JP7244049B2

JP7244049B2 - ジンバル機構

Info

Publication number: JP7244049B2
Application number: JP2018208506A
Authority: JP
Inventors: 陽一鈴木
Original assignee: Aeronext Inc
Current assignee: Aeronext Inc
Priority date: 2018-11-05
Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2023-03-22
Anticipated expiration: 2038-11-05
Also published as: JP2020076424A

Description

本発明は、ジンバル機構に関する。

従来、カメラやセンサ等の情報収集機器、作業用アームや工具等の作業機器をさまざまな場所に設置したり、移動が可能な物（例えば、自動車や船舶、等）に搭載したりして、様々な作業や調査が行われている。

作業機器は、移動させながら使用したり、振動が起こり得る場所に設置や搭載をしたりする場合が多い。例えば、テレビ番組や映画の撮影で人がカメラを保持し動かす、インフラ点検のためにセンサを無人航空機に搭載して飛行させる、などといった場合がある。

作業において、前期作業機器が精密な動作を求められる場合には、作業機器は設置された環境による振動や揺動を受けないことが望ましい。また、特に人や移動が可能な物に保持させて使用する場合には、よりコンパクトであり、軽量であることが求められる。

特許文献１では、撮像装置の姿勢を安定させながら、また、簡素な構造、高い携帯性を有する事を特徴とするジンバル支持装置システムを提供する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５－１７７５３９号公報

特許文献１においては、２つのモータを備えるジンバル支持装置構造を設け、１のモータは２のモータの回転軸へ曲げ部材により接続される構造とすることによって、搭載する撮像装置の簡素な構造、高い携帯性を有しながら、良好な安定性を得ることが可能に構成している。

しかしながら、特許文献１のような、現在利用されているジンバル機構を構成する複数のモータは夫々が同等の出力となっており、最適化及び小型化は十分とは言えない。

２つのモータの内、１のモータは固定部材及び、固定部材に取り付けられる機器を支持するのに対して、残る２のモータは、１のモータ、１のモータに接続する曲げ部材、固定部材、固定部材に取り付けられる機器を支持している。つまり、同等のモータを使用していながら、夫々のモータにかかる負荷が均一ではなく、モータ１のモータの余力が過多である若しくは、2のモータの余力が過少な状態であることは明白である。

そこで、本発明は、２軸ジンバルの構成において、負荷の大きいジンバルが備える駆動部の出力と比較して、負荷の少ないジンバルが備える駆動部の出力を小さくすることにより、最適な余力を持ち、効率よく駆動部を使用できるジンバル機構を提供することを一つの目的とする。

本発明は、２軸ジンバルの構成において、１つのジンバルの駆動部の出力を小さくすることにより、最適な余力をもつジンバル機構を提供することを一つの目的とする。

本体部を第１方向に変位させる第１ジンバルと、
前記第１ジンバルを直接的に又は間接的に第２方向に変位させる第２ジンバルとを備えるジンバル機構であって、
前記第１ジンバルを駆動するための第１駆動部は、前記第２ジンバルを駆動するための第２駆動部よりも出力が小さい
ジンバル機構が得られる。

本発明によれば、効率よく駆動部を使用することが可能なジンバル機構を提供し得る。

従来のジンバル機構を上から見た概念図である。本発明によるジンバル機構を上から見た概念図である。本発明によるジンバル機構を上から見たその他の概念図である。図１のジンバル機構を飛行体に搭載した状態を上面から見た概念図である。図２のジンバル機構を飛行体に搭載した状態を上面から見た概念図である。図３の飛行体の機能ブロック図である。

本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態による飛行体は、以下のような構成を備える。
［項目１］
本体部を第１方向に変位させる第１ジンバルと、
前記第１ジンバルを直接的に又は間接的に第２方向に変位させる第２ジンバルとを備えるジンバル機構であって、
前記第１ジンバルを駆動するための第１駆動部は、前記第２ジンバルを駆動するための第２駆動部よりも出力が小さい
ジンバル機構。

＜本発明による実施の形態の詳細＞
以下、本発明の実施の形態によるジンバル機構について、図面を参照しながら説明する。

構造や形状については一例に過ぎず、本発明の実施に必要な機能を有する部材であれば、どのようなものでもよい。

本発明におけるジンバル機構は、本体部３０を第１方向に変位させる第１ジンバル１０と、第１ジンバル１０を直接的に又は間接的に第２方向に変位させる第２ジンバル２０とを備えている。

第１ジンバル１０と第２ジンバル２０（以下、各ジンバルと記述する）とが備える第１駆動部１１と第２駆動部２１（以下、各駆動部と記述する）は、主にブラシレスモータやブラシ付きＤＣモータ、サーボ等が想定されるが、本体部３０及び第１ジンバル１０を変位させることができればよく、この限りではない。

図２に示されるように、本発明の実施によるジンバル機構は、第２ジンバル２０が備える第２駆動部２１に比較して、第１ジンバル１０が備える第１駆動部１１は出力の小さいものが備えられている。

図１に示されるような従来のジンバル機構において、各駆動部の出力が第２ジンバル２０への負荷に対して最適化されていた場合には、第１ジンバル１１が備える第１駆動部１１は余力過多な状態である。

この場合、第１駆動部１１を、より出力の小さいものとすることで、ジンバル機構全体の軽量化や小型化がはかれる他、各駆動部をより効率良く使用することが可能となる。

また、図１に示されるような従来のジンバル機構において、各駆動部の出力が第１ジンバルへの負荷に対して最適化されていた場合には、第２ジンバル２０が備える第２駆動部がもつ余力は不十分である。

