淺談一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺的設計

孫世龍，古晨陽，盧辰宇，謝欣怡，石先念，吳恒

（西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710000）

現(xiàn)階段隨著互聯(lián)網的快速發(fā)展，自媒體、攝影等行業(yè)也在蓬勃發(fā)展。人們對攝影體驗以及視頻作品的要求也愈來愈高。因此如何提高攝影設備增穩(wěn)技術，改善攝影時畫面因抖動模糊成了一個關鍵的技術問題。然而市面上各式各樣的云臺原理上大同小異，都是以位移、加速度等傳感器結合相應的算法控制伺服電機，從而補償相機的抖動的原理進行增穩(wěn)。盡管這種機械與電子結合嵌入式控制的云臺使用效果顯著，但這種云臺存在價格昂貴，結構復雜，使用時對于環(huán)境的要求苛刻、易損壞、維護性差等缺陷，在有些工作環(huán)境下弊大于利，無法滿足用戶的需求。

1 工作原理與結構設計

為使手持云臺能夠實現(xiàn)增穩(wěn)的功能，本裝置采用了以機械式自平衡為主的手持式攝像增穩(wěn)云臺。本裝置主要包括：手柄、手柄轉軸、轉向開關、機架、轉向機構、相機支架、穩(wěn)定結構總成、電機、控制器、電池倉；電機、電池倉、控制器固連在機架上；手柄通過與安裝在機架上的手柄轉軸配合；轉向機構在電機的驅動下可實現(xiàn)穩(wěn)定結構總成在機架上平面內自由轉動；穩(wěn)定結構總成與轉向機構由萬向軸結構相連；相機支架固定在浮動桿上，浮動桿與卷簧摩擦桿組成浮動穩(wěn)定裝置。詳見圖1~5。

圖1 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺的整體結構圖

本云臺為手持式，攝影工作人員手持手柄（16），手柄（16）通過轉軸（15）與機架通過立柱與機架（43）鏈接，從而使得人在手持云臺時，云臺整體相對于人有一個自由度，即繞X軸可做自由轉動，受重力作用云臺自然的保持其重心處于平衡位置。為使云臺需要轉動時有一個快速的響應，引入自鎖減速電機（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（22）的要求，控制器、電機（22）、電池倉均設置在機架（43）下部的電器倉（19）內部。為滿足本云臺對于惡劣環(huán)境工作的技術要求，電器倉（19）需要做防水處理。在必要打開的電池蓋（圖2（19）所指位置）加上防水密封圈。為滿足電機，以及控制器的散熱要求，這兩部分需要與電器倉(19)緊密接觸，且在之間涂抹導熱硅脂。本云臺轉向機構封裝在機架（43）內部通過萬向軸與穩(wěn)定結構總成的大方管（42）連接，大方管由于與轉向機構由萬向軸連接，故穩(wěn)定結構總成可以繞X軸與Y軸自由轉動，由于重力自平衡保持沿重心在鉛垂位置。大方管通過內部的穩(wěn)定結構，具體的將在下文中闡述與浮動桿（41）連接。浮動桿（41）上部即正向末端與相機固定架（33）通過鉸鏈連接。在浮動桿的下部，與掛鉤（38）通過鉸鏈與掛鉤（38）連接。

如圖2、3所示，本云臺需要繞Z軸轉動一定的角度時，按下設置于手柄（16）下方立柱上的雙向觸電開關（12），通過控制器控制電機（22）工作，電機（22）的輸出軸上有齒輪，小齒輪與帶有帶輪的大齒輪（26）嚙合，實現(xiàn)一級減速。大齒輪通過皮帶把運動傳遞給大圓環(huán)（46），實現(xiàn)二級減速。大圓環(huán)由8個滾子（5），其中4個為一組，每組水平對置分布在大圓環(huán)（46）的1個平面內，2組對稱分布在大圓環(huán)（46）的2個平面上。滾子受機架（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個橡膠滾輪（6）對稱分布，并且滾輪（6）對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，穩(wěn)定傳動。4個滾輪對大圓環(huán)（46）相對于X軸Y軸有2個約束，大圓環(huán)（46）相對于機架（43）只有1個自由度。大圓環(huán)（46）與穩(wěn)定結構總成的大方管（42）由萬向軸連接，大方管垂直于Y方向的兩個對稱平面內各有一根軸線與Y軸平行的短軸（8）。2個短軸（8）與小圓環(huán)（47）通過鉸鏈鏈接。小圓環(huán)（47）與大圓環(huán)之間也通過2個短軸連接，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）組成了一個萬向軸結構，從而大方管繞X軸與Y軸有一定范圍內的自由擺動，繞Z軸360°自由轉動。使得云臺在X軸Y軸方向受重力自平衡，即大方管（42）保持在鉛垂位置。另外雙向觸電開關（12）可以使得電機繞Z軸有2個方向的轉動，從而使得大方管（42）能快速轉動到工作角度。

圖2 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺的轉向機構總體結構圖

浮動桿（41）上部即正向末端與相機固定架（33）通過鉸鏈連接。在浮動桿的下部，與掛鉤（38）通過鉸鏈與掛鉤（38）連接。浮動桿（41）由8根中部包有橡膠的摩擦桿（4），2個為一組碼放，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）內表面的圓槽內部。蓋板通過螺釘（1）與大方管（42）緊密配合。

圖5 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺的增穩(wěn)結構圖

當云臺工作時，當攝影工作人員運動時，云臺會有沿Z方向的運動，受慣性力的作用，浮動桿（41）有相對于云臺的一個相對運動。在理想情況下可認為這種運動是一個簡諧運動。以相對運動的角度分析，假設云臺固定，浮動桿（41）有一個沿Z軸方向的擾動。假設某一瞬時浮動桿（41）的運動方向沿Z軸向下，此時受摩擦力的作用8根摩擦桿（4）將繞軸線轉動，此時每一根摩擦桿（4）兩端的卷簧（2）將儲能以吸收這種擾動，將這一擾動成比例的減小，所以大方管（42）只是1個很小的擾動，16個卷簧（2）的儲能隨著上述的這一間歇運動波谷的到來隨之釋能，回歸原位，進行下一次的動作。以控制論的方法來研究這一部分是一個二階系統(tǒng)，并且是一個慣性系統(tǒng)，從而能吸收并減小震動。從另一個角度印證了本云臺的科學性。

浮動桿(41)的另一端安裝有掛鉤（38），掛鉤（38）與浮動桿（41）通過鉸鏈連接在一起，一般工作時可以不使用，當震動情況更加劇烈，即上述的簡諧運動振幅更大，頻率更高時，可以懸掛重物（例如礦泉水瓶）的方式以達到降低云臺重心，從而提高其增穩(wěn)效果。

圖4 一種基于手持式攝像增穩(wěn)云臺的總成結構圖

2 技術特點

與現(xiàn)有技術相比，本云臺有以下技術特點：

（1）本裝置在保留了傳統(tǒng)的萬向的基礎上，實現(xiàn)了繞X軸Y軸的自由旋轉以使得云臺的重心保持鉛垂。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，相當于加入1個二階系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)。在浮桿末端下部裝有一個掛鉤，在上面可以掛上礦泉水瓶等重物，從而達到降低重心、提高增穩(wěn)的效果。

（2）本裝置主要以機械結構為主，減少了電子器件的使用，故可靠性高，維護成本低，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）經過本文分析，該云臺性價比高、價格便宜、適用多種場景，前景十分廣闊。