(57)【要約】【課題】効率的な作物の栽培管理を実現できる栽培ロボットシステムを提供することを目的とする。【解決手段】１つもしくは複数の栽培ロボット１０２と、栽培ロボット１０２が取得したデータを処理する栽培管理ユニット１０５と、外部情報を入手して、栽培管理ユニット１０５に伝達する外部環境モニタリングユニット１０６とを備える栽培ロボットシステムを用い、温室１００に栽培される栽培作物１０１の成長度合いを管理する。上述の栽培ロボット１０２は、飛行機能、あるいはホバリング機能を備える小型の羽ばたきロボットであり、さらに温湿度センサ、風力センサ、および照度センサ等を備えることで、温室１００内の温度、湿度、気流、照度等のデータを３次元的に取得でき、個々の作物１００の生育環境を正確に把握できる。【選択図】　　　　図１
2004016182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１以上の栽培ロボットを含む栽培ロボットシステムであって、
前記栽培ロボットを用いて作物の栽培区域内の情報を取得する第１の取得手段と、
前記作物の栽培区域外の情報を取得する第２の取得手段と、
前記取得した前記作物の栽培区域内の情報と前記作物の栽培区域外の情報との少なくとも一方の情報に基づいて、前記栽培作物の成長度合いを管理する管理手段とを備える、栽培ロボットシステム。
【請求項２】
前記取得した作物の栽培区域内の情報を、少なくとも１以上の栽培作物ごとに記憶する記憶手段をさらに備え、
前記管理手段は、前記取得した前記作物の栽培区域外の情報と、前記栽培作物ごとに記憶した前記作物の栽培区域内の情報との少なくとも一方の情報に基づいて、前記少なくとも１以上の栽培作物ごとの生育状態と栽培地の環境状態とが適切であるか否かを判断し、前記少なくとも１以上の栽培作物ごとの成長度合いを管理する、請求項１に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項３】
前記取得した前記作物の栽培区域内の情報と前記作物の栽培区域外の情報との少なくとも一方の情報に基づいて、前記栽培区域内の温度と、湿度と、気流と、照度との少なくとも１つを制御する制御手段をさらに備える、請求項１または２に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項４】
作物の栽培区域内の情報を取得する第１の取得手段を備える少なくとも１以上の栽培ロボットと、
前記作物の栽培区域外の情報を取得する第２の取得手段を備える外部環境モニタリングユニットと、
前記栽培ロボットが取得した前記作物の栽培区域内の情報と、前記外部環境モニタリングユニットが取得した作物の栽培区域外の情報との、少なくとも一方の情報に基づいて、前記栽培作物の成長度合いを管理する管理手段を備える栽培管理ユニットとを含む栽培ロボットシステムであって、
前記外部環境モニタリングユニットは、前記取得した作物の栽培区域外の情報を前記栽培管理ユニットに伝達する伝達手段をさらに備える、栽培ロボットシステム。
【請求項５】
前記栽培管理ユニットは、前記栽培ロボットが取得した作物の栽培区域内の情報を、少なくとも１以上の栽培作物ごとに記憶する記憶手段をさらに備え、
前記栽培管理ユニットは、前記外部環境モニタリングユニットが取得した前記作物の栽培区域外の情報と、前記栽培作物ごとに記憶した前記作物の栽培区域内の情報との、少なくとも一方の情報に基づいて、前記少なくとも１以上の栽培作物ごとの生育状態と栽培地の環境状態とが適切であるか否かを判断する判断し、前記少なくとも１以上の栽培作物ごとの成長度合いを管理する、請求項４に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項６】
前記栽培管理ユニットは、前記栽培ロボットが取得した前記作物の栽培区域内の情報と、前記外部環境モニタリングユニットが取得した作物の栽培区域外の情報との、少なくとも一方の情報に基づいて、前記栽培区域内の温度と、湿度と、気流と、照度との少なくとも１つを制御する制御手段をさらに備える、請求項４または５に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項７】
前記栽培ロボットは、前記第１の取得手段として、温湿度センサと、風力センサと、照度センサとの少なくとも１つを備える、請求項１〜６のいずれかに記載の栽培ロボットシステム。
【請求項８】
前記栽培ロボットは、前記第１の取得手段としてＣＣＤセンサをさらに備える、請求項１〜７のいずれかに記載の栽培ロボットシステム。
【請求項９】
前記栽培ロボットは、前記第１の取得手段としてガスセンサをさらに備える、請求項１〜８のいずれかに記載の栽培ロボットシステム。
【請求項１０】
前記栽培ロボットは、前記ＣＣＤセンサを用いて、害虫を検出することを特徴とする、請求項８に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項１１】
前記栽培ロボットは、害虫駆除剤あるいは害虫忌避物質を搭載する搭載手段と、
前記検出した害虫に対して、前記搭載した害虫駆除剤あるいは害虫忌避物質を散布する散布手段とをさらに備える、請求項１０に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項１２】
前記栽培ロボットは、前記ＣＣＤセンサを用いて、雑草を検出することを特徴とする、請求項８に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項１３】
前記栽培ロボットは、除草剤または雑草の嫌う物質を搭載する搭載手段と、
前記検出した雑草に対して、前記搭載した除草剤または雑草の嫌う物質を散布する散布手段とをさらに備える、請求項１２に記載の栽培ロボットシステム。
【請求項１４】
