JP2014224752A

JP2014224752A - 三次元走査装置

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Publication number: JP2014224752A
Application number: JP2013103979A
Authority: JP
Inventors: 尚人野口; Naoto Noguchi; 根浩李; Konko Lee; 丁　洛榮; Rakuei Cho; 洛榮丁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2014-12-04
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: JP5317253B1

Abstract

【課題】単純な機構と単一の動力装置により、複数の走査軌跡での走査を可能とする伝達動力切替機構を備えた三次元走査機構を提供する。【解決手段】差動歯車装置２２と固定装置１５，１６によって、動力装置１１からの動力を下部フランジへ伝達することで、当該下部フランジがスタッドボルト４の周囲を軸回りに回転し、当該下部フランジの軸回りの回転力がリンク機構を介して上部フランジに伝達されることで当該上部フランジはスタッドボルトの外周面を軸回りに螺旋状に回転しながら上下方向に移動可能であり、一方、当該動力をスタッドボルトへ伝達することで上部フランジは上下方向にのみ直線的に移動する動作を選択可能な構成となっている。【選択図】図５

Description

本発明は、単一の動力源において複数の走査軌跡による走査を可能とする三次元走査機構に関するものである。

近年、センサーを用いて周囲の計測を行い、障害物や対象物を検出するシステムの研究開発が盛んに行われている。例としてあげられるものは、ロボット、自動車の危険回避システム、警備装置、家電等、他にも様々な装置があり、周囲情報をセンサーにより取得することは、重要な要素である。三次元の走査を実現することにより、これらのシステムにおいて詳細な障害物の検知や環境の認識といった高度な処理内容も実行することが可能となる。しかし、測定手段となるセンサー単体での検出範囲には必ず制限があり、何らかの可動機構を付加することで三次元の走査を実現する必要がある。

三次元を走査するために従来から用いられている機構例として、非特許文献１で提案されているような、縦方向の回転軸及び横方向の回転軸の二軸を有した可動機構（パン・チルト機構）が挙げられる。この機構では、多軸の動きを組み合わせることによって、三次元の走査を実現している。

次に、別の機構例として、ミラーやレンズといった光学装置をモーター等の動力装置で調節し、レーザー光の方向を制御することで三次元の走査を実現する機構も特許文献１等で提案されている。

また、非特許文献４で提案されている手法では、レーザーレンジファインダをはじめとする二次元センサーを利用することを前提としている。それらのセンサーに機構を付加し動かすことで三次元の領域に対応できるように考案されている。

そして、特許文献３では、本願発明者は一つのモーターと単純な機構により、螺旋軌道を描くことによって三次元を走査する三次元測定装置を考案した。考案した機構は、従来技術の問題点であるサイズや重量を軽減することができると共に、搭載できるセンサーは限定しないため汎用性も有している。

特開2003-177014号公報特開2008-134163号公報特許第5129384号

K. Ohno, T.Kawahara, S. Tadokoro, "Development of 3D Laser Scanner for Measuring Uniformand Dense 3D Shapes of Static Objects in Dynamic Environment", Proc. IEEE Int.Conf. Robotics and Biomimetics, pp.2161-2167, 2008 T. Yoshida, K.Irie, E. Koyanagi and M. Tomono, "3D Laser Scanner with Gazing Ability", Proc.IEEE Int. Conf. Robotics and Automation, pp.3098-3103, 2011 J. Morales, J. L. Martinez,A. Mandow, A. Pequeno-Boter, and A. Garcia-Cerezo, "Design and Development of aFast and Precise Low-Cost 3D Laser Rangefinder", Proc. IEEE Int. Conf.Mechatronics, 2011 根元善太郎(東京理科大），"全方位型３次元小型レーザレンジスキャナの構築と対象物体の抽出"，ROBOMEC2007

