(57)【要約】      （修正有）【課題】離陸時や飛行中の姿勢保持が可能で、小型・軽量な飛翔移動体を提供する。【解決手段】飛翔移動体１であって、推進装置３と、機体２と、推進装置と機体を連結する連結機構とを備え、推進装置は、推進装置を回転軸線の回りに回転させる回転トルクと、回転軸線方向の推力とを発生し、連結機構は、推進装置が機体に対して回転軸線の回りに回転可能なように、推進装置と機体を連結し、機体は接地部材２１を備え、飛翔移動体の離陸時に、推進装置の作動によって生じる力の反作用に対して、接地部材の接地点で発生する摩擦力によって、推進装置が機体に対して、回転軸線の回りに回転することを可能とするように構成されている。【選択図】図１
2016215731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛翔移動体であって、
推進装置と、
機体と、
前記推進装置と前記機体を連結する連結機構と、
を備え、
前記推進装置は、前記推進装置を回転軸線の回りに回転させる回転トルクと、前記回転軸線方向の推力とを発生し、
前記連結機構は、前記推進装置が前記機体に対して前記回転軸線の回りに回転可能なように、前記推進装置と前記機体を連結し、
前記機体は接地部材を備え、前記飛翔移動体の離陸時に、前記推進装置の作動によって生じる力の反作用に対して前記接地部材の接地点で発生する摩擦力によって、前記推進装置が前記機体に対して前記回転軸線の回りに回転することを可能とするように構成されている飛翔移動体。
【請求項２】
前記推進装置は、複数の推力発生器と、前記回転軸線の回りに回転可能な支持部材とを備え、
前記複数の推力発生器は、前記複数の推力発生器の各々が発生する推力の方向が前記回転軸線に対して傾斜するように、前記支持部材に取り付けられている請求項１に記載の飛翔移動体。
【請求項３】
前記複数の推力発生器は、前記回転軸線に対して回転対称に前記支持部材に取り付けられている請求項２に記載の飛翔移動体。
【請求項４】
複数の推力発生器クラスタが前記複数の推力発生器を構成し、ここで推力発生器クラスタは２つ又はそれ以上の推力発生器からなり、前記複数の推力発生器クラスタの各々は、互いに離間して前記支持部材に取り付けられている請求項２に記載の飛翔移動体。
【請求項５】
前記複数の推力発生器クラスタは、前記支持部材に前記回転軸線について回転対称に取り付けられている請求項４に記載の飛翔移動体。
【請求項６】
前記複数の推力発生器は、噴流を噴射することによって推力を発生させる請求項１〜５のいずれか１項に記載の飛翔移動体。
【請求項７】
前記複数の推力発生器は、ロケットエンジンである請求項６に記載の飛翔移動体。
【請求項８】
前記回転軸線の方向を調整する回転軸線方向調整機構を更に備える請求項１〜７のいずれか１項に記載の飛翔移動体。
【請求項９】
前記支持部材は、前記回転軸線方向に摺動可能に前記機体に連結されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の飛翔移動体。
【請求項１０】
前記支持部材は、前記移動飛翔体の自重に打ち勝って離陸するのに必要な推力が前記推進装置によって発生されまで前記推進装置による推力が前記機体に伝達されないように、前記回転軸線上方に摺動可能に前記機体に連結されている請求項９に記載の飛翔移動体。
【請求項１１】
前記接地部材は、少なくとも３本の支持脚である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の飛翔移動体。
【請求項１２】
前記回転軸線方向調整機構は、前記少なくとも３本の支持脚のうちの少なくとも１本の支持脚の長さを調整する機構である請求項１１に記載の飛翔移動体。
【請求項１３】
