趙天宇

摘要：云臺(tái)作為支撐相機(jī)的運(yùn)動(dòng)組件，在工業(yè)巡檢機(jī)器人、安防機(jī)器人或警車監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。二自由度云臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)水平和俯仰兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其通過(guò)搭載機(jī)器人頭部或相機(jī)等實(shí)現(xiàn)類人化的運(yùn)動(dòng)及空間大范圍的實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文通過(guò)對(duì)一款二自由度云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，從整體方案的設(shè)計(jì)到基礎(chǔ)參數(shù)的確定，再到機(jī)構(gòu)方案的布局和建模分析，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二自由度云臺(tái)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并利用機(jī)械建模軟件solidworks完成云臺(tái)的結(jié)構(gòu)建模，為云臺(tái)的后續(xù)模塊化運(yùn)用提供技術(shù)支撐。

Abstract： As a moving component supporting the camera， the head is widely used in industrial inspection robots， security robots， or police vehicle monitoring. The two-degree-of-freedom head can realize the movement in both the horizontal and pitch directions， and it can realize human-like movement and large-scale real-time monitoring in space by carrying a robot's head or camera. In this paper， through the structural design and analysis of a two-degree-of-freedom head， from the design of the overall plan to the determination of basic parameters， to the layout and modeling analysis of the mechanism plan， the detailed structural design of the head is finally achieved， and the mechanical product design of the two-degree-of-freedom head is realized， and the mechanical modeling software solidworks is used to complete the structural modeling of the head， providing technical support for the subsequent modular application of the head.

關(guān)鍵詞：云臺(tái);二自由度;結(jié)構(gòu);建模

Key words： head;two-degree-of-freedom;structure;modeling

中圖分類號(hào)：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）01-0159-02

1 ?云臺(tái)的功能及應(yīng)用

云臺(tái)最初是用來(lái)支撐和固定相機(jī)的[1]，其分為固定云臺(tái)和電動(dòng)云臺(tái)兩種。其中固定云臺(tái)類似于相機(jī)常用的支撐三腳架，僅僅起到支撐和手動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。電動(dòng)云臺(tái)可以通過(guò)電動(dòng)機(jī)構(gòu)控制云臺(tái)進(jìn)行一定的運(yùn)動(dòng)，從而使搭載的相機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的位置。云臺(tái)與相機(jī)的結(jié)合使用通常有兩種形式，分別為內(nèi)嵌式和分離式。其中內(nèi)嵌式運(yùn)用于云臺(tái)相機(jī)中，在監(jiān)控、安防等領(lǐng)域使用較為廣泛。分離式組合可以將云臺(tái)和相機(jī)分別獨(dú)立。另外云臺(tái)作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，可以運(yùn)用在其他領(lǐng)域。

電力巡檢機(jī)器人[2]代替工人在室外或惡劣條件下進(jìn)行電纜等設(shè)施的定期檢測(cè)，如圖1所示，其頭部通過(guò)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)多范圍，大空間的實(shí)時(shí)監(jiān)控及熱成像顯示。同樣在警車的實(shí)時(shí)監(jiān)控中[3]，也是通過(guò)云臺(tái)搭載的攝像頭對(duì)車子經(jīng)過(guò)的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控和攝像。在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，云臺(tái)作為機(jī)器人頭部運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，可以使機(jī)器人頭部能夠靈活運(yùn)動(dòng)，達(dá)到類人化的效果。

云臺(tái)的設(shè)計(jì)及運(yùn)用采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，將云臺(tái)作為一個(gè)獨(dú)立的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，可使其通用性極大增強(qiáng)。模塊化的云臺(tái)可實(shí)現(xiàn)快速拆裝，為后續(xù)的維護(hù)提供極大的便利。

