JP2002244734A - トラッキング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １自由度の動きの制御により６自由度に動く
トラッキング装置を提供する。 【解決手段】 トラッキング装置１００は、外部材１１
０と外部材１１０に対して相対的に回転する内部材１２
０を含む。モータ１３０は、内部材１２０に取り付けら
れ、外部材１１０に接着したロータ軸１３５を含む。磁
場などの現象を感知する１組のターゲットセンサ１５
０，１５５は、モータ１３０の回転を制御するコントロ
ーラ１７０へ入力を提供する。内部材１２０に角度を加
えることによって、外部材１１０に等しくかつ反対方向
の角度が加えられることになり、トラッキング装置１０
０はターゲットの方へ回転する。内部材の回転を突然止
めることによって、またはモータ１３０の加速を突然増
減することによって、または外部材１１０に固定された
リンク機構を内部材の回転経路に挿入することによっ
て、トラッキング装置１００はぴょんと跳ぶ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、制御可能な１自由
度を有し、６自由度で動くことができるトラッキング装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】トラッキング装置は、惑星探査、移動リ
モートセンシング、人、動物、自動車などの地上をベー
スにする移動主体の追跡、自動的に配置可能な外辺部の
センサ、スマート爆弾などの分野で使用することができ
る。しかし、トラッキング装置が６自由度で動くために
は、複雑な推進および制御のシステムが必要である。こ
のため、トラッキング装置は費用とサイズが増大すると
いう結果になる。

【０００３】真核単細胞をもつ微生物は、トラッキング
装置として機能するが、１自由度のみを制御できる。し
かし、微生物は６自由度で食物源や光のような感知され
た刺激物の方へ動いたり、それから離れたりすることが
できる。微生物は１自由度を制御し、本来、螺旋形で前
進する。微生物は、１自由度の動きの速度を単純なフィ
ードバックシステムを介して変調することによって、刺
激物を追跡する。微生物は回転するので、刺激物を正弦
曲線的に感知する。感知した刺激物に直接比例するよう
に回転速度を変調することによって、微生物は、変調の
感知に応じて、歳差運動、すなわち加えられた外力によ
る微生物の軸の動きにより、刺激物の方へ動いたり、そ
れから離れたりする。単細胞をもつ微生物の動きは、Ｈ
ｕｇｈＣ．ＣｒｅｎｓｈａｗによりＢｕｌｌｅｔｉｎ
ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｖ
ｏｌ．５５，Ｎｏ．１，ｐｐ．１９７‐２１２（１９９
３）に公表された“Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｈ
ｅｌｉｃａｌ Ｍｏｔｉｏｎ−Ｉ．Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ
ｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｏｔｉｏｎ ｏ
ｆ Ｏｒｇａｎｉｓｍｓ ｗｉｔｈ ｕｐ ｔｏ Ｓｉ
ｘ Ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ Ｆｒｅｅｄｏｍ”に、より
完全な形で記載されている。本論文は、その全体の参照
により本願明細書に援用する。

【０００４】玩具および娯楽装置として使用される自走
式ボールは、例えば、米国特許第５，５３３，９２０
号、第５，４３９，４０８号、および第４，４３８，５
８８号から既知である。Ａｒａｄ等による米国特許第
５，５３３，９２０号は、中央に、または偏心的に据え
付けられた自走式デバイス、および集積回路音響効果チ
ップを有する自走式音楽玩具ボールを開示する。ボール
が障害物に衝突すると自走式デバイスを止めるバンプス
イッチを、ボールは備える。Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎによる
米国特許第５，４３９，４０８号は、受信機と駆動部を
含む推進機構を有する遠隔制御移動可能ボール娯楽装置
を開示する。制御部は、遠隔制御部からの信号により作
動するモータによって回転する偏心的に据え付けられた
おもりを含む。Ｍａｒｔｉｎによる米国特許第４，４３
８，５８８号は、ボールに挿入された遠隔制御の玩具の
車両を含む遠隔制御ボールと、車両が転倒すると電源が
切れるスイッチを含む遠隔制御ボールを開示する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ボールは、複雑なトランスミッションを含み、また、タ
ーゲットを追跡することができない。また、ボールはオ
ペレータによる開始と監督を必要とし、従来のバッテリ
ーなどの限定されたタイプの電源でしか作動することが
できない。