上記特許文献３では、従来の技術の問題点を解決する手段として、一台のモーターを動力源として三次元の走査を行う機構を考案した。しかし、図１及び図２に示すように水平面より上方を螺旋の軌道を描いて三次元走査を行うことはできるが、一方で定められた軌道でしか走査することができない問題が生じる。従って、対象や空間を限定し、測定対象を追跡したい場合や、一定の空間の走査をするなどの螺旋軌道の経路を外れた走査をすることは現在の機構では困難である。モーターと機構を新たに追加することで、軌道を可変にすることは可能であるが、小型で軽量という特徴を損なうことになる。そこで、本発明は、特許文献３の三次元測定装置の小型で軽量という特徴を損なうことなく走査軌道を変更可能にするために、モーターを追加せずに軌道変更を可能とすることを目的としている。

本発明の三次元走査装置は、上下方向に立設されたスタッドボルトと、回転力を供給する一つの動力装置と、前記動力装置の回転力を受けて上下方向に移動することなく前記スタッドボルトの軸回りを回転する下部フランジと、前記動力装置の回転力を受けて上下方向に移動しながら前記スタッドボルトの軸回りを回転する上部フランジと、前記下部フランジに伝達された前記回転力を第一アーム及び第二アームを介して前記上部フランジに伝達するリンク機構とを備え、前記第一アームはその前端と後端の間で前記上部フランジに軸支されると共に、当該前端には測定手段が取り付けられており、当該後端には前記第二アームの前端が軸支されており、当該第二アームはその後端において前記下部フランジに軸支されており、前記動力装置の回転力を受けて、前記上部フランジが上方に移動して当該上部フランジと前記下部フランジとの間隔が広がると、前記第一アームの前端がスタッドボルトの軸回りに回転しながら上部フランジに軸支されている箇所を中心にして上方へ移動していき、これにより測定手段の移動軌跡が縮径しながら螺旋形状を描き、一方、前記上部フランジが下方に移動して当該上部フランジと下部フランジとの間隔が狭まると、前記第一アームの前端がスタッドボルトの軸回りに回転しながら上部フランジに軸支されている箇所を中心にして下方へ移動していき、これにより測定手段の移動軌跡が拡径しながら螺旋形状を描く三次元走査機構を備えた三次元測定装置において、新たに、前記三次元測位装置の前記スタッドボルトおよび前記下部フランジに動力を伝達する差動歯車装置と、前記差動歯車装置により前記下部フランジに伝達された動力を断続する第一固定装置と、前記差動歯車装置から前記スタッドボルトに伝達された動力を断続する第二固定装置を備え、前記第一固定装置は前記差動歯車装置と前記下部フランジに接合されており、前記第二固定装置は前記差動歯車装置と前記スタッドボルトに接合される構成となっており、前記第二固定装置により前記スタッドボルトが固定されている状態かつ、前記第一固定装置により前記下部フランジが回転可能な状態としたとき前記三次元測位装置は螺旋を描いて三次元を走査し、一方、前記第一固定装置により前記下部フランジが固定されている状態かつ、前記第二固定装置により前記スタッドボルトが回転可能な状態において動力が伝達すると、当該スタッドボルトに螺合した前記上部フランジは上下方向に移動し、直線的な軌跡で走査することを可能とする伝達動力切替機構を備えることを特徴とする三次元走査装置。

また、前記第一固定装置と前記第二固定装置は、前記差動歯車装置から伝達された動力を制御することで、螺旋状の走査軌跡から上下方向への直線状の走査軌跡に切り替え可能とすることを特徴とする。

また、前記差動歯車装置の第一ピニオンギヤは前記第一固定装置と前記下部フランジに接合され、当該差動歯車装置の第三ピニオンギヤは前記第二固定装置と前記スタッドボルトに接合されており、当該スタッドボルトはフランジナットと当該第三ピニオンギヤと当該第二固定装置にのみ接触することを特徴とする。

