(57)【要約】【課題】障害物の多い空間を移動するロボットを直感的に操作することができるコントローラを備えて移動ロボットシステムを提供する。【解決手段】移動ロボットシステムは、ポインタコントローラ６００と、ポインタコントローラ６００によって操縦される浮上移動装置１００とを備えている。オペレータ２１０がポインタコントローラ６００を握持した状態で所定の方向を指し示せば、浮上移動装置１００は所定の方向における所定の位置へ向かって移動する。【選択図】図１
2009012668.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オペレータが握持することができ、かつ、指し示す方向が認識され得る形状または模様を有する筐体と、
前記筐体に設けられ、移動機能を有するロボットに該ロボットの移動方向を指令する情報を出力する情報出力部とを備え、
前記情報出力部は、それぞれが信号を照射する複数の信号照射部を有し、
前記複数の信号照射部から照射される複数の信号は、互いに重畳される性質を有しており、かつ、仮想の平面上において互いに重なる領域を有している、コントローラ。
【請求項２】
前記筐体の指し示す方向が、前記互いに重なる領域を通過する、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項３】
前記複数の信号照射部が２つ、３つ、または４つの信号照射部からなる、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項４】
前記複数の信号照射部が２つの信号照射部からなり、
前記２つの信号照射部は、それぞれが実質的に同一の半径を有する２つの円形状の領域を通過するように２つの信号を照射し、
前記筐体が指し示す方向を特定可能な仮想の直線が、実質的に、前記２つの円形状の領域の中心同士を結ぶ線分の中点の位置を通過する、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項５】
前記複数の信号照射部が４つの信号照射部からなり、
前記４つの信号照射部は、それぞれが実質的に同一の半径を有する４つの円形状の領域を通過するように４つの信号を照射し、
前記４つの円形状の領域は、それらの４つの中心点が実質的に正方形の４つの頂点に位置付けられており、
前記筐体が指し示す方向を特定可能な仮想の直線が、実質的に、正方形の対角線の交点の位置を通過する、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項６】
前記複数の信号の互いに重畳される性質が、物理量の強度である、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項７】
前記物理量の強度は、光の強度である、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項８】
前記４つの信号のそれぞれが互いに異なる値を特定可能な４ビットのデジタル信号である、請求項５に記載のコントローラ。
【請求項９】
前記指し示す方向が認識され得る形状が、前記筐体の表面上に設けられた突起部によって形成された、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項１０】
前記筐体が、前記指し示す方向に平行に延びるレーザ光を発射するレーザポインタを有する、請求項１に記載のコントローラ。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載のコントローラと、
前記コントローラから前記移動方向を指令する情報を受けて、該情報に基づいて移動するロボットとを備え、
前記ロボットは、
前記コントローラから照射されている前記複数の信号の重畳状態を検出し得るセンサと、
前記センサによって検出された前記複数の信号の重畳状態に関連付けられた所定の移動方向を特定可能なデータを記憶したメモリと、
前記メモリに記憶された前記データに基づいて前記ロボットを所定の移動方向に移動させる制御手段とを含む、移動ロボットシステム。
【請求項１２】
前記制御手段は、前記ロボットが前記複数の信号の重畳されている数がより多い領域に向かって移動するように制御を実行する、移動ロボットシステム。
【請求項１３】
前記ロボットは、
前記コントローラから照射された信号の照射方向を検出するセンサを含み、
前記制御手段は、前記ロボットの所定の部位が前記照射方向上に位置するように前記ロボットの姿勢を制御する、請求項１０に記載の移動ロボットシステム。
【請求項１４】
前記ロボットは、請求項１に記載のコントローラの複数の信号照射部から照射された複数の信号と同一機能を果たす複数の方位信号を照射する方位信号照射部を含み、さらに、
前記コントローラが、前記複数の方位信号を受信する受信部を含み、前記信号照射部から複数の信号とともに前記複数の方位信号を前記ロボットに照射し、
前記制御手段が、前記複数の信号に予め関連づけて移動方向を制御し、かつ、前記方位信号に関連づけて、前記ロボットの回転方向を制御する、移動ロボットシステム。
【請求項１５】
前記コントローラが、前記複数の信号に加えて、前記コントローラと前記ロボットとを結ぶ線に沿った方向において前記ロボットを移動させ得る信号を照射する、請求項１１〜１４に記載の移動ロボットシステム。
【請求項１６】
前記コントローラは、前記複数の信号に加えて、該コントローラから出力される前記複数の信号を無効化する信号を出力することができる、請求項１１〜１３に記載の移動ロボットシステム。
【請求項１７】
ロボットが浮上して移動することができる浮上移動ロボットである、請求項１１〜１６に記載の移動ロボットシステム。
【請求項１８】
前記浮上移動ロボットは、その重心に対して浮上力の作用点が鉛直上方に位置付けられている、請求項１７に記載の移動ロボットシステム。
【請求項１９】
前記浮上移動ロボットが羽ばたき運動する羽部を有する羽ばたきロボットである、請求項１７に記載の移動ロボットシステム。
【請求項２０】
前記記浮上移動ロボットが回転翼を有するヘリコプターである、請求項１７に記載の移動ロボットシステム。
【請求項２１】
前記浮上移動ロボットが仰角を変化させることが可能であるカメラを有しており、
前記コントローラは前記カメラの操作スイッチを有している、請求項１７に記載の移動ロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットを移動させるための操縦が容易であるコントローラおよびそれを用いた移動ロボットシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な作業を実行する移動ロボットシステムは、例えば、空中撮影または農薬散布などの分野で実用化されている。特に、移動ロボットの中でも、ロボットが空中に浮遊している状態で作業を行うことができる浮上移動ロボットが有望である。
【０００３】
また、移動ロボットシステムにおいては、ラジオコントローラ（通称、「ラジコン」）のプロポーショナルシステム（通称、「プロポ」）に代表されるように、アクチュエータへ駆動信号を直接送信するコントローラが採用されている。
【０００４】
なお、本明細書においては、ロボットは、何らかの機構により移動する機能を有しているロボットであれば、地上、空中、および水中のいずれを移動するロボットであってもよい。
【特許文献１】特開２００３−１１８６９７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、従来の移動ロボットシステムによれば、ロボットの移動形態が特殊性でありかつロボットの操縦が困難であることから、コントローラの操作に習熟したオペレータでなければ、移動ロボットシステムを使用してロボットに所望の移動をさせることができないという問題がある。以下、空中撮影ロボットを例に挙げて、その問題を具体的に説明する。
【０００６】
たとえば、移動ロボットの一例として、ジャンボジェットまたはグライダーのような固定翼を用いるロボット、ヘリコプターのような回転翼を用いるロボット、および飛行船のような浮力を用いるロボット等が挙げられる。
【０００７】
固定翼を用いるロボットは、前進し続けなければ落下してしまうため、その前進速度が、前方の空間に存在する障害物を回避することができる程度であることが要求される。そのため、近年開発されている数グラム程度の極めて小型かつ軽量な固定翼を用いるロボットの飛行においても、数メートル四方の障害物のない空間が用意されていることが必要である。
【０００８】
また、固定翼を有するロボットを用いて画像を撮影する場合には、浮上している状態を維持するために前進し続ける必要があるため、コントローラのオペレータに障害物の回避するための操作を実行しながら撮影のための操作を行うことが要求される。
【０００９】
さらに、撮影のための操縦は、フラップの角度と前進速度との双方を考慮した状態で行われるため、直感的なものではない。そのため、撮影のための操作のための訓練が必要である。したがって、固定翼を有する移動ロボットを用いる撮影は、比較的障害物が少ない高さ位置からの撮影のみに限定され、その撮影のためにも訓練が必要である。
【００１０】
回転翼を有するロボットの操縦は、一般に固定翼を有するロボットの操縦よりも困難であり、かつ、ロボットが小型になるほど困難になるという問題がある。特に、浮上力を発生させるメインロータを傾けることにより、移動制御および姿勢制御の双方が実現されるため、位置および姿勢のいずれか一方のみを変更したい場合においても、それらのうちの他方も変更されてしまうため、所望の位置および姿勢の双方の制御を実現することが困難であるという問題がある。
【００１１】
この他に、飛行船を用いるロボットシステムにおいては、質量のわりに体積および表面積が大きいことに起因して空気抵抗が大きいため、高い機動力が得られないという問題がある。また、飛行船の大きさは、飛行船の手軽な利用の妨げの要因になっている。したがって、飛行船は、大型のものを除いて空中からの撮影の用途には適していない。
【００１２】
要するに、従来の浮上して移動するロボットを用いるロボットシステムによる撮影は、その操作の困難性のため、専門的な訓練を受けたオペレータによる撮影に限定されており、また、障害物の少ない高い位置からの撮影に限定されている。したがって、そのロボットシステムを用いて、室内、繁華街、または観光地などの障害物の多い地上高１ｍ〜数ｍ程度の位置から撮影はなされていない。たとえば、従来の浮上移動ロボットシステムは、気軽に自分を含めた風景写真または複数の人の集合写真を撮るような用途には適していない。したがって、ロボットの移動のための操作が容易であるコントローラを備えた移動ロボットシステムが求められている。
【００１３】
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、ロボットの移動方向を制御するための操作が容易であるコントローラおよびそれを用いた移動ロボットシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のコントローラは、オペレータが握持することができ、かつ、指し示す方向が認識され得る形状または模様を有する筐体と、筐体に設けられ、移動機能を有するロボットに該ロボットの移動方向を指令する情報を出力する情報出力部とを備えている。情報出力部は、それぞれが信号を照射する複数の信号照射部を有している。複数の信号照射部から照射される複数の信号は、互いに重畳される性質を有しており、かつ、仮想の平面上において互いに重なる領域を有している。
【００１５】
上記の構成によれば、複数の信号が重なっている数の相違を利用して、移動体に移動方向を指示する情報を空間に向かって出力することができる。そのため、移動体の移動方向を指示するためのコントローラを容易に実現することができる。
【００１６】
また、筐体の指し示す方向が、互いに重なる領域を通過することが好ましい。
上記の構成によれば、筐体が指し示す方向と複数の信号が互いに重なる領域とを対応させることによって、移動体を所望の方向に容易に移動させることができる。
【００１７】
複数の信号照射部が２つの信号照射部からなっていれば、ロボットの１次元の移動を容易に操作することができる。また、複数の信号照射部が３つの信号照射部からなっていれば、ロボットの２次元の移動のための操作を最も少ない数の信号照射部を用いて実現することができる。また、複数の信号照射部が４つの信号照射部からなっていれば、上下左右にコントローラを移動させることにより、ロボットを上下左右に移動させることができるため、直感的な操作により、ロボットの２次元の移動を操作することができる。
【００１８】
複数の信号照射部が２つの信号照射部からなり、２つの信号照射部は、それぞれが２つの円形状の領域を通過するように２つの信号を照射し、筐体が指し示す方向を特定可能な仮想の直線が、実質的に、２つの円形状の領域の中心同士を結ぶ線分の中点の位置を通過してもよい。
【００１９】
上記の構成によれば、左右方向移動または上下方向移動等のような１次元における直線移動のための方向を指示するコントローラを容易に実現することができる。
【００２０】
複数の信号照射部が３つの信号照射部からなり、３つの信号照射部は、それぞれが３つの円形状の領域を通過するように３つの信号を照射し、３つの円形状の領域は、それぞれ他の２つの領域と重なる領域を有し、筐体が指し示す方向を特定可能な仮想の直線は、３つ全ての信号が重なる領域を通過してもよい。
【００２１】
上記の構成によれば、上下方向および左右方向を含む平面等のような２次元における平面内移動のための方向を指示するコントローラを、最も少ない信号照射部を用いて実現することができる。
【００２２】
複数の信号照射部が４つの信号照射部からなり、４つの信号照射部は、それぞれが実質的に同一の半径を有する４つの円形状の領域を通過するように４つの信号を照射し、４つの円形状の領域は、それらの４つの中心点が実質的に正方形の４つの頂点に位置付けられており、筐体が指し示す方向を特定可能な仮想の直線が、実質的に、正方形の対角線の交点の位置を通過してもよい。
【００２３】
上記の構成によれば、コントローラの指示方向が、例えば、上下左右といった、直行座標系において規定できる方向として得られるため、オペレータの直感による制御が容易になる。
【００２４】
また、複数の信号の互いに重畳される性質が、物理量の強度であってもよい。これによれば、複数の信号が重畳された領域が最も容易に認識される。また、物理量の強度は、光の強度であってもよい。
【００２５】
また、４つの信号のそれぞれが互いに異なる値を特定可能な４ビットのデジタル信号を含んでいてもよい。これによれば、最も少ないデータ量で２次元の移動を指示することができる。
【００２６】
また、指し示す方向が認識され得る形状が、筐体の表面上に設けられた突起部によって形成されていることが好ましい。これによれば、オペレータが容易に指し示す方向を認識することができる。
【００２７】
また、筐体が指し示す方向に平行に延びるレーザ光を発射するレーザポインタを有していることが好ましい。これによれば、オペレータ自身が指し示す方向を容易に把握することができる。
【００２８】
また、本発明の移動ロボットシステムは、前述のコントローラと、コントローラから前記移動方向を指令する情報を受けて、該情報に基づいて移動するロボットとを備えている。また、ロボットは、コントローラから照射されている複数の信号の重畳状態を検出し得るセンサと、センサによって検出された複数の信号の重畳状態に関連付けられた所定の移動方向を特定可能なデータを記憶したメモリと、メモリに記憶されたデータに基づいてロボットを所定の移動方向に移動させる制御手段とを含んでいる。
【００２９】
これによれば、コントローラが指し示す方向に対応してロボットを移動させることができる移動ロボットシステムを実現することができる。
【００３０】
また、制御手段は、ロボットが複数の信号の重畳されている数がより多い領域に向かって移動するように制御を実行することが望ましい。これによれば、ロボットをある領域に向かって移動させた後、その領域に留まらせることができる。
【００３１】
また、ロボットは、コントローラから照射された信号の照射方向を検出するセンサを含んでおり、この場合に、制御手段は、ロボットの所定の部位が照射方向上に位置するようにロボットの姿勢を制御してもよい。これによれば、ロボットの所定の部位を常にコントローラの信号照射方向上に位置付けることができる。
【００３２】
また、ロボットは、前述のコントローラの複数の信号照射部から照射された複数の信号と同一機能を果たす複数の方位信号を照射する方位信号照射部を含み、さらに、コントローラが、複数の方位信号を受信する受信部を含み、信号照射部から複数の信号とともに前記複数の方位信号をロボットに照射し、制御手段が、複数の信号に予め関連づけて移動方向を制御し、かつ、方位信号に関連づけて、ロボットの回転方向を制御することが望ましい。これによれば、ロボットの位置に対するコントローラの位置の方向に対応してロボットを回転させることができる。
【００３３】
また、コントローラが複数の信号に加えて、コントローラとロボットとを結ぶ線に沿った方向において前記ロボットを移動させ得る信号を照射することが望ましい。これによれば、ロボットの３次元における移動を、１つのコントローラの直感的な操作によって容易に実現させることができる。
【００３４】
また、コントローラは、複数の信号に加えて、コントローラから出力される複数の信号を無効化する信号を出力することができることが望ましい。これによれば、振動などの不用意なコントローラの移動に起因して生じるロボットの望まれざる移動の発生を防止することができる。
【００３５】
また、ロボットが浮上して移動することができる浮上移動ロボットであれば、３次元の移動の自由度が高い移動ロボットシステムを実現することができる。
【００３６】
また、浮上移動ロボットは、その重心に対して浮上力の作用点が鉛直上方に位置付けられていれば、ロボットの回転が鉛直方向に延びる軸まわりの回転に限定されるため、ロボットの操作がより容易になる。
【００３７】
また、浮上移動ロボットが羽ばたき運動する羽部を有する羽ばたきロボットであれば、３次元空間における機動性が高い移動ロボットシステムを実現することができる。
【００３８】
また、浮上移動ロボットが回転翼を有するヘリコプターであれば、ロボットの水平状態を維持することが容易である。
【００３９】
また、浮上移動ロボットが仰角を変化させることが可能であるカメラを有しており、コントローラがカメラの操作スイッチを有していれば、気軽に空中撮影を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
（実施の形態１）
図１〜図６３を用いて、本発明の移動ロボットシステムの一実施の形態の浮上撮影システムを説明する。なお、本実施の形態では静止画を撮影する浮上撮影システムの説明がなされているが、本発明の移動ロボットシステムは、これに限定されるものではなく、移動する機能を有するロボットを有するものであれば、いなかるものであってもよい。たとえば、移動ロボットシステムは、動画を撮影する移動ロボットシステムであってもよい。この移動ロボットシステムは、後述されるズーム機能付きシャッターボタン６２０が、録画開始・停止ボタンに変更されるだけで容易に実現され得るものである。
【００４１】
＜全体の構成＞
＜構成の概要＞
まず、図１を用いて浮上撮影システムの全体構成を説明する。
【００４２】
本実施の形態の移動ロボットシステムの一例の撮影ロボットシステムは、図１に示されるように、ポインタコントローラ６００と、ポインタコントローラ６００によって操縦される浮上移動装置１００とを備えている。浮上移動装置１００には、画像センサ１８０が搭載されている。画像センサ１８０は、空中から地上の物体等を撮影することができる。
【００４３】
本実施の形態の移動ロボットシステムによれば、直感的かつ単純な操作によって、浮上移動装置１００の撮影のための移動を制御することができる。つまり、オペレータ２１０がポインタコントローラ６００を握持した状態で所定の方向を指し示せば、浮上移動装置１００は所定の方向における所定の位置へ向かって移動する。
【００４４】
さらに、オペレータ２１０は、ポインタコントローラ６００の姿勢変更ボタン６４０を押下するだけで、画像センサ１８０がポインタコントローラ６００に向くように、浮上移動装置１００および画像センサ１８０の姿勢が変更ないし維持される。
【００４５】
ポインタコントローラ６００は、円筒形等の、オペレータ２１０がその指し示す方向を認識し易い形状を有している。なお、ポインタコントローラ６００は、形状ではなく、その表面に付された模様によって、オペレータ２１０がその指し示す方向を認識し易くなっていてもよい。また、後述されるように、浮上移動装置１００は、ポインタコントローラ６００が指し示す方向における所定の位置に移動するため、オペレータ２１０は、浮上移動装置１００に対して所望の位置をポインタコントローラ６００によって指し示す操作によって、浮上移動装置１００を所望の方向における所定の位置に移動させた後、ポインタコントローラ６００のスイッチ操作によって浮上移動装置１００を所望の位置へ移動させることができる。
【００４６】
これによれば、オペレータ２１０は、画像センサ１８０を用いて、操縦の煩雑さを感じることなく、所望の位置からの空中撮影画像を得ることができる。
【００４７】
＜ハードウェア構成＞