前記栽培ロボットは、飛行手段をさらに備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の栽培ロボットシステム。
【請求項１５】
前記栽培ロボットは、ホバリング手段をさらに備える、請求項１〜１３のいずれかに記載の栽培ロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は栽培ロボットシステムに関し、特に、効率的な作物の栽培管理を実現できる栽培ロボットシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
農作物の栽培を効率化するため、様々な装置による管理、栽培システムが提案されている。
【０００３】
例えば、特開平１０−２１５７０１号公報においては、栽培地全体を工場としてとらえた植物工場であって、栽培用の自動装置が作業しやすいように構成され、農作業の効率を高めることのできる植物工場について開示されている。
【０００４】
また例えば、特開平１１−８９４５１号公報においては、温度、湿度や日射のセンサを用いて、栽培地の湿度環境が常に最適となるよう制御できる植物生産用水管理システムについて開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、現実の農家の温室などでは、照明やスプリンクラー、通風窓程度の設備はあっても、個々の温室により条件は様々であり、また、いつも同じ作物が栽培されているとは限らない。また、温室でなく、露天で栽培される作物の方がはるかに多いのも事実であり、農地の構成も、作物の売行きなどにより、常に変化している。
【０００６】
そのため、特開平１０−２１５７０１号公報において開示されている植物工場の場合、上述のような環境の変化に対応しにくいという問題がある。また、設備を建設するためのコストが膨大となるという問題もある。そのため、一般の農家でこのようなシステムを用いることは難しいという問題がある。
【０００７】
また、特開平１１−８９４５１号公報において開示されている植物生産用水管理システムについても、同様の問題があり、さらに、センサが栽培地全体に散らばっていないと、実際の土壌の乾燥度を正確に把握することが難しいという問題もある。
【０００８】
本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであって、効率的な作物の栽培管理を実現できる栽培ロボットシステムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のある局面に従うと、栽培ロボットシステムは、少なくとも１以上の栽培ロボットを含む栽培ロボットシステムであって、栽培ロボットを用いて作物の栽培区域内の情報を取得する第１の取得手段と、作物の栽培区域外の情報を取得する第２の取得手段と、取得した作物の栽培区域内の情報と作物の栽培区域外の情報との少なくとも一方の情報に基づいて、栽培作物の成長度合いを管理する管理手段とを備える。
【００１０】
また、栽培ロボットシステムは、取得した作物の栽培区域内の情報を、少なくとも１以上の栽培作物ごとに記憶する記憶手段をさらに備え、管理手段は、取得した作物の栽培区域外の情報と、栽培作物ごとに記憶した作物の栽培区域内の情報との少なくとも一方の情報に基づいて、少なくとも１以上の栽培作物ごとの生育状態と栽培地の環境状態とが適切であるか否かを判断し、少なくとも１以上の栽培作物ごとの成長度合いを管理することが望ましい。
【００１１】
また、栽培ロボットシステムは、取得した作物の栽培区域内の情報と作物の栽培区域外の情報との少なくとも一方の情報に基づいて、栽培区域内の温度と、湿度と、気流と、照度との少なくとも１つを制御する制御手段をさらに備えることが望ましい。
【００１２】
本発明の他の局面に従うと、栽培ロボットシステムは、作物の栽培区域内の情報を取得する第１の取得手段を備える少なくとも１以上の栽培ロボットと、作物の栽培区域外の情報を取得する第２の取得手段を備える外部環境モニタリングユニットと、栽培ロボットが取得した作物の栽培区域内の情報と、外部環境モニタリングユニットが取得した作物の栽培区域外の情報との、少なくとも一方の情報に基づいて、栽培作物の成長度合いを管理する管理手段を備える栽培管理ユニットとを含む栽培ロボットシステムであって、外部環境モニタリングユニットは、取得した作物の栽培区域外の情報を栽培管理ユニットに伝達する伝達手段をさらに備える。
【００１３】
また、上述の栽培管理ユニットは、栽培ロボットが取得した作物の栽培区域内の情報を、少なくとも１以上の栽培作物ごとに記憶する記憶手段をさらに備え、栽培管理ユニットは、外部環境モニタリングユニットが取得した作物の栽培区域外の情報と、栽培作物ごとに記憶した作物の栽培区域内の情報との、少なくとも一方の情報に基づいて、少なくとも１以上の栽培作物ごとの生育状態と栽培地の環境状態とが適切であるか否かを判断する判断し、少なくとも１以上の栽培作物ごとの成長度合いを管理することが望ましい。
【００１４】
また、上述の栽培管理ユニットは、栽培ロボットが取得した作物の栽培区域内の情報と、外部環境モニタリングユニットが取得した作物の栽培区域外の情報との、少なくとも一方の情報に基づいて、栽培区域内の温度と、湿度と、気流と、照度との少なくとも１つを制御する制御手段をさらに備えることが望ましい。
【００１５】
また、上述の栽培ロボットは、第１の取得手段として、温湿度センサと、風力センサと、照度センサとの少なくとも１つを備えることが望ましい。
【００１６】
また、上述の栽培ロボットは、第１の取得手段としてＣＣＤセンサをさらに備えることが望ましい。
【００１７】
また、上述の栽培ロボットは、第１の取得手段としてガスセンサをさらに備えることが望ましい。
【００１８】
また、上述の栽培ロボットは、ＣＣＤセンサを用いて、害虫を検出することを特徴とすることが望ましい。
【００１９】