その場合には、図３に示されるように、第２ジンバル２０が備える第２駆動部２１の出力を大きいものにすることで、第１駆動部１１と第２駆動部２１それぞれが最適な余力を持って運用される。これにより、ジンバル機構をより安定した状態で使用することが出来る。

ジンバル機構の小型化及び軽量化は、ジンバル機構が搭載される機器の小型・軽量化につながるため、例えばカメラのスタビライザーとして使用する際には、それを保持するクレーンや人、ワイヤー等にかかる負荷が軽減する。

第１ジンバル１０は、第２ジンバル２０によって回動可能な形状であり、且つ、本体部３０を保持可能である必要がある。主に略矩形形状や略円形形状を有することが想定されるが、形状についてはこの限りではなく、例えば、第１ジンバル１０を完全に囲まないＬ字型やコの字型などの部材でも構わない。

各ジンバルのそれぞれの回転軸は互いに直交していても斜交していてもよい。

本発明におけるジンバル構造の使用の例としては、カメラやセンサなどの情報収集機器及び外部へ影響を与える機器を人が持ったり、車両や船舶、航空機などに搭載したりする際のスタビライザー、様々な作業機器を作業場所や作業ロボット等に搭載し、姿勢を安定させた状態で使用するための姿勢制御装置などがある。

図５に示されるように、本発明におけるジンバル構造は、飛行体５０に搭載することも可能である。ここでは、説明を容易にするため小型の無人回転翼機を用いるが、あくまで例示に過ぎず、飛行体の形態を限定するものではない。例えば、有人機でも無人機でもよいし、飛行体が飛行船、固定翼機、回転翼機などであってもよい。

一般的に、飛行体に搭載する場合には、燃費や安全性等の観点から、地上等で使用する際よりも軽量化や小型化、および安定した動作が重要となる。

もちろん、本発明によるジンバル構造が、飛行部と互いに変位可能に接続されていなくとも、カメラのスタビライザーや搭載作業機器の姿勢を安定させるためのジンバル機構として機能することは言うまでもない。

上述した飛行体は、例えば、図５に示される機能ブロックを有している。なお、図８の機能ブロックは最低限の参考構成である。

フライトコントローラは、プログラマブルプロセッサ（例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ））などの１つ以上のプロセッサを有することができる。

フライトコントローラは、図示しないメモリを有しており、当該メモリにアクセス可能である。メモリは、１つ以上のステップを行うためにフライトコントローラが実行可能であるロジック、コード、および／またはプログラム命令を記憶している。

メモリは、例えば、ＳＤカードやランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの分離可能な媒体または外部の記憶装置を含んでいてもよい。カメラやセンサ類から取得したデータは、メモリに直接に伝達されかつ記憶されてもよい。例えば、カメラ等で撮影した静止画・動画データが内蔵メモリ又は外部メモリに記録される。

フライトコントローラは、飛行体の状態を制御するように構成された制御モジュールを含んでいる。例えば、制御モジュールは、６自由度（並進運動ｘ、ｙ及びｚ、並びに回転運動θ_ｘ、θ_ｙ及びθ_ｚ）を有する飛行体の空間的配置、速度、および／または加速度を調整するために飛行体の推進機構（モータ等）を制御する。制御モジュールは、搭載部、センサ類の状態のうちの１つ以上を制御することができる。

フライトコントローラは、１つ以上の外部のデバイス（例えば、端末、表示装置、または他の遠隔の制御器）からのデータを送信および／または受け取るように構成された送受信部と通信可能である。送受信機は、有線通信または無線通信などの任意の適当な通信手段を使用することができる。

例えば、送受信部は、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）、赤外線、無線、ＷｉＦｉ、ポイントツーポイント（Ｐ２Ｐ）ネットワーク、電気通信ネットワーク、クラウド通信などのうちの１つ以上を利用することができる。

送受信部は、センサ類で取得したデータ、フライトコントローラが生成した処理結果、所定の制御データ、端末または遠隔の制御器からのユーザコマンドなどのうちの１つ以上を送信および／または受け取ることができる。

本実施の形態によるセンサ類は、慣性センサ（加速度センサ、ジャイロセンサ）、ＧＰＳセンサ、近接センサ（例えば、ライダー）、またはビジョン／イメージセンサ（例えば、カメラ）を含み得る。

本発明のジンバル機構は、調査、撮影、工事等における姿勢制御及び姿勢保持装置としての利用が期待できる。また、本発明のジンバル機構は、マルチコプター・ドローン等の飛行機関連産業においても、カメラやセンサ等を搭載するための装置として好適に使用することができる他、作業を行う上で姿勢制御が必要となるものに関して。広く活用が可能なため、撮影、セキュリティ分野、農業、インフラ点検、人が行っている作業の代替等の様々な状況で利用することができる。

上述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良することができると共に、本発明にはその均等物が含まれることは言うまでもない。

１０第１ジンバル
１１第１駆動部
２０第２ジンバル
２１第２駆動部
３０本体部
５０飛行体

Claims

本体部を第１方向に変位させる第１駆動部を有する第１ジンバルと、
前記第１ジンバルを直接的に又は間接的に第２方向に変位させる第２駆動部を有する第２ジンバルとを備えるジンバル機構であって、
前記第１駆動部として、前記第２駆動部よりも出力が小さい駆動部を備える、
ジンバル機構。