【０００６】本発明は、以上の問題を解決するためのも
のであり、その目的は１自由度で動きを制御することに
よって、６自由度で動くことができるトラッキング装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に従ったトラッキ
ング装置のさまざまな実施形態では、トラッキング装置
は、外部材と、外部材に対して相対的に回転できる内部
材を備える。モータは、内部材に取り付けられ、外部材
に接着するロータ軸を含む。少なくとも１つの電源がモ
ータに提供される。１組の接地センサと１組のターゲッ
トセンサが、外部材に対する内部材の回転を増減するた
めに、コントローラへの入力を与える。

【０００８】本発明の特徴と利点などは、本発明に従っ
たシステムと方法のさまざまな実施形態の以下の詳細な
説明に記載され、またはそこから明らかである。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に従ったトラッキ
ング装置１００の第１の実施形態の透視図である。外部
材１１０は、内部材１２０に対して相対的回転できる。
図１に示されるように、外部材１１０は球面でありうる
し、内部材１２０は円板形でありうる。モータ１３０は
内部材１２０に取り付けられる。モータ１３０のロータ
軸１３５は外部材１１０に接着する。ロータ軸１３５は
トラッキング装置１００のスピン軸（spinning axis）
１３６を規定する。ロータ軸１３５の回転によって、内
部材１２０は、外部材１１０に対して回転運動式に回転
する。本発明に従ったトラッキング装置１００のさまざ
まな実施形態では、内部材１２０は、一定して外部材１
１０に対して回転する。しかし、モータ１３０は、指定
された条件下でロータ軸１３５を回転させるために選択
的に作動可能にしてもよいことを認識されたい。

【００１０】１乃至複数の電源１４０，１４５が内部材
１２０に取り付けられ、電力をモータ１３０に供給す
る。２つの電源１４０，１４５が図示されているが、２
つより多くの電源が供給されてもよく、１つの電源のみ
が供給されてもよいことを認識されたい。本発明に従っ
たトラッキング装置のさまざまな実施形態では、電源１
４０，１４５はバッテリーである。本発明のさまざまな
実施形態では、電源１４０，１４５は太陽電池であって
もよい。モータ１３０へ電力を供給できる電源はすべて
１つ以上の電源として使用してよいことを認識された
い。

【００１１】２つのターゲットセンサ１５０，１５５は
内部材１２０上に備えられる。ターゲットセンサ１５
０，１５５は、磁界、音、光、無線周波放射などの重大
な結果を生じるすべての現象を感知できる。それに加え
て、ターゲットセンサ１５０，１５５は全地球測位シス
テム（ＧＰＳ）からの信号に応答することもできる。

【００１２】本発明に従ったトラッキング装置のさまざ
まな実施形態に従って、ターゲットセンサは太陽電池で
あってもよい。太陽電池の使用によってトラッキング装
置１００は、惑星が回転するのにつれて太陽を追跡する
ことでき、トラッキング装置を惑星探査に使用すること
ができる。太陽電池は、太陽を感知することに加えて、
モータ１３０への電源として機能することもできる。

【００１３】２つの接地センサ１６０，１６５も、内部
材１２０上で互いに正反対に備えられる。接地センサ１
６０，１６５は近接センサであってよい。図２に示され
るように、ターゲットセンサ１５０，１５５は、接地セ
ンサ１６０，１６５が互いに正反対になる方向とは垂直
の方向で、互いに正反対に備えられる。しかし、ターゲ
ットセンサ１５０，１５５が互いに正反対になり、接地
センサ１６０，１６５が互いに正反対になるかぎり、他
のセンサ位置付け配列が使用されてもよいことを認識さ
れたい。

【００１４】図２に示されるように、各センサ１５０，
１５５，１６０，１６５は、それぞれ、信号Ｓ１５０，
Ｓ１５５，Ｓ１６０，Ｓ１６５を、モータ１３０の回転
速度を制御するコントローラ１７０に出力する。信号Ｓ
１５０，Ｓ１５５，Ｓ１６０，Ｓ１６５は、図３に示さ
れるように、それぞれ、ターゲット２００からのセンサ
１５０，１５５，１６０，１６５の距離に比例する。コ
ントローラ１７０はそれぞれのセンサの組の１５０，１
５５とセンサ１６０，１６５の差の積Ｐを以下のように
決定する。

