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Gimbal - Wikipedia

ジンバルとは 1 つの軸の周りで、オブジェクトの回転を可能にする旋回する支えのことである。 3 つのジンバルの組 ―― 1 つのジンバルが別のジンバルの上に、 直交する旋回軸で搭載されているもの ―― は、最も内側のジンバルに搭載されているオブジェクト (例えば最初の動画の垂直部分) が、 支持構造の回転に独立となることを可能にするように使用される。 例えば、船上では ジャイロスコープ, 船舶用コンパス, ストーブ, そしてドリンク・ホルダーでさえ、 典型的にはジンバルを使用して、船の縦揺れ・横揺れにもかかわらず、水平線に対して上向きに保持される。

単純な 3 軸ジンバル・セットの描画 中央リングは垂直に固定可能

コンパスのようなものを搭載するのに使用される ジンバルのサスペンションは 時々カルダノ・サスペンション (Cardan Suspension) と呼ばれ、 これを詳細に説明したイタリアの数学者・物理学者の ジェロラモ・カルダーノ (1501 年 - 1576 年) に ちなんでいる。 しかしながら、カルダノはジンバルを発明していないし、そう主張もしていない。 装置は古代から知られ、 ビザンチウムのフィロン (Philo of Byzantium) により 紀元前 3 世紀に始めて記述されている。 もっとも現代の著作家の何人かは、単一の特定できる発明家がいないとの観点を支持している。

ジンバルはギリシャの発明家である ビザンチウムのフィロン ( Philo of Byzantium、BC 280 年 - BC 220 年) によって始めて記述されている。 フィロンは 8 面からなるインク壺を記述している。 これは各面に開口部があって回転してどの面も一番上にすることができ、 ペンを刺してインクに浸すことができる、 一方でインクは他の面の開口部から漏れることがない。 これは中心にインクの収容部を吊るすことで実現され、 インクの収容部は中心が同じ一連の金属製の輪に搭載され、どのように壺を回転しても 静止したままであった。

古代中国で、漢 (BC 202 年 - AD 220 年) の発明家で機械技術者の 丁緩 (Ding Huan) はジンバルの 香炉 ([訳注 Censerの写真を参照]) を AD 180 年頃に発明した。 より以前の 司馬相如 (Sima Xiangru, BC 179 年 - BC 117 年) の著作物に、 ジンバルは BC 2 世紀以来中国に存在していたことのヒントがある。 ジンバルがドアや窓の蝶番に使用されたことの言及が 梁 (502 年 - 557 年) にあり、 1 人の職人が携帯用の暖房ストーブを女帝の 武則天 (治世 690 年 - 705 年) にかって贈呈し、これにジンバルが使用されていた。 香炉に使用された中国のジンバルの現存する実例は唐時代 (618 年 - 907 年) 初期にさかのぼり、 中国の銀細工の伝統の一部分である。

カルダノ・サスペンションの フィロンの記述の信頼性は、 ジンバルの使用を記述したフィロンのネウマティカ (Philo's Pneumatica) の一部分は 9 世紀始めの アラビア語の翻訳のみで生き延びているという理由から、著書によっては疑問視されていた。 従って 1965 年になってさえ、中国学の ジョゼフ・ニーダム (Joseph Needham) はアラビア人の改ざんを疑った。 しかしながら、現代の学者の基礎をなお提供しているフランス語翻訳の著者であるキャラ・ド・ヴォー (Carra de Vaux) はネウマティカ (Pneumatics) を基本的に本物と見なしている。 技術史家のジョージ・サートン (George Sarton, 1959 年) も、 アラビア語版はフィロンの原本の忠実なコピーで、 フィロンがこの発明をしたと仮定することは安全であると断言している。 彼の同僚のマイケル・ルイス (Michael Lewis) も同様である (2001 年)。 事実、後者の研究 (1997 年) が実証することは、 アラビア語版はギリシャ文字の列を含み、これは AD 1 世紀のあとでは使用されることがなく、 従って、これがヘレニズム起源の忠実なコピーであることを裏付けた。 これは最近、古典主義者のアンドリュー・ウィルソン (Andrew Wilson) もわかちあった観点である (2002 年)。

