WO2014129502A1 - 羽ばたき機 - Google Patents

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WO2014129502A1
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angle
flapping
actuator
bending angle
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French (fr)
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智史 黒田
知之 森
起也 服部
雅人 田原
央貴 ▲高▼山
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C33/00—Ornithopters
    • B64C33/02—Wings; Actuating mechanisms therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H27/00—Toy aircraft; Other flying toys
    • A63H27/008—Propelled by flapping of wings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/40—Ornithopters

Definitions

  • the present invention relates to a flapping machine.
  • Flapping UAV has features of both fixed wing type and rotary wing type, and is expected from the viewpoint of quietness, low visibility, mimicry and the like. Such a flapping UAV is hereinafter referred to as a “flapping machine”.
  • Patent Document 1 discloses an example of a flapping machine.
  • the flapping machine includes a main body and a pair of blade portions provided on the main body.
  • One of the pair of blades is provided on the left side of the main body, and the other is provided on the right side of the main body.
  • Each blade part is a single wing. Such a pair of single-wing flapping movements causes the flapping machine to rise.
  • One object of the present invention is to provide a flapping machine that has excellent mimicry and can suppress thrust loss and resistance increase.
  • a flapping machine in one aspect of the present invention, includes a main wing attached to the fuselage and a control system that controls flapping operation of the main wing.
  • the main wing is interposed between the inner girder provided to extend outward from the fuselage, the outer girder provided to extend further outward than the inner girder, and the inner girder and the outer girder.
  • a wrist configured such that a bending angle, which is a relative angle between the outer girder and the outer girder, is variable within a predetermined fluctuation range.
  • the control system includes an actuator that moves the inner beam up and down to move the inner beam up and down, an angle sensor that is provided on the wrist and measures a bending angle, and a bending angle measured by the angle sensor. And a control device that controls the actuator to operate the inner girder.
  • a flapping machine having excellent mimicry and capable of suppressing thrust loss and resistance increase is realized.
  • FIG. 1 is a top view showing a flapping machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the main wing of the flapping apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the movable range of the inner and outer girders in the fluttering machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a schematic diagram illustrating an example of a wrist configuration of the flapping apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a schematic diagram showing an example of a wrist configuration of the flapping apparatus according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration of main girders and ribs in the flapping machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the ribs of the flapping machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the action of the ribs of the flapping machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of the flapping machine control system according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a timing chart showing the main wing down and up operations in the flapping machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining the operation of lowering the main wing in the flapping machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining the operation of launching the main wing in the flapping machine according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a modification of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a top view showing a flapping machine 1 according to the present embodiment.
  • the + X direction is the moving direction (flight direction) of the flapping machine 1 and means the front.
  • the ⁇ X direction means backward.
  • the Y direction is the side surface direction of the flapping machine 1 and is orthogonal to the X direction.
  • the Z direction is a direction orthogonal to the X direction and the Y direction.
  • the + Z direction means upward, and the ⁇ Z direction means downward.
  • the XY plane is a horizontal plane
  • the + Z direction is a vertically upward direction.
  • the flapping machine 1 includes a fuselage 2, a tail 3, and a pair of main wings 10.
  • the tail 3 is attached to the rear part of the fuselage 2.
  • the pair of main wings 10 are respectively attached to the left side surface and the right side surface of the fuselage 2.
  • the pair of main wings 10 are controlled by the control system 100 to automatically move, whereby the flapping operation of the flapping machine 1 is realized.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the main wing 10 of the flapping machine 1.
  • the main wing 10 is not a single wing, but includes a simulated wrist and is configured to be bent. More specifically, the main wing 10 is divided into an inner wing 11 and an outer wing 12.
  • the inner wing 11 is an inner part (side closer to the fuselage 2) of the main wing 10, and is connected to the shoulder of the fuselage 2.
  • the outer wing 12 is a portion of the main wing 10 on the outer side (the side farther from the fuselage 2), and is connected to the outer end portion of the inner wing 11.
  • the main wing 10 includes a main girder 20 as a framework.
  • the main girder 20 is provided so as to extend outward from the shoulder of the body 2 (in a direction away from the body 2).
  • the main beam 20 includes an inner beam 21 and an outer beam 22.
  • the inner girder 21 is a portion of the main girder 20 provided on the inner wing 11 and is provided so as to extend outward from the shoulder portion of the body 2.
  • the outer girder 22 is a portion provided on the outer wing 12 of the main girder 20 and is provided so as to extend further outward than the inner girder 21.
  • the main wing 10 is further provided with a wrist 30 so as to be interposed between the inner beam 21 and the outer beam 22. That is, the inner beam 21 and the outer beam 22 are connected to each other via the wrist 30.
  • the wrist 30 is a movable part, and the main girder 20 can be bent at the wrist 30 part. A configuration example of the wrist 30 will be described later.
  • the body side end (base) of the inner girder 21 is connected to an actuator 120 provided on the shoulder of the body 2.
  • the actuator 120 rotates and reciprocates the inner girder 21 in the vertical direction with the shoulder portion of the body 2 as the rotation center and the straight line parallel to the X axis as the rotation axis.
  • the inner girder 21 rotates about the shoulder of the body 2 as the rotation center and a straight line parallel to the X axis as the rotation axis.
  • the rotation angle is hereinafter referred to as “flapping angle ⁇ ”.
  • the flapping angle ⁇ increases.
  • the flapping angle ⁇ decreases.
  • the fluctuation range RA of the flapping angle ⁇ is determined in advance, and the upper and lower limits of the predetermined fluctuation range RA are ⁇ H and ⁇ L, respectively. That is, the flapping angle ⁇ varies within a predetermined variation range RA defined by the upper limit angle ⁇ H and the lower limit angle ⁇ L.
  • the flapping angle ⁇ is the upper limit angle ⁇ H
  • the inner beam 21 is located at the uppermost position (+ Z direction side).
  • the flapping angle ⁇ is the lower limit angle ⁇ L
  • the inner beam 21 is located at the lowest position ( ⁇ Z direction side).
  • the actuator 120 described above changes the flapping angle ⁇ of the inner beam 21.
  • the actuator 120 rotates and reciprocates the inner girder 21 in the vertical direction to vary the flapping angle ⁇ within a predetermined fluctuation range RA.
  • the operation of rotating the inner girder 21 downward, that is, the operation of decreasing the flapping angle ⁇ toward the lower limit angle ⁇ L is a “downward operation”.
  • the operation of rotating the inner girder 21 upward that is, the operation of increasing the flapping angle ⁇ toward the upper limit angle ⁇ H is a “launching operation”.
  • the outer girder 22 connected to the inner girder 21 via the wrist 30 moves relative to the inner girder 21.
  • the relative angle between the inner girder 21 and the outer girder 22 is hereinafter referred to as “bending angle ⁇ ”.
  • the extending direction of the inner beam 21 is the S direction.
  • the S direction is orthogonal to the X direction.
  • the T direction is a direction orthogonal to the X direction and the S direction.
  • the + T direction means upward, and the ⁇ T direction means downward.
  • the outer girder 22 rotates about the wrist 30 as a rotation center and a straight line parallel to the X axis as a rotation axis.
  • the rotation angle is the “bending angle ⁇ ” described above.
  • the bending angle ⁇ increases.
  • the bending angle ⁇ decreases as the outer girder 22 rotates in the ⁇ T direction (downward).