【００１５】 Ｐ＝（Ｓ１５０‐Ｓ１５５）×（Ｓ１６０‐Ｓ１６５） 積Ｐが正の値であれば、トラッキング装置１００がター
ゲット２００の方へ動くように、コントローラ１７０は
モータ１３０を制御し、内部材１２０の回転を増す。逆
に、ターゲット２００がトラッキング装置１００の他方
の側にあった場合には、積Ｐは負の値であり、コントロ
ーラはモータ１３０を制御して内部材１２０の回転を減
する。コントローラ１７０は、トラッキング装置１００
をターゲット２００の方へ動かすように記載されている
が、トラッキング装置１００をターゲット２００から離
れるようにコントローラ１７０がモータ１３０を制御し
てもよいことを認識されたい。

【００１６】図３を参照すると、トラッキング装置１０
０がターゲット２００に最も近づいているときには、タ
ーゲットセンサ１５０はターゲット２００により近いの
で、ターゲットセンサ１５０によって提供される信号Ｓ
１５０は、ターゲットセンサ１５５によって提供される
信号Ｓ１５５より大きい。それに加えて、接地センサ１
６０は、接地センサ１６５より地面２１０に近いので、
接地センサ１６５によって提供される信号Ｓ１６５より
大きい信号Ｓ１６０を提供することになる。差（Ｓ１５
０‐Ｓ１５５）が正で、差（Ｓ１６０‐Ｓ１６５）が正
であるので、差の積Ｐは正である。従って、コントロー
ラ１７０は、内部材１２０の内部回転を増すモータ１３
０の回転を増すことになる。内部材１２０の角度の増大
によって、外部材１１０に等しく、かつ反対方向の角度
の増大が生じることになり、トラッキング装置１００は
ターゲット２００の方へ回転し始めることになる。

【００１７】トラッキング装置１００のロータ軸１３５
によって規定されるスピン軸１３６は、重力によって自
然に歳差運動する傾向にあり、スピン軸１３６の姿勢は
回転する傾向にある。歳差運動が生じると、トラッキン
グ装置１００はターゲット２００の方へ回転することに
なる。図３に示されるように、スピン軸が１３６が地面
２１０に対して傾斜しているときは、トラッキング装置
１００は回転することになる。しかし、トラッキング装
置１００の外部材１１０が回転しない鞍部(saddle poin
ts)がある。スピン軸１３６が地面２１０に垂直、また
はターゲット２００に垂直、または重力に平行になると
きには、外部材の１１０の回転は生じない。しかし、鞍
部は不安定であることから、トラッキング装置の構成部
品内の通常の「雑音」がスピン軸１３６を鞍部からはず
させ、外部材１１０の回転を生じさせる。スピン軸１３
６の他の位置にある場合はすべて、トラッキング装置１
００の外部材１１０は、構成要素をターゲット２００に
向かわせるベクトルに沿って増大することになる。

【００１８】外部材１１０は球体として図１および図３
に示されているが、外部材１１０が球体である必要はな
いことを認識されたい。図４に示されるように、本発明
に従った第２の実施形態のトラッキング装置１０００
は、卵形の外部材１１１０を含んでもよい。卵形の外部
材１１１０の使用によって、トラッキング装置は鞍部を
より容易に避けることができる。

【００１９】図５は、本発明に従ったトラッキング装置
１００の第３の実施形態を示す。図５に示されているよ
うに、トラッキング装置１００は内部材１２０の回転を
突然止めることによって、またはモータ１３０の加速を
突然、増減することによって、ぴょんと跳ぶ(hop)こと
ができる。内部材１２０の回転は、外部材１１０に固定
されたリンク機構を、外部材１１０の回転経路へ挿入す
ることによって、突然止めることができる。例えば、外
部材１１０に取り付けられたソレノイド１８０のソレノ
イドプランジャー１８５は、内部材１２０に接続するコ
ントローラ１７０によって、内部材１２０の回転を突然
止めるために制御されてよい。トラッキング装置１００
が障害物によって止まった場合は、トラッキング装置
は、ぴょんと跳んで障害物への経路からはずれることが
できる。

