JP2015152478A - Spiral scanning mechanism and three-dimensional positioning device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は球体状に螺旋を描いて走査できる螺旋状走査機構及びこれを用いた三次元測位装置に関する。 The present invention relates to a spiral scanning mechanism that can scan by spiraling a sphere, and a three-dimensional positioning device using the same.
三次元測位装置は、レーザー測距センサにパンとチルトの稼働軸を追加したものが開発されている(特許文献1)。また、二次元レーザースキャナ装置に(特許文献2)パン稼働軸を追加し、三次元走査を実現したものが開発されている(特許文献3)。またカメラの視差を用いたセンサも開発されている。 A three-dimensional positioning device has been developed in which pan and tilt operating axes are added to a laser distance sensor (Patent Document 1). Further, a two-dimensional laser scanner device (Patent Document 2) in which a pan operation axis is added to realize three-dimensional scanning has been developed (Patent Document 3). Sensors using the parallax of cameras have also been developed.
これらのセンサには欠点が存在し、それを解決するために提案された螺旋状走査機構は、直動ねじとリンクによる機構が開発されている(特許文献4、5)。 These sensors have drawbacks, and a helical scanning mechanism proposed to solve them has been developed with a linear screw and a link (Patent Documents 4 and 5).
従来の機構では、パンとチルトの両方にモータを用いる構造としているため、重量が増加し、小型化が困難である。カメラの視差を用いたセンサでは、カメラ間の幅が必要であり、また特徴点抽出のための画像処理が必要である。加えて、カメラにより視野が制限される。 In the conventional mechanism, since the motor is used for both pan and tilt, the weight increases and it is difficult to reduce the size. In the sensor using the parallax of the camera, a width between the cameras is necessary, and image processing for extracting feature points is necessary. In addition, the field of view is limited by the camera.
直動ねじとリンク機構による螺旋状走査機構が考案されたが、リンクを傾けるために直動ねじの長さが必要であり、小型化の妨げとなる。また、この機構は直動ねじ上を移動するナットと固定台との位置関係により、センサ視野の拡大に限界がある。また、リンク機構を用いるために軌跡が等間隔でないため、応用範囲が制限される。 Although a helical scanning mechanism using a linear motion screw and a link mechanism has been devised, the length of the linear motion screw is necessary to tilt the link, which hinders downsizing. In addition, this mechanism has a limit in expanding the sensor visual field due to the positional relationship between the nut moving on the linear motion screw and the fixed base. In addition, since the trajectories are not equally spaced due to the use of the link mechanism, the application range is limited.
このような問題を考慮して、本発明は軽量・小型で球体状に螺旋を描いて走査できる螺旋状走査機構及びこの機構を用いた画像処理が不要で視野角が制限されない三次元測位装置を提供することを目的とする。 In consideration of such problems, the present invention is a lightweight and compact spiral scanning mechanism that can scan by spiraling a sphere, and a three-dimensional positioning device that does not require image processing using this mechanism and does not limit the viewing angle. The purpose is to provide.
本発明の螺旋状走査機構は、自らは回転しないウォームギアと、ウォームギアに噛み合うウォームホイールと、ウォームホイールの回転軸と平行で、かつウォームギアの回転軸に対して垂直な軸回りに対象物を回転させる回転伝達機構と、これらウォームギア、ウォームホイール及び回転伝達機構を各々の軸回りに回転自在になるように支持するギアボックスと、ギアボックスをパン方向に回転させる単一の動力装置とを有しており、動力装置の駆動によりギアボックス、ウォームホイール、回転伝達機構及び対象物が一体的にパン方向に回転し、これに伴いウォームギアに噛み合うウォームホイール、回転伝達機構、対象物の順にチルト方向に回転することにより、対象物の一部の軌跡が球体状に螺旋を描くことを特徴とする。
本発明の三次元測位装置は上記螺旋状走査機構を備えると共に、前記対象物がセンサであり、センサの検出部の軌跡が球体状に螺旋を描くことを特徴とする。
The helical scanning mechanism of the present invention rotates a target object around an axis that is not rotated by itself, a worm wheel that meshes with the worm gear, a rotation axis of the worm wheel, and a direction perpendicular to the rotation axis of the worm gear. A rotation transmission mechanism; a gear box that supports the worm gear, the worm wheel, and the rotation transmission mechanism so as to be rotatable around each axis; and a single power unit that rotates the gear box in the pan direction. The gearbox, worm wheel, rotation transmission mechanism, and target object are integrally rotated in the pan direction by driving the power unit, and the worm wheel meshing with the worm gear, the rotation transmission mechanism, and the target object are rotated in the tilt direction in this order. By doing so, the trajectory of a part of the object draws a spiral in a spherical shape.
