JP6021036B1 - 三次元走査装置および三次元測位装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動力装置の回転方向の制御を必要とせずに三次元空間を走査することができる走査軌道と、回転方向が変化しない単一の動力装置によってその走査軌道を実現した、汎用性が高く、連続的な死角の発生を抑制し、搭載するシステムへの影響を軽減することができる三次元走査装置を提供する。【解決手段】動力装置４０２からの回転動力がギヤＰ４０４に伝達されることで回転板４０５が回転し、ギヤＢ５０９、ギヤＣ４０６、ギヤＤ４０７を介して回転動力が正面カム４０９へ伝達される。回転動力は正面カム４０９によってスライド板４１０の往復直線運動へ変換され、ラック４１１とギヤＥ４１３を介して接続されたアーム４１４の往復回転運動によって、三次元空間の走査を実現している。【選択図】図３

Description

本発明は、三次元空間を走査するための装置に関するものである。

外部環境の三次元認識は、セキュリティシステムにおける侵入者の発見や自動車における歩行者の認識、ロボットにおける障害物の検知などに応用され、様々なシステムにおいて重要な技術となっている。しかし、認識に使用されるセンサには測定範囲の限界が存在するため、単一のセンサから得られる情報は限定的となってしまう。この課題を解決し、単一のセンサによって三次元空間の認識を行う手段として、動力装置によって駆動する何らかの可動機構をセンサに付加し、三次元空間を走査する方法が提案されている。

とりわけ、センサの特性に依存せず、なおかつ単一の動力装置によって稼働する機構は、いかなるセンサにも付加することが可能であるため汎用性が高く、動力装置の削減に伴う小型化や省電力化、低コスト化などが期待できる。

以上の特徴を有する機構例の１つとして、特許文献１で提案されている機構が挙げられる。スタッドボルトの軸周りを回転しながら移動するフランジと、それに従動するリンク機構によって、螺旋状の軌道による三次元空間の走査を実現している。

同様の特徴を有する別の機構例として、特許文献２で提案されている機構が挙げられる。複数のウォームギヤを組み合わせることで、単一の動力装置によるパン方向とチルト方向の回転を実現し、螺旋状の軌道によって三次元空間の走査を行う。

特開 ２０１３-８８３６６号公報 特許第５５８２４３２号公報

従来の機構で用いられている螺旋状の走査軌道Ｌ２を水平方向から観測した模式図を図１３に示す。螺旋状の走査軌道では、１サイクルの走査を行う間に軌道が交差しないため、軌道間に連続的な死角が発生する。そのため、従来の機構を用いてセンサによる三次元空間の認識を行う場合、認識対象のエッジなど特徴的な部分が死角に入り込むことによる誤認識の発生が予測される。死角を小さくするためには軌道間隔ｄ２を狭める必要があるが、それに比例して走査に要する時間が増加するため、走査効率が低下してしまう点が問題となる。

螺旋状の走査軌道では、水平に近い軌道が垂直方向に複数積み重なることで、三次元空間が走査される。そのため、センサによる三次元空間の認識を行う場合、水平方向の測定間隔は走査速度の制御によって調整することができる。一方で、軌道間隔ｄ２は機構の構造および機構からの距離にのみ依存するため、垂直方向の測定間隔については走査速度の制御による調整を行うことができず、測定環境に応じて垂直方向の測定分解能を変化させるといった使用は不可能である。

従来の機構では、１サイクルの三次元空間走査が完了した後、次の走査を始めるためには動力装置の回転方向を変化させる必要がある。回転方向を変化させる際に、機構を搭載したシステムが慣性の影響を受けるため、システムの挙動に悪影響を及ぼしてしまう。

以上の問題を踏まえて、本発明は死角を断片化し、垂直方向の測定分解能を向上させることができる走査軌道の提供、およびその走査軌道による三次元空間の走査を実現する、回転方向制御を必要としない単一の動力装置によって駆動する三次元走査装置の提供を目的とする。

本発明の三次元走査装置は、パン方向とチルト方向の回転角度を同時に変化させることで得られる単位走査軌道（図１）を複数組み合わせることで、三次元空間の走査を実現する。単位走査軌道は数１に示す式として定義される。ｒは機構中心から軌道までの距離、θは軌道の始端に対するパン方向の回転角度、θｐは軌道の始端から終端に至るまでに要するパン方向の回転角度、すなわち１つの単位走査軌道が走査するパン方向の走査領域である。θｔはチルト方向の最大角度と最小角度の差、すなわちチルト方向の走査領域であり、θｍはチルト方向の最大角度である。数１は走査軌道がパン方向の回転角度のみに依存することを示しており、これは単位走査軌道が単一の動力装置によって実現可能であることを意味する。

