ジンバル

ジンバルは、軸を中心に物体を回転させることができるピボットサポートです。3 つのジンバルのセット (1 つをもう 1 つのジンバルに直交するピボット軸で取り付けたもの) を使用すると、最も内側のジンバルに取り付けられた物体を、サポートの回転 (最初のアニメーションの垂直など) から独立した状態に保つことができます。たとえば、船では、ジャイロスコープ、船上コンパス、ストーブ、さらにはドリンクホルダーでさえ、船の縦揺れや横揺れにもかかわらず、水平に対して垂直に保つためにジンバルが使用されています。

コンパスなどを取り付けるのに使われるジンバルサスペンションは、詳細に説明したイタリアの数学者で物理学者のジェロラモ・カルダーノ（1501-1576）にちなんでカルダンサスペンションと呼ばれることもある。しかし、カルダーノはジンバルを発明したわけではなく、またそう主張したわけでもない。この装置は古代から知られており、紀元前3世紀にビザンチンのフィロンによって初めて記述されたが、現代の著者の中には、特定できる発明者は一人もいないのではないかという見解を支持する者もいる。^[1]^[2]

歴史

ジンバルは、ギリシャの発明家ビザンチン帝国のフィロン（紀元前280年 - 220年）によって初めて説明されました。^[3]^[4]^[5]^[6]フィロンは、各面に開口部のある8面のインク壺について説明しました。この壺を回転させると、どの面を上にしてもペンを浸してインクを塗ることができますが、他の面の穴からインクが漏れることはありません。これは、中央のインク壺を一連の同心円状の金属リングに取り付けて吊り下げることで実現し、壺をどの方向に回してもインク壺は動かないようにしました。^[3]

古代中国では、漢代（紀元前202年-220年）の発明家で機械技術者の丁環が、紀元後180年頃にジンバル香炉を作った。 ^[3]^[7]^[8]司馬相如（紀元前179年-117年）の著作には、ジンバルが紀元前2世紀から中国に存在していたことがうかがえる。^[9]梁代（502年-557年）には、ジンバルがドアや窓の蝶番に使われていたことが記されており、また武則天（在位690年-705年）に職人がジンバルを使った携帯用暖房ストーブを献上したことがある。^[10]香炉に使われた中国のジンバルの現存する標本は、唐代初期（618年-907年）のものであり、中国の銀細工の伝統の一部であった。^[11]

フィロンのカルダンサスペンションに関する記述の信憑性については、フィロンの『気学』のうちジンバルの使用について記述している部分が、 9世紀初頭のアラビア語訳でしか残っていないという理由で、一部の著者によって疑問視されてきた。 ^[3]そのため、1965年になっても、中国学者のジョセフ・ニーダムは、アラビア語による挿入を疑っていた。^[12]しかし、今でも現代の学者の基礎となっているフランス語訳の著者であるカラ・ド・ヴォーは、^[13]『気学』を本質的に本物とみなしている。 ^[14]技術史家のジョージ・サートン（1959年）も、アラビア語版はフィロンのオリジナルを忠実にコピーしたものと想定しても間違いないと主張し、この発明をフィロンに明確に認めている。^[15]同僚のマイケル・ルイス（2001年）も同様の見解を示している。^[16]実際、後者の学者（1997年）による研究では、アラビア語のコピーには1世紀以降使われなくなったギリシャ語の文字の配列が含まれていることが実証されており、それによってそれがヘレニズム時代のオリジナルの忠実なコピーであるという主張が強化されています。^{[17]この見解は、最近、古典学者}アンドリュー・ウィルソン（2002年）も共有しています。 ^[18]

古代ローマの作家アテナイオス・メカニカスは、アウグストゥス帝の治世（紀元前30年～紀元後14年）に著作を著し、ジンバルのような機械の軍事的利用について記述し、それを「小さな猿」（ピテキオン）と呼んでいる。海から沿岸の町を攻撃する準備をする際、軍の技術者は商船をくびきでつなぎ、攻城兵器を城壁まで運んだ。しかし、船上の兵器が荒波の中で甲板上で転がるのを防ぐために、アテナイオスは「ピテキオンを商船の中央に取り付けられたプラットフォームに固定し、どの角度でも兵器が直立したままでいなければならない」と助言している。^[19]