【００２０】図６は、本発明に従った回転装置１０１の
実施形態を示す。図６に示されるように、回転装置１０
１は、ターゲットセンサ１５０，１５５、および接地セ
ンサ１６０，１６５が提供されないことを除いては、図
１および図５に示されるトラッキング装置１００と類似
する。回転装置１０１は、内部メンバー１２０の回転を
突然止めることによって、またはモータ１３０の加速を
突然増減することによって、ぴょんと跳ぶことができ
る。内部メンバー１２０の回転を突然止めるために、外
部メンバー１１０に取り付けられたソレノイド１８０の
ソレノイドプランジャー１８５を内部材１２０の回転経
路に挿入することによって、内部材１２０の回転を突然
止めることができる。コントローラ１７０は、指定され
た条件下で、または不規則に、ソレノイドプランジャー
１８５を内部メンバーの回転経路に挿入するようにプロ
グラムしてもよい。

【００２１】回転装置１０１はソレノイドプランジャー
１８５を内部材１２０と接続するように挿入することに
よってぴょんと跳ぶように説明してきたが、装置１０１
は回転せずに跳ぶことによってのみ動く跳躍装置として
構成することもできることを認識されたい。

【００２２】本願明細書に開示される発明に従ったさま
ざまな模範的なトラッキング装置は、移動リモートセン
サ、惑星探査、人、動物および／または車両などの地上
をベースにする移動主体の追跡、自動的に配置可能な外
辺部のセンサ、表示用ロボットピクセルまたは高性能ト
ナー、レーザー誘導のスマート爆弾またはスタン手榴
弾、玩具、ロボペット、自動綿ごみ収集装置および／ま
たは小型旅行かばんキャリアーにおいて、使用してもよ
い。本願明細書に開示される発明に従ったさまざまな模
範的なトラッキング装置は、たった１つのモータを含
み、トランスミッションがなく、コントローラが単一な
ので、トラッキング装置１００，１０００の費用と複雑
さは少なくなっている。

【００２３】図２に示されるコントローラ１７０は、物
理的に明白なハードウェア回路またはＡＳＩＣとして、
あるいはＦＰＧＡ、ＰＤＬ、ＰＬＡまたはＰＡＬを使っ
て、あるいは離散的論理素子または離散的回路素子を使
って、実装することができることを理解されたい。図２
に示されるコントローラ１７０が取る特定の形態は、設
計の選択であり、当業者には明らかで予測できるであろ
う。例えば、コントローラ１７０は、３つの信号処理演
算増幅器、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、パワート
ランジスタおよびパワー抵抗を含んでもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るトラッキング装置の第１の実施
形態を概略的に示す透視図である。

【図２】 本実施の形態におけるトラッキング装置の内
部材、接地センサ、ターゲットセンサ、およびコントロ
ーラを概略的に示す透視図である。

【図３】 本実施の形態におけるトラッキング装置の制
御を概略的に示す透視図である。

【図４】 本発明に係るトラッキング装置の第２の実施
形態を概略的に示す透視図である。

【図５】 本発明に係るトラッキング装置の第３の実施
形態を概略的に示す透視図である。

【図６】 本発明に係る模範的な回転装置を概略的に示
す透視図である。

【符号の説明】

１００，１０００ トラッキング装置、１０１ 回転装
置、１１０，１１１０外部材、１２０ 内部材、１３０
モータ、１３５ ロータ軸、１３６ スピン軸、１４
０，１４５ 電源、１５０，１５５ ターゲットセン
サ、１６０，１６５ 接地コントローラ、１７０ コン
トローラ、１８０ ソレノイド、１８５ソレノイドプラ
ンジャー、２００ ターゲット、２１０ 地面、Ｓ１５
０，Ｓ１５５，Ｓ１６０，Ｓ１６５ 信号。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部材と、 外部材に対して相対的に回転できる内部材と、 内部材に取り付けられ、外部材に接着するロータ軸を含
   むモータと、 モータのための少なくとも１つの電源と、 ターゲットを検出する内部材上の１組のターゲットセン
   サと、 内部材上の１組の接地センサと、 ターゲットセンサと接地センサによって供給される信号
   に基づいてロータ軸の回転を制御するコントローラと、 を備えることを特徴とするトラッキング装置。