JP4294454B2 - Flapping equipment - Google Patents
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Description
本発明は、羽ばたき飛行する羽部を有する羽ばたき装置に関するものであり、特に、1自由度のアクチュエータ2機を用いて、羽ばたきの打ち上げと打ち下ろしとの切り替わり時に、羽の捻り角(羽面に沿った羽弦方向の傾き)を変化させることが可能な羽ばたき装置に関するものである。 The present invention relates to a flapping apparatus having a flapping portion that flutters and fly, and in particular, using two one-degree-of-freedom actuators, at the time of switching between flapping up and down, The present invention relates to a flapping apparatus that can change the inclination of the chord direction.
昨今、家庭内で使用可能なロボットなど、様々なロボットが開発されているが、羽ばたき飛行によって移動するマイクロロボットについても、その研究が盛んになりつつある。羽ばたき運動をさせる機構についても、3自由度のアクチュエータまたは1自由度のアクチュエータを2機を用いた機構などが提案されている。
これまでに提案されている3自由度のアクチュエータは、非常に精密な加工精度が要求されるため、小型化することが困難である。 The three-degree-of-freedom actuators that have been proposed so far require extremely precise machining accuracy, and are difficult to reduce in size.
また、1自由度のアクチュエータを2機を用いた羽ばたき装置は、羽部を駆動させる2つの羽軸が羽部の前縁部および後縁部のそれぞれに設けられている。そのため、羽部を大きく捻るためには、2本の羽軸の往復運動の位相差を大きく変化させねばならない。その結果、アクチュエータの駆動負荷が大きくなってしまう。 Further, in the flapping apparatus using two one-degree-of-freedom actuators, two wing shafts for driving the wings are provided on each of the front edge and the rear edge of the wings. Therefore, in order to twist the wing part greatly, the phase difference between the reciprocating motions of the two wing shafts must be changed greatly. As a result, the driving load of the actuator becomes large.
本発明の目的は、上記従来の問題を解消するためになされたものであり、その目的は、アクチュエータの駆動負荷を小さくすることができる羽ばたき装置を提供することである。 An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a flapping apparatus that can reduce the driving load of an actuator.
本発明の一の局面の羽ばたき装置は、流体が存在する空間を羽ばたくための羽部であって、その羽部の外周縁を構成する羽縁部と、その羽縁部の内側に張られた膜部とを含み、少なくとも流体から力を受ける側における羽縁部の弾性率が膜部の弾性率よりも高い羽部を備えている。また、羽ばたき装置は、羽部を支持するように、膜部に取り付けられた第一の羽軸部と、羽部を支持するように、膜部に取り付けられた第二の羽軸部とを備えている。さらに、羽ばたき装置は、第一の羽軸部の一端と接続され、第一の羽軸部を往復運動させる第一の駆動部と、第一の駆動部とは独立して駆動することが可能である駆動部であって、第二の羽軸部の一端と接続され、第二の羽軸部を往復運動させる第二の駆動部とを備えている。前述の構成の羽ばたき装置において、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離が、羽部の幅よりも小さい。 A flapping apparatus according to one aspect of the present invention is a wing part for flapping a space in which a fluid exists, the wing part constituting the outer peripheral edge of the wing part, and stretched inside the wing part A wing portion including a membrane portion and having an elastic modulus of a wing edge portion at least on a side receiving a force from a fluid higher than an elastic modulus of the membrane portion . In addition, the flapping apparatus includes a first wing shaft portion attached to the membrane portion so as to support the wing portion, and a second wing shaft portion attached to the membrane portion so as to support the wing portion. I have. Further, the flapping device is connected to one end of the first wing shaft portion, and can be driven independently of the first driving portion and the first driving portion for reciprocating the first wing shaft portion. a der Ru driver, is connected to one end of the second wing axis portion, and a second driving unit for reciprocating the second vane shaft. In the flapping apparatus configured as described above, the distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion is smaller than the width of the wing portion.
上記構成によれば、第一の羽軸部が羽部の前縁部設けられ、かつ、第二の羽軸部が後縁部に設けられている従来の羽ばたき装置に比較して、羽部の幅を変更することなく、すなわち、羽部の全体の面積を変更することなく、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離を小さくすることができる。その結果、羽部を捻るために必要となる第一の羽軸部の往復運動と第二の羽軸部の往復運動との間の位相差の変化の幅を小さくすることができる。したがって、第一駆動部および第二の駆動部の負荷を低減することができる。 According to the above-described configuration, the first wing shaft portion is provided at the front edge portion of the wing portion, and the second wing shaft portion is provided at the rear edge portion, compared with the conventional flapping device. The distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion can be reduced without changing the width of the wing portion, that is, without changing the entire area of the wing portion. As a result, the width of the change in phase difference between the reciprocating motion of the first wing shaft portion and the reciprocating motion of the second wing shaft portion required for twisting the wing portion can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the load on the first drive unit and the second drive unit.
また、本発明の他の局面の羽ばたき装置は、前述の第一の局面の羽ばたき装置において、少なくとも流体から力を受ける側における羽縁部の弾性率が膜部の弾性率よりも高くなっておらず、第一の羽軸部が、膜部に取り付けられる代わりに、少なくとも第一の羽軸部の一部が羽縁部に取り付けられている。 The flapping apparatus according to another aspect of the present invention is the flapping apparatus according to the first aspect described above, wherein at least the elastic modulus of the wing edge portion on the side receiving the force from the fluid is higher than the elastic modulus of the film portion. Instead of the first wing shaft portion being attached to the membrane portion, at least a part of the first wing shaft portion is attached to the wing edge portion.
上記構成によれば、一の局面の羽ばたき装置により得られる効果に加えて、羽部のフラッタリング(流体から受ける力によって、羽部の固有振動数で羽部が振動してしまう共振現象)を防止することができるため、羽ばたき飛行を安定化させることができる。 According to the above configuration, in addition to the effect obtained by the flapping apparatus of one aspect, fluttering of the wing part (resonance phenomenon in which the wing part vibrates at the natural frequency of the wing part due to the force received from the fluid) Since it can prevent, flapping flight can be stabilized.
また、本発明の一の局面または他の局面の羽ばたき装置は、好ましくは、第一の羽軸部と第二の羽軸部の間に挟まれた膜部がコルゲーション構造を有している。 In the flapping apparatus according to one aspect or the other aspect of the present invention, preferably, the film portion sandwiched between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion has a corrugation structure.
上記構成によれば、第一の羽軸部の往復運動の位相と第二の羽軸部の往復運動の位相との差によって羽部が捻られたときに、コルゲージョンが伸縮する。それにより、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間に挟まれた膜部に生じる面内方向の応力を小さくすることができる。その結果、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間に挟まれた膜部が第一の羽軸部と第二の羽軸部とを引き寄せ合う力が減少する。したがって、第一の駆動部および第二の駆動部の負荷が低減される。 According to the above configuration, when the wing is twisted due to the difference between the phase of the reciprocating motion of the first wing shaft and the phase of the reciprocating motion of the second wing shaft, the corrugation is expanded and contracted. Thereby, the stress of the in-plane direction which arises in the film | membrane part pinched | interposed between the 1st wing shaft part and the 2nd wing shaft part can be made small. As a result, the force with which the film portion sandwiched between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion attracts the first wing shaft portion and the second wing shaft portion decreases. Therefore, the load on the first drive unit and the second drive unit is reduced.
また、本発明の一の局面または他の局面の羽ばたき装置は、好ましくは、第一の羽軸部と第二の羽軸部の間に挟まれた膜部のヤング率が、第一の羽軸部と第二の羽軸部の間に挟まれていない膜部のヤング率より小さい値である。 The flapping apparatus according to one aspect or the other aspect of the present invention preferably has a Young's modulus of a film portion sandwiched between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion so that the first wing shaft portion shaft portion and is less than the Young's modulus of the film portion which is not sandwiched between the second wing axis portion.
上記の構成によれば、第一の羽軸部の往復運動の位相と第二の羽軸部の往復運動の位相との差によって羽部が捻られたときに、第一の羽軸部と第二の羽軸部の間に挟まれた膜部に生じる面内方向の応力を小さくすることができる。したがって、上記のように、第一の駆動部および第二の駆動部の負荷が低減される。 According to the above configuration, when the wing portion is twisted due to the difference between the phase of the reciprocating motion of the first wing shaft portion and the phase of the reciprocating motion of the second wing shaft portion, The stress in the in-plane direction generated in the film part sandwiched between the second wing shaft parts can be reduced. Therefore, as described above, the load on the first drive unit and the second drive unit is reduced.
また、本発明の一の局面または他の局面の羽ばたき装置は、好ましくは、第一の羽軸部が、第一の駆動部に接続された第一の中軸部と、膜部に取り付けられ、第一の中軸部が挿入された第一の筒部と、を有し、羽ばたき運動中において、第一の筒部が、第一の中軸部が延びる方向を回転軸として、回転する。 Also, in the flapping apparatus of one aspect or the other aspect of the present invention, preferably, the first wing shaft portion is attached to the first middle shaft portion connected to the first drive portion, and the membrane portion, A first cylinder portion into which the first middle shaft portion is inserted, and during the flapping motion, the first tube portion rotates about the direction in which the first middle shaft portion extends as a rotation axis.
また、本発明の一の局面または他の局面の羽ばたき装置は、好ましくは、第一の羽軸が第二の羽軸よりも前縁に近い位置に設けられ、第二の羽軸部が、第二の駆動部に接続された第二の中軸部と、膜部に取り付けられ、第二の中軸部が挿入された第二の筒部と、を有し、羽ばたき運動中において、第二の筒部が、第二の中軸部が延びる方向を回転軸として、回転する。 Further, in the flapping apparatus according to one aspect or the other aspect of the present invention, preferably, the first wing shaft is provided at a position closer to the front edge than the second wing shaft, and the second wing shaft portion includes: A second middle shaft portion connected to the second drive portion, and a second cylindrical portion attached to the membrane portion and having the second middle shaft portion inserted therein. The tube portion rotates about the direction in which the second middle shaft portion extends as the rotation axis.
上記構成によれば、第一の羽軸部の往復運動の位相と第二の羽軸部の往復運動の位相との間の差によって羽部が捻られたときに、第一の羽軸部と第二の羽軸部の間に挟まれた膜部が第一の羽軸部および第二の羽軸部の運動に追随する。そのため、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間に挟まれた膜部に生じる面内方向の応力を小さくすることができる。したがって、上記のように、第一の駆動部および第二の駆動部の負荷が低減される。 According to the above configuration, when the wing portion is twisted due to the difference between the phase of the reciprocating motion of the first wing shaft portion and the phase of the reciprocating motion of the second wing shaft portion, the first wing shaft portion And the film portion sandwiched between the second wing shaft portion follows the movement of the first wing shaft portion and the second wing shaft portion. Therefore, the in-plane stress generated in the film portion sandwiched between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion can be reduced. Therefore, as described above, the load on the first drive unit and the second drive unit is reduced.