  • the fluctuation range RB of the bending angle ⁇ is determined in advance, and the upper limit and lower limit of the predetermined fluctuation range RB are ⁇ H and ⁇ L, respectively. That is, the bending angle ⁇ varies within a predetermined variation range RB defined by the upper limit angle ⁇ H and the lower limit angle ⁇ L.
  • the outer girder 22 is located on the uppermost side (+ T direction side).
  • the inner beam 21 and the outer beam 22 are in a straight line, that is, the extending direction of the outer beam 22 coincides with the S direction.
  • the bending angle ⁇ is the lower limit angle ⁇ L
  • the outer girder 22 is located at the lowest position ( ⁇ T direction side).
  • the wrist 30 is not provided with an actuator that moves the outer girder 22 directly and mechanically.
  • the outer girder 22 only moves “passively” following the down and up movements of the inner girder 21.
  • the wrist 30 is configured such that the bending angle ⁇ of the outer girder 22 is variable within a predetermined fluctuation range RB.
  • 4A and 4B schematically show an example of such a wrist 30 configuration.
  • 4A is an SX sectional view taken along line A-A ′ in FIG. 4B
  • FIG. 4B is an ST sectional view taken along line B-B ′ in FIG. 4A.
  • the wrist 30 is provided with a connector 31 connected to the end of the inner girder 21.
  • a shaft 32 that moves integrally with the outer girder 22 is formed at the end of the outer girder 22.
  • the shaft 32 is fitted in a hole opened in the connector 31.
  • the outer girder 22 can rotate about the shaft 32. That is, the bending angle ⁇ of the outer girder 22 is variable.
  • the upper limit angle ⁇ H and the lower limit angle ⁇ L of the bending angle ⁇ can be appropriately set by adjusting the shape of the connector 31 as shown in FIG. 4B. That is, the fluctuation range RB of the bending angle ⁇ can be set as appropriate by a mechanical limiter.
  • the position where the upper lower surface of the connector 31 and the upper surface of the outer girder 22 contact each other corresponds to the upper limit angle ⁇ H
  • the position where the lower end surface of the connector 31 contacts the lower surface of the outer girder 22 corresponds to the lower limit angle ⁇ L.
  • the wrist 30 is provided with an angle sensor 130 for measuring the bending angle ⁇ .
  • a gear 33 is formed at one end of the shaft 32, and the gear 33 is configured to rotate with the rotation of the outer girder 22.
  • the angle sensor 130 is provided in the connector 31 adjacent to the gear 33, and measures the bending angle ⁇ of the outer girder 22 based on the rotation of the gear 33.
  • the bending angle ⁇ measured by the angle sensor 130 is used for operation control of the inner beam 21.
  • a rib that is another framework of the main wing 10 will be described.
  • a plurality of ribs 25 are attached to the main beam 20.
  • Each rib 25 is provided so as to extend rearward ( ⁇ X direction) from the main beam 20.
  • FIG. 6 shows the configuration of the single rib 25.
  • a portion on the front side (+ X direction side) of the rib 25 is a rib front portion 25F.
  • the rear side ( ⁇ X direction side) portion of the rib 25 is a rib rear portion 25R.
  • a hole 26 is formed in the rib front portion 25 ⁇ / b> F, and the main girder 20 passes through the hole 26. That is, the rib 25 is provided to be rotatable about the main beam 20.
  • the rib 25 has an S-shaped camber (reversing camber) shape. That is, the rib rear portion 25R is curved upward.
  • the operation of this S-shaped camber blade will be described with reference to FIG.
  • the inclination angle (twist amount) is determined by the flight speed of the flapping machine 1 and the down speed of the main wing 10 at that position, and increases as the down speed increases. That is, when the main wing 10 is moved down, the wing surface L of the main wing 10 (represented in a straight line for simplicity) is automatically inclined by an angle from the X direction. Then, when the blade surface L is inclined from the X direction, thrust in the + X direction (traveling direction) is generated as shown in FIG. That is, the blade surface L automatically tilts so as to be stable in the wind direction, and thrust is generated.
  • the rib 25 has an S-shaped camber shape, and is automatically tilted (twisted) from the X direction when the main wing 10 is moved down.
  • Control System A flapping machine 1 is equipped with a control system 100 for controlling the flapping operation of the main wing 10.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a functional configuration of the control system 100.
  • the control system 100 includes a control device 110, an actuator 120, an angle sensor 130, and an angle sensor 140.
  • the actuator 120 is a mechanical mechanism that moves the inner beam 21 as described above.
  • the actuator 120 causes the inner girder 21 to rotate up and down, thereby realizing a launching operation and a downing operation.
  • the angle sensor 130 is provided on the wrist 30 as described above, and measures the bending angle ⁇ of the outer girder 22. Then, the angle sensor 130 sends the bending angle data DB indicating the measured bending angle ⁇ to the control device 110 in real time.
  • the angle sensor 140 is provided in the actuator 120 and measures the flapping angle ⁇ of the inner beam 21. Then, the angle sensor 140 sends flapping angle data DA indicating the measured flapping angle ⁇ to the control device 110 in real time.
  • the angle sensor 140 is not always necessary.
  • the control device 110 is a computer mounted in the body 2.
  • the control device 110 controls the actuator 120 so as to control the launching and lowering operations of the inner beam 21. More specifically, the control device 110 receives the flapping angle data DA and the bending angle data DB, and monitors the flapping angle ⁇ and the bending angle ⁇ in real time. Then, the control device 110 controls the actuator 120 according to at least the bending angle ⁇ to operate the inner beam 21.
  • the control target by the control device 110 is, for example, the timing of the launch operation and the down operation.
  • FIG. 9 is a timing chart showing an example of the control.
  • FIG. 9 shows respective transitions of the flapping angle ⁇ of the inner girder 21 and the bending angle ⁇ of the outer girder 22.
  • states S1 to S5 correspond to a down motion
  • states S6 to S10 correspond to a launch motion.
  • each of the down motion (states S1 to S5) and the launch motion (states S6 to S10) will be described in detail.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining the down-down operation. With reference to FIG. 9 and FIG.
  • the state S1 is a state in which both the inner girder 21 and the outer girder 22 are raised highest. At that time, the flapping angle ⁇ is the upper limit angle ⁇ H, and the bending angle ⁇ is also the upper limit angle ⁇ H.
  • the downstroke operation starts. Specifically, the control device 110 controls the actuator 120 to start the operation for lowering the inner girder 21.
  • State S2 is a state in which the inner girder 21 is lowered by the actuator 120, and the flapping angle ⁇ at that time is an intermediate angle ⁇ M ( ⁇ H> ⁇ M> ⁇ L).
  • the outer girder 22 passively moves downward in accordance with the downward movement of the inner girder 21, but the bending angle ⁇ at that time remains the upper limit angle ⁇ H.
  • the S-shaped camber-shaped rib 25 is automatically tilted (twisted) from the X direction. That is, the blade surface L of the main wing 10 is automatically inclined by an angle from the X direction. Thereby, thrust in the + X direction (traveling direction) is generated.
  • the inclination angle (twist amount) is determined by the flight speed of the flapping aircraft 1 and the down speed of the main wing 10 at that position, and increases as the down speed increases. Therefore, the closer to the wing tip (the farther away from the fuselage 2), the greater the tilt angle and the greater the thrust obtained.
