(57)【要約】【課題】羽ばたきロボットの浮上の開始を発射機構によって補助する場合にも羽ばたきロボットが自律して飛行することができなくなるおそれがない羽ばたきロボットシステムを提供する。【解決手段】羽ばたきロボットは、発射装置によって発射された後、一旦、自己の運動状態がホバリング状態になるように、羽部に羽ばたき運動をさせる。そのため、羽ばたきロボットが発射装置によって発射された後に姿勢を維持することができなくなるという不具合の発生が防止される。【選択図】図４６
2009067086.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽部の羽ばたき運動により流体が存在する空間を羽ばたき飛行し得る羽ばたきロボットと、
前記羽ばたきロボットに外力を加えることによって、前記羽ばたきロボットを空中に向かって発射させ得る発射装置とを備え、
前記羽ばたきロボットが、
自己の運動状態を検出し得るセンサと、
自己が前記発射装置によって空中に発射された後、一旦、前記自己の運動状態がホバリング状態になるまで、前記羽部に前記自己の運動状態を前記ホバリング状態にするための羽ばたき運動をさせる制御部とを含む、羽ばたきロボットシステム。
【請求項２】
前記センサが前記羽ばたきロボットの加速度を検出して前記加速度の情報を前記制御部へ送信する加速度センサであり、
前記制御部は、前記加速度の情報に基づいて前記羽ばたきロボットの高度を算出し、前記高度の低下をトリガとして、前記羽部に前記自己の運動状態を前記ホバリング状態にするための羽ばたき運動をさせる、請求項１に記載の羽ばたきロボットシステム。
【請求項３】
前記センサが前記羽ばたきロボットの基準位置からの高度を検出して該高度の情報を前記制御部へ送信する高度センサであり、
前記制御部は、前記高度の低下をトリガとして、前記羽部に自己の運動状態を前記ホバリング状態にする羽ばたき運動をさせる、請求項１に記載の羽ばたきロボットシステム。
【請求項４】
羽部の羽ばたき運動により流体が存在する空間を羽ばたき飛行する羽ばたきロボットと、
前記羽ばたきロボットに外力を加えることによって、前記羽ばたきロボットを空中に向かって発射させ得る発射装置とを備え、
前記羽ばたきロボットは、
前記発射装置から発射された後の経過時間を計時するタイマと、
前記経過時間が所定値になった後、一旦、自己の運動状態がホバリング状態になるまで、前記羽部に前記自己の運動状態をホバリング状態にするための羽ばたき運動をさせる制御部とを含む、羽ばたきロボットシステム。
【請求項５】
前記所定値は、前記発射装置から発射された後の前記羽ばたきロボットの高度が低下した直後であると推定されるタイミングにおいて、前記制御部が前記羽部に前記羽ばたきロボットの運動状態を前記ホバリング状態にするための羽ばたき運動を開始させるように、設定された、請求項４に記載の羽ばたきロボットシステム。
【請求項６】
前記発射装置は、
前記羽ばたきロボットの構成要素を弾性変形させるように前記構成要素を保持している状態から前記構成要素を保持していない状態へ変化することが可能な保持／非保持機構と、
前記保持／非保持機構を前記保持している状態から前記保持していない状態へ変化させるスイッチとを含み、
前記羽ばたきロボットは、前記構成要素の復元力を利用して、前記発射装置から空中に発射される、請求項１〜５のいずれかに記載の羽ばたきロボットシステム。
【請求項７】
前記構成要素が前記羽部である、請求項６に記載の羽ばたきロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽ばたき運動によって浮上した状態で移動する羽ばたきロボットを有する羽ばたきロボットシステムに関し、特に、羽ばたきロボットを空中に発射する発射装置を備えた羽ばたきロボットシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
羽ばたきロボットは、羽部に羽ばたき運動をさせることによって浮上した状態で移動するものであり、既存のヘリコプタまたは固定翼機との比較において、機動性に優れている。羽ばたきロボットを備えた羽ばたきロボットシステムは、既に、特開２００３−１１８６９７号公報に開示されている。この特許文献に開示された羽ばたきロボットは、小型、軽量、かつ、機動性に優れている。
【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】
【０００３】
羽ばたきロボットが浮上するためには、羽ばたき運動によって生じる流体力が、羽ばたきロボットにかかる重力を上回っている必要がある。また、羽ばたきロボットが自ら生み出した流体力のみによって浮上を開始するためには、そのための駆動力を供給し得る電源を羽ばたきロボットに搭載することが必要である。羽ばたきロボットを自ら生み出した流体力のみによって浮上させるためのパワーを得ることができる電源としては、たとえば、リチウムポリマー電池が考えられる。この電源は、現段階では、羽ばたきロボットの自由な浮上移動を実現するためには、容量が小さ過ぎる。
【０００４】
前述のことをより具体的に説明すると、次のようになる。
従来の羽ばたきロボットは、静止状態から羽ばたき運動を開始する。そのため、羽ばたきロボットが羽ばたき運動を開始した時点から電池が消耗し始める。一般に、羽ばたきロボットが連続して飛行し得る時間は、電池の容量に依存し、同一種類の電池であれば、小型かつ軽量になるほど、容量は小さくなる。そのため、羽ばたきロボットに搭載され得る市販のリチウムポリマー電池を用いた場合には、連続して飛行し得る時間は数秒から数十秒に制限されてしまう。また、羽ばたきロボットが飛行し得る領域も、電池の容量によって制限されてしまう。そこで、羽ばたきロボットが発射されるときに外部から羽ばたきロボットに外力を与えることによって、羽ばたきロボットの浮上開始に必要な電池の消耗量を低減することが必要である。
【０００５】
そこで、羽ばたきロボットの浮上の開始を補助機構によって補助することが考えられる。たとえば、羽ばたきロボットの大きさと同程度の大きさを有する物体に外力を与える機構は既存の技術によって実現されている。しかしながら、その補助機構が羽ばたきロボットの発射のために適用されたとしても、上述の羽ばたきロボットが外力を受けることによって浮上を開始した場合に、その外力を受けた羽ばたきロボットの運動状態を制御するための手法が確立されていない。そのため、羽ばたきロボットは、発射機構から外力を受けることによって発射された後、羽ばたき運動を開始するタイミングおよびいかなる羽ばたき運動をすればよいかを把握していない。したがって、羽ばたきロボットは、発射された状態から通常の羽ばたき飛行状態へ効率的に移行することができない。その結果、発射機構を使用することにより、使用しない場合よりも電源の消費が大きくなるおそれもある。また、羽ばたきロボットは、補助機構の補助を受けて発射された後、自身の姿勢を制御するこができないために、自律して飛行することができないおそれもある。なお、本明細書において、「姿勢」とは、羽ばたきロボット１００のアクチュエータ等が内蔵されている筐体の傾き、すなわち、Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわり、およびＺ軸まわりのそれぞれの回転角によって特定される値であって、羽部の傾きをおよび方向を含むものではない。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、羽ばたきロボットの浮上の開始を発射機構によって補助する場合にも羽ばたきロボットが自律して飛行することができなくなることを防止するための機能を有する羽ばたき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】
【０００７】
本発明の一の局面の羽ばたきロボットシステムは、羽部の羽ばたき運動により流体が存在する空間を羽ばたき飛行し得る羽ばたきロボットと、羽ばたきロボットに外力を加えることによって、羽ばたきロボットを空中に向かって発射させ得る発射装置とを備えている。また、羽ばたきロボットが、自己の運動状態を検出し得るセンサと、自己が発射装置によって空中に発射された後、一旦、自己の運動状態がホバリング状態になるまで、羽部に自己の運動状態をホバリング状態にするための羽ばたき運動をさせる制御部とを含んでいる。
【０００８】
この構成によれば、羽ばたきロボットが浮上の開始のために発射装置が用いられる。そのため、羽ばたきロボットが浮上を開始するときに必要なエネルギーが低減される。また、羽ばたきロボットは、発射装置によって発射された後、一旦、自己の運動状態がホバリング状態になるように、羽部に羽ばたき運動をさせる。そのため、羽ばたきロボットが発射装置によって発射された後に姿勢を維持することができなくなるという不具合の発生が防止される。
【０００９】
なお、羽ばたきロボットは、ホバリング状態において多少振動している。そのため、羽ばたきロボットの速度は完全にはゼロになっていない。したがって、羽ばたきロボットは、センサによって検出された自己の運動状態の情報から、たとえば、ある時間内における自己の位置の変化が所定の範囲内の値になっている場合に、自己がホバリング状態になっていると判定してもよい。この所定の範囲を規定する値は、制御部内の記憶領域に予め記憶されているものである。なお、ホバリング状態の定義については様々なものが考えられる。そのため、制御部は、たとえば、その内部に予め記憶されているホバリング状態を特定するための情報と、センサによって検出された羽ばたきロボットの運動状態を特定するための情報との比較結果から、ホバリング状態が実現されていると判定されてもよい。つまり、ホバリング状態とは、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸のそれぞれの方向における速度成分が実質的にゼロである状態であれば、いかなるものであってもよい。また、制御部は、羽ばたきロボットの運動状態がホバリング状態であると判定された場合に、ホバリング状態にするための制御から他の羽ばたき運動をさせるための制御へ移行することを許容する。
【００１０】
前述のセンサが羽ばたきロボットの加速度を検出して加速度の情報を制御部へ送信する加速度センサであってもよい。また、制御部は、加速度の情報に基づいて羽ばたきロボットの高度を算出し、高度の低下をトリガとして、羽部に自己の運動状態をホバリング状態にするための羽ばたき運動をさせてもよい。
【００１１】
この構成によれば、ホバリング状態にするための羽ばたき運動を開始するタイミングを特定するために必要な情報を簡単に取得することができる。また、羽ばたきロボットの加速度の情報から速度および高度の情報を得ることができる。したがって、制御部における情報処理を複雑化することなく、羽ばたきロボットの運動状態に関する多くの情報を得ることができる。
【００１２】
また、前述のセンサが羽ばたきロボットの基準位置からの高度を検出して高度の情報を制御部へ送信する高度センサであってもよい。また、制御部は、高度の低下をトリガとして、羽部に自己の運動状態をホバリング状態にする羽ばたき運動をさせてもよい。
【００１３】
この構成によれば、羽ばたきロボットは、高度の低下をトリガとして、自己の運動状態をホバリング状態にするため、制御部が演算処理を必要としない。そのため、制御部の処理を簡略化することができる。
【００１４】
本発明の他の局面の羽ばたきロボットシステムは、羽部の羽ばたき運動により流体が存在する空間を羽ばたき飛行する羽ばたきロボットと、羽ばたきロボットに外力を加えることによって、羽ばたきロボットを空中に向かって発射させ得る発射装置とを備えている。また、羽ばたきロボットは、発射装置から発射された後の経過時間を計時するタイマと、経過時間が所定値になった後、一旦、自己の運動状態がホバリング状態になるまで、羽部に自己の運動状態をホバリング状態にするための羽ばたき運動をさせる制御部とを含んでいる。
【００１５】
この構成によれば、羽ばたきロボットの浮上の開始のためのエネルギーの発射装置の使用よる低減と羽ばたきロボットが発射装置によって発射された後の姿勢の保持とを極めて簡単な制御によって実現することができる。
【００１６】
また、前述の所定値は、発射装置から発射された後の羽ばたきロボットの高度が低下した直後であると推定されるタイミングにおいて、制御部が羽部に羽ばたきロボットの運動状態をホバリング状態にするための羽ばたき運動を開始させるように、設定されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、制御部の制御が簡略化される。
また、前述の発射装置は、羽ばたきロボットの構成要素を弾性変形させるように構成要素を保持している状態から構成要素を保持していない状態へ変化することが可能な保持／非保持機構と、保持／非保持機構を保持している状態から保持していない状態へ変化させるスイッチとを含んでいてもよい。この場合、羽ばたきロボットは、構成要素の復元力を利用して、発射装置から空中に発射される。この構成によれば、発射装置の構造を単純化することができる。