ポインタコントローラ６００から前方空間に向かって、その方角に応じたデータが赤外線光信号として送信されている。浮上移動装置１００は、後述されるデータ受信センサ７００を用いて上記データを受信することによって、ポインタコントローラ６００を基準として、自身が基準に対していずれの位置に存在するのかを検出することができる。
【００４８】
さらに、浮上移動装置１００は、後述されるデータ受信センサ７００に設けられた方位検出部によって、自己に対して前述のデータがいずれの方位から進行してきたのかを検出することができる。それにより、浮上移動装置１００は、ポインタコントローラ６００を基準とした自身の姿勢すなわちポインタコントローラ６００に対する向きを検出することができる。
【００４９】
上述のポインタコントローラ６００に対する浮上移動装置１００の位置および向きの検出結果に基づいて、浮上移動装置１００は、自身が行うべき運動を把握し、自己の位置および姿勢ならびに画像センサ１８０の仰角を変更することができる。なお、これらの変更は、ポインタコントローラ６００に設けられた、変更の有無を指示するボタンのＯＮ／ＯＦＦに基づいて行われる。
【００５０】
さらに、浮上移動装置１００には画像センサ１８０が搭載されている。後述されるように、浮上移動装置１００が、ポインタコントローラ６００が指し示す方向が常に画像センサ１８０の画角中心を通過するように、その姿勢(水平面内における方位)を変更する機能を有し、かつ、画像センサ１８０の仰角を変更する機能を有するため、画像センサ１８０が常にポインタコントローラ６００に向いている状態が実現される。
【００５１】
オペレータ２１０がポインタコントローラ６００に設けられたズーム兼シャッターボタン６２０を操作することによって、画像撮影命令を前述の赤外線光信号の一部として浮上移動装置１００に送信することができる。これによれば、所望の画像が撮影される。なお、撮影された画像は、浮上移動装置１００からポインタコントローラ６００へ送信され、ポインタコントローラ６００内のストレージ６８０に保存される。
【００５２】
以上のような操作により、オペレータ２１０は、操縦の煩雑さを意識することなく、空間の所望の位置をポインタコントローラ６００により指し示し、ズーム兼シャッターボタン６２０を操作するだけで、空中から自分自身を撮影することができる。
【００５３】
なお、本実施の形態においては、移動ロボットシステムの用途の一例として、記念写真等を空中から撮影することが示されているが、本発明の移動ロボットシステムの用途は、これに限定されず、移動するロボットの操縦を簡単に行うことができる移動ロボットシステムが実現されるのであれば、移動ロボットシステムの用途はいかなるものであってもよい。
【００５４】
＜操作手順＞
なお、本実施の形態においては、浮上移動装置１００は、まず、その正面がポインタコントローラ６００を向くように姿勢を変更し、その後、ポインタコントローラ６００が指し示す方向におけるいずれかの位置に移動する。この手順を採用した主な理由は、浮上移動装置１００がこの順序で動作することが最も簡単な方法であると考えられるからである。なぜなら、浮上移動装置１００は、その正面がポインタコントローラ６００を向く姿勢になっていない状態においては、浮上移動装置１００のポインタコントローラ６００に対する姿勢に応じてその移動する方向が異なってしまうためである。このため、最初に、浮上移動装置１００の正面がポインタコントローラ６００を向くように姿勢を変更することが必要である。なお、浮上移動装置の正面は、予め基準として決定されている部分であり、本実施の形態においては、画像センサ１８０が、俯角０度の際に正対する面（前方を向く面）である。
【００５５】
また、浮上移動装置１００は、ポインタコントローラ６００から送信される信号を受信することができている状態においては、自身の位置に対するポインタコントローラ６００の存在する方向を認識することができるため、ポインタコントローラ６００を向くように姿勢を変更することができる。本実施の形態においては、説明の簡便のため、オペレータ２１０が、前述のような事項を把握しているものとし、上記のように、浮上移動装置１００に対して、姿勢を変更することを指示した後、移動すべき位置を指示する順序で浮上移動装置１００を制御するものとする。
【００５６】
なお、浮上移動装置１００は、後述されるデータ受信センサ７００により、ポインタコントローラ６００に対する自己の姿勢を認識することができるため、座標変換等の演算機能を用いれば、ポインタコントローラ６００を向くように姿勢を変更している間に、実際に移動するべき方向を容易に算出することができる。
【００５７】
＜ポインタコントローラ＞
次に、ポインタコントローラ６００が、図２〜図５を用いて説明される。
【００５８】
＜全体構成＞
ポインタコントローラ６００は、図２および図３に示されるように、円筒形状を有している。ポインタコントローラ６００の円柱形状の一方の底面には、光信号照射部６１０が設けられている。ポインタコントローラ６００の円柱形状の周面には、ズーム兼用シャッターボタン６２０、位置変更ボタン６３０、姿勢変更ボタン６４０、および画角確認ボタン６５０が設けられている。
【００５９】
＜光信号照射部＞
光信号照射部６１０は、４つの赤外線発光ダイオード６１１〜６１４を有している。４つの赤外線発光ダイオード６１１〜６１４のそれぞれは、図４に示されるように、その照射角が２０度以下である円形の平面領域を通過する光を発する。４つの赤外線発光ダイオード６１１〜６１４の光軸は、それぞれ、ポインタコントローラ６００の円筒形状の中心軸（指し示す方向）に対して上、下、左、右に８度だけ傾いている。したがって、４つの赤外線発光ダイオード６１１〜６１４から照射される４つの光の全てが重なる領域であることを示す位置データ「１１１１」が照射される平面領域は、約８度の立体角を有する照射光の一断面領域である。これは、腕を伸ばした場合における握り拳程度の大きさに相当する広がりを有する領域である。この程度の範囲内での位置のバラツキが、本実施の形態の浮上移動装置１００の位置精度に対応している。ただし、前述の値は、操作性と要求される位置精度とを考慮して決定されるべきで値であり、本実施の形態に示される値に限定されない。
【００６０】
光信号照射部６１０は、位置データおよび操縦データを有するシリアルデータを、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４から照射される信号同士が同期している状態で送信する。操縦データは赤外線発光ダイオード６１１〜６１４同士の間で共通している。位置データは、上側領域、下側領域、左側領域、および右側領域のいずれかに対応して、４ビットのうちのいずれかのビットがＯＮになっているデータ列である。
【００６１】
より具体的には、赤外線発光ダイオード６１１から照射される信号においては、ビット０が「１」でありかつビット１〜３のそれぞれが「０」である、すなわち、赤外線発光ダイオード６１１から照射される信号は「０００１」である。また、赤外線発光ダイオード６１２から照射される信号においては、ビット１が「１」でありかつビット０、２、および３のそれぞれが「０」である、すなわち、赤外線発光ダイオード６１２から照射される信号は「００１０」である。また、赤外線発光ダイオード６１３から照射される信号においては、ビット２が「１」であり、ビット０、１、および３のそれぞれが「０」である、すなわち、赤外線発光ダイオード６１３から照射される信号は「０１００」である。また、赤外線発光ダイオード６１４から照射される信号においては、ビット３が「１」でありかつビット０〜２のそれぞれが「０」である、すなわち、赤外線発光ダイオード６１４から照射される信号は「１０００」である。このように、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４から４つのデータ列が操縦データとして送信されている。赤外線発光ダイオード６１１〜６１４同士の間のデータ送信タイミングは同期している。そのため、複数の信号が重なる位置におけるデータは、複数の信号の論理和のデータになる。
【００６２】
要するに、光信号照射部６１０から照射される４つの信号の種類とそれらの４つの信号が照射される平面領域との間の関係は、図４のようなものである。なお、外部に存在する赤外線光源から照射される信号が前述の４つの信号に重なってしまうことを防止するため、光信号照射部６１０は所定の周波数（例えば３８ｋＨｚ）の信号を用いて変調されていることが望ましい。
【００６３】
なお、本実施の形態においては、図５において矢印で示されるように、浮上移動装置１００は、最終的には、中央部に位置付けられたハッチングで示される「１１１１」の領域へ移動する。
【００６４】
＜操縦ボタン類＞
ズーム兼用シャッターボタン６２０は、図２に示されるように、ポインタコントローラ６００の光信号照射部６１０が設けられている端部およびそれとは逆側の端部に向かって倒され得る。このとき、浮上移動装置１００に対して、ポインタコントローラ６００から離れる動作を行うことを指示する信号、および、ポイントコントローラ６００に近づく動作を行うことを指示する信号のいずれかが、前述のシリアルデータ中の操縦データ内に含まれる。
【００６５】
なお、ズーム兼用シャッターボタン６２０の状態がいかなる状態であるかを示すために、ポインタコントローラ６００から離れる移動のための指示信号の「ＯＮ／ＯＦＦ」およびポインタコントローラ６００に近づく移動のための指示信号の「ＯＮ／ＯＦＦ」は、それぞれ、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４の送信データのビット４の「１／０」および赤外線発光ダイオード６１１〜６１４の送信データのビット５の「１／０」に対応している。
【００６６】
また、ズーム兼用シャッターボタン６２０が内部へ押し込まれると、ポインタコントローラ６００は浮上移動装置１００に対して画像センサ１８０を用いて画像撮影を行わせるための指令信号を出力する。シャッターの「ＯＮ／ＯＦＦ」は、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４の送信データのビット６の「１／０」に対応しているものとする。
【００６７】
位置変更ボタン６３０および姿勢変更ボタン６４０は、それぞれ、浮上移動装置１００の位置および姿勢を変更することを指示するためのものである。位置変更ボタン６３０および姿勢変更ボタン６４０の「ＯＮ／ＯＦＦ」は、それぞれ、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４の送信データのビット７および８の「１／０」に対応しているものとする。
【００６８】
画角確認ボタン６５０は、浮上移動装置１００における画角表示ＬＥＤ１８９を点灯させることを指示するためのものである。画角表示ＬＥＤ１８９の「ＯＮ／ＯＦＦ」は、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４の送信データのビット９の「１／０」に対応しているものとする。
【００６９】
以上のように、操縦データは、前述のシリアルデータのビット０〜９において浮上移動装置１００に送信される。
【００７０】
（画像センサ）
次に、画像センサ１８０周辺の構成が、図６〜図９を用いて説明される。
【００７１】
＜全体構成＞
画像センサ１８０には、図６〜図９に示されるように、ＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Silicon）イメージャ１８１が、仰角を制御する仰角アクチュエータ１８２に搭載されており、その合計質量は２００ｍｇである。画像センサ１８０によって取得された画像情報は、後述される通信装置１７０によってポインタコントローラ６００に送信される。
【００７２】
＜仰角アクチュエータ＞
仰角アクチュエータ１８２は、後の超音波モータの項において説明されている超音波振動子１２１と同一の構成を有する仰角制御用超音波振動子１８３を備えており、仰角制御用超音波振動子１８３が、半円形状を有する仰角ロータ１８４を駆動する。仰角ロータ１８４は、円形の貫通孔を有するベアリング１８５に回転軸１８６が回転可能に装着されており、回転軸１８６は、図１に示される筐体１０１の底部プレート１０２に、アーム１８７を媒介として固定されている。後述のように、仰角制御用超音波振動子１８３は、仰角ロータ１８４を、その円弧の円周方向に回動させることができるので、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージャ１８１の上下方向の画角に対応する領域の位置を変更することができる。
【００７３】
なお、仰角アクチュエータ１８２における超音波振動子１８３は、仰角アクチュエータドライバ１８８によって振動させられる。また、仰角アクチュエータドライバ１８８は、後述される行動演算装置７５１の指示によって超音波振動子１８３を駆動する。また、仰角センサ１９０が仰角アクチュエータ１８２に設けられており、水平方向を０度としてかつ鉛直下側方向を９０度とする体系における仰角値が行動演算装置７５１に送信される。
【００７４】
なお、データ受信センサ７００における赤外線受光素子７１２および７１４が、ＣＯＭＳイメージャ１８１と同一の基板上に設けられている。
【００７５】
＜画角表示ＬＥＤ（Light Emitting Diode）＞
画角表示ＬＥＤ１８９は、ＣＭＯＳイメージャ１８１と同一の基板上に設けられており、ＣＭＯＳイメージャと同一の運動をする。また、画角表示ＬＥＤにおいては、拡散白色光を照射するＬＥＤの一部に緑色フィルターが設けられ、他の部位に赤色フィルターが設けられている。緑色フィルターを透過する光の照射範囲は、ＣＭＯＳイメージャ１８１の画角に対応する範囲と一致している。この構成により、ＣＭＯＳイメージャ１８１の画角に対応する範囲内に位置する人には画角表示ＬＥＤ１８９は緑色に見え、ＣＭＯＳイメージャ１８１の画角に対応する範囲外に位置する人には赤色に見える。なお、画角表示ＬＥＤ１８９は、消費電力節約のため、上記ポインタコントローラ６００における画角確認ボタン６５０がＯＮのときにのみ点灯する。
【００７６】
なお、フィルターの色およびその組み合わせは、任意であり、前述の例に限定されるものではない。また、画角提示の手法として、緑色フィルターの代わりに透過窓が設けられており、かつ、赤色フィルターの代わりに遮光材が設けられており、点灯の有無に応じて画角に対応する範囲内に存在するかまたは画角に対応する範囲外に存在するかが判断されてもよい。
【００７７】
＜通信・画像取得装置＞
ポインタコントローラ６００は、図２に示されるように、通信装置６７０およびストレージ６８０を有している。浮上移動装置１００の画像センサ１８０が撮影した画像は、通信装置６７０を経由してストレージ６８０に保存される。
【００７８】
＜構成およびデータフロー＞
以上に説明された機能を実現するためのコントローラの構成の一例が図３に示されている。各操作ボタンの操作によって出力される信号は一括してＤＡＴＡ＿Ｂと称される。コントローラ演算装置６９０は、図３に示されるように、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４を備えている。赤外線発光ダイオード６１１〜６１４は、それぞれ、ＬＥＤドライバ６９１〜６９４に接続されている。位置データと前述のＤＡＴＡ＿Ｂとが組み合わされたデータが、ＬＥＤドライバ６９１〜６９４に与えられる。ＬＥＤドライバ６９１〜６９４は、それぞれ、共通のクロック機能およびトリガ機能を有しており、トリガ機能により与えられた基準タイミングから、共通のクロック機能に従って、前述のデータを含む光信号を照射する。
【００７９】
＜補足事項＞
なお、上記のポインタコントローラ６００においては、本実施の形態における浮上撮影システムを実現するために必要な構成のみの説明がなされているが、操縦インターフェイスおよび付加機能などは、本発明の機能を損なわない限り付け加えられていてもよい。また、上記の操作用ボタン類の配置は任意のものである。また、本発明のシステムは、ポインタコントローラ６００がディスプレイを備えており、電波通信等の高速な通信によって、画像センサ１８０のライブビュー画像を確認しながら撮影することができるシステムであってもよい。また、逆に、ストレージ６８０等は、本発明の移動ロボットシステムの必須の構成ではないので、ポインタコントローラ６００の画像取得のために必要でないのであれば、設けられていなくてもよい。
【００８０】
また、ポインタコントローラ６００は、他の操縦インターフェイスを備えていてもよい。たとえば、ジョイスティックなどの入力デバイスを用いて入力された上、下、左、および右のいずれかへ直接的に移動を指示する信号を、操縦データとして送信する機能を備えていてもよい。
【００８１】
なお、これらの機能が省略されている場合には、シリアルデータの構成は前述のものとは異なる。ただし、この場合においても、シリアルデータのビット列の長さ等の通信プロトコル等の本実施の形態に示された通信方法は、本発明において用いられる通信方法の一例であり、この方法に限定されない。
【００８２】
また、データの変調周波数は３８ｋＨｚに限定されない。また、説明の簡便のため、前述の説明においては省略されているが、シリアルデータにヘッダを設けることによって他の機器との混信を避ける一般的な手法が用いられてもよい。
【００８３】
本実施の形態のポインタコントローラ６００に関しては、複数の発光素子が設けられており、かつ、一部が異なるデータを同期した状態で送信するという点以外においては、通常の赤外線リモコンに用いられる構成が採用され得る。
【００８４】
また、本実施の形態においては、上下左右のような平面的な移動の実現のために、４つの異なるデータの照射領域が形成される。そのために、４つの赤外線発光ダイオードが設けられている。しかしながら、赤外線発光ダイオードおよび照射領域の数は、移動の態様に応じていかなるものであってもよい。例えば、前述のポインタコントローラ６００の構成がレール上を走行するロボットに適用される場合には、すなわち、左右の移動のような一直線上の移動のみをロボットにさせることが必要である場合には、ポインタコントローラ６００には２つの赤外線発光ダイオードが設けられていればよい。この場合、たとえば、図２における赤外線発光ダイオード６１２，６１４のみが設けられている構成が採用されてもよい。また、使用されるアルゴリズムは、浮上移動装置１００のそれと基本的には同様であり、ビット数のみが異なっていてもよい。
【００８５】
（データ受信センサ）
次に、図６〜図１０を用いて、データ受信センサ７００が説明される。
【００８６】
データ受信センサ７００は、図１０に示されるように、空間における受光感度分布が互いにずらして配置された４つの赤外線受光素子７１１〜７１４を有している。赤外線受光素子７１１〜７１４は、それぞれ、フォトダイオードによって構成されている。
【００８７】
前述の仰角アクチュエータの項において説明されたように、データ受信センサ７００における赤外線受光素子７１２および７１４は、ＣＭＯＳイメージャ１８１と同一基板上に配置されており、それと同一の運動を行う。データ受信センサ７００の受光感度分布の中心点Ｏは、ＣＭＯＳイメージャ１８１の画角中心と常に一致している。すなわち、図１０における原点Ｏは、ＣＭＯＳイメージャ１８１の画角中心でもある。
【００８８】
図６〜図９に示されるように、左側の赤外線受光素子７１１は、ＣＭＯＳイメージャ１８１に向かって右側の裏面に設けられ、右側の赤外線受光素子７１３は、ＣＭＯＳイメージャ１８１に向かって左側の裏面に設けられる。左側の赤外線受光素子７１１および右側の赤外線受光素子７１３は、回転軸１８６を媒介として筐体１０１に回転可能に取り付けられている。上側の赤外線受光素子７１２は、ＣＭＯＳイメージャ１８１と同一平面の上方の位置に設けられ、下側の赤外線受光素子７１４は、同様に、ＣＭＯＳイメージャ１８１と同一平面の下方に位置に設けられる。
【００８９】
なお、一般に、フォトダイオードは半導体プロセスを用いて平面形状に形成されるため、赤外線受光素子７１１〜７１４のそれぞれには、図１０に示されるような画角を得るために、図示されていない光学系が設けられている。この光学系は、プラスチックモールドを用いた非球面レンズおよび回折格子によって容易に形成される。
【００９０】
＜赤外線受光素子＞
赤外線受光素子７１１〜７１４は、受光感度分布が図１０に示されるように配置されている。赤外線受光素子の受光感度のピークは、ポインタコントローラ６００における赤外線発光ダイオード６１１〜６１４が出力する赤外線の波長に一致している。また、赤外線受光素子７１１〜７１４は、それぞれ、前述の変調周波数、すなわち３８ｋＨｚの信号のみを除去して、情報を抽出する機能を有する。すなわち、赤外線受光素子７１１〜７１４へ入力される信号は、実質的にポインタコントローラ６００から照射された信号のみであると考えられる。なお、赤外線受光素子７１１〜７１４の出力結果は行動演算装置７００に入力されている。
【００９１】
＜方位データ＞
赤外線受光素子７１１〜７１４が図１０に示される感度分布を有するため、赤外線受光素子７１１〜７１４のそれぞれの出力の有無を判定することによって、浮上移動装置１００は、ポインタコントローラ６００に対する自身の方位を認識することができる。本実施の形態においては、赤外線受光素子７１１〜７１４によって受信されたデータは、ビット０〜ビット３のそれぞれの「１／０」の組み合わせからなる４ビットの方位データとして、後述される受信データと組み合わせられ、行動演算装置７５１によって実行される行動決定のために用いられる。