θを単調に増加させる場合、ある単位走査軌道の終端は、次の単位走査軌道の始端となる。よってｉ番目の単位走査軌道の始端をＰ_Ｓｉ、終端をＰ_Ｅｉとすると、数２の関係が成り立つ。始端と終端が一致しない、すなわち数３の条件を満たす単位走査軌道では数４の関係が成立するため、θを単調に増加させることで単位走査軌道を変位させることが可能となる。変位させた単位走査軌道を統合することで、複数の単位走査軌道が交差した三次元メッシュ状走査軌道による三次元空間走査を実現することができる。三次元メッシュ状走査軌道がθの単調増加によって実現されることは、動力装置の回転方向の制御が不要であることを示している。

上記の三次元メッシュ状走査軌道を用いて三次元空間を走査する装置の外観を図３に、内部構造を表した断面図を図４に示す。本発明は、装置下部のベース板と、ベース板に対して垂直に固定された軸材Ａと、軸材Ａを中心に自由に回転することができる回転板と、回転動力を供給する単一の動力装置と、その回転動力を回転板へ伝達する、回転軸が軸材Ａの中心軸と一致する形で回転板に対して固定されたギヤＰと、回転軸が軸材Ａの中心軸と一致する形で軸材Ａに固定され自らは回転しないギヤＡと、ギヤＡと噛み合い、回転板の回転に合わせてギヤＡの周囲を自ら回転しながら円運動するギヤＢと、中心軸がギヤＢの回転軸と一致する形でギヤＢに固定され、回転板上の穴に回転自由の形で挿入された軸材Ｂと、回転軸が軸材Ｂの中心軸と一致する形で軸材Ｂに固定され、ギヤＢの回転に合わせて自ら回転する回転板上のギヤＣと、ギヤＣに噛み合う形で回転板上に配置されたギヤＤと、回転板と挟み込む形でギヤＣおよびギヤＤを支持する支持板Ａと、ギヤＤの回転運動を往復直線運動に変換する、回転板上に配置された変換機構と、変換された動力によって往復直線運動を行うスライド板と、スライド板の可動範囲と平行に配置されたラックと、ラックと噛み合うギヤＥを介してスライド板と接続され、スライド板の往復直線運動に合わせてチルト方向の往復回転運動を行うアームと、アームが固定される支持板Ｂによって構成されている。

動力装置の駆動により回転板、ギヤＢ、ギヤＣ、ギヤＤ、支持板Ａ、変換機構、スライド板、ラック、ギヤＥ、アーム、支持板Ｂが一体的にパン方向に回転し、これに伴い発生するギヤＢの回転動力がギヤＣ、ギヤＤ、変換機構、スライド板、ラック、ギヤＥ、アームと伝達され、アームがチルト方向の往復回転運動を行うことで、前述の三次元メッシュ状走査軌道による三次元空間走査を実現している。

本発明は、複数の単位走査軌道が交差することで構成される三次元メッシュ状走査軌道によって三次元空間の走査を行う。三次元メッシュ状走査軌道Ｌ１を水平方向から観測した模式図を図５に示す。従来の機構で用いられている螺旋状の走査軌道を示した図１３と比較すると、水平に対して斜めの各単位走査軌道が交差することで、死角が断片化されている。これによって、認識対象が死角に入り込むことによる誤認識の発生を抑制することが可能となる。

従来の螺旋状の走査軌道では垂直方向の測定分解能が走査速度に依存しないのと比較し、三次元メッシュ状走査軌道は水平に対して斜めの単位走査軌道によって構成されるため、垂直方向の測定分解能についても走査速度に依存する。そのため、状況に応じて走査速度を落として垂直方向の測定分解能を向上させるなど、柔軟な使用が可能となる。

また三次元空間の走査に要する動力装置の回転方向は一定であり、慣性力の発生を伴う回転方向の変化は不要である。すなわち、本発明をシステムに搭載することによる、システムの動作に対する悪影響を軽減することができる。

それに加えて、いかなる種類のセンサに対しても付加することが可能な高い汎用性を有する点、単一の動力装置によって駆動することができる点といった、従来の機構が有する利点を損なわない装置となっている。また、提供する三次元走査装置は、センサを付加することで三次元測位装置として使用することが可能となる。

