差が最も小さくて済むので、羽ばたき装置の姿勢を容易に変更することができる。
【０２５２】
また、本羽ばたき装置では、加速度センサと角加速度センサにより羽ばたき装置の位置と姿勢を検出するものとしたが、羽ばたき装置の位置と姿勢が計測可能な手段であるならば上述したセンサに限られない。
【０２５３】
たとえば、互いに直交する３軸方向の加速度を測定することが可能な少なくとも２つの加速度センサを支持構造１の異なる位置にそれぞれ配置させて、その加速度センサから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、磁気センサによりこの磁場分布を検知することで羽ばたき装置の位置と姿勢を算出する方法も可能である。
【０２５４】
また、加速度センサ５１、角加速度センサ５２をはじめとするセンサ類は、制御装置４とは別部品として示されているが、軽量化の観点から、マイクロマシニング技術により制御装置４と一体で同一のシリコン基板上に形成してもよい。
【０２５５】
また、本羽ばたき装置では羽の駆動をオープンループ制御としているが、羽の付け根に羽の角度センサを設け、この角度センサから得られる角度情報によりクローズドループ制御を行なうことも可能である。
【０２５６】
さらに、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ならば、ここに挙げたセンサ類は必須ではない。
【０２５７】
また、この羽ばたき装置では進行波を用いた超音波素子によって直接羽を駆動させたが、羽を駆動する構造やアクチュエータの種類についても、上述したものに限られない。たとえば、特開平５−１６９５６７号公報に記載されているように、外骨格構造とリニアアクチュエータを組合わせて用いた羽ばたき構造も可能である。
【０２５８】
また、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。さらに、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も用いることが可能である。あるいは、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も可能である。たとえば、電力については熱電素子、電磁波などが挙げられる。
【０２５９】
上述した実施の形態１および実施の形態２に係る羽ばたき装置によれば、地面を離れて浮上することができるので、段差を乗り越える能力と隙間を通り抜ける能力とのトレードオフが存在しなくなる。
【０２６０】
たとえば、家庭環境において一般的な住人の目の高さ程度（１．５ｍ程度）に位置する障害物は、大型の家具や空調機等のようにほとんどその位置が固定されている。また、空調機や照明器具などは壁面や天井に固定されており、これらが移動することはほとんどない。
【０２６１】
したがって、障害物が少なく障害物の位置がほとんど変化しない領域（空間）にまで羽ばたき装置が浮上することで、羽ばたき装置は障害物に阻まれることなく家庭内を隈なく自由に移動することができる。また、浮上することで比較的小型の羽ばたき装置でも高い段差や障害物を乗り越えることができる。
【０２６２】
そして、上述したように、羽ばたき装置は空中で静止（ホバリング）等が可能であるので、家庭などのように比較的狭く障害物の多い空間を移動するのに適している。これにより、たとえば家庭内の状況を把握するなどの所定の作業を容易に行なうことができる。
【０２６３】
さらに、昆虫の自由な飛行に見られるように、羽の偏角や捻り角等を変化させることで、すばやく羽ばたき装置の移動方向を変えることができ、たとえばヘリコプターよりも機動性に優れている。
【０２６４】
また、羽ばたき装置は、その浮上力がその体積に直接は依存しないため、気球などのように浮上力が体積に比例する移動装置に比べて小型化に適している。
【０２６５】
さらに、この羽ばたき装置は屋外においても利用することができ、屋外の地形や障害物に邪魔されることなく移動することができ、たとえば、災害地等において人が容易に近づけない場所の情報収集を容易に行なうことができる。
【０２６６】
本発明に係る移動装置によれば、羽部の羽ばたき動作において打ち下ろし動作および打ち上げ動作の間の時間平均では、羽部が流体から受ける力のうち鉛直上向きの力が浮上本体部に作用する重力よりも大きくなることで、浮上本体部に浮力が与えられることになる。その結果、浮上本体部は地面に接することなく移動することができる。
【０２６７】
浮上本体部に浮力を与えるためには、打ち下ろしの動作の際に羽部が移動する空間の体積は打ち上げの動作の際に羽部が移動する空間の体積よりも大きいことが望ましく、たとえば、浮力と浮上本体部に作用する重力とを釣り合わせることで地面から離れた状態で空間に留まる停空飛翔（ホバリング）も可能になる。
【０２６８】
このような浮上本体部は、屋内において所定の作業を行なうための移動手段として用いられること、または、屋外において所定の作業を行なうための移動手段として用いられることが望ましい。
【０２６９】
浮上本体部は浮力を得て地面を離れて移動することができるので、たとえば家具等のさまざまな物体が置かれ、そして、そのような物体の位置が時間的に変化する屋内において、そのような障害物を避けて移動することができて各部屋の状況把握等の所定の作業を容易に行なうことができる。また、屋外においては、たとえば災害地における障害物や一般のフィールドなどにおける地形等に左右されることなくに移動することができて情報収集等の所定の作業を容易に行なうことができる。
【０２７０】
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】