【００１８】
また、前述の構成要素が羽部であれば、羽ばたきロボットの構成要素のうちの極めて大きな弾性力を有する構成要素を羽ばたきロボットの発射のために利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１〜図３７を用いて、本発明の一実施の形態の羽ばたきロボットを説明する。なお、本実施の形態では、左右対称の構成を有する羽ばたきロボットを説明する。したがって、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。
【００２０】
（全体の構成）
まず、図１および図２を用いて、本実施の形態の羽ばたきロボット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。
【００２１】
図１に示すように、羽ばたきロボット１００は、本体１０１と、本体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、本体１０１の左側の側部に設けられ、一対の羽部１１０の他方は、本体１０１の右側の側部に設けられている。
【００２２】
羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット１００は浮上する。
【００２３】
また、図２に示すように、羽ばたきロボット１００は、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、本体１０１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。
【００２４】
上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、本体１０１に固定された位置姿勢検出センサ１６０から羽ばたきロボット１００の位置情報および姿勢情報が与えられる。
【００２５】
また、羽ばたきロボット１００は、通信装置１７０を介して、羽ばたきロボット１００自身の情報およびその周辺の情報を、外部のコントローラ２００に送信する機能を有する。
【００２６】
また、通信装置１７０は、図１および図２に示すように、外部のコントローラ２００から送信されてきた情報を受信し、その情報を制御回路１５０に与える機能を有する。本実施の形態では、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０により制御され、羽ばたきロボット１００の運動指令を与えるものとする。
【００２７】
なお、コントローラ２００が前述の情報をオペレータ２１０に提示する方法は、いかなるものであってもよい。たとえば、外部のコントローラ２００が画像表示機能を備えていれば、羽ばたきロボット１００より送信された情報そのものが視覚的にオペレータ２１０に提示される。また、説明の簡便のために、外部のコントローラ２００は、オペレータ２１０によって操作されるものとしたが、これは必須ではない。
【００２８】
また、制御回路１５０、通信装置１７０等は、本体１０１に配された電源１９０から供給される電力によって駆動される。電源１９０は、本発明の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。
【００２９】
（羽部）
羽部１１０は、図３〜図７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。
【００３０】
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５〜図７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。
【００３１】
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はＣＦＲＰ層の１層構造である。図３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層が重ねられて形成されている。
【００３２】
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。
【００３３】
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４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７．５ｍｍである。
【００３４】
また、図５〜図７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。
【００３５】
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。
【００３６】
＜前縁部＞
前縁部１１０２は、図４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４〜図７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。
【００３７】
＜羽面部＞
羽面部１１０３は、図４〜図７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。
【００３８】
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。
【００３９】
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度ずつずれ、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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して、所望の曲げ剛性分布を得ることができる。
【００４２】
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。
【００４３】
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４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４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。
【００４４】
＜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。
【００４５】
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。
【００４６】
＜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３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。
【００４７】
＜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。
【００４８】
【表１】
2009067086.tif 000003
【００４９】
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。
【００５０】
（超音波モータ）
次に、図８〜図１５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。
【００５１】
＜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。
【００５２】
図８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、本体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１４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を介して供給される。
【００５３】
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。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。
【００５４】
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。
【００５５】
＜駆動原理＞
次に、図９〜図１５を用いて、上部超音波モータ１２０の駆動原理を説明する。
【００５６】
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。支持部１２１４に対向する矩形の長手方向の中央部には、その中央部から外方に突出する牽引部１２２４が設けられている。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。
【００５７】
表面ピエゾ１２１２には表面電極１２１６が接合され、裏面ピエゾ１２１３には裏面電極１２１７が接合される。表面電極１２１６に電圧を印加すると、上部超音波振動子１２１において、図１０に示されるような２次のたわみ（屈曲）振動モードが励起される。また、裏面電極１２１７に電圧を印加すると、図１１に示されるような、１次の縦(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、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１２および図１３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の頂点にはアルミナ等の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。
【００５８】
図１２および図１３は、表面電極１２１６に与えられる電位をφＡとし、裏面電極１２１７に与えられる電位をφＢとして、φＡおよびφＢを、それぞれ、ｃｏｓ（２πｆｔ）およびｓｉｎ（２πｆｔ）に振幅を掛けた関数で表した場合における接触部１２１５の回転方向を示している。ここで、ｆは入力電圧の周波数を示し、ｔは時刻を示し、ω（＝２πｆ）は角周波数を示す。なお、説明の簡便のため、表面電極１２１６および裏面電極１２１７の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。なお、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２のそれぞれは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１２および１３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１８０°の略扇形状である上部ロータ１２２および下部ロータ１３２が用いられることが望ましい。これによれば、羽ばたきロボット内におけるロータの占有率を低減することができる。
【００５９】
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。
【００６０】
また、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２は、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。更に、上部ロータ１２２および下部ロータ１３２に、上部ロータ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機構が設けられてもいてもよい。これによれば、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。なお、本発明者らの実験によれば、（θ１−θ２）の絶対値が所定値以上の値になると、後述する式（７）の解が、重解になることが分かっている。
【００６１】
＜予圧機構＞
次に、図１４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。
【００６２】
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。
【００６３】
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、本体補強ポール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が本体補強ポール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。
【００６４】