  • State S3 is a state in which the inner girder 21 has been lowered, and the flapping angle ⁇ at that time is the lower limit angle ⁇ L.
  • the movement of the inner beam 21 stops here, but the outer beam 22 that has followed the inner beam 21 continues to move as it is due to inertia. That is, even if there is no actuator, the outer girder 22 moves freely by the momentum of the downward movement of the inner girder 21.
  • State S4 is a state in which only the outer girder 22 is moving while the inner girder 21 is fully lowered, and the bending angle ⁇ at that time is an intermediate angle ⁇ M ( ⁇ H> ⁇ M> ⁇ L). At this time, the actuator 120 fixes the inner girder 21 and maintains the flapping angle ⁇ at the lower limit angle ⁇ L.
  • State S5 is a state in which both the inner girder 21 and the outer girder 22 have been lowered. At that time, the flapping angle ⁇ is the lower limit angle ⁇ L, and the bending angle ⁇ is also the lower limit angle ⁇ L.
  • the control device 110 that monitors the flapping angle ⁇ and the bending angle ⁇ in real time through the angle sensors 130 and 140 starts the next launch control (see the state S6) upon detecting this state S5. In other words, after the downshifting operation of the inner beam 21, when it is detected that the bending angle ⁇ has become the lower limit angle ⁇ L, the control device 110 controls the actuator 120 to start the lifting operation of the inner beam 21.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining the launching operation. The launch operation will be described with reference to FIGS. 9 and 11.
  • State S6 is the same as state S5 described above. In this state S6, the fixation of the inner girder 21 is released and the launching operation is started. Specifically, the control device 110 controls the actuator 120 to start the launching operation of the inner beam 21.
  • State S7 is a state in which the inner girder 21 is launched by the actuator 120, and the flapping angle ⁇ at that time is an intermediate angle ⁇ M ( ⁇ H> ⁇ M> ⁇ L).
  • the outer girder 22 passively moves upward following the launching operation of the inner girder 21, but the bending angle ⁇ at that time remains the lower limit angle ⁇ L.
  • State S8 is a state in which the inner beam 21 is fully raised, and the flapping angle ⁇ at that time is the upper limit angle ⁇ H.
  • the movement of the inner beam 21 stops here, but the outer beam 22 that has followed the inner beam 21 continues to move as it is due to inertia. That is, even if there is no actuator, the outer girder 22 moves freely by the momentum of the launching operation of the inner girder 21.
  • State S9 is a state in which only the outer girder 22 is moving while the inner girder 21 is fully raised, and the bending angle ⁇ at that time is an intermediate angle ⁇ M ( ⁇ H> ⁇ M> ⁇ L). At this time, the actuator 120 fixes the inner beam 21 and maintains the flapping angle ⁇ at the upper limit angle ⁇ H.
  • the state S10 is a state in which the inner girder 21 and the outer girder 22 are fully raised. At that time, the flapping angle ⁇ is the upper limit angle ⁇ H, and the bending angle ⁇ is also the upper limit angle ⁇ H.
  • the control device 110 that monitors the flapping angle ⁇ and the bending angle ⁇ in real time through the angle sensors 130 and 140 detects this state S10, it starts the above-described down control (see the state S1). In other words, after detecting that the bending angle ⁇ has reached the upper limit angle ⁇ H after the launching operation of the inner beam 21, the control device 110 controls the actuator 120 to start the lowering operation of the inner beam 21.
  • the main wing 10 may be automatically launched by aerodynamic force. In such a case, it is not necessary to actively move the inner beam 21 using the actuator 120. In the state S6, the control device 110 only needs to control the actuator 120 to release the fixation of the inner beam 21.
  • the flapping operation of the flapping machine 1 according to the present embodiment is realized by repeating the down motion and the up motion described above.
  • the main wing 10 of the flapping 1 includes the simulated wrist 30 and is configured to be bent. Therefore, compared with the case of a single blade, mimicry is improved and thrust loss and resistance increase are suppressed.
  • the wrist 30 is provided with an actuator (motor, link mechanism, etc.) that moves the outer girder 22 directly and mechanically. And not only the inner girder 21 but the outer girder 22 is forcedly operated using an actuator.
  • An actuator is also provided for the rib 25, and the blade surface L is tilted from the X direction by forcibly tilting the rib 25. It is assumed that the operation states (operation timing, operation frequency, operation speed) of the inner beam 21, the outer beam 22, and the rib 25 using the actuator are set as appropriate.
  • the first is the increase in weight and complexity of the mechanism due to the need for extra actuators and wiring. Further, forcibly moving the outer girder 22 and the rib 25 is different from the natural bird mechanism, and thus mimicry is reduced.
  • the down-sliding operation is started, or before the outer girder 22 is fully lowered (before the bending angle ⁇ becomes the lower limit angle ⁇ L).
  • problems such as thrust loss, increased resistance, and reduced mimicry occur.
  • it is necessary to appropriately control the operations of the inner beam 21, the outer beam 22, and the rib 25.
  • the appropriate operation state (operation timing, operation frequency, operation speed) varies greatly depending on the environment such as flying speed.
  • the comparative example has poor adaptability to the environment.
  • the wrist 30 is not provided with an actuator that moves the outer girder 22 directly and mechanically.
  • the outer girder 22 only moves passively following the down and up movements of the inner girder 21.
  • the outer girder 22 that moves following the inner girder 21 moves freely by the momentum of the raising or lowering operation of the inner girder 21 without an actuator. is there.
  • the rib 25 has an S-shaped camber shape, and is automatically inclined from the X direction when the main wing 10 is moved down.
  • the weight can be reduced and the mechanism can be simplified. Further, since the outer girder 22 and the rib 25 are not forcibly moved, the mimicry is improved, and the thrust loss and the resistance increase are suppressed.
  • the wrist 30 is provided with the angle sensor 130 that measures the bending angle ⁇ of the outer girder 22.
  • the control device 110 controls the actuator 120 according to the bending angle ⁇ measured by the angle sensor 130 to operate the inner beam 21.
  • the launching operation can be started after the outer girder 22 has been lowered (after the bending angle ⁇ has reached the lower limit angle ⁇ L). That is, an optimal flapping operation can be realized from the viewpoint of thrust, resistance, and mimicry. Since the bending angle ⁇ itself is monitored using the angle sensor 130, the optimum flapping operation is always realized regardless of the flying speed and other environments. In this sense, this embodiment can be said to be highly adaptable to the environment.
  • a cushioning material 40 may be provided on the wrist 30.
  • the buffer material 40 plays a role of relaxing the momentum of the relative movement of the outer girder 22 with respect to the inner girder 21.
  • the cushioning material 40 is a spring connected between the outer girder 22 and the support member. Such a cushioning material 40 can suppress a rapid movement of the outer girder 22. As a result, the mimicry of the flapping machine 1 is further improved.
  • the reference value of the bending angle ⁇ serving as a trigger is not necessarily the upper limit angle ⁇ H or the lower limit angle ⁇ L.
  • the reference value of the bending angle ⁇ serving as a trigger may be appropriately set according to the operation mode of the flapping machine 1 and the purpose of use.