ヴィラール・ド・オヌクールのスケッチブック (1230 年頃) のカルダノ・サスペンション	ジンバルで吊るされた 近代初期の乾式コンパス

古代ローマの著者の機械技術者アテナイオス (Athenaeus Mechanicus) は アウグストゥス (Augustus, BC 30 年 - AD 14 年) の 治世の最中に、ジンバルのような機械の軍用使用を記述し、これを「小さな猿」(little ape, pithêkion) と呼んでいる。 海から海岸の町を攻撃する準備の時に、軍事技術者は商船をつないで包囲攻撃機械で壁を上った。 しかし、船上の機械が激しい雨で甲板を転げまわることを防止するために、 アテナイオスが忠告したことは、真ん中の商船に取り付けた台の上に「小さな猿」 (pithêkion) を固定して、 機械がどの角度でも上向きにすることであった。

(ギリシャ・ローマの) 古代の後で、ジンバルは近東で広く知られたまゝであった。 西方ラテン世界 (Latin West) で、この装置の 言及は Little Key of Painting (mappae clavicula, 「絵画の小さな手引き」) と呼ばれる 9 世紀の料理本に再び登場した。 フランスの発明家の ヴィラール・ド・オヌクール (Villard de Honnecourt) は彼のスケッチブック (上を見よ) で一連の ジンバルを描いた。 近世初期に、乾燥コンパスはジンバルに吊るされた。

慣性航法では、 船舶と潜水艦に適用される時に、 最低 3 基のジンバルが 慣性航法システム (安定なテーブル) を可能にするのに必要で、慣性空間で固定され、 船の偏揺れ、縦揺れ、横揺れの変化を補償する。 この応用で、 慣性計測装置 (IMU, Inertial measurement unit) は 3 基の直交的に搭載されたジャイロを装備し、 3 次元空間の中で、全ての軸の周りの回転を感知する。 ジャイロ出力 (gyro outputs) は各ジンバルの軸の駆動モーターを通して、ヌル (null) に保ち、IMU の向きを維持する。 これを実現するために、ジャイロ・エラー信号が 3 基のジンバルに搭載されたレゾルバー ( resolver) ―― 横揺れ, 縦揺れ, 偏揺れ ―― を通して 手渡される。 これらのレゾルバーは各ジンバルに応じた自動的な行列変換 (matrix transformation) を実施し、 要求されたトルクが適当なジンバル軸に手渡される。 偏揺れトルク (yaw torque) は横揺れ、縦揺れの変換で レゾルブ (resolve、解決) しなければならない。 ジンバル角度は計測されない。 類似のセンシング・プラットフォーム (sensing platform) は航空機で使用される。

一緒に搭載された 3 基のジンバルの 1 セット。各々は 1 自由度 ―― 横揺れ, 縦揺れ、偏揺れ ―― を提供

慣性航法システム で、 輸送船 (vehicle) の回転により 3 個あるジンバル輪 (gimbal ring) の 2 つが 単一平面内で旋回軸が同じ向きになる時に、ジンバル・ロック (gimbal locke) が起きる可能性がある。 これが起きた時に、センシング・プラットフォーム (sensing platform) の向き付け (orientation) を維持することは可能ではない。

宇宙船 (spacecraft) の推進で、 ロケット・エンジンは一般に一対のジンバルに搭載されて、 単一のエンジンで縦揺れと偏揺れの軸のまわりに 推力偏向 (vector thrust) することを可能にする。 横揺れ (roll) を制御するために、 差動ピッチあるいは偏揺れ信号 (differential pitch or yaw control signal) を持つ 対のエンジン (twin engines) が使用されて、輸送船 (vehicle) の横揺れ軸 (roll axis) の まわりにトルクを提供する。

