第一工科大学研究報告第35号（2023）pp.6-11

ドローン設計・自作に関する研究（はばたきドローン試作）山本
第一工科大学淳二

航空工学部 航空工学科(〒899-4395 鹿児島県霧島市国分中央 1-10-2)

Study for Designing and Self Making of Drones(Trial making of an ornithopter drone)
Junji Yamamoto
Department of Aeronautical Engineering, Daiichi Institute of Technology

Abstract: With the remarkable growth of drone market recent years, it has become relatively easy to purchase drone
components. At the same time, it can be expected that designing, making, and flying a drone will be a good practicaleducation for students studying aerospace engineering. In this year, a student proposed to study an ornithopter drone
which fly beautifully as a bird or a butterfly. Therefor we decided to study, design, make and fly our original
ornithopter drone. In this report, we show the progress and results of our activity in this year.
1. はじめにが少なく安全な海岸での飛行（参考情報(5)に示さ

近年、ドローン関連技術の発展は著しく、多くれる特定飛行に該当しない飛行）を可能にするたの企業や研究機関が、それぞれ特色のあるドローめに、水上でも離着水できるよう機体を改修するンの研究・開発、また活用方法の研究、実践に積ことにした。水上化改修については、フロート取極的に取り組んでいる。また、2022 年 12 月から付けと機体の水密化が最大のポイントであったは、レベル４飛行（有人地帯での目視外飛行）実が、図.1 のように、ある程度水上に離着水しても現に向けた国土交通省による新たな機体認証制

不具合なく飛行できる機体に改修できた。

度や無人航空機操縦者技能証明制度も施行されるなど、法体制も順次整備されて来ている。
本航空工学科でもドローンに関連する研究を
種 々実 施して いるが、当 研究室では 参考 文献(1)/(2)で述べたように、航空工学を学ぶ学生に対する、良い実践教育に成り得るとの考えから、学生たちに実際にドローンを設計、自作、飛行させる卒業研究を実施しており、ユニークな第一工大オリジナルドローンの設計・製造も目指している。
そこで今年度は学生からの提案を受け、はばたきドローンを設計・試作することとした。また、同フロート取付け水密化完了の機体

図.1 水上化改修した VTOL 型ドローン

時に昨年度までに作成した VTOL1 型ドローンに

以下、本論では主にはばたきドローンに関するついては飛行訓練の場所が限られることから、人検討・設計・試作状況等について紹介、報告する。

1VTOL; Vertical Take-off and Landing aircraft（垂直離着陸機）

第一工科大学研究報告

2. はばたきドローン試作の目的・目標

第35号（2023）（その 2）

一般にドローンは、複数のプロペラを回転させ参考情報(4)に紹介されている、市川式はばたきて飛行するため、その形状は基本的に画一化され機は、左右翼を関節で内翼と外翼の動きに位相差る傾向があるのに対し、鳥や蝶のはばたきは自然を設け、鳥のはばたきのように動かす機構である。

で美しい。このような自然で美しい飛行ができる

鳥は翼を打ち下げる際は、揚力が自重を支える方はばたきドローンを自作してみたいと言うのが向に作用するが、打ち上げる場合は、自重を支え学生と設定した単純な研究の目的である。よってるのと反対方向の力を出すため不利になる。よっ本年度の目標として、まずは実際にモーターではて翼を打ち上げる際には手首から先（外翼）を折ばたき機をはばたかせ、ある程度飛行できるものり曲げてその不利を減らすのであるが、その 2 は、を試作することを目標とした。

その方式を採用して試作した。図.3 にその 2 の完

なお、はばたきドローンには、プロペラ方式の成状況を示す。

ドローンに対し、静粛性や安全性の利点があるた内翼の骨め、それを活かした活用も考えられ、種々研究も進められている。
外翼の骨

3. ゴム動力による試作機作成、比較モーターによるはばたきドローンを検討する
前段として、はばたき機の基本を理解する意味でも、まずゴム動力によるはばたき機を以下のようにその 1、その 2、その 3 と 3 種類試作し、種々比較検討した。それらの状況により、設計・製造

図.3 その 2（ゴム動力）するはばたきドローンを決定することとした。
（その 3）
3.1 ゴム動力機試作

その 2 の市川式では、内翼と外翼との位相差を45°とするのが重要との説明が参考情報(4)で示（その 1）
市販はばたき機や、参考文献(3)により野中式とされている。しかしながら位相差を 90°とした方して紹介されているはばたき機の機構を参考にが一方の翼が上がりきって上死点となり動きが図.2 のような試作その１（ゴム動力）を作成した。