前記回転軸線方向調整機構は、前記機体に対して前記推進装置の方向を調整する機構である請求項８に記載の飛翔移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、飛翔移動体に関するものであり、より詳細には推進装置が機体に対して回転軸線の回りに回転することを可能とするように構成されている飛翔移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、月・惑星探査機としてローバーが用いられてきた（例えば、下記非特許文献１参照）。しかしながら、クレータの縁、山、穴等の粗い地形を含む探査では、ローバーはそのような粗い地形を走行することが困難であるため、ローバーを使用することは困難である。また、地球上の災害現場においても、従来の車両が走行困難である場合が多い。そのため、跳躍型の飛翔移動体の実現が求められている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】K. Yoshida and B. Wilcox, Chap.45: Space Robots and Systems, inB. Siciliano and O. Khatib (Eds.), Springer Handbook of Robotics, Springer, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
跳躍型の飛翔体をロケットエンジン等のガスジェット推進装置を用いて実現しようとする場合、飛翔体を所望の方向に移動させるためには、離陸時及び飛行中の姿勢を一定に保つように制御する必要がある。
【０００５】
この点、ロケット等の飛翔体の離陸時の姿勢保持には、地表面に固定されたランチャーが用いられているが、地表面に固定されたランチャーを用いると行動範囲が著しく制約される上、ランチャー自体の重量により重量リソースを消費する。
【０００６】
また、飛行中の姿勢保持のためには専用の姿勢制御装置が必要となる。特に、月、惑星の表面では大気が存在せず空気力が利用できないため、複雑な姿勢制御装置が必要となる。このような専用の姿勢制御装置も、装置の複雑化を招き、またランチャーと同様に質量や電力などの質量、電力等のリソースを消費する。
【０００７】
そこで、本発明は、離陸時や飛行中の姿勢保持が可能で、小型・軽量な飛翔移動体を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの態様は、飛翔移動体であって、推進装置と、機体と、前記推進装置と前記機体を連結する連結機構と、を備え、前記推進装置は、前記推進装置を回転軸線の回りに回転させる回転トルクと、前記回転軸線方向の推力とを発生し、前記連結機構は、前記推進装置が前記機体に対して前記回転軸線の回りに回転可能なように、前記推進装置と前記機体を連結し、前記機体は接地部材を備え、前記飛翔移動体の離陸時に、前記推進装置の作動によって 生じる力の反作用に対して前記接地部材の接地点で発生する摩擦力によって、前記推進装置が前記機体に対して 前記回転軸線の回りに回転することを可能とするように構成されている飛翔移動体を提供するものである。
【０００９】
前記推進装置は、複数の推力発生器と、前記回転軸線の回りに回転可能な支持部材とを備え、前記複数の推力発生器は、前記複数の推力発生器の各々が発生する推力の方向が前記回転軸線に対して傾斜するように、前記支持部材に取り付けられることができる。
【００１０】
前記複数の推力発生器は、前記回転軸線に対して回転対称に前記支持部材に取り付けられることができる。
【００１１】
複数の推力発生器クラスタが前記複数の推力発生器を構成し、ここで推力発生器クラスタは２つ又はそれ以上の推力発生器からなり、前記複数の推力発生器クラスタの各々は、互いに離間して前記支持部材に取り付けられることができる。
【００１２】
前記複数の推力発生器クラスタは、前記支持部材に前記回転軸線について回転対称に取り付けられることができる。
【００１３】
前記複数の推力発生器は、噴流を噴射することによって推力を発生させることができる。
【００１４】
前記複数の推力発生器は、ロケットエンジンとすることができる。
【００１５】
前記飛翔移動体は、前記回転軸線の方向を調整する回転軸線方向調整機構を更に備えることができる。
【００１６】
前記支持部材は、前記回転軸線方向に摺動可能に前記機体に連結されることができる。
【００１７】