また、本発明の一の局面または他の局面の羽ばたき装置は、羽部が静止している状態においては、第一の羽軸部または第二の羽軸部にほぼ平行な第一方向に沿って膜部を切ったときの断面形状の曲率よりも、第一方向にほぼ垂直な第二方向に沿って膜部切ったときの断面形状の曲率の方が大きい。 The flapping apparatus according to one aspect or the other aspect of the present invention is in a first direction substantially parallel to the first wing shaft portion or the second wing shaft portion when the wing portion is stationary. Thus, the curvature of the cross-sectional shape when the film portion is cut along the second direction substantially perpendicular to the first direction is larger than the curvature of the cross-sectional shape when the film portion is cut.
上記構成によれば、たとえば、羽部の打ち上げ方向に凸状にすれば、打ち上げ時に羽部の幅(翼弦長)が小さくなり、かつ、羽部が羽部の上面側(凸面側)から受ける流体力を低減させることができるとともに、打ち下ろし時に羽部の幅(翼弦長)が大きくなり、羽部が羽部の下面側(凹面側)から受ける流体力を増加させることができる。したがって、上記の構成によれば、羽ばたき装置の浮上力が増大する。さらに、滑空飛行時等には、通常の羽ばたき飛行で利用している抗力だけでなく、羽部が流体から受ける揚力を大きくすることができるため、羽ばたき飛行に必要なエネルギーを低減することができる。 According to the above configuration, for example, if the wing portion is convex in the launch direction, the width of the wing portion (the chord length) is reduced during launch, and the wing portion is from the upper surface side (convex surface side) of the wing portion. The received fluid force can be reduced, and the width (blade chord length) of the wing portion is increased when the wing portion is lowered, and the fluid force that the wing portion receives from the lower surface side (concave surface side) of the wing portion can be increased. Therefore, according to the above configuration, the flying force of the flapping device increases. In addition, during gliding flight, not only the drag used in normal flapping flight, but also the lift that the wing receives from the fluid can be increased, so the energy required for flapping flight can be reduced .
本発明の羽ばたき装置は、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離をaとし、羽部の長さをlとしたときに、l/aが4以上であることが望ましい。さらに、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離をaとし、羽部の長さをlとしたときに、l/aが8以上であることが望ましい。また、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離をaとし、羽部の長さをlとしたときに、l/aが12以上であることがより望ましい。加えて、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離をaとし、羽部の長さをlとしたときに、l/aが16以上であることが望ましい。また、さらに、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離をaとし、羽部の長さをlとしたときに、l/aが20以上であることが最も望ましい。 In the flapping apparatus of the present invention, when the distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion is a and the length of the wing portion is 1, l / a is 4 or more. Is desirable. Furthermore, when the distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion is a and the length of the wing portion is 1, it is desirable that l / a is 8 or more. Further, it is more desirable that l / a is 12 or more, where a is the distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion, and the length of the wing portion is l. In addition, when the distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion is a and the length of the wing portion is 1, l / a is preferably 16 or more. Furthermore, when the distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion is a and the length of the wing portion is l, l / a is most preferably 20 or more. .
l/aの値を大きくすると、羽ばたき飛行に必要な、第一の羽軸部の第二の羽軸部との間の位相差の絶対値を小さくすることができる。また、l/aの値を大きくすると、打ち上げ時の第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の位相差と、打ち下ろし時の第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の位相差と、の間の相違量(打ち上げと打ち下ろしとの間の位相差の変化の度合)も小さくすることができる。その結果、第一および第二の駆動部の負荷を低減することができる。 Increasing the value of l / a can reduce the absolute value of the phase difference between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion necessary for flapping flight. In addition, when the value of l / a is increased, the phase difference between the first and second wing shafts at the time of launch and the first and second wing shafts at the time of down-stroke are reduced. The phase difference between the shaft portions and the difference amount between them (the degree of change in phase difference between the launch and the down) can also be reduced. As a result, the load on the first and second drive units can be reduced.
また、第一および第二の駆動部の負荷を低減するという観点では、羽部の幅をwとし、第一の羽軸部と第二の羽軸部との間の距離をaとしたときに、w/a=5以上であることが望ましい。 From the viewpoint of reducing the load on the first and second drive parts, when the width of the wing part is w and the distance between the first wing shaft part and the second wing shaft part is a In addition, it is desirable that w / a = 5 or more.
以下、本発明の実施の形態の羽ばたき装置を、図を用いて、詳細に説明する。 Hereinafter, a flapping apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の羽ばたき装置の駆動部、羽軸部、および羽部を説明するための図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining a drive unit, a wing shaft unit, and a wing unit of the flapping apparatus according to the first embodiment of the present invention.
羽部100は、羽の形状を形成する、すなわち、羽部100の外周縁を構成する羽縁部101と、羽縁部101の内部に張られた膜部102とを有している。羽部100は、羽ばたき運動において、流体に対して力を及ぼし、その力の反作用として、飛行に必要な浮上力(抗力および揚力を含む)を受け取る部分である。 The wing part 100 has a wing shape, that is, a wing edge part 101 constituting the outer peripheral edge of the wing part 100, and a film part 102 stretched inside the wing edge part 101. The wing part 100 is a part that exerts a force on the fluid in the flapping motion and receives a lift force (including a drag force and a lift force) necessary for flight as a reaction of the force.
第一の羽軸部103および第二の羽軸部104としては、長さが40mmであり、かつ、厚さおよび幅のそれぞれが150μmであるステンレス製の角材が用いられている。ただし、第一の羽軸部103および第二の羽軸部104の材質および形状は、前述の材質および形状に限定されない。 As the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104, a stainless steel square member having a length of 40 mm and a thickness and a width of 150 μm is used. However, the materials and shapes of the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 are not limited to the materials and shapes described above.
また、羽縁部101には、厚さが20μmであり、かつ、幅が200μmであるステンレス製の角材が用いられている。それにより、前述の第一の羽軸部103および第二の羽軸部104のそれぞれを構成する角材よりも変形量の大きな柔らかい縁取りにすることができる。もちろん、飛行に適した軽くて強度の高い材質であれば、カーボングラファイトまたはキトサンなどの有機材料を羽縁部101の材料として用いることができる。 Further, the wing edge portion 101 is made of stainless steel square material having a thickness of 20 μm and a width of 200 μm. Thereby, it is possible to make a soft edging having a larger deformation amount than the square bar constituting each of the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 described above. Of course, an organic material such as carbon graphite or chitosan can be used as the material of the wing edge 101 as long as it is a light and strong material suitable for flight.
ただし、羽縁部101は、膜部102と異なる材料を用いて構成されるものではなく、単に膜部102の縁取り部、すなわち膜部102の外周部により構成されていてもよい。その場合には、膜部102は弾性率が高い材質で構成されることが望ましい。 However, the wing edge portion 101 is not configured using a material different from that of the film portion 102, but may be simply configured by an edge portion of the film portion 102, that is, an outer peripheral portion of the film portion 102. In that case, it is desirable that the film part 102 be made of a material having a high elastic modulus.
また、膜部102は、模型飛行機などで使われている厚さが4μm程度のポリエチレンフィルムまたはポリイミドのような樹脂を用いて形成されている。ただし、膜部102には、いわゆる膜状の材質であるため、その面内方向の張力が主な内部応力として発生する。したがって、弾性率が低い場合は、羽縁部101に膜部102より高い弾性率の材質を用いるか、または、羽縁部101の縁縁取り部の形状を工夫することにより、縁取り部の弾性率が膜部102の内部の弾性率よりも高くすることが望ましい。このとき、羽縁部101は、その縁取り部の全周にわたって、同じ弾性率を有している必要はない。実際の羽ばたき装置の主たる飛行方向の側のみが、膜部102の内部より高い弾性率を有するだけで、羽部100が流体から受ける力によってフラッタリング(流体から受ける力によって、羽部がその固有振動数で振動してしまう共振現象)することを防止することができる。 The film part 102 is formed using a resin such as a polyethylene film or polyimide having a thickness of about 4 μm, which is used in a model airplane or the like. However, since the film part 102 is a so-called film-like material, the in-plane tension is generated as the main internal stress. Therefore, when the elastic modulus is low, a material having a higher elastic modulus than that of the film portion 102 is used for the wing edge portion 101 or the shape of the edge rim edge portion of the wing edge portion 101 is devised to thereby change the elastic modulus of the edge portion. Is preferably higher than the elastic modulus inside the film portion 102. At this time, the wing edge portion 101 does not need to have the same elastic modulus over the entire circumference of the edge portion. Only the main flight direction side of the actual flapping apparatus has a higher elastic modulus than the inside of the membrane portion 102, and fluttering is performed by the force that the wing portion 100 receives from the fluid (the wing portion has its own characteristic due to the force received from the fluid). (Resonance phenomenon that oscillates at the frequency) can be prevented.
また、羽部100には、第一の羽軸部103および第二の羽軸部104が取り付けられている。第一の羽軸部103の一端には、第一の羽軸部103を駆動させる第一の駆動部105が接続されている。第二の羽軸部104の一端には、羽軸部104を駆動させる第二の駆動部106が接続されている。 Further, the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 are attached to the wing portion 100. One end of the first wing shaft portion 103 is connected to a first driving unit 105 that drives the first wing shaft portion 103. A second drive unit 106 that drives the wing shaft portion 104 is connected to one end of the second wing shaft portion 104.
これら駆動部および羽軸部については、後述する「浮上方法」および「羽ばたき制御」の項目において、詳細に説明する。本実施の形態においては、羽を捻るために、第一の羽軸部103の往復運動の位相と第二の羽軸部104の往復運動の位相との間に位相差φが存在するが、一般的に打ち上げ時の第一の羽軸部103と第二の羽軸部104との間の位相差φ↑と打ち下ろし時の第一の羽軸部103と第二の羽軸部104との間の位相差φ↓とは異なる。 These drive section and wing shaft section will be described in detail in the items of “levitation method” and “flapping control” described later. In the present embodiment, there is a phase difference φ between the phase of the reciprocating motion of the first wing shaft portion 103 and the phase of the reciprocating motion of the second wing shaft portion 104 in order to twist the wing. In general, the phase difference φ ↑ between the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 at the time of launching, and the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 at the time of lowering, Is different from the phase difference φ ↓.