なお、前述の本体補強ポール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、羽ばたきロボット１００の浮上特性が損なわれないのであれば、図１４に示す構造に限定されない。
【００６５】
＜回転角検出＞
図８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。この構成によって、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相の位相が異なるため、たとえば、Ａ相のアップエッジをカウンタのトリガとして、Ｂ相のレベルの１／０をアップカウント／ダウンカウントの機能選択に割り当てれば、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。
【００６６】
＜補足＞
なお、図８〜図１４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、本発明における羽ばたきロボット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。
【００６７】
（羽駆動メカニズム）
次に、図１５〜図１８を用いて羽駆動メカニズムについて説明する。
【００６８】
羽駆動メカニズム１４０は、図１５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を介して中間プレート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を介して、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を介して、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。
【００６９】
図１６〜図１８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１６〜図１８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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
前述の羽ばたき方を、図１９および図２０を用いて、より具体的に説明する。図１９および図２０においては、羽ばたきロボット１００の前後方向に沿ってＹ軸が延びている。また、羽ばたきロボット１００の上下方向に沿ってＺ軸が延びている。さらに、羽ばたきロボット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２０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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
なお、図１９および図２０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。
【００７９】
π＜β＜２π・・・（４）
したがって、βが１つの値に決定される。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
Ｌ３＝Ｌ１×ｃｏｓ（β−π）±ｓｑｒｔ（Ｌ２×Ｌ２−Ｌ１×Ｌ１×ｓｉｎ２（β−π））・・・（７）
なお、Ｌ３の符号が、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。
【００８３】
図１９および図２０に示される本実施の形態の羽ばたきロボットの状態は、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。
【００８４】
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。
【００８５】
（羽ばたき方の変更による羽ばたきロボットの動作制御）
＜動作の基本＞
本実施の形態における羽ばたきロボット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、重力以外の外力による影響がない状態では、自動的に、図１に示されるように、羽ばたきロボット１００は、左右に羽軸が延びる姿勢になる。したがって、羽ばたきロボット１００は、Ｘ軸周りの回転およびＹ軸周りの回転を制御することを必要としない。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。なお、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。
【００８６】
（コントロールパラメータ）
本実施の形態における羽ばたきロボット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の振幅は一定であることが必要である。そこで、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット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。
【００８７】
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。
【００８８】
（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２２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２３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。
【００８９】
（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２２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２３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、羽ばたきロボットは、上下方向のみにおける移動を行うことができる。
【００９０】
（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２２に示す前述の（１）の動作と図２３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２４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２４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。
【００９１】
（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）
なお、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。
【００９２】
（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、羽ばたきロボット１００の姿勢を左または右に傾けること、ならびに、羽ばたきロボット１００が左方向または右方向へ旋回することが可能になる。
【００９３】
＜制御の詳細＞
以下、図２２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２３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２１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。
【００９４】
また、説明の簡便のため、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。
【００９５】
＜ホバリング＞
図２１には、ホバリング時の羽ばたき方が示されている。図２１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。
【００９６】
＜Ｚ軸方向の並進制御＞
図２２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２３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２２および図２３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。
【００９７】
図２２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２３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２４に示されるとおりゼロである。
【００９８】
＜Ｙ軸方向の並進制御＞
図２５および図２７には、前方へ移動するための羽ばたき方が示され、図２６および図２８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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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、羽ばたきロボット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。
【０１０２】
＜Ｘ軸方向の並進制御＞
左方への移動を行うためには、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、羽ばたきロボット１００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左側に傾く。これにより、羽ばたきロボット１００を左方に移動させる力が生じる。
【０１０３】
右方への移動を行うためには、左方への移動とは逆に、右の羽部１１０が下降のための動作をし、左の羽部１１０が上昇のための動作をすればよい。これにより、羽ばたきロボット１００は右の羽部１１０が左の羽部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、羽ばたきロボット１００を右方に移動させる力が生じる。
【０１０４】
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軸方向に沿って移動するための制御とＺ軸方向の上方へ移動するための制御とを同時に実行することが望ましい。
【０１０５】
＜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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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、高度が維持されたまま、羽ばたきロボット１００のＺ軸周りの回転が行なわれる。
【０１０８】
＜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軸周り以外の回転自由度は制御の必要はない。しかしながら、羽ばたきロボット１００が発射装置から発射された後のブレーキ羽ばたきの場合、つまり、発射装置１８０から与えられた速度を実質的にゼロにし、ホバリング状態にするための羽ばたき運動を羽部にさせる場合などに、Ｙ軸周りの回転角、すなわちロール角の変更を行なうことが望ましい。したがって、本実施の形態の羽ばたきロボット１００は、Ｙ軸回りに回転する羽ばたき運動を羽部１１０にさせることができるものとする。
【０１０９】
特開２００６−２３２１６９号公報に示されるように、左の羽部１１０の振幅と右の羽部１１０の振幅と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。左の羽部１１０の振幅と右の羽部１１０の振幅とを異ならせることは、図３２のデューティ比を比例的に増減させることで実現され得る。このとき、羽ばたきロボット１００の羽ばたき方は、図３５に示されるようになる。これは、図２に示される座標系において、Ｙ軸周りの正の回転、すなわち図２における左の羽部１１０が右の羽部１１０に対して下がり、右の羽部１１０が左の羽部１１０に対して上がるように、羽ばたきロボット１００はＹ軸回りに正方向に回転する羽ばたき方である。Ｙ軸回りに負方向に回転する場合には、図３５において、右の羽部１１０のデューティ比と左の羽部１１０のデューティ比とを入れ替えることによって実現される。
【０１１０】
＜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によって、羽ばたきロボット１００は空間を自在に移動することができる。また、左の羽部１１０の振幅と右の羽部１１０の振幅とを異ならせることにより、ロール角を変更することが可能である。
