JP5620603B1

JP5620603B1 - 螺旋状走査機構及び三次元測位装置

Info

Publication number: JP5620603B1
Application number: JP2014073789A
Authority: JP
Inventors: 中西　健; 健中西; 尚人野口; 丁　洛榮; 洛榮丁; 根浩李
Original assignee: 中西　健; 健中西
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015197315A

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】螺旋状走査機構は、自らは回転しない中空のウォームギアと、これに噛み合うウォームホイールと、この回転軸と平行で、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する。動力装置の駆動によりギアボックス等に取り付けられた反射・屈折装置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、反射・屈折装置等の順にチルト方向に回転することにより、中空のウォームギアを通過する放射・収集光が反射・屈折装置により反射・屈折されたとき、そ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、自らは回転しない中空のウォームギアと、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反射・屈折装置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、回転伝達機構及び回転伝達機構に取り付けられた反射・屈折装置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、反射・屈折装置の順にチルト方向に回転することにより、中空のウォームギアを通過する放射・収集光が反射・屈折装置により反射・屈折されたとき、そ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、光学センサを備え、センサから放射、あるいはセンサへ収集される測定光の軌跡が球体状に螺旋を描くことを特徴とする。
また、本発明の螺旋状走査機構は、単一の動力装置の回転方向の違いによって、反射・屈折装置のチルト方向の回転・停止を切り替えることのできることを特徴とする。
また、本発明の三次元測位装置は、単一の動力装置の回転方向の違いによって、反射・屈折装置のチルト方向の回転・停止を切り替えることのできることを特徴とする。

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が回転される。これによりウォーム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。これにより反射・屈折装置と光学センサとの距離が一定となるため、光学センサから放射、あるいは光学センサへ収集される測定光の軌跡が球体状に螺旋を描く。

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。

反射・屈折装置を用いない機構で光学センサを用いる場合、光学センサを螺旋状走査機構の回転部分に取り付けなければならず、回転モーメントが増すため、停止状態からの指定速度への加速、減速に時間がかかる。また、光学センサを回転させるためのトルクが必要となる。反射・屈折装置を用いると、光学センサの代わりに反射・屈折装置を回転させることになり、回転モーメントの減少や小型軽量化、また高速化が可能となる。

さらに、反射・屈折装置を用いた機構にスライド機構を持たせることにより、単一の動力装置の回転方向の違いによって、反射・屈折装置のチルト方向の回転・停止を切り替えることができる。これにより、反射・屈折装置への放射・収集光のパン角度を０度前後に固定した場合に垂直方向付近に集中した走査、反射・屈折装置への放射・収集光のパン角度を９０度に固定した場合に水平方向に二次元のみの走査、反射・屈折装置への放射・収集光のパン角度を固定しない場合に３次元走査に切り替えることができる。走査時間は、三次元走査、二次元走査、垂直方向付近に集中した走査の順に短くなる。そのため、例えば無人航空機などの移動ロボットに取り付けて使用する場合に、状況に応じて走査方法を切り替えることにより効率的な運用が可能となる。

実施例１に示す形態の外観図。実施例１におけるギア構造図。実施例２に示す形態の外観図。実施例２におけるスライド機構の分解図。本機構の三次元走査軌跡を示す説明図。本機構の垂直方向付近と二次元走査軌跡を示す説明図。