Landscapes

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  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
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  • Remote Sensing (AREA)
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Abstract

　羽ばたき機は、胴体に取り付けられた主翼と、主翼の羽ばたき動作を制御する制御システムと、を備える。主翼は、内桁、外桁、及び内桁と外桁との間に介在し、内桁と外桁との間の相対角度である折り曲げ角が所定の変動範囲内で可変となるように構成された手首を備える。制御システムは、内桁を上下方向に運動させることによって内桁の打ち上げ動作及び打ち下ろし動作を行うアクチュエータと、折り曲げ角を測定する角度センサと、その折り曲げ角に応じてアクチュエータを制御して内桁を動作させる制御装置と、を備える。

Description

羽ばたき機
　本発明は、羽ばたき機に関する。
　小型の無人航空機（Ｕｎｍａｎｎｅｄ　Ａｉｒ　Ｖｅｈｉｃｌｅ：ＵＡＶ）の開発が進められている。そのようなＵＡＶの現在の主流は固定翼型や回転翼型であるが、将来の機体形態として、鳥類や虫類を模した「羽ばたき型」の開発も始まっている。羽ばたき型のＵＡＶは、固定翼型と回転翼型の両方の特徴を兼ね備えており、静粛性、低視認性、擬態性等の観点から期待されている。そのような羽ばたき型のＵＡＶは、以下、「羽ばたき機」と参照される。
　特許文献１（特許第４６７５３４６号）は、羽ばたき機の一例を開示している。その羽ばたき機は、本体と、本体に設けられた一対の羽根部とを備えている。一対の羽根部の一方は、本体の左側の側部に設けられ、その他方は、本体の右側の側部に設けられている。各々の羽根部は、一枚翼である。そのような一対の一枚翼の羽ばたき運動によって、羽ばたき機は浮上する。
特許第４６７５３４６号
　特許文献１に記載された羽ばたき機では、一枚翼が用いられている。一枚翼の場合、手首が存在しないため、擬態性の低下、推力損失の増大、及び抵抗増加といった問題がある。
　本発明の１つの目的は、優れた擬態性を有し、推力損失及び抵抗増加を抑制可能な羽ばたき機を提供することにある。
　本発明の１つの観点において、羽ばたき機が提供される。その羽ばたき機は、胴体に取り付けられた主翼と、主翼の羽ばたき動作を制御する制御システムと、を備える。主翼は、胴体から外側に延伸するように設けられた内桁と、内桁よりも更に外側に延伸するように設けられた外桁と、内桁と外桁との間に介在し、内桁と外桁との間の相対角度である折り曲げ角が所定の変動範囲内で可変となるように構成された手首と、を備える。制御システムは、内桁を上下方向に運動させることによって内桁の打ち上げ動作及び打ち下ろし動作を行うアクチュエータと、手首に設けられ折り曲げ角を測定する角度センサと、角度センサによって測定された折り曲げ角に応じてアクチュエータを制御して内桁を動作させる制御装置と、を備える。
　本発明によれば、優れた擬態性を有し、推力損失及び抵抗増加を抑制可能な羽ばたき機が実現される。
図１は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機を示す上面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機の主翼の構成を示す概略図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機における内桁と外桁の可動範囲を示す概念図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機の手首の構成の一例を示す概略図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機の手首の構成の一例を示す概略図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機における主桁とリブの構成を示す概略図である。 図６は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機のリブの構成を示す概略図である。 図７は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機のリブの作用を説明するための概念図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機の制御システムの機能構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機における主翼の打ち下ろし動作及び打ち上げ動作を示すタイミングチャートである。 図１０は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機における主翼の打ち下ろし動作を説明するための概念図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機における主翼の打ち上げ動作を説明するための概念図である。 図１２は、本発明の実施の形態の変形例を示す概略図である。
　添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る羽ばたき機を説明する。
　１．羽ばたき機の構成
　図１は、本実施の形態に係る羽ばたき機１を示す上面図である。まず、座標系の定義を行う。＋Ｘ方向は、羽ばたき機１の進行方向（飛行方向）であり、前方を意味する。一方、－Ｘ方向は、後方を意味する。Ｙ方向は、羽ばたき機１の側面方向であり、Ｘ方向と直交している。Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向である。＋Ｚ方向は上方を意味し、－Ｚ方向は下方を意味する。典型的には、ＸＹ面は水平面であり、＋Ｚ方向は鉛直上向き方向である。
　図１に示されるように、羽ばたき機１は、胴体２、尾翼３、及び一対の主翼１０を備えている。尾翼３は、胴体２の後方部に取り付けられている。一対の主翼１０は、胴体２の左側面及び右側面にそれぞれ取り付けられている。後に詳しく説明されるように、これら一対の主翼１０が制御システム１００に制御されて自動的に可動することにより、羽ばたき機１の羽ばたき動作が実現される。
　図２は、羽ばたき機１の主翼１０の構成を示す概略図である。本実施の形態では、主翼１０は、一枚翼ではなく、模擬された手首を備えており、折れ曲がり可能に構成される。より詳細には、主翼１０は、内翼１１と外翼１２に区分される。内翼１１は、主翼１０のうち内側（より胴体２に近い側）の部分であり、胴体２の肩部につながっている。一方、外翼１２は、主翼１０のうち外側（より胴体２から遠い側）の部分であり、内翼１１の外端部につながっている。
　主翼１０は、骨組みとして主桁２０を備えている。この主桁２０は、胴体２の肩部から外側（胴体２から遠ざかる方向）に延伸するように設けられている。より詳細には、主桁２０は、内桁２１と外桁２２を備えている。内桁２１は、主桁２０のうち内翼１１に設けられた部分であり、胴体２の肩部から外側に延伸するように設けられている。一方、外桁２２は、主桁２０のうち外翼１２に設けられた部分であり、内桁２１よりも更に外側に延伸するように設けられている。
　主翼１０には、更に、内桁２１と外桁２２との間に介在するように手首３０が設けられている。つまり、内桁２１と外桁２２は、手首３０を介して互いに接続されている。手首３０は可動部分であり、主桁２０はこの手首３０の部分で折れ曲がり可能である。手首３０の構成例については、後に説明する。
　内桁２１の胴体側端部（付け根）は、胴体２の肩部に設けられたアクチュエータ１２０に接続されている。このアクチュエータ１２０は、胴体２の肩部を回転中心として、また、Ｘ軸に平行な直線を回転軸として、内桁２１を上下方向に回転往復運動させる。それにより、内桁２１（つまり主翼１０）の「打ち下ろし動作」及び「打ち上げ動作」が実現される。