【０１１１】
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を変更するのであれば、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。
【０１１２】
＜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を変更するのであれば、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、という区分を設ける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。
【０１１３】
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、羽ばたき方を制御することができる。前述の説明に基づいた羽ばたきロボットの羽ばたき方に対応した選択肢が、表２に示されている。
【０１１４】
【表２】
2009067086.tif 000004
【０１１５】
前述の実施の形態の羽ばたきロボットの説明においては、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、羽ばたきロボットは、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、羽ばたきロボット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。
【０１１６】
右の羽部１１０および左の羽部１１０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１１０および右の羽部１１０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１１０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３に示されている。
【０１１７】
【表３】
2009067086.tif 000005
【０１１８】
表３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２２、図２１、および図２３に示される羽ばたき方である。表３の縦欄および横欄が、それぞれ、右の羽部１１０および左の羽部１１０の羽ばたき方を示し、表３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３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、羽ばたきロボットは、右前方へ移動する。
【０１１９】
逆に、この中で羽ばたきロボット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４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。
【０１２０】
【表４】
2009067086.tif 000006
【０１２１】
したがって、羽ばたきロボット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。
【０１２２】
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２または表４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２は、表４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。
【０１２３】
また、θｘおよびθｙは、本実施の形態においては、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット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。
【０１２４】
＜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３７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、羽ばたきロボット１００を移動させる手法が用いられてもよい。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
また、図２１〜図２３および図３２〜図３４に示される回転角θの時刻歴は、図１９および図２０に表わされる構成を有する羽ばたきロボット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２１〜図２３に示される回転角θの時刻歴に限定されない。
【０１２８】
また、本実施の形態においては、羽ばたきロボット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号公報にて、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３５に示されるデューティを用いれば、右の羽部１１０が上昇し、左の羽部１１０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３５における右の羽部１１０のグラフと左の羽部１１０のグラフとを入れ替えればよい。
【０１２９】
（位置姿勢検出センサ）
位置姿勢検出センサ１６０は、本体１０１に固定されている。そのため、位置姿勢検出センサ１６０によって計測された位置および姿勢は、羽ばたきロボット１００の位置および姿勢そのものとなる。本発明では位置姿勢検出センサ１６０として、少なくとも３軸加速度を計測する３軸加速度センサ１６０１および重力加速度の方向検出による方法以外の方法によって、本体１０１の３軸のそれぞれについての回転角を検出する３軸回転角センサ１６０２の２つが搭載されている。
【０１３０】
位置姿勢検出センサ１６０は、図２９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。前述の姿勢を検出するための位置姿勢検出センサ１６０の一例としては、地磁気および３軸加速度の検出によって、姿勢、位置、および方向の変化を検出することができるものが市販されている。また、３軸回転角センサ１６０２の一例としては、回転の際に生じるコリオリ力の検出により角加速度を検出することによって回転角を検出することが可能であるジャイロセンサが市販されており、検出された角加速度の２回積分により、回転角を求めることができる。位置の検出のためには、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）のようなセンサを用いることができる。
【０１３１】
（制御回路）
制御回路１５０は、図２９および図３０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。
【０１３２】
＜制御回路の動作＞
制御回路１５０には、オペレータ２１０が操作するコントローラ２００から通信装置１７０を介して運動指令が与えられる。運転指令は、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、羽ばたき方の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、その羽ばたき方のデータをドライバ１５２に与える。それにより、羽ばたきロボット１００は、前述の前後左右上下方向の並進移動または鉛直を回転軸とする回転のいずれかを行なう。
【０１３３】
＜中央演算装置＞
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、コントローラ２００を介してオペレータ２１０が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。
【０１３４】
＜反復タイマ＞
制御回路１５０は、図２９および図３０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、羽ばたきロボット１００は後方羽ばたき運動を行ない、位相ψが負であれば羽ばたきロボット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。
【０１３５】
＜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３１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。
【０１３６】
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２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。
【０１３７】
図３２〜図３４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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
＜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２（または表４）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、通信装置１７０によって得られた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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
本実施の形態では、超音波振動子１２１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。
【０１４４】
＜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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
また、図１２および図１３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。
【０１４７】
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、Ｈブリッジと呼ばれる一般的なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）回路を用いて容易に実現され得るものである。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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
＜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＋３０Ｖの電圧に変更して、＋３０Ｖ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。
【０１５０】
＜ブロック図＞
前述の制御の体系のブロック図が図２９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２９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３０は、後述する図３５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。
【０１５１】
＜制御フローチャート＞
次に、図３６を用いて、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
ステップＳ１＜羽ばたきロボット動作決定＞
コントローラ２００から送信されたオペレータ２１０の運動指令が、通信装置１７０を介して、ＲＡＭ１５５に格納される。
【０１５４】
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、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット１００が前方羽ばたき運動を行なっていると判断する。
【０１５５】
ステップＳ３＜羽ばたきモード決定＞
中央演算装置１５１は、上記運動指令に応じて表２の行成分を選択し、また、上記羽ばたき方の状態に応じて表２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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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に応じた、Ｄｕｔｙ１（ψ、ＭＯＤＥ）およびＤｕｔｙ２（ψ、ＭＯＤＥ）を意味する。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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が設定される。