The three-dimensional positioning device of the present invention includes the above-described spiral scanning mechanism, and the object is a sensor, and the locus of the detection unit of the sensor draws a spiral in a spherical shape.
本発明の螺旋状走査機構によれば、ウォーム機構によってパンとチルトの駆動による球体状の螺旋軌道の走査を軽量・小型の装置構成で実現できる。
螺旋状走査の密度を向上させるためには、パン回転とチルト回転間に大きな回転比が必要である。
ウォーム機構では、ウォームギアに動力を取り付け、固定されたギアボックス内でウォームギアとウォームホイールが噛み合わさることで大きな回転比が得られる。本装置では、ウォームギアを固定し、ギアボックスを回転させることで、パンとチルト間の大きな回転比を得る。すなわち、単一のモータによりパン方向の回転を与えることでギアボックス自体が回転し、ギアボックス内部では相対的にウォームギアが回転される。これによりウォームギアに噛み合わさったウォームホイールが回転し、チルト方向の回転が生まれる。
According to the helical scanning mechanism of the present invention, the scanning of the spherical helical trajectory by driving the pan and tilt by the worm mechanism can be realized with a light and small device configuration.
In order to improve the density of the helical scan, a large rotation ratio is required between the pan rotation and the tilt rotation.
In the worm mechanism, a large rotation ratio can be obtained by attaching power to the worm gear and meshing the worm gear and the worm wheel in a fixed gear box. In this apparatus, a large rotation ratio between pan and tilt is obtained by fixing the worm gear and rotating the gear box. That is, the gear box itself is rotated by applying rotation in the pan direction by a single motor, and the worm gear is relatively rotated inside the gear box. As a result, the worm wheel meshed with the worm gear rotates and rotation in the tilt direction is generated.
また、本発明の螺旋状走査機構ではさらに2枚の平ギアを用いることで、チルト方向の回転軸をウォームギアの取り付けられたパン回転軸と垂直になるように調整している。これにより、動作軌跡が球状となる。 Further, in the spiral scanning mechanism of the present invention, by using two more spur gears, the rotation axis in the tilt direction is adjusted to be perpendicular to the pan rotation axis to which the worm gear is attached. Thereby, the motion locus becomes spherical.
螺旋状走査機構の利点として、パンとチルトの動作を単一の動力装置で行うため小型軽量化に有利であり、製造コストを下げられること、カメラを用いないためデータ処理が容易、視野が制限されないことを挙げる。 Advantages of the helical scanning mechanism are pan and tilt operations with a single power unit, which is advantageous for miniaturization and weight reduction, can reduce the manufacturing cost, and data processing is easy because no camera is used. List what is not.
ウォームギアによる螺旋状走査機構では、既存の螺旋状走査機構で用いられた直動ねじの長さとリンクが不要となり、小型化や部品点数の縮小、機構の簡単化ができる。ウォームギアは直動ねじのように有限の動作ではないため、チルト回転の巻き戻し動作が不要となり、パン回転方向を定期的に変更する必要がなくなる。つまり、チルト回転範囲の限界のためにパン回転を減速、逆回転させる必要がなくなる。そのため、走査時間の短縮が可能である。また、チルト回転はリンクを用いずに直接取り出せるため、チルト回転範囲の拡大が可能である。 In the spiral scanning mechanism using a worm gear, the length and link of the linear motion screw used in the existing spiral scanning mechanism are not required, and the size, the number of parts, and the mechanism can be simplified. Since the worm gear is not a finite motion like a linear motion screw, the rewinding operation of the tilt rotation is unnecessary, and it is not necessary to periodically change the pan rotation direction. That is, it is not necessary to decelerate and reverse the pan rotation due to the limit of the tilt rotation range. Therefore, the scanning time can be shortened. Further, since the tilt rotation can be taken out directly without using a link, the tilt rotation range can be expanded.
直動ねじとリンクによる機構では、上部の走査軌跡密度が高く水平方向の走査軌跡密度が低くなるのに対し、ウォームギアによる機構では全方向において走査軌跡密度が一定であり、図3で示すように球状となる。そのため、全方位に同一の精度を必要とする受動型センサの利用や、加工装置へ応用が容易である。 In the mechanism using the linear screw and the link, the scanning trajectory density at the top is high and the scanning trajectory density in the horizontal direction is low, whereas in the mechanism using the worm gear, the scanning trajectory density is constant in all directions, as shown in FIG. Become spherical. Therefore, it is easy to use a passive sensor that requires the same accuracy in all directions and to apply it to a processing apparatus.