本実施の形態では、2本の羽軸部103および104が膜部102に取り付けられているため、実施の形態3において述べるように、従来の2本の羽軸が膜部の前縁と後縁とに設けられている場合に比較して、羽部100の全体の面積を保持したまま、第一の羽軸部103と第二の羽軸部104との間の距離aが羽幅w(翼弦長)よりも小さくなるように、第一の羽軸部103および第二の羽軸部104を羽部100に取り付けることができる(例えば、羽の長さl=40mm、かつ、羽の幅(翼弦長)w=10mmに対して、第一の羽軸部103と第二の羽軸部104との間の距離a=2mmである。これは、図5のl/a=20の場合に相当する。)。 In this embodiment, since the two wing shaft portions 103 and 104 are attached to the membrane portion 102, as described in the third embodiment, the two conventional wing shafts are connected to the front edge and the rear edge of the membrane portion. The distance a between the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 is the wing width w while maintaining the entire area of the wing portion 100 as compared with the case where the wing portion 100 is provided on the edge. The first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 can be attached to the wing portion 100 so as to be smaller than (the chord length) (for example, the wing length l = 40 mm and the wing 5 (chord length) w = 10 mm, the distance a = 2 mm between the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104. This is expressed as l / a = FIG. This corresponds to the case of 20.)
このl/aの値を大きくすると、羽ばたき飛行に必要な、第一の羽軸部103の第二の羽軸部104との間の位相差φの絶対値を小さくすることができる。また、l/aの値を大きくすると、打ち上げ時の第一の羽軸部103と第二の羽軸部104との間の位相差φ↑と打ち下ろし時の第一の羽軸部103と第二の羽軸部104との間の位相差φ↓との間の相違量(打ち上げと打ち下ろしとの間の位相差の変化の度合)も小さくすることができる。その結果、アクチュエータの駆動負荷を低減することができる。なお、アクチュエータの駆動負荷を低減するという観点から、w/a=5以上であることが望ましい。 Increasing the value of l / a can reduce the absolute value of the phase difference φ between the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104, which is necessary for flapping flight. Further, when the value of l / a is increased, the phase difference φ ↑ between the first wing shaft portion 103 and the second wing shaft portion 104 at the time of launch and the first wing shaft portion 103 at the time of the lowering The amount of difference between the second wing shaft portion 104 and the phase difference φ ↓ (the degree of change in the phase difference between the launch and the down) can also be reduced. As a result, the driving load of the actuator can be reduced. From the viewpoint of reducing the driving load of the actuator, it is desirable that w / a = 5 or more.
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2の羽ばたき装置の第一の駆動部205、第二の駆動部206、第一の羽軸部203、第二の羽軸部204、および羽部200(羽縁部201,膜部202)を示す図である。これら各部位のそれぞれの構造は、基本的には、実施の形態1の第一の駆動部105、第二の駆動部106、第一の羽軸部103、第二の羽軸部104、および羽部100(羽縁部101,膜部102)のそれぞれの構造とほぼ同様である。本実施の形態の羽ばたき装置が実施の形態1の羽ばたき装置と異なるところは、第一の羽軸部203が、前縁部の一部の羽縁部201上に取り付けられていることである。
(Embodiment 2)
2 shows a first drive unit 205, a second drive unit 206, a first wing shaft unit 203, a second wing shaft unit 204, and a wing unit 200 of the flapping apparatus according to the second embodiment of the present invention. It is a figure which shows the wing | edge part 201 and the film | membrane part 202). The structure of each part is basically the first driving unit 105, the second driving unit 106, the first wing shaft unit 103, the second wing shaft unit 104, and the first embodiment. The structure of each of the wing parts 100 (the wing edge part 101 and the film part 102) is substantially the same. The flapping apparatus of the present embodiment is different from the flapping apparatus of the first embodiment in that the first wing shaft portion 203 is attached on a part of the wing edge portion 201 of the front edge portion.
本実施の形態の羽ばたき装置によっても、実施の形態1と同様に、羽部200の全体の面積を保持したまま、第一の羽軸部203と第二の羽軸部204との間の距離aを羽幅w(翼弦長)よりも小さくすることができる。その結果、本実施の形態の羽ばたき装置によれば、従来の2本の羽軸が膜部の前縁と後縁とに設けられている場合に比較して、羽部100に捻りを生じさせる、第一の羽軸部203の往復運動と第二の羽軸部204の往復運動との間の位相差に関して、打ち上げ時の位相差と打ち下ろし時の位相差との間の相違量を小さくすることができる。したがって、本実施の形態の羽ばたき装置によれば、実施の形態1の羽ばたき装置と同様の理由で、アクチュエータの駆動負荷を低減することができる。 Also with the flapping apparatus of the present embodiment, the distance between the first wing shaft portion 203 and the second wing shaft portion 204 while maintaining the entire area of the wing portion 200, as in the first embodiment. a can be made smaller than the wing width w (the chord length). As a result, according to the flapping apparatus of the present embodiment, the wing part 100 is twisted as compared with the case where the conventional two wing shafts are provided at the front edge and the rear edge of the film part. Regarding the phase difference between the reciprocating motion of the first wing shaft portion 203 and the reciprocating motion of the second wing shaft portion 204, the amount of difference between the phase difference at the time of launch and the phase difference at the time of down stroke is reduced. can do. Therefore, according to the flapping apparatus of the present embodiment, the driving load of the actuator can be reduced for the same reason as that of the flapping apparatus of the first embodiment.
また、実施の形態1の羽ばたき装置では、羽部100(特に、羽軸部よりも飛行方向前方側の羽部)において、流体から受ける力によって羽部の固有振動数で羽部100が振動してしまう共振現象、いわゆるフラッタリングが生じる。しかしながら、本実施の形態の羽ばたき装置によれば、第一の羽軸部203が、羽の前縁部の一部の羽縁部201上に形成されているため、フラッタリングの発生を防止することができる。その結果、実施の形態1の羽ばたき装置よりも、本実施の形態の羽ばたき装置の方が、羽ばたき飛行を安定させることができる。 In the flapping apparatus of the first embodiment, the wing part 100 vibrates at the natural frequency of the wing part due to the force received from the fluid in the wing part 100 (particularly the wing part on the front side in the flight direction from the wing shaft part). Resonance phenomenon, so-called fluttering occurs. However, according to the flapping apparatus of the present embodiment, since the first wing shaft portion 203 is formed on a part of the wing edge portion 201 of the front edge portion of the wing, occurrence of fluttering is prevented. be able to. As a result, the flapping apparatus of the present embodiment can stabilize flapping flight more than the flapping apparatus of the first embodiment.
(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3の羽ばたき装置の第一の駆動部305、第二の駆動部306、第一の羽軸部303、第二の羽軸部304、および羽部300(羽縁部301,膜部302)を示す図である。これら各部位のそれぞれの構造は、基本的には、実施の形態2の第一の駆動部205、第二の駆動部206、第一の羽軸部203、第二の羽軸部204、および羽部200(羽縁部201,膜部202)のそれぞれの構造とほぼ同様である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows a first drive unit 305, a second drive unit 306, a first wing shaft unit 303, a second wing shaft unit 304, and a wing unit 300 of the flapping apparatus according to the third embodiment of the present invention. It is a figure which shows the wing edge part 301 and the film | membrane part 302). The structure of each part is basically the first driving unit 205, the second driving unit 206, the first wing shaft unit 203, the second wing shaft unit 204, and the second embodiment of the second embodiment. The structure of each of the wing parts 200 (the wing edge part 201 and the film part 202) is almost the same.
本実施の形態の羽ばたき装置が、実施の形態2の羽ばたき装置と異なるところは、第一の羽軸部303と第二の羽軸部304とが、互いに平行に配置され、第一の羽軸部303および第二の羽軸部304のそれぞれの長さが、羽部300の長さl(すなわち前縁の長さ)と一致していることである。 The flapping apparatus of the present embodiment differs from the flapping apparatus of the second embodiment in that the first wing shaft portion 303 and the second wing shaft portion 304 are arranged in parallel to each other, That is, the lengths of the portion 303 and the second wing shaft portion 304 coincide with the length l of the wing portion 300 (that is, the length of the leading edge).
以下では、説明を分かりやすくするため、図3を用いて本発明の主旨を述べる。 In the following, for the sake of easy understanding, the gist of the present invention will be described with reference to FIG.
「浮上方法」および「羽ばたき制御」の項で後述するように、羽ばたき運動によって飛行する場合、打ち下ろし時と打ち上げ時で、羽部300が影響を及ぼす流体の体積を異ならせる必要がある。そのため、膜部302の平面が羽ばたき運動面(ストローク面)となす角(捻り角)αを、打ち上げ時と打ち下ろし時で変えなければならない。 As will be described later in the sections of “Floating Method” and “Flapping Control”, when flying by flapping motion, it is necessary to vary the volume of the fluid affected by the wing part 300 when it is lowered. Therefore, the angle (torsion angle) α formed by the plane of the film part 302 and the flapping motion surface (stroke surface) must be changed at the time of launch and when it is lowered.
そこで、第一の羽軸部303の往復運動と第二の羽軸部304の往復運動とが位相差φを有するようにする。この場合、羽先端部における捻り角αは、およそ次の式で表される。 Therefore, the reciprocating motion of the first wing shaft portion 303 and the reciprocating motion of the second wing shaft portion 304 are set to have a phase difference φ. In this case, the twist angle α at the wing tip is approximately expressed by the following equation.
α=(l/a)・{sin[γ・cosτ]−sin[γ・cos(τ+φ)]}
ここで、aは羽軸間距離、lは羽の長さ、γは羽ばたき角、τは羽ばたき運動の位相を表す(図3および「羽ばたき制御」の項を参照のこと)。
α = (l / a) · {sin [γ · cos τ] −sin [γ · cos (τ + φ)]}
Here, a represents the inter-wing axis distance, l represents the length of the wing, γ represents the flapping angle, and τ represents the phase of the flapping motion (see FIG. 3 and the section of “flapping control”).
この式から、第一の羽軸部303と第二の羽軸部304との間の距離aが、羽部300の長さlより小さいほど、同じ位相差φに対して、より大きな捻り角αが得られることが分かる。つまり、第一の羽軸部303と第二の羽軸部304との間の距離aが、羽部300の長さlより小さいほど、実際の羽ばたき飛行において、打ち上げ時の羽部300の捻り角αと打ち下ろし時の羽部300の捻り角αとの差、すなわち、打ち上げ時の位相差φ↑と、打ち下ろし時の位相差φ↓と間の相違量を小さくすることができる。したがって、駆動部305および306の負荷を減らせることができる。 From this equation, as the distance a between the first wing shaft portion 303 and the second wing shaft portion 304 is smaller than the length l of the wing portion 300, a larger twist angle with respect to the same phase difference φ. It can be seen that α is obtained. That is, as the distance a between the first wing shaft portion 303 and the second wing shaft portion 304 is smaller than the length l of the wing portion 300, in actual flapping flight, the twist of the wing portion 300 at the time of launch is increased. It is possible to reduce the difference between the angle α and the twist angle α of the wing portion 300 at the time of down, that is, the phase difference φ ↑ at the time of launch and the phase difference φ ↓ at the time of down. Therefore, the load on the drive units 305 and 306 can be reduced.