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、光学センサ１０４、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、シャフトに回転方向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に接続されたミラー固定器具５０１および５０２、ミラー固定器具に取り付けられたミラー６０１からなる。このうち回転伝達機構は平ギア４０１と平ギア４０２からなり、反射・屈折装置はミラー６０１である。
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、最終的にミラー固定器具５０１がパン方向に回転され、ミラー６０１が回転する。このようにミラー６０１はパン回転とチルト回転を同時に行うので、光学センサ１０４の放射あるいは収集光の、ミラーによる反射光の軌跡は図５に示すような球状になる。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、光学センサ１０４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光学センサ１０４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３及び図４に示す三次元測位装置７００は、上記実施例１と比較してスライド機構７０８を持たせることにより、単一の動力装置の回転方向の違いによって、ミラーのチルト方向の回転・停止を切り替えることができるという特徴を有する。実施例１に記した機構において、ギアボックス１０２がスライド機構７０８のため上下に分離し、上側ギアボックス７０５と下側ギアボックス７０６となる。
また、スライド機構７０８のため、ウォームギア９０１が垂直方向に上下する。ウォームギア９０１の垂直方向の動きは、上側ギアボックスに伝達される。スライド機構は、上側ギアボックスの左右の側面に設けられていて上下方向に平行にのびるレール７０９と、下側ギアボックスの左右に設けられておりこれらレールに対応して上下方向にのびるガイド溝７１０とを備えており、レールがガイド溝内を上下方向に摺動する仕組みになっている。

下側ギアボックスには平ギア１００２の上部付近に位置するストッパー７０７が取り付けられている。
図３においては、ウォームギアは通常のねじ切り方向に歯が彫られている。ギアボックス全体が反時計回りに回転するとき、ウォームギアは相対的に時計回りに回転するため、ウォームギア自体は下方向へ移動する。また、これにより上側ギアボックスが下方向へ移動する。この後、上側ギアボックスがスライド機構の下方向の端点に達すると、それ以上下方向の移動ができないため、スライド機構が固定され、さらにギアボックス全体が反時計回りに回転すると、ウォームギアに噛み合うウォームホイールが回転する。このとき、平ギア１００１と１００２はかみ合い、ウォームホイールの動力をミラーに伝達するため、ミラーが回転する。
一方、ギアボックス全体が時計回りに回転するとき、ウォームギアは相対的に反時計回りに回転するため、ウォームギア自体は上方向へ移動する。また、これにより上側ギアボックスが上方向へ移動する。この後、上側ギアボックスがスライド機構の上方向の端点に達すると、それ以上上方向の移動ができないため、スライド機構が固定され、さらにギアボックス全体が時計回りに回転すると、ウォームギアに噛み合うウォームホイールが回転する。このとき、平ギア１００１と１００２はかみ合わず、ウォームホイールの回転をミラーへ伝達しないため、ミラーは回転しない。また、この場合に平ギア１００２はストッパー７０７に接触し、ミラーのチルト角度は固定される。このとき、光学センサ７０４の放射あるいは収集光の、ミラーによる反射光の軌跡は図６に示すような円状になる。垂直方向付近に集中した走査では図６の上部にある小さい円となり、水平方向に二次元のみの走査では図６の中心部分の大きな円となる。

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。特に、無人航空機などの移動ロボットに取り付けて使用する場合には、状況に応じて走査方法を切り替えることにより効率的な運用が可能となる。

１０１ステッピングモータ
１０２ギアボックス
１０３シャフト
１０４光学センサ
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ミラー固定器具
５０２ミラー固定器具
６０１ミラー
７０１ステッピングモータ
７０３シャフト
７０４光学センサ
７０５上側ギアボックス
７０６下側ギアボックス
７０７ストッパー
７０８スライド機構
７０９レール
７１０ガイド溝
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ミラー固定器具
１１０２ミラー固定器具
１２０１ミラー

Claims

自らは回転しない中空のウォームギアと、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反射・屈折装置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、回転伝達機構及び回転伝達機構に取り付けられた反射・屈折装置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、反射・屈折装置の順にチルト方向に回転することにより、中空のウォームギアを通過する放射・収集光が反射・屈折装置により反射・屈折されたとき、そ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。
光学センサを備え、センサから放射、あるいはセンサへ収集される測定光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。
単一の動力装置の回転方向の違いによって、反射・屈折装置のチルト方向の回転・停止を切り替えることのできることを特徴とする請求項１に記載の螺旋状走査機構。
単一の動力装置の回転方向の違いによって、反射・屈折装置のチルト方向の回転・停止を切り替えることのできることを特徴とする請求項２に記載の三次元測位装置。