さらに、上述の栽培ロボットは、害虫駆除剤あるいは害虫忌避物質を搭載する搭載手段と、検出した害虫に対して、搭載した害虫駆除剤あるいは害虫忌避物質を散布する散布手段とをさらに備えることが望ましい。
【００２０】
また、上述の栽培ロボットは、ＣＣＤセンサを用いて、雑草を検出することを特徴とすることが望ましい。
【００２１】
さらに、上述の栽培ロボットは、除草剤または雑草の嫌う物質を搭載する搭載手段と、検出した雑草に対して、搭載した除草剤または雑草の嫌う物質を散布する散布手段とをさらに備えることが望ましい。
【００２２】
また、上述の栽培ロボットは、飛行手段をさらに備えることが望ましい。
また、上述の栽培ロボットは、ホバリング手段をさらに備えることが望ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２４】
図１は、本実施の形態における栽培ロボットシステムの具体例を示す図であり、図１の（ａ）は温室１００の内部を上から見た図、図１の（ｂ）は、温室１００を側面から見た図である。
【００２５】
図１を参照して、本実施の形態における栽培ロボットシステムは、１つもしくは複数の栽培ロボット１０２と、栽培ロボット１０２が取得したデータを処理する栽培管理ユニット１０５と、外部情報を入手して、栽培管理ユニット１０５に伝達する外部環境モニタリングユニット１０６とを備え、温室１００に栽培される栽培作物１０１の成長度合いを管理するシステムである。
【００２６】
栽培ロボット１０２は、飛行機能、あるいはホバリング機能を備える小型の羽ばたきロボットであって、その構造の詳細については後に述べる。
【００２７】
栽培管理ユニット１０５は、一般的なパーソナルコンピュータ等のコンピュータによって構築することができる。そのため、ここでの詳細な構成の説明は行なわない。栽培管理ユニット１０５は、温湿度センサや風力センサ、照度センサを備える栽培ロボット１０２から、移動して検知した温室１００内の温度や湿度、気流、照度の分布等のデータを受信する。また、栽培管理ユニット１０５は、温室１００の外部にある外部環境モニタリングユニット１０６に接続され、外部環境モニタリングユニット１０６で検知された外部環境データ（外部の温度や湿度、風力、日射量、日長、気圧、酸素濃度、二酸化炭素濃度などの時間変化や天気予報の情報など）を受信する。そして、外部環境モニタリングユニット１０６から受信した外部環境データや、栽培ロボット１０２から受信した温室１００内のデータ、および、日付（季節）、時刻などを加味して、温室１００の通風窓１０８やスプリンクラー１０９、電照１１０の制御を行なう。このように、外部環境モニタリングユニット１０６から外部環境データも入手することによって、本実施の形態における栽培ロボットシステムでは、より適切な指示を行なうことができる。
【００２８】
栽培管理ユニット１０５は、栽培する作物１０１ごとのデータ（標準となる成長パターン、成長段階に合わせた環境の最適値、果実１０４の熟性度、害虫や雑草の識別など）や、過去の栽培実績データを記録する。そして、栽培管理ユニット１０５は、それらのデータに基づいて栽培管理を行なう。また、栽培管理ユニット１０５に記憶されるデータを変更することで、本実施の形態における栽培ロボットシステムでは、作物１０１の変更に容易に対応することができる。
【００２９】
このように、栽培管理ユニット１０５は、栽培作物１０１ごとのデータを有し、栽培ロボット１０２や外部環境モニタリングユニット１０６から得られるデータを用いて、栽培作物１０１の生育状態や栽培地の環境状態が適切か否かを判断する。あるいは、栽培ロボット１０２が、１つ、または複数の栽培作物１０１ごとのデータを有し、外部環境モニタリングユニット１０６から得られるデータを用いて、１つ、または複数の栽培作物１０１の生育状態や栽培地の環境状態が適切か否かを判断してもよい。このようにすることで、栽培作物１０１が替わった場合であっても、あるいは、栽培作物１０１が複数同時に存在する場合であっても、適切に対応ができる。すなわち、そのような場合であっても、システムの大幅な変更を必要とせず、低コスト化を図ることができる。また、当該栽培地での過去の栽培データを参照することもでき、より正確な生育環境のチェックを行なうことが可能である。
【００３０】
次に、栽培ロボット１０２は、ホバリング可能な小型の羽ばたきロボットであるため、温室１００が狭い場合や地面が平らでない場合であっても、通常の地上を移動するロボットを用いる場合に比べて素早く移動できる。また、温室１００内に様々な物が置かれている場合であっても、それらの障害物を回避し、作物の葉１０３や果実１０４を傷付けずに飛行できる。また、葉１０３の裏側の害虫や、茎の根元の雑草などを見つけるのにも適している。さらに、図示しない複数の温室１００を移動することも容易であり、コスト低減にも適する。
【００３１】
また、栽培ロボット１０２は、湿度センサを備え、葉１０３の蒸散作用を測定し、個々の作物１０１の代謝量を推定することもできる。
【００３２】
また、栽培ロボット１０２は、酸素濃度や二酸化炭素濃度、各種の匂いなどを測定できるガスセンサを備え、通風窓１０８の開閉といった温室１００内の環境も含め、葉１０３の蒸散作用から、個々の作物１０１の成長状態や代謝量の見積もりも可能となる。
【００３３】
このように、栽培ロボット１０２が、温湿度センサ、風力センサ、および照度センサ等を備え、また、温室１００内をくまなく移動できる飛行機能あるいはホバリング機能を備えることで、温室１００や部屋の内部の温度、湿度、気流、照度などのばらつきを３次元的に測定できる。このため、本実施の形態における栽培ロボットシステムでは、個々の作物１００の生育環境を正確に把握できる。また、作物１０１の成長に合わせて、重要な測定ポイントを連続的に変えることもできる。
【００３４】