【００９２】
＜シリアルデータ受信＞
赤外線受光素子７１１〜７１４によって受信されたデータは、ポインタコントローラ６００の項において説明されたような４ビットの位置データおよび５ビットの操縦データからなる。このうち、４ビットの位置データは、前述の方位データと組み合わせられ、行動演算装置７５１によって行われる行動決定のために用いられる。また、５ビットの操縦データによって、浮上移動装置１００が操縦される。
【００９３】
なお、説明の簡便のため、赤外線受光素子７１１〜７１４同士の間隔は十分に小さく、ポインタコントローラ６００から各受光素子へ入力されるシリアルデータは同一であることを前提として、赤外線受光素子７１１〜７１４のそれぞれが受け取ったデータの論理和が受信データであるものとする。実際には、図４に示される円形領域の各境界が、上記赤外線受光素子同士の間に位置付けられれば、赤外線受光素子７１１〜７１４によって検出された２つのデータの値が異なってしまうのではないかという懸念があるが、本実施の形態においては、前述のように論理和のデータが用いられるので、目標位置に近い側の１つのデータが採用されるだけで、２つのデータが存在することに起因する制御の混乱は生じない。
【００９４】
＜補足＞
本実施の形態で説明される赤外線受光素子７１１〜７１４の構成および配置等は、一例であり、上記方位決定機能およびデータ受信機能が損なわれるのでなければ、前述の実施の形態の構成および配置に限定されない。例えば、ポインタコントローラ６００が指し示している方向のいずれかの位置に浮上移動装置１００が留まっている場合にのみ、データ受信機能が必要であるならば、この場合を除き、赤外線受光素子７１１〜７１４が前述のシリアルデータを受信する必要はない。
【００９５】
そこで、赤外線受光素子７１１〜７１４のうち、図１０における中心部、すなわち方位データが「１１１１」である領域に対応する部分のみがデータ受信機能を有しており、他領域は３８ｋＨｚの搬送波を用いて変調された赤外線信号の入力の有無を判定するためにのみまたは特定のヘッダが付された赤外線信号の入力の有無を判定するためにのみ使用されてもよい。
【００９６】
（行動演算装置）
（機能）
図１１に示されるように、行動演算装置７５１は、上記ポインタコントローラ６００から発信されシリアルデータを、データ受信センサ７００を経由して受信する。それにより、行動演算装置７５１は、データ受信センサ７００から、ポインタコントローラ６００の方位データを得る。これらのデータによって、行動演算装置７５１は、後述する行動演算アルゴリズムを用いて、浮上移動装置１００の行動を決定する。この決定された行動のためのデータが、運動指令として後述される制御回路１５０に入力される。
【００９７】
なお、本実施の形態においては、浮上移動装置１００の行動を決定するための装置は、行動演算装置と称されるが、これは一般的なマイクロプロセッサを用いて実現され得る。市販の多くのマイクロプロセッサには、シリアル通信機能が標準機能として設けられているので、これに上述の赤外線受光素子７１１等を接続し、その機能より得られた受信データを用いて下記の行動演算アルゴリズムを実行すればよい。
【００９８】
なお、本実施の形態においては、浮上移動装置１００の姿勢は自律的に所定の姿勢に維持されるので、便宜的に画像センサ１８０の仰角をＸ軸まわりの回転角θｘとして表わすことができる。
【００９９】
（行動演算アルゴリズム）
次に、浮上移動装置１００の行動決定手法を説明する。なお、この行動決定のための演算は、行動演算装置７５１において、後述されるＲＯＭ７５２に格納された表１および表２に示されるデータテーブルを参照することによって行われる。
【０１００】
【表１】
2009012668.tif 000003
【０１０１】
【表２】
2009012668.tif 000004
【０１０２】
表１および表２においては、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸まわりの回転角θｘ、およびＺ軸まわりの回転角θｚが、位置データおよび方位データのそれぞれに対応付けられている。表１における位置データが用いられるときには、位置変更のために浮上移動装置１００のＸ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向のそれぞれに沿った移動が制御される。表２における方位データが用いられる場合には、姿勢の制御のために浮上移動装置１００のＸ軸まわりの回転角θｘ、およびＺ軸まわりの回転角θｚが制御される。なお、表１においては、浮上移動装置１００の移動方向がｘｙｚ座標系の正方向および負方向に対応して符号の正負で表され、その移動量が数字の大きさで表わされている。また、表２においては、浮上移動装置１００の回転方向が符号の正負で表され、その回転量の大きさが数字の大きさで表わされている。なお、この数値は、説明の簡便のため、概念的に与えられたものであり、大小関係のみを表現するために用いられている。
【０１０３】
これらのデータテーブルは、図５において矢印で示される浮上移動装置１００の移動方向と対応付けられている。そのため、浮上移動装置１００は、最終的には、４つの赤外線発光ダイオード６１１〜６１４の照射範囲の全てが重なっている、図５においてハッチングで示された平面領域に位置付けられる。
【０１０４】
図５に示されるハッチングされた平面領域は、円筒形のポインタコントローラ６００の中心軸の延長線が通過する領域である。そのため、浮上移動装置１００は、ポインタコントローラ６００の中心軸の延長線の近傍に位置付けられる。したがって、ポインタコントローラ６００に対する浮上移動装置１００の方向を所望の方向に変更するときには、ポインタコントローラ６００の指し示す方向を変更するだけよい。
【０１０５】
＜行動の決定＞
まず、前述の受信データにおける操縦データを用いて、浮上移動装置１００の行動の態様が決定される。これは、前述の受信データの全てのビットの１／０によって決定される。たとえば、ポインタコントローラ６００における位置変更ボタン６３０が押されている場合、姿勢変更ボタン６４０が押されている場合、または、ズーム兼用シャッターボタン６２０によってポインタコントローラ６００から離れるように指示が出されているか若しくはポインタコントローラ６００に近づくように指示が出されている場合には、浮上移動装置１００の羽ばたき方が変更される。また、姿勢変更ボタン６４０が押されており、Ｘ軸回りの姿勢変更指示が、上記受信データに含まれており、かつ、その受信データが上側の赤外線受光素子７１２もしくは下側の方赤外線受光素子７１４によって受け取られた場合には、浮上移動装置１００における画像センサ１８０の仰角が変更される。なお、Ｘ軸まわりの姿勢の変更、すなわち、Ｘ軸回りの回転を指示する信号を受信した浮上移動装置は、浮上移動装置の筐体の姿勢を変更するのでなく、ＣＭＯＳイメージャの仰角を変更することとしている。さらに、いずれのボタンも押されていない場合には、浮上移動装置１００はホバリングする。また、シャッターボタン６２０が押されている場合には、画像センサ１８０により撮影が行われる。
【０１０６】
＜位置変更(上下左右)＞
浮上移動装置１００は、位置変更ボタン６３０が押されている場合、すなわち上記受信データのビット７が１である場合、上記受信データにおける位置データの値を用いて、表１に示されるテーブルを参照して、自身の行動を決定する。このように、後述される関数Pattern_Flapping(ｘ，ｙ，ｚ，θｚ)を用いることで、左右の羽部の羽ばたき方を決定することができる。
【０１０７】
＜姿勢変更＞
姿勢変更ボタン６４０が押されている場合、すなわち、上記受信データのビット８が１である場合には、上記方位データに基づいて、浮上移動装置１００の姿勢および画像センサ１８０の仰角が変更される。
【０１０８】
ここでは、浮上移動装置１００の羽ばたき動作と、画像センサ１８０における仰角アクチュエータ１８２の動作とは、互いに独立しているので、これらの動作は、独立して変更することができる。すなわち、左左側の方赤外線受光素子７１１が受信データを受け取った場合には、浮上移動装置１００は左旋回のための羽ばたき動作をし、右側の方赤外線受光素子７１３が受信データを受け取った場合には、浮上移動装置１００は右旋回のための羽ばたき方をする。実際に羽ばたき動作を変更するまでの処理は、前述の位置変更の場合の処理と同一である。
【０１０９】
また、上方赤外線受光素子７１２が受信データを受け取った場合には、仰角アクチュエータ１８２は画像センサ１８０の正面を上側に傾け、逆に、下方赤外線受光素子７１４が受信データを受け取った場合には、仰角アクチュエータ１８２は画像センサ１８０の正面を下側に傾ける。これにより、画像センサ１８０が、ポインタコントローラ６００の方向を向く、すなわち、ポイントコントローラ６００にその正面を向けることができる。
【０１１０】
＜距離変更（前後位置変更）＞
ズーム兼用シャッターボタン６２０によって、浮上移動装置１００にポインタコントローラ６００から離れるように指示が出されている場合、または、浮上移動装置１００にポインタコントローラ６００に近づくように指示が出されている場合、すなわち、受信データのビット４が１である場合、または、受信データのビット５が１である場合には、浮上移動装置１００は、後退または前進する。これは、関数Pattern_Flapping(ｘ，ｙ，ｚ，θz)のｙ方向の制御に対応する。
【０１１１】
＜行動決定テーブル＞
以上の行動を決定するためのデータとして、前述の表１および表２に示される行動決定テーブルが設けられている。ただし、θｘは画像センサ１８０の仰角である。ｘ軸回りの回転以外の行動は、関数Pattern_Flapping(ｘ、ｙ、ｚ、θｚ)を用いて、左および右の羽部の羽ばたき方を変更することにより決定される。
【０１１２】
＜例外処理＞
浮上移動装置１００がポインタコントローラ６００に正対していない場合、すなわち、浮上移動装置１００の正面がポインタコントローラ６００を向いていない場合には、位置変更ボタン６３０またはズーム兼シャッターボタン６２０の押圧によって浮上移動装置１００へ移動の指示が出されても、浮上移動装置１００は所望される位置に向かって移動することができない。したがって、この場合には、浮上移動装置１００は、ホバリングを行うか、もしくは、姿勢変更ボタン６４０が押されたと見なして、自己の正面をポインタコントローラ６００に向けるための動作を開始することが有効である。これは、プログラム上の条件分岐処理によって容易に実現され得る。一方、浮上移動装置１００が、自身とポインタコントローラ６００との相対的な位置関係を既に認識している場合には、座標変換などによって、浮上移動装置１００が移動するべき方向を、行動演算装置７５１が算出してもよい。
【０１１３】
また、他の物体との衝突の回避という観点から、浮上移動装置１００は、前述の受信データを得ることができない場合には、安全のために、ホバリングを行ってもよい。これは、行動演算装置７５１のプログラミングによって容易に実現され得る。より具体的には、浮上移動装置１００は、前述の受信データが送信されてくるのを待っている場合には、常にホバリングの羽ばたき方、すなわち(ｘ、ｙ、ｚ、θｚ)＝（０，０，０，０）のデータを用いて行動すれば、他の物体との衝突を回避することが可能になる。
【０１１４】
＜補足＞
なお、本実施の形態においては、説明の簡便さおよび汎用性を鑑み、前述の受信データによって決定された行動のデータに基づいて、関数Pattern_Flapping(ｘ、ｙ、ｚ、θｚ)を用いて、左および右の羽部の羽ばたき方を決定する手法が採用されているが、この関数を用いずに、前述の受信データと左および右の羽部の羽ばたき方とが対応付けられたデータテーブルを用いて、前述の受信データに基づいて、左および右の羽部の羽ばたき方を決定する手法が採用されてもよい。
【０１１５】
＜浮上移動装置＞
続いて、ポインタコントローラ６００により制御される、羽ばたき飛行により浮上する浮上移動装置１００を説明する。説明の簡略のため、左右対称である構成要素には同一参照符号が付され、それらのうち左側のみの説明がなされる。
【０１１６】
（全体の構成）
まず、図１および図１２を用いて、本実施の形態の浮上移動装置の全体構成を説明する。この項目は、全体構成を説明するためのものであるため、各構成要素の詳細な構成および動作は後述される。
【０１１７】
ここでは、説明の簡便のため、浮上移動装置１００は、自律的に姿勢を保持するものとし、羽ばたき運動によって移動しかつその向きを変更する。しかしながら、後述される画像センサ１８０の仰角は、浮上移動装置１００の羽ばたき運動によって変更されるのではなく、仰角アクチュエータ１８２が画像センサ１８０の浮上移動装置１００に対する姿勢を変更することによって変更される。この構成により、空中撮影のために必要な制御が実現される。
【０１１８】
図１に示されるように、浮上移動装置１００は、筐体１０１と、筐体１０１に設けられた１対の羽部１１０とを備えている。一対の羽部１１０の一方は、筐体１０１の左側の側部に設けられ、一対の羽部１１０の他方は、筐体１０１の右側の側部に設けられている。
【０１１９】
浮上移動装置１００は、羽部１１０の羽ばたき運動によって、周囲流体に流れを生じさせるとともに、周囲流体から反作用を受ける。このとき、浮上移動装置１００は、鉛直上方に向いた、自重を超える反作用を周囲流体から受ける。それにより、浮上移動装置１００には重力加速度を超える鉛直上方向きの加速度が生じる。その結果、浮上移動装置１００は浮上する。
【０１２０】
また、図１２に示されるように、浮上移動装置１００は、アクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を有している。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０は、筐体１０１に回転可能に搭載されている。上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０には、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の運動を羽部１１０へ伝達する羽駆動メカニズム１４０が接続されている。羽駆動メカニズム１４０には羽部１１０が接続されている。羽部１１０は、上部および下部超音波モータ１２０および１３０の駆動によって、上下方向を回転中心軸とする往復回動運動（以後、「ストローク運動」と称する）と、羽部１１０の前縁部を回転中心軸とする回転運動（以後、「捻り運動」と称する）とを行なう。つまり、羽部１１０は、ストローク運動および捻り運動のそれぞれを独立して行なうことができる。
【０１２１】
上部および下部超音波モータ１２０および１３０は、制御回路１５０によって制御される。また、制御回路１５０には、筐体１０１に固定された位置検出センサ１６０から浮上移動装置１００の位置情報および姿勢情報が与えられる。
【０１２２】
浮上移動装置１００の下部には、画像センサ１８０が、仰角アクチュエータ１８２によってその仰角が変更され得る態様で搭載されている。更に、後述される、画像センサ１８０の撮影範囲の中心点と略一致する中心点を有するデータ受信センサ７００が設けられている。
【０１２３】
画像センサ１８０は、ズーム兼用シャッターボタン６２０の押し下げに基づいてポインタコントローラ６００から送信される信号を受けることによって画像の撮影を行う。画像センサ１８０よって得られた画像情報は、通信装置１７０によってポインタコントローラ６００へ送信されるが、これは制御回路１５０によって直接利用されてもよい。たとえば、浮上移動装置１００の位置および速度等が、制御回路１５０の画像情報の処理によって認識されてもよい。
【０１２４】
また、制御回路１５０、通信装置１７０、および画像センサ１８０等は、筐体１０１に設けられた電源１９０から供給される電力によって駆動される。電源１９０は、駆動エネルギー源として機能するが、本発明の駆動エネルギー源は、電力を用いるもの以外のもの、たとえば、化石燃料等であってもよい。この場合、アクチュエータとしては例えば２サイクルエンジンやスターリングエンジン等、上記駆動エネルギー源に対応した物が用いられる。
【０１２５】
（羽部）
羽部１１０は、図１３〜図１７に示されたような形状を有し、長さが６５ｍｍであり、かつ、幅が１６ｍｍである。羽部１１０は、前縁部１１０２、羽面部１１０３、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６を有している。なお、羽面部１１０３とは、前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、およびアクチュエータ接合部１１０６以外の部分であって、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９とアラミドフィルム１１１４とからなる部分である。
【０１２６】
羽部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分、つまり前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）層からなる。具体的に言えば、羽部１１０のアラミドフィルム１１１４以外の部分は、ＣＦＲＰのシートから図１５〜図１７に示す３つの部分が切り抜かれ、その３つの部分が積層されることによって形成される。
【０１２７】
前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、厚さ２０μｍのＣＦＲＰ層の３層積層構造を有している。また、枠部１１０４、枝部１１０５、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれはＣＦＲＰ層からなる１層構造を有している。図１３に示されるＸ軸の正の方向を０度とすると、細長板状部１１０７の繊維軸の方向は−６０度（＋１２０度）であり、細長板状部１１０８および枠部１１０４のそれぞれの繊維軸の方向は、０度（１８０度）であり、細長板状部１１０９の繊維軸の方向は、＋６０度（＋２４０度）であり、枝部１１０５の繊維軸の方向は、−３０度（１５０度）である。前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、繊維軸の方向が−６０度（＋１２０度）、０度（１８０度）、および＋６０度（２４０度）である３つのＣＦＲＰ層が重ねられることによって形成されている。
【０１２８】
前縁部１１０２の主要な変形は、羽部１１０の長手方向に平行な伸縮であるため、この方向とＣＦＲＰ層の繊維軸とが一致していることが望ましい。また、アクチュエータ接合部１１０６には複数の方向に力が加えられ、羽ばたき運動に応じてこれらの力の方向が変化すると考えられる。したがって、あらゆる方向に極力均等な剛性を有するように、異なる方向の繊維軸を有する多数のＣＦＲＰ層を積層することによって形成されていることが望ましい。なお、前縁部１１０２およびアクチュエータ接合部１１０６は、他の部分より剛性が高くなっている。これらの要件を満たす羽部の製造方法は後述される。
【０１２９】
また、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、枠部１１０４、および枝部１１０５に囲まれるように羽面部１１０３が設けられている。羽面部１１０３は、アラミドフィルム１１１４からなり、図１４の紙面の奥行き方向に延びている。また、アクチュエータ接合部１１０６は、羽部１１０の根元に設けられ、アクチュエータに接合されており、その長さは１０ｍｍである。
【０１３０】
また、図１５〜図１７に示すように、複数の細長板状部１１０７のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０７同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。また、複数の細長板状部１１０８のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０８同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。さらに、複数の細長板状部１１０９のそれぞれは同一幅であり、複数の細長板状部１１０９同士は、互いに同一ピッチでかつ平行に設けられている。
【０１３１】
なお、本実施の形態では、説明の簡便のため、同一層の複数の細長板状部は、同一ピッチかつ平行であるものとしたが、たとえば、剛性分布を意図的に変更する場合には、前述のものに限定されない。たとえば、先端側に比較して、根元側のピッチが小さくなっており、それにより、剛性が高められている羽部１１０が用いられてもよい。
【０１３２】
＜前縁部＞
前縁部１１０２は、図１４に示されるように、羽部１１０の長手方向に沿って延びる溝構造、すなわちコルゲーションと呼ばれる凹凸形状を有している。そのため、前縁部１１０２においては、長手方向を含む面内の曲げ変形に対する剛性が、長手方向を回転中心軸とする曲げ変形に対する剛性に比較して、高くなっている。なお、この前縁部１１０２の凹凸形状は、プリプレグと呼ばれるＣＦＲＰ層の原材料のシートを、この凹凸形状に対応する金型に密着させた状態で加熱することによって容易に成形され得る。また、前縁部１１０２には荷重が大きくかかる。そのため、前縁部１１０２は、細長板状部が設けられていない構造、すなわち隙間がない密実構造であるので、羽面部１１０３より剛性が高くなっている。さらに、前縁部１１０２は、根元に近づくにしたがって、累積的に荷重が増加するため、根元が先端に比べ太くなっている。根元部分での前縁部１１０２の幅および高さは約２ｍｍであり、先端部分での前縁部１１０２の幅および高さは約１ｍｍである。ただし、図の記述精度の制約から、図１４〜図１７においては、根元部分における前縁部１１０２の幅と先端部分における前縁部１１０２の幅とは同じ幅で描かれている。