2 ?機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

對(duì)于云臺(tái)的設(shè)計(jì)與分析，首先需要明確具體的設(shè)計(jì)要求，確定云臺(tái)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)及類型。設(shè)計(jì)之初需要進(jìn)行基本的機(jī)構(gòu)方案比較與分析，確定最終的機(jī)構(gòu)布局，之后再進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 云臺(tái)設(shè)計(jì)的需求分析

云臺(tái)主要應(yīng)用于室外巡檢機(jī)器人或服務(wù)型機(jī)器人頭部，其通常需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，并且在滿足額定負(fù)載的情況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能小巧簡(jiǎn)單，并且需考慮到便于安裝拆卸，包括云臺(tái)自身的安裝及附屬零部件的安裝。初步設(shè)定云臺(tái)的整體尺寸在150mm*100mm*80mm的尺寸空間內(nèi)，額定負(fù)載為5kg，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮偏載對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 不同機(jī)構(gòu)形式比較

要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)方案，可以考慮連桿機(jī)構(gòu)，帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。考慮到整體的空間緊湊性，本次設(shè)計(jì)中不考慮采用連桿機(jī)構(gòu)。對(duì)于齒輪機(jī)構(gòu)和渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)的比較，齒輪傳動(dòng)兩齒輪的中心轉(zhuǎn)軸相互平行，其傳動(dòng)比通常較小，但傳動(dòng)效率高，通常能達(dá)到80-90%，齒輪傳動(dòng)不具有自鎖性。而對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)[4]，蝸輪與蝸桿的中心轉(zhuǎn)軸空間垂直，其通常可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，但傳動(dòng)效率較低，通常在50%以下，蝸輪蝸桿傳動(dòng)一般都具有自鎖性。

考慮到實(shí)際云臺(tái)的整體方案和安裝布局，需要借助同步帶傳動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本自由度的運(yùn)動(dòng)。

2.3 機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與布局

對(duì)于機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)布局，由于云臺(tái)最終需要安裝在固定支座上，要實(shí)現(xiàn)繞豎直軸的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，可在云臺(tái)末端設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)或蝸輪蝸桿傳動(dòng)形式。如圖2所示，左側(cè)電機(jī)通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蝸輪固定在安裝基座上，電機(jī)會(huì)使得云臺(tái)作水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，右側(cè)電機(jī)可通過(guò)同步帶及蝸輪蝸桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)蝸輪軸兩側(cè)法蘭盤(pán)的俯仰運(yùn)動(dòng)。

3 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

對(duì)于二自由度云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從動(dòng)力源、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。動(dòng)力源部分主要是指電機(jī)的選型和參數(shù)的確定，傳動(dòng)部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心部分，主要包括帶傳動(dòng)及蝸輪蝸桿傳動(dòng)中參數(shù)的確定和分析;執(zhí)行部分分別為兩個(gè)自由度末端的法蘭，通過(guò)法蘭與外部器件連接實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

3.1 電機(jī)的選型

對(duì)于電機(jī)的選型設(shè)計(jì)，在實(shí)際工業(yè)中集成的電機(jī)類型主要包括直流電機(jī)、伺服電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)等。其中，直流電機(jī)和伺服電機(jī)具備高轉(zhuǎn)速、低扭矩的特點(diǎn)，而步進(jìn)電機(jī)通常轉(zhuǎn)速較低，且力矩較大。對(duì)于二自由度云臺(tái)機(jī)構(gòu)，因?yàn)橥ǔＪ褂迷谘矙z或服務(wù)機(jī)器人頭部，其具備速度低、且需要的力矩較高的特點(diǎn)，因此在本次設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)作為云臺(tái)的動(dòng)力輸出[5]。

考慮到云臺(tái)的整體尺寸和負(fù)載大小，選型42系列的步進(jìn)電機(jī)均可為兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。

3.2 蝸輪蝸桿及帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)