また、栽培ロボット１０２は、ＣＣＤモニタを備え、作物１０１の成長度合い（作物１０１の発芽、茎の高さ、葉１０３の大きさ、開花、受粉、果実１０４の大きさや色合いなど）や、害虫や雑草を視覚的に確認できる。このため、本実施の形態における栽培ロボットシステムでは、作物１０１の生育状態を視覚的に管理することができる。なお、栽培ロボット１０２のＣＣＤモニタで得られた画像データは、栽培管理ユニット１０５に送信される。パターン認識などの処理量の処理は、栽培管理ユニット１０５で行なわれることが望ましいからである。このように負荷の大きな計算を、固定型の栽培管理ユニット１０５で行なうことにより、効率のよいシステム構成とすることができる。
【００３５】
さらに、栽培ロボット１０２は、害虫駆除や除草に効果のある物質を搭載し、それを少量ずつ散布する機能を設ける。このため、本実施の形態における栽培ロボットシステムでは、栽培ロボット１０２のＣＣＤモニタで視覚的に確認した害虫や雑草に対して、少量の農薬によるピンポイント攻撃が可能となる。その結果、コストパフォーマンスの向上を図ることができる。また、作物や環境に与える負荷を最小限に留めることができる。
【００３６】
以上のように、栽培ロボット１０２や栽培管理ユニット１０５を含む本実施の形態における栽培ロボットシステムを用いることで、作物を常時監視することが可能になる。また、作物に常時対応することも可能となる。そのため、徹底した栽培管理と人間の負担の削減とが可能となる。
【００３７】
また、本実施の形態における栽培ロボットシステムは、既存の温室１００や栽培地に、そのまま導入することができる。また、１つ、もしくは少数の栽培ロボット１０２で、広い面積の栽培地とそこに栽培された作物１０１の状態とを、常時、把握することができる。
【００３８】
また、本実施の形態における栽培ロボットシステムは、温室１００内あるいは室内の温度、湿度、気流、および照度等を制御するので、温室１００や部屋の内部の温度、湿度、気流、照度などのばらつきを可能な限り小さく調整し、作物１０１の生育のばらつきを抑えることができる。
【００３９】
なお、本実施の形態における栽培ロボットシステムでは、栽培管理ユニット１０５を備え、栽培ロボット１０２と役割分担を行なう場合について説明したが、同様の作業が可能であれば、栽培管理ユニット１０５を備えず、栽培ロボット１０２に全ての機能を搭載させても構わない。また、栽培ロボットシステムは栽培ロボット１０２を複数備え、作業効率の向上を図ることもできる。また、複数の栽培ロボット１０２が互いに通信して、データのやり取りを行なってもかまわない。さらに、本実施の形態における栽培ロボットシステムを、温室１００内の作物１０１の栽培に限らず、野外での栽培管理に用いることもできる。また、本実施の形態における栽培ロボットシステムは、大規模な農家に限らず、家庭や学校の菜園、室内の鑑賞用植物の育成管理において用いることもできる、すなわち、本実施の形態における栽培ロボットシステムは、規模には依存せず、様々な環境において用いることができる。例えば室内で用いる場合、空調を制御するエアコンなどの装置を本実施の形態における栽培ロボットシステムと連動させることで、人体への影響も考慮して、植物の育成環境作りを行なうことができる。
【００４０】
以上のことより、本実施の形態における栽培ロボットシステムは、一般の農家のような環境でも利用できるシステムである。さらに、人間に替わって、個々の作物の生育状態を正確にチェックする小型ロボットを用いることで、実際の栽培機具は従来のものを用いつつ、効率的な農作物の育成および管理を実現することができる。さらに、作物の種類が替わっても、それぞれの作物に最適な環境を提案することができる。
【００４１】
次に、本実施の形態の栽培ロボットシステムに備えられる栽培ロボット１０２について説明を行なう。ここでは、栽培ロボット１０２として、羽ばたきロボットを用いる場合について説明を行なう。
【００４２】
図２は、本実施の形態における栽培ロボット１０２の羽ばたき装置の概要を示す図である。図２（ａ）は、羽ばたき装置の前方正面部分を示し、図２（ｂ）は、羽ばたき装置の前方正面に向かって左側面部分を示す図である。なお、図２（ａ）、および図２（ｂ）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２０５の中心軸２０９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２０５が延びる方向に沿った軸（胴体軸２０８）は水平面内にあり、重心を通る中心軸２０９は、鉛直方向に保たれているものとする。
【００４３】
図２（ａ）、および図２（ｂ）を参照して、羽ばたき装置の胴体部２０５は、前羽軸２０３、後羽軸２０４と、前羽軸２０３と後羽軸２０４との間を渡すように設けられた羽の膜２０６とを有する羽（左羽）を備える。
【００４４】
また、胴体部２０５は、前羽軸２０３を駆動するための回転型アクチュエータ２０１と、後羽軸２０４を駆動するための回転型アクチュエータ２０２とを備える。なお、上述のアクチュエータ２０１，２０２の配置や、前羽軸２０３、後羽軸２０４　、および羽の膜２０６を含む羽の形状は、飛行の性能が損なわれないならば、図２に示される配置および形態に限られるものではない。
【００４５】
さらに、この羽ばたき装置について、羽の断面形状を鉛直上方に凸にすることで、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、より大きな浮上力が得られる。
【００４６】
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がアクチュエータ２０１，２０２に対して作用する位置（作用点）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ためには、重心とその作用点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、左右の羽が流体から受ける力の差が小さくなり、羽ばたき装置の姿勢変更を容易に行なうことができる。