例えば、後に「羽ばたき制御」で述べる図10に示す羽ばたき飛行の例と同じ浮上力を得るためには、l/a=4である場合、打ち下ろし時の位相差φ↓=1°であり、打ち上げ時の位相差φ↑=4°であればよい。この場合、位相差の相違量は、3°であり、図10を用いて後述する羽ばたき飛行の例の場合の位相差の相違量が12°(打ち下ろし時の位相差φ↓=4°であり、打ち上げ時の位相差φ↑=16°である)である場合に比べて、非常に小さい。 For example, in order to obtain the same levitation force as that of the flapping flight example shown in FIG. 10 described later in “flapping control”, when l / a = 4, the phase difference φ ↓ = 1 ° at the time of downstroke, The phase difference φ ↑ at launch should be 4 °. In this case, the amount of difference in phase difference is 3 °, and the amount of difference in phase difference in the case of flapping flight to be described later with reference to FIG. 10 is 12 ° (phase difference φ ↓ = 4 ° when down) Yes, the phase difference φ ↑ at launch is 16 °), which is very small.
図5は、前述のαの式をグラフで表したものである。図5では、位相差は、φ=4°に固定されており、捻り角αとl/aの値との関係が示されている。 FIG. 5 is a graph showing the above-described formula of α. In FIG. 5, the phase difference is fixed at φ = 4 °, and the relationship between the twist angle α and the value of 1 / a is shown.
(実施の形態4)
図4は、本発明の実施の形態4の羽ばたき装置の第一の駆動部405、第二の駆動部406、第一の羽軸部403、第二の羽軸部404、および羽部400(羽縁部401,膜部402)を示す図である。これら各部位のそれぞれの構造は、基本的には、実施の形態3の第一の駆動部305、第二の駆動部306、第一の羽軸部303、第二の羽軸部304、および羽部300(羽縁部301,膜部302)のそれぞれの構造とほぼ同様である。
(Embodiment 4)
FIG. 4 shows the first drive unit 405, the second drive unit 406, the first wing shaft unit 403, the second wing shaft unit 404, and the wing unit 400 of the flapping apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. It is a figure which shows the feather edge part 401 and the film | membrane part 402). The structure of each part is basically the first driving unit 305, the second driving unit 306, the first wing shaft unit 303, the second wing shaft unit 304, and the third embodiment. The structure of each of the wing parts 300 (the wing edge part 301 and the film part 302) is substantially the same.
実施の形態3の羽ばたき装置においては、第一の羽軸部303の往復運動と第二の羽軸部304の往復運動との間に位相差φがある場合、2本の羽軸の間の部分の膜部302aには、それ以外の膜部302bよりも大きな張力がかかるという問題がある。
In the flapping apparatus of the third embodiment, when there is a phase difference φ between the reciprocating motion of the first wing shaft portion 303 and the reciprocating motion of the second wing shaft portion 304, the distance between the two wing shafts There is a problem that a larger tension is applied to the part of the
そこで、本実施の形態の羽ばたき装置は、図4に示すように、第一の羽軸部403と第二の羽軸部403との間の膜部402aにコルゲーション構造408が設けられている。本実施の形態の羽ばたき装置は、膜部402aにコルゲージョン構造408が設けられている。なお、コルゲーション構造408に代えて、第一の羽軸部403と第二の羽軸部404の間に挟まれた膜部402のヤング率が、第一の羽軸部403と第二の羽軸部404の間に挟まれていない膜部402のヤング率より小さい値である構造が用いられてもよい。これらの構造によれば、前述の位相差φがあることに起因して膜部402aに生じる張力を低減させることができる。その結果、第一の駆動部405および第二の駆動部406にかかる負荷を低減することができる。 Therefore, in the flapping apparatus of the present embodiment, as shown in FIG. 4, a corrugation structure 408 is provided on the film portion 402 a between the first wing shaft portion 403 and the second wing shaft portion 403. In the flapping apparatus of this embodiment, a corrugation structure 408 is provided in the film portion 402a. In place of the corrugation structure 408, the Young's modulus of the film portion 402 sandwiched between the first wing shaft portion 403 and the second wing shaft portion 404 has a first wing shaft portion 403 and a second wing shaft. it is a smaller structure than the Young's modulus of the sandwiched non film portion 402 between the shaft portion 404 may be used. According to these structures, the tension generated in the film portion 402a due to the above-described phase difference φ can be reduced. As a result, the load on the first drive unit 405 and the second drive unit 406 can be reduced.
また、実施の形態3の羽ばたき装置では、羽ばたき運動時のひねりによって、第一の羽軸部303と第二の羽軸部304の間の膜部402aに捻じれが生じる。そのため、本実施の形態では、図4に示すように、第一の羽軸部403が中軸410aと中軸410aを外装する筒部411aとにより構成され、中軸410aと筒部411aとが中軸410aが延びる方向を中心軸として相対的に回転し得るように構成されている。 Further, in the flapping apparatus of the third embodiment, the film portion 402a between the first wing shaft portion 303 and the second wing shaft portion 304 is twisted due to a twist during the flapping motion. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4, the first wing shaft portion 403 is configured by a middle shaft 410a and a cylindrical portion 411a that covers the middle shaft 410a, and the middle shaft 410a and the cylindrical portion 411a are formed by the middle shaft 410a. It is comprised so that it can rotate relatively centering on the extending direction.
また、第二の羽軸部404が中軸410bと中軸410bを外装する筒部411bとにより構成され、中軸410bと筒部411bとが筒部411bが延びる方向を中心軸として相対的に回転し得るように構成されている。そのため、膜部402aの捻じれによって膜部402aと第一および第二の羽軸部403および404とに生じる歪み量が小さい。その結果、第一の駆動部405および第二の駆動部406にかかる負荷を低減することができる。 Further, the second wing shaft portion 404 is configured by the middle shaft 410b and the cylindrical portion 411b that covers the middle shaft 410b, and the middle shaft 410b and the cylindrical portion 411b can rotate relatively with the direction in which the cylindrical portion 411b extends as a central axis. It is configured as follows. Therefore, the amount of distortion generated in the film part 402a and the first and second blade parts 403 and 404 due to the twist of the film part 402a is small. As a result, the load on the first drive unit 405 and the second drive unit 406 can be reduced.
また、本実施の形態の羽ばたき装置は、図4に示すように、膜部402bの断面形状が所定の曲線で構成されている。例えば、この曲線を打ち上げ方向に凸状の曲線にすれば、打ち上げ時においては、羽幅(翼弦長)wが減少するように羽部400が撓み、羽部400の上側(突出する側)から羽部400が受ける流体力が減少する。また、打ち下ろし時においては、羽幅(翼弦長)wが増加するように羽部400が広がり、羽部400がその下面(凹面側)から受ける流体力が増加する。
Further, in the flapping apparatus of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the cross-sectional shape of the
したがって、羽部400が打ち上げ方向に凸状の曲線となる断面形状を有していれば、羽ばたき装置の浮上力が増加する。さらに、羽部400が羽ばたき運動を行なわずに滑空飛行する場合には、羽部400に揚力を生じさせることが可能になる。別な観点から言えば、羽部400が静止している状態においては、第一の羽軸部403または第二の羽軸部4004にほぼ平行な第一方向に沿って膜部402aおよび402bを切ったときの断面形状の曲率よりも、第一方向にほぼ垂直な第二方向に沿って膜部402aおよび402b切ったときの断面形状の曲率の方が大きいことが望ましい。
Therefore, if the wing 400 has a cross-sectional shape that is a convex curve in the launch direction, the flying force of the flapping device increases. Further, when the wing part 400 flies gliding without performing a flapping motion, it becomes possible to generate lift in the wing part 400. From another viewpoint, when the wing 400 is stationary, the
(羽ばたき装置の構成)
図6(a)および図6(b)を用いて、上述の実施の形態1〜4のそれぞれにおいて用いられる羽ばたき装置の基本構造を説明する。ただし、以下に説明する羽ばたき装置の羽部には、前述の実施の形態1〜4のそれぞれの羽ばたき装置の羽部、駆動部、および羽軸部が取り付けられるものとする。したがって、以下に示す羽ばたき装置の動作を上記実施の形態1〜4の羽ばたき装置が実行するものとする。
(Configuration of flapping device)
The basic structure of the flapping apparatus used in each of the above-described first to fourth embodiments will be described using FIG. 6 (a) and FIG. 6 (b). However, the wing part, the drive part, and the wing shaft part of each of the above-described flapping apparatuses of the first to fourth embodiments are attached to the wing part of the flapping apparatus described below. Therefore, the operation of the flapping apparatus shown below is performed by the flapping apparatus of the first to fourth embodiments.
図6(a)および図6(b)に示す羽ばたき装置の駆動部には、1自由度の往復運動が可能な振動型アクチュエータが用いられている。図6(a)では、羽ばたき装置の前方正面部分が示され、図6(b)では、羽ばたき装置の前方正面に向かって左側面部分が示されている。 A vibration type actuator capable of reciprocating motion with one degree of freedom is used in the driving unit of the flapping apparatus shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b). 6A shows the front front part of the flapping apparatus, and FIG. 6B shows the left side part toward the front front of the flapping apparatus.
なお、図6(a)、および図6(b)では、羽ばたき装置の前方正面に向かって左羽しか示されていないが、実際には、胴体部705の中心軸709を挟んで左右対称に右羽も形成されている。また、説明を簡単にするため、胴体部705が延びる方向に沿った軸(胴体軸708)は水平面内にあり、重心を通る中心軸709は、鉛直方向に保たれているとものとする。 6 (a) and 6 (b), only the left wing is shown toward the front front of the flapping device, but actually, it is symmetrical with respect to the central axis 709 of the body 705. A right wing is also formed. For the sake of simplicity, it is assumed that an axis (body axis 708) along the direction in which the body part 705 extends is in a horizontal plane, and a center axis 709 passing through the center of gravity is maintained in the vertical direction.