最小なった際、他方の翼は動きが最大となるため、これは、左右翼に関節はなく単純に上下にはばた90°の効率の方がさらに良いのではないかとのく機構である。

疑問が生じたため、それを検証するために、位相差 90°のその 3 を試作した。その完成状況を図.4に示す。

位相差を発生させる
クランク部品
その 2 が 45°
その 3 が 90°

図.4 その 3（ゴム動力）
図.2 その 1（ゴム動力）

山本：ドローン設計・自作に関する研究（はばたきドローン試作）

3.2 ゴム動力試作機の比較
これら 3 種類をそれぞれ飛行させるとともに、表.1 にそれぞれの測定結果の比較を示す。
重量、重量、はばたき周波数（必要トルクは周波数より必要トルク、推力、滑空性に優先度を設定、高い推定）、推力等を簡易に計測し比較した。また動力順に重み係数をつけて、総合評価の点数を付けた。

無しの滑空性についても確認した。

表からわかるように、位相差が 90°であるその 3周波数や推力については、採用予定のモーターが一番劣る結果となった。これは、上死点と下死と 3S(11.1V)の電池にてはばたくことができるよ点が完全に補完されることより必要トルクはやう機体を改修し測定した。
（電池他は地上に置き、はり一番小さい結果とはなったが、推力がほとん機体とは銅線でつないだ状態）ど出ない結果となったためである。つまりはばた

周波数については、タコメータを使用または、き自体に使うエネルギー効率は良いが、内翼と外スローモーション動画を撮り、はばたき数を時間翼の動きの位相が推力を上手く出す位相になっで割ることにより計測した。推力については、図.5ていないためであることがわかった。推力を十分のように、それぞれの機体を糸でつるし、モータ出すにはうち下げ時に翼をしっかり開き自重をーのよるはばたき開始後の距離と時間をスロー支える方向の力と推力を得て、打ち上げ時には自モーション動画で計測し、加速度を計算、それに重を支える方向とは逆方向となる不利な力を出機体の質量をかけて計算した（Ｆ＝ｍａ）。精度もさないよう外翼をうまく下方向に折り曲げる必

低く、誤差も大きいが、3 者の簡易的な比較はで要があり、その動きを実現する位相差がその 2 のきると考えた。

45°になると言うことが実験を通して確認できた。またこれが鳥のはばたきにも近い動きとなっていると考えられる。
ゴム動力による飛行状態については、その 3 は推力が出ないため、ほとんど飛ばず、その 1 とその 2 では、やはり重量の軽いその１の方が 10m 弱と良く飛んだ。ただし、推力と必要トルクの優先度を高くした結果、総合結果の一番良いその 2 をベースに、モーターによるはばたきドローン（はばたき機その 4 を設計・製作することとした。

図.5 推力測定状況
表.1 ゴム動力羽ばたき機 機構方式による比較

第一工科大学研究報告第35号（2023）

4. はばたきドローンの設計・製造

カーボン材、尾翼には 1mm スチレンフォームな4.1 サイジング

どを使用することとした。

その 2（ゴム動力）をベースに、採用予定のモ

なお、モーターは安価な Akozon ロングシャフーター、電池、ESC、受信機等の重さから、機体トモーター(商品名)、12V、減速機つきで無負荷時重量を推定し、はばたきの推力による前進速度で、400RPM(6.7Hz) の ブ ラ シ モ ー タ ー で あ る 。

この重量を浮かせるだけに十分な翼面積をまずESC(Electrical Speed Controller)は、やはり安価な自設定した。以下に計算過程、結果を示す。

動車模型用の 20A ブラシモーター用のものであ【仮定】る。受信機および送信機（プロポ）は参考文献(2)・推定重量：150[gf]で紹介したラジコン機に用いたものを用いた。

・速度 v：7.2[m/s]・・・その 2 の滑空速度から使用するモーターの個数であるが、主翼スパン長・主翼スパン：0.96[m]は、その 2 の約 1.45 倍である。参考文献(3)による・ルートコード長：0.18[m]と、はばたきに必要な主翼付け根のヒンジ周りの・主翼面積:0.119[m2]モーメントはスパン長の 5 乗に比例する。よって・揚力係数 CL=1.0

モーターのトルク不足対応のため、モーターは 2【揚力計算】個とし、市販の模型用ギアを使用したギアボック

揚力：L=1/2ρv²CLSスを作成し 2 個のモーター出力を 1 軸に合わせて空気密度ρ=1.225[kg/m3]とし、上で過程した値

はばたきの動力とする方式を取った。

を入れると、また、尾翼はプロポからの信号をサーボモータ

揚力 L=385[gf]が受けて左右にロールし旋回できる機構とした。となり、CL や v が多少小さくても妥当な揚力は出補強材ると考え、上で過程した主翼スパン、ルートコード長、主翼面積を採用するとこととした。
尾翼については、実際の鳥アジサシの尾翼形状から、上底 0.08[m]、下底 0.2[m]、高さ 0.1ｍの台形状とした。
4.2 設計その 2（ゴム動力）をベースに、4.1 項サイジン
グの結果を反映し、概略の形状、構成、部品形状等をポンチ絵レベルで作成したのち、部品表を作成、3D-CAD にてモデル化、図面化した。図.6 に3D-モデルを示す。主翼の補強材の入れ方はその 2で検討、推力増加に効果のあったものである。モーションスタディにより、はばたきの動きも確認した。
材料はその 2 と同等であり、胴体には 2×4ｍｍヒノキ材、クランクや主翼の骨には、φ1mm ピア
ノ線、リンク機構には 1mm アルミ板、主翼のフ
ィルムには、ラジコン機の主翼等に貼る薄く軽量のカバーリングフィルム、補強材は 3×0.5mm の