【００４７】
２つの回転型アクチュエータ２０１と２０２とは、互いに回転軸２００（回転型アクチュエータ２０１，２０２の固定点を通る軸）を共有する。この回転軸２００と胴体軸２０８とは、所定の角度（９０°−θ）をなす。前羽軸２０３および後羽軸２０４は、回転型アクチュエータ２０１および回転型アクチュエータ２０２を支点として、回転軸２００と直交する平面内を往復運動する。この回転軸２００と直交する平面と胴体軸２０８とのなす角度が、仰角θとなる。
【００４８】
胴体部２０５は、機械的強度を確保すると共に、十分な軽量化を図るために、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）などを円筒状に成形したものであることが望ましいが、このような材料や形状限定されるものではない。
【００４９】
さて、図２（ａ）、および図２（ｂ）に示される羽ばたき装置では、回転型アクチュエータ２０１および回転型アクチュエータ２０２には、前羽軸２０３および後羽軸２０４がそれぞれ接続される。
【００５０】
前羽軸２０３と後羽軸２０４との間には　、羽の膜２０６が張られる。羽の膜２０６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、羽全体の剛性を高める働きをする。
【００５１】
軽量化のため、前羽軸２０３と後羽軸２０４とは中空構造であり、それぞれカーボングラファイトから形成される。このため、前羽軸２０３と後羽軸２０４とには弾力性があり、羽の膜２０６の張力により変形が可能である。
【００５２】
本実施の形態における栽培ロボット１０２は、上述の羽ばたき装置を備える羽ばたきロボットである。そこで次に、本実施の形態における栽培ロボット１０２である羽ばたきロボットについて説明する。
【００５３】
図３は、栽培ロボット１０２として用いる羽ばたきロボットの全体の構造を示す図である。なお、説明の便宜上、前方方向（紙面に向って上）に向って左側の羽は省略されている。また、以下においては、羽ばたきロボットの羽ばたき飛行の詳細を説明することを目的としているため、実際の栽培ロボット１０２に搭載されている温湿度センサ、風力センサ、ＣＣＤモニタ、およびガスセンサ等は省略する。
【００５４】
図３を参照して、羽ばたきロボットの胴体部３００には、超音波センサ３０１、赤外線センサ３０２、加速度センサ３０３、および角加速度センサ３０４が配される。
【００５５】
これらのセンサ３０１〜３０４による検出結果は、羽ばたき制御部３０５に送られる。羽ばたき制御部３０５は、超音波センサ３０１や赤外線センサ３０２によって検出された結果から、本羽ばたきロボットと周囲の障害物や人間との距離などの情報を処理する。また、羽ばたき制御部３０５は、加速度センサ３０３や角加速度センサ３０４によって検知された結果から、当該羽ばたきロボットの浮上状態、目的位置または姿勢などの情報を処理し、左右のアクチュエータ３０６および重心制御部３０７の駆動制御を決定する。
【００５６】
なお、ここでは、本羽ばたきロボット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３０１および赤外線センサ３０２を用い、当該羽ばたきロボットの位置および姿勢を検出する手段として、加速度センサ３０３および角加速度センサ３０４を用いたが、本羽ばたきロボットの周囲環境や位置と姿勢とが計測可能なセンサであれば、上記センサに限らない。
【００５７】
例えば、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３００の異なる位置に配して得られる加速度情報からも、当該羽ばたきロボットの姿勢を算出することができる。また、センサによって、この磁場分布を検知することで、当該羽ばたきロボットの位置と姿勢とを算出することもできる。
【００５８】
なお、図３においては、加速度センサ３０３および角加速度センサ３０４等のセンサ類は、羽ばたき制御部３０５とは別部品として示されているが、軽量化の観点から、例えば、マイクロマシニング技術により、羽ばたき制御部３０５と一体で同一基板上に形成してもよい。
【００５９】
また、本羽ばたきロボットでは、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。
【００６０】
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。
【００６１】
羽ばたき制御部３０５は、メモリ部３０８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３０８から読出す。また、羽ばたき制御部３０５は、各センサ３０１〜３０４によって得られた情報をメモリ部３０８に送込み、必要に応じて、メモリ部３０８の情報を書換える。そのため、羽ばたきロボットとして学習機能を持たせることができる。
【００６２】
なお、各センサ３０１〜３０４によって得られた情報をメモリ部３０８に蓄積するだけであれば、羽ばたき制御部３０５を介さずに、メモリ部３０８と各センサ３０１〜３０４とが、直接接続されてもよい。
【００６３】
また、羽ばたき制御部３０５は、通信制御部３０９と接続されて、通信制御部３０９とデータの入出力を行なう。通信制御部３０９は、アンテナ部３１０を介して、外部の装置（他の羽ばたきロボットや栽培管理ユニット１０５、あるいは空調システムなど）とデータの送受信を行なう。
【００６４】
このような通信機能により、本栽培ロボットシステムは、羽ばたきロボットが取得してメモリ部３０８に蓄えたデータを、速やかに外部の装置に転送できる。また、羽ばたきロボット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３０８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。例えば、作物１０１の最適環境や過去の栽培データを全て羽ばたきロボットである栽培ロボット１０２に記憶させなくても、随時、必要な情報のみ受取れば良い。また、電波で電力の受渡しを行なうこともできる。