図6(a)および図6(b)に示すように、羽ばたき装置の胴体部705には、第1の羽軸部703および第2の羽軸部704と、それらの間に張られた羽部(ここでは図を見易くするために、羽軸間の膜部706のみを示す)とを有する羽(左羽)が取り付けられている。
As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the body portion 705 of the flapping apparatus includes a first
また、胴体部705には、第1の羽軸部703を駆動するための振動型アクチュエータ701と、第2の羽軸部704を駆動するための振動型アクチュエータ702とが搭載されている。このようなアクチュエータ701および702の配置、ならびに、第1の羽軸部703、第2の羽軸部704、および両羽軸間の膜部706を含む羽全体(ここでは図示されていない)の形状は、飛行の性能が損なわれないならば、図6に示されるものに限られない。
In addition, a vibration type actuator 701 for driving the first
さらに、この羽ばたき装置の場合、羽の断面形状を鉛直上方に凸となるようにしておけば、水平方向へ飛行するときに、抗力だけでなく、揚力も発生し、より大きな浮上力が得られることになる。 Furthermore, in the case of this flapping device, if the cross-sectional shape of the wings is made to protrude vertically upward, not only a drag force but also a lift force is generated when flying in the horizontal direction, and a greater levitation force can be obtained. It will be.
また、この羽ばたき装置の重心の位置は、羽ばたき装置の安定性を重視する場合には、羽が周囲の流体から羽部が受ける力がアクチュエータに作用するアクチュエータの回転中心点の位置よりも下方に存在するように設定されていことが望ましい。一方、羽ばたき装置がその姿勢を容易に変更することができるということを重視する場合には、重心の高さと前述のアクチュエータの回転中心点の高さとを略一致させておくことが望ましい。この場合には、羽ばたき装置の姿勢を制御するために必要とされる、左の羽が流体から受ける力と右の羽が流体から受ける力との差が小さくてもよいため、羽ばたき装置の姿勢の変更を容易に行なうことができる。 In addition, the position of the center of gravity of the flapping device is lower than the position of the rotation center point of the actuator where the force applied to the wing by the fluid from the surrounding fluid acts on the actuator when the stability of the flapping device is important. It is desirable that it is set to exist. On the other hand, when importance is attached to the fact that the flapping apparatus can easily change its posture, it is desirable to make the height of the center of gravity substantially coincide with the height of the rotation center point of the actuator. In this case, since the difference between the force that the left wing receives from the fluid and the force that the right wing receives from the fluid, which is required to control the posture of the flapping device, may be small, the posture of the flapping device Can be easily changed.
2つの振動型アクチュエータ701および702は、互いに振動軸700(振動型アクチュエータの振動の固定点、すなわち回転中心点を通る軸)を共有している。この振動軸700と胴体軸708とは、所定の角度(90°−θ)をなしている。第1および第2の羽軸部703および704のそれぞれは、振動型アクチュエータ701および702のそれぞれの回転中心軸を支点として振動軸700と直交する平面内を往復運動する。この振動軸700と直交する平面と胴体軸708とのなす角度が仰角θとなる。
The two vibration type actuators 701 and 702 share a vibration axis 700 (a fixed point of vibration of the vibration type actuator, that is, an axis passing through the rotation center point). The vibration shaft 700 and the body shaft 708 form a predetermined angle (90 ° −θ). Each of the first and second
胴体部705としては、機械的強度を確保するととも、十分な軽量化を図るために、ポリエチレンテレフタレート(PET)などを円筒状に成形したものが用いられることが望ましいが、胴体部705の材料および形状は、前述のような材料および形状に限定されるものではない。 As the body portion 705, in order to ensure mechanical strength and to achieve sufficient weight reduction, it is desirable to use a polyethylene terephthalate (PET) molded into a cylindrical shape. The shape is not limited to the materials and shapes as described above.
さて、図6(a)および図6(b)に示された羽ばたき装置では、振動型アクチュエータ701には羽軸部703が取り付けられ、振動型アクチュエータ702には羽軸部704が取り付けられている。
In the flapping apparatus shown in FIGS. 6A and 6B, the
第1の羽軸部703と第2の羽軸部704との間には、膜部706が張られている。膜部706は、その面内において収縮する方向に自発的な張力を有しており、その張力は、羽全体の剛性を高める働きをしている。
A
軽量化のため、第1の羽軸部703および第2の羽軸部704のそれぞれは、中空構造であり、カーボングラファイトを用いて形成されている。このため、第1の羽軸部703および第2の羽軸部704のそれぞれには弾力性を有しており、第1の羽軸部703および第2の羽軸部704のそれぞれは、膜部706の面内に生じている張力に応じて変形する。
In order to reduce the weight, each of the first
図7は、本羽ばたき装置の全体の構造を示す図である。なお、前方方向(紙面に向かって上方向)に向かって左側の羽は省略されている。 FIG. 7 is a diagram showing the overall structure of the flapping apparatus. Note that the wing on the left side is omitted in the forward direction (upward toward the page).
胴体部705には、加速度センサ1003および角加速度センサ1004が設けられている。これらのセンサによる検出結果は、演算部で処理された後、羽ばたき制御部1005に送られる。演算部では、羽ばたき装置の浮上状態および姿勢などの情報が処理される。羽ばたき制御部1005では、左右のアクチュエータ701,702および重心制御部1007の駆動制御の態様が決定される。 The trunk portion 705 is provided with an acceleration sensor 1003 and an angular acceleration sensor 1004. The detection results by these sensors are processed by the calculation unit and then sent to the flapping control unit 1005. In the calculation unit, information such as the flying state and posture of the flapping apparatus is processed. The flapping control unit 1005 determines the drive control mode of the left and right actuators 701 and 702 and the center of gravity control unit 1007.
なお、ここでは、本羽ばたき装置の浮上状態および姿勢などを検出する手段として、加速度センサ1003および角加速度センサ1004を用いたが、本羽ばたき装置の浮上状態および姿勢が計測可能なセンサであれば、羽ばたき装置に用いられるセンサは、前述のセンサに限定されない。 In this case, the acceleration sensor 1003 and the angular acceleration sensor 1004 are used as means for detecting the flying state and posture of the fluttering device. However, if the sensor can measure the flying state and posture of the flapping device, The sensor used for the flapping apparatus is not limited to the above-described sensor.
たとえば、直交する3軸方向の加速度を測定可能な加速度センサ2つをそれぞれ胴体部1000の異なる位置に配置し、その2つの加速度センサにより得られる2つの加速度情報を用いても、本実施の形態の羽ばたき装置の姿勢を特定することは可能である。また、本実施の形態の羽ばたき装置が移動する空間内に磁場分布を設けておき、磁気センサによって、この磁場分布を検知することで、本実施の形態の羽ばたき装置の位置および姿勢を特定することも可能である。 For example, even if two acceleration sensors capable of measuring accelerations in three orthogonal directions are arranged at different positions on the body portion 1000 and two pieces of acceleration information obtained by the two acceleration sensors are used, the present embodiment It is possible to specify the posture of the flapping apparatus. In addition, a magnetic field distribution is provided in a space in which the flapping apparatus of the present embodiment moves, and the position and posture of the flapping apparatus of the present embodiment is specified by detecting the magnetic field distribution with a magnetic sensor. Is also possible.
また、図7においては、加速度センサ1003および角加速度センサ1004のようなセンサ類は、演算部および羽ばたき制御部1005とは別部品として示されている。しかしながら、羽ばたき装置の重量の軽減を図るということを考慮すれば、たとえば、マイクロマシニング技術により、加速度センサ1003および角加速度センサ1004は一体的に同一基板上に形成されていてもよい。 In FIG. 7, sensors such as the acceleration sensor 1003 and the angular acceleration sensor 1004 are shown as separate components from the calculation unit and the flapping control unit 1005. However, considering that the weight of the flapping device is reduced, the acceleration sensor 1003 and the angular acceleration sensor 1004 may be integrally formed on the same substrate by, for example, micromachining technology.
また、本羽ばたき装置では、羽を駆動するために、オープンループ制御が用いられているが、羽の付け根に羽の角度センサが設けられ、この角度センサによって得られる角度情報を用いて、クローズドループ制御が行なわれてもよい。 Also, in this flapping apparatus, open loop control is used to drive the wing, but a wing angle sensor is provided at the base of the wing, and the closed loop is used by using the angle information obtained by this angle sensor. Control may be performed.
なお、浮上する空間における流体の流れが既知であり、予め定められた羽ばたき方によって浮上することが可能であるならば、ここに挙げたセンサ類は必須のものではない。 Note that the sensors listed here are not essential if the flow of the fluid in the rising space is known and can be lifted by a predetermined way of flapping.
羽ばたき制御部1005は、メモリ部1008にアクセス可能に接続されており、羽ばたき制御に必要な既存のデータをメモリ部1008から読み出すことができる。また、羽ばたき制御部1005は、各センサによって得られた情報をメモリ部1008に送信し、必要に応じて、メモリ部1008の情報を書き換えることが可能であり、それにより、羽ばたき装置に学習機能を持たせることができる。 The flapping control unit 1005 is connected to the memory unit 1008 so as to be accessible, and can read existing data necessary for flapping control from the memory unit 1008. In addition, the flapping control unit 1005 transmits information obtained by each sensor to the memory unit 1008, and can rewrite the information in the memory unit 1008 as necessary, thereby providing the flapping apparatus with a learning function. You can have it.
なお、各センサによって得られた情報をメモリ部1008に蓄積するだけであれば、羽ばたき制御部1005を介さずに、メモリ部1008とセンサのそれぞれとが、直接接続されていてもよい。また、羽ばたき制御部1005は、通信制御部1009に電気的に接続されており、羽ばたき制御部105と通信制御部1009との間でデータの入出力が行なわれる。通信制御部1009は、アンテナ部1010を介して、外部の装置(他の羽ばたき装置またはベースステーションなど)とデータの送受信を行なう。 Note that as long as information obtained by each sensor is only stored in the memory unit 1008, the memory unit 1008 and each of the sensors may be directly connected without using the flapping control unit 1005. Flapping control unit 1005 is electrically connected to communication control unit 1009, and data is input / output between flapping control unit 105 and communication control unit 1009. The communication control unit 1009 transmits / receives data to / from an external device (such as another flapping device or a base station) via the antenna unit 1010.
このような通信機能により、羽ばたき装置が取得してメモリ部1008に蓄えられたデータを速やかに外部の装置に転送することができる。また、羽ばたき装置では、入手できない情報を外部の装置から受け取り、そのような情報をメモリ部1008に蓄積する。それにより、羽ばたき装置は、このような外部から送信されてきた情報を羽ばたき飛行の制御に利用することができる。たとえば、羽ばたき装置は、メモリ部1008に大きなマップ情報の全てを記憶させておかなくても、随時、必要な範囲のマップ情報をベースステーションなどから入手することなどが可能となる。 With such a communication function, data acquired by the flapping apparatus and stored in the memory unit 1008 can be quickly transferred to an external apparatus. In addition, the flapping apparatus receives information that cannot be obtained from an external apparatus and accumulates such information in the memory unit 1008. Thereby, the flapping apparatus can use such information transmitted from the outside for controlling the flapping flight. For example, even if the flapping apparatus does not store all the large map information in the memory unit 1008, it is possible to obtain map information in a necessary range from a base station or the like at any time.