前記支持部材は、前記飛翔移動体の自重に打ち勝って離陸するのに必要な推力が前記推進装置によって発生されるまで前記推進装置による推力が前記機体に伝達されないように、前記回転軸線上方に摺動可能に前記機体に連結されることができる。
【００１８】
前記接地部材は、少なくとも３本の支持脚とすることができる。
【００１９】
前記回転軸線方向調整機構は、前記少なくとも３本の支持脚のうちの少なくとも１本の支持脚の長さを調整する機構とすることができる。
【００２０】
前記回転軸線方向調整機構は、前記機体に対して前記推進装置の方向を調整する機構とすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
上記構成を有する本発明によれば、離陸時や飛行中の姿勢保持が可能で、小型・軽量な飛翔移動体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の１つの実施形態に係る飛翔移動体の動作原理を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る飛翔移動体の斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る飛翔移動体の斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る飛翔移動体の回転軸線方向調整機構の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
（本発明の１つの実施形態に係る飛翔移動体の動作原理）
図１は、本発明の１つの実施形態に係る飛翔移動体の動作原理を説明する図である。この図１を参照して、本発明の１つの実施形態の動作原理を説明する。
【００２５】
図１に示されるように本実施形態に係る飛翔移動体１は、機体２と推進装置３を備える。
【００２６】
機体２は、台座２０、接地部材である３本の支持脚２１、シャフト２２を備える。台座２０には、第１のセットカラー２３を介して、シャフト２２が固定されている。また、台座２０には、３本の支持脚２１が取り付けられている。台座２０上にはペイロード２４が固定されている。
【００２７】
推進装置３は、推力発生器である２本のロケットエンジン３０と、それらを支持する支持部材３１を備える。支持部材３１は、回転軸線であるシャフト２２の軸の回りに回転可能であり、且つシャフト２２の軸方向に摺動可能なように、シャフト２２に連結されている。また、ロケットエンジン３０の取り付け姿勢は、シャフト２２の軸に対して回転対称であり、また、ロケットエンジン３０は、ロケットエンジン３０が下方に向けて発生する推力の方向がシャフト２２の軸方向に対して周方向に傾斜するように支持部材３１取り付けられている。このとき、ロケットエンジン３０の発生する推力の方向がシャフト２２の軸方向に対して周方向に傾斜するように取り付けられているので、ロケットエンジン３０は、シャフト２２の軸方向の推力Ｔａと、周方向の推力Ｔｒを発生する。この周方向の推力Ｔｒによって、推進装置３を回転させる回転トルクが発生し、推進装置３が回転することによる角運動量によって、推力ベクトルが飛翔移動体１の重力中心からずれること等により生ずる外乱トルクの影響を低減し、飛翔移動体１の姿勢を安定化させることができる。ロケットエンジン３０の支持部材３１への取り付けは、シャフト２２の軸方向に対して少なくとも周方向に傾斜して推進装置３を回転させる回転トルクが発生するようなものであれば、周方向のみに傾斜していなくともよい。ロケットエンジン３０の取り付け姿勢をシャフト２２の軸に対して回転対称とすることによって、各ロケットエンジン３０の軸方向の推力Ｔａと周方向の推力Ｔｒを均一化し、飛翔移動体１に対する倒れ方向の力の発生を抑止することができる。ただし、ロケットエンジン３０の取り付け姿勢をシャフト２２の軸に対して回転対称としなくてもよい。
【００２８】