【００６５】
なお、図３においては、アンテナ部３１０は、胴体部３００の端から突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、配置などはこれに限られない。例えば、前羽軸３１２や後羽軸３１３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３００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３０９とを一体化させた形態でもよい。
【００６６】
そして、以上の超音波センサ３０１、赤外線センサ３０２、加速度センサ３０３、角加速度センサ３０４、羽ばたき制御部３０５、左右のアクチュエータ３０６、重心制御部３０７、メモリ部３０８、通信制御部３０９、およびアンテナ部３１０などは、電源部３１１により供給される電流によって駆動される。
【００６７】
なお、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。例えば、電力については熱電素子、電磁波などが挙げられる。
【００６８】
次に、上述の羽ばたきロボットである本実施の形態における栽培ロボット１０２の、浮上方法について説明を行なう。
【００６９】
なお、説明の簡便のため、本羽ばたきロボットに作用する外力は、羽が流体から受ける流体力と、羽ばたきロボットに作用する重力（羽ばたきロボットの質量と重力加速度の積）とのみであるとする。
【００７０】
本羽ばたきロボット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）＞（本羽ばたきロボットに作用する重力）を満たすことが必要とされる。１回の羽ばたき動作とは、羽を打下ろし、次に羽を打上げる動作を言う。
【００７１】
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。
【００７２】
ここでは、昆虫の羽ばたき方を単純化した羽ばたき方法である、打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「打下ろし時の流体力」と記す。）を、打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。
【００７３】
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た浮上力と、本羽ばたきロボットに作用する重力（以下「重量」と記す。）との大小については後述する。
【００７４】
図２に示される羽ばたきロボットにおいて、打下ろし時の流体力を、打上げ時の流体力よりも大きくするためには、打下ろし時に、羽の膜２０６が移動する空間の体積が最大になるように打下ろせばよい。そのためには、羽の膜２０６を水平面と略平行に打下ろせばよい。これにより、ほぼ最大の流体力を得ることができる。
【００７５】
反対に、打上げ時には、羽の膜２０６が移動する空間の体積が最小になるように打上げればよい。そのためには、羽の膜２０６を水平面に対して略直角に近い角度で打上げればよい。これにより、羽に及ぼされる流体力はほぼ最小となる。
【００７６】
ここで、羽ばたき動作を、回転型アクチュエータ２０１，２０２により、回転軸２００の周りに両羽軸２０３，２０４を往復運動させる際に、各羽軸２０３，２０４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動作とする。このような往復運動において上述の条件を満たすために、図４に示す如く、前羽軸２０３の往復運動に対して、後羽軸２０４の往復運動を適当な位相φだけ遅れさせる。図４は、羽ばたき運動と羽ばたき運動の位相との関係を示す図である。
【００７７】
さらに、図５は、羽ばたき装置における羽ばたき動作の各状態を示す図である。図５は、上述の位相差φを２０°とした場合の羽ばたき動作の各状態が示された図である。
【００７８】
図５を参照して、上述の図４に示される羽ばたき動作を行なうことで、τ＝０°〜１８０°で示された打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５０１の前羽軸５０３が先に打下ろされるため、前羽軸５０３および後羽軸５０４の先端と羽の膜５０６とが、水平に近づく。一方、τ＝１８０°〜３１５°で示された打上げ時においては、両羽軸５０３，５０４の先端の高さの差が拡大されて、羽の膜５０６も垂直に近づく。
【００７９】
この結果、前羽軸５０３と後羽軸５０４とに張られた羽の膜５０６が流体を押下げ、あるいは、押上げる量に差異が生じる。そして、打下ろし時の流体力の方が打上げ時の流体力よりも大きくなるため、羽ばたきロボットは浮上力を得る。
【００８０】
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、本羽ばたきロボットでは、羽ばたき仰角θを固定しているが、これを変化させる機構を追加して、自由度を増やしても構わない。
【００８１】
次に、実際の羽ばたき制御について、さらに詳細に説明する。
上述した羽ばたきロボットにおいて、打下ろし動作または打上げ動作の際に、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（最も打上げた瞬間を０°、最も打下ろした瞬間を１８０°とする）、前羽軸と後羽軸の位相差をφとすれば（図４を参照）、およそ以下の式で表わされる。
【００８２】
ｔａｎα＝（ｗ／ｌ）・｛ｓｉｎ（γ・ｃｏｓτ）−ｓｉｎ（γ・ｃｏｓ（τ＋φ））｝
