專利名稱：陀螺式動態自平衡云臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及攝影、照相和/或監測用的輔助裝置，尤其涉及一種陀螺式動態自平衡兩軸云臺及陀螺式動態自平衡三軸云臺，可應用于載人飛行器、運載體、汽車、輪船、機器人、電影拍攝、手持設備等領域。
背景技術：
在攝影、照相和/或監測領域，搭載了攝像機或照相機的運載體(例如飛行器、汽車、輪船、機器人、人體)在運行過程中，由于運載體本身存在高頻震動和低頻抖動,需要配置穩定自平衡云臺用來搭載攝像機、照相機以實現穩定拍攝。穩定自平衡云臺大多是通過電子設備檢測攝像機或照相機的姿態變化，控制舵機反向補償來實現攝像機或照相機的穩定。現有技術中，大多數云臺采用機械齒輪驅動來達到調整攝像機或照相機轉動的目的。由于齒輪傳動都存在滯后性，運載體在轉彎、懸停、上升、下降或傾斜等各種姿態下，云臺響應時間長，從而使攝像機或照相機很難及時調整角度，導致攝像機或照相機圖像質量受到影響。同時，大多云臺存在穩定性能不夠，運載體發生姿勢變化過程中相機晃動較為劇烈，不能消除由于低頻晃動或機體傾斜造成的影響，因此也很難拍攝出高質量的圖像，無法滿足專業需求。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術中云臺存在穩定性能不夠，影響拍攝設備的拍攝質量的缺陷，提供陀螺式動態自平衡云臺，能夠很好解決上述問題。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是構造一種陀螺式動態自平衡云臺，包括機架組件、電機組件、拍攝設備以及控制組件；所述控制組件包括處理器和慣性傳感器，所述慣性傳感器檢測所述拍攝設備的姿態信息，所述處理器根據所述姿態信息控制所述電機組件；所述電機組件直接驅動所述機架組件相對所述拍攝設備轉動以調整所述拍攝設備的拍攝角度；還包括用于輔助所述機架組件的連桿構件，所述連桿構件與所述機架組件構成四桿機構，所述連桿構件隨所述機架組件發生轉動并支撐所述機架組件。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，作為優選，所述機架組件包括第一支架、第二支架以及第三支架，所述拍攝設備固定在所述第一支架上，所述第一支架與所述第二支架轉動設置，所述第二支架與所述第三支架轉動設置。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，作為優選，所述電機組件包括第一電機以及第二電機，所述第一電機直接驅動所述第一支架相對所述第二支架轉動，所述第二電機直接驅動所述第二支架相對所述第三支架轉動。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，作為優選，所述連桿構件的兩自由端分別轉動設置在所述第二支架的兩開口端，所述連桿構件通過緊固件固定在第三支架上。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，具體的，所述連桿構件包括依次鉸接連接的第一連桿、第二連桿以及第三連桿；所述第一連桿的自由端鉸接設置在所述第二支架的一端部，所述第三連桿的自由端鉸接設置在所述第二支架的另一端；所述第二連桿定位在所述第三支架上。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，具體的，還包括安裝臂，所述安裝臂的一端固定在所述第三支架上，另一端上開設有與所述緊固件相適配的定位孔，所述第二連桿通過緊固件固定在所述安裝臂上。 本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，具體的，所述電機組件包括第四電機，所述第四電機直接驅動所述第二連桿相對所述第三支架轉動。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，具體的，所述第一電機的定子固定在所述第一支架上，所述第一電機的轉子與所述第二支架固定設置；所述第二電機的定子固定在所述第三支架上，所述第二電機的轉子與所述第二支架固定設置。 本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，優選的，所述第一支架與所述拍攝設備的重心落在所述第一支架的旋轉軸上；所述第一支架、所述第二支架與所述拍攝設備整體的重心落在所述第二支架的旋轉軸上。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，優選的，所述機架組件還包括用于對外固定的連接架，所述電機組件還包括第三電機；所述第三電機直接驅動所述第三支架相對所述連接架轉動。