図.6 3D-モデル（卒業研究の一環で学生が作成）

山本：ドローン設計・自作に関する研究（はばたきドローン試作）

4.3 製造4.2 設計変更

4.1 当初設計

当初、主翼スパン長が大きく、トルク不足を懸作成した CAD 図面から部品図を作成し、それに基づいて各部品を作成し組み立てた。

念してモーターを 2 個としたが、上手く作動させることができなかったため、トルク不足の懸念は当初設計の完成状態を図.7 に示す。
この状態で、あるものの、モーターを 1 個に変更して試すこと電源を入れ、送信機（プロポ）のスロットルを上とした。図.9 に設計変更後のモーター部他の状況

げモーターを回転させたところ、数度ははばたくを示す。モーターは 1 個でギアボックスを無くしものの途中で止まる事象が発生した。原因は図.8たシンプルな形状とした。に示すようなモーターを 2 個用のギアボックスで駆動結合パイプの不具合であった。滑りやかみ合い関して数度の微調整を試みたものの、手作業によるギアボックス組立て作業の精度があがらず、結果上手くはばたくことができなかった。
完成重量：121[gf](< 仮定値：150[gf] )モーター1 個
受信機

ESC

電池
図.9 設計変更後（モーター1 個）

結果として、モーター1 個で上手くはばたくことができた。はばたきに必要な主翼付け根のヒンジ周りのモーメントやモーターの定格トルク等もある程度検討はしていたが、さらに精度を高め実測等で実際の値を把握しておく必要性を感じた。
図.7 当初設計での完成状態

5. 飛行確認5.1 滑空確認
モーター2 個

飛行確認に先立ち、まず現機体形状で滑空できるかの確認を行った。機体をできるだけ壊すのをさけるためモーター、電池、ESC 等をつけていな
い軽い状態で、CG 及び尾翼の角度を調整しながら滑空性を確認した。図.10 に示すように、良好にギアボックス滑空することが確認できた。滑空速度を上げれば、作動前の状態完成重量でも滑空できる見通しが得られた。
ギアボックス
かみ合い部の不具合

滑空中のはばたき機その４・重量：57[gf]作動後の状態(完成重量は 107[gf])・CG：ルート部コードの 33%付近
・速度：4.3[m/s]

図.8 ギアボックス不具合

図.10 滑空確認

第一工科大学研究報告

5.2 はばたき確認第35号（2023）

6. まとめ図.11 に設計変更（モーター1 個化）後のはばた

6.1 今年度成果

き状況を示す。良好にはばたき、送信機（プロポ）

今年度、一から始めたはばたきドローンの研究のスロットルによるはばたき周波数の増減も可であったが、自作により鳥のようなはばたきを実能であることが確認できた。周波数、推力をその現し、短い距離ながらある程度飛行できるところ

2 と同様の方法で計測した結果も合わせて図.11まで来ることができた。種々工学的知見が得られに示す。

たこともさることながら、進むたびに都度出てくる課題に対して一つ一つしっかり向き合って対応できたことを、これから社会に出て行く学生も意義深く感じてくれたようである。
6.2 今後の予定
今後、はばたき機をさらに長時間、制御しながら飛ばせるようにするため、以下のような検討を進めることを考えている。
・風洞試験にて、はばたき機その４のはばたき時および滑空時の揚力、推力、抗力等の定量的データを取得する。
・そのデータより、はばたき機その４の改善点を検討、設計変更、製作、飛行確認を行う。
・VTOL 型ドローンやはばたきドローン等から得られた知見等も活かし、ユニークな第一工大オリジナルドローンの開発を目指す。
謝辞
完成重量：107[gf]周波数：3.6[Hz]以上
推力：4.65[gf] (簡易計測)

何事にも前向きに卒業研究に取り組んでくれた、2 名の本年度卒論生に大変感謝いたします。

図.11 はばたき確認状況

参考文献及び情報
5.3 飛行確認(1) 山本淳二：”ドローン設計・自作に関する研究”，

図.12 に初回の飛行確認状況を示す。直線的に第一工業大学研究報告，第 33 号，pp. 1-8，(2021)

10m 程度であるが、はばたきながら飛行すること(2) 山本淳二：”ドローン設計・自作に関する研究(VTOL 型ドローン試作)”，第一工科大学研究報ができた。

告，第 34 号，pp. 1-6，(2022)(3) 東昭一：”模型飛行機と凧の科学” 電波実験社(4) “市川式羽ばたき飛行機（メカニズムの紹介）”
https://www.youtube.com/watch?v=Joht8NTiuSE(5) 国土交通省 HP：”無人航空機の飛行許可・承・飛行速度：5.6[m/s]図.12 飛行確認状況

認手続き”
https://www.mlit.go.jp/koku/koku_fr10_000042.html