【０１３３】
＜羽面部＞
羽面部１１０３は、図１４〜図１７に示されるように、ＣＦＲＰ層の細長板状部１１０７、１１０８および１１０９、およびアラミドフィルム１１１４によって構成されている。羽部１１０と同一の外形を有するアラミドフィルム１１１４が、ＣＦＲＰ層の細長板状部によって挟まれている。
【０１３４】
本実施の形態においては、アラミドフィルム１１１４の耐熱温度がＣＦＲＰ層の成形温度よりも高く、かつＣＦＲＰ層の成形工程において、プリプレグとアラミドフィルムとを接触させておき、加圧および加熱処理を行なうことで、プリプレグに含まれる樹脂成分によってＣＦＲＰ層とアラミドフィルムとを接着させることが可能である。したがって、ＣＦＲＰ層によって構成された前縁部１１０２、枠部１１０４、枝部１１０５、アクチュエータ接合部１１０６、細長板状部１１０７、１１０８、１１０９ならびにアラミドフィルム１１１４を含む原材料を上述の金型上で焼結することによって、簡単に羽面部１１０３を製造することが可能である。
【０１３５】
羽面部１１０３の細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９は、それらが延びる方向が互いに６０度だけずれた状態で重ねられている。そのため、羽面部１１０３の表面に垂直な方向から見ると、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９によって、正三角形の枠、すなわちトラスが形成されているように見える。また、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれは、細長い長方形の輪郭を有しており、そのうち２つの長辺は、繊維軸に平行に延びている。これは、強度が高いＣＦＲＰの長手方向と、上記トラス構造の各ビームの力のかかる方向とを一致させ、一軸異方性材料であるＣＦＲＰの強度特性を最大限活用するための構成である。ただし、２つの長辺の一方の長辺のみが繊維軸に平行に延びていれば、繊維の強度をある程度有効に利用することが可能である。なお、上記ビームが長方形ではない場合には、応力解析などの手法を用いて、そのビームの形状に最適な繊維軸方向を決定する必要がある。
【０１３６】
また、本実施の形態では、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの曲げ剛性は、前縁部１１０２の１／８であるものとする。一般に、曲げ剛性は、断面二次モーメントに比例する。つまり、曲げ剛性は、（幅：矩形の短辺の長さ）×（厚さの３乗）に比例する。
【０１３７】
ここで、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの厚さが一定であり、細長板状部１１０７の幅が細長板状部１１０７同士の中心軸間の距離（以下、これを「ピッチ」という。）の１／ａ倍であり、細長板状部１１０８の幅が細長板状部１１０８同士のピッチの１／ａ倍であり、かつ、細長板状部１１０９の幅が細長板状部１１０９同士のピッチの１／ａ倍であると仮定する。この仮定の下では、細長板状部の幅が１／ａ倍になれば、羽面部１１０３の曲げ剛性も１／ａ倍になる。したがって、本実施の形態においては、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの幅を細長板状部１１０７同士、細長板状部１１０８同士、および細長板状部１１０９同士のそれぞれのピッチの１／８倍にすることによって、前縁部１１０２の曲げ剛性の１／８倍の曲げ剛性を有する羽面部１１０３が実現されている。つまり、羽面部１１０３の厚さ、すなわち細長板状部の積層数を変化させることなく、細長板状部１１０７、１１０８、および１１０９のそれぞれの幅のみを変更することによって、所望の曲げ剛性分布を有する羽部１１０が形成されている。細長板状部の積層数は、自然数にしかならず、連続的に変化し得るものではないため、細長板状部の積層数を変化させるだけでは、羽部の曲げ剛性の分布が不連続になってしまう。しかしながら、上記細長板状部の幅とピッチとの比は、連続的に変化し得るものであるため、上記曲げ剛性分布を連続的に変更することによって、所望の曲げ剛性分布を得ることができる。
【０１３８】
なお、本実施の形態の羽部１１０の構造によれば、細長板状部１１０７の幅と細長板状部１１０７同士のピッチとの比、細長板状部１１０８の幅と細長板状部１１０８同士のピッチとの比、および細長板状部１１０９の幅と細長板状部１１０９同士のピッチとの比を互いに異ならせることによって、羽面部１１０３の曲げ剛性が異方性を有するようにすることが可能である。たとえば、羽部１１０の長手方向を含む面内の曲げ変形に対して高い剛性を有する羽部１１０を製造する場合には、細長板状部１１０８の幅を大きくし、細長板状部１１０８同士のピッチを小さくすればよい。
【０１３９】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造の一部をトラスが形成されるように切り抜く手法が用いられた場合には、各トラスの三辺に３つのＣＦＲＰ層が積層されている。この手法により形成された羽面部の質量は、トラスが形成されていない羽面部１１０３と同一面積の３つのＣＦＲＰ層の積層構造の質量の３／ａ倍（ａは前述の値）となる。この場合、３つのＣＦＲＰ層のうちの１つの層の繊維軸を含む面内の曲げ変形モードにおいては、その１つのＣＦＲＰ層以外の２つのＣＦＲＰ層は、樹脂程度の剛性しか有していないため、不要である。すなわち、前述の羽部１１０は、本段落にて説明されているような切り抜きによって形成された羽部の約１／３の質量で、その羽部とほぼ同一の剛性を有する。（具体的には下記の＜羽質量＞の項目に羽部の質量および剛性の数値が記載されている。）
＜枠部＞
羽面部１１０３を構成するアラミドフィルム１１１４は、図１４に示されるように、アクチュエータ接合部１１０６、前縁部１１０２、および枠部１１０４の間に張られている。そのため、アラミドフィルム１１１４の端部の破損が防止されている。本実施の形態では、枠部１１０４の幅は約０．５ｍｍである。なお、枠部１１０４は、図１４に示されるよう
に、羽面部１１０３を取り囲む形状であるため、それが延びる方向は位置によって異なる。枠部１１０４の繊維軸の方向は、それの延びる方向に一致している。
【０１４０】
＜枝部＞
羽部１１０が大きくなった場合には、羽部１１０の先端部の回転半径も大きくなる。この場合、流体に対する相対速度が大きくなるため、羽部１１０の先端部には大きな流体力が生じる。羽部１１０の先端部に生じる流体力が大きくなっても、羽部１１０の先端部の制御性を維持する必要がある。そのため、前縁部１１０２に接続され、前縁部１１０２から斜め方向に延びる枝部１１０５が設けられている。枝部１１０５の幅は約０．９ｍｍである。枝部１１０５は、Ｘ軸方向の羽部１１０の先端側を向く方向を０°とした場合に、−３０°の方向に延びるように形成されている。
【０１４１】
なお、枝部１１０５とＸ軸との間の角度および羽面部１１０３に要求される剛性によっては、前述の細長板状部１１０７とは異なる細長板状部を有するＣＦＲＰ層に枝部１１０５が設けられていてもよい。また、ＣＦＲＰ層とは別の材料を用いて形成された枝部１１０５がＣＦＲＰ層同士の間に挟み込まれた構造の羽面部１１０３が用いられてもよい。
【０１４２】
＜アクチュエータ接合部＞
アクチュエータ接合部１１０６は、実際には、羽部１１０を駆動するアクチュエータとの適合性に応じて、その形状が決定される。本実施の形態のアクチュエータ接合部１１０６は、図１４に示される形状であるものとする。また、羽ばたき運動により生じる流体力に起因する変形を防止するため、アクチュエータ接合部１１０６の材料としては、細長板状部を有しない、すなわち隙間がない密実な構造のＣＦＲＰ層が用いられる。さらに、アクチュエータ接合部１１０６の前方端には溝構造が設けられている。このアクチュエータ接合部１１０６の溝構造と前縁部１１０２の溝構造とは連続するように設けられている。
【０１４３】
＜羽質量＞
ＣＦＲＰの比重が１．６ｇ／ｃｍ3であるものとして、表１に前述の羽部１１０の各部位の質量が示されている。表１に示されるように、羽部１１０の質量は、約２６．５ｍｇである。また、アクチュエータ接合部１１０６の質量は約１０．８ｍｇである。
【０１４４】
【表３】
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【０１４５】
一方、ＣＦＲＰ層が３つ積層された積層構造をトラス形状が形成されるように切り抜く手法が用いられた比較例の羽部の質量は約４８ｍｇである。
【０１４６】
（超音波モータ）
次に、図１８〜図２６を用いて、本発明のアクチュエータとしての上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０を説明する。
【０１４７】
＜全体構成＞
まず、上部超音波モータ１２０および下部超音波モータ１３０の構成を説明する。
【０１４８】
図１８に示されるように、上部超音波モータ１２０は、上部超音波振動子１２１と、これによって駆動される上部ロータ１２２とを有している。また、上部ロータ１２２は、上部ベアリング１２３を介して、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。ロータシャフト１２４は、筐体１０１に固定されている。上部ロータ１２２には、上部磁化パターン１２５が円弧状に記されている。上部磁化パターン１２５は、上部磁気エンコーダ１２６で読み取られる。上部超音波振動子１２１においては、図２５に示すように、支持部１２１４が支持シャフト１２７に固定され、牽引部１２２４が牽引ゴム１２９により牽引されている。また、上部超音波振動子１２１を駆動する電力はフィルム基板１２８を経由して供給される。
【０１４９】
下部超音波モータ１３０は、上部超音波モータ１２０と上下方向において鏡面対称の構造である。すなわち、下部超音波モータ１３０においては、下部超音波振動子１３１が下部ロータ１３２を回転させる。下部ロータ１３２は、図示されない下部ベアリングが介在した状態で、ロータシャフト１２４に、ロータシャフト１２４の軸周りにのみ回転可能に設けられている。下部ロータ１３２には、図示されない下部磁化パターンが円弧状に記されている。下部磁化パターンは、下部磁気エンコーダ１３６で読み取られる。
【０１５０】
上部および下部超音波モータ１２０および１３０は、上下方向において鏡面対称に設けられていること以外においては、全く同様の構成を有しているため、以降においては、上部超音波モータ１２０の詳細構造のみの説明を行なう。
【０１５１】
＜駆動原理＞
次に、図１８〜図２６を用いて、上部超音波モータ１２０の駆動原理を説明する。
【０１５２】
上部超音波振動子１２１は、振動板１２１１、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３からなる。振動板１２１１は、厚さ０．２ｍｍのステンレスで作製され、幅２ｍｍかつ長さ９ｍｍの矩形部と、矩形部の長手方向の中央部から外方に突出する支持部１２１４とを有している。振動板１２１１は、表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３によって挟まれている。表面ピエゾ１２１２および裏面ピエゾ１２１３は、それぞれ、幅２ｍｍ、長さ８ｍｍ、および厚さ０．２ｍｍの短冊形状を有し、厚み方向に分極するピエゾ焼結体からなる。
【０１５３】
表面ピエゾ１２１２には、図１９に示されるように、４分割されそれぞれ対角に位置するもの同士が電気的に結合された表面電極１２１６が接合され、裏面ピエゾ１２１３には、同じく４分割されそれぞれ対角に配するもの同士が電気的に結合された裏面電極１２１７が接合される。これらは図１９に示されるように、それぞれ面直方向に配置が一致する電極について、電圧φＡおよびφＢがかけられている。φＡおよびφＢに逆電位の電圧、例えば振幅３０Ｖ、周波数２５０ｋＨｚの矩形波を印加すると、上部超音波振動子１２１において、図２０に示されるような、節を３つ有する、即ち３次のたわみ振動モードが励起される。また、φＡ、φＢに同位相の電圧、例えば振幅３０Ｖ、周波数２５０ｋＨｚの矩形波を印加すると、図２１に示されるような、縦(伸縮)の振動モードが励起される。本実施の形態における上部超音波振動子１２１においては、２つの振動についての共振モードの共振周波数は、いずれも２５０ｋＨｚであり、それらは互いに一致している。ここで、これらの共振モードの振動の位相を±９０°異ならせることによって、振動板１２１１の頂点は図２２および図２３に示される２種類の楕円運動を行なう。２種類の楕円運動は、正方向に回転する楕円運動と、逆方向に回転する楕円運動である。また、振動板１２１１の頂点にはセラミックからなる接触部１２１５が設けられている。接触部１２１５は、前述の楕円運動に応じて、摩擦力によって、上部ロータ１２２をロータシャフト１２４の軸周りに回転させる。このとき、正方向の回転および逆方向の回転のいずれかが選択される。
【０１５４】
なお、説明の簡便のため、図２２および図２３においては、φＡおよびφＢそれぞれに与えられる電位を三角関数によって表わしたが、それらの電位の位相が±９０°ずれているのであれば、矩形波等によって表わされる電位が両電極に与えられてもよい。
【０１５５】
また、本実施の形態においては、振動速度の大きい縦振動を用いてロータ１２２を回転させるべく、接触部１２１５を振動板１２１１の頂点に配したが、たわみ振動が、ロータ１２２に求められる、後述する図３４等に示される角速度を得るに足る振動速度を有しているのであれば、図２４に示されるように、接触部１２１５を振動板１２１１の短辺の略中央に設けてもよい。本発明者らの実験によれば、この構成では、振動板１２１１とロータ１２２の配置の誤差、および、接触部１２１５の摩耗による形状変化などに対して、動作の安定性がより高いことが分かっている。
【０１５６】
なお、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれは、扇形の輪郭を有し、所定の回転角の範囲内での回転往復運動を行なう。そのため、軽量化のためには、図２６に示されるように、不要な部分が削除された、その外形が中心角１２０°の扇形のフレーム構造を有する上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が用いられることが望ましい。輪郭が扇型であるロータが用いられれば、中心軸まわりに回動（回転往復運動）するロータの占有率を最も効果的に低減することができる。なお、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、それぞれ、扇型の輪郭に沿ったフレーム部を有している。
【０１５７】
なお、前述の各部位のサイズおよび振動板の共振周波数などの数値は、一例であり、浮上のための要件が満足されるのであれば、前述の値に限定されない。この浮上のための要件は、後述の浮上可能性の項において述べられている。
【０１５８】
また、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、図２６に示されるように、必要な強度が確保される範囲内において、軽量化のための中空構造を有していてもよい。つまり、上部ロータ１２２および下部ロータ１２３のそれぞれが、半径１２０°の扇型の外周に沿って延びるフレームを有する構造からなっていてもよい。
【０１５９】
更に、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に、後述する上部ローラ１２２の回転角θ１−下部ロータ１３２の回転角θ２を所定の範囲内の値に制限するためのリミッター１２３２２ａ、リミッター１２３２２ｂ、およびリミッター１２３２２ｃが設けられてもいてもよい。リミッター１２３２２ｂは、扇形のフレーム構造の下部ロータ１３２の内周面に設けられ、リミッター１２３２２ａおよびリミッター１２３２２ｃは、扇形のフレーム構造の上部ロータ１２２の内周面に設けられている。リミッター１２３２２ｂは、円弧状の軌跡において、リミッター１２３２２ａとリミッター１２３２２ｃとの間に位置付けられている。これによれば、リミッター１２３２２ｂの移動範囲は、リミッター１２３２２ａおよびリミッター１２３２２ｃによって制限される。したがって、後述する羽の捻り角βが一定の範囲内の値に制限される。そのため、後述する数式（７）において、解が物理的に１つに定まる。その結果、羽部の動作が安定する。
【０１６０】
また、上部および下部ロータ１２２よび１３２が各超音波振動子の駆動力をロス無く羽部に伝達することが望ましい。そのため、ロータの回動抵抗は極力小さいことが望ましい。さらに、上部ロータ１２２と下部ロータ１３２との衝突を避けるために、これらのロータは中心軸まわりにのみ回転することができる構造を有していることが望ましい。したがって、本実施の形態では、ロータと回転中心軸との接触部におけるベアリングとして、ピボットと呼ばれる一種のボールベアリングが用いられている。これによって、前述のように、ロータ同士の接触が防止されている。なお、上記ロスが超音波振動子の駆動力に比べ十分小さいのであれば、擦動タイプのベアリング、たとえばテフロン（登録商標）ベアリングなどが使用されてもよい。
【０１６１】
なお、後述される後方切り返し時において、羽部が水平状態になると、すなわち、後述されるβが１８０°に達すると、切り返し後のβが０＜β＜πとなるか、または、π＜β＜２πとなるかは、不定となる。前者の場合には、羽部が裏返り、迎え角が負となることになり、揚力が得られず、浮上移動装置は飛行することができない。このため、前述の２つのリミッターにより、βが１８０°に達しないように、羽部の動作が制限されている。さらに、本発明者らの実験によると、羽部にかかる流体力がヒンジを押し上げによって弾性変形させることにより、厳密にβが１８０°に達しなくても、羽部が裏返る現象が観察されている。このため、前述の２つのリミッターは、羽ばたき飛行に支障をきたさない範囲内で、βが１８０°よりもある程度小さい値になるように設けられていることが望ましい。
【０１６２】
＜予圧機構＞
次に、図２５を用いて、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧を与える機構を説明する。
【０１６３】
接触部１２１５から上部ロータ１２２へ予圧が作用しており、その反作用として、接触部１２１５から上部ロータ１２２の外周面へ向かって抗力が生じている。そのため、上部ロータ１２２と接触部１２１５との間には摩擦が生じている。したがって、接触部１２１５の楕円運動によって、上部ロータ１２２は、摩擦力を受け、回転往復運動を行なう。
【０１６４】
牽引ゴム１２９は、環状であり、その一端が、牽引部１２２４に引っ掛けられている。牽引ゴム１２９の他端は、筐体補強ポール１１２に固定されている牽引ゴムピン１１３に引っ掛けられている。したがって、牽引ゴム１２９には張力が生じ、牽引部１２２４が筐体補強ポール１１２に向かって牽引されるため、振動板１２１１は牽引部１２２４を含む振動板１２１１を支持している支持シャフト１２７の軸周りに回転運動する。この回転運動は、接触部１２１５が上部ロータ１２２に接触することによって拘束されている。したがって、接触部１２１５から上部ロータ１２２へ向かう予圧が生じる。
【０１６５】
なお、前述の筐体補強ポール１１２を、その長軸周りに回転させることによって、前述の予圧の大きさを調整することが可能である。また、予圧機構は、上部ロータ１２２を駆動するための摩擦力を得るために設けられているものであるため、前述の予圧が得られ、かつ、浮上移動装置１００の浮上特性が損なわれないのであれば、図２５に示す構造に限定されない。
【０１６６】
＜回転角検出＞
図１８に示す上部磁気エンコーダ１２６には、パターン周期の１／４の間隔を置いてＡ相およびＢ相のための２つの検出部が設けられている。この上部磁気エンコーダ１２６は、一般的なエンコーダと同様に、上部ロータ１２２の回転方向に応じてＡ相およびＢ相の位相のずれの状態が異なる。そのため、たとえば、Ａ相のアップエッジがカウンタのトリガとして利用され、Ｂ相のレベルの１／０がアップカウント／ダウンカウントのうちのいずれを使用するかを決定するために用いられれば、上部ロータ１２２の回転角θ１を検出することが可能である。この回転角θ１の算出は、中央演算装置１５１において行なわれる。
【０１６７】
＜補足＞
なお、図１８〜図２６において示された超音波モータは、一般的なアクチュエータの一例であり、浮上移動装置のアクチュエータは、前述のような構造の超音波モータに限定されない。たとえば、アクチュエータとして、電磁モータまたは内燃機関が用いられてもよい。また、回転角検出のための装置は、羽ばたき飛行を阻害するものでなければ、いかなるものであってもよい。たとえば、前述の磁気エンコーダを用いる手法の替わりに、光学式エンコーダを用いる手法が採用されてもよい。
【０１６８】
（羽駆動メカニズム）
次に、図２７〜図３０を用いて羽駆動メカニズムについて説明する。
【０１６９】