本発明は一つのモーターにより、図１及び図２で示すように水平面より上方を天頂から走査することが可能なため、死角を抑制しつつ小型で軽量に製作できる。また、動作を切り替えることで上下方向へ直線状に走査することも可能なため、状況に応じた走査経路で走査することができる。そして、特定のセンサーに依存した機構ではないために、いかなる種類のセンサーの使用も可能であり、精度に関する設定や設計なども機構の微調整によって容易に行うことができる。さらに、一つのモーターと単純構造で実現しているので費用対効果も高くなる。

図１は、螺旋軌道による走査軌跡と検出範囲を示した説明図である。図２は、本装置により走査することが可能な検出範囲を俯瞰の視点より示した説明図である。図３は、上下動軌道による走査軌跡を示した説明図である。図４は、本装置の外観を示した説明図である。図５は、本装置の組み立て図である。図６は、本装置の分解図である。図７は、動力の伝達経路を概略的に示す説明図であり、（a）は、螺旋走査時における動力の伝達経路であり、（b）は、上下走査時における動力の伝達経路を概略的に示す説明図である。図８は、動力の伝達経路を示す説明図であり、（a）は、螺旋走査時における動力の伝達経路を示した説明図であり、（b）は、上下走査時における動力の伝達経路を示した説明図である。図９は、螺旋走査時における下降動作を示した説明図である。図１０は、上下走査時における下降動作を示した説明図である。

［発明の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施例における三次元走査装置は、図１及び図２に示すような三次元走査と図３に示すような上下方向の直線走査を一つのモーターによって可能にする装置である。装置の外観図を図４に示す。
本装置は、図４〜図６に示すように、測定手段Ｓ、スタッドボルト４、動力装置１１、下部フランジ、上部フランジ、第一アーム１及び第二アーム５を備えるリンク機構、差動歯車装置２２、第一固定装置１５、第二固定装置１６等から概略構成されている。これらのうち第一固定装置１５と第二固定装置１６と差動歯車装置２２とによって伝達動力切替機構が構成されるものとする。
スタッドボルト４は立方形状の枠組みを有するベースフレーム１４に固定された第二固定装置１６によって上下方向に立設されている。
下部フランジは、ベースボード６と筒体１２とボールベアリング１３等から概略構成されている。ベースボード６、筒体１２、ボールベアリング１３及び第一ピニオンギヤ１８、第一固定装置１５のそれぞれには上下方向にのびた真円形の開口が形成されており、各開口の中心を同一軸線上に一致させた状態で互いに接合されている。
第一固定装置１５および第二固定装置１６は、固定と自由回転の切り替えを行える機構ならば機能するので、本実施例では汎用品の電磁ブレーキを用いた。

スタッドボルト４はこれら一体となった開口に挿入されているが、スタッドボルト４の外周面はフランジナット３の内周面と、当該スタッドボルト４に接合された第三ピニオンギヤ２０と、第二固定装置１６にのみ接触する構成になっている。したがって、下部フランジ（ベースボード６、筒体１２及びボールベアリング１３）は動力装置（回転型モーター）１１から差動歯車装置２２に伝達された動力を受けてスタッドボルト４の外周を軸回りに回転しても、スタッドボルト４の外周に設けた雄ねじと螺合していないので、回転に伴ってスタッドボルト４に沿って上下方向へ移動することはない。

上部フランジは、インレットフランジ２と側面視逆Ｔ字状のフランジナット３等から概略構成されている。インレットフランジ２とフランジナット３は接合されており、開口の内周面に雌ねじを有するフランジナット３が、スタッドボルト４の外周に形成された雄ねじと螺合することで、下部フランジ（ベースボード６、筒体１２及びボールベアリング１３）が回転した場合は、上部フランジ（一体になったインレットフランジ２とフランジナット３）はスタッドボルト４の外周を上下方向に移動しながら回転し、一方、スタッドボルト４が回転した場合は上部フランジは回転することなく上下動するようになっている。

