JP5582432B1

JP5582432B1 - 螺旋状走査機構及び三次元測位装置

Info

Publication number: JP5582432B1
Application number: JP2014027484A
Authority: JP
Inventors: 健中西; 尚人野口; 洛榮丁
Original assignee: 健中西
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2034-02-17
Also published as: JP2015152478A

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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、ウォームギアに噛み合うウォームホイール、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、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、ギアボックスをパン方向に回転させる単一の動力装置を有しており、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。
【選択図】図１

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。

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。

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）。

特開第2003-177014号公報特開第2005-55226号公報特開第2008-134163号公報特開第2013-88366号公報特許第5317253号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施例１に示す形態の外観図。実施例１における内部構造図。本機構の走査軌跡を示す説明図。実施例２に示す形態の外観図。実施例２における内部構造図。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

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螺旋状走査機構。
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請求項１に記載の螺旋状走査機構を備えた三次元測位装置。