羽駆動メカニズム１４０は、図２７に示されるように、上部ロータ１２２に固定された上部プレート１４１と、下部ロータ１３２に固定された下部プレート１４２とを有している。さらに、下部プレート１４２には第１アラミドヒンジ１４３が介在した状態で中間プレート１４４が接続されている。さらに、上部プレート１４１には、第２アラミドヒンジ１４５が介在した状態で、羽部１１０の根元部が接続されている。さらに、羽部１１０の根元部は、第３アラミドヒンジ１４６が介在した状態で、中間プレート１４４にも接続されている。したがって、上部プレート１４１、羽部１１０、中間プレート１４４、および下部プレート１４２がアラミドフィルムで接続された複合ヒンジが構成されている。この複合ヒンジは、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２によって駆動される。
【０１７０】
図２８〜図３０には、上部プレート１４１、中間プレート１４４、および下部プレート１４２の形状が示されている。なお、各プレートのヒンジおよびロータに接続されない辺の近傍の部分は、補強のため、図２８〜図３０のハッチングで示される部位が、各プレートの主表面に対して約９０°折り曲げられている。さらに、この折り曲げ部同士の干渉を避けるため、折り曲げ部の両側端のそれぞれは、折り曲げ部が延びる方向に対して４５°の方向においてカットされている。
【０１７１】
各アラミドヒンジは、幅０．１ｍｍであり、長さに比べてその幅が非常に小さいため、擬似的に１自由度の回転のみ運動可能なリンク、すなわち蝶板（兆番）として機能する。また、アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線は１点で交わり、その１点はシャフト１２４の中心軸上に位置し、かつ、上部ベアリング１２３と下部ベアリング１３３との間に位置する。この構成により、上部超音波モータ１２０の回転角の制御によって羽部１１０の前後方向の往復運動が制御され、上部超音波モータ１２０の回転角の位相と下部超音波モータ１３０の回転角の位相との差の制御によって、羽部１１０のねじり運動が制御される。
【０１７２】
つまり、アクチュエータは、羽軸としての前縁部１１０２を前後方向に往復運動（回転角α：Ｚ軸周りの回転角）させる前後往復運動用ロータとしての上部超音波モータ１２０と、往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１０２を軸周りに回転（回転角β）させる捻り運動用ロータとを備えている。
【０１７３】
前述の羽ばたき方を、図３１および図３２を用いて、より具体的に説明する。図３１および図３２においては、浮上移動装置１００の前後方向に沿ってＹ軸が延びている。また、浮上移動装置１００の上下方向に沿ってＺ軸が延びている。さらに、浮上移動装置１００の左右方向に沿ってＸ軸が延びている。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、互いに直交する。また、Ｙ軸においては、後方が正であり、前方が負である。また、Ｘ軸においては、上方が正であり、下方が負である。さらに、Ｚ軸においては、左の羽部１１０の位置する側が正であり、右の羽部１１０が位置する側が負である。また、図３２に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角がθ１であり、下部超音波モータ１３０の回転角がθ２であり、前後方向の往復運動の回転角である羽ばたきストローク角がαであり、前縁部１１０２の軸周りの回転角である捻り角がβであるものとする。
【０１７４】
また、前述の各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの延長線の交点から各アラミドヒンジ１４３、１４５、および１４６のそれぞれの外側端までの距離は、それぞれ、Ｒ２、Ｒ１、およびＲ３であるものとする。さらに、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４５の端点の距離がＬ１であり、アラミドヒンジ１４６の端点とアラミドヒンジ１４３の端点の距離がＬ２であり、アラミドヒンジ１４３の端点とアラミドヒンジ１４５の端点と間の距離がＬ３であるものとする。ロータシャフト１２４に対する羽部１１０の位置を表わす角度の組み合わせ（α，β）は、上および下部超音波モータの回転角θ１およびθ２を用いて、以下のように表わされる。
【０１７５】
羽ばたきストローク角αは、羽軸（前縁部１１０２）のロータシャフト１２４の軸周りの回転であるため、次の式（１）に示すように、上部超音波モータ１２０の回転角θ１に等しい。
【０１７６】
α＝θ１・・・（１）
また、捻り角（回転角β）は、羽部１１０の羽軸（前縁部１１０２）の軸周りの回転角であるため、次の式（２）によって示されるβの余弦値から算出される。
【０１７７】
ｃｏｓ（π−β）＝−ｃｏｓ（β）＝［Ｌ１×Ｌ１＋Ｌ３×Ｌ３−Ｌ２×Ｌ２］／（２×Ｌ１×Ｌ３）・・・（２）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（３）が成り立つ。
【０１７８】
Ｌ３＝ｓｑｒｔ（Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−２×Ｒ１×Ｒ２×ｃｏｓ（θ１−θ２））・・・（３）
ここで、ｓｑｒｔ（）は（）内の値の正の平方根である。
【０１７９】
なお、図３１および図３２から明らかなように、βは、πより大きく、かつ、２πより小さい。
【０１８０】
π＜β＜２π・・・（４）
したがって、βが１つの値に決定される。
【０１８１】
上記の式（１）〜（４）から、所望の羽部１１０の位置（α，β）を得るための回転角θ１およびθ２は、次の式（５）および（６）によって表わされることが分かる。
【０１８２】
θ１＝α・・・（５）
ｃｏｓ（θ１−θ２）＝［Ｒ１×Ｒ１＋Ｒ２×Ｒ２−Ｌ３×Ｌ３］／２×Ｒ１×Ｒ２・・・（６）
ただし、Ｌ３に関しては、次の式（７）が成立する。
【０１８３】
Ｌ３＝Ｌ１×ｃｏｓ（β−π）±ｓｑｒｔ（Ｌ２×Ｌ２−Ｌ１×Ｌ１×ｓｉｎ２（β−π））・・・（７）
なお、Ｌ３の複号（±)が、正であるか、または、負であるかは、実際の羽部１１０の挙動を考慮することによって、容易に決定される。
【０１８４】
図３１および図３２に示される本実施の形態の浮上移動装置の状態は、羽部１１０の主表面が鉛直な方向に延びる平面と平行である状態、すなわち、捻り角β＝２７０°である状態である。このとき、θ１＝０°、θ２＝−４５°、Ｒ１＝Ｒ２＝１５ｍｍ、Ｒ３＝１５．８１ｍｍ、Ｌ１＝５ｍｍ、Ｌ２＝１１．４ｍｍ、およびＬ３＝１１．３９ｍｍである。
【０１８５】
上部および下部ロータ１２２および１３２の回転角θ１およびθ２は、前述のように、磁気エンコーダ１２６よって得られた情報に基づいて中央演算装置１５１によって算出される。なお、回転角θ１およびθ２の制御方法は後述される。
【０１８６】
上記のようにして、羽部１１０の羽ばたき運動が実現される。
（トルク補助機構）
次に、図３３〜図３７を用いて、トルク補助機構を説明する。
【０１８７】
＜原理＞
羽ばたき飛行においては羽部１１０の運動方向が反転するため、打ち上げと打ち下ろしとの間に行なわれる羽部１１０の切り返しにおいては、アクチュエータに要求されるトルクは高くなる。しかしながら、羽部１１０の切り返しの直前まではアクチュエータに要求されるトルクは小さい。そこで、アクチュエータに要求されるトルクが小さな期間に、何らかの方法を用いて、アクチュエータ（上部および下部超音波モータ１２０および１３０）の運動エネルギーを蓄積しておき、アクチュエータに高いトルクが要求される期間に、蓄積されたエネルギーを羽部１１０に与えることで、アクチュエータに要求されるトルクの時刻歴を平滑化することができる。
【０１８８】
次に、図３３〜図３７を用いて、切り返し時のトルクの時刻歴を平滑化する手法を説明する。本実施の形態においては、その手法として、ある物質を弾性変形させることによってアクチュエータのエネルギーを蓄積し、その弾性変形した物質の復元力によってアクチュエータにエネルギーを与える手法が用いられる。なお、以後においては、弾性変形する物質に蓄積されたエネルギーによってアクチュエータに与えられるトルクを補助トルクと称する。
【０１８９】
図３３に示されるように、本実施の形態における浮上移動装置１００においては、羽部１１０の切り返し時にトルクのピークが極端に大きくなる現象は、上部超音波モータ１２０の駆動トルクＴ１に顕著に現れる。なお、上部ロータ１２２の回転角θ１および下部ロータ１３２の回転角θ２の制御は、図３４に示されるものであるとする。また、浮上移動装置１００は、羽軸としての前縁部１１０２を、前後方向に往復運動させるとともに、その往復運動における運動方向の反転の前から後の所定期間において、前縁部１１０２周りに回転させる羽ばたき運動を行なうものとする。
【０１９０】
上部超音波モータ１２０の打ち上げ動作と上部超音波モータ１２０の打ち下ろし動作とは前後対称である。そのため、今後は上部超音波モータ１２０の打ち上げ動作後の切り返し時のトルクを補助する手順のみ説明する。
【０１９１】
図３５に示されるように、上部ロータ１２２の外側にバネ３０１が設けられている。バネ３０１は、筐体１０１のいずれかの部分に固定されている。バネ３０１と上部ロータ１２２とは、上部ロータ１２２の回転角がθ＿ｃｏｎｔａｃｔを超えた時点で接触を開始する。なお、θ＿ｃｏｎｔａｃｔの求め方については後述する。
【０１９２】
上部ロータ１２２がバネ３０１に接触した時点でバネ３０１は収縮を始めるので、上部ロータ１２２にはバネ３０１が伸張する方向に復元力が作用する。この復元力の大きさはバネ３０１の収縮した長さに比例するため、図３６において破線で示されるようなトルクが生じる。ここでは、前述の図３６に破線で示されるトルクがトルク補助機構による補助トルクと称される。なお、トルク補助機構は、本発明のエネルギー蓄積・供与機構に対応する。
【０１９３】
上部ロータ１２２を駆動するために要求されるトルクＴ１は、図３６に細実線で示される従来のトルクＴ１に、前述の補助トルクを加算した値となるため、図３６に太実線で示されるようになる。
【０１９４】
以上のように、トルクの小さい切り返し動作の前半の上部ロータ１２２の変位によって、バネ３０１に変形エネルギーが蓄えられ、バネ３０１の復元力によって、蓄えられた変形エネルギーが切り返し動作の後半に上部ロータ１２２に与えられる。すなわち、本実施の形態のトルク補助機構、すなわち、エネルギー蓄積・供与機構は、羽軸としての前縁部１１０２を駆動するために要求されるトルクが小さい場合にエネルギーを蓄積し、前縁部１１０２に駆動するために要求されるトルクが大きい場合に上部ロータ１２２に与える。言い換えれば、エネルギー蓄積・供与機構は、前縁部１１０２の切り返しの前半に上部ロータ１２２のエネルギーを蓄積し、切り返しの後半にエネルギーを上部ロータ１２２に与える。それにより、前述のトルクＴ１のピークが低減され、トルクの時刻歴が平滑化される。
【０１９５】
＜設計手法＞
次に、図３６および図３７を用いて、最大トルクをＴ＿ＭＡＸに低減させるためのバネ３０１のバネ定数および収縮量の設計思想を説明する。なお、回転角θ１およびトルクＴ１は負の値になり得るが、説明の簡便のため、本項目の説明では、回転角θ１およびトルクＴ１の符号は、すべて正の値であるものとする。
【０１９６】
まず、図３７に示されるように、切り返し動作の後半において本来のトルクＴ１がＴ＿ＭＡＸと等しくなる時刻ｔ１を求める。この時刻ｔ１が、補助トルクが必要とされる最終の時刻であるため、この際の回転角θ１が前述の回転角θ＿ｃｏｎｔａｃｔとなる。
【０１９７】
さらに、トルクＴ１が極大値Ｔ１＿ＭＡＸになる回転角θ１＿ＭＡＸＴ１のときに、トルクＴ１からバネ３０１による補助トルクを減算した値が、Ｔ＿ＭＡＸより小さくなるように、バネ３０１のバネ定数を定める必要がある。この際のバネ３０１の収縮量は、回転角θ１＿ＭＡＸＴ１と回転角θ＿ｃｏｎｔａｃｔとの差に、バネ３０１が上部ロータ１２２に接触する点と上部ロータ１２２の回転中心位置との間の距離Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔを乗じた値である。したがって、この時点でバネ３０１に発生している力Ｆ＿ｓｐｒｉｎｇは、バネ３０１のバネ定数をｋとして、次の式（８）で表わされる。
【０１９８】
Ｆ＿ｓｐｒｉｎｇ＝（θ１＿ＭＡＸＴ１−θ＿ｃｏｎｔａｃｔ）×Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔ×ｋ・・・（８）
この際に与えられる補助トルクＴ＿ｓｐｒｉｎｇは、次の式（９）で表わされる。
【０１９９】
Ｔ＿ｓｐｒｉｎｇ＝Ｆ＿ｓｐｒｉｎｇ／Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔ＝（θ１＿ＭＡＸＴ１−θ＿ｃｏｎｔａｃｔ）×ｋ・・・（９）
また、次の式（１０）が成立する。
【０２００】
Ｔ＿ＭＡＸ＋Ｔ＿ｓｐｒｉｎｇ＞Ｔ１＿ＭＡＸ・・・（１０）
したがって、次の式（１１）が得られる。
【０２０１】
ｋ＞（Ｔ１＿ＭＡＸ−Ｔ＿ＭＡＸ）／（θ１＿ＭＡＸＴ１−θ＿ｃｏｎｔａｃｔ）・・・（１１）
厳密には、すべての時刻において、式（１１）が成立する必要があるが、本実施の形態においては、図３６に示すように、トルクＴ１の最大値である場合において、式（１１）が成立すれば、アクチュエータに要求されるトルクを大きく低下させることができる。
【０２０２】
本実施の形態においては、Ｒ＿ｃｏｎｔａｃｔ＝４ｍｍであり、ｋ＝１６０、θ＿ｃｏｎｔａｃｔ＝３０．５°であれば、トルクＴ１のピークが１７ｇｆ・ｃｍから１０ｇｆ・ｃｍへ低下する。
【０２０３】
＜材料および手法の選択＞
弾性変形してエネルギーを蓄える部材としては、金属などの弾性体またはゴムなどの超弾性体が適している。特に、ゴム紐は、比重が小さくかつ軽量化され易いものであるため、エネルギーを蓄える部材として望ましい。
【０２０４】
また、弾性変形以外の態様でエネルギーを蓄えるトルク補助機構が用いられてもよい。たとえば、気体の体積変化と圧力との関係を利用して、シリンダ内に封入された気体の収縮および伸張によって、エネルギーの蓄積および放出を行なうトルク補助機構が用いられてもよい。さらに、シリンダに封入された気体が相変化を利用して、エネルギーの蓄積および供与を行なうトルク補助機構が用いられてもよい。
【０２０５】
また、超音波モータ１２０の替わりに、電磁モータが用いられ、誘導電力が電源１９０等に蓄えられるトルク補助機構が用いられてもよい。
【０２０６】
＜補足＞
本項目においては、打ち上げ動作後の切り返しの際のトルクの時刻歴を平滑化する手法が説明されているが、打ち下ろし動作後の切り返しの際のトルクの時刻歴を平滑化する手法も、前述の手法と同様である。また、上部超音波モータ１２０のトルク補助機構の説明のみがなされたが、下部超音波モータ１３０のトルク補助機構にも、上部超音波モータ１２０のトルク補助機構と同様の構成を適用することが可能である。
【０２０７】
特に、本実施の形態においては、後述する先行切り返しの時に、下部ロータ１３２の振幅が大きくなる。この先行切り返しの時には、下部超音波モータ１３０に供給されるトルクが大きくなる。そのため、先行切り返しの羽ばたき方のときに下部ロータ１３２に前述の手法を適用することが望ましい。また、前述の手法を適用するためには、先行切り返し時に下部ロータ１３２が大きな振幅で往復運動することを阻害しないように、トルク補助機構としての弾性体の位置を考慮する必要がある。
【０２０８】
（羽ばたき方の変更による浮上移動装置の動作制御）
＜動作の基本原理＞
本実施の形態における浮上移動装置１００は、羽部１１０の羽ばたき運動が生み出す浮上力の作用点より下側の部分の質量が大きいため、自動的に、図１に示される姿勢になる。すなわち、Ｘ軸周りの回転およびＹ軸周りの回転を制御する必要はない。一方、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のそれぞれに沿った並進加速度、ならびにＺ軸周りの回転加速度（以下、「角加速度」とも言う）は、羽ばたき方によって変更される。尚、羽ばたき運動により生じる力は羽部の運動に伴って変化するが、ここでは、羽ばたき運動の１周期平均の力を羽ばたき運動により生じる力とする。
【０２０９】
（コントロールパラメータ）
本実施の形態における浮上移動装置１００においては、トルク補助機構が適正に機能するためには、上部超音波モータ１２０の回転角θ１すなわちストローク角αの振幅は固定されている必要がある。そこで、浮上移動装置１００の動作を制御するために、下部超音波モータ１３０の回転角θ２が変更される。すなわち、浮上移動装置１００は、捻り角βの変更によって、流体の流れを変化させ、それにより、姿勢を変化させる。
【０２１０】
具体的には、羽ばたき運動のストロークの両端のそれぞれにおいて羽部１１０の捻り運動のタイミングを変化させる。
【０２１１】
（上下方向における浮上力の変化）
Dickinsonらによって明らかにされているように、図３８に示すように、（１）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも先、すなわち切り返しの前半に羽部１１０を捻る（捻り先行切り返し）と、浮上力は増加し、一方、図３９に示すように、（２）羽ばたき運動の切り返し動作の中間のタイミングよりも後、すなわち切り返しの後半に羽部１１０を捻る（捻り遅れ切り返し）と、浮上力は減少する、という現象が起きる。
【０２１２】
（上下方向における浮上力が変化するときの前後方向における推進力の相殺）
さらに本発明者らは、図３８に示す前述の（１）の動作によれば、切り返し動作前の羽進行方向に沿った抗力が増大し、図３９に示す前述の（２）の動作によれば、その抗力が減少することを見出した。打ち上げ時に生じる前後方向の抗力と、打ち下ろし時に生じる前後方向の抗力とは、互いに逆向きである。そのため、打ち上げ動作と打ち下ろし動作とが前後方向に垂直な平面に対して鏡面対称であれば、それらの動作による抗力は相殺され、推進力はゼロとなる。このため、浮上移動装置は、上下方向のみにおける移動を行うことができる。
【０２１３】
（前後方向における推進力の変化）
逆に、打ち上げ時の切り返しと打ち下ろし時の切り返しとにおいて、図３８に示す前述の（１）の動作と図３９に示す前述の（２）の動作とが異なれば、その２つ動作による前後方向の抗力同士の間に差異が生じ、前方または後方のいずれかに推進力が生じる。より具体的には、図４０に示されるように、打ち下ろしの後半では、遅れ切り返しによって、前方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、先行切り返しによって、前方への加速度が得られる。一方、同様に、図４０に示されるように、打ち下ろしの後半では、先行切り返しによって、後方への加速度が得られ、また、打ち上げの後半では、遅れ切り返しによって、後方への加速度が得られる。
【０２１４】
（前後方向における推進力が変化するときの上下方向における浮上力の変化の相殺）
尚、前方への加速度が得られる動作および後方への加速度が得られる動作のいずれが実行されるときにおいても、上方への加速度の変化と下方向への加速度の変化とを相殺することは可能である。このため、水平方向における加速度のみを得ることが可能である。
【０２１５】
（空間の３次元移動）
以上の説明のように、左および右の羽部１１０のそれぞれのストローク角α、すなわちθ１の振幅が固定されていても、θ２の時刻歴のみを変更し、打ち上げにおける羽部１１０の切り返しのタイミングと打ち下ろしにおける切り返しのタイミングとを異ならせることにより、羽部１１０に上下方向および前後方向における加速度を生じさせることができる。また、左の羽部１１０に生じる加速度と右の羽部１１０に生じる加速度とを異ならせることによって、浮上移動装置１００の姿勢を左または右に傾けること、ならびに、浮上移動装置１００が左方向または右方向へ旋回することが可能になる。
【０２１６】
＜具体的な制御の詳細＞
以下、図３８に示す前述の（１）に記載の羽ばたき方を捻り先行切り返し（以下、単に、「先行切り返し」という。）と言い、図３９に示す前述の（２）に記載の羽ばたき方を捻り遅れ切り返し（以下、単に、「遅れ切り返し」という。）と言い、図３４に示すホバリング時の羽ばたき方を中央切り返しと言うものとする。
【０２１７】
また、ホバリング、Ｚ軸方向における並進運動、およびＹ軸方向における並進運動は、それぞれ、左右対称である。したがって、羽部の動作も、左右対称である。そのため、左右対称な動作のうちの左の羽部１１０の動作についてのみの説明がなされるものとする。
【０２１８】
（ホバリング）
図３４には、ホバリング時の羽ばたき方が示されている。図３４においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。このときの浮上力は自重と釣り合っており、前後方向への推進力はゼロである。
【０２１９】
（Ｚ軸方向の並進制御）
図３８には、Ｚ軸に沿った上方への移動、すなわち上昇のための羽ばたき方が示されている。図３９には、Ｚ軸に沿った下方への移動、すなわち下降のための羽ばたき方が示されている。図３８および図３９においては、回転角θ１およびθ２の時刻歴が、羽部１１０の断面の時刻歴とともに示されている。なお、左右の羽部１１０は、ＹＺ平面を対称面とする鏡面対称の動作を行なう。
【０２２０】