　次に、図３を参照して、内桁２１及び外桁２２の可動範囲について説明する。
　内桁２１は、胴体２の肩部を回転中心、Ｘ軸に平行な直線を回転軸として回転運動する。その回転角は、以下、「羽ばたき角θ」と参照される。内桁２１が＋Ｚ方向（上方向）に向けて回転するにつれて、羽ばたき角θは大きくなる。逆に、内桁２１が－Ｚ方向（下方向）に向けて回転するにつれて、羽ばたき角θは小さくなる。
　羽ばたき角θの変動範囲ＲＡは予め決められており、その所定の変動範囲ＲＡの上限及び下限はそれぞれθＨ及びθＬである。つまり、羽ばたき角θは、上限角度θＨと下限角度θＬとで規定される所定の変動範囲ＲＡ内で変動する。羽ばたき角θが上限角度θＨであるとき、内桁２１は最も上方（＋Ｚ方向側）に位置する。一方、羽ばたき角θが下限角度θＬであるとき、内桁２１は最も下方（－Ｚ方向側）に位置する。
　内桁２１の羽ばたき角θを変動させるのは、上述のアクチュエータ１２０である。アクチュエータ１２０は、内桁２１を上下方向に回転往復運動させ、羽ばたき角θを所定の変動範囲ＲＡ内で変動させる。内桁２１を下方向に回転運動させる動作、つまり、羽ばたき角θを下限角度θＬに向けて小さくする動作は、「打ち下ろし動作」である。一方、内桁２１を上方向に回転運動させる動作、つまり、羽ばたき角θを上限角度θＨに向けて大きくする動作は、「打ち上げ動作」である。
　手首３０を介して内桁２１に接続されている外桁２２は、内桁２１に対して相対運動する。その内桁２１と外桁２２との間の相対角度は、以下、「折り曲げ角φ」と参照される。
　ここで、折り曲げ角φの説明を容易にするために、内桁２１を基準とした相対座標系を定義する。図３に示されるように、内桁２１の延在方向はＳ方向である。このＳ方向は、Ｘ方向と直交している。また、Ｔ方向は、Ｘ方向及びＳ方向と直交する方向である。＋Ｔ方向は上方を意味し、－Ｔ方向は下方を意味する。
　外桁２２は、手首３０を回転中心、Ｘ軸に平行な直線を回転軸として、回転運動する。その回転角が、上記の「折り曲げ角φ」である。外桁２２が＋Ｔ方向（上方向）に向けて回転するにつれて、折り曲げ角φは大きくなる。逆に、外桁２２が－Ｔ方向（下方向）に向けて回転するにつれて、折り曲げ角φは小さくなる。
　折り曲げ角φの変動範囲ＲＢは予め決められており、その所定の変動範囲ＲＢの上限及び下限はそれぞれφＨ及びφＬである。つまり、折り曲げ角φは、上限角度φＨと下限角度φＬとで規定される所定の変動範囲ＲＢ内で変動する。折り曲げ角φが上限角度φＨであるとき、外桁２２は最も上方（＋Ｔ方向側）に位置する。典型的には、折り曲げ角φが上限角度φＨであるとき、内桁２１と外桁２２は一直線になる、すなわち、外桁２２の延在方向がＳ方向と一致する。但し、それに限定はされない。一方、折り曲げ角φが下限角度φＬであるとき、外桁２２は最も下方（－Ｔ方向側）に位置する。
　本実施の形態では、上述の内桁２１の場合とは異なり、外桁２２に対してアクチュエータは設けられていない。つまり、手首３０には、外桁２２を直接的且つ機械的に動かすアクチュエータは設けられていない。後に詳しく説明されるように、外桁２２は、内桁２１の打ち下ろし動作及び打ち上げ動作に追随して、“受動的”に運動するだけである。
　手首３０は、外桁２２の折り曲げ角φが所定の変動範囲ＲＢ内で可変となるように構成されている。図４Ａ及び図４Ｂは、そのような手首３０の構成の一例を概略的に示している。図４Ａは、図４Ｂ中の線Ａ－Ａ’に沿ったＳＸ断面図であり、図４Ｂは、図４Ａ中の線Ｂ－Ｂ’に沿ったＳＴ断面図である。
　図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、手首３０には、内桁２１の端部につながるコネクタ３１が設けられている。また、外桁２２の端部には、外桁２２と一体的に動く軸３２が形成されている。その軸３２が、コネクタ３１に開けられている孔と嵌合している。これにより、外桁２２は、軸３２を中心とした回転運動が可能となる。つまり、外桁２２の折り曲げ角φが可変となる。折り曲げ角φの上限角度φＨ及び下限角度φＬは、図４Ｂに示されるように、コネクタ３１の形状を調整することによって適宜設定可能である。つまり、折り曲げ角φの変動範囲ＲＢは、機械的なリミッタにより適宜設定可能である。例えば、コネクタ３１の上部の下面と外桁２２の上面とが接触する位置が上限角度φＨに対応し、コネクタ３１の下部の端面と外桁２２の下面とが接触する位置が下限角度φＬに対応する。
　また、手首３０には、折り曲げ角φを測定する角度センサ１３０が設けられている。図４Ａ及び図４Ｂに示された例では、軸３２の一端にギア３３が形成されており、外桁２２の回転と共にギア３３も回転するように構成されている。角度センサ１３０は、そのギア３３に隣接してコネクタ３１に設けられており、ギア３３の回転に基づいて外桁２２の折り曲げ角φを測定する。後に詳しく説明されるように、本実施の形態によれば、角度センサ１３０によって測定された折り曲げ角φが、内桁２１の動作制御に用いられる。
　次に、図５～図７を参照して、主翼１０の他の骨組みであるリブについて説明する。図５に示されるように、主桁２０には複数のリブ２５が取り付けられている。各々のリブ２５は、主桁２０から後方（－Ｘ方向）に延びるように設けられている。
　図６は、単一のリブ２５の構成を示している。リブ２５のうち前方側（＋Ｘ方向側）の部分は、リブ前部２５Ｆである。一方、リブ２５のうち後方側（－Ｘ方向側）の部分は、リブ後部２５Ｒである。図６に示されるように、リブ前部２５Ｆには孔２６が形成されており、その孔２６を主桁２０が通っている。つまり、リブ２５は、主桁２０を中心として回転可能に設けられている。
　また、本実施の形態において、リブ２５は、Ｓ字キャンバー（反転キャンバー）形状を有している。つまり、リブ後部２５Ｒが上方に湾曲している。このＳ字キャンバー翼の作用について、図７を参照して説明する。主翼１０の打ち下ろし動作時、Ｓ字キャンバー形状のリブ２５は、図７に示されるように、自動的にＸ方向から傾く（ねじれる）。その傾き角（ねじれ量）は、羽ばたき機１の飛行速度とその位置における主翼１０の打ち下ろし速度によって決まり、打ち下ろし速度が高くなるほど大きくなる。つまり、主翼１０の打ち下ろし動作時、主翼１０の翼面Ｌ（簡単のため、直線状に表されている）は、自動的に、Ｘ方向からある角度だけ傾く。そして、翼面ＬがＸ方向から傾くことにより、図７に示されるように、＋Ｘ方向（進行方向）の推力が発生する。つまり、風見方向に安定するよう翼面Ｌが自動的に傾いて、推力が発生する。
　尚、本実施の形態では、リブ２５に対してアクチュエータは設けられていない。つまり、リブ２５を直接的且つ機械的に動かすアクチュエータは設けられていない。上述の通り、リブ２５は、Ｓ字キャンバー形状を有しており、主翼１０の打ち下ろし動作時に自動的にＸ方向から傾く（ねじれる）。
　２．制御システム
　本実施の形態に係る羽ばたき機１は、主翼１０の羽ばたき動作を制御するための制御システム１００を搭載している。図８は、その制御システム１００の機能構成を示すブロック図である。制御システム１００は、制御装置１１０、アクチュエータ１２０、角度センサ１３０、及び角度センサ１４０を備えている。
　アクチュエータ１２０は、上述の通り、内桁２１を動かす機械機構である。アクチュエータ１２０が内桁２１を上下方向に回転運動させることにより、打ち上げ動作及び打ち下ろし動作が実現される。
　角度センサ１３０は、上述の通り、手首３０に設けられており、外桁２２の折り曲げ角φを測定する。そして、角度センサ１３０は、測定した折り曲げ角φを示す折り曲げ角データＤＢを、リアルタイムに制御装置１１０に送る。
　角度センサ１４０は、アクチュエータ１２０に設けられており、内桁２１の羽ばたき角θを測定する。そして、角度センサ１４０は、測定した羽ばたき角θを示す羽ばたき角データＤＡを、リアルタイムに制御装置１１０に送る。尚、角度センサ１４０は、必ずしも必要ない。
　制御装置１１０は、胴体２の内部に搭載されたコンピュータである。この制御装置１１０は、アクチュエータ１２０を制御することにより、内桁２１の打ち上げ動作及び打ち下ろし動作を制御する。より詳細には、制御装置１１０は、上記の羽ばたき角データＤＡ及び折り曲げ角データＤＢを受け取り、羽ばたき角θ及び折り曲げ角φをリアルタイムにモニタする。そして、制御装置１１０は、少なくとも折り曲げ角φに応じて、アクチュエータ１２０を制御し、内桁２１を動作させる。制御装置１１０による制御対象は、例えば、打ち上げ動作及び打ち下ろし動作のタイミングである。