【０１６０】
＜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。
【０１６１】
また、本実施の形態では、説明の簡便のため、フィードバック制御を行なわず、単にコントローラ２００の指令によって羽ばたき方が一義的に選択される手法の説明がなされたが、羽ばたきロボット１００の制御手法は、前述の手法に限定されない。
【０１６２】
たとえば、中央演算装置１５１が位置姿勢検出センサ１６０から位置および姿勢の情報を得て、その情報に基づいて運動指令を新たに作成するフィードバック制御が用いられてもよい。
【０１６３】
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。
【０１６４】
なお、前述の羽ばたきロボットの制御においては、理想的には、高い機動力を得るための羽ばたき運動の制御に必要な演算時間が短いことが望ましい。また、羽ばたきロボットは軽量であることが望ましい。このため、前述の羽ばたき運動を制御するアルゴリズムも極力単純であることが望ましい。これらのことを考慮すると、高い機動力を有する羽ばたきロボットに求められる要件は、単独性、連続性、選択性、独立性、および単純性である。
【０１６５】
単独性とは、流体力発生機構が設置されている胴体の姿勢に関わらず、当該流体力発生機構が単独で流体力の方向を変更することができることを意味する。単独性の欠如しているロボットの例として、ロータが胴体に固定されているヘリコプタが挙げられる。
【０１６６】
連続性とは、羽ばたき運動の変更が、胴体に大きな加速度を生じさせずに、連続的に行われることを意味する。
【０１６７】
選択性とは、羽ばたき運動の変更が、過去の羽ばたき運動の履歴に関わらず、独立して行われることを意味する。選択性が欠如している羽ばたきロボットの例として、先述のＲｏｎ ＦｅａｒｉｎｇらによるＭＦＩ（Micromechanical Flying Insect）が挙げられる。これは共振によって羽部を駆動しているため、羽ばたき方を複数周期に渡って徐々に変更することしかできない。
【０１６８】
独立性とは、流体力発生機構が生み出す流体力が、羽ばたき運動の変更の履歴に影響されないことを意味する。独立性が欠如する具体的な場面として、以前の羽ばたき運動により生じた気流の影響を受ける現象などが挙げられる。
【０１６９】
単純性とは、羽ばたき運動の変更を実現するためのアルゴリズムが極力単純であることを意味する。
【０１７０】
（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ロボット１００の制御は、表２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。
【０１７１】
より具体的には、図２４〜図２６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、羽ばたきロボットは、本体部（胴体）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。
【０１７２】
＜＜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。
【０１７３】
より具体的には、本実施の形態の羽ばたきロボットは、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２参照）を有し、複数種類のデータに基づいてアクチュエータ（上部および下部超音波モータ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、中央切り返しのためのデータ、および遅れ切り返しのためのデータからなる３種類のデータであり、図２５および図２６ならびに表２によって表わされている羽ばたき方（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）をさせるためのデータである。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（超音波モータ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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
＜＜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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
すなわち、本実施の形態の羽ばたきロボットにおいては、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。
【０１７９】
＜＜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羽ばたきロボットの姿勢の変化の態様が単純になる。そのため、羽ばたきロボット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。
【０１８０】
より具体的には、本実施の形態の羽ばたきロボットにおいては、表２に示されるように、羽ばたきロボットの浮上移動の態様（停空、上昇、下降、前進、後退、左移動、右移動、左旋回、右旋回）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、本実施の形態の羽ばたきロボットにおいては単純性が実現されている。
【０１８１】
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３２、図３３、および図３４）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））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、羽ばたきロボットを小型化かつ軽量化することができる。
【０１８２】
（通信装置）
通信装置１７０は、外部のコントローラ２００および発射装置１８０から、それぞれ、羽ばたきロボット１００に必要とされる羽ばたきロボット１００の加速度および発射方向の情報を受信し、その情報を制御回路１５０の中央演算装置１５１に与える。
【０１８３】
（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。
【０１８４】
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、本体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、羽ばたきロボット１００の姿勢を自律的に安定させている。
【０１８５】
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。
【０１８６】
（本体）
本体１０１は、図３８等に示されるように、底部プレート１０２、上部プレート１０３、背面プレート１０６、および、底部プレート１０２に設けられた３本の脚１０５からなる。
【０１８７】
底部プレート１０２、上部プレート１０３、および背面プレート１０６のそれぞれは、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。
【０１８８】
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、および本体補強ポール１１２によっても連結されている。背面プレート１０６の中心部には直径５ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍの発射用パッド１０７が貼り付けてある。発射用パッド１０７は鉄金属の薄板によって構成される。また、発射用パッド１０７は電源１９０の充電用端子と電気的に接続されており、外部に設けられた電源から発射用パッド１０７に電圧を加えることで、電源１９０を充電することが可能になっている。
【０１８９】
（発射機構）
次に、図３８および図３９を用いて、実施の形態１の羽ばたきロボットを発射するための発射装置１８０を説明する。
【０１９０】
＜原理＞
発射装置１８０は、羽ばたきロボット１００が浮上を開始する際に、羽ばたきロボット１００に搭載されている電源１９０以外から羽ばたきロボット１００へエネルギーを与えるとともに、羽ばたきロボット１００の浮上開始動作および浮上移動動作を補助するためのものである。ここで、羽ばたき浮上開始動作および羽ばたき浮上移動動作の補助とは、羽ばたきロボット１００の浮上方向、すなわち鉛直上方の成分を有する外力を羽ばたきロボット１００に与えることを意味するものとする。
【０１９１】
なお、本実施の形態の説明において用いられる図３８および図３９ならびに以後の実施の形態の説明において用いられる図４０〜図４４には、説明の簡便のため、羽ばたきロボット１００については、羽部１１０および本体１０１のみが示されている。また、羽ばたきロボット１００は、その底面を発射装置１８０の側方に向けて発射装置１８０に装着されている。つまり、羽ばたきロボット１００の背面が発射装置１８０に装着されている。
【０１９２】
図３８は発射装置１８０の斜視図である。発射装置１８０は、各種の構成を内包する筺体１８０５と、羽ばたきロボット１００に力を作用させる作用部１８０２を備えている。作用部１８０２は、発射用バネ１８０１によって力を与えられる。また、発射装置１８０は、発射用バネ１８０１を縮んでいる状態から伸びている状態へ変化させるときに押される発射ボタン１８０３を備えている。また、発射装置１８０は、情報を表示する表示部１８０４を備えている。
【０１９３】
図３９は発射装置１８０の断面図である。発射装置１８０は、筺体１８０５内に、保持部１８０６、保持用バネ１８０７、回路部１８０８、つめ１８２１、および電源部１８０９を備えている。保持部１８０６は、発射ボタン１８０３と一体的に形成されている。また、保持用バネ１８０７の一方端が保持部１８０６に接続され、保持用バネ１８０７の他方端が筺体１８０５の内面に接続されている。つめ１８２１は、羽ばたきロボット１００に力を与える作用部１８０２と一体的に形成されている。つめ１８２１は、保持部１８０６と協働して、作用部１８０２を保持する状態と作用部１８０２を保持しない状態（解放状態）とのそれぞれに変化させる。
【０１９４】
発射用バネ１８０１は、押しバネであるため、外力を受けて収縮すると、収縮長さに比例して復元力を蓄える。ただし、発射用バネ１８０１の代わりに、ゴムなどバネ以外の弾性体が用いられてもよい。
【０１９５】
図３９に示される状態において、作用部１８０２に鉛直上方から外力を与えることによって、発射用バネ１８０１を収縮させる。それにより、保持部１８０６とつめ１８２１とが係合する。この状態で、発射ボタン１８０３が押されると、保持部１８０６とつめ１８２１との係合が外れ、作用部１８０２は発射用バネ１８０１の復元力によって図３９に示される状態から鉛直上方に飛び出す。
【０１９６】
作用部１８０２は、重力によって鉛直上方の速度成分が失われるか、または、つめ１８２１がステージ１８２２の下面に接触することによって停止した後、重力によって筐体内へ戻る。
【０１９７】
作用部１８０２の上端部には電磁石１８１０が内蔵されている。発射ボタン１８０３が押されているときには、電磁石１８１０はオフ状態になり、一方、発射ボタン１８０３が押されていないときには、電磁石１８１０はオンの状態になっている。電磁石１８１０の吸着力は、発射装置１８０が後述される待機状態の際に、羽ばたきロボット１００が発射装置１８０に装着された状態で、発射用バネ１８０１の復元力よりも大きい。
【０１９８】
また、電磁石１８１０上において、羽ばたきロボット１００の発射用パッド１０７に設けられた充電用電極１８３１と接触する部分には、電極１８３０が設けられており、電極１８３０は電源部１８０９と電気的に接続されている。
【０１９９】
表示部１８０４には発射装置１８０の情報を示すための小型液晶ディスプレイが設けられており、そのディスプレイには後述の姿勢センサ１８１１によって得られた情報および発射装置１８０のバッテリー残量が表示される。
【０２００】
回路部１８０８には、表示部１８０４を制御するための表示部制御回路１８１２、姿勢センサ１８１１、電磁石１８１０のオン／オフを切り換えるための電磁石制御回路１８１３、および羽ばたきロボット１００と通信するための通信部１８１４が内蔵されている。
【０２０１】