図３８に示す動作は、前述の（１）に記載の先行切り返し動作であり、図３９に示す動作は、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作である。これらの動作の際の前後方向における加速度は、図４０に示されるとおりゼロである。
【０２２１】
（Ｙ軸方向の並進制御）
図４１および図４４には、前方へ移動するための羽ばたき方が示され、図４１および図４５には、後方へ移動するための羽ばたき方が示されている。なお、左右の羽部１１０は、ＹＺ平面を対称面として、鏡面対称の動作を行なう。
【０２２２】
前方への移動の際には、打ち上げ終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれ、打ち下ろし終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれる。
【０２２３】
後方への移動の際には、打ち上げの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（２）に記載の遅れ切り返し動作が行なわれ、打ち下ろしの終端を含む期間での切り返しにおいて、前述の（１）に記載の先行切り返し動作が行なわれる。
【０２２４】
なお、前述の通り、遅れ切り返しの際に浮上力は減少し、先行切り返しの際に浮上力は増加するため、Ｙ軸方向の並進運動において、前述の（１）および（２）に記載の動作により生じる浮上力同士を相殺することは可能である。すなわち、浮上移動装置１００は、高度を保ったまま、前後方向へ移動することが可能である。
【０２２５】
（Ｘ軸方向の並進制御）
左方への移動を行なうためには、右の羽部１１０が上昇のための動作をし、左の羽部１１０が下降のための動作をすればよい。これにより、浮上移動装置１は、左の羽部１１０が右の羽部１１０よりも下側に位置するように姿勢を変更し、それにより、浮上力のベクトルの先端が鉛直上方向きの状態から右側に傾く。これにより、浮上移動装置１００を左方へ移動させる力が生じる。
【０２２６】
なお、このとき、浮上力の低下が起こることがあり得るため、Ｘ軸方向の並進制御とＺ軸方向の上方への移動のための制御とを併せて行なうことが望ましい。
【０２２７】
（Ｚ軸周り回転制御）
Ｚ軸周りに正方向の回転、すなわち左への旋回を行なうためには、左の羽部１１０が後退のための羽ばたき方で動作し、右の羽部１１０が前進のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０２２８】
Ｚ軸周りに負方向の回転、すなわち右への旋回を行なうためには、左の羽部１１０が前進のための羽ばたき方で動作し、右の羽部１１０が後退のための羽ばたき方で動作すればよい。
【０２２９】
いずれの場合においても、上述のように、左および右の羽部１１０による浮上力同士は相殺され得るものであるため、高度が維持された状態で、浮上移動装置１００のＺ軸周りの回転が行なわれる。
【０２３０】
（Ｙ軸周り回転制御）
本実施の形態においては、姿勢は自律的に安定するため、Ｚ軸周り以外の回転を制御することは必要ではないが、敢えて姿勢を傾けたい場合などに、Ｙ軸周りの回転角、すなわちロール角の変更を実現することができれば、便利である場合がある。
【０２３１】
特開２００６−２３２１６９に示されるように、左右の羽部の前後方向の振幅を異ならせることでＹ軸周りの回転角、すなわちロール角を変更することができる。左右の羽部の振幅を異ならせることは、デューティ比を比例的に増減させることで実現され、たとえば、左右の羽部のデューティ比の関係が図４３に示されるような関係であれば実現される。これは、図１２に示される座標系においてＹ軸回りの正の回転、すなわち、図１２における左の羽部が下がり、かつ、右の羽部が上がるような、浮上移動装置の回転を引き起こす羽ばたき方によって実現される。浮上移動装置がＹ軸まわりに負の方向に回転する場合には、図４３における左の羽部のデューティ比のグラフと右の羽部のデューティ比のグラフとが入れ替えられる。
【０２３２】
（制御の変更方法）
以上により、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方、すなわち、先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しを使い分けることで、浮上移動装置１００は空間を自在に移動することができる。また、左右の羽の振幅を変更することにより、ロール角の変更が可能である。
【０２３３】
なお、切り返しのタイミングが異なる３種類の羽ばたき方は、いずれも、羽部１１０の前後方向の往復運動の終端の前から後にかけての所定期間内に行なわれる。そのため、羽ばたき運動のストロークの中心の前から後にかけての所定期間、すなわちストローク角α＝０°の前から後にかけての所定期間内においては、回転角θ１およびθ２の値は、その速度および加速度を含めて同一である。したがって、上記のように、回転角θ１およびθ２が共通している期間内に羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽部１１０の動作を何ら補間することなく、機械的に次の羽ばたき方を選択するだけで、羽部１１０の動作に不連続性を生じさせることなく、ある羽ばたき方から他の羽ばたき方へ円滑に遷移することが可能である。
【０２３４】
（制御の選択）
上記のように、θ１＝０°の位相において羽ばたき方の変更を行なうのであれば、羽ばたき方の状態を示す表現方法として、打ち下ろし、打ち上げ、およびそれぞれの終端での切り返し、という区分を行なうことは適切ではない。打ち下ろし後半および打ち下ろし後の切り返しおよび打ち上げの前半を前方羽ばたき運動とし、打ち上げ後半および打ち上げ後の切り返しおよび打ち下ろしの前半を後方羽ばたき運動として、羽ばたき方を二つに区分することが合理的である。
【０２３５】
すなわち、左および右の羽部１１０における前方羽ばたき運動および後方羽ばたき運動において、それぞれ、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの選択を行なうことによって、最も簡便に、羽ばたき方の制御を行なうことができる。前述の説明に基づいた浮上移動装置の羽ばたき方に対応した左羽の動作および右羽の動作が、表４に示されている。
【０２３６】
【表４】
2009012668.tif 000006
【０２３７】
前述の実施の形態の浮上移動装置の説明においては、制御の手法を簡単にするために、前方羽ばたきにより生じる流体力と後方羽ばたきにより生じる流体力とを相殺することによって、意図しない方向への移動または意図しない姿勢の変更が生じないものとされた。すなわち、浮上移動装置は、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のいずれか１つについての１自由度運動のみを行うものとした。しかしながら、浮上移動装置が上昇しながら右旋回する等の複合的な運動をすることが望ましい場合がある。この場合の複合的な運動も、左右の羽部の前方羽ばたき運動と後方羽ばたき運動との組み合わせによって実現される。
【０２３８】
右の羽および左の羽の羽ばたき運動のそれぞれは、３通りの前方羽ばたきと、３通りの後方羽ばたきとの組み合わせによって決定される。それらの羽ばたき運動は、独立して選択され得るものである。そのため、左の羽部および右の羽部のそれぞれの羽ばたき運動は、９通りである。このため、左および右の２つの羽部の羽ばたき方の組み合わせは８１通りである。この８１通りの羽ばたき方が表５に示されている。
【０２３９】
【表５】
2009012668.tif 000007
【０２４０】
表５における記号Ａ，Ｃ，およびＤは、それぞれ、先行切り返し（Ａｄｖａｎｃｅｄ）、中央切り返し（Ｃｅｎｔｅｒ）、および遅れ切り返し（Ｄｅｌａｙｅｄ）を意味し、これらは、それぞれ、図３８、図３４、および図３９に示される羽ばたき方である。表５の縦欄および横欄が、それぞれ、右羽および左羽の羽ばたき方を示し、表５の中で、大分類および小分類が、それぞれ、後方羽ばたきおよび前方羽ばたきを表している。たとえば、
左羽前方羽ばたき：先行切り返し
左羽後方羽ばたき：中央切り返し
右羽前方羽ばたき：中央切り返し
右羽後方羽ばたき：遅れ切り返し
という組み合わせが選択された場合には、表７から、（−２，−２，０，０）の値が得られる。これにより、図１に示される座標系において、浮上移動装置は、右前方へ移動する。
【０２４１】
逆に、この中で浮上移動装置１００の浮上移動制御に用いる代表的な運動をピックアップすることによって、表６のような羽ばたき方を決定するためのテーブルが作成される。
【０２４２】
【表６】
2009012668.tif 000008
【０２４３】
したがって、浮上移動装置に要求される移動の形態に基づいて、羽ばたき方を定める関数Pattern_Flapping(ｘ、ｙ、ｚ、θｚ)を決定することができる。ここで、各引数は±４、±２、もしくは０であり、対応する各運動成分の正（＋）、負（−）、ゼロ（０）、および絶対値はその引数の符号および値に対応している。
【０２４４】
この関数Pattern_Flapping(ｘ、ｙ、ｚ、θｚ)の出力は、羽ばたき方を決めるパラメータ、もしくはその組み合わせ、つまり、本実施の形態では、表４または表６に示されている、左羽および右羽のそれぞれの前方羽ばたきおよび後方羽ばたきの種類（先行切り返し、中央切り返し、遅れ切り返し）を特定可能な値である。なお、表４は、表６が簡略化されたものであり、一自由度のみの制御が行われる場合に用いられる。
【０２４５】
また、θｘおよびθｙは、本実施の形態においては、浮上移動装置１００の重心が羽部の力学的作用点より下方に位置付けられているために、浮上移動装置が自律的に安定するので、すなわち、それらの値が０に収束するので、この関数に含まれていない。
（補足事項）
なお、本項目においては、最も簡便に位置制御を実現する手法の一例が記載されているが、本発明の羽ばたき方は本項目の羽ばたき方に限定されるものではない。たとえば、本実施の形態においては、回転角θ１およびθ２の角速度は、切り返しの期間を除いて略一定であるものとされている。つまり、羽部１１０の往復運動は、図５４に示すように、角速度が一定である打ち上げおよび打ち下ろしの運動と、これに連続する、角速度が変化する切り返しの運動、すなわち往復運動の運動方向を反転させるための運動とからなるものである。切り返しの運動の角速度は、打ち上げの運動の角速度および打ち下ろしの運動の角速度のそれぞれに連続するように変化する。この切り返しの運動としては、例えば１変数の三角関数等が挙げられる。しかしながら、回転角θ１およびθ２の角速度を変化させることによって、周囲流体から受ける反作用を変化させて、浮上移動装置１００を移動させる手法が用いられてもよい。
【０２４６】
また、本項目においては、説明の簡便のため、３種類の羽部１１０の切り返しのパターンの組み合わせによって、すべての羽ばたき方が表現される手法が用いられているが、この手法は、羽ばたき方の表現の一例であり、本発明の羽ばたき方は、前述の手法によって表現される羽ばたき方に限定されない。
【０２４７】
たとえば、回転角θ１およびθ２のパターンが多数存在する羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。すなわち、先行切り返しおよび遅れ切り返しのタイミングが複数種類ある羽ばたき方、または、切り返しのタイミングを連続的に自由に変更できる羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。逆に、中央切り返しは、先行切り返しと遅れ切り返しとを交互に繰り返す羽ばたき方の表現手法が用いられてもよい。このような羽ばたき方の表現手法であれば、中央切り返しのパターンのためのデータをメモリに記憶しておく必要が無いため、回転角θ１およびθ２のパターン数を低減させることができる。
【０２４８】
また、図３４、図３８、図３９、図４４、および図４５に示される回転角θの時刻歴は、図３１および図３２に表わされる構成を有する浮上移動装置１００の回転角θの一例である。実際には、羽部１１０を駆動するメカニズムに応じて、そのメカニズムを制御する各種パラメータが、前述の羽部１１０の先行切り返しおよび遅れ切り返しを実現するように設定されるのであれば、回転角θの時刻歴は、図３４、図３８、図３９、図４４、および図４５に示される回転角θの時刻歴に限定されない。
【０２４９】
また、本実施の形態においては、浮上移動装置１００の姿勢が自動的に所定の状態を維持されることを前提としているため、ロール角の変更のための制御は実行されていない。しかしながら、ロール角の制御については、特開２００６−２３２１６９にて、その制御方法が示されている。より具体的には、右の羽部の羽ばたきストロークを拡大した図４３に示されるデューティを用いれば、右の羽部が上昇し、左の羽部が低下する。右の羽部を低下させ、左の羽部を上昇させるように、ロール角を変化させたいのであれば、図４３における右の羽部のグラフと左の羽部のグラフとを入れ替えればよい。
【０２５０】
（位置検出センサ）
位置検出センサ１６０は、筐体１０１に固定されている。そのため、位置検出センサ１６０によって計測された位置および姿勢は、浮上移動装置１００の位置および姿勢そのものとなる。位置検出センサ１６０は、図４６に示すように、計測された位置および姿勢のデータを後述する中央演算装置１５１に与える。このような機能を実現するためのセンサは、技術の進展により変化するものであり、本発明の本質に関わるものではないため、いかなるものであってもよい。また、前述の姿勢を検出するためのセンサの一例としては、磁気と加速度との組み合せで、０．５°程度の姿勢の変化を検出することができるものが市販されている。たとえば、ＧＰＳ（Global Positioning System）によって１ｍ程度の誤差で位置検出を行うことができる。また、近年、ＵＷＢ(Ultra Wide Band)のような、通信に用いる電波を利用して距離計測を行う技術も開発されている。
【０２５１】
（制御回路）
制御回路１５０は、図４６および図４７に示すように、中央演算装置１５１（Central Processing Unit）、中央演算装置１５１の指令により上および下部超音波モータ１２０および１３０を駆動するドライバ１５２、ならびに、ドライバ１５２に高電圧を供給する昇圧回路１５３等を有している。
【０２５２】
＜制御回路の動作＞
オペレータ２１０が操作するコントローラ６００により浮上移動装置１００に与えられた情報により、行動演算装置７５１は浮上移動装置１００の行動を決定する。この決定された行動は、今後、運動指令と称する。運動指令は、一時記憶装置（以後、「ＲＡＭ（Random Access Memory）」と言う。）１５５に格納される。中央演算装置１５１は、ＲＡＭ１５５に記憶された運動指令に基づいて、左右の羽の羽ばたき方および画像センサ１８０の仰角を選択し、更にその羽ばたき方を実現するための、各超音波モータの駆動データを固定記憶装置（以後、「ＲＯＭ（Read Only Memory）」と言う。）１５４から得る。その後、中央演算装置１５１は、その駆動データをドライバ１５２に与える。それにより、浮上移動装置１００は、前述の運動指令に従った行動を行う。
【０２５３】
＜中央演算装置＞
（機能の概要）
中央演算装置１５１は、前述の運動指令、ＲＯＭ１５４およびＲＡＭ１５５の情報を用いて、ドライバ１５２にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号および回転方向制御信号を出力する。これにより、オペレータ２１０がポインタコントローラ６００を用いて浮上移動装置１００へ与えた運動指令に応じて超音波モータ１２０おび１３０が動作する。その結果、運転指令に対応する羽ばたき方が実現される。なお、羽ばたきの往復運動の周期は、反復タイマ１５６を用いて決定される。
【０２５４】
＜反復タイマ＞
中央演算装置１５１は、図４６および図４７に示すように、反復タイマ１５６を内蔵している。反復タイマ１５６は、羽ばたき運動の位相ψとして、−０．５〜０．５の値を５０Ｈｚの繰り返し周期で、中央演算装置１５１に出力する。ただし、羽ばたき運動の位相ψが、−０．５からカウントアップされ、０．５になると、再度、位相ψの値が−０．５からカウントアップされるものとする。この反復タイマ１５６の１周期に対応して、羽部１１０が往復運動の中央位置よりも前方に位置する前方羽ばたき運動、および、羽部１１０が往復運動の中央位置よりも後方に位置する後方羽ばたき運動のそれぞれが行なわれる。すなわち、反復タイマ１５６の１周期が羽ばたき運動の周期の２倍に対応する。本実施の形態においては、位相ψが正であれば、浮上移動装置１００は後方羽ばたき運動を行ない、位相ψが負であれば浮上移動装置１００は前方羽ばたき運動を行なうものとする。近年、機器制御に用いられているマイクロコントローラの多くには、本項で説明されている反復タイマとほぼ同様の、オートリロードタイマと呼ばれる機能が含まれており、これを用いることで、最も簡便に本項の反復タイマの機能を実現することができる。
【０２５５】
＜ＲＯＭに格納された羽ばたき方のデータ＞
ＲＯＭ１５４は、羽ばたき方のデータを格納している。羽ばたき方のデータは、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比の時刻歴のデータである。なお、超音波モータ１２０および１３０には、周波数が２５０ＫＨｚでありデューティ比が５０％に固定された駆動電圧が印加される。一方、図４８に示すように、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比とは、デューティ比が５０％に固定された２５０ＫＨｚの駆動電圧のＯＮ期間とＯＦＦ期間との和に対するＯＮ期間の比率である。
【０２５６】
すなわち、前述の先行切り返し、遅れ切り返し、および中央切り返しの３つのモードに対応する羽ばたき方のデータは、羽ばたき運動の位相ψに対応したドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比として、ＲＯＭ１５４に予め格納されている。なお、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比は、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）で示される。ただし、表４および表６に示すように、−０．５≦ψ＜０．５において、ＭＯＤＥ＝１が先行切り返しであり、ＭＯＤＥ＝０が中央切り返しであり、ＭＯＤＥ＝−１が遅れ切り返しであるものとする。
【０２５７】
図４９〜図５１には、それぞれ、後方での切り返し動作行なう場合の、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しにおけるＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値が示されている。ただし、Ｄｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２が負の値であれば、羽部１１０は、往復運動の中央位置を基準にして、後方から前方へ移動する動作が行なわれていることを意味する。なお、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙの関数は、羽ばたき動作が前後方向に対して垂直な面に関して対称であるため、Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ）と表現され得る。
【０２５８】
すなわち、符号変換のみによって、ψが負の領域での各Ｄｕｔｙ値は、ψが正の領域での各Ｄｕｔｙの関数を用いて算出される。そのため、上記の各Ｄｕｔｙの関数は、ψが正である領域のみ、ＲＯＭ１５４に格納されている。これによれば、ＲＯＭ１５４に格納されている各Ｄｕｔｙ関数のデータ量を半分に減らすことができる。よって、本実施の形態においては、各Ｄｕｔｙ関数のうちψが正の領域のみが示される。
【０２５９】
なお、右の羽部１１０と左の羽部１１０とはＺ軸に対して鏡面対称であるため、前述の座標系のＸ軸の方向の正と負とを反転させた左手系の座標が採用されれば、右の羽部１１０の制御においても前述と同様のＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２を用いることができる。
【０２６０】
また、上部ロータ１２２を駆動するための電圧のＤｕｔｙ１のグラフは、図４９〜図５１のいずれにおいても同一のグラフになっているが、下部ロータ１３２を駆動するための電圧のＤｕｔｙ２のグラフは、図４９〜図５１において異なったグラフになっていることが分かる。また、図３４、図３８、および図３９から分かるように、上部ロータ１２２の回転角θ１のグラフは、羽ばたき方（中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し）が変更されても同一であるが、下部ロータ１３２の回転角θ２のグラフは、羽ばたき方（中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し）に応じて異なっている。これによれば、上部ロータ１２２の振幅は常に一定値に固定されているが、下部ロータ１３２の振幅は羽ばたき方（中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返し）に応じて異なっていることが分かる。