　３．制御例
　次に、打ち下ろし動作及び打ち上げ動作の制御例を説明する。図９は、その制御例を示すタイミングチャートである。図９には、内桁２１の羽ばたき角θと外桁２２の折り曲げ角φのそれぞれの遷移が示されている。また、状態Ｓ１～Ｓ５が打ち下ろし動作に相当し、状態Ｓ６～Ｓ１０が打ち上げ動作に相当する。以下、打ち下ろし動作（状態Ｓ１～Ｓ５）と打ち上げ動作（状態Ｓ６～Ｓ１０）のそれぞれについて詳しく説明する。
　３－１．打ち下ろし動作
　図１０は、打ち下ろし動作を説明するための概念図である。図９と図１０を参照して、打ち下ろし動作について説明する。
　＜状態Ｓ１＞
　状態Ｓ１は、内桁２１及び外桁２２共に最も高く上がっている状態であり、そのとき、羽ばたき角θは上限角度θＨであり、折り曲げ角φも上限角度φＨである。この状態Ｓ１において、打ち下ろし動作が開始する。具体的には、制御装置１１０は、アクチュエータ１２０を制御して、内桁２１の打ち下ろし動作を開始させる。
　＜状態Ｓ２＞
　状態Ｓ２は、アクチュエータ１２０によって内桁２１が打ち下ろされている状態であり、そのときの羽ばたき角θは中間角度θＭ（θＨ＞θＭ＞θＬ）である。外桁２２は、内桁２１の打ち下ろし動作に追随して受動的に下方向に運動するが、そのときの折り曲げ角φは上限角度φＨのままである。
　また、上記の図７で説明されたように、Ｓ字キャンバー形状のリブ２５は、自動的にＸ方向から傾く（ねじれる）。つまり、主翼１０の翼面Ｌが、自動的に、Ｘ方向からある角度だけ傾く。それにより、＋Ｘ方向（進行方向）の推力が発生する。尚、その傾き角（ねじれ量）は、羽ばたき機１の飛行速度とその位置における主翼１０の打ち下ろし速度によって決まり、打ち下ろし速度が高くなるほど大きくなる。従って、翼端に近いほど（胴体２から離れるほど）、傾き角は大きくなり、得られる推力も大きくなる。
　＜状態Ｓ３＞
　状態Ｓ３は、内桁２１が下がりきった状態であり、そのときの羽ばたき角θは下限角度θＬである。内桁２１の運動はここで停止するが、内桁２１に追随していた外桁２２は、慣性により、そのまま運動し続ける。つまり、外桁２２は、アクチュエータがなくても、内桁２１の打ち下ろし動作の勢いによって、勝手に運動するのである。
　＜状態Ｓ４＞
　状態Ｓ４は、内桁２１が下がりきったまま、外桁２２だけが運動している状態であり、そのときの折り曲げ角φは中間角度φＭ（φＨ＞φＭ＞φＬ）である。尚、このとき、アクチュエータ１２０は、内桁２１を固定し、羽ばたき角θを下限角度θＬに維持している。
　＜状態Ｓ５＞
　状態Ｓ５は、内桁２１も外桁２２も下がりきった状態であり、そのとき、羽ばたき角θは下限角度θＬであり、折り曲げ角φも下限角度φＬである。角度センサ１３０、１４０を通して羽ばたき角θ及び折り曲げ角φをリアルタイムにモニタしている制御装置１１０は、この状態Ｓ５を検出すると、次の打ち上げ制御（状態Ｓ６参照）を開始する。つまり、内桁２１の打ち下ろし動作の後、折り曲げ角φが下限角度φＬになったことを検出すると、制御装置１１０は、アクチュエータ１２０を制御して、内桁２１の打ち上げ動作を開始させる。
　３－２．打ち上げ動作
　図１１は、打ち上げ動作を説明するための概念図である。図９と図１１を参照して、打ち上げ動作について説明する。
　＜状態Ｓ６＞
　状態Ｓ６は、上記の状態Ｓ５と同じである。この状態Ｓ６において、内桁２１の固定が解除され、打ち上げ動作が開始する。具体的には、制御装置１１０は、アクチュエータ１２０を制御して、内桁２１の打ち上げ動作を開始させる。
　＜状態Ｓ７＞
　状態Ｓ７は、アクチュエータ１２０によって内桁２１が打ち上げられている状態であり、そのときの羽ばたき角θは中間角度θＭ（θＨ＞θＭ＞θＬ）である。外桁２２は、内桁２１の打ち上げ動作に追随して受動的に上方向に運動するが、そのときの折り曲げ角φは下限角度φＬのままである。
　＜状態Ｓ８＞
　状態Ｓ８は、内桁２１が上がりきった状態であり、そのときの羽ばたき角θは上限角度θＨである。内桁２１の運動はここで停止するが、内桁２１に追随していた外桁２２は、慣性により、そのまま運動し続ける。つまり、外桁２２は、アクチュエータがなくても、内桁２１の打ち上げ動作の勢いによって、勝手に運動するのである。
　＜状態Ｓ９＞
　状態Ｓ９は、内桁２１が上がりきったまま、外桁２２だけが運動している状態であり、そのときの折り曲げ角φは中間角度φＭ（φＨ＞φＭ＞φＬ）である。尚、このとき、アクチュエータ１２０は、内桁２１を固定し、羽ばたき角θを上限角度θＨに維持している。
　＜状態Ｓ１０＞
　状態Ｓ１０は、内桁２１も外桁２２も上がりきった状態であり、そのとき、羽ばたき角θは上限角度θＨであり、折り曲げ角φも上限角度φＨである。角度センサ１３０、１４０を通して羽ばたき角θ及び折り曲げ角φをリアルタイムにモニタしている制御装置１１０は、この状態Ｓ１０を検出すると、上述の打ち下ろし制御（状態Ｓ１参照）を開始する。つまり、内桁２１の打ち上げ動作の後、折り曲げ角φが上限角度φＨになったことを検出すると、制御装置１１０は、アクチュエータ１２０を制御して、内桁２１の打ち下ろし動作を開始させる。
　尚、打ち上げ動作において、主翼１０は空気力によって自動的に打ち上げられる可能性もある。そのような場合には、アクチュエータ１２０を用いて内桁２１を能動的に動かす必要はない。状態Ｓ６において、制御装置１１０は、アクチュエータ１２０を制御して、内桁２１の固定の解除だけすればよい。
　以上に説明された打ち下ろし動作と打ち上げ動作の繰り返しにより、本実施の形態に係る羽ばたき機１の羽ばたき動作が実現される。
　４．効果
　本実施の形態によれば、羽ばたき１の主翼１０は、模擬された手首３０を備えており、折れ曲がり可能に構成される。従って、一枚翼の場合と比較して、擬態性が向上し、また、推力損失及び抵抗増加が抑制される。
　更に、本実施の形態によれば、次のような効果が得られる。その効果を説明するために、まず、次のような比較例を考える。
　比較例では、手首３０に、外桁２２を直接的且つ機械的に動かすアクチュエータ（モータ、リンク機構等）が設けられる。そして、内桁２１だけでなく、外桁２２もアクチュエータを用いて強制的に動作させる。また、リブ２５に関してもアクチュエータが設けられ、リブ２５を強制的に傾けることにより、翼面ＬがＸ方向から傾けられる。アクチュエータを用いた内桁２１、外桁２２、及びリブ２５のそれぞれの動作状態（動作タイミング、動作周波数、動作速度）は、それぞれ適宜設定されるとする。
　このような比較例の場合、以下の問題が考えられる。それは、まず、余分なアクチュエータ及び配線が必要なことによる、重量の増加及び機構の複雑化である。また、外桁２２やリブ２５を強制的に動かすことは、自然の鳥の機構とは異なるため、擬態性が低下する。
　更に、外桁２２が上がりきる前（折り曲げ角φが上限角度φＨになる前）に打ち下ろし動作が開始したり、外桁２２が下がりきる前（折り曲げ角φが下限角度φＬになる前）に打ち上げ動作が開始したりすると、推力損失、抵抗増加、擬態性低下といった問題が発生する。そのような問題を防ぐためには、内桁２１、外桁２２、及びリブ２５のそれぞれの動作を適切に制御する必要がある。しかしながら、適切な動作状態（動作タイミング、動作周波数、動作速度）は、飛しょう速度等の環境によって大きく異なってくる。よって、飛しょう速度等の環境の変化に応じて内桁２１、外桁２２、及びリブ２５のそれぞれの動作状態を動的に制御する必要があるが、そのような動的制御は非常に困難である。すなわち、比較例は、環境への適応性が悪い。
　このような比較例に対し、本実施の形態では、手首３０には、外桁２２を直接的且つ機械的に動かすアクチュエータは設けられていない。外桁２２は、内桁２１の打ち下ろし動作及び打ち上げ動作に追随して受動的に運動するだけである。図１０及び図１１で説明されたように、内桁２１に追随して動く外桁２２は、アクチュエータがなくても、内桁２１の打ち上げ動作あるいは打ち下げ動作の勢いによって、勝手に運動するのである。