【０２７１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る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】同実施の形態において、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】同実施の形態において、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】同実施の形態において、羽ばたき装置における羽ばたき動作の第２の状態を示す図である。
【図５】同実施の形態において、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】同実施の形態において、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】同実施の形態において、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】同実施の形態において、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】同実施の形態において、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】同実施の形態において、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】同実施の形態において、一変形例に係る羽ばたき装置を示す正面模式図である。
【図１２】同実施の形態において、他の変形例に係る羽ばたき装置を示す正面模式図である。
【図１３】同実施の形態において、さらに他の変形例に係る羽ばたき装置を示す正面模式図である。
【図１４】同実施の形態において、図１に示す羽ばたき装置の構造を示す平面模式図である。
【図１５】同実施の形態において、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】同実施の形態において、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】本発明の実施の形態２に係る羽ばたき装置の構造を示す正面図である。
【図１８】同実施の形態において、羽ばたき装置に用いられるアクチュエータを説明するための超音波モータを示す一平面図である。
【図１９】同実施の形態において、羽ばたき装置に用いられるアクチュエータを説明するための超音波モータを示す一側面図である。
【図２０】同実施の形態において、図１８および図１９に示された超音波モータの動作を説明するための図である。
【図２１】同実施の形態において、羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの構成を説明するための第１の図である。
【図２２】同実施の形態において、羽ばたき装置に用いられるアクチュエータの構成を説明するための第２の図である。
【図２３】同実施の形態において、羽を示す拡大斜視図である。
【図２４】同実施の形態において、ストローク角θと偏角αを示す図である。
【図２５】同実施の形態において、捻り角βを示す図である。
【図２６】同実施の形態において、羽ばたき装置における打ち下ろし動作を示す図である。
【図２７】同実施の形態において、羽ばたき装置における打ち上げ動作を示す図である。
【図２８】同実施の形態において、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２９】同実施の形態において、羽ばたき装置における羽ばたき動作の第２の状態を示す図である。
【図３０】同実施の形態において、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３１】同実施の形態において、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３２】同実施の形態において、ストローク角θおよび捻り角βの時間依存性を示す第１のグラフである。
【図３３】同実施の形態において、ストローク角θおよび捻り角βの時間依存性を示す第２のグラフである。
【図３４】同実施の形態において、羽ばたき装置におけるデータの流れを示すフローチャートである。
【図３５】同実施の形態において、羽ばたき装置における主要構成部分を示すブロック図である。
【図３６】同実施の形態において、羽ばたきのトルク、羽の移動（ストローク角θ）および支持反力の時間変化を示すグラフである。
【図３７】羽ばたき浮上制御の制御関数を説明するための説明図である。
【図３８】左羽の羽ばたかせ方の変化と、それに伴って起きる浮上状態の変化とを対応づけた対応表の図である。
【図３９】羽ばたき浮上の基本動作を実現するための羽ばたかせ方のパターンを示した対応表の図である。
【図４０】本実施の形態において、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。
【符号の説明】
【０２７２】
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、１０３，３０３，７１２  前羽軸、１０４，３０４，７１３  後羽軸、１０５，３０５，４０４，５０４，７００  胴体部、１０６，３０６，７１４  羽の膜、１０７，３０７  羽の先端部、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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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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