図1及び図2に示す通り、本実施例における三次元測位装置100は、単一のモータ101、モータ動力を伝達し、ギアボックス102を回転させるための平ギア201および202、取り付け対象に固定されるシャフト103、シャフトに固定されたウォームギア301、ウォームギアに噛み合わさるウォームホイール302、ウォームホイールに接続された平ギア401および402、平ギア402に接続されたアーム501、アーム先端に取り付けられた各種センサ601からなる。
モータ101が回転することにより生じる駆動力は平ギア202から201に伝達され、平ギア201に固定されているギアボックス102をウォームギア301を中心として図1におけるパン方向に回転させる。これによりウォームホイール302がパン方向に回転され、固定されたウォームギア301により相対的にウォームホイール302がチルト方向に回転される。このチルト方向回転は平ギア401および402へ伝達され、最終的にアーム501がチルト方向に回転され、センサ601が移動する。このようにセンサ601はパン回転とチルト回転を同時に行うので、センサ601の移動軌跡は図3に示すような球状になる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the three-
The driving force generated by the rotation of the
センサの移動軌跡が球状になることで、走査密度がチルト角度に関わらず一定となるため、レーザー測距センサのような能動型センサだけでなく、放射線センサや騒音センサなどの、全方向に同一の精度を必要とする受動型センサを用いることができる。なお、モータ101としては例えば2相ステッピングモータが挙げられ、センサ601としては例えばレーザー測距センサが挙げられるがこれらに限定されるものではない。三次元障害物測位としてはセンサ601として時差測定式レーザー測距センサよりも三角測量式レーザー測距センサを使用することが、走査時間を短縮できるという観点からは最も好ましい。
Since the scanning trajectory of the sensor is spherical, the scanning density is constant regardless of the tilt angle, so it is the same in all directions, including not only active sensors such as laser ranging sensors but also radiation sensors and noise sensors. A passive sensor that requires a high accuracy can be used. Examples of the
図4及び図5に示す三次元測位装置700は、上記実施例1と比較してモータ701が、ロボット本体や防犯システムの筐体といった取り付け対象に固定されておらず、回転するギアボックスに固定されているという特徴を有する。実施例2に記した機構において、平ギア801はギアボックスに固定されず、取り付けシャフト703に固定され、単一のモータ701はギアボックス702に固定されている。モータ701の駆動力は平ギア802および801に伝達され、モータ701を含めたギアボックス702を回転させ、実施例1と同様に最終的にアーム1101がチルト方向に回転される。本実施例の三次元測位装置700の場合、モータ701が回転されるギアボックスに固定されているため、センサ死角が取り付けシャフト703の部分のみとなる効果を有する。
In the three-
本装置は放射状の範囲を三次元的に走査し、広範囲を単一のセンサで認識できることから、ロボット等の移動機器が外界を認識するためのセンサや、防犯システムやファクトリーオートメーションでの物体認識に用いることができる。また、全方向において走査軌跡密度が一定であるため、全方位に同一の精度を必要とする受動型センサの利用や、加工装置へ応用できる。 Since this device scans the radial range three-dimensionally and can recognize a wide range with a single sensor, it can be used as a sensor for robots and other mobile devices to recognize the outside world, and for object recognition in crime prevention systems and factory automation. Can be used. In addition, since the scanning trajectory density is constant in all directions, it can be applied to the use of a passive sensor that requires the same accuracy in all directions or to a processing apparatus.
101 ステッピングモータ
102 ギアボックス
103 シャフト
201 平ギア
202 平ギア
301 ウォームギア
302 ウォームホイール
401 平ギア
402 平ギア
501 センサ取り付けアーム
601 各種センサ
701 ステッピングモータ
702 ギアボックス
703 シャフト
801 平ギア
802 平ギア
901 ウォームギア
902 ウォームホイール
1001 平ギア
1002 平ギア
1101 センサ取り付けアーム
1201 各種センサ
101
Claims (2)
The three-dimensional positioning apparatus having a helical scanning mechanism according to claim 1, wherein the object is a sensor, and a locus of a detection unit of the sensor draws a spiral in a spherical shape.
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