【０２６１】
＜中央演算装置の動作＞
中央演算装置１５１は、位相ψの符号に基づいて、現在の羽ばたき方が前方羽ばたき運動であるか、または、後方羽ばたき運動であるかを判断する。その後、中央演算装置１５１は、ＲＯＭ１５４に格納されている表４または表６に示すデータに基づいて、羽ばたき方の状態を判断するとともに、ＲＡＭ１５５に格納されている運動指令に応じて、前述のＭＯＤＥの値を判断する。
【０２６２】
さらに、中央演算装置１５１は、前述の位相ψの値に基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１およびＤｕｔｙ２の値を得る。この値の絶対値が、ドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比である。また、この値の符号が、ドライバ１５２へ送信される、上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの回転方向である。前者は、例えばＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現され、後者は、例えばＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）というコマンドで表現される。これらのコマンドは、マイクロコントローラに内蔵されている。これらのコマンドを用いた演算は、一般的なマイクロコントローラにおいて容易に実行されるものである。
【０２６３】
中央演算装置１５１は、前述のデューティ比に基づいて、羽ばたき方に対応するＰＷＭ制御のためのＯＮ／ＯＦＦ信号をドライバ１５２に出力するとともに、位相ψの正または負に応じた回転方向制御信号をドライバ１５２に出力する。
【０２６４】
本実施の形態では、振動板１２１１の共振周波数が２５０ｋＨｚであるため、たとえば、共振周波数が２．５ｋＨｚであるＰＷＭ制御が実行されれば、１００段階の超音波モータの制御を行なうことが可能である。
【０２６５】
＜ドライバの動作＞
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１から与えられたＰＷＭ制御信号のＯＮ／ＯＦＦおよび回転方向制御信号に応じて、超音波モータ１２０を回転／停止、および、正転／反転させる。
【０２６６】
超音波モータ１２０は自己位置保持機能を有するため、回転および停止の動作は、ＰＷＭのＯＮ／ＯＦＦに応じて後述の電力供給をＯＮ／ＯＦＦすることによって、実現される。
【０２６７】
また、図２２および図２３に示されるように、超音波振動子１２１において、裏面電極１２１７に与えられる電位φＡの位相と表面電極１２１６に与えられる電位φＢの位相との差を変更することによって、上部ロータ１２２の正回転と負回転との間の変更を行なうことができる。
【０２６８】
ドライバ１５２は、中央演算装置１５１からＰＷＭ信号を受けて、電位φＡおよびφＢのデータを作成する回路と、昇圧回路１５３から供給される高圧電力を制御して、超音波振動子１２１の表面電極１２１６および裏面電極１２１７に電位φＡおよびφＢを与える回路とからなる。前者は、一般的なタイマ回路やＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いて容易に実現され得るものであり、後者は、たとえば、ハーフブリッジ回路を用いて実現される。これは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術を用いて集積化され得るものであり、後述されるように、羽ばたき飛行という用途に十分に適したものになり得るほど小型化および軽量化され得るものであり、市販されているものである。本発明者らの実験によれば、これらの回路は、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍの小型パッケージに収められ得るものであり、そのパッケージの質量は約２５ｍｇである。
【０２６９】
一般的に、前者のプログラムは以下のように表される。
：Ｌａｂｅｌ
ｉｆ（ＰＷＭ＝ＯＮ） ｔｈｅｎ
ｉｆ（回転方向＝正方向） ｔｈｅｎ
φＡ＝１
φＢ＝１
φＡ＝０
φＢ＝０
ｅｎｄ  ｉｆ
ｉｆ（回転方向＝逆方向） ｔｈｅｎ
φＢ＝１
φＡ＝１
φＢ＝０
φＡ＝０
ｅｎｄ  ｉｆ
ｅｎｄ  ｉｆ
ｇｏｔｏ  Ｌａｂｅｌ
但し、これらは簡易に前者回路の動作を表現するための一例であり、実際のプログラムにおいては、φＡおよびφＢのそれぞれが２５０ｋＨｚの矩形波となるようなタイミング調整が行われるため、ダミーの実行文の挿入等が必要になる。
【０２７０】
＜昇圧回路＞
昇圧回路１５３は、電源１９０の電圧（３Ｖ）を、超音波モータの駆動のために必要な±１５Ｖの電圧に変更して、±１５Ｖの電圧をドライバ１５２に印加する。昇圧回路１５３としては、一般的なＤＣ(Direct Current）−ＤＣコンバータが用いられ、その一例として、３ｍｍ×３ｍｍ×０．８５ｍｍという小型パッケージが市販されている。昇圧回路１５３の質量は約２５ｍｇである。
【０２７１】
＜ブロック図＞
前述の制御の体系のブロック図が図４６に示されている。なお、４つの超音波モータの駆動方法は同一であるため、図４６には左の羽部１１０を駆動する上部超音波モータ１２０の制御体系のみが示され、他の制御体系は省略されている。また、図４７は、後述する図５２のフローチャートにおけるデータ処理の流れを説明するための機能ブロック図である。
【０２７２】
＜制御フローチャート＞
次に、図５２を用いて、浮上移動装置の制御のためのフローチャートの一例を説明する。なお、このフローチャートは、一例であり、浮上移動装置１００のアプリケーションによって変更され得るものである。
【０２７３】
なお、以下のフローチャートにおいて、反復タイマ１５６は前述のオートリロードタイマを用いて恒常的に動作しており、ステップＳ１においては、ψ＝０である状態から処理が開始されるものとする。このとき、α＝０°であるものとする。
【０２７４】
ステップＳ１＜浮上移動装置動作決定＞
ポインタコントローラ６００によりオペレータ２１０の指示が浮上移動装置１００に与えられ、浮上移動装置１００は受信されたシリアルデータの位置信号および方位信号を用いて、表１および表２のデータを参照して、浮上移動装置１００の行動を算出する。算出された行動は、運動指令として中央演算装置１５１に与えられる。
【０２７５】
ステップＳ２＜羽ばたき状況検出＞
中央演算装置１５１は、反復タイマ１５６から送信されてきた位相ψの値のデータに基づいて、浮上移動装置１００の現時刻での羽ばたき方の状態を認識する。具体的には、中央演算装置１５１は、位相ψの値が正であれば、浮上移動装置１００が後方羽ばたき運動を行なっていると判断し、位相ψが負であれば、浮上移動装置１００が前方羽ばたき運動を行なっていると判断する。
【０２７６】
ステップＳ３＜羽ばたきモード決定＞
中央演算装置１５１は、左および右それぞれの羽部について、上記運動指令（前進、後退等）に応じて表４または表６の行成分を選択し、かつ、上記羽ばたき方の状態（前方羽ばたき、もしくは、後方羽ばたき）に応じて表４または表６の列成分を選択する。それにより、中央演算装置１５１は、中央切り返し、先行切り返し、および遅れ切り返しの中からいずれか１の羽ばたきモード、すなわちＭＯＤＥの値を選択する。選択された羽ばたきモードのデータは、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０２７７】
ステップＳ４＜デューティ比決定＞
中央演算装置１５１は、前述の羽ばたきモードのデータに基づいて、ＲＯＭ１５４に格納されたＤｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）のデータの中からドライバ１５２へ送信されるＰＷＭ制御信号のデューティ比を選択する。
【０２７８】
ステップＳ５＜ドライバ駆動＞
中央演算装置１５１は、上記ＰＷＭ制御信号のデューティ比の正または負に応じて、回転方向制御信号をドライバ１５２に出力するとともに、そのデューティ比のＰＷＭ信号をドライバ１５２に出力する。すなわち、ＡＢＳ（Ａ）をＡの絶対値とし、ＳＩＧＮ（Ａ）をＡの符号とすると、回転方向制御信号はＳＩＧＮ（Ｄｕｔｙ）であり、デューティ比はＡＢＳ（Ｄｕｔｙ）である。なお、ここで、Ｄｕｔｙは、上部および下部超音波モータ１２０および１３０に対応しているＤｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）を意味する。
【０２７９】
ステップＳ６＜超音波モータ駆動＞
ドライバ１５２は、上記回転方向制御信号に応じて、振幅が３０Ｖであり、かつ、周波数が２５０ｋＨｚである矩形波の電圧を表面電極１２１６および裏面電極１２１７に印加する。これらの２つの矩形波は、±９０°位相が異なっている。具体的には、ドライバ１５２は、超音波振動子１２１の表面電極１２１６に矩形波の電位φＢを与え、また、超音波振動子１２１の裏面電極１２１７に矩形波の電位φＡを与える。この矩形波の電位φＡの位相と矩形波の電位φＢの位相とが±９０°ずれている。
【０２８０】
ステップＳ７＜次回羽ばたきモード選択＞
ψ＝０またはψ＝−０．５の場合には、羽ばたき方の状態が変更されたことを意味するため、再びステップＳ１の処理が実行され、運動指令の変更も含め、羽ばたきモードが更新される。ψ＝０またはψ＝−０．５以外の場合には、羽ばたきモードは更新されず、ステップＳ４の処理が実行され、新たな位相ψが設定され、ステップＳ１に戻る。
【０２８１】
＜補足＞
なお、上記指令の形態はあくまで説明のための一例であり、これに限定されない。たとえば、速度指令が電圧値としてアナログ信号で与えられることにより、量子化誤差のない滑らかな速度指令が得られる手法が用いられてもよい。また、超音波モータの駆動に必要な電圧は、技術の進歩によって変化し得るものである。たとえば、現行の主なＴＴＬ(Transistor Transistor Logic)−ＩＣ（Integration Circuit）やＣＰＵ（Central Processing Unit）の駆動電圧である３Ｖ以下で駆動し得る超音波モータが実現されれば、昇圧回路１５３は不要となる。
【０２８２】
さらに、本実施の形態では、説明の簡便のため、デューティ比に応じて超音波モータ１２０および１３０の回転速度が一義的に決定されるという仮定の下に説明がなされているが、負荷の変動などによってはこの仮定が成り立たない場合も考えられる。この場合には、上部磁気エンコーダ１２６の信号によって得られる上および下部超音波モータ１２０および１３０の回転角θ１およびθ２の値を参照して、デューティ比が調整されてもよい。
【０２８３】
（高機動力要件の検討）
＜＜単独性＞＞
本実施の形態における羽ばたき浮上移動装置１００の制御は、表４および表６に示されるように、全て、羽ばたき運動の両端における羽部の捻り動作のタイミングの選択によって行われる。これは、胴体の姿勢に拘束されないため、単独性が確保される。
【０２８４】
より具体的には、図４０および図４１に示される先行切り返しおよび遅れ切り返しのうちの一方の羽ばたき方が選択されると、羽部１１０の加速度の水平方向成分を独立して制御することが可能で、羽ばたき運動の１周期における羽部１１０の加速度の水平方向成分の方向を前方および後方のいずれかに向けることができる。したがって、浮上移動装置は、本体部（筐体１０１）の姿勢を変化させることなく、羽部１１０の動作のみの変更によって、流体力の方向を変更することが可能である。
【０２８５】
＜＜連続性＞＞
前述の羽部１１０の捻り、すなわち切り返しの動作は、羽ばたき運動における羽部１１０の往復運動の始点または終点を含む特定期間においてのみ異なり、いずれの羽ばたき方においても、羽ばたき運動の往復運動の中心位置を含む所定期間においては、羽部１１０の運動は同一である。つまり、複数種類の羽ばたき運動は、往復運動の中心位置を含むタイミングにおいて、共通の動作をする。このため、羽ばたき運動中に羽ばたき方の変更がなされても、その羽ばたき方の変更が共通の動作をするタイミングにおいてなされるのであれば、１の羽ばたき方から他の羽ばたき方への変化における羽部１１０の挙動は、連続的なものである。つまり、羽ばたき方の変更はスムーズに行われる。
【０２８６】
より具体的には、本実施の形態の浮上移動装置は、制御回路１５０のＲＯＭ１５４が、羽部１１０に羽ばたき運動をさせるための複数種類のデータ（表４または表６参照）を有し、複数種類のデータに基づいてアクチュエータ（上部および下部ロータ１２０および１３０）を制御する。複数種類のデータのそれぞれは、羽部１１０の往復運動の１周期の動作を特定可能であり、複数種類のデータは、往復運動の１周期の所定期間において、羽部１１０に共通の羽ばたき運動をさせるものである。具体的には、複数種類のデータは、先行切り返しのためのデータ（図３８）、中央切り返しのためのデータ（図３４）、および遅れ切り返しのためのデータ（図３９）からなる３種類のデータである。図４１および図４２ならびに表４または表６によって表わされているように、浮上移動装置１００の運動（停空、上昇、下降、前進、後退、右移動、左移動、右旋回、および左旋回、ならびにこれらの組み合わせ）は、前述の複数種類のデータを逐次選択して組み合わせることにより実現される。制御回路１５０は、羽部１１０の往復運動の中心位置を含む所定期間において、アクチュエータ（ロータ１２０，１３０）が複数種類のデータのうちの１のデータによって特定される羽ばたき運動を羽部１１０にさせる制御からアクチュエータが複数種類のデータのうちの他のデータによって特定される羽ばたき運動を羽部１１０にさせる制御へ切り換える。
【０２８７】
上記の構成によれば、羽部の運動に不連続な変化が生じることなく、羽ばたき運動の態様を変更することができる。そのため、羽ばたき運動の「連続性」が実現される。
【０２８８】
また、羽部は、１のデータによって特定される羽ばたき運動においては、往復運動の一周期のうちの２つの特定期間のそれぞれにおいて行われる他のデータによって特定される羽ばたき運動とは異なる軌跡を描くことが望ましい。これによれば、羽部１１０は、往復運動の１周期の間に最大で４種類の状態に順次変化する。そのため、羽ばたき運動のバリエーションが豊富になる。
【０２８９】
＜＜独立性＞＞
また、２つの特定期間は、互いに１／２周期ずれていてもよい。これによれば、１の特定期間と他の特定期間とが時間的に最も大きくずれて繰り返される。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２９０】
また、２つの特定期間の一方および他方は、それぞれ、羽部１１０の往復運動の一方端に位置するタイミングおよび羽部１１０の往復運動の他方端に位置するタイミングを含むことが望ましい。つまり、羽部１１０の切り返しは、前後方向の往復運動の端部を含む期間において行なわれることが望ましい。これによれば、１の特定期間における羽部１１０の位置と他の特定期間における羽部１１０の位置とが最も大きく離れている。そのため、一方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流が、他方の特定期間における羽ばたき運動に起因して生じる気流に及ぼす影響が最も小さくなる。そのため、羽ばたき運動の変更における「独立性」が確保される。
【０２９１】
すなわち、本実施の形態の浮上移動装置においては、羽ばたき運動の両端のそれぞれを含む特定期間においてのみ羽部１１０の動作が異なる複数種類の羽ばたき運動が行われる。そのため、以前の羽ばたき運動によって生じた流体の挙動が現在の羽ばたき運動に与える影響は極力低減されている。これにより、独立性が実現されている。
【０２９２】
＜＜単純性＞＞
また、２つの特定期間の一方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分と、２つの特定期間の他方の期間における羽ばたき運動により生じる流体力のうちの一の方向成分とが、相殺される。これによれば、羽ばたき運動の変更に起因する浮上移動装置の姿勢の変化の態様が単純になる。そのため、浮上移動装置を所望の姿勢にするための制御が容易になる。したがって、羽ばたき運動の変更における「単純性」が確保される。
【０２９３】
より具体的には、本実施の形態の浮上移動装置においては、表４または表６に示されるように、浮上移動装置の浮上移動の態様（停空、上昇、下降、前進、後退、左移動、右移動、左旋回、右旋回、およびこれらの組み合わせ）と、浮上移動の態様を実現するための羽ばたき方（先行切り返し、中央切り返し、および遅れ切り返しの組み合わせ）とが一対一に対応している。そのため、羽ばたき方に対応する上部および下部超音波モータ１２０および１３０のそれぞれの駆動デューティ比のデータが変更されるだけの極めて単純なアルゴリズムによって、浮上移動態様の変更を実現することができる。したがって、本実施の形態の浮上移動装置においては単純性が実現されている。
【０２９４】
更に、複数のデータのうちのホバリングのためのデータによって特定される羽ばたき運動は、羽部１１０に上下方向および左右方向を含む平面に対して鏡面対称な前後方向の往復運動をさせるものであり、制御回路１５０は、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の一方端まで羽部１１０を移動させるための基本データ（図４９、図５０、および図５１）と、前後方向の往復運動の中心位置から前後方向の往復運動の他方端まで羽部１１０を移動させるように、基本データを変換するためのアルゴリズムまたは演算機能部、即ち（Ｄｕｔｙ１（−ψ）＝−１×Ｄｕｔｙ１（０．５＋ψ））という演算式とを含んでいることが望ましい。これによれば、制御回路１５０は、羽ばたき運動の１周期の１／２の期間のみのためのデータを有しているだけで、所望の羽ばたき運動を羽部１１０にさせることができる。そのため、制御回路１５０のデータの記憶のためのメモリ容量を低減することができる。その結果、浮上移動装置を小型化かつ軽量化することができる。
【０２９５】
（通信装置）
通信装置１７０は、画像センサ１８０よって得られた画像情報を、ポインタコントローラ６００に送信する。この手段は一般的に用いられている無線通信で、浮上移動するに十分軽量に実装できるものであれば特に限定が必要なものではない。
【０２９６】
（電源）
本発明の駆動エネルギー源としての電源１９０は、必要とされる電力を供給できる放電特性を有し、かつ、浮上を妨げない質量を有するものであれば、いかなるものであってもよい。
【０２９７】
本発明者らが用いた電源１９０は、質量０．７ｇのリチウムイオン電池で、本発明者らの計算によれば、約５０秒にわたり０．６Ｗを供給することができる。電源１９０は、筐体１０１の下部に設けられている。そのため、電源１９０は、羽部１１０が受ける流体反力の作用点であるベアリング１２３より下側に位置し、浮上移動装置１００の姿勢を自律的に安定させている。
【０２９８】
この他の電源としては、燃料電池、電気二重層コンデンサなどのキャパシタ、太陽電池、および有線による供給、等が挙げられる。また、これらの電源が併用されてもよい。たとえば、リチウムイオン電池の他に、羽部１１０の表面に太陽電池が設けられ、これらの電力が併せて用いられてもよい。
【０２９９】
（筐体）
筐体１０１は、底部プレート１０２、上部プレート１０３、底部プレート１０２と上部プレート１０３とを連結するフレーム部１０４、および、底部プレート１０２に設けられた脚１０５からなる。
【０３００】
底部プレート１０２および上部プレート１０３は、厚さ０．２ｍｍのＣＦＲＰからなり、フレーム部１０４は厚さ３５μｍのステンレスからなる。脚１０５は、肉厚４０μｍ、長さ１０ｍｍ、かつ直径０．５ｍｍのＣＦＲＰの中空パイプからなる。
【０３０１】
また、上部プレート１０３および底部プレート１０２は、ロータシャフト１２４、支持シャフト１２７、および筐体補強ポール１１２によっても連結されている。
【０３０２】
（浮上の可否）
＜質量＞
本発明者らの計算によれば、羽部１枚が生み出す浮上力は１．２ｇｆである。よって、羽部２枚が生み出す浮上力は２．４ｇｆである。また、各構成要素の質量が表７に示されている。表７に示されるように、浮上移動装置１００の総質量は２．１７ｇｆであり、この値は、前述の浮上力２．４ｇｆよりも小さいため、浮上移動装置１００は、浮上することができる。
【０３０３】
【表７】
2009012668.tif 000009
【０３０４】
＜消費電力＞
本発明者らの計算によれば、浮上移動装置１００の羽部が１．２ｇｆの浮上力を生ずるに要求される機械的パワーは上および下部超音波モータ１２０および１３０共に最大４０ｍＷである。各超音波モータのエネルギー変換効率は３３％である。したがって、浮上のために要求される最大電力は超音波モータ１つにつき約１２０ｍＷであり、それらの電力の合計は４８０ｍＷである。ドライバ１５２および昇圧回路１５３の総合効率は約８５％であるため、４つの超音波モータの駆動のために必要な電力は最大５６５ｍＷである。
【０３０５】
中央演算装置１５１の消費電力は５ｍＷである。磁気エンコーダ１２６の消費電力は５ｍＷである。位置検出センサ１６０の消費電力は５ｍＷである。画像センサ１８０の消費電力は１５ｍＷである。通信装置１７０の消費電力は５ｍＷである。
【０３０６】
これらの電力の総計は、最大６００ｍＷであり、電源１９０の能力の範囲内の値である。したがって、浮上移動装置１００は、内蔵された電源１９０から供給された電力のみを用いて浮上することができる。したがって、浮上移動装置１００は、外部から電力の供給を受けることなく、独立して羽ばたき飛行することができるスタンドアロンタイプのロボットになり得るものである。