飛翔移動体１の離陸時に、推進装置３の作動、すなわちロケットエンジン３０からの推力の発生によって、上述のような回転トルクが発生する。また、例えばロケットエンジン３０からの推力に不均衡があった場合、飛翔移動体１に倒れ方向の力が生じる。このような推進装置３の作動によって生じる力の反作用に対して、３本の支持脚２１の接地点において摩擦力が発生するため、機体２が推進装置３と一体として運動することなく、推進装置３が機体２に対してシャフト２２の軸の回りに回転することができる。すなわち、ランチャー等の飛翔移動体以外の固定装置を用いることなく、飛翔移動体１自身で離陸を行うことができる。
【００２９】
推進装置３の支持部材３１の上部と機体２の第１のセットカラー２３との間には所定の長さの遊び部４３が設けられており、推進装置３は、シャフト２２の軸方向に摺動可能である。ロケットエンジン３０から発生する推力は、定常状態に至るまでの過渡期において、時間が経つにつれて、次第に大きくなる。上述のような遊び部４３があることによって、点火直後から所定時間は、推進装置３がシャフト２２に沿って上昇し、その間は推進装置３の支持部材３１の上部と機体２の第１のセットカラー２３は接触しないので、推進装置３から発生する推力は、機体２に伝達されない。このような構成によって、以下のような効果が得られる。
【００３０】
（１）シャフト２２の軸方向の推力がより大きくなった状態で機体２に推力を伝達できるので、離陸の瞬間に機体２に作用する推力と重力の合力のベクトルがより上向きとなる。そのため、離陸時の飛翔移動体１の仰角がより大きくなり、離陸直後の支持脚２１と地面の干渉のリスクを低減することができる。
【００３１】
（２）推進装置３の角運動量がより大きくなった状態で機体２に推力を伝達できるので、飛翔移動体１の姿勢をより安定化させることができ、また飛翔移動体１の初期速度ベクトルの方向をよりシャフト２２の軸方向に合わせることができる。
【００３２】
また、遊び部４３の長さを、飛翔移動体１の自重に打ち勝って離陸するのに必要な推力が推進装置３によって発生されるまで推進装置３と機体２が接触しないような長さに設定すれば、以下のような効果が得られる。すなわち、例えばシャフト２２の軸方向が重力の方向に対して傾斜するように飛翔移動体１が配置されている場合のような、推進装置３から発生する推力の方向と重力の方向が異なる場合、支持脚２１の各接地点が地面から離れるのに必要な推進装置３の推力が、各接地点によって異なる場合がある。このような場合、遅れて地面から離れる接地点（最初に地面から離れる接地点以外の１つ又はそれ以上の接地点）を中心として飛翔移動体１の姿勢が前傾方向に倒れる、すなわち遅れて地面から離れる接地点を中心として飛翔移動体１が回転してしまう。そのため、飛翔移動体１全体が地面から離れるのに必要な推力が得られる前に、推進装置３から発生する推力が機体２に伝達されると、遅れて地面から離れる接地点を中心とする回転トルクが発生し、飛翔移動体１の移動方向にずれが生じてしまう。この点、上述のような構成によれば、飛翔移動体１全体が地面から離れるのに必要な推力が得られてから、推進装置３から発生する推力が機体２に伝達されるので、そのような事態を回避することができ、支持脚２１のすべてが同時に地面から離れることができる。
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る飛翔移動体の斜視図である。図２において図１と対応する部分には同一の符号を付し、上記動作原理と重複する説明は省略する。
【００３３】
図２に示されるように本実施形態に係る飛翔移動体１は、機体２と推進装置３を備える。
【００３４】
機体２は、台座２０、接地部材である３本の支持脚２１、シャフト２２、慣性計測ユニット（ＩＭＵ）２５、カメラ部２６を備える。台座２０には、第１のセットカラー２３を介して、シャフト２２が固定されている。また、台座２０には、長手方向略中央部で鈍角に折り曲げられた板状の取付金具２０１及び第２のセットカラー２０２を介して３本の支持脚２１が取り付けられている。台座２０に支持脚２１を直接取り付けることなく、鈍角に折り曲げられた板状の取付金具２０１を介して取り付けることによって、台座２０の大きさを小さくすることができ、機体２の重量を小さくすることができる。
【００３５】