姿勢センサ１８１１としては、市販の小型６軸電子コンパス（３軸加速度センサと３軸地磁気センサを１チップ化したもの）が搭載される。６軸電子コンパスにより、３次元空間での発射装置の姿勢を検出することが可能になる。
【０２０２】
電源部１８０９は、市販の乾電池、ボタン電池、およびリチウムイオン電池等の電池を有しており、回路部１８０８へ電力を供給する。
【０２０３】
発射ボタン１８０３が押されると、まず、羽ばたきロボット１００の発射方向、すなわち、発射装置１８０の姿勢に関する情報が、通信部１８１４を経由して、羽ばたきロボット１００に送信される。次に、電磁石１８１０がオフ状態になる。上述の２つのステップは、電気信号を用いる通信によってなされるため、つめ１８２１が保持部１８０６から離れてから作用部１８０２の拘束が解除されるまでに必要とされる時間よりも十分に短い時間で完了する。
【０２０４】
最後に、作用部１８０２の拘束が解除され、作用部１８０２が図３８〜図４４に示される状態から鉛直上方に移動する。
【０２０５】
図３８および図３９に示された発射装置１８０においては、発射用バネ１８０１が収縮され、かつ、保持部１８０６がつめ１８２１に係合された状態が発射待機状態と呼ばれ、また、オペレータ２１０によって発射ボタン１８０３が押される動作が発射動作と呼ばれる。
【０２０６】
（実施の形態２）
次に、図４０および図４１を用いて、実施の形態２の羽ばたきロボットシステムが説明される。ただし、羽ばたきロボット１００の構成は、実施の形態１の羽ばたきロボット１００の構成と同一であるため、特に必要がなければ、その説明は繰り返さない。以後においては、本実施の形態の羽ばたきロボットシステムと前述の実施の形態の羽ばたきロボットシステムとが異なっている点が主に説明される。
【０２０７】
図４０は、実施の形態２の発射装置１８０を示す。なお、本実施の形態の発射装置１８０においては、上述の実施の形態１の発射装置１８０と同一の機能を発揮する部位には、実施の形態１の発射装置１８０と同一の参照符号が付されている。
【０２０８】
本実施の形態の発射装置１８０は、発射用バネ１８０１と、作用部１８０２と、発射ボタン１８０３と、発射待機ボタン１８１５と、表示部１８０４と、リニアモータ調整ダイアル１８１６と、筺体１８０５とを備えている。
【０２０９】
図４１は、本実施の形態の発射装置１８０の断面図である。発射装置１８０の筺体１８０５内には、リニアモータ１８１７と、回路部１８０８と、電源部１８０９とが内蔵されている。
【０２１０】
リニアモータ１８１７は、作用部１８０２に接続されており、図４１に示される状態から作用部１８０２を上下方向に移動させ得る。リニアモータ１８１７は、回路部１８０８に搭載されている後述されるリニアモータ制御回路１８１８によって制御される。また、リニアモータ１８１７の制御のための操作は、発射ボタン１８０３、発射待機ボタン１８１５、およびリニアモータ調整ダイアル１８１６を用いて実行される。
【０２１１】
オペレータ２１０により発射ボタン１８０３が押されると、発射ボタン１８０３に接続された後述のリニアモータ制御回路１８１８に発射を指示する信号と、リニアモータ調整ダイアル１８１６によって設定されたリニアモータ１８１７の駆動速度を指定した信号とが、リニアモータ１８１７に接続されているリニアモータ制御回路１８１８に入力される。それにより、リニアモータ調整ダイアル１８１６によって設定された速度でリニアモータ１８１７を上下方向に移動させるための制御信号が、リニアモータ制御回路１８１８からリニアモータ１８１７へ送信される。リニアモータ１８１７に取り付けられた作用部１８０２は、図４１における上下方向、すなわち鉛直方向に移動する。
【０２１２】
一方、発射待機ボタン１８１５が押されると、発射待機を指示する信号が、発射待機ボタン１８１５およびリニアモータ１８１７に接続されているリニアモータ制御回路１８１８へ入力される。それにより、リニアモータ１８１７を鉛直方向に移動させるための制御信号が、リニアモータ制御回路１８１８からリニアモータ１８１７へ送信される。その結果、リニアモータ１８１７に取り付けられた作用部１８０２は、鉛直方向に移動する。なお、リニアモータ１８１７の位置情報は、リニアモータ制御回路１８１８にフィードバックされており、リニアモータ１８１７が後述されるリニアモータ可動範囲の上端または下端に到達した時点において、発射ボタン１８０３または発射待機ボタン１８１５が押された場合における作用部１８０２の運動は停止する。
【０２１３】
リニアモータ１８１７の可動範囲の上端は、作用部１８０２に接続されているリニアモータ可動部１８１９が図４１に示されるステージ１８２２の下面に接触しないように設定されている。リニアモータ１８１７の可動範囲の下端は、作用部１８０２の上面がステージ１８２２の上面と一致する位置である。このとき、リニアモータ可動部１８１９または作用部１８０２の下面は電源部１８０９に接触しないように設定されている。
【０２１４】
なお、リニアモータ１８１７としては電磁式リニアモータまたは超音波リニアモータなどが構成例として考えられる。
【０２１５】
リニアモータの速度は、リニアモータ調整ダイアル１８１６を用いてリニアモータ１８１７に印加される電圧の値を変化させることによって制御される。
【０２１６】
作用部１８０２には電磁石１８１０が内蔵されている。発射ボタン１８０３が押されると、電磁石１８１０はオフ状態になり、一方、発射待機ボタン１８１５が押されると、電磁石１８１０はオンの状態になる。これは、実施の形態１と同様である。
【０２１７】
表示部１８０４には、発射装置１８０の情報を示すための小型液晶ディスプレイが設けられており、後述される姿勢センサ１８１１によって得られた情報、リニアモータ１８１７の情報、および発射装置１８０のバッテリー残量が表示される。
【０２１８】
回路部１８０８には表示部１８０４を駆動するための表示部制御回路１８１２、リニアモータ１８１７を制御するリニアモータ制御回路１８１８、姿勢センサ１８１１、電磁石１８１０を切換る電磁石制御回路１８１３、および羽ばたきロボット１００と通信するための通信部１８１４が内蔵されている。
【０２１９】
姿勢センサ１８１１および電源部１８０９は前述の実施の形態１の発射装置１８０の姿勢センサ１８１１および電源部１８０９と同一である。
【０２２０】
発射ボタン１８０３が押されると、まず、羽ばたきロボット１００の発射方向、すなわち、発射装置１８０の姿勢に関する情報が通信部１８１４を経由して羽ばたきロボット１００に送信される。次に、電磁石１８１０がオフ状態になる。最後に、リニアモータ１８１７が動作する。
【０２２１】
本実施の形態の発射装置１８０においては、オペレータ２１０により発射待機ボタン１８１５が押され、作用部１８０２が下端まで下げられた状態が発射待機状態と呼ばれ、発射ボタン１８０３が押される動作が発射動作と呼ばれる。
【０２２２】
上述の発射装置１８０が発射待機状態である場合において、羽ばたきロボット１００の発射用パッド１０７は、発射装置１８０の作用部１８０２に接触すると、作用部１８０２に内蔵されている電磁石１８１０によって吸着される。この状態で、オペレータ２１０により、上述の発射のための操作が行われると、羽ばたきロボット１００は、図４１に示される状態から鉛直上方向に所定の初速度で発射される。
【０２２３】
（実施の形態３）
次に、図４２および図４３を用いて、実施の形態３の羽ばたきロボットシステムが説明される。ただし、羽ばたきロボット１００の構成は、実施の形態１の羽ばたきロボット１００の構成と同一であるため、特に必要がなければ、その説明は繰り返さない。以後においては、本実施の形態の羽ばたきロボットシステム前述の実施の形態の羽ばたきロボットシステムとが異なっている点が主に説明される。
【０２２４】
図４２および図４３は、実施の形態３の発射装置１８０を示す図である。本実施の形態の発射装置１８０においても、実施の形態１および２のそれぞれの発射装置１８０と同一の機能を発揮する部位には同一の参照符号が付されている。
【０２２５】
図４２は、発射機構が設けられた羽ばたきロボット１００とそれを発射するための発射装置１８０とを示す。
【０２２６】
羽ばたきロボット１００の筺体背面プレート１０６には、発射のための発射用バネ１８０１と、上述の羽ばたきロボット１００と同様の発射用パッド１０７とが設けられている。発射装置１８０は、発射ボタン１８０３、表示部１８０４、電磁石１８１０、および筺体１８０５を備えている。羽ばたきロボット１００に設けられている発射用バネ１８０１は押しバネであり、筺体１８０５には回路部１８０８および電源部１８０９が内蔵されている。
【０２２７】
発射ボタン１８０３が押圧されたことを示す信号は、後述される回路部１８０８に設けられている電磁石制御回路１８１３に送信される。発射ボタン１８０３が押されると電磁石１８１０はオフ状態になり、一方、発射ボタン１８０３が押されていない状態では、電磁石１８１０はオン状態になっている。電磁石１８１０の吸着力は、発射装置１８０が後述される待機状態の際に、羽ばたきロボット１００が発射装置１８０に装着された状態で、発射用バネ１８０１の復元力よりも電磁石１８１０の吸着力が大きい。発射ボタン１８０３が押されると、上述の電磁石１８１０のオン／オフが切り換えられる前に、まず、発射装置１８０の姿勢情報が、通信部１８１４を経由して羽ばたきロボット１００に送信される。姿勢情報の送信が完了した後、上述された電磁石１８１０オン／オフが切り換えられる。
【０２２８】
表示部１８０４には発射装置１８０の情報を示すための小型液晶ディスプレイが設けられており、ディスプレイには、後述される姿勢センサ１８１１によって得られた情報および発射装置１８０のバッテリー残量が表示される。
【０２２９】
回路部１８０８には、表示部１８０４を駆動するための表示部制御回路１８１２、姿勢センサ１８１１、電磁石１８１０を制御する電磁石制御回路１８１３、および羽ばたき浮上装置１００と通信するための通信部１８１４が内蔵されている。
【０２３０】
本実施の形態においても、姿勢センサ１８１１および電源部１８０９は実施の形態１のそれと同一である。
【０２３１】
本実施の形態の羽ばたきロボット１００と発射装置１８０との組み合わせにおいて、発射用バネ１８０１を収縮させた状態で、電磁石１８１０と発射用パッド１０７とが吸着された状態が発射待機状態と呼ばれ、また、オペレータ２１０により発射ボタン１８０３が押された状態が発射動作と呼ばれる。
【０２３２】
オペレータ２１０により上述の発射動作が行われると、電磁石１８１０はオフ状態になるため、発射用バネ１８０１が伸長し、発射用バネ１８０１の復元力に相当する外力が羽ばたきロボット１００に加わる。そのため、外力の加わる方向に羽ばたきロボット１００が発射される。
【０２３３】
(実施の形態４）
次に、実施の形態４の羽ばたきロボットシステムが説明される。ただし、羽ばたきロボット１００の構成は、実施の形態１の羽ばたきロボット１００の構成と同一であるため、特に必要がなければ、その説明は繰り返さない。以後においては、本実施の形態の羽ばたきロボットシステム前述の実施の形態の羽ばたきロボットシステムとが異なっている点が主に説明される。
【０２３４】
図４４は、実施の形態４の発射装置１８０を示す。本実施の形態の発射装置１８０においては、実施の形態１〜３のそれぞれの発射装置１８０と同一の機能を発揮する部位には同一の参照符号が付されている。
【０２３５】
本実施の形態の発射装置１８０は、羽ばたきロボット１００の羽部１１０の弾性力を利用する発射機構である。本実施の形態の発射装置１８０の構成は、実施の形態３の発射装置１８０の構成と同一であるため、その説明は繰り返さない。本実施の形態の羽ばたきロボット１００の構成は、実施の形態の羽ばたきロボットの構成と同一である。この発射装置１８０によれば、図４４に示されるように、羽ばたきロボット１００の羽部１１０は、曲げられた状態で、羽ばたきロボット１００の発射用パッド１０７と電磁石１８１０とが互いに吸着されている。この状態が発射待機状態と呼ばれる。
【０２３６】
オペレータ２１０により発射ボタン１８０３が押されると、電磁石１８１０がオフになり、羽ばたきロボット１００が羽部１１０の弾性力によって発射される。オペレータ２１０により発射ボタン１８０３が押される動作が発射動作と呼ばれる。なお、羽部１１０は、弾性変形可能な程度の力で曲げられ、発射装置１８０に装着されているものとする。
【０２３７】
なお、前述の各実施の形態の発射装置１８０において、姿勢センサ１８１１によって検出される発射装置１８０の姿勢に関する情報は、回路部１８０８に設けられた表示部制御回路１８１２および電磁石制御回路１８１３にフィードバックされる。姿勢センサ１８１１によって検出された発射装置１８０の三次元姿勢の情報に基づいて、発射方向および角度に関する情報が得られる。この情報は、表示部１８０４に表示される。
【０２３８】