実際には、前羽軸や後羽軸に弾性があり、変形可能であるので、この捻り角αは、多少異なった値となる。また、羽軸の根元ほど、捻り角αの角度は小さい。しかし、以下においては、簡便のため、捻り角αを上の式のαとして説明する。
【００８３】
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、互いに打消し合うことになる。
【００８４】
羽に捻り角αを持たせると、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とは、それぞれ次のようになる。
【００８５】
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とは、打下ろし時では、
Ａ（下）＝−Ｌ・ｃｏｓθ＋Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ（下）＝−Ｌ・ｓｉｎθ−Ｄ・ｃｏｓθ
打上げ時では、
Ａ（上）＝Ｌ・ｃｏｓθ−Ｄ・ｓｉｎθ
Ｊ（上）＝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。
【００８６】
以上より、この飛行制御の一例として、以下に具体的な数値を示す。
すなわち、羽ばたきロボットの羽の長さ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、打下ろし時の位相差φ（下）＝４°、および、打上げ時の位相差φ（上）＝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との時間変化を、各角度の時間変化と共に図６に示す。図６は、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の図である。
【００８７】
図６において、横軸に、１周期分の時間が位相τで表わされている。前半が打下ろし、後半が打上げを示している。
【００８８】
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。
【００８９】
この例では、単位時間当たりの流体力の鉛直方向成分Ａにおいては、打下ろし時の方が、打上げ時より大きいため、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。従って、羽ばたきロボットが２枚の羽を備える場合、羽ばたきロボットの重量が約１ｇ以下であれば、浮上することができることになる。また、単位時間当たりの流体力の水平方向成分Ｊは、１周期の間にほぼ打消されるため、重量１ｇ程度の羽ばたきロボットであれば、ホバリング可能となる。
【００９０】
ここで、打下ろし時の位相差φ（下）を大きく、もしくは、打上げ時の位相差φ（上）を小さくすれば、前進することができる。この時、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、打下ろし時の位相差φ（下）を小さく、もしくは、打上げ時の位相差φ（上）を大きくすれば、後退することができる。この時、水平に後退させるには、周波数ｆを少し大きくすることが望ましい。
【００９１】
本羽ばたきロボットは、例えば、打上げ時の位相差φ（上）を１６°に保ったまま、打下ろし時の位相差φ（下）を７°と大きくするか、または、打下ろし時の位相差φ（下）を４°に保ったまま、打上げ時の位相差φ（上）を１１°と小さくして、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。
【００９２】
また、例えば、打上げ時の位相差φ（上）を１６°に保ったまま、打下ろし時の位相差φ（下）を１°と小さくするか、または、打下ろし時の位相差φ（下）を４°に保ったまま、打上げ時の位相差φ（上）を２４°と大きくし、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。
【００９３】
また、ホバリング状態のまま、羽ばたきロボット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。
【００９４】
また、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ロボットは上昇し、周波数ｆを下げることで羽ばたきロボットは下降する。
【００９５】
この例では、打上げ動作中、もしくは、打下ろし動作中にも、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、打上げ動作中や打下ろし動作中は羽の捻り角αを一定の値に設定して、打下ろし動作から打上げ動作、もしくは、打上げ動作から打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。
【００９６】
次に、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との時間変化を、各角度の時間変化と共に図７に示す。図７は、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の図である。
【００９７】
図７に示される場合は、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ることで実現できる。例えば、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ればよい。または、右羽の前羽軸と後羽軸の位相差を、左羽の位相よりも大きくすればよい。あるいは、羽ばたき仰角θが制御できる場合には、右羽の羽ばたき仰角θを左羽の羽ばたき仰角θよりも小さくする制御を行なう。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。また、羽ばたきロボット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。