なお、図8では、アンテナ部1010は、胴体部1000の端から突き出た棒状のものとして示されているが、アンテナ部は、アンテナ部としての機能を有するものであれば、その形状および配置などは、図8に示すものに限定されない。たとえば、羽部714の羽縁部が利用され、羽縁上にループ状のアンテナ部が形成されていてもよい。また、胴体部1000にアンテナ部を内蔵した形態の羽ばたき装置であっても、または、アンテナ部1010と通信制御部1009とを一体化させた形態の羽ばたき装置であってもよい。 In FIG. 8, the antenna portion 1010 is shown as a rod-like member protruding from the end of the body portion 1000, but if the antenna portion has a function as an antenna portion, its shape, arrangement, etc. Is not limited to that shown in FIG. For example, the wing edge of the wing part 714 may be used, and a loop-shaped antenna part may be formed on the wing edge. Further, the flapping apparatus may be a flapping apparatus in which the antenna unit is built in the body part 1000, or may be a flapping apparatus in which the antenna unit 1010 and the communication control unit 1009 are integrated.
加速度センサ1003、角加速度センサ1004、演算部、羽ばたき制御部1005、左右のアクチュエータ701,702、重心制御部1007、メモリ部1008、通信制御部1009、およびアンテナ部1010などは、電源部1011により供給される電流によって駆動される。 The power supply unit 1011 supplies the acceleration sensor 1003, the angular acceleration sensor 1004, the calculation unit, the flapping control unit 1005, the left and right actuators 701, 702, the center of gravity control unit 1007, the memory unit 1008, the communication control unit 1009, the antenna unit 1010, and the like. Driven by the current being applied.
ここでは、駆動エネルギーとして電力を用いたが、駆動エネルギーとして燃料を用いてもよく、その場合には、振動型アクチュエータの代わりに内燃機関が用いられる。また、昆虫の筋肉に見られるような、生理的酸化還元反応を利用したアクチュエータを用いることも可能である。また、駆動エネルギーを羽ばたき装置の内部に有する手法ではなく、アクチュエータの駆動エネルギーを外部から取得する手法が用いられてもよい。たとえば、外部の駆動エネルギーを利用して電力を得るための手段として、熱電素子または電磁波などが用いられてもよい。 Here, electric power is used as driving energy, but fuel may be used as driving energy. In this case, an internal combustion engine is used instead of the vibration actuator. It is also possible to use an actuator utilizing a physiological redox reaction, as seen in insect muscles. Further, instead of a method of having driving energy inside the flapping apparatus, a method of acquiring the driving energy of the actuator from the outside may be used. For example, a thermoelectric element or an electromagnetic wave may be used as a means for obtaining electric power using external driving energy.
(浮上方法)
説明の簡便のため、本羽ばたき装置に作用する外力は、羽が流体から受ける流体力および羽ばたき装置に作用する重力(羽ばたき装置の質量と重力加速度との積)のみであるとする。本羽ばたき装置が恒常的に浮上するためには、1回の羽ばたき動作の間の時間平均において、次の関係、
(羽に作用する鉛直上方向の流体力)>(本羽ばたき装置に作用する重力)
を満たすことが必要とされる。1回の羽ばたき動作とは、羽を打ち下ろし動作とその直後の羽を打ち上げる動作とからなる動作を言う。
(Floating method)
For simplicity of explanation, it is assumed that the external force acting on the flapping apparatus is only the fluid force that the wing receives from the fluid and the gravity acting on the flapping apparatus (the product of the mass of the flapping apparatus and the gravitational acceleration). In order for the flapping apparatus to constantly rise, the following relationship is obtained in the time average during one flapping operation:
(Vertical fluid force acting on the wing)> (Gravity acting on the flapping device)
It is necessary to meet. One flapping operation refers to an operation composed of an operation of dropping a wing and an operation of raising a wing immediately thereafter.
さらに、鉛直上向きの流体力を羽ばたき装置に作用する重力より大きくして、羽ばたき装置を上昇させるためには、
(打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流体力)
>(打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向きの流体力)
となる必要がある。
In addition, in order to raise the flapping device by making the vertically upward fluid force greater than the gravity acting on the flapping device,
(Vertical upward fluid force acting on the wing during down-motion)
> (Vertical downward fluid force acting on the wing during launching)
It is necessary to become.
ここでは、昆虫の羽ばたき方を単純化した羽ばたき方法により、打ち下ろし動作において羽に作用する鉛直上向きの流体力(以下、「打ち下ろし時の流体力」と言う。)を、打ち上げ動作において羽に作用する鉛直下向きの流体力(以下、「打ち上げ時の流体力」と言う。)より大きくする方法について説明する。 Here, the vertical upward fluid force acting on the wing in the down motion (hereinafter referred to as “the fluid force at the time of down motion”) is applied to the wing in the up motion by simplifying the method of flapping the insect. A description will be given of a method of increasing the applied vertical downward fluid force (hereinafter referred to as “fluid force at launch”).
説明の簡便のため、流体の挙動および流体が羽に及ぼす力については、その主要成分を挙げて説明する。また、前述の羽ばたき方法により得られた浮上力と、本羽ばたき装置に作用する重力(以下「重量」と記す。)との大小関係については後述する。 For convenience of explanation, the behavior of the fluid and the force exerted by the fluid on the wing will be described with reference to the main components. The magnitude relationship between the levitation force obtained by the above flapping method and the gravity (hereinafter referred to as “weight”) acting on the flapping apparatus will be described later.
打ち下ろし時の流体力を、打ち上げ時の流体力よりも大きくするためには、打ち下ろし時に羽部714が移動する空間の体積が最大になるように、羽部714を打ち下ろせばよい。そのためには、羽部714を水平面と略平行に打ち下ろせばよく、これにより、羽部714に及ぼされる流体力はほぼ最大となる。 In order to make the fluid force at the time of downstroke greater than the fluid force at the time of launch, the wing portion 714 may be lowered so that the volume of the space in which the wing portion 714 moves at the time of downstroke is maximized. For this purpose, the wing portion 714 may be pushed down substantially parallel to the horizontal plane, so that the fluid force exerted on the wing portion 714 is substantially maximized.
反対に、打ち上げ時には、羽部714が移動する空間の体積が最小になるように羽部714を打ち上げればよい。そのためには、羽部714を水平面に対して略直角に近い角度で打ち上げればよく、これにより、羽部714に及ぼされる流体力はほぼ最小となる。 On the contrary, at the time of launch, the wing 714 may be launched so that the volume of the space in which the wing 714 moves is minimized. For this purpose, the wing 714 may be launched at an angle close to a substantially right angle with respect to the horizontal plane, whereby the fluid force exerted on the wing 714 is substantially minimized.
そこで、振動型アクチュエータ701および702のそれぞれが駆動することによって、振動軸700の周りに両羽軸部703および704のそれぞれが往復運動する際に、羽軸部703および704のそれぞれが、水平面と略一致する位置を中心として上方と下方とにそれぞれ角度γの回転角だけ、往復運動するものとする。さらに、図9の第1の羽軸部の角度801および第2の羽軸部の角度802に示すように、第1の羽軸部703の往復運動の位相に対して、第2の羽軸部704の往復運動の位相をφだけ遅れさせる。
Therefore, when each of the
これにより、図8(ここではφ=20°として描いた)に示す一連の羽の往復運動のうち、τ=0°〜180°の打ち下ろし時においては、より高い位置にある振動型アクチュエータ701の第一の羽軸部703が先に打ち下ろされるため、第1の羽軸部703および第2の羽軸部704の先端と羽軸間の膜部706(従って、図示されていないがその延長上にある羽部714)とが、水平に近づく。
As a result, among the series of reciprocating movements of the wing shown in FIG. 8 (illustrated as φ = 20 ° here), the vibration type actuator 701 located at a higher position when the wing is lowered from τ = 0 ° to 180 °. Since the first
一方、τ=180°〜315°の打ち上げ時においては、第1の羽軸部703の先端と第2の羽軸部704の先端との高さの差が拡大されて、両羽軸間の膜部706も垂直に近づく。その結果、第1の羽軸部703と第2の羽軸部704との間に張られた羽軸間の膜部706の延長上にある羽部714が流体を押し下げまたは押し上げる量に差異が生じる。それにより、本実施の形態の羽ばたき装置の場合には、打ち下ろし時の流体力の方が、打ち上げ時の流体力よりも大きくなって浮上力が得られることになる。
On the other hand, at the time of launching τ = 180 ° to 315 °, the difference in height between the tip of the first
この浮上力のベクトルは、位相差φを変化させることにより、前後に傾く。浮上力のベクトルが、前方に傾けば推進運動、後方に傾けば後退運動、真上に向けば、停空飛翔(ホバリング)状態となる。なお、実際の羽ばたき飛行では、位相差φ以外にも、羽ばたき周波数fまたは羽ばたき角γを制御することによって、前進、後退、およびホバリングの制御を行なうことが可能である。また、この羽ばたき装置では、羽ばたき仰角θを固定しているが、この羽ばたき装置に仰角θを変化させる機構をさらに追加すれば、羽ばたき方の制御の自由度を増加させることができる。 This levitation force vector is tilted back and forth by changing the phase difference φ. If the levitation force vector is tilted forward, it will be propulsion motion, if it is tilted backward, it will move backward, and if it is directed directly above, it will be in a stationary flight (hover) state. In actual flapping flight, it is possible to control forward, backward, and hovering by controlling the flapping frequency f or flapping angle γ in addition to the phase difference φ. Further, in this flapping apparatus, the flapping elevation angle θ is fixed, but if a mechanism for changing the elevation angle θ is further added to the flapping apparatus, the degree of freedom in controlling the flapping method can be increased.