【０３０７】
＜実施の形態２＞
次に、図５５〜図６１を用いて、本発明の実施の形態２の移動ロボットシステムを説明する。なお、説明の簡便のため、実施の形態１と同一の構成要素には同一番号が付され、その説明は繰り返されない。
【０３０８】
＜全体の構成および動作原理＞
先ず、図５５〜図５７を用いて、システムの全体の構成およびシステムの動作原理が説明される。
【０３０９】
図５５〜図５７に示されるように、浮上移動装置２１００におけるデータ受信部２７００には、方位指示用の赤外線発光ダイオード２７１１〜２７１４が設けられており、浮上移動装置１００は、実施の形態１におけるポインタコントローラ６００と同様に、図５８に示されるような分布を有する方位信号を送信することができる。
【０３１０】
なお、図５８に示される方位信号の座標軸は、実施の形態１における赤外線受光素子と同様に、浮上移動装置２１００またはＣＭＯＳイメージャ１８１を基準として設定されている。
【０３１１】
本実施の形態のポインタコントローラ２６００は、実施の形態１におけるポインタコントローラ６００の構成に加えて、浮上移動装置２１００が発信した方位信号を受信することができる方位信号受信センサ６１５を備えている。また、ポイントコントローラ６００は、方位信号受信センサ６１５によって受信された方位信号を、実施の形態１において説明された赤外線発光ダイオード６１１〜６１４のシリアルデータに付加して、浮上移動装置１００へ送信することができる。
【０３１２】
ポインタコントローラ２１００が送信した方位信号は、浮上移動装置２１００の赤外線信号受光素子２７１５によって受信される。つまり、図５９に示されるような状態において、浮上移動装置２１００は、自らが送信した方位信号を、ポインタコントローラ２６００を経由して、受け取ることができる。
【０３１３】
以上の構成によれば、浮上移動装置２１００は、ポインタコントローラ２６００が指し示す方向における所定の位置を基準としたときの浮上移動装置２１００の位置を示す信号、浮上移動装置２１００またはこれに搭載されたＣＭＯＳイメージャ１８１が指し示す方向における所定の位置を基準としたときのポインタコントローラ２６００の位置を示す信号、およびポインタコントローラ２６００によって出力された全ての指示信号を受信することができる。
【０３１４】
これらの情報を用いて、浮上移動装置２１００は、その位置および姿勢を制御することによって、前述の実施の形態１と同様の機能を実現することができる。
【０３１５】
＜ポインタコントローラ＞
図６０に示されるように、ポインタコントローラ２６００は、実施の形態１におけるポインタコントローラ６００の構成に加え、方位信号受信センサ６１５を備えている。その他の構成は、実施の形態１におけるポインタコントローラ６００の構成と同一である。
【０３１６】
まず、シリアルデータの０〜３ビットは、実施の形態１のシリアルデータ０〜３ビットと同様である。また、方位信号受信センサ６１５によって受信された方位信号は、シリアルデータの４〜７ビットに規定されている。操縦データは、実施の形態１におけるシリアルデータの構成に対して４ビットずれた位置に規定されている、つまり、シリアルデータのビット８〜１３に規定されている。
【０３１７】
以上の構成により、ポインタコントローラ２６００は、自身が指し示す方向を特定可能な信号、自身の浮上移動装置２１００に対する姿勢を特定可能な信号、および操作信号を、シリアルデータとして、浮上移動装置２１００に送信する。
【０３１８】
＜構成およびデータフロー＞
以上の機能を実現する一例となる構成が図６１に示されている。方位信号受信センサ６１５から、受信センサドライバ６９５を経由して、コントローラ演算装置６９０へ入力される方位信号は、ＤＡＴＡ＿Ｒと称される。また、各操作ボタンの信号は、一括してＤＡＴＡ＿Ｂと称される。コントローラ演算装置６９０は、図６１に示されるように、赤外線発光ダイオード６１１〜６１４にそれぞれ接続されたＬＥＤドライバ６９１〜６９４に対して、前述の位置データ、ＤＡＴＡ＿Ｒ、およびＤＡＴＡ＿Ｂを与える。ＬＥＤドライバ６９１〜６９４は共通のクロック信号およびトリガ信号を与えられており、トリガ信号を契機として、クロック信号に同期して、前述のデータを含む光信号を送信する。
【０３１９】
＜浮上移動装置＞
浮上移動装置２１００は、実施の形態１における赤外線受光素子７１１〜７１４の代わりに、データ受信センサ２７００内に、方位指示用赤外線発光ダイオード２７１１〜２７１４に加えて、赤外線信号受光素子２７１５を備えている。
【０３２０】
なお、方位指示用の赤外線発光ダイオード２７１１〜２７１４は、それぞれ、図５８に示される４ビットのシリアルデータを同期して送信する、図示されてないドライバによって駆動される。このドライバは、既に実現されている赤外線リモコンなどの技術により容易に実現され得るものであるため、その詳細は省略される。
【０３２１】
赤外線信号受光素子２７１５の受信信号、すなわちシリアルデータが行動演算装置７５１に与えられることによって、運動指令が生成され、実施の形態１と同様の処理がなされる。
【０３２２】
＜その他＞
上記浮上移動装置２１００より発せられる方位信号は、混信を防ぐため、上記ポインタコントローラ２６００より発せられる上記シリアルデータの信号と異なる周波数を用いて変調されることが望ましい。これは、例えば、方位信号の変調周波数を、シリアルデータの変調周波数である３８ｋＨｚとは異ならせる等の手法によって、既に実用化されている技術を用いて容易に実現され得る。
【０３２３】
＜実施の形態３＞
次に、図６２および図６３を用いて、本発明の実施の形態３のシステムが説明される。なお、説明の簡便のため、実施の形態１と同一の構成要素には同一の参照符号が付され、その説明は繰り返さない。
【０３２４】
なお、本実施の形態における操縦の態様は、以下のようなものである。
位置変更ボタン６３０がＯＮされると、浮上移動装置３１００の位置および姿勢、ならびに、浮上移動装置３１００における画像センサ１８０の仰角が制御される。本実施の形態においては、姿勢変更ボタン６４０は使用されない。
【０３２５】
位置変更ボタン６３０がＯＮされた場合には、まず、浮上移動装置３１００の姿勢および画像センサ１８０の仰角が制御され、画像センサ１８０の正面は、ポインタコントローラ６００を向く姿勢になる。
【０３２６】
次に、ポインタコントローラ６００が指し示す方向における所定の位置に、浮上移動装置３１００が移動する。浮上移動装置３１００が移動すると、画像センサ１８０の正面がポインタコントローラ６００に向いていなくなる。そのため、浮上移動装置３１００は、この状態を検知して、再度、姿勢変更のために、画像センサ１８０の正面がポインタコントローラ６００を向く姿勢に戻るように羽ばたき運動をする。
【０３２７】
前述のような動作を繰り返すことによって、浮上移動装置３１００は、ポインタコントローラ６００が指し示す方向における所定の位置で、画像センサ１８０の正面がポインタコントローラ６００に向いている姿勢になる。
【０３２８】
浮上移動装置
＜構成＞
浮上移動装置３１００は、筐体３１１０にメインロータアクチュエータ３１２０を備えている。メインロータ３１３０は、メインロータアクチュエータ３１２０によって回転される。なお、メインロータアクチュエータ３１２０は、メインロータ３１３０のピッチおよびその回転面の前側、後側、左側、および右側のそれぞれへの傾きを制御することができる。また、浮上移動装置３１００の後尾には、テイルロータアクチュエータ３１４０およびテイルロータアクチュエータ３１４０よって回転駆動されるテイルロータ３１５０が設けられている。
【０３２９】
なお、本実施の形態の浮上移動装置３１００は、一般的に使用されている回転翼機と同様の構成を有するものであり、本発明に特有の構造および本発明が実現されるか否に関わる構造を有していないので、その説明は省略される。
【０３３０】
＜制御手法＞
＜制御要素＞
＜Ｘ軸方向への並進制御＞
メインアクチュエータ３１２０には、図示されないロータ傾斜機構が設けられており、メインロータ３１３０の回転面を、前側、後側、左側、および右側のいずれかに傾斜させることができる。ここでは、浮上移動装置３１００は、ロータ左右方向傾斜角信号の入力値が正であれば、図６２に示されるＹ軸周りに正方向の回転をするように、一方、ロータ左右方向傾斜角信号の入力値が負であれば、図６２に示されるＹ軸周りに負方向の回転をするように、メインロータ３１３０の回転面を左または右に傾斜させるものとする。
【０３３１】
これにより、メインロータ３１３０の発生する流体力に左または右の水平方向成分が生じ、Ｘ軸方向の正または負、すなわち左または右に移動することができる。
【０３３２】
＜Ｙ軸方向への並進制御＞
同様に、浮上移動装置３１００は、メインアクチュエータ３１２０におけるロータ傾斜機構によって、ロータ前後方向傾斜角信号の入力値が正であれば、図６２に示されるＸ軸まわりに正方向に回転し、ロータ前後方向傾斜角信号の入力値が負であるなら、図６２に示されるＸ軸まわりに正方向に回転し、メインロータ３１３０の回転面を前側または後側に傾斜させるものとする。これにより、メインロータ３１３０の発生する流体力に前後方向の水平方向成分が生じ、Ｙ軸方向、すなわち前後に移動することができる。
【０３３３】
＜Ｚ軸方向への並進制御＞
メインアクチュエータ３１２０には、図示されないロータピッチ制御機構が設けられており、メインロータ３１３０のピッチを変更することができる。ここでは、ロータピッチ信号の入力値が正であれば、メインロータ３１３０のピッチを増加させることによって揚力を増大させ、一方、ロータピッチ信号の入力値が負であれば、メインロータ３１３０のピッチを減少させることによって揚力を低下させるものとする。これにより、メインロータ３１３０が発生させる揚力が増減する。その結果、浮上移動装置３１００は、Ｚ軸方向、すなわち、上下方向に移動することができる。
【０３３４】
＜Ｚ軸周りの回転制御＞
テイルロータアクチュエータ３１４０は、ホバリング時には、テイルロータ３１５０を、メインロータ３１３０の回転によって生じるモーメントを打ち消すだけの流速を生み出す回転数ｆ０で回転させている。この回転数を基準として、テイルロータ３１５０の回転数を増減させることにより、浮上移動装置３１００にＺ軸まわりの回転を行わせることができる。ここでは、テイルロータ回転数の入力値が正であれば、テイルロータアクチュエータ３１４０の回転数をｆ０より増加させることによって浮上移動装置３１００をＺ軸まわりに正方向に旋回させ、テイルロータ回転数の入力値が負であれば、テイルロータアクチュエータ３１４０の回転数をｆ０より減少させることによって浮上移動装置３１００をＺ軸まわりに負方向に旋回させるものとする。これにより、浮上移動装置３１００は、Ｚ軸方向の回転、すなわち、左または右への回転を行うことが出来る。 
【０３３５】
＜Ｘ軸またはＹ軸まわりの回転制御＞
一般に、本体に対するメインロータの回転面の姿勢を大きく変化させることができない回転翼機においては、その姿勢変更のためには位置変更を同時に行わざるを得ない。そのため、回転翼機の姿勢を単独で変更することは容易ではない。このため、本実施の形態においては、説明の簡便のため、Ｘ軸およびＹ軸まわり回転は制御されないものとする。
【０３３６】
なお、本実施の形態においては、仰角アクチュエータ１８２によってＣＭＯＳイメージャ１８１の仰角が変化され得るので、Ｘ軸周りの回転を制御することを必要としない。
【０３３７】
＜制御回路＞
次に、図６３および表８を用いて本実施の形態における制御回路３１５０が説明される。
【０３３８】
【表８】
2009012668.tif 000010
【０３３９】
制御回路３１５０は、データ受信センサ７００により得られた位置データ、方位データ、および操縦データを用いて、かつ、ＲＯＭ３５２０に格納された表８の制御データを参照して、メインロータアクチュエータ３１２０におけるロータ左右方向傾斜角信号の入力値、ロータ前後方向傾斜角信号の入力値、ロータピッチ信号の入力値、およびテイルロータ回転数の入力値を決定する。これにより、表７の制御データによって特定される制御が実現されるので、浮上移動装置３１００は、ポインタコントローラ６００が指し示す方向における所定の位置で、ポインタコントローラ６００にその正面を向けた姿勢になることが可能になる。
【０３４０】
＜補足＞
なお、本発明の実施の形態における浮上移動装置３１００は、本発明のコントローラが回転翼機に適用された場合の一例であり、コントローラ以外の構成、例えば、テイルロータアクチュエータ３１４０の構成、および、テイルロータアクチュエータを用いるか否か等は、本発明の本質とは関連性を有していないため、いかなるものであってもよい。
【０３４１】
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】
【０３４２】
【図１】実施の形態の浮上移動装置の全体構成の概略図である。
【図２】実施の形態のポインタコントローラの構成を示す概略図である。
【図３】実施の形態のポインタコントローラのデータフローを示す概略図である。
【図４】実施の形態のポインタコントローラの照射領域および照射データを説明するための図である。
【図５】実施の形態のポインタコントローラの照射領域における浮上移動装置の移動方向を表す模式図である。
【図６】実施の形態の画像センサの上面図である。
【図７】実施の形態の画像センサの正面図である。
【図８】実施の形態の画像センサの左側面図である。
【図９】実施の形態の画像センサの仰角の変更を説明するための図である。
【図１０】実施の形態の方位決定センサの感度分布を説明するための図である。
【図１１】実施の形態の画像センサおよび方位センサの仰角制御を説明するための図である。
【図１２】実施の形態の浮上移動装置の詳細構造の概略図である。
【図１３】実施の形態の浮上移動装置の羽根部の概略平面図である。
【図１４】実施の形態の浮上移動装置の羽根部の概略側面図である。
【図１５】実施の形態の浮上移動装置の羽根部の第一の層を示す図である。
【図１６】実施の形態の浮上移動装置の羽根部の第二の層を示す図である。
【図１７】実施の形態の浮上移動装置の羽根部の第三の層を示す図である。
【図１８】実施の形態の浮上移動装置に用いられるアクチュエータの外観図である。
【図１９】実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの概略図である。
【図２０】実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの第一の振動モードを示す図である。
【図２１】実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの第二の振動モードを示す図である。
【図２２】実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図２３】実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図２４】実施の形態の浮上移動装置に用いられる他の例の超音波モータの動作を表わす説明図である。
【図２５】実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの予圧機構の概略図である。
【図２６】上部および下部ロータの他の例を示す図である。
【図２７】実施の形態の浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの概略図である。
【図２８】実施の形態の浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの第一の構成部品を示す図である。
【図２９】実施の形態の浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの第二の構成部品を示す図である。
【図３０】実施の形態の浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの第三の構成部品を示す図である。
【図３１】実施の形態の浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムのサイズの定義を示す図である。
【図３２】実施の形態の浮上移動装置に用いられる羽駆動メカニズムの駆動原理を説明するための図である。
【図３３】実施の形態の浮上移動装置に用いられる超音波モータの駆動トルクの時刻歴を示すグラフである。
【図３４】実施の形態の浮上移動装置の中央切り返しの羽ばたき方を説明するための図である。
【図３５】実施の形態の浮上移動装置のエネルギー蓄積・放出機構を説明するための図である。
【図３６】実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の効果を示すグラフである。
【図３７】実施の形態の浮上移動装置のトルク補助機構の設計方法を表わす補助図である。
【図３８】実施の形態の浮上移動装置の先行切り返しの羽ばたき方を表わす説明図である。
【図３９】実施の形態の浮上移動装置の遅れ切り返しの羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４０】実施の形態の浮上移動装置の上昇・下降時の羽ばたき方により生じる水平方向の力を表す説明図である。
【図４１】実施の形態の浮上移動装置の前進方法を表す説明図である。
【図４２】実施の形態の浮上移動装置の後退方法を表す説明図である。
【図４３】実施の形態の浮上移動装置の旋回のための左右の羽部のアクチュエータに印加される電圧のデューティ比を示すグラフである。
【図４４】実施の形態の浮上移動装置の前進時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４５】実施の形態の浮上移動装置の後退時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図４６】実施の形態の浮上移動装置における制御システムのハードウエアブロック図である。
【図４７】実施の形態の浮上移動装置における制御システムの機能ブロック図である。
【図４８】実施の形態の浮上移動装置のＰＷＭ制御信号のデューティ比を説明するための図である。
【図４９】実施の形態の浮上移動装置の中央切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５０】実施の形態の浮上移動装置の先行切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５１】実施の形態の浮上移動装置の遅れ切り返しの制御のためのデューティ比を示すグラフである。
【図５２】実施の形態の浮上移動装置の制御の流れを示すフローチャートである。
【図５３】従来の浮上移動装置の問題点を説明するための図である。
【図５４】一般的なホバリングの羽ばたき方を説明するための図である。
【図５５】実施の形態２の画像センサの上面図である。
【図５６】実施の形態２の画像センサの正面図である。
【図５７】実施の形態２の画像センサの左側面図である。
【図５８】実施の形態２の４つの方位指示用赤外線発光ダイオードから送信される信号の空間分布を示す概略図である。
【図５９】実施の形態２のポインタコントローラと浮上移動装置とのデータの送受信を説明するための図である。
【図６０】実施の形態２のポインタコントローラの主要な構成を示す図である。
【図６１】実施の形態２のポインタコントローラのデータフローを示す図である。
【図６２】実施の形態３の浮上移動装置の模式図である。
【図６３】実施の形態３の浮上移動装置のデータのフローチャートである。
【符号の説明】
【０３４３】
１００  浮上移動装置、６００  コントローラ。
【図１】
2009012668.tif 000011
【図２】
2009012668.tif 000012
【図３】
2009012668.tif 000013
【図４】
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【図５】
2009012668.tif 000015
【図６】
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【図７】
2009012668.tif 000017
【図８】
2009012668.tif 000018
【図９】
2009012668.tif 000019
【図１０】
2009012668.tif 000020
【図１１】
2009012668.tif 000021
【図１２】
2009012668.tif 000022
【図１３】
2009012668.tif 000023
【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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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５３】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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