情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

動画像解析によるテントウムシの羽ばたき動作モデリング相澤綾一 1

李根浩 1

概要： 近年，災害時の活用を目的としたロボットが多く開発されている．しかし，走行と飛行を両立し瓦礫内を探索するものは少ない．そこで走行・飛行を行い，体を保護する鞘翅を持つ小型な甲虫類であるテントウムシに着目する．
また，昆虫の羽ばたき飛行には未解明な点が多いため，本研究では羽ばたき動作のモデリングを行う．そのため，ハイスピードビデオカメラを用いてテントウムシの飛行を撮影する．次に動画解析ソフトを用いて，翅の根元や翅の先端などの身体上の特徴点の座標を逐次的に求める．これらの座標から，羽ばたき動作の周波数，振幅角，位相差，ストローク平面などの特徴を抽出し，これらを含む羽ばたき動作モデルを算出する．
キーワード：ロボット，画像特徴抽出，情報可視化

Modeling of ladybug’s flapping motion by video analysis
RYOICHI AIZAWA†1

GEUNHO LEE†1

Abstract: In recent years, many robots have been developed for use during disasters. However, few of them can both run and fly
and search through rubble. We focus on the ladybird beetle, a small insect with protective sheath wings that can both run and fly.
In addition, since there are many unexplored aspects of insects' flapping flight, we model their flapping behavior in this study. For
this purpose, a high-speed video camera was used to capture the flight of ladybugs. Next, using video analysis software, wesequentially obtain the coordinates of characteristic points on the body, such as the wing bases and wing tips. From thesecoordinates, features such as the frequency, amplitude angle, phase difference, and stroke plane of the flapping motion are extracted,
and a flapping motion model including these features is calculated.
Keywords: Robotics, Image Feature Extraction, Information Visualization

1. 緒言

2. 記号と座標の定義

近年，災害現場における探索や観測を目的とした救助ロ

はじめに，記号と座標を定義する．テントウムシの重心ボットが多く開発されている．その中でも移動方法の観点を原点𝑂とし重力加速度の方向を𝑔⃗とするとき，原点𝑂を通から走行と飛行を両立したロボットが注目されている．そり𝑔⃗と逆方向の軸を𝑧⃗軸とする．そして，𝑧⃗軸に対して垂直でこで走行と飛行の両立を念頭に，より研究の余地のある飛あり，テントウムシの進行方向に平行な原点𝑂を通る軸を𝑥⃗

行ロボットの開発を行う．飛行ロボットは飛行に用いる翼軸とし，𝑥⃗軸を時計回りに90°回転した原点𝑂を通る軸を𝑦⃗軸で分類され主に固定翼，回転翼，羽ばたき翼の３種類が挙とする．そして，テントウムシの鞘翅の根本を𝑂𝑒 ，先端をげられる．その中でも狭小な災害現場においては機敏な飛𝑝𝑒 とし，𝑂𝑒 を通る𝑥⃗軸，𝑦⃗軸，𝑧⃗軸に平行な軸をそれぞれ𝑥⃗⃗⃗⃗⃗，𝑒行が可能な羽ばたき飛行が適している．また，羽ばたきロ𝑦𝑒 ⃗⃗⃗⃗とする．同様に後翅の根本を𝑂⃗⃗⃗⃗，𝑧𝑒ℎ ，先端を𝑝ℎ とし，𝑂ℎボットは生物の動作を模倣した研究が盛んであり，模倣さを通る𝑥⃗軸，𝑦⃗軸，𝑧⃗軸に平行な軸をそれぞれ𝑥⃗⃗⃗⃗⃗，𝑦ℎ ⃗⃗⃗⃗⃗，𝑧ℎ ⃗⃗⃗⃗⃗とすℎれている生物として，鳥類と昆虫類が挙げられる．昆虫類る．また，𝑜⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗と𝑦⃗⃗⃗⃗の成す角を𝜃⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗と𝑦𝑒 𝑝𝑒𝑒𝑒 ，𝑜ℎ 𝑝ℎ ⃗⃗⃗⃗⃗の成す角を𝜃
ℎℎ

は鳥類と比較し，一般的には小型でより機敏な飛行を行うとする．

ため限られた空間での利用に適切であると考えられている．
そして，甲虫類は昆虫の中でも特徴的な鞘翅と呼ばれる主3. 羽ばたき動作の撮影に自身の保護を目的とした翅を有しているため非常時の運次にテントウムシの羽ばたき動作の撮影方法について用においては有用であると考えられる．甲虫類の中でも鞘説明する．まず，テントウムシを捕獲する．一定の飛行条翅の模倣のしやすさ，身近さを加味し本研究ではテントウ件とするため，水槽の中にて無風状態で撮影を行う．

ムシの模倣を行い，飛行には影響がないとされる鞘翅によテントウムシの離陸行動を利用し，水槽内に支柱を設置る飛行への影響を明らかにする事を最終目標とし，羽ばたし観察を行う．の照明とハイスピードカメラ (FDR-AX700，き動作のモデリングを行う．