古代以降も、ジンバルは近東では広く知られていました。ラテン西方では、この装置に関する記述が9世紀の「絵画の小さな鍵」（mappae clavicula）と呼ばれるレシピ本に再び登場しています。^[20]フランスの発明家ヴィラール・ド・オヌクールはスケッチブックにジンバルのセットを描いています（右図参照）。近世初期には、乾いたコンパスがジンバルに吊り下げられていました。

アプリケーション

慣性航法

船舶や潜水艦に適用される慣性航法では、慣性航法システム(安定したテーブル) を慣性空間に固定して、船舶のヨー、ピッチ、ロールの変化を補正するために、少なくとも 3 つのジンバルが必要です。このアプリケーションでは、慣性測定ユニット(IMU) に 3 つの直交するジャイロが装備され、3 次元空間のすべての軸の回転を感知します。ジャイロの出力は、各ジンバル軸の駆動モーターによってゼロに保たれ、IMU の方向が維持されます。これを実現するために、ジャイロのエラー信号は、ロール、ピッチ、ヨーの 3 つのジンバルに取り付けられた「リゾルバ」に渡されます。これらのリゾルバは、各ジンバル角度に応じて自動マトリックス変換を実行し、必要なトルクが適切なジンバル軸に伝達されます。ヨートルクは、ロールとピッチの変換によって解決する必要があります。ジンバル角度は測定されません。航空機でも同様の感知プラットフォームが使用されています。

慣性航法システムでは、車両が回転すると 3 つのジンバルリングのうち 2 つがピボット軸と 1 つの平面に揃うため、ジンバルロックが発生することがあります。この状態になると、センシングプラットフォームの向きを維持できなくなります。^[要出典]

ロケットエンジン

宇宙船の推進では、ロケットエンジンは通常、一対のジンバルに取り付けられ、1 つのエンジンでピッチ軸とヨー軸の両方の周りで推力を方向付けることができます。または、エンジンごとに 1 つの軸だけが提供される場合もあります。ロールを制御するには、差動ピッチまたはヨー制御信号を備えたツインエンジンを使用して、車両のロール軸の周りにトルクを提供します。

写真と画像

ジンバルは、小さなカメラレンズから大型の写真用望遠鏡まで、あらゆるものを取り付けるのにも使用されます。

携帯用写真撮影機器では、カメラとレンズのバランスの取れた動きを可能にするために、単軸ジンバルヘッドが使用されています。^{[21]これは、}野生動物の写真撮影だけでなく、非常に長くて重い望遠レンズが採用されている他のあらゆる場合にも役立ちます。ジンバルヘッドはレンズをその重心を中心に回転させるため、動く被写体を追跡しながら簡単かつスムーズに操作できます。

2軸または3軸の高度-高度マウント^[22]の形の非常に大きなジンバルマウントは、追跡目的で衛星写真撮影に使用されます。

複数のセンサーを内蔵したジャイロ安定化ジンバルは、空中法執行、パイプや電力線の検査、地図作成、ISR（情報収集、監視、偵察）などの空中監視アプリケーションにも使用されています。センサーには、熱画像、昼光、低照度カメラ、レーザー距離計、照明器具などがあります。^[23]

ジンバルシステムは科学光学機器にも使用されています。例えば、材料サンプルを軸に沿って回転させ、光学特性の角度依存性を調べるために使用されます。^[24]

映画とビデオ

手持ち式 3 軸ジンバルは、カメラの振動や揺れがなく、カメラオペレーターが手持ちで撮影できる独立性を確保するために設計された安定化システムで使用されます。このような安定化システムには、機械式と電動式の 2 つのバージョンがあります。

機械式ジンバルには、カメラが取り付けられるトップステージ、ほとんどのモデルで伸縮可能な支柱、カメラの重量を相殺するためのモニターとバッテリーが下部にあるスレッドがあります。このようにして、ステディカムは、ジンバルで回転する下部を上部よりわずかに重くするだけで、直立した状態を保っています。これにより、リグ全体の重心が、どれだけ重くても、オペレーターの指先にぴったりと収まり、ジンバルを軽く操作するだけで、システム全体を巧みかつ正確に制御できます。