リンク機構は第一アーム１及び第二アーム５を介して下部フランジに伝達された動力を上部フランジに伝達するため、もしくは、スタッドボルト４に動力が伝達された場合には、上部フランジの回転を抑止するために設けられている。
第一アーム１はその前端と後端の間で上部フランジに軸支されると共に、当該前端には測定手段としてのセンサーが取り付けられており、後端には第二アーム５の前端が軸支されている。

より詳細に説明すると、第一アーム１は同一面内で長手方向に互いに平行な第一部材１ａ及び第二部材１ｂと、当該第一部材の後端と第二部材の前端とを結ぶ第三部材１ｃとにより構成されている。そして、第一部材１ａと第三部材１ｃとの接合箇所において上部フランジのインレットフランジ２に軸支（第一ジョイント７）されており、第二部材１ｂの後端において第二アーム５の前端に軸支（第二ジョイント８）されている。したがって、第一アーム１を側面視した場合には２段の階段状になっている。
第二アーム５はその前端が第一アーム１の後端に軸支されており、その後端が下部フランジのベースボード６に軸支（第三ジョイント９）されている。
以上の通り、３次元測位装置の構成部品のうち、スタッドボルト４に接触しているのはフランジナット３と第二固定装置１６と第三ピニオンギヤ２０のみとなる。

次に、三次元走査装置の動作について図５〜図１０を用いて説明する。
まず、動力装置１１からの動力がドライブギヤ１０を介してリングギヤ
２１に伝達されることで、差動歯車装置２２を通じて下部フランジとスタッドボルト４のどちらかが回転する。

すなわち、第一固定装置１５が解除され、第二固定装置１６によってスタッドボルト４が固定されている状態で下部フランジに動力装置１１の回転力が伝達された場合には、下部フランジはスタッドボルト４の周囲を軸回りに回転し、当該下部フランジの軸回りの回転力はリンク機構を介して上部フランジへ伝達される。
このように該回転力を下部フランジを通して受けた場合、上部フランジはスタッドボルト４の外周面を軸回りに螺旋状に回転しながら上下方向へ移動する。
例えば、上部フランジが上方に移動して当該上部フランジと下部フランジとの間隔が広がると、第一アーム１の前端がスタッドボルト４の軸回りに回転しながら上部フランジに軸支されている箇所（第一ジョイント７）を中心にして上方へ移動していく。したがって、第一アーム１の前端に取り付けた測定手段Ｓの移動軌跡は次第に縮径しながら螺旋を描くことになる。
また、動力装置１１の回転を逆方向に変えると、上部フランジが下方に移動していき、上部フランジと下部フランジとの間隔が狭まる。そして、第一アーム１の前端がスタッドボルト４の軸回りに回転しながら上部フランジに軸支されている箇所（第一ジョイント７）を中心にして下方へ移動していく。したがって、測定手段Ｓの移動軌跡は次第に拡径しながら螺旋を描くことになる。

一方、第一固定装置１５により下部フランジが固定され、第二固定装置１６が解除された状態で動力装置１１の回転力がスタッドボルト４に伝達された場合には、当該スタッドボルト４が回転し、当該スタッドボルト４に螺合する上部フランジは当該スタッドボルト４に沿って上方もしくは下方に移動する。
このように当該回転力をスタッドボルト４を通して受けた場合、上部フランジはスタッドボルト４に螺合しているため上下方向に移動する。下部フランジは第一固定装置１５により固定されているので、上部フランジは回転しない。したがって測定手段Sの移動軌跡は上下方向に直線を描く。
以上より、図１〜図３に示すような三次元走査が可能となる。