SONY) を用いて撮影する．このとき，観察のためにてんとう虫の鞘翅の根元を 𝑂 ′とし，先に定義した 3 平面毎に撮影を行う．

1 宮崎大学
University of Miyazakiⓒ2023 Information Processing Society of Japan1

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4. 羽ばたき動作の動画像解析
撮影した 3 平面の動画像を解析し，テントウムシの羽ばたき動作の特徴を抽出する．解析方法としては，動画解析
ソフト Kinovea を用いて先に定義した，鞘翅の根本𝑂𝑒 ，鞘翅の先端𝑝𝑒 ，後翅の根本𝑂ℎ ，後翅の先端𝑝ℎ の４点を 1 フレームごとの座標を記録する．次に𝑝𝑒 ，𝑝ℎ の座標から𝑂𝑒 ，𝑂ℎの座標を引き，これを羽ばたき軌跡とする．図 1，図 2，図3 は𝑥𝑦平面，𝑦𝑧平面，𝑧𝑥平面における羽ばたき軌跡である．
また，図 4 は𝜃𝑒 と𝜃ℎ を時間変化をグラフにしたものである．

図 4 羽ばたき振幅角
Figure 4flapping amplitude angle.

5. 羽ばたき動作モデリング
動画解析をふまえ，テントウムシの羽ばたき動作のモデリングを行う．動画解析から以下の 3 つの特徴が得られた．
１つ目に鞘翅，後翅共に半円軌道を描いている．これにより翼長を半径とした円運動となる．２つ目に𝑧𝑥平面における羽ばたき軌跡から，羽ばたき動作は 𝑥𝑦平面のみの変化
ではなく一定の傾きがある．これをストローク平面の傾き
図 1
Figure 1𝑥𝑦平面における羽ばたき軌跡と考え，回転軸の傾きを後翅に加える．𝑥𝑦 の円運動に加えFlapping trajectory in the xy-plane.てスト ローク平面の傾きからさらに回転が加わっていると考えられる．3 つ目に羽ばたき振幅角のグラフから，鞘翅と後翅の羽ばたき動作は同位相であることが分る．これを踏まえ，角度変化が同期する．以上の特徴を踏まえた羽ばたき動作をモデリングすると式(1)の様になった．このとき，鞘翅，後翅の長さを𝑙𝑒 ，𝑙ℎ ，鞘翅のストローク平面の傾き を 𝛽， 鞘 翅 の 根 本 と 後 翅 の 根 本 の 𝑦 軸 方 向 の 距 離 を
𝑑𝑦 ，z 軸方向の距離を𝑑𝑧 ，鞘翅，後翅の羽ばたき振幅角速度𝜔𝑒 ，𝜔ℎ ，時刻を𝑡としている．

図 2
Figure 2

𝑦𝑧平面における羽ばたき軌跡
Flapping trajectory in the yz-plane.

𝑝𝑒𝑥
𝑙𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝜃𝑒 𝑐𝑜𝑠 𝛽
𝑙𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝜃𝑒 𝑐𝑜𝑠 𝛽
0𝑝𝑒𝑦
𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑠 𝜃𝑒0𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑠 𝜃𝑒𝑝𝑒𝑧
𝑙𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝜃𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝛽0𝑙𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝜃𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝛽=+ 0𝑝ℎ𝑥 = 𝑙ℎ 𝑠𝑖𝑛 𝜃ℎ𝑙ℎ 𝑠𝑖𝑛 𝜃ℎ𝑑𝑦𝑝ℎ𝑦𝑙ℎ 𝑐𝑜𝑠 𝜃ℎ + 𝑑𝑦𝑙ℎ 𝑐𝑜𝑠 𝜃ℎ] [𝑑𝑧 ][𝑝ℎ𝑧 ] [𝑑𝑧] [𝑙ℎ ] [0𝑙𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑒 𝑡 𝑐𝑜𝑠 𝛽00𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑠 𝜔𝑒 𝑡0𝑙𝑒 𝑠𝑖𝑛 𝜔𝑒 𝑡 𝑠𝑖𝑛 𝛽=+ 0𝑙ℎ 𝑠𝑖𝑛 𝜔ℎ 𝑡𝑑𝑦𝑙ℎ 𝑐𝑜𝑠 𝜔ℎ 𝑡] [𝑑𝑧 ][𝑙ℎ ] [0(1)

参考文献

図 3
Figure 3𝑧𝑥平面における羽ばたき軌跡
Flapping trajectory in the zx-plane.

ⓒ2023 Information Processing Society of Japan[1] M. Karásek, F. T. Muijres, C. D. Wagter, B. D. W. Remes, G. C. H.
E. de Croon, A tailless aerial robotic flapper reveals that flies use
torque coupling in rapid banked turns, Science 14 Sep 2018:Vol.
361, Issue 6407, pp. 1089-1094.
[2] Schneider P, Hermes M. Aerodynamische Eigenschaften derKaferelytren. Zoologische Jahrbücher. Abteilung für allgemeineZoologie und Physiologie der Tiere, 1977, 81, 273 ‒ 280.
[3] Burton A J, Sandeman D C. The lift provided by the elytra of theRhinoceros beetle, Oryctes boas Fabr. South African Journal ofScience, 1961, 57, 107 ‒ 109.

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