3 つのブラシレスモーターで駆動する電動ジンバルは、カメラオペレーターがカメラを動かしても、すべての軸でカメラを水平に保つことができます。慣性測定装置 (IMU) が動きに反応し、3 つの独立したモーターを使用してカメラを安定させます。アルゴリズムのガイダンスにより、スタビライザーはパンなどの意図的な動きと不要な揺れによるトラッキングショットの違いを認識できます。これにより、カメラが空中に浮いているように見えます。これは、過去にステディカムによって実現された効果です。ジンバルは、振動やその他の予期しない動きのために三脚やその他のカメラマウントが受け入れられない車やドローンなどの他の乗り物に取り付けることができます。生放送業界で人気のある例としては、Newton 3 軸カメラジンバルがあります。

マリンクロノメーター

機械式海洋クロノメーターの速度は、その方向に敏感です。このため、クロノメーターは通常、海上の船の揺れから隔離するためにジンバルに取り付けられます。

ジンバルロック

3 つの回転軸を持つジンバル。2 つのジンバルが同じ軸を中心に回転すると、システムは 1 つの自由度を失います。

ジンバルロックとは、3 次元の 3 ジンバル機構において、3 つのジンバルのうち 2 つの軸が平行構成に駆動され、縮退した 2 次元空間でシステムが回転するように「ロック」されるときに発生する、1 つの自由度の喪失です。

ロックという言葉は誤解を招きやすいものです。ジンバルは拘束されていません。3 つのジンバルはすべて、それぞれのサスペンション軸を中心に自由に回転できます。ただし、ジンバルの軸のうち 2 つが平行に配置されているため、1 つの軸を中心に回転できるジンバルはありません。

参照

参考文献

^ ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。229ページ。
^ フランシス・C・ムーン『レオナルド・ダ・ヴィンチとフランツ・ルーローの機械：ルネッサンスから20世紀までの機械の運動学』 314ページ、シュプリンガー、2007年ISBN 1-4020-5598-6。
^ abcd サートン、ジョージ（1959年）。『科学の歴史：紀元前3世紀までのヘレニズム時代の科学と文化』ケンブリッジ：ハーバード大学出版局。pp.349-350 。
^ カーター、アーネスト・フランク（1967年）。発明と発見の辞典。哲学図書館。p.74。
^ セーヘル＝トス、ハンス＝クリストフ;シュメルツ、フリードリヒ。オークトール、エーリッヒ (2006)。ユニバーサルジョイントとドライブシャフト: 解析、設計、応用。スプリンガー。 p. 1.ISBN 978-3-540-30169-1。
^ クレブス、ロバート E.; クレブス、キャロリン A. (2003)。古代世界の画期的な科学的実験、発明、発見。グリーンウッドプレス。p. 216。ISBN 978-0-313-31342-4。
^ ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。p.233。
^ ハンドラー、サラ（2001年）。中国古典家具の厳粛な明るさ。カリフォルニア大学出版局（2001年10月1日発行）。308ページ。ISBN 978-0520214842。
^ ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。pp.233-234。
^ ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。p.234。
^ ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。pp.234–235。
^ ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。p.236。
^ Hill, DR (1977).技術史. 第2巻. p. 75.
^ Carra de Vaux: " Le livre des appareils pneumatiques et des machine 油圧装置 de Philon de Byzance d'après les version d'Oxford et de Constantinople "、Académie des Inscriptions et des Belles Artes: Notice et extraits des mss.国立図書館、パリ 38 (1903)、pp.27-235
^ サートン、ジョージ。(1959) 『科学の歴史：紀元前3世紀のヘレニズム時代の科学と文化』ニューヨーク：ノートン図書館、ノートン＆カンパニー社。SBN 393005267。pp.343–350。
^ Lewis, MJT (2001). Surveying Instruments of Greece and Rome . Cambridge University Press. p. 76 at Fn. 45. ISBN 978-0-521-79297-4。
^ ルイス、MJT (1997)。石臼とハンマー: 水力の起源。26～ 36ページ。
^ウィルソン 、アンドリュー（2002年）。「機械、電力、そして古代経済」。ローマ研究ジャーナル。92 （7）：1-32。doi：10.1017 / S0075435800032135。
^ アテナイウス・メカニカス、「機械について」 (「Peri Mēchanēmatōn」)、32.1-33.3
^ ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。pp.229、231。
^ 「3軸ハンドヘルドGoProジンバル」gimbalreview.com . GimbalReview. 2017年. 2017年5月7日閲覧。
^ 「 記事」。ソビエト光学技術ジャーナル。43 （3）。アメリカ光学会、アメリカ物理学会：119。1976年。
^ ロイ・ディーチェ (2013).空挺ジンバルカメラ – インターフェイスガイド。
^ ビハリ、ヌプール;ダッシュ、スムルティ・プラサド。ダンカニ、カランクマール C.ピアース、ジョシュア M. (2018-12-01)。「オプトエレクトロニクス測定用の 3-D 印刷可能なオープンソース 2 軸ジンバルシステム」(PDF)。メカトロニクス。56 : 175–187。土井:10.1016/j.mechatronics.2018.07.005。ISSN 0957-4158。S2CID 115286364。