支持脚２１の各々は、図示しない調整機構により伸縮可能な構成となっており、これによって回転軸線であるシャフト２２の軸の向き、すなわち推進装置３が発生する推力の方向を調整することができる。支持脚２１のすべてが伸縮可能な構成でなくとも、支持脚２１の少なくとも１本が伸縮可能な構成であれば、制約はあるものの、回転軸線の方向を調整することができる。
【００３６】
更に、台座２０には、２本の第１の支持柱２５２を介して第１の載置台２５１が取り付けられ、第１の載置台２５１にＩＭＵ２５が固定されている。第１の載置台２５１には、２本の第２の支持柱２６２を介して第２の載置台２６１が取り付けられ、第２の載置台２６１にカメラ部２６が固定されている。ＩＭＵ２５とカメラ部２６は、遠隔操作により動作可能となっている。
【００３７】
上述のように、飛翔移動体１の離陸時に、推進装置３の作動によって生じる力の反作用に対して３本の支持脚２１の接地点で発生する摩擦力によって、推進装置３が機体２に対して回転軸線の回りに回転することが可能となる。必須ではないが、本実施形態においては、３本の支持脚２１の接地側の先端部には、シリコンゴム製の防滑部材２７が取り付けられ、摩擦力がより大きくされている。
【００３８】
推進装置３は、推力発生器である３本のロケットエンジン３０と、それらを支持する支持部材３１を備える。支持部材３１は、ロケットエンジン３０を保持する保持部材３１０、回転摺動装置３１１を備える。保持部材３１０は、ロッド対３１２及びベース３１３を介して、アールが付いた三角柱状の回転摺動装置３１１に固定される。
【００３９】
回転摺動装置３１１は、リニアブッシュを内蔵しており、シャフト２２に嵌挿され、シャフト２２に対して、回転可能かつ摺動可能に連結される。
【００４０】
ベース３１３には、位置調整用の穴３１３ａが設けられており、これによって、ロケットエンジン３０をシャフト２２の軸方向に対して周方向に所望の角度だけ傾けて、ねじ３１３ｂによって取り付けることができる。
【００４１】
シャフト２２の下端部には、円盤状のストッパ２２１が設けられ、ストッパ２２１の上面には、シャフト２２に嵌挿された第３のセットカラー４２が配置され、回転摺動装置３１１の下方の位置を規制している。
【００４２】
回転摺動装置３１１と第１のセットカラー２３との間、及び回転摺動装置３１１と第３のセットカラー４２との間には、シャフト２２に嵌挿された第１のスラスト軸受４０、第２のスラスト軸受４１がそれぞれ配置されている。
【００４３】
したがって、回転摺動装置３１１、シャフト２２、第３のセットカラー４２、ストッパ２２１、第１のスラスト軸受４０、及び第２のスラスト軸受４１は、推進装置３が機体２に対してシャフト２２の軸の回りに回転可能なように、推進装置３と機体２を連結する連結機構として機能する。
【００４４】
第１のセットカラー２３の底面と第１のスラスト軸受４０の上面との間には、遊び部４３が設けられ、遊び部４３の長さは、上述のように、飛翔移動体１の自重に打ち勝って離陸するのに必要な推力が推進装置３によって発生されるまで、第１のセットカラー２３の底面と第１のスラスト軸受４０の上面が接触しないような長さに設定されている。
【００４５】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る飛翔移動体の斜視図であり、図４は、本発明の第２の実施形態に係る飛翔移動体の回転軸線方向調整機構の部分拡大図である。この図３、４を参照して、本発明の第２の実施形態の構成及び動作原理を説明する。図３、４において図１、２と対応する部分には同一の符号を付し、上記動作原理、第１の実施形態と重複する説明は省略する。
【００４６】
本実施形態において、第１の実施形態と異なる点の１つは、回転軸線方向調整機構の構成である。本実施形態では、第１の実施形態における第１のセットカラー２３が設けられていた部分が、ロール角及びピッチ角が調整可能な２軸方向調整機構５に置き換えられている。
【００４７】
２軸方向調整機構５は、第１の関節部５０、第２の関節部５１を有する。第１の関節部５０は、第１の連結部材５２が第２の連結部材５３に対して第１のモータ５５によりロール軸の回りに回動するように構成されている。また、第２の関節部５１は、第２の連結部材５３が第３の連結部材５４に対して第２のモータ５６によりピッチ軸の回りに回動するように構成されている。
