二自由度云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

趙天宇

摘要：云臺作為支撐相機(jī)的運(yùn)動組件，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。二自由度云臺能夠?qū)崿F(xiàn)水平和俯仰兩個方向的運(yùn)動，其通過搭載機(jī)器人頭部或相機(jī)等實現(xiàn)類人化的運(yùn)動及空間大范圍的實時監(jiān)控。本文通過對一款二自由度云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，從整體方案的設(shè)計到基礎(chǔ)參數(shù)的確定，再到機(jī)構(gòu)方案的布局和建模分析，最終實現(xiàn)對云臺的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)對二自由度云臺的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計，并利用機(jī)械建模軟件solidworks完成云臺的結(jié)構(gòu)建模，為云臺的后續(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;二自由度;結(jié)構(gòu);建模

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

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

1 ?云臺的功能及應(yīng)用

云臺最初是用來支撐和固定相機(jī)的[1]，其分為固定云臺和電動云臺兩種。其中固定云臺類似于相機(jī)常用的支撐三腳架，僅僅起到支撐和手動調(diào)節(jié)的功能。電動云臺可以通過電動機(jī)構(gòu)控制云臺進(jìn)行一定的運(yùn)動，從而使搭載的相機(jī)可以轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的位置。云臺與相機(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和相機(jī)分別獨(dú)立。另外云臺作為一個獨(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，如圖1所示，其頭部通過云臺實現(xiàn)多范圍，大空間的實時監(jiān)控及熱成像顯示。同樣在警車的實時監(jiān)控中[3]，也是通過云臺搭載的攝像頭對車子經(jīng)過的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控和攝像。在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，云臺作為機(jī)器人頭部運(yùn)動的動力源，可以使機(jī)器人頭部能夠靈活運(yùn)動，達(dá)到類人化的效果。

云臺的設(shè)計及運(yùn)用采用了模塊化的設(shè)計思路，將云臺作為一個獨(dú)立的模塊進(jìn)行設(shè)計制造，可使其通用性極大增強(qiáng)。模塊化的云臺可實現(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

對于云臺的設(shè)計與分析，首先需要明確具體的設(shè)計要求，確定云臺設(shè)計的主要參數(shù)及類型。設(shè)計之初需要進(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。

2.1 云臺設(shè)計的需求分析

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

2.2 不同機(jī)構(gòu)形式比較

要實現(xiàn)兩個自由度運(yùn)動的機(jī)構(gòu)方案，可以考慮連桿機(jī)構(gòu)，帶傳動機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)或蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)?？紤]到整體的空間緊湊性，本次設(shè)計中不考慮采用連桿機(jī)構(gòu)。對于齒輪機(jī)構(gòu)和渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)的比較，齒輪傳動兩齒輪的中心轉(zhuǎn)軸相互平行，其傳動比通常較小，但傳動效率高，通常能達(dá)到80-90%，齒輪傳動不具有自鎖性。而對于蝸輪蝸桿傳動[4]，蝸輪與蝸桿的中心轉(zhuǎn)軸空間垂直，其通?？蓪崿F(xiàn)較大的傳動比，但傳動效率較低，通常在50%以下，蝸輪蝸桿傳動一般都具有自鎖性。

考慮到實際云臺的整體方案和安裝布局，需要借助同步帶傳動進(jìn)行運(yùn)動方式的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)兩個基本自由度的運(yùn)動。

2.3 機(jī)構(gòu)方案設(shè)計與布局

對于機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計布局，由于云臺最終需要安裝在固定支座上，要實現(xiàn)繞豎直軸的水平轉(zhuǎn)動，可在云臺末端設(shè)計齒輪傳動或蝸輪蝸桿傳動形式。如圖2所示，左側(cè)電機(jī)通過同步帶傳動帶動蝸桿轉(zhuǎn)動從而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，由于蝸輪固定在安裝基座上，電機(jī)會使得云臺作水平方向的轉(zhuǎn)動。同理，右側(cè)電機(jī)可通過同步帶及蝸輪蝸桿傳動實現(xiàn)蝸輪軸兩側(cè)法蘭盤的俯仰運(yùn)動。