【００９８】
あるいは、図３に示される重心制御部３０７を用いて、羽ばたきロボットの重心を左右にずらすことで、左右への旋回を行なってもよい。
【００９９】
例えば、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、羽ばたきロボットを右へ旋回させることができる。逆に、重心を左へずらして、同様に、周波数ｆを大きくすることで、羽ばたきロボットを左に旋回させることができる。また、いずれの場合でも、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。
【０１００】
以上の説明では、前羽軸２０３および後羽軸２０４の往復運動する平面と回転軸２００とが直交する場合について述べている。したがって、この場合は、前羽軸２０３の往復運動する平面と後羽軸２０４の往復運動する平面とが、互いに平行な関係となる。しかし、図３に示したように、前羽軸２０３の往復運動する平面と後羽軸２０４の往復運動する平面とに、角度を持たせてもよい。こうすることで、羽軸３１２，３１３の弾性力や羽の膜３１４の張力により、打上げ運動から打下ろし運動、あるいは打下ろし運動から打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、高速化できる。
【０１０１】
ここで、図８は、前羽軸および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。
【０１０２】
図８を参照して、羽軸の付け根８０５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８０６間の距離Ｗｏが最大となる。そのため、その時の羽軸の弾性力や羽の膜の張力も最大となり、｜α｜＞０の状態の方が安定となる。そして、捻り角αの変化を高速化できる。
【０１０３】
なお、上式を満たすεは、具体的には、羽のアスペクト比Ａｐ（ｌ／ｗ）＝１の時にはε＞３０°、Ａｐ＝４の時にはε＞１７．２°、Ａｐ＝１０の時にはε＞１１．５°である。
【０１０４】
さらに、羽軸８０１，８０２が、その軸の周りに軸回転できる自由度を付加すれば、アクチュエータにかかる負荷を軽減し、効率のよい制御が可能となる。すなわち、ここで再び図３を参照して、羽軸３１２，３１３が軸の周りに軸回転できる自由度を付加すれば、羽軸３１２，３１３どうしの位置関係が変化しても、羽の膜３１４が羽軸３１２，３１３に固定されている部分を互いに略向合わせるよう回転することが可能である。そのため、アクチュエータ３０６にかかる負荷を軽減し、効率のよい制御を行なうことができる。
【０１０５】
さらに、上述の栽培ロボットシステムにおける作物の栽培管理方法を、プログラムとして提供することもできる。このようなプログラムは、コンピュータに付属するフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびメモリカードなどのコンピュータ読取り可能な記録媒体にて記録させて、プログラム製品として提供することもできる。あるいは、コンピュータに内蔵するハードディスクなどの記録媒体にて記録させて、プログラムを提供することもできる。また、ネットワークを介したダウンロードによって、プログラムを提供することもできる。
【０１０６】
提供されるプログラム製品は、ハードディスクなどのプログラム格納部にインストールされて実行される。なお、プログラム製品は、プログラム自体と、プログラムが記録された記録媒体とを含む。
【０１０７】
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】
【図１】本実施の形態における栽培ロボットシステムの具体例を示す図である。
【図２】本実施の形態における栽培ロボット１０２の羽ばたき装置の概要を示す図である。
【図３】栽培ロボット１０２として用いる羽ばたきロボットの全体の構造を示す図である。
【図４】羽ばたき運動と羽ばたき運動の位相との関係を示す図である。
【図５】羽ばたき装置における羽ばたき動作の各状態を示す図である。
【図６】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の図である。
【図７】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の図である。
【図８】前羽軸および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】
１００　温室、１０１　作物、１０２　栽培ロボット、１０３　葉、１０４　果実、１０５　栽培管理ユニット、１０６　外部管理モニタリングユニット、１０８　通風窓、１０９　スプリンクラー、１１０　電照、２００　回転軸、２０１，２０２，５０１，５０２　回転型アクチュエータ、２０３，３１２，５０３，８０１　前羽軸、２０４，３１３，５０４，８０２　後羽軸、２０５，３００，５０５　胴体部、２０８　胴体軸、２０６，３１４，５０６　羽の膜、２０７，５０７　羽の先端部、２０９　中心軸、３０１　超音波センサ、３０２　赤外線センサ、３０３　加速度センサ、３０４　角加速度センサ、３０５　羽ばたき制御部、３０６　アクチュエータ、３０７　重心制御部、３０８　メモリ部、３０９　通信制御部、３１０　アンテナ部、３１１　電源部、４０１　前羽軸の振幅、４０２　後羽軸の振幅、８０３　前羽軸の回転軸、８０４　後羽軸の回転軸、８０５　羽軸の付け根、８０６　羽軸先端。
【図１】
2004016182.tif 000003
【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】
2004016182.tif 000009
【図８】
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