孫世龍，古晨陽(yáng)，盧辰宇，謝欣怡，石先念，吳恒

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

現(xiàn)階段隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，自媒體、攝影等行業(yè)也在蓬勃發(fā)展。人們對(duì)攝影體驗(yàn)以及視頻作品的要求也愈來(lái)愈高。因此如何提高攝影設(shè)備增穩(wěn)技術(shù)，改善攝影時(shí)畫面因抖動(dòng)模糊成了一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。然而市面上各式各樣的云臺(tái)原理上大同小異，都是以位移、加速度等傳感器結(jié)合相應(yīng)的算法控制伺服電機(jī)，從而補(bǔ)償相機(jī)的抖動(dòng)的原理進(jìn)行增穩(wěn)。盡管這種機(jī)械與電子結(jié)合嵌入式控制的云臺(tái)使用效果顯著，但這種云臺(tái)存在價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用時(shí)對(duì)于環(huán)境的要求苛刻、易損壞、維護(hù)性差等缺陷，在有些工作環(huán)境下弊大于利，無(wú)法滿足用戶的需求。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為使手持云臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)增穩(wěn)的功能，本裝置采用了以機(jī)械式自平衡為主的手持式攝像增穩(wěn)云臺(tái)。本裝置主要包括：手柄、手柄轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)、機(jī)架、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、相機(jī)支架、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總成、電機(jī)、控制器、電池倉(cāng)；電機(jī)、電池倉(cāng)、控制器固連在機(jī)架上；手柄通過(guò)與安裝在機(jī)架上的手柄轉(zhuǎn)軸配合；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總成在機(jī)架上平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)；穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總成與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)相連；相機(jī)支架固定在浮動(dòng)桿上，浮動(dòng)桿與卷簧摩擦桿組成浮動(dòng)穩(wěn)定裝置。詳見(jiàn)圖1~5。

圖1 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)圖

本云臺(tái)為手持式，攝影工作人員手持手柄（16），手柄（16）通過(guò)轉(zhuǎn)軸（15）與機(jī)架通過(guò)立柱與機(jī)架（43）鏈接，從而使得人在手持云臺(tái)時(shí)，云臺(tái)整體相對(duì)于人有一個(gè)自由度，即繞X軸可做自由轉(zhuǎn)動(dòng)，受重力作用云臺(tái)自然的保持其重心處于平衡位置。為使云臺(tái)需要轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有一個(gè)快速的響應(yīng)，引入自鎖減速電機(jī)（22）、控制器，以及能夠持續(xù)供電的電池，為此電池采用2節(jié)可充電3.7V的圓柱狀電池，以滿足自鎖減速電機(jī)（22）的要求，控制器、電機(jī)（22）、電池倉(cāng)均設(shè)置在機(jī)架（43）下部的電器倉(cāng)（19）內(nèi)部。為滿足本云臺(tái)對(duì)于惡劣環(huán)境工作的技術(shù)要求，電器倉(cāng)（19）需要做防水處理。在必要打開(kāi)的電池蓋（圖2（19）所指位置）加上防水密封圈。為滿足電機(jī)，以及控制器的散熱要求，這兩部分需要與電器倉(cāng)(19)緊密接觸，且在之間涂抹導(dǎo)熱硅脂。本云臺(tái)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)封裝在機(jī)架（43）內(nèi)部通過(guò)萬(wàn)向軸與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總成的大方管（42）連接，大方管由于與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由萬(wàn)向軸連接，故穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總成可以繞X軸與Y軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，由于重力自平衡保持沿重心在鉛垂位置。大方管通過(guò)內(nèi)部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，具體的將在下文中闡述與浮動(dòng)桿（41）連接。浮動(dòng)桿（41）上部即正向末端與相機(jī)固定架（33）通過(guò)鉸鏈連接。在浮動(dòng)桿的下部，與掛鉤（38）通過(guò)鉸鏈與掛鉤（38）連接。