　また、リブ２５に対しても、アクチュエータは設けられていない。つまり、リブ２５を直接的且つ機械的に動かすアクチュエータは設けられていない。図６及び図７で説明されたように、リブ２５は、Ｓ字キャンバー形状を有しており、主翼１０の打ち下ろし動作時に自動的にＸ方向から傾くのである。
　このように、外桁２２やリブ２５に対して余分なアクチュエータを設ける必要がないため、重量の低減及び機構の簡素化が可能となる。また、外桁２２やリブ２５が強制的に動かされることはないため、擬態性が向上し、また、推力損失及び抵抗増加が抑制される。
　更に、本実施の形態によれば、外桁２２の折り曲げ角φを測定する角度センサ１３０が手首３０に設けられている。そして、制御装置１１０は、角度センサ１３０によって測定された折り曲げ角φに応じて、アクチュエータ１２０を制御し、内桁２１を動作させる。その結果、図９～図１１で示されたように、外桁２２が上がりきった後（折り曲げ角φが上限角度φＨになった後）に打ち下ろし動作を開始させることが可能となる。また、外桁２２が下がりきった後（折り曲げ角φが下限角度φＬになった後）に打ち上げ動作を開始させることが可能となる。すなわち、推力、抵抗、擬態性の観点から最適な羽ばたき動作が実現可能となる。角度センサ１３０を用いて折り曲げ角φそのものをモニタしているため、飛しょう速度等の環境にかかわらず、いつも最適な羽ばたき動作が実現されるのである。その意味で、本実施の形態は、環境への適応性が高いと言える。
　５．変形例
　５－１．第１の変形例
　上述の通り、本実施の形態によれば、外桁２２は、内桁２１の打ち下ろし動作及び打ち上げ動作に追随して受動的に運動する。しかし、そのままでは、外桁２２の動きがカクカクしたものになる恐れがある。そこで、図１２に示されるように、手首３０に緩衝材４０が設けられてもよい。この緩衝材４０は、内桁２１に対する外桁２２の相対運動の勢いを緩和する役割を果たす。例えば、緩衝材４０は、外桁２２と支持部材との間に接続されたバネである。このような緩衝材４０により、外桁２２の急激な動きを抑えることが可能になる。その結果、羽ばたき機１の擬態性が更に向上する。
　５－２．第２の変形例
　図９～図１１で説明された制御例では、φ＝φＨもしくはφ＝φＬの検出をトリガーとして、アクチュエータ１２０を作動させ、内桁２１を動かしていた。しかし、トリガーとなる折り曲げ角φの基準値は、必ずしも上限角度φＨや下限角度φＬでなくてもよい。トリガーとなる折り曲げ角φの基準値は、羽ばたき機１の動作モードや使用目的に応じて、適宜設定されてもよい。
　以上、本発明の実施の形態が添付の図面を参照することにより説明された。但し、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で当業者により適宜変更され得る。
　なお、この出願は、２０１３年２月２１日に出願された日本特許出願２０１３－０３２５４４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てを引用によりここに組み込む。

Claims (7)

  1. 　胴体に取り付けられた主翼と、
    　前記主翼の羽ばたき動作を制御する制御システムと
    　を備え、
    　前記主翼は、
    　　前記胴体から外側に延伸するように設けられた内桁と、
    　　前記内桁よりも更に外側に延伸するように設けられた外桁と、
    　　前記内桁と前記外桁との間に介在し、前記内桁と前記外桁との間の相対角度である折り曲げ角が所定の変動範囲内で可変となるように構成された手首と
    　を備え、
    　前記制御システムは、
    　　前記内桁を上下方向に運動させることによって、前記内桁の打ち上げ動作及び打ち下ろし動作を行うアクチュエータと、
    　　前記手首に設けられ、前記折り曲げ角を測定する角度センサと、
    　　前記角度センサによって測定された前記折り曲げ角に応じて、前記アクチュエータを制御して前記内桁を動作させる制御装置と
    　を備える
    　羽ばたき機。
  2. 　請求項１に記載の羽ばたき機であって、
    　前記所定の変動範囲のうち前記外桁が最も上方に位置する前記折り曲げ角は、上限角度であり、
    　前記内桁の前記打ち上げ動作の後、前記折り曲げ角が前記上限角度になったことを検出すると、前記制御装置は、前記アクチュエータを制御して前記内桁の前記打ち下ろし動作を開始させる
    　羽ばたき機。
  3. 　請求項１又は２に記載の羽ばたき機であって、
    　前記所定の変動範囲のうち前記外桁が最も下方に位置する前記折り曲げ角は、下限角度であり、
    　前記内桁の前記打ち下ろし動作の後、前記折り曲げ角が前記下限角度になったことを検出すると、前記制御装置は、前記アクチュエータを制御して前記内桁の前記打ち上げ動作を開始させる
    　羽ばたき機。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一項に記載の羽ばたき機であって、
    　前記外桁を機械的に動かすアクチュエータは設けられていない
    　羽ばたき機。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか一項に記載の羽ばたき機であって、
    　前記内桁に対する前記外桁の相対運動の勢いを緩和する緩衝材が前記手首に設けられている
    　羽ばたき機。
  6. 　請求項１乃至５のいずれか一項に記載の羽ばたき機であって、
    　前記主翼の主桁は、前記内桁と前記外桁とを備え、
    　前記主翼は更に、前記主桁から後方に延びるように設けられたリブを備え、
    　前記リブは、Ｓ字キャンバー形状を有している
    　羽ばたき機。
  7. 　請求項６に記載の羽ばたき機であって、
    　前記リブを機械的に動かすアクチュエータは設けられていない
    　羽ばたき機。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5995745B2 (ja) 2013-02-21 2016-09-21 三菱重工業株式会社 羽ばたき機
JP6192307B2 (ja) * 2013-02-21 2017-09-06 三菱重工業株式会社 羽ばたき機
CN106904272B (zh) * 2017-02-23 2019-05-28 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种尾翼可摆动的扑翼机器人飞行控制装置及方法
DE102018002782B4 (de) * 2018-04-06 2025-08-21 Peter Jüstel Flugsystem
CN109808881B (zh) * 2019-04-01 2022-07-26 西北工业大学 一种仿生可折叠式双翼扑动机构
CN211685616U (zh) * 2020-01-05 2020-10-16 仿翼(北京)科技有限公司 一种飞行器
US11511855B2 (en) 2020-04-22 2022-11-29 Dongxiu LU Ornithopter aircraft

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE568062C (de) * 1929-12-10 1933-01-13 Frederick W Ellyson Schwingenflugzeug
JP3116172U (ja) * 2005-07-29 2005-12-02 哲夫 市川 模型はばたき飛行機のはばたき機構
JP4675346B2 (ja) 2005-09-15 2011-04-20 シャープ株式会社 羽ばたき浮上移動装置
JP2011195050A (ja) * 2010-03-19 2011-10-06 Uha Mikakuto Co Ltd 小型飛翔装置
JP2013032544A (ja) 2012-10-31 2013-02-14 Showa Shell Sekiyu Kk 潤滑油組成物

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1450480A (en) * 1918-10-23 1923-04-03 James W Buck Mechanical bird