図１は、三次元メッシュ状走査軌道を構成する単位走査軌道の概要図である。 図２は、三次元メッシュ状走査軌道の概要図である。 図３は、本発明である三次元走査装置の外観図である。 図４は、本発明である三次元走査装置の内部構造を表した断面図である。 図５は、三次元メッシュ状走査軌道を水平方向から観測した模式図である。 図６は、回転板回転時のギヤＡとギヤＢの関係を示した模式図である。 図７は、ギヤＣとギヤＤの関係を示した模式図である。 図８は、正面カムを溝が掘られた面に垂直な方向から観測した模式図である。 図９は、正面カムの回転に伴う、Ｐｃの移動を示した図である。 図１０は、スライド板とギヤＥの関係を示した模式図である。 図１１は、動力の伝達経路を示した図である。 図１２は、本発明の三次元空間走査の動作を示した図である。 図１３は、螺旋状走査軌道を水平方向から観測した模式図である。

本発明は、図３および図４に示す各部品によって構成される。装置の土台となるベース板４０１の中心に、軸材Ａ５０１が回転不可の形で垂直に配置される。ベース板４０１の上には、回転軸が軸材Ａ５０１の中心軸と一致し、内輪５０２と外輪５０４によって構成されるベアリングが、内輪５０２をベース板４０１に固定する形で配置される。ベース板４０１とベアリング外輪５０４の擦過を回避することを目的として、ベース板４０１とベアリングの内輪５０２はスペーサー５０３を挟む形で固定される。ベアリングの外輪５０４には、アダプタＡ５０５、スリップリング５０６、アダプタＢ５０７、ギヤＰ４０４、回転板４０５が一体となり固定される。また、動力装置４０２によって回転動力が与えられるギヤＭ４０３が、ギヤＰ４０４に噛み合うように配置される。回転板４０５の中心に開けられた穴には軸材Ａ５０１が回転自由の形で挿入され、ギヤＰ４０４は回転軸が軸材Ａ５０１の中心軸と一致するように配置される。そのため、動力装置４０２によって与えられた回転動力はギヤＭ４０３を介してギヤＰ４０４へと伝達され、ベアリング外輪５０４に固定された構成部品が軸材Ａ５０１を中心に一体的に回転する。

軸材Ｂ５１０は、回転板４０５および支持板Ａ４０８に開けられた穴に回転自由の形で挿入され、軸材Ａ５０１と平行に配置される。軸材Ｂ５１０には、回転板４０５を挟んでベース板４０１側にギヤＢ５０９が、支持板Ａ４０８側にギヤＣ４０６が、それぞれ回転軸が軸材Ｂ５１０の中心軸と一致するように固定される。ギヤＢ５０９は、軸材Ａ５０１の中心軸と回転軸が一致するように固定されたギヤＡ５０８と噛み合う形で配置される。ギヤＡ５０８は軸材Ａ５０１に固定されており、軸材Ａ５０１はベース板４０１に対して回転しないため、ギヤＡ５０８は自ら回転することはできない。そのため、回転板４０５の回転に伴って、ギヤＢ５０９は自ら回転しながらギヤＡ５０８の周囲を円運動することになる。このときのギヤＡ５０８とギヤＢ５０９の関係を示したモデルが図６である。回転板４０５がθ１回転した場合のギヤＢ５０９の絶対的回転角度はθ２であるが、ギヤＢ５０９は回転板４０５の回転に合わせて、軸材Ａ５０１を中心とした円運動を行うため、回転板４０５に対する相対的な回転角度はθ２−θ１となり、数５によって得られる。ここでＺａはギヤＡ５０８の歯数、ＺｂはギヤＢ５０９の歯数である。

ギヤＢ５０９が回転すると、軸材Ｂ５１０を介して接続されたギヤＣ４０６も同時に回転する。ギヤＣ４０６に噛み合うようにギヤＤ４０７が配置され、回転動力はギヤＤ４０７へと伝達される。ギヤＤ４０７は、中心軸がギヤＤ４０７の回転軸と一致するように配置された軸材Ｃ５１１に、回転板４０５と支持板Ａ４０８に挟み込まれる位置で固定される。軸材Ｃ５１１は回転板４０５および支持板Ｂ４１２に開けられた穴に回転自由の形で挿入され、軸材Ａ５０１および軸材Ｂ５１０と平行に配置される。ギヤＣ４０６とギヤＤ４０７の関係を示したモデルが図７であり、ギヤＢ５０９とギヤＣ４０６の回転角度が同じであることを考慮すると、回転板４０５の回転に伴うギヤＤ４０７の回転角度θ４は数６によって得られる。ここでＺｃはギヤＣ４０６の歯数、ＺｄはギヤＤ４０７の歯数である。