【００４８】
シャフト２２は、第１の連結部材５２の底面に固定されている。第１の連結部材５２の底面は、第１のスラスト軸受４０の上面よりも大きくされ、推進装置３が発生する推力が、機体２へ十分に伝達されるようになっている。
【００４９】
第３の連結部材５４の上面は台座２０に固定されている。
【００５０】
台座２０上には、制御装置６が固定されている。制御装置６は、小型の慣性計測ユニット２５、小型のカメラ部２６、及び制御ユニット６０を備える。ＣＰＵやメモリを含む制御ユニット６０は、慣性計測ユニット２５、カメラ部２６、第１のモータ５５、第２のモータ５６と電気的に接続されている。制御ユニット６０は、慣性計測ユニット２５から出力される仰角と方位角の情報に基づいて、回転軸線であるシャフト２２の軸の方向が所望の方向となるような回転量信号を第１のモータ５５と第２のモータ５６へ送信する。
【００５１】
このような構成により、機体２に対して推進装置３の方向を調整することができ、回転軸線であるシャフト２２の軸の向き、すなわち推進装置３が発生する推力の方向を調整することができる。
【００５２】
上記実施形態においては、推進装置は、複数の推力発生器の各々が発生する推力の方向が前記回転軸線に対して傾斜するように、回転軸線の回りに回転可能な支持部材に取り付けられた構成であったが、推進装置の構成は、前記推進装置を回転軸線の回りに回転させる回転トルクと、前記回転軸線方向の推力とを発生させるものであれば任意の構成を用いることができる。例えば、回転軸線方向の推力を発生する主エンジンと回転軸線の周方向の推力を発生する副エンジンから構成される推進装置を用いることができる。
【００５３】
上記実施形態においては、推力発生器として、ロケットエンジンを用いたが、噴流を噴射することによって推力を発生させるものであれば任意の構成を用いることができる。例えば、コールドガスエンジンを用いることができる。
【００５４】
上記実施形態においては、推力発生器であるロケットエンジンが１つずつ離間して配置されていたが、ロケットエンジンは１回の点火で１回しか使用できないため、１回の移動しか行うことができなかった。そこで、２つ又はそれ以上の推力発生器で推力発生器クラスタを構成し、複数の推力発生器クラスタが離間して配置される構成とすれば、複数回の移動が可能となる。
【００５５】
上記実施形態においては、支持脚は３本であったが、３本以上であれば任意の数の支持脚を用いることができる。
【００５６】
以上、本発明について、例示のためにいくつかの実施形態に関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものでなく、本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、形態及び詳細について、様々な変形及び修正を行うことができることは、当業者に明らかであろう。
【符号の説明】
【００５７】
１  飛翔移動体
２  機体
２０  台座
２０１  取付金具
２０２  第２のセットカラー
２１  支持脚
２２  シャフト
２２１  ストッパ
２３  第１のセットカラー
２４  ペイロード
２５  慣性計測ユニット
２５１  第１の載置台
２５２  第１の支持柱
２６  カメラ部
２６１  第２の載置台
２６２  第２の支持柱
２７  防滑部材
３  推進装置
３０  ロケットエンジン
３１  支持部材
３１０  保持部材
３１１  回転摺動装置
３１２  ロッド対
３１３  ベース
３１３ａ  位置調整用の穴
３１３ｂ  ねじ
４０  第１のスラスト軸受
４１  第２のスラスト軸受
４２  第３のセットカラー
４３  遊び部
５  ２軸方向調整機構
５０  第１の関節部
５１  第２の関節部
５２  第１の連結部材
５３  第２の連結部材
５４  第３の連結部材
５５  第１のモータ
５６  第２のモータ
６  制御装置
６０  制御ユニット
【図１】
2016215731.tif 000003
【図２】
2016215731.tif 000004
【図３】
2016215731.tif 000005
【図４】
2016215731.tif 000006