US1428559A (en) * 1921-03-02 1922-09-12 Francois M Rilleau Sustaining element or feather for flying-machine wings
US1485163A (en) * 1923-01-30 1924-02-26 Braun Frank Flying machine
CH111918A (fr) 1924-12-31 1926-02-01 Estoppey Marty Victor Dispositif sustentateur-propulseur aérien, destiné au déplacement de corps ou de véhicules.
US1679356A (en) * 1927-05-03 1928-08-07 Grunewald Heinrich Aeroplane
DE701691C (de) 1937-08-29 1941-01-22 Bruno Harks Schwingenantrieb fuer Luftfahrzeuge mit Reifenfuehrung der schwingenden Holme
US2757886A (en) * 1955-05-10 1956-08-07 Roy E Correa Manually sustained glider type aircraft
CH348326A (de) 1955-10-10 1960-08-15 Walther Dipl Ing Filter Flugzeug mit Schwingflügeln
US4417707A (en) * 1982-01-26 1983-11-29 Ken Leong Human powered hang glider
DE3537365A1 (de) * 1985-10-19 1987-04-23 Dausch Ernst Schwingenflugzeug mit muskelkraftantrieb
DE3642640A1 (de) 1986-12-13 1988-06-23 Dieter M Schulz Tragflaechenauslegung fuer bodeneffektflugzeuge
FR2609275B1 (fr) 1987-01-07 1989-03-31 Riout Roland Aile profilee a deformation commandee et applications en particulier aux aeronefs a ailes battantes
US5170965A (en) 1991-05-01 1992-12-15 Hiroaki Yasuda Hang glider which can fly by human strength
US5288039A (en) 1992-07-29 1994-02-22 Delaurier James D Spanwise graded twist panel
US6250585B1 (en) * 1997-09-05 2001-06-26 Nekton Technologies, Inc. Impellers with bladelike elements and compliant tuned transmission shafts and vehicles including same
JP3889956B2 (ja) * 2001-02-27 2007-03-07 シャープ株式会社 移動装置
DE10137623B4 (de) 2001-08-03 2010-02-04 Christoph Schindler Bewegungssystem für einen Körper im gasförmigen und flüssigen Medium durch flexieble Flächen
CN1118385C (zh) 2001-12-07 2003-08-20 程纪 水上扑翼飞行汽车
US6802473B2 (en) 2002-06-14 2004-10-12 Richard Charron Ornithopter with flexible fuselage
US6659397B1 (en) 2002-10-18 2003-12-09 Richard Charron Control system for ornithopter
GB2400089B (en) 2003-04-04 2006-07-26 Adrian Alexander Hubbard High lift and high strength aerofoil section
US7007889B2 (en) * 2004-06-15 2006-03-07 Richard Charron Flexible airfoils and method
US7255305B2 (en) 2004-11-02 2007-08-14 Milan Dennis Earl Flying device utilizing natural principles
JP4986212B2 (ja) 2006-07-18 2012-07-25 学校法人日本大学 羽ばたき飛行機
US7607610B1 (en) * 2007-04-23 2009-10-27 Robert Sterchak Ornithopter having a wing structure and a mechanism for imparting realistic, bird-like motion thereto
JP5090842B2 (ja) * 2007-10-05 2012-12-05 公立大学法人大阪府立大学 羽ばたき飛行装置
FR2935681A1 (fr) 2008-09-11 2010-03-12 Christophe Roques Aile elastique
GB0922168D0 (en) * 2009-12-18 2010-02-03 Greenyer Guy T Ornithopter engine and method for using the same
WO2014028083A2 (en) * 2012-05-24 2014-02-20 Murdock Douglas C Human power-assisted articulating-winged avian soaring platform (hpaawasp)
JP6192307B2 (ja) * 2013-02-21 2017-09-06 三菱重工業株式会社 羽ばたき機
JP5995745B2 (ja) 2013-02-21 2016-09-21 三菱重工業株式会社 羽ばたき機
US9216823B2 (en) * 2013-03-15 2015-12-22 Francois MATTE Wing flapping mechanism and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE568062C (de) * 1929-12-10 1933-01-13 Frederick W Ellyson Schwingenflugzeug
JP3116172U (ja) * 2005-07-29 2005-12-02 哲夫 市川 模型はばたき飛行機のはばたき機構
JP4675346B2 (ja) 2005-09-15 2011-04-20 シャープ株式会社 羽ばたき浮上移動装置
JP2011195050A (ja) * 2010-03-19 2011-10-06 Uha Mikakuto Co Ltd 小型飛翔装置
JP2013032544A (ja) 2012-10-31 2013-02-14 Showa Shell Sekiyu Kk 潤滑油組成物

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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Publication number Publication date
US20160009389A1 (en) 2016-01-14
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