蝸輪蝸桿傳動(dòng)是機(jī)械領(lǐng)域十分常見(jiàn)的一種嚙合傳動(dòng)形式，其通過(guò)能夠?qū)崿F(xiàn)較大的傳動(dòng)比，并且具有自鎖能力。在云臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要確定末端負(fù)載的大小，通過(guò)蝸輪蝸桿的力學(xué)計(jì)算確定其基本參數(shù)值的大小，主要包括輪齒的模數(shù)及齒數(shù)等，再結(jié)合整體的布局，確定蝸輪蝸桿的其他參數(shù)，包括連接軸的尺寸，連接固定方式等。

為實(shí)現(xiàn)二自由度云臺(tái)較緊湊的結(jié)構(gòu)，需要采用帶傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)方案對(duì)電機(jī)輸出軸和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。帶傳動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)的輸出方向，使得電機(jī)可以跟蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)平行布置，避免硬性連接導(dǎo)致的整體尺寸過(guò)于狹長(zhǎng)。帶傳動(dòng)具有一定的傳動(dòng)柔性，并且噪音小，傳動(dòng)平穩(wěn)。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算中，首先需要通過(guò)對(duì)負(fù)載及帶輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算確定帶的類型和基本參數(shù)。帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮帶的尺寸標(biāo)準(zhǔn)化以及安裝過(guò)程中的張緊方式。帶的長(zhǎng)度確定首先通過(guò)初始的帶輪布置位置和尺寸確定初始長(zhǎng)度，通過(guò)查找?guī)чL(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)確定需要選型的最終帶長(zhǎng)，再通過(guò)該帶長(zhǎng)反推帶輪的中心距[6]，進(jìn)而進(jìn)行帶輪位置的微小調(diào)整。帶輪的張緊通?？梢酝ㄟ^(guò)添加張緊輪或者將帶輪設(shè)計(jì)成可調(diào)整狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.3 其他結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)

對(duì)于電機(jī)的安裝固定，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)輸出軸四周的螺紋孔進(jìn)行固定，為便于帶輪張緊，可將與電機(jī)固定的連接件做成腰孔形式。電機(jī)輸出軸直接通過(guò)鍵與帶輪連接。對(duì)于鍵的設(shè)計(jì)，需要通過(guò)計(jì)算傳動(dòng)扭矩的大小確定鍵的寬度和高度，從而確定其最終選型。鍵可以傳遞電機(jī)輸出軸與帶輪之間圓周方向的力和運(yùn)動(dòng)，而兩者的固定需要通過(guò)在帶輪上擰頂絲頂在電機(jī)軸上。帶輪與蝸桿之間的連接固定方式與電機(jī)軸端基本一致。

對(duì)于二自由度云臺(tái)的執(zhí)行端方案設(shè)計(jì)，其水平運(yùn)動(dòng)可直接通過(guò)將水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的渦輪固定在基座上，電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪的固定使得云臺(tái)整體沿著蝸輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其豎直俯仰運(yùn)動(dòng)以類似的方式實(shí)現(xiàn)，在末端蝸輪軸的兩端設(shè)計(jì)兩個(gè)法蘭，法蘭與外界需要運(yùn)動(dòng)的器件進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)其兩個(gè)方向的自由度。

4 ?結(jié)論

通過(guò)對(duì)二自由度云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析，可得出以下結(jié)論：

①二自由度云臺(tái)應(yīng)用非常廣泛，其模塊化的設(shè)計(jì)思路使得云臺(tái)的可維護(hù)性和通用性大大增強(qiáng);

②同步帶傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)的結(jié)合可使得云臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊，并具備自鎖性能，達(dá)到較大的傳動(dòng)比從而實(shí)現(xiàn)大負(fù)載條件下的工作;

③步進(jìn)電機(jī)具備高扭矩低轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，并且成本較低，適合在云臺(tái)設(shè)計(jì)中使用;

④本文對(duì)云臺(tái)的應(yīng)用及主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，其細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析還有待于進(jìn)一步研究。

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