(羽ばたき制御)
実際の羽ばたき制御について、さらに詳細に説明する。上述した羽ばたき装置では、打ち下ろし動作または打ち上げ動作の際に、羽の先端部がなす捻り角α(図8参照)は、羽の長さをl、羽の幅をw、羽ばたき角をγ、羽ばたき運動の位相をτ(最も打ち上げた瞬間を0°、最も打ち下ろした瞬間を180°とする)、第1の羽軸部703と第2の羽軸部704の位相差をφとすれば(図8を参照)、次の式で表わされる。
(Flapping control)
The actual flapping control will be described in more detail. In the above-described flapping apparatus, the twist angle α (see FIG. 8) formed by the tip of the wing during the down or up operation is l for the wing length, w for the wing width, γ for the flapping angle, If the phase of the flapping motion is τ (the moment when it is most lifted is 0 °, the moment when it is most down is 180 °), and the phase difference between the first
α=(l/w)・{sin[γ・cosτ]−sin[γ・cos(τ+φ)]}
実際には、前羽軸(第1の羽軸部703)および後羽軸(第2の羽軸部704)のいずれも弾性変形するため、捻り角αは、多少違った値を取る。また、第1の羽軸部703および第2の羽軸部704のそれぞれは、根元ほど、捻り角αが小さい。しかしながら、以下の議論では簡便のため、上の式のαを用いて説明する。
α = (l / w) · {sin [γ · cosτ] −sin [γ · cos (τ + φ)]}
Actually, since both the front wing shaft (first wing shaft portion 703) and the rear wing shaft (second wing shaft portion 704) are elastically deformed, the twist angle α takes slightly different values. Each of the first
捻りを加えていない羽に作用する流体力の鉛直方向成分Fは、流体の密度をρ、羽ばたき角をγ、羽ばたき周波数をfとすれば、
F=(4/3)・π2・ρ・w・γ2・f2・l3・sin2τ・cos[γ・cosτ]
となる。
The vertical component F of the fluid force acting on the untwisted wings is expressed as follows: fluid density is ρ, flapping angle is γ, and flapping frequency is f.
F = (4/3) · π 2 · ρ · w · γ 2 · f 2 · l 3 · sin 2 τ · cos [γ · cos τ]
It becomes.
なお、羽に作用する流体力の水平方向成分は、左右の羽が同じ運動をすれば、互いに打ち消し合うことになる。 The horizontal component of the fluid force acting on the wings cancels each other if the left and right wings make the same movement.
羽が捻り角αを有すると、上記の鉛直方向成分Fの羽ばたき運動平面に垂直な成分Lおよび水平な成分Dはそれぞれ次のようになる。 When the wing has a twist angle α, the component L and the horizontal component D perpendicular to the flapping motion plane of the vertical component F are as follows.
L=F・cosα・sinα
D=F・cos2α
さらに、羽ばたき仰角θを考慮すると、重量と釣り合うべき鉛直方向の成分Aおよび前後運動の推進力となる水平方向成分Jは、打ち下ろし時では、
A↓=−L・cosθ+D・sinθ
J↓=−L・sinθ−D・cosθ
打ち上げ時では、
A↑=L・cosθ−D・sinθ
J↑=L・sinθ+D・cosθ
となる。
L = F ・ cosα ・ sinα
D = F · cos 2 α
Further, when considering the flapping elevation angle θ, the vertical component A to be balanced with the weight and the horizontal component J which is the driving force for the longitudinal motion are as follows:
A ↓ = -L ・ cosθ + D ・ sinθ
J ↓ = -L · sinθ-D · cosθ
At launch,
A ↑ = L ・ cosθ−D ・ sinθ
J ↑ = L · sinθ + D · cosθ
It becomes.
実際の浮上力および推進力のそれぞれは、羽ばたき運動の1周期の期間において上述の式を積分したものとなる。 Each of the actual levitation force and propulsion force is obtained by integrating the above-described expression in the period of one cycle of the flapping motion.
以上より、この飛行制御の一例として、羽ばたき装置の羽の長さl=4cm、羽の幅w=1cm、羽ばたき仰角θ=30°、羽ばたき角γ=60°、羽ばたき周波数f=50Hz、打ち下ろし時の位相差φ↓=4°、打ち上げ時の位相差φ↑=16°とした場合における鉛直方向成分Aと水平方向成分Jの変化と各角度の変化との関係を、図10に示す。 From the above, as an example of this flight control, the wing length l = 4 cm, the wing width w = 1 cm, the flapping elevation angle θ = 30 °, the flapping angle γ = 60 °, the flapping frequency f = 50 Hz, and the downswing. FIG. 10 shows the relationship between the change in the vertical component A and the horizontal component J and the change in each angle when the phase difference φ ↓ = 4 ° at the time and the phase difference φ ↑ = 16 ° at the launch.
横軸は羽ばたき運動の1周期分(360°)が、位相τを用いて表わされている。横軸の位相は、前半(0°〜180°)が打ち下ろしを示し、後半(180°〜360°)が打ち上げを示している。各グラフの曲線は、前羽軸の羽ばたき角γf、後羽軸の羽ばたき角γb、水平面からの羽の捻り角(θ−α)、流体力の鉛直方向成分A、および水平方向成分Jの時間変化をそれぞれ示している。 The horizontal axis represents one cycle (360 °) of flapping motion using the phase τ. Regarding the phase of the horizontal axis, the first half (0 ° to 180 °) indicates a downhill, and the second half (180 ° to 360 °) indicates a uphill. The curves in each graph are the flapping angle γf of the front wing shaft, the flapping angle γb of the rear wing shaft, the wing twist angle (θ−α) from the horizontal plane, the vertical component A of the fluid force, and the time of the horizontal component J. Each change is shown.
この例では、単位時間当たりの流体力の鉛直方向成分Aにおいては、打ち下ろし時の方が、打ち上げ時より大きいため、羽ばたき運動の1周期の平均で、約500dynの鉛直上向きの流体力が1枚の羽で得られる。従って、2枚の羽では、羽ばたき装置の重量が約1g以下であれば、浮上することができることになる。また、単位時間当たりの流体力の水平方向成分Jは、1周期の間にほぼ打ち消されるため、重量1g程度の羽ばたき装置であれば、ホバリング可能となる。 In this example, in the vertical direction component A of the fluid force per unit time, since the downstroke time is larger than the upstroke time, the vertical upward fluid force of about 500 dyn is 1 on average in one cycle of the flapping motion. Obtained with a single feather. Therefore, with two wings, if the weight of the flapping device is about 1 g or less, the wing can float. Further, since the horizontal component J of the fluid force per unit time is almost canceled during one cycle, a flapping apparatus having a weight of about 1 g can be hovered.
本実施の形態の羽ばたき装置によれば、打ち下ろし時の位相差φ↓を大きくし、もしくは、打ち上げ時の位相差φ↑を小さくすれば、前進することができる。この時、水平に前進させるためには、周波数fを少し小さくすることが望ましい。逆に、打ち下ろし時の位相差φ↓を小さくし、もしくは、打ち上げ時の位相差φ↑を大きくすれば、後退することができる。この時、水平に後退させるには、周波数fを少し大きくすることが望ましい。 According to the flapping apparatus of the present embodiment, it is possible to move forward by increasing the phase difference φ ↓ at the time of downstroke or by reducing the phase difference φ ↑ at the time of launch. At this time, it is desirable to slightly reduce the frequency f in order to advance horizontally. Conversely, if the phase difference φ ↓ at the time of launch is reduced or the phase difference φ ↑ at the time of launch is increased, it is possible to move backward. At this time, in order to move backward horizontally, it is desirable to slightly increase the frequency f.
この羽ばたき装置では、例えば、打ち上げ時の位相差φ↑を16°に保ったまま、打ち下ろし時の位相差φ↓を7°のように大きくするか、打ち下ろし時の位相差φ↓を4°に保ったまま、打ち上げ時の位相差φ↑を11°のように小さくし、羽ばたき周波数f=48Hzに下げることで、最初の1秒間におよそ1mの速度で、水平に前進することができる。 In this flapping apparatus, for example, while keeping the phase difference φ ↑ at the time of launch at 16 °, the phase difference φ ↓ at the time of downstroke is increased to 7 ° or the phase difference φ ↓ at the time of downstroke is 4 While maintaining at °, the phase difference φ ↑ at launch is reduced to 11 ° and lowered to a flapping frequency f = 48 Hz, so that it can move forward at a speed of about 1 m in the first second. .
また、例えば、打ち上げ時の位相差φ↑を16°に保ったまま、打ち下ろし時の位相差φ↓を1°のように小さくするか、打ち下ろし時の位相差φ↓を4°に保ったまま、打ち上げ時の位相差φ↑を24°のように大きくし、羽ばたき周波数f=54Hzに上げることで、最初の1秒間におよそ1mの速度で、水平に後退することができる。 Also, for example, while keeping the phase difference φ ↑ at the time of launch at 16 °, the phase difference φ ↓ at the time of launch is reduced to 1 °, or the phase difference φ ↓ at the time of launch is kept at 4 °. In this state, the phase difference φ ↑ at the time of launch is increased to 24 ° and the flapping frequency f is increased to 54 Hz, so that it can move backward horizontally at a speed of about 1 m for the first second.
ホバリング状態のまま、羽ばたき装置を上昇または下降させるためには、周波数fを上げるか、または、下げるか、すればよい。 In order to raise or lower the flapping apparatus in the hovering state, the frequency f may be increased or decreased.
水平飛行中でも、上昇および下降については、主に周波数fによって制御が可能である。周波数fを上げることで羽ばたき装置は上昇し、周波数fを下げることで羽ばたき装置は下降する。 Even during level flight, ascent and descent can be controlled mainly by the frequency f. Increasing the frequency f raises the flapping apparatus, and lowering the frequency f lowers the flapping apparatus.
この例では、打ち上げ動作中、もしくは、打ち下ろし動作中にも、羽の捻り角αをゆっくり変化させているが、これは、アクチュエータへの負荷を減らすためである。浮上力を得るための羽ばたき運動としては、打ち上げ動作中や打ち下ろし動作中は羽の捻り角αを一定の値に設定して、打ち下ろし動作から打ち上げ動作、もしくは、打ち上げ動作から打ち下ろし動作への変化点において、捻り角αを急激に変化させるようにしてもよい。 In this example, the torsion angle α of the wing is slowly changed during the launching operation or the downing operation, in order to reduce the load on the actuator. For flapping motion to obtain levitation force, set the torsion angle α of the wing to a constant value during launching or downing, and from downing to launching, or from launching to downing The twist angle α may be rapidly changed at the change point.
羽ばたき仰角θ=0°とした場合の鉛直方向成分Aと水平方向成分Jの時間変化を各角度の時間変化とともに図11に示す。この場合は、ハチドリのホバリングにヒントを得た羽ばたき運動である。なお、左右方向へ旋回するための舵取りは、左右の羽の羽ばたき運動を別々に制御できる場合、左の羽の羽ばたき運動によって生じる推進力と右の羽の羽ばたき運動によって生じる推進力とに差を持たせればよい。例えば、前方へ飛行中に、右方向へ旋回するためには、右羽の羽ばたき角γを左羽よりも小さくするか、もしくは、右羽の前羽軸と後羽軸の位相差を左羽よりも大きくするか、または、羽ばたき仰角θが制御できるような場合には、右羽のθを左羽よりも小さくするといった制御を行なう。これにより、右羽の推進力が左羽の推進力に比べて相対的に小さくなり、右に旋回することができる。羽ばたき装置を左へ旋回させる場合には、前述の制御と左右逆の制御を行えばよい。 FIG. 11 shows temporal changes of the vertical direction component A and the horizontal direction component J together with the temporal change of each angle when the flapping elevation angle θ = 0 °. In this case, it is a flapping movement inspired by hummingbird hovering. In the case of steering for turning to the left and right, if the flapping motion of the left and right wings can be controlled separately, the difference between the propulsive force generated by the flapping motion of the left wing and the propulsive force generated by the flapping motion of the right wing is different. You just have to have it. For example, to make a right turn while flying forward, the flapping angle γ of the right wing is made smaller than that of the left wing, or the phase difference between the front and rear wing axes of the right wing is set to the left wing. If the flapping elevation angle θ can be controlled, control is performed such that the right wing θ is smaller than the left wing. Thereby, the propulsive force of the right wing becomes relatively smaller than the propulsive force of the left wing, and the vehicle can turn right. In the case of turning the flapping device to the left, the above-described control may be reversed.