ジンバルは小さなカメラのレンズから、大きな写真撮影用の望遠鏡まで、何でも搭載することに使用される。

携帯用の写真撮影装置で、単軸ジンバル・ヘッド (single-axis gimbal head) は バランスのとれたカメラとレンズの動きを可能にするために使用される。 これが便利であると分かるのは、野生生物などの写真撮影で、 とても長く重い望遠レンズが採用され、 ジンバル・ヘッド (gimbal head) が重心のまわりにレンズを回転し、 動くオブジェクトを追跡中に容易で滑らかな操作を可能にしている。

スマートフォン用にジンバルを使用。	altitude-altitude-azimuth 搭載の Baker-Nunn 衛星追跡カメラ

2 軸や 3 軸のアルティチュード・アルティチュード搭載 ( altitude-altitude mount) のとても大きなジンバルは、 追跡目的のために衛星写真撮影で使用される。

ジャイロで安定化したジンバルは、多くのセンサーを格納し、 空挺監視応用 (airborne surveillance application) にも使用され、 これに含まれるのは : 空挺の法執行、 導管と動力線の検査、 地図作図、 ISR (諜報, 監視そして偵察 (intelligence, surveillance, and reconnaissance)) がある。 センサーに含まれるものに : 赤外線センサー(thermal imaging)、 昼間カメラ (daylight camera)、 低照度カメラ (low light camera)、 更にはレーザー測距器 (laser range finder) と 照明器 (illuminators) がある。

ジンバル・システムは科学的光学装置でも使用される。 例えば、これらは軸に沿って材質サンプルを回転し、光学的性質の角度依存が調べられる。

手持ちのジンバルは安定化システムに使用され、 カメラの振動や震えなして、手持ち撮影の独立性を与えるようにデザインされている。 このような安定化システムには 2 つのバージョンがある : 機械的なものとモーター化したものである。

機械的ジンバルはソリ (sled) の形で、含まれるのは : 一番上にカメラが付属、 大半のモデルでは伸張する柱、 これに、カメラの重さと釣り合いを取るために、 底部にモニターとバッテリーが付属する。 これは ステディカム (Steadicam, 商標の 1 つ) が上向きになる理由で、単に底部を頂上部より少し重くしてあり、 ジンバルで旋回する。 これは、どれほど重くても全体の装備の重心を、正確にオペレーターの指先に残し、 ジンバルに非常に軽く触れて、全システムの手際のよい、有限な制御を可能にする。

NEWTON S2 ジンバル、 RED カメラ、Teradek レンズ・モーター、及び アンジェニューレンズ の遠隔操作と 3 軸安定化用

3 台の 無整流子モーター (brushless motor) で駆動され、 モーター化されたジンバルはカメラのオペレーターがカメラを動かせば、全ての軸上でカメラを水平に保つことができる。 慣性計測装置 (IMU, inertial measurement unit) は動きに反応し、3 台の分離したモーターを利用して、 カメラを安定化する。 アルゴリズムのガイダンスで、 スタビライザーはパン (pan, [カメラをぐるっと回す]) のような意図した動きと、 望んでいない振動による追跡撮影 (tracking shot) を区別することができる。 これにより、カメラが空中に浮いているように見えることを可能にし、 過去に ステディカム (Steadicam) により達成された効果である。 ジンバルは車やドローンのような輸送機 (vehicle) に搭載でき、 ここでは振動や予期せざる動きが三脚などの取り付け具を受け入れがたいものにしている。 テレビの実況中継で人気のある実例は、Newton 3-axis camera ジンバルである。

機械的な海洋クロノメーターの速度はその向きに敏感であった。 この理由から、クロノメーターは海上の船舶の動揺から隔離するために、 通常ジンバルに搭載された。

ジンバル・ロックは、 3 次元、3 基のジンバルの機械で、 3 基のジンバルの中の 2 基の軸が平行な配置に駆動 (drive) された時に置きる 1 自由度の喪失で、 回転システムを退化 2 次元空間に閉じ込める。

単語のロック (lock, 鍵、閉じ込める) は誤解を招く : どのジンバルも拘束されていない。 3 基のジンバル全ては、それぞれのサスペンション軸のまわりに、なお自由に回転できるにもかかわらず、 ジンバルの 2 軸が平行であるため、1 つの軸の周りの回転を供給するジンバルが利用可能でない。