JP7201214B2

JP7201214B2 - ジンバル機構

Info

Publication number: JP7201214B2
Application number: JP2018201351A
Authority: JP
Inventors: 陽一鈴木
Original assignee: Aeronext Inc
Current assignee: Aeronext Inc
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2038-10-25
Also published as: JP2020067154A

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。

近年、その作業の多くは精細さを求められており、作業機器の揺れの軽減や、細かい制御が必要となっている。

特許文献１では、ジンバル機構を用いた支持装置へ撮像機器を搭載することにより、撮像装置の姿勢を安定化させ得るシステムを提供する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－１７９９３号公報

特許文献１においては、複数のモータを備えるジンバル支持装置構造を設けることによって、搭載する撮像装置の姿勢を容易に安定化させ、視軸振れを抑制できるよう構成している。これにより、良質な映像を得ることが出来る。

しかしながら、特許文献１において、ジンバルに備えられたモータは作業部が主に回動する方向（以下、主方向とも称する）とジンバルの回転方向は同じである。すなわち、主な回転方向における姿勢制御は１方向のモータによるものとなり、姿勢制御の精密さの限界は１方向のモータの回動の細かさに準ずる。

また、姿勢制御が１つのモータによって行われるということは、モータにかかる負担についても１つのモータに偏ることとなる。

現在、また今後要求される作業の精度に対応していくためには、より細かな制御が可能であることが望ましい。

そこで、本発明は、主方向に対してジンバル可動軸を斜交するように設けることにより、制御の段階を細かくし、且つ、各モータの負担を均一化させ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、主方向とジンバル可動軸を斜交させることで、より作業部を細かく制御可能なジンバル機構を提供することを一つの目的とする。

本発明によれば、
少なくとも主方向に変位することによって所定の作業を行う本体部と、
第１回転軸を有し第１方向に変位可能な第１ジンバル部と、
第２回転軸を有し第２方向に変位可能な第２ジンバル部と、
を備えたジンバル機構であって、
前記本体部は、前記第１ジンバル部と前記第２ジンバル部とが協働することによって前記主方向に変位する、
ジンバル機構が得られる。

本発明によれば、作業部を細かく制御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。図１のジンバル機構にカメラを搭載した状態を正面から見た概念図である。図２のジンバル機構にカメラを搭載した状態を正面から見た概念図である。図１のジンバル機構に作業部を設けた状態を正面から見た概念図である。図２のジンバル機構に作業部を設けた状態を正面から見た概念図である。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８の飛行体の機能ブロック図である。図２のジンバル機構の使用例を示す他の図である。

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］
少なくとも主方向に変位することによって所定の作業を行う本体部と、
第１回転軸を有し第１方向に変位可能な第１ジンバル部と、
第２回転軸を有し第２方向に変位可能な第２ジンバル部と、
を備えたジンバル機構であって、
前記本体部は、前記第１ジンバル部と前記第２ジンバル部とが協働することによって前記主方向に変位する、
ジンバル機構。
［項目２］
項目１に記載のジンバル機構であって、
前記第１回転軸と前記第２回転軸はいずれも垂直方向と直交する、
シンバル機構。
［項目３］
項目１に記載のジンバル機構であって、
前記第１回転軸と前記第２回転軸はいずれも垂直方向と斜交する、
ジンバル機構。
［項目４］
項目１乃至項目３のいずれかに記載のジンバル機構と、
少なくとも揚力を発生させるための飛行部とを備え、前記主方向を少なくとも進行方向とする飛行体であって、
前記飛行部と、前記本体部とは前記第１ジンバル及び前記第２ジンバルを介して互いに変位可能に接続されている、
飛行体。

＜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飛行体について、図面を参照しながら説明する。

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、前記第１ジンバル部１０と前記第２ジンバル部２０とが協働して主方向へ本体部３０を変位させる。

なお、本実施例における主方向とは、本体部が、作業時に本来の機能を発揮することのできる変位方向を指すものとする。例えば、図３及び図４に示されるようなカメラの重たる撮影方向や、図７及び図８に示されるような飛行体の主な進行方向などである。

＜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。

図２に示されるように、本実施の形態によるジンバル機構は、少なくとも主方向に変位することによって所定の作業を行う本体部３０と、第１回転軸１１を有し第１方向に変位可能な前記第１ジンバル部１０と、第２回転軸２１を有し第２方向に変位可能な前記第２ジンバル部２０を備えたジンバル機構である。

本体部３０は、第１ジンバル部１０と、第２ジンバル部２０が協働することによって主方向に変位する。これにより、本体部３０の姿勢制御をする際、１方向のジンバルのみを用いる場合に比較して、更に細かい段階で制御を行うことが可能となる。

また、本体部３０を主方向へ変位させるための負担を２つのジンバルで分割して担うため、各ジンバルが備えるモータへの負荷を分散させることが出来る。

図２に示されるように、第１回転軸１０と前記第２回転軸２０はいずれも垂直方向と直交していてもよい。この場合、本体部３０が変位するときの回転軸は、本体部３０を垂直に保とうとする限りＸＹ平面と直交する。つまり、第１ジンバル部１０と、第２ジンバル部２０のいずれか一方のみが変位に用いられる状況が発生する。

なお、図１０に示されるように、第１回転軸１０と前記第２回転軸２０はいずれも垂直方向と斜交していてもよい。なお、斜交させるより、第１ジンバル部１０と、第２ジンバル部２０のいずれか一方のみが変位に用いられる状況が発生しないため、本体部３０の変位において第１ジンバル部１０と第２ジンバル部２０は常に協働する。

本発明におけるジンバル構造の使用の例として、図４及び図６に示されるような本体部の使用方法がある。図４においては、カメラのスタビライザー、図６においては作業機器を搭載するフレームを示している。

図８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。

飛行体５０は、少なくとも揚力を発生させるための飛行部５１を備え、主方向を少なくとも進行方向とする飛行体であって、飛行部５１と、本体部３０とは第１ジンバル１０及び第２ジンバル２０を介して互いに変位可能に接続されている。

飛行体５０に互いに変位可能に接続されることで、本体部３０は移動しながらの作業や高所においての作業が可能となることは勿論、本発明により更に細かく、且つ各モータへの負担が少ない制御が可能となる。

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９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、監視、調査、撮影、建築等における様々な作業を行う機器のジンバルスタビライザーとしての利用が期待できる。また、本発明の飛行体は、マルチコプター・ドローン等の飛行体関連産業において利用することができ、さらに、本発明は、カメラ等を搭載した空撮用の飛行体としても好適に使用することができる他、セキュリティ分野、農業、インフラ点検等の様々な産業にも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ジンバル部
１１第１回転軸
２０第２ジンバル部
２１第２回転軸
３０本体部
３１本体部の回転軸
５０飛行体
５１飛行部

Claims

少なくとも主方向に変位することによって所定の作業を行う本体部と、
第１回転軸を有し第１方向に変位可能な第１ジンバル部と、
第２回転軸を有し第２方向に変位可能な第２ジンバル部と、
を備えたジンバル機構であって、
前記第１回転軸と前記第２回転軸は、いずれも垂直方向と斜交し、
前記本体部は、前記第１ジンバル部と前記第２ジンバル部とが協働することによって前記主方向に変位する、
ジンバル機構。
請求項１に記載のジンバル機構と、
少なくとも揚力を発生させるための飛行部と、を備え、前記主方向を少なくとも進行方向とする飛行体であって、
前記飛行部と、前記本体部とは前記第１ジンバル部及び前記第２ジンバル部を介して互いに変位可能に接続されている、
飛行体。