正面カム４０９は、回転軸が軸材Ｃ５１１の中心軸と一致するように配置され、支持板Ａ４０８と支持板Ｂ４１２に挟み込まれる位置で固定される。正面カム４０９には図８に示す溝が掘られており、溝が掘られた面に対して垂直となる形で、カムフォロア５１２が溝に挿入される。カムフォロア５１２は可動範囲が直線方向のみに制限されたスライド板４１０に固定される。スライド板４１０の可動範囲と平行な直線Ｌと溝の中心線の交点をＰｃとすると、Ｐｃは正面カム４０９の回転に合わせて２点間を往復する（図９）。Ｐｃの動きはカムフォロア５１２の動きと一致するため、カムフォロア５１２が固定されたスライド板４１０は往復直線運動を行うこととなる。これによって、ギヤＤ４０７の回転運動をスライド板４１０の往復直線運動へ変換することが可能となる。単位走査軌道の実現を考えると、パン方向の走査領域の走査を完了、すなわち回転板４０５がθｐだけ回転した際に、正面カム４０９は３６０度回転する必要がある。

スライド板４１０はラック４１１およびギヤＥ４１３を介してアーム４１４と接続されており、スライド板４１０の移動に合わせてギヤＥ４１３が回転、すなわちアーム４１４の角度が変化することになる。ラック４１１とギヤＥ４１３の関係を示したモデルが図１０である。スライド板４１０の移動距離とギヤＥ４１３の回転距離が等しいことを考慮すると、回転板４０５の回転とギヤＥ４１３の回転運動の関係は数７となる。ここで、Ｌはスライド板４１０のスライド幅、θ５はギヤＥ４１３の回転角度、ＺｅはギヤＥ４１３の歯数、ｍ３はギヤＥ４１３のモジュールである。

スライド板４１０が可動範囲を往復直線運動するのに合わせて、ギヤＥ４１３は角度θｔ／２を基準として、０からθｔの角度を往復回転運動する。これを考慮すると、スライド板４１０が可動範囲の限界まで移動した際のギヤＥ４１３の回転角度はθｔ／２となるため、数８の関係が成り立つ。数８は、チルト方向の走査領域はギヤＥ４１３の歯数とモジュールおよびスライド板４１０のスライド幅に依存することを示している。本発明では円形の溝が掘られた正面カム４０９によって往復直線運動を実現しており、図８中のＬがスライド幅に対応する。

以上の原理によって、回転板４０５のパン方向の回転と、ギヤＥ４１３に固定されたアーム４１４のチルト方向の往復回転を単一の動力装置４０２によって実現することができる。アーム４１４の先端に、検出部４１６を装置の外側へ向ける形でセンサ４１５を搭載することで、三次元メッシュ状走査軌道による三次元空間の認識を行うことが可能となる。

三次元メッシュ状走査軌道を実現するためには、数６および数８のパラメータを適切に選択する必要がある。数６におけるパラメータは、ギヤＡ５０８、ギヤＢ５０９、ギヤＣ４０６、ギヤＤ４０７の歯数である。正面カム４０９が３６０度回転することで単位走査軌道によるチルト方向の走査が完了することを考慮すると、数９を満たすようにパラメータを選択する必要がある。三次元メッシュ状走査軌道は始端と終端が一致しない単位走査軌道によって実現されるため、正面カム４０９を３６０度回転させるのに要する回転板４０５の回転角度は３６０の整数倍であってはならない。すなわち、θｐは数３を満たす必要がある。例えばθｐ＝３５０の単位走査軌道によって三次元メッシュ状走査軌道を実現する場合、Ｚａ＝１８、Ｚｂ＝１８、Ｚｃ＝３６、Ｚｄ＝３５とすれば、数９の条件を満たすことができる。

数８におけるパラメータは、スライド幅、パン方向の走査領域、ギヤＥ４１３の歯数およびモジュールである。例えばθｔ＝９０の単位走査軌道を、歯数２５、モジュール０．８のギヤＥ４１３を用いて実現する場合、Ｌ＝５πとすれば、数８の条件を満たすことができる。