如圖2、3所示，本云臺(tái)需要繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度時(shí)，按下設(shè)置于手柄（16）下方立柱上的雙向觸電開(kāi)關(guān)（12），通過(guò)控制器控制電機(jī)（22）工作，電機(jī)（22）的輸出軸上有齒輪，小齒輪與帶有帶輪的大齒輪（26）嚙合，實(shí)現(xiàn)一級(jí)減速。大齒輪通過(guò)皮帶把運(yùn)動(dòng)傳遞給大圓環(huán)（46），實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速。大圓環(huán)由8個(gè)滾子（5），其中4個(gè)為一組，每組水平對(duì)置分布在大圓環(huán)（46）的1個(gè)平面內(nèi)，2組對(duì)稱分布在大圓環(huán)（46）的2個(gè)平面上。滾子受機(jī)架（43）的約束，從而使得大圓環(huán)（46）由在Z方向的約束。在大圓環(huán)的圓柱面上有4個(gè)橡膠滾輪（6）對(duì)稱分布，并且滾輪（6）對(duì)于皮帶也有張緊輪的作用，從而使得皮帶被限制在大圓環(huán)（46）的皮帶槽內(nèi)，穩(wěn)定傳動(dòng)。4個(gè)滾輪對(duì)大圓環(huán)（46）相對(duì)于X軸Y軸有2個(gè)約束，大圓環(huán)（46）相對(duì)于機(jī)架（43）只有1個(gè)自由度。大圓環(huán)（46）與穩(wěn)定結(jié)構(gòu)總成的大方管（42）由萬(wàn)向軸連接，大方管垂直于Y方向的兩個(gè)對(duì)稱平面內(nèi)各有一根軸線與Y軸平行的短軸（8）。2個(gè)短軸（8）與小圓環(huán)（47）通過(guò)鉸鏈鏈接。小圓環(huán)（47）與大圓環(huán)之間也通過(guò)2個(gè)短軸連接，具體的這兩根短軸軸線與X軸平行。大方管（42）與大圓環(huán)（46）組成了一個(gè)萬(wàn)向軸結(jié)構(gòu)，從而大方管繞X軸與Y軸有一定范圍內(nèi)的自由擺動(dòng)，繞Z軸360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)。使得云臺(tái)在X軸Y軸方向受重力自平衡，即大方管（42）保持在鉛垂位置。另外雙向觸電開(kāi)關(guān)（12）可以使得電機(jī)繞Z軸有2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得大方管（42）能快速轉(zhuǎn)動(dòng)到工作角度。

圖2 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺(tái)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)圖

浮動(dòng)桿（41）上部即正向末端與相機(jī)固定架（33）通過(guò)鉸鏈連接。在浮動(dòng)桿的下部，與掛鉤（38）通過(guò)鉸鏈與掛鉤（38）連接。浮動(dòng)桿（41）由8根中部包有橡膠的摩擦桿（4），2個(gè)為一組碼放，如圖5所示。在摩擦桿（4）中部包有橡膠以提高與浮動(dòng)桿（41）之間的摩擦力，摩擦桿（4）的兩端連接有繞在沿摩擦桿（4）軸線方向的卷簧（2）。卷簧（2）壓在蓋板（3）內(nèi)表面的圓槽內(nèi)部。蓋板通過(guò)螺釘（1）與大方管（42）緊密配合。

圖5 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺(tái)的增穩(wěn)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)云臺(tái)工作時(shí)，當(dāng)攝影工作人員運(yùn)動(dòng)時(shí)，云臺(tái)會(huì)有沿Z方向的運(yùn)動(dòng)，受慣性力的作用，浮動(dòng)桿（41）有相對(duì)于云臺(tái)的一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在理想情況下可認(rèn)為這種運(yùn)動(dòng)是一個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。以相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度分析，假設(shè)云臺(tái)固定，浮動(dòng)桿（41）有一個(gè)沿Z軸方向的擾動(dòng)。假設(shè)某一瞬時(shí)浮動(dòng)桿（41）的運(yùn)動(dòng)方向沿Z軸向下，此時(shí)受摩擦力的作用8根摩擦桿（4）將繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)每一根摩擦桿（4）兩端的卷簧（2）將儲(chǔ)能以吸收這種擾動(dòng)，將這一擾動(dòng)成比例的減小，所以大方管（42）只是1個(gè)很小的擾動(dòng)，16個(gè)卷簧（2）的儲(chǔ)能隨著上述的這一間歇運(yùn)動(dòng)波谷的到來(lái)隨之釋能，回歸原位，進(jìn)行下一次的動(dòng)作。以控制論的方法來(lái)研究這一部分是一個(gè)二階系統(tǒng)，并且是一個(gè)慣性系統(tǒng)，從而能吸收并減小震動(dòng)。從另一個(gè)角度印證了本云臺(tái)的科學(xué)性。

浮動(dòng)桿(41)的另一端安裝有掛鉤（38），掛鉤（38）與浮動(dòng)桿（41）通過(guò)鉸鏈連接在一起，一般工作時(shí)可以不使用，當(dāng)震動(dòng)情況更加劇烈，即上述的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)振幅更大，頻率更高時(shí)，可以懸掛重物（例如礦泉水瓶）的方式以達(dá)到降低云臺(tái)重心，從而提高其增穩(wěn)效果。

圖4 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺(tái)的總成結(jié)構(gòu)圖

2 技術(shù)特點(diǎn)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本云臺(tái)有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）本裝置在保留了傳統(tǒng)的萬(wàn)向的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了繞X軸Y軸的自由旋轉(zhuǎn)以使得云臺(tái)的重心保持鉛垂。沿Z方向的增穩(wěn)裝置采用浮桿摩擦滾子的形式加上卷簧，相當(dāng)于加入1個(gè)二階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)。在浮桿末端下部裝有一個(gè)掛鉤，在上面可以掛上礦泉水瓶等重物，從而達(dá)到降低重心、提高增穩(wěn)的效果。

（2）本裝置主要以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，減少了電子器件的使用，故可靠性高，維護(hù)成本低，模塊化互換性高。在高溫、潮濕等惡劣的工作環(huán)境下也能夠使用。

（3）經(jīng)過(guò)本文分析，該云臺(tái)性價(jià)比高、價(jià)格便宜、適用多種場(chǎng)景，前景十分廣闊。