3 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

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

3.1 電機(jī)的選型

對于電機(jī)的選型設(shè)計，在實際工業(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。對于二自由度云臺機(jī)構(gòu)，因為通常使用在巡檢或服務(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)計中選用步進(jìn)電機(jī)作為云臺的動力輸出[5]。

考慮到云臺的整體尺寸和負(fù)載大小，選型42系列的步進(jìn)電機(jī)均可為兩個方向運(yùn)動提供動力。

3.2 蝸輪蝸桿及帶傳動設(shè)計

蝸輪蝸桿傳動是機(jī)械領(lǐng)域十分常見的一種嚙合傳動形式，其通過能夠?qū)崿F(xiàn)較大的傳動比，并且具有自鎖能力。在云臺的設(shè)計過程中，首先需要確定末端負(fù)載的大小，通過蝸輪蝸桿的力學(xué)計算確定其基本參數(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。

為實現(xiàn)二自由度云臺較緊湊的結(jié)構(gòu)，需要采用帶傳動的機(jī)構(gòu)方案對電機(jī)輸出軸和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。帶傳動改變運(yùn)動的輸出方向，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)致的整體尺寸過于狹長。帶傳動具有一定的傳動柔性，并且噪音小，傳動平穩(wěn)。在對其進(jìn)行設(shè)計計算中，首先需要通過對負(fù)載及帶輪轉(zhuǎn)速的計算確定帶的類型和基本參數(shù)。帶傳動設(shè)計時，需要考慮帶的尺寸標(biāo)準(zhǔn)化以及安裝過程中的張緊方式。帶的長度確定首先通過初始的帶輪布置位置和尺寸確定初始長度，通過查找?guī)чL標(biāo)準(zhǔn)確定需要選型的最終帶長，再通過該帶長反推帶輪的中心距[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^添加張緊輪或者將帶輪設(shè)計成可調(diào)整狀態(tài)來實現(xiàn)。

3.3 其他結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計

對于電機(jī)的安裝固定，步進(jìn)電機(jī)通過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)輸出軸直接通過鍵與帶輪連接。對于鍵的設(shè)計，需要通過計算傳動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，而兩者的固定需要通過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。

對于二自由度云臺的執(zhí)行端方案設(shè)計，其水平運(yùn)動可直接通過將水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)中的渦輪固定在基座上，電機(jī)帶動蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸輪的固定使得云臺整體沿著蝸輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其豎直俯仰運(yùn)動以類似的方式實現(xiàn)，在末端蝸輪軸的兩端設(shè)計兩個法蘭，法蘭與外界需要運(yùn)動的器件進(jìn)行連接，從而實現(xiàn)其兩個方向的自由度。

4 ?結(jié)論

通過對二自由度云臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，可得出以下結(jié)論：

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

②同步帶傳動和蝸輪蝸桿傳動的結(jié)合可使得云臺結(jié)構(gòu)緊湊，并具備自鎖性能，達(dá)到較大的傳動比從而實現(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，適合在云臺設(shè)計中使用;

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

參考文獻(xiàn)：

[1]無人機(jī)視覺穩(wěn)定云臺系統(tǒng)設(shè)計[D].哈爾濱工程大學(xué)，2012.

[2]魯守銀，錢慶林，張斌，等.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，30（13）：94-98.

[3]佚名.警車改裝無線車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，CN202231808U[P].2012.

[4]劉潔.蝸輪蝸桿傳動優(yōu)化設(shè)計研究[J].機(jī)械傳動，2008，32（2）：53-54.

[5]范超毅，范巍.步進(jìn)電機(jī)的選型與計算[J].機(jī)床與液壓，2008，36（5）：310-313.

[6]莊工.同步帶傳動的設(shè)計計算和使用[J].機(jī)械制造，1989（12）：9-12.