さらに、図9に示された重心制御部1007を用いて、羽ばたき装置の重心を左右にずらすことで左右への旋回を行ってもよい。 Further, the center of gravity control unit 1007 shown in FIG. 9 may be used to turn left and right by shifting the center of gravity of the flapping apparatus from side to side.
例えば、重心を羽ばたき装置の中心軸より右側にずらして、右羽を下方へ傾け、かつ、左羽を上方へ傾けるとともに左右羽の周波数fを大きくすることで、羽ばたき装置を右へ旋回させることができる。また、重心を羽ばたき装置の中心軸より左側へずらすとともに左右羽の周波数fを大きくすることで、羽ばたき装置を左に旋回させることができる。ただし、いずれの場合でも、姿勢の安定を保つために、左の羽の羽ばたきの周波数fと右の羽の羽ばたき周波数fとを同じ値に設定しておくことが望ましい。 For example, by shifting the center of gravity to the right from the center axis of the flapping device, tilting the right wing downward, tilting the left wing upward and increasing the frequency f of the left and right wings, the flapping device is turned to the right. Can do. Further, by shifting the center of gravity to the left side from the center axis of the flapping device and increasing the frequency f of the left and right wings, the flapping device can be turned to the left. However, in any case, in order to keep the posture stable, it is desirable to set the flapping frequency f of the left wing and the flapping frequency f of the right wing to the same value.
以上の説明では、第1および第2の羽軸部703および704のそれぞれの往復運動する2つの平面のそれぞれが、振動軸700と直交する場合について述べた。したがって、この場合は、これら2つの平面が、互いに平行な関係となる。しかしながら、図7に示したように、羽軸部703が往復運動する平面と羽軸部704が往復運動する平面とが所定の角度を有するように交差する羽ばたき装置であってもよい。このようにすることによって、第1および第2の羽軸部703および704のそれぞれの弾性力および羽部714の張力を用いて、打ち上げ運動から打ち下ろし運動、または、打ち下ろし運動から打ち上げ運動に移る際の、羽の捻り角αの正値から負値、または、負値から正値への変化を高速化できる。
In the above description, the case where the two reciprocating planes of the first and second
また、図12に示すように、第1の羽軸部703が延びる方向と第2の羽軸部704が延びる方向とが、互いに平行な位置から角度εだけ外側を向いている場合、羽軸部の付け根703aと羽軸部の付け根703bと間の幅をw、羽軸部の長さを1として、
sinε>[(w2+8・l2)1/2−w]/4・l
を満たすεであれば、羽の捻り角α=0°(γf=γb)における羽軸部の先端703bと羽軸部の先端703bとの間の距離Woが最大となる。このとき、羽軸部の弾性力および膜部の張力も最大となるため、捻り角αの変化を高速化することができる。また、|α|>0の状態の方が羽ばたき装置が安定する。
As shown in FIG. 12, when the direction in which the first
sinε> [(w 2 + 8 · l 2 ) 1/2 −w] / 4 · l
If ε satisfies the condition, the distance Wo between the tip 703b of the wing shaft portion and the tip 703b of the wing shaft portion at the wing twist angle α = 0 ° (γf = γb) becomes the maximum. At this time, since the elastic force of the wing shaft part and the tension of the film part are also maximized, the change in the twist angle α can be speeded up. Also, the flapping apparatus is more stable when | α |> 0.
なお、上式を満たすεは、羽のアスペクト比Ap(l/w)=1の時、ε>30°、Ap=4の時、ε>17.2°、Ap=10の時、ε>11.5°である。 Note that ε satisfying the above formula is ε> 30 ° when the wing aspect ratio Ap (l / w) = 1, ε> 17.2 ° when Ap = 4, and ε> 10 when Ap = 10. 11.5 °.
さらに、第1および第2の羽軸部703および704のそれぞれが、それぞれが延びる方向の軸の周りに回転できれば、第1の羽軸部703と第2の羽軸部704との位置関係が変化しても、常に、羽部714が第1および第2の羽軸部703および704に固定されている部分同士を互いに略向かい合わせにすることが可能となる。そのため、アクチュエータ701,702にかかる負荷が軽減されるため、高い効率で羽ばたき装置を制御することが可能となる。
Furthermore, if each of the first and second
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。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、産業用または家庭用のロボットに用いられる。 The present invention is used for industrial or household robots.
100,200,300,400,714 羽部、101,201,301,401 羽縁部、102,202,302a,302b,402a,402b 膜部、103,203,303,403,703 第一の羽軸部、104,204,304,404,704 第二の羽軸部、105,205,305,405 第一の駆動部、106,206,306,406 第二の駆動部、700 振動軸、701,702 振動型アクチュエータ、705 胴体部、706 羽軸間の膜部、707 羽の先端部、708 胴体軸、709 中心軸、801 第一の羽軸部の角度、802 第二の羽軸部の角度、1001 CCD、1002 GPS、1003 加速度センサー、1004 角加速度センサー、1005 羽ばたき制御部、1007 重心制御部、1008 メモリ部、1009 通信制御部、1010 アンテナ部、1011 電源部、703a,704a 羽軸部の付け根、703b,704b 羽軸部の先端。 100, 200, 300, 400, 714 Wings, 101, 201, 301, 401 Wings, 102, 202, 302a, 302b, 402a, 402b Membrane, 103, 203, 303, 403, 703 First wing Shaft portion, 104, 204, 304, 404, 704 Second wing shaft portion, 105, 205, 305, 405 First drive portion, 106, 206, 306, 406 Second drive portion, 700 Vibration shaft, 701 , 702 Vibration type actuator, 705 body part, 706 film part between wing shafts, 707 tip part of wings, 708 body axis, 709 center axis, 801 angle of first wing shaft part, 802 of second wing shaft part Angle, 1001 CCD, 1002 GPS, 1003 Acceleration sensor, 1004 Angular acceleration sensor, 1005 Flapping control unit, 1007 Center of gravity control Department, 1008 memory, 1009 a communication control unit, 1010 antenna unit, 1011 a power supply unit, 703a, the base of 704a feather shaft portion, 703b, the distal end of 704b feather shaft portion.
Claims (9)
該羽部を支持するように、前記膜部に取り付けられた第一の羽軸部と、
前記羽部を支持するように、前記膜部に取り付けられた第二の羽軸部と、
前記第一の羽軸部の一端と接続され、該第一の羽軸部を往復運動させる第一の駆動部と、
第一の駆動部とは独立して駆動することが可能である駆動部であって、前記第二の羽軸部の一端と接続され、該第二の羽軸部を往復運動させる第二の駆動部とを備え、
前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部との間の距離が、前記羽部の幅よりも小さい、羽ばたき装置。 A wing part for flapping a space in which a fluid exists, comprising a wing part constituting an outer peripheral edge of the wing part, and a film part stretched on the inside of the wing part, and at least a force from the fluid A wing portion having an elastic modulus of the wing edge portion on the receiving side higher than an elastic modulus of the membrane portion ;
A first wing shaft attached to the membrane so as to support the wing;
A second wing shaft attached to the membrane so as to support the wing;
A first drive unit connected to one end of the first wing shaft part and reciprocating the first wing shaft part;
The first drive unit a drive unit Ru can der be driven independently, which is connected to one end of the second wing axis portion, the second reciprocating the said second wing shaft With a drive unit,
A flapping apparatus in which a distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion is smaller than a width of the wing portion.
該羽部を支持するように、少なくとも一部が前記羽縁部のうちの前縁部に取り付けられた第一の羽軸部と、
前記羽部を支持するように、前記膜部に取り付けられた第二の羽軸部と、
前記第一の羽軸部の一端と接続され、該第一の羽軸部を往復運動させる第一の駆動部と、
第一の駆動部とは独立して駆動することが可能である駆動部であって、前記第二の羽軸部の一端と接続され、該第二の羽軸部を往復運動させる第二の駆動部とを備え、
前記第一の羽軸部と前記第二の羽軸部との間の距離が、前記羽部の幅よりも小さい、羽ばたき装置。 A wing part for flapping a space in which a fluid exists, the wing part having an outer peripheral edge of the wing part, and a film part stretched inside the wing part,
A first wing shaft portion at least partially attached to a front edge portion of the wing edge portion so as to support the wing portion;
A second wing shaft attached to the membrane so as to support the wing;
A first drive unit connected to one end of the first wing shaft part and reciprocating the first wing shaft part;
The first drive unit a drive unit Ru can der be driven independently, which is connected to one end of the second wing axis portion, the second reciprocating the said second wing shaft With a drive unit,
A flapping apparatus in which a distance between the first wing shaft portion and the second wing shaft portion is smaller than a width of the wing portion.
羽ばたき運動中において、前記第一の筒部が、該第一の中軸部が延びる方向を回転軸として、回転する、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。 The first wing shaft portion is connected to the first driving portion, the first middle shaft portion is attached to the membrane portion, the first tube portion into which the first middle shaft portion is inserted, Have
The flapping apparatus according to claim 1 or 2, wherein during the flapping motion, the first tube portion rotates about a direction in which the first middle shaft portion extends as a rotation axis.
前記第二の羽軸部が、前記第二の駆動部に接続された第二の中軸部と、前記膜部に取り付けられ、該第二の中軸部が挿入された第二の筒部と、を有し、
羽ばたき運動中において、前記第二の筒部が、該第二の中軸部が延びる方向を回転軸として、回転する、請求項1または2に記載の羽ばたき装置。 The first wing shaft is provided at a position closer to the leading edge than the second wing shaft;
The second wing shaft portion is connected to the second driving portion, the second middle shaft portion is attached to the membrane portion, the second tube portion into which the second middle shaft portion is inserted, Have
The flapping apparatus according to claim 1 or 2, wherein during the flapping motion, the second cylindrical portion rotates about a direction in which the second middle shaft portion extends as a rotation axis.
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