淺談一種基于手持式攝像增穩云臺的設計

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）

現階段隨著互聯網的快速發展，自媒體、攝影等行業也在蓬勃發展。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。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，使用時對于環境的要求苛刻、易損壞、維護性差等缺陷，在有些工作環境下弊大于利，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增穩的功能，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穩定結構總成在機架上平面內自由轉動；穩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定裝置。詳見圖1~5。

圖1 一種基于手持式攝像增穩云臺的整體結構圖

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，以及能夠持續供電的電池，為此電池采用2節可充電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，實現一級減速。大齒輪通過皮帶把運動傳遞給大圓環（46），實現二級減速。大圓環由8個滾子（5），其中4個為一組，每組水平對置分布在大圓環（46）的1個平面內，2組對稱分布在大圓環（46）的2個平面上。滾子受機架（43）的約束，從而使得大圓環（46）由在Z方向的約束。在大圓環的圓柱面上有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（46）的皮帶槽內，穩定傳動。4個滾輪對大圓環（46）相對于X軸Y軸有2個約束，大圓環（46）相對于機架（43）只有1個自由度。大圓環（46）與穩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（47）通過鉸鏈鏈接。小圓環（47）與大圓環之間也通過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（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云臺的增穩結構圖

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，并且是一個慣性系統，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，從而提高其增穩效果。

圖4 一種基于手持式攝像增穩云臺的總成結構圖

2 技術特點

與現有技術相比，本云臺有以下技術特點：

（1）本裝置在保留了傳統的萬向的基礎上，實現了繞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個二階系統慣性環節。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。