本発明は、単一のセンサによる広範囲の認識を可能とするため、セキュリティシステムや移動ロボットなどのシステムにおける、物体認識などへ導入することが可能である。

ｒ：軌道中心から走査軌道までの距離
θ：単位走査軌道の始端に対するパン方向の回転角度
ＰＳ：単位走査軌道の始端
ＰＥ：単位走査軌道の終端
４０１：ベース板
４０２：動力装置
４０３：ギヤＭ
４０４：ギヤＰ
４０５：回転板
４０６：ギヤＣ
４０７：ギヤＤ
４０８：支持板Ａ
４０９：正面カム
４１０：スライド板
４１１：ラック
４１２：支持板Ｂ
４１３：ギヤＥ
４１４：アーム
４１５：センサ
４１６：センサの検出部
５０１：軸材Ａ
５０２：ベアリング内輪
５０３：スペーサー
５０４：ベアリング外輪
５０５：アダプタＡ
５０６：スリップリング
５０７：アダプタＢ
５０８：ギヤＡ
５０９：ギヤＢ
５１０：軸材Ｂ
５１１：軸材Ｃ
５１２：カムフォロア
ｄ１：三次元メッシュ状走査軌道の軌道間隔
Ｌ１：三次元メッシュ状走査軌道
θ１：回転板の回転角度
θ２：ギヤＢの絶対的回転角度
９０１：正面カムに掘られた溝
Ｌｎ：スライド板の移動方向と平行な直線
Ｐｃ：Ｌｎと溝の中心線の交点
ｒ１：正面カムの回転軸から溝の中心までの最長距離
ｒ２：正面カムの回転軸から溝の中心までの最短距離
Ｌ：Ｐｃの移動幅
ｄ２：螺旋状走査軌道の軌道間隔
Ｌ２：螺旋状走査軌道

Claims (4)

1. パン方向とチルト方向の回転角度を同時に変化させることで得られる、始端と終端が異なる複数の単位走査軌道を重ねることで、三次元空間をメッシュ状に走査して三次元メッシュ状走査軌道を実現する三次元走査装置において、
   装置下部のベース板と、ベース板に対して垂直に固定された軸材Ａと、軸材Ａを中心に自由に回転することができる回転板と、回転動力を供給する単一の動力装置と、その回転動力を回転板へ伝達する、回転軸が軸材Ａの中心軸と一致する形で回転板に対して固定されたギヤＰと、回転軸が軸材Ａの中心軸と一致する形で軸材Ａに固定され自らは回転しないギヤＡと、ギヤＡと噛み合い、回転板の回転に合わせてギヤＡの周囲を自ら回転しながら円運動するギヤＢと、中心軸がギヤＢの回転軸と一致する形でギヤＢに固定され、回転板上の穴に回転自由の形で挿入された軸材Ｂと、回転軸が軸材Ｂの中心軸と一致する形で軸材Ｂに固定され、ギヤＢの回転に合わせて自ら回転する回転板上のギヤＣと、ギヤＣに噛み合う形で回転板上に組み付けられたギヤＤと、回転板と挟み込む形でギヤＣおよびギヤＤを支持する支持板Ａと、ギヤＤの回転運動を往復直線運動に変換する、回転板上に組み付けられた変換機構と、変換された動力によって往復直線運動を行うスライド板と、スライド板の可動範囲と平行に組み付けられたラックと、ラックと噛み合うギヤＥを介してスライド板と接続され、スライド板の往復直線運動に合わせてチルト方向の往復回転運動を行うアームと、アームが固定される支持板Ｂを有しており、動力装置の駆動により回転板、ギヤＢ、ギヤＣ、ギヤＤ、支持板Ａ、変換機構、スライド板、ラック、ギヤＥ、アーム、支持板Ｂが一体的にパン方向に回転し、これに伴い発生するギヤＢの回転動力がギヤＣ、ギヤＤ、変換機構、スライド板、ラック、ギヤＥ、アームと伝達され、アームがチルト方向の往復回転運動を行うことで、駆動装置の回転方向制御を伴わずに、前記三次元メッシュ状走査軌道による三次元空間走査を実現することを特徴とする三次元走査装置。
2. 前記回転運動を往復直線運動に変換する機構が、板に溝が掘られた正面カムと、溝に合わせて従動するカムフォロアによって実現されることを特徴とする、請求項１に記載の三次元走査装置。
3. 正面カムに掘られた溝が円形であることを特徴とする、請求項２に記載の三次元走査装置。
4. 前記アームの先端にセンサを付加することで、センサによる三次元空間の認識を実現することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の三次元走査装置を用いた三次元測位装置。
   

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