また、羽ばたきロボット１００を発射しても、所望の初速度の鉛直上方成分が得られない場合には、すなわち、発射装置１８０から発射される羽ばたきロボット１００の方向が下向きである場合には、オペレータ２１０によって発射ボタン１８０３が押されても、電磁石１８１０はオフにならず、羽ばたきロボット１００は発射されない（誤発射防止機構）。
【０２３９】
＜発射手順＞
上記各実施の形態の羽ばたきロボットシステムにおける発射装置から羽ばたきロボットを発射する手順を説明する。
【０２４０】
次に、上述の発射装置１８０を用いた羽ばたきロボット１００の発射の手順を説明する。図４５および図４６は、発射時および発射後の発射装置１８０の制御におけるフローチャートを示す。
【０２４１】
オペレータ２１０は、まず、羽ばたきロボット１００を上述の発射待機状態にする。次に、オペレータ２１０は、羽ばたきロボット１００を発射させたい方向と羽ばたきロボット１００が発射される方向とが一致するように、発射装置１８０による羽ばたきロボット１００の発射方向を設定する。その後、オペレータ２１０により発射ボタン１８０３がオンされる。それにより、羽ばたきロボット１００は発射装置１８０から発射される。
【０２４２】
発射装置１８０を用いて羽ばたきロボット１００の浮上開始動作を補助するためには、羽ばたきロボット１００は鉛直上方の初速度成分を有する状態で発射されることが必要である。
【０２４３】
上述のとおり、発射装置１８０には姿勢センサ１８１１が搭載されている。姿勢センサ１８１１を用いて発射装置１８０の向きを監視することによって、羽ばたきロボット１００が発射される際に、羽ばたきロボット１００が上向きの初速度成分を有する状態で発射され得るかどうかを検出することが可能である。
【０２４４】
姿勢センサ１８１１から送信されてきた情報は発射装置１８０に設けられている表示部１８０４に表示される。したがって、オペレータは表示部１８０４から羽ばたきロボット１００の発射方向が上向きの成分を有するかどうかを知ることができる。
【０２４５】
さらに、姿勢センサ１８１１から送信されてきた情報は、発射装置１８０の電磁石制御回路１８１３に入力される。また、発射装置１８０の姿勢が、羽ばたきロボット１００が上向きの初速度成分を有する状態で発射されないようなものである場合には、オペレータ２１０により発射ボタン１８０３が押された場合であっても、電磁石１８１０がオフの状態にならないため、羽ばたきロボット１００は発射装置１８０から発射されない。
【０２４６】
上述された発射待機状態においては、羽ばたきロボット１００は、図１に示されるように、羽部１１０を左右方向に延ばし、羽部１１０の表面は、発射装置１８０の筺体の底面に対して垂直な状態になっている。すなわち、左および右の羽部１１０のいずれのアクチュエータにおいても、上部超音波モータの回転角および下部超音波モータの回転角のいずれもが同一の角度（＋９０度）になっている。
【０２４７】
また、オペレータ２１０により発射ボタン１８０３が押されると、まず、発射方向および発射ボタン１８０３が押されたことを示す制御信号が羽ばたきロボット１００に送信される。上述の制御信号が羽ばたきロボット１００に入力されると、羽ばたきロボット１００は、まず、静止状態における加速度が位置姿勢検出センサ１６０によって検出される。このとき、検出される加速度は重力加速度であるため、その方向は重力の方向、すなわち、鉛直方向である。この静止状態の重力加速度の方向および大きさに関する情報はＲＡＭ１５５に格納される。
【０２４８】
その後、羽ばたきロボット１００は位置姿勢検出センサ１６０により連続的に加速度を測定する。次に、発射装置の電磁石１８１０がオフになり、羽ばたきロボット１００は発射装置１８０から外力を受ける、羽ばたきロボット１００が発射装置１８０から外力を受けると、位置姿勢検出センサ１６０は、重力加速度および外力に起因する加速度の和の加速度が羽ばたきロボット１００に生じることを検出する。その後、位置姿勢検出センサ１６０によって連続的に検出される加速度とＲＡＭ１５５に格納された重力加速度とが比較される。これにより、後述される飛行動作が検知される。
【０２４９】
次に、電磁石１８１０がオフになり、発射用パッド１０７が電磁石１８１０から離れると、発射装置１８０から羽ばたきロボット１００への電力の供給が停止される。すなわち、発射用パッド１０７に電流が流れなくなる。この発射用パッド１０７の電流がモニタされており、その電流が流れなくなることが検出されると、羽ばたきロボット１００が発射されたこをと示す情報がＲＡＭ１５５に格納される。
【０２５０】
羽ばたきロボット１００に搭載されている位置姿勢検出センサ１６０によって、飛行中に羽ばたきロボット１００の加速度が連続的に検出される。
【０２５１】
羽ばたきロボット１００は発射待機状態において羽部に羽ばたき運動をさせないので、発射後に羽ばたきロボット１００に与えられる力は重力による鉛直下向きの力と空気抵抗による抗力との和になる。重力は常に鉛直下方向に一定の値となり、空気抵抗は羽ばたきロボット１００の進行方向と逆方向に加わるため、羽ばたきロボット１００が鉛直上方向の速度成分を有する状態で移動していれば、空気抵抗による抗力は鉛直下向きの成分を有している。羽ばたきロボット１００が鉛直下方向の速度成分を有する状態においては、空気抵抗による抗力は鉛直上向きの成分を有する。
【０２５２】
したがって、位置姿勢検出センサ１６０により重力加速度と抗力に起因して生じる加速度との和の値を検出することによって、羽ばたきロボット１００が羽部１１０に羽ばたき運動を一切させていない状態であれば、羽ばたきロボット１００が浮上（上昇）中であるのか、落下（降下）中であるのかを判断することが可能である。
【０２５３】
すなわち、羽ばたきロボット１００が浮上（上昇）中の場合に位置姿勢検出センサ１６０より検出される鉛直方向の加速度は、重力加速度よりも大きな値になり、落下（降下）中の加速度は重力加速度よりも小さな値になる。
【０２５４】
また、羽ばたきロボット１００が鉛直上方の初速度成分を有する状態で発射される場合には、浮上（上昇）から落下（降下）に変化する瞬間、つまり鉛直方向の速度がゼロになる瞬間に鉛直方向の加速度は重力加速度と同一である。
【０２５５】
羽ばたきロボット１００が、鉛直上方向の初速度成分を有する状態で発射された後、羽部１１０に羽ばたき運動をさせないのであれば、鉛直方向の速度がゼロになる時点で羽ばたきロボット１００が最高位置に到達することになる。
【０２５６】
また、発射された羽ばたきロボットの姿勢の変化が、ジャイロセンサからなる３軸回転角センサ１６０２を用いて検出される。すなわち、羽ばたきロボット１００の発射後の加速度が検出される。その加速度とＲＡＭ１５５に格納された発射前の重力加速度とを比較すれば、たとえ、発射後に羽ばたきロボット１００の姿勢が変化したとしても、羽ばたきロボット１００は鉛直方向を認識することが可能である。
【０２５７】
発射後、羽ばたきロボット１００が最高高さに到達した時点で、羽ばたき浮上装置１００はブレーキ羽ばたき動作を行い、空中静止状態（ホバリング）になる。ブレーキ羽ばたき動作とは、発射装置１８０によって発射された後の羽ばたきロボット１００の所定時間内の位置の変化を実質的にゼロ（ホバリング状態）にするための羽ばたき動作である。ブレーキ羽ばたき動作がなされた後、ＲＡＭ１５５に格納されている、羽ばたきロボット１００が発射装置１８０から発射されたことを示す情報はリセットされる。
【０２５８】
羽ばたきロボット１００は、ホバリングをしている状態で、上述された飛行制御動作が組み合わせられた所望の飛行動作を行う。
【０２５９】
次に、発射から最高高さ位置でのホバリングに到るまでの羽ばたきロボット１００の制御が以下に具体的に述べられる。
【０２６０】
発射装置１８０から発射された後、羽ばたきロボット１００は、左の羽部１１０および右の羽部１１０の双方が発射待機状態である状態を維持している。発射された直後においては、羽部１１０の前縁部１１０２が延びる方向は羽ばたきロボット１００が発射された方向にほぼ平行になっており、かつ、羽面部１１０３の方向は、鉛直方向にほぼ平行になっている。これによれば、羽部１１０が発射直後に受ける空気抵抗を最小にすることができる。また、羽ばたきロボット１００が発射装置１８０から離れた直後から、羽ばたきロボット１００は位置姿勢検出センサ１６０を用いた鉛直方向の加速度を連続的に検出する。
【０２６１】
羽ばたきロボット１００が発射装置１８０から発射された直後においては、位置姿勢検出センサ１６０によって計測される鉛直方向の加速度は重力加速度よりも大きな値を示す。しかしながら、羽ばたきロボット１００が発射されてから時間が経過するにつれて、鉛直方向の加速度は重力加速度に除々に近づく。位置姿勢検出センサ１６０によって検出された鉛直方向の加速度と重力加速度との差が予めオペレータ２１０によって定められた閾値、例えば、０．０１％以内の範囲になると、羽ばたきロボット１００は、前述のブレーキ羽ばたきを行う。それにより、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸のそれぞれに沿った方向における速度がゼロになる。その後、羽ばたきロボット１００はホバリングする。
【０２６２】
前述のブレーキ羽ばたきとは、上述の前進または後退のための羽ばたき動作を組み合わせることによって、発射装置１８０によって与えられた速度方向とは逆の方向に進行しようとする羽ばたきを方であり、空中でストップ（ホバリング＝速度が実質的にゼロ）するために行われる羽ばたき方であるものとする。ブレーキ羽ばたきの詳細な制御は後述される。なお、ここで定めた０．０１％という数値は、一例であり、使用環境および要求精度によってオペレータ２１０によって任意に設定され得る。上述のようなブレーキ羽ばたきをすることによって、発射された羽ばたきロボットは最高高さ位置に留まることが可能になる。
【０２６３】
羽ばたきロボット１００が飛行している間の加速度の鉛直方向成分の検出アルゴリズムが説明される。羽ばたきロボット１００が発射される直前の静止状態において位置姿勢検出センサ１６０によって検出される３軸加速度ベクトルをｇとする。
【０２６４】
発射された後の羽ばたきロボット１００の発射される前の羽ばたきロボット１００に対する傾き角をθとすると、発射された後に位置姿勢検出センサ１６０によって検出される３軸加速度ベクトルａを−θ回転させることにより、ａの座標系をｇの座標系と一致させることができる。この３軸加速度ベクトルをａ’とすると、ａ’のｇの座標系への射影が、ａの鉛直方向成分ａｚになる。これによれば、本発明の制御部としての制御回路１５０は、ａｚを位置姿勢検出センサ１６０により検出される３軸加速度ａの値と、ジャイロセンサにより検出可能な傾き角とから、ａの鉛直方向成分ａｚの値を算出することができる。
【０２６５】
上述の例では、羽ばたきロボット１００が発射装置１８０から発射された後に、羽ばたきロボット１００は、羽部にブレーキ羽ばたきをさせた後ホバリング状態を維持するための羽ばたき運動をさせる。このブレーキ羽ばたきからホバリングへの移行のタイミングは、羽ばたきロボット１００に作用する鉛直方向における加速度ａｚの値を用いて決定されている。しかしながら、羽ばたきロボット１００が発射装置１８０から発射された後に羽ばたきロボット１００が移動する空間における風速が既知または無視できるほど小さい場合には、連続的に測定される加速度ではなく、所定の時間ごとに測定される加速度を用いて、ブレーキ羽ばたきからからホバリングへ移行するタイミングが決定される制御が行なわれてもよい。
【０２６６】
（実施の形態５）
次に、実施の形態５の羽ばたきロボットシステムが説明される。ただし、羽ばたきロボット１００および発射装置１８０の構成は、実施の形態１の羽ばたきロボット１００および発射装置１８０の構成と同一であるため、特に、必要がなければ、その説明は繰り返さない。以後においては、本実施の形態の羽ばたきロボットシステム前述の実施の形態の羽ばたきロボットシステムとが異なっている点が主に説明される。
【０２６７】
本実施の形態の羽ばたきロボットシステムは、羽ばたきロボット１００が発射装置から発射された後の経過時間に応じて、ブレーキ羽ばたきのための制御を行うものである。
【０２６８】
発射装置１８０から離れた後に羽ばたきロボット１００に加えられる力は、重力加速度および空気抵抗による抗力である。重力加速度は常に一定の値をとり、空気抵抗に起因する抗力は空気流体の方向および速度によって決定される。そのため、羽ばたきロボット１８０の構造情報、速度、および風速が既知であれば、空気抵抗に起因する抗力を計算することが可能になる。
【０２６９】
発射された直後の羽ばたきロボット１００の初速度は、位置姿勢検出センサ１６０によって検出され得る。たとえば、初速度の検出方法として、発射された羽ばたきロボット１００に与えられる加速度を積分する方法が考えられる。また、初速度の他の検出方法として、発射装置１８０に用いられる弾性体、羽部１１０の物理定数（バネ定数や弾性定数など）、およびリニアモータの特性が既知であれば、計算によって羽ばたきロボット１００の初速度を算出することが可能である。発射方向は、発射装置１８０に搭載されている姿勢センサ１８１１によって検出され得る。