外部リンク

ウィキメディア・コモンズのジンバル関連メディア

[1] ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。229ページ。

[2] フランシス・C・ムーン『レオナルド・ダ・ヴィンチとフランツ・ルーローの機械：ルネッサンスから20世紀までの機械の運動学』 314ページ、シュプリンガー、2007年ISBN 1-4020-5598-6。

[sarton_349_350-3] サートン、ジョージ（1959年）。『科学の歴史：紀元前3世紀までのヘレニズム時代の科学と文化』ケンブリッジ：ハーバード大学出版局。pp.349-350 。

[4] カーター、アーネスト・フランク（1967年）。発明と発見の辞典。哲学図書館。p.74。

[5] セーヘル＝トス、ハンス＝クリストフ;シュメルツ、フリードリヒ。オークトール、エーリッヒ (2006)。ユニバーサルジョイントとドライブシャフト: 解析、設計、応用。スプリンガー。 p. 1.ISBN 978-3-540-30169-1。

[6] クレブス、ロバート E.; クレブス、キャロリン A. (2003)。古代世界の画期的な科学的実験、発明、発見。グリーンウッドプレス。p. 216。ISBN 978-0-313-31342-4。

[7] ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。p.233。

[8] ハンドラー、サラ（2001年）。中国古典家具の厳粛な明るさ。カリフォルニア大学出版局（2001年10月1日発行）。308ページ。ISBN 978-0520214842。

[9] ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。pp.233-234。

[10] ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。p.234。

[11] ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。pp.234–235。

[12] ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。p.236。

[13] Hill, DR (1977).技術史. 第2巻. p. 75.

[14] Carra de Vaux: " Le livre des appareils pneumatiques et des machine 油圧装置 de Philon de Byzance d'après les version d'Oxford et de Constantinople "、Académie des Inscriptions et des Belles Artes: Notice et extraits des mss.国立図書館、パリ 38 (1903)、pp.27-235

[15] サートン、ジョージ。(1959) 『科学の歴史：紀元前3世紀のヘレニズム時代の科学と文化』ニューヨーク：ノートン図書館、ノートン＆カンパニー社。SBN 393005267。pp.343–350。

[16] Lewis, MJT (2001). Surveying Instruments of Greece and Rome . Cambridge University Press. p. 76 at Fn. 45. ISBN 978-0-521-79297-4。

[17] ルイス、MJT (1997)。石臼とハンマー: 水力の起源。26～ 36ページ。

[18] ^ウィルソン 、アンドリュー（2002年）。「機械、電力、そして古代経済」。ローマ研究ジャーナル。92 （7）：1-32。doi：10.1017 / S0075435800032135。

[19] アテナイウス・メカニカス、「機械について」 (「Peri Mēchanēmatōn」)、32.1-33.3

[20] ニーダム、ジョセフ。(1986)。中国の科学と文明：第4巻、物理学と物理技術、第2部、機械工学。台北：Caves Books Ltd。pp.229、231。

[21] 「3軸ハンドヘルドGoProジンバル」gimbalreview.com . GimbalReview. 2017年. 2017年5月7日閲覧。

[22] ^ 「 記事」。ソビエト光学技術ジャーナル。43 （3）。アメリカ光学会、アメリカ物理学会：119。1976年。

[23] ロイ・ディーチェ (2013).空挺ジンバルカメラ – インターフェイスガイド。

[24] ビハリ、ヌプール;ダッシュ、スムルティ・プラサド。ダンカニ、カランクマール C.ピアース、ジョシュア M. (2018-12-01)。「オプトエレクトロニクス測定用の 3-D 印刷可能なオープンソース 2 軸ジンバルシステム」(PDF)。メカトロニクス。56 : 175–187。土井:10.1016/j.mechatronics.2018.07.005。ISSN 0957-4158。S2CID 115286364。