第一固定装置１５と第二固定装置１６を制御することで、二通りある動力の伝達経路を切り替え、単一の動力源による動作で三次元を含む複数の軌道による走査を実現できる。

小型で汎用性の高い三次元センサーを実現できるので、自動車やロボット等の認識システムやレーダー、防犯システムや動体検知システムへの適応ができる。

Ｓ：測定手段
１：第一アーム
１ａ：第一部材
１ｂ：第二部材
１ｃ：第三部材
２：インレットフランジ
３：フランジナット
４：スタッドボルト
５：第二アーム
６：ベースボード
７：第一ジョイント
８：第二ジョイント
９：第三ジョイント
１０：ドライブギヤ
１１：動力装置（モーター）
１２：筒体
１３：ボールベアリング
１４：ベースフレーム
１５：第一固定装置
１６：第二固定装置
１７：デフフレーム
１８：第一ピニオンギヤ
１９：第二ピニオンギヤ
２０：第三ピニオンギヤ
２１：リングギヤ
２２：差動歯車装置

Claims

上下方向に立設されたスタッドボルトと、
回転力を供給する一つの動力装置と、
前記動力装置の回転力を受けて上下方向に移動することなく前記スタッドボルトの軸回りを回転する下部フランジと、
前記動力装置の回転力を受けて上下方向に移動しながら前記スタッドボルトの軸回りを回転する上部フランジと、
前記下部フランジに伝達された前記回転力を第一アーム及び第二アームを介して前記上部フランジに伝達するリンク機構とを備え、
前記第一アームはその前端と後端の間で前記上部フランジに軸支されると共に、当該前端には測定手段が取り付けられており、当該後端には前記第二アームの前端が軸支されており、当該第二アームはその後端において前記下部フランジに軸支されており、
前記動力装置の回転力を受けて、前記上部フランジが上方に移動して当該上部フランジと前記下部フランジとの間隔が広がると、前記第一アームの前端がスタッドボルトの軸回りに回転しながら上部フランジに軸支されている箇所を中心にして上方へ移動していき、これにより測定手段の移動軌跡が縮径しながら螺旋形状を描き、一方、前記上部フランジが下方に移動して当該上部フランジと下部フランジとの間隔が狭まると、前記第一アームの前端がスタッドボルトの軸回りに回転しながら上部フランジに軸支されている箇所を中心にして下方へ移動していき、これにより測定手段の移動軌跡が拡径しながら螺旋形状を描く三次元走査機構を備えた三次元測定装置において、新たに、前記三次元測位装置の前記スタッドボルトおよび前記下部フランジに動力を伝達する差動歯車装置と、前記差動歯車装置により前記下部フランジに伝達された動力を断続する第一固定装置と、前記差動歯車装置から前記スタッドボルトに伝達された動力を断続する第二固定装置を備え、前記第一固定装置は前記差動歯車装置と前記下部フランジに接合されており、前記第二固定装置は前記差動歯車装置と前記スタッドボルトに接合される構成となっており、前記第二固定装置により前記スタッドボルトが固定されている状態かつ、前記第一固定装置により前記下部フランジが回転可能な状態としたとき前記三次元測位装置は螺旋を描いて三次元を走査し、一方、前記第一固定装置により前記下部フランジが固定されている状態かつ、前記第二固定装置により前記スタッドボルトが回転可能な状態において動力が伝達すると、当該スタッドボルトに螺合した前記上部フランジは上下方向に移動し、直線的な軌跡で走査することを可能とする伝達動力切替機構を備えることを特徴とする三次元走査装置。
前記第一固定装置と前記第二固定装置は、前記差動歯車装置から伝達された動力の制御をすることで、螺旋状の走査軌跡から上下方向への直線状の走査軌跡に切り替え可能とすることを特徴とする請求項１に記載の三次元走査装置。
前記差動歯車装置の第一ピニオンギヤは前記第一固定装置と前記下部フランジに接合され、当該差動歯車装置の第三ピニオンギヤは前記第二固定装置と前記スタッドボルトに接合されており、当該スタッドボルトはフランジナットと当該第三ピニオンギヤと当該第二固定装置にのみ接触することを特徴とする請求項１又は２に記載の三次元走査装置。