【０２７０】
したがって、発射された後に羽ばたきロボット１００が移動する空間における空気の速度が既知であれば、発射された後の羽ばたきロボット１００の時間的な挙動を予め羽ばたきロボット１００の中央演算装置１５１または羽ばたきロボット１００の外部に設けられた演算装置を用いて算出することができる。
【０２７１】
具体的には、発射を示す制御信号が発射装置１８０から羽ばたきロボット１００へ入力されてから羽ばたきロボット１００が最高高さ位置に到達するまでの時間がＲＡＭ１５５に格納されている。また、羽ばたきロボット１００に内蔵されているタイマによってその時間をカウントダウンすれば、ブレーキ羽ばたきの開始のタイミングを自動的に決定することが可能である。なお、羽ばたきロボット１００が最高高さ位置に到達したであろうと想定される時点で、前述のブレーキ羽ばたきおよびホバリングが実行されるように、タイマのカウントダウンの初期値が設定されている。
【０２７２】
前述の方法の他として、羽ばたきロボット１００が自身の地面または海抜等の基準高さ位置からの高さを測定することができる高度センサ１６３０を備えている場合に、発射装置１８０から発射された後に連続的に自身の高度を測定する方法が用いられてもよい。この方法によっても、羽ばたきロボット１００が最高高さ位置に到達した時点で、前述のブレーキ羽ばたきおよびホバリングが実行される。
【０２７３】
図４７は、本実施の形態の羽ばたきロボットシステムの制御のフローチャートを示す。
連続的に測定された２回の高度測定結果のうち、後に測定された高度が前に測定された高度と同一であるか、または、後に測定された高度が前に測定された高度よりも低いと判定された場合に、その位置が最高高さ位置であると判定される。
【０２７４】
＜ブレーキ羽ばたき制御＞
ここで、ブレーキ羽ばたきの制御について述べる。羽ばたきロボット１００は発射検知の情報がＲＡＭ１５５に上述のように、本羽ばたきロボット１００は、図１に示すｘ方向の並進、ｙ方向の並進、ｚ方向の並進、ｙ軸回りの回転、およびｚ軸回りの回転を実行することができる。
【０２７５】
本実施の形態においては、後述される水平姿勢とは、図１に示されるｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸からなる３軸座標を用いて規定される羽ばたきロボット１００のｘ−ｙ平面が地上の絶対座標の水平面と平行になる姿勢を言う。より具体的には、水平姿勢とは、羽ばたきロボット１００の羽軸が地面と平行になる姿勢である。
【０２７６】
上述のとおり、羽ばたきロボット１００の姿勢は、筺体下部に重心があるため、発射された後の最高高さ位置では水平姿勢になっていると考えられる。しかしながら、風の影響などにより、最高高さ位置において羽ばたきロボット１００の姿勢が水平姿勢ではない場合には、すなわち、羽ばたきロボット１００が傾いている場合には、羽ばたきロボット１００は、ｘ軸回りの回転およびｙ軸回りの回転のうちの少なくともいずれか一方を実行し、水平姿勢に戻ろうとする。この場合、羽ばたきロボット１００は、図１に示されるｘｙｚ座標系において、θｘ＝０度になるように、ｚ軸回りに回転する。次に、羽ばたきロボット１００は、図１に示されるｘｙｚ座標系において、θy＝０度になるように、ｙ軸回りに回転する。それにより、羽ばたきロボット１００は水平姿勢に戻る。この状態で、ｚ方向における並進運動のための制御が行われ、羽ばたきロボット１００の高度が一定に維持される。羽ばたきロボット１００は、発射された後、水平姿勢の状態で、水平方向に移動している。
【０２７７】
本実施の形態においては、羽ばたきロボット１００は、上述のｘ方向における並進運動およびｙ方向の並進運動により、ｘｙ平面内の加速度の方向とは逆方向に加速度を生じさせるように、羽部１１０に羽ばたき運動をさせる。それにより、羽ばたきロボット１００のｘｙ面内における速度成分がゼロになる。ｘｙ面内における速度成分がゼロになれば、ブレーキ羽ばたきを終了するタイミングであると判定され、羽ばたきロボット１００は羽部１１０に次の羽ばたき運動をさせる。
【０２７８】
なお、上述の姿勢および速度の検出は、羽ばたきロボット１００の位置姿勢検出センサ１６０によってなされる。このとき、位置姿勢検出センサ１６０によって検出された羽ばたきロボット１００の姿勢および速度の情報は、中央演算装置にフィードバックされる。
【０２７９】
また、ブレーキ羽ばたきは、羽ばたきロボット１００が発射されたことを示す情報がＲＡＭ１５５に格納されている場合にのみ実行される。
【０２８０】
（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１．２１ｇｆである。よって、羽部２枚が生み出す浮上力は２．４２ｇｆである。また、各構成要素の質量が表５に示されている。表５は、上述された実施の形態１〜３の発射装置１８０を用いる場合における羽ばたきロボット１００の質量であり、上述された実施の形態４の発射装置１８０、すなわち、発射用バネ１８０１を本体１０１に搭載する場合における羽ばたきロボット１００の質量である。表５に示されるように、羽ばたきロボット１００の総質量は、前述の浮上力２．４２ｇｆよりも小さいため、羽ばたきロボット１００は、浮上することができる。
【０２８１】
【表５】
2009067086.tif 000007
【０２８２】
＜消費電力＞
本発明者らの計算によれば、羽ばたきロボット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。
【０２８３】
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。位置姿勢検出センサ１６０の消費電力は５ｍＷである。流体センサ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。
【０２８４】
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、羽ばたきロボット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、羽ばたきロボット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。
【０２８５】
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】
【０２８６】
【図１】実施の形態の羽ばたきロボットの全体構成の概略図である。
【図２】実施の形態の羽ばたきロボットの詳細構造の概略図である。
【図３】実施の形態の羽ばたきロボットの羽部の概略平面図である。
【図４】実施の形態の羽ばたきロボットの羽部の概略側面図である。
【図５】実施の形態の羽ばたきロボットの羽部の第一の層を示す図である。
【図６】実施の形態の羽ばたきロボットの羽部の第二の層を示す図である。
【図７】実施の形態の羽ばたきロボットの羽部の第三の層を示す説明図である。
【図８】実施の形態の羽ばたきロボットに用いられるアクチュエータの外観図である。
【図９】実施の形態の羽ばたきロボットに用いられる超音波モータの概略図である。
【図１０】実施の形態の羽ばたきロボット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１１】実施の形態の羽ばたきロボット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１２】実施の形態の羽ばたきロボット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１３】実施の形態の羽ばたきロボット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１４】実施の形態の羽ばたきロボット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１５】実施の形態の羽ばたきロボットに用いられる羽駆動メカニズムの概略図である。
【図１６】実施の形態の羽ばたきロボット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１７】実施の形態の羽ばたきロボット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１８】実施の形態の羽ばたきロボット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１９】実施の形態の羽ばたきロボット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２０】実施の形態の羽ばたきロボット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２１】実施の形態の羽ばたきロボットのホバリング時の羽ばたき方を説明するための図である。
【図２２】実施の形態の羽ばたきロボットの上昇時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図２３】実施の形態の羽ばたきロボットの下降時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図２４】実施の形態の羽ばたきロボットの上昇・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２５】実施の形態の羽ばたきロボットの前進方法を表す説明図である。
【図２６】実施の形態の羽ばたきロボットの後退方法を表す説明図である。
【図２７】実施の形態の羽ばたきロボットの前進時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図２８】実施の形態の羽ばたきロボットの後退時の羽ばたき方を表わす説明図である。
【図２９】実施の形態の羽ばたきロボット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３０】実施の形態の羽ばたきロボットにおける制御システムの機能ブロック図である。
【図３１】実施の形態の羽ばたきロボットの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３２】実施の形態の羽ばたきロボット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３３】実施の形態の羽ばたきロボット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３４】実施の形態の羽ばたきロボット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３５】実施の形態の羽ばたきロボット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３６】実施の形態の羽ばたきロボットの制御の流れを示すフローチャートである。
【図３７】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３８】実施の形態１の発射装置の斜視図である。
【図３９】実施の形態１の発射装置の断面図である。
【図４０】実施の形態２の発射装置の斜視図である。
【図４１】実施の形態２の発射装置の断面図である。
【図４２】実施の形態３の発射装置の斜視図である。
【図４３】実施の形態３の発射装置の断面図である。
【図４４】実施の形態４の発射装置の正面図である。
【図４５】発射時の羽ばたきロボットの制御の流れを示すフローチャートである。
【図４６】発射装置から発射された後、加速度の検出機能を用いてブレーキ羽ばたきおよびホバリングに移るまでの羽ばたきロボットの制御の流れを示すフローチャートである。
【図４７】発射装置から発射された後、高度の検出機能を用いてブレーキ羽ばたきおよびホバリングに移るまでの羽ばたきロボットの制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０２８７】
１００  羽ばたきロボット、１０１  本体、１１０  羽部、１２０，１３０  超音波モータ、１４０  駆動メカニズム、１５０  制御回路、１６０  姿勢センサ、１７０  通信装置、１８０  発射装置。
【図１】
2009067086.tif 000008
【図２】
2009067086.tif 000009
【図３】
2009067086.tif 000010
【図４】
2009067086.tif 000011
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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