本發明可達到以下有益效果采用電機組件作為原動力直接云臺的機架組件，耗能較小、節省電能；通過連桿構件與機架組件共同構成四桿構件，根據平行四邊形原理，連桿構件會隨機架組件轉動并輔助支撐連桿構件，同時不會影響機架組件的轉動軌跡；連桿構件在豎直方向上為機架組件的提供有效支撐，增大機架組件的載重量和剛度，當機架組件載重量較大時，有效其減小形變量；同時減輕機架組件的自身重量，減小電機的直徑大小。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是本發明實施例一提供的陀螺式動態自平衡兩軸云臺的結構示意圖；圖2是本發明實施例二提供的陀螺式動態自平衡三軸云臺的爆炸示意圖一；圖3是本發明實施例二提供的陀螺式動態自平衡三軸云臺的爆炸示意圖二 ；圖4是本發明實施例二提供的陀螺式動態自平衡三軸云臺的爆炸示意圖二 ；圖5是本發明實施例二提供的陀螺式動態自平衡三軸云臺的結構示意圖一；圖6是本發明實施例二提供的陀螺式動態自平衡三軸云臺的結構示意圖二。附圖標號說明100、云臺1、拍攝設備2、第一支架3、第一電機4、第二支架5、第二電機6、第三支架7、第三電機8、連接架9、定位架10、安裝臂11、定位孔
12、連桿構件121、第一連桿122、第二連桿123、第三連桿13、緊固件
具體實施例方式為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式
。本發明提供一種陀螺式動態自平衡云臺，包括機架組件、電機組件、拍攝設備I以 以為照相機和/或攝像機。慣性傳感器檢測拍攝設備I的姿態信息，處理器根據姿態信息控制電機組件的相關動作。具體的，慣性傳感器包括陀螺儀和角速度計。電機組件直接驅動機架組件相對拍攝設備轉動以調整拍攝設備I的拍攝角度。本發明采用電機組件作為原動力直接云臺的機架組件，耗能較小、節省電能；同時電機驅動能夠實現無級調節，動作響應時間短，能夠快速啟動、停止或及時調整轉速大小以適應運載體的各種姿態，從而提高攝像組件的拍攝穩定性。本發明還包括用于輔助機架組件的連桿構件12，連桿構件12與機架組件構成四桿機構，連桿構件12隨機架組件發生轉動并支撐機架組件。根據四桿構件原理，連桿構件會隨機架組件轉動并輔助支撐連桿構件，同時不會影響機架組件的轉動軌跡；連桿構件在豎直方向上為機架組件的提供有效支撐，增大機架組件的載重量和剛度，當機架組件載重量較大時，有效其減小形變量；同時減輕機架組件的自身重量，減小電機的直徑大小。實施例一如圖1所示，為本發明提供的一個實施例，一種陀螺式動態自平衡兩軸云臺，包括機架組件、電機組件、控制組件以及拍攝設備I。機架組件包括第一支架2、第二支架4以及第三支架6，拍攝設備I固定在第一支架2上，第一支架2與第二支架4轉動設置，第二支架4與第三支架6轉動設置。此處拍攝設備I的形狀不局限于圖1中所示的方形，還可以為圓形、橢球形或其它形狀。電機組件包括第一電機3以及第二電機5，第一電機3直接驅動第一支架2繞其旋轉軸相對第二支架4轉動，第二電機5直接驅動第二支架4繞其旋轉軸相對第三支架6轉動。本實施例提供的動力源為電機，采用小型電機直接驅動具有以下優點(I)電機直接驅動耗能較小，節能環保；(2)電機能夠進行無級調節，響應時間短、能夠及時快速調整以適應運載體的各種姿態，從而使拍攝設備的拍攝穩定性高。在上述技術方案的基礎上，進一步的，如圖1所示，第二支架4的兩個自由端向外延伸，第一支架2和拍攝設備I整體轉動設置在兩個自由端之間，第二電機5驅動第二支架4轉動過程中，第二支架4的兩個自由端的長度越長，第一支架2和拍攝設備I的重心越遠離第二支架4的定位點，從而導致第二支架4的晃動性越大，拍攝設備I越不穩定，為了降低第二支架4的晃動性，提高其穩定性，如圖1所示，還包括連桿構件12，連桿構件12的兩自由端分別轉動設置在第二支架4的兩開口端，連桿構件12通過緊固件13固定在第三支架6上。本發明通過連桿構件12的自由端鉸接設置在第二支架4上，兩者共同構成平行四桿構件，根據平行四邊形原理，當第二支架4相對第三支架6轉動一定角度時，連桿構件12會隨之轉動相等角度，不會影響第二支架4的轉動軌跡；同時連桿構件12通過緊固件13固定在第三支架6上，連桿構件12在豎直方向上為第二支架4的兩個開口端提供有效支撐，增大第二支架4的載重量和剛度，當第二支架4載重量較大時，有效其減小形變量；同時生產工藝上減輕第二支架4的自身重量，減小第二電機5的直徑大小。在上述技術方案的基礎上，具體的，連桿構件12包括依次鉸接連接的第一連桿121、第二連桿122以及第三連桿123。第一連桿121的自由端鉸接設置在第二支架4的一端部，第三連桿123的自由端鉸接設置在第二支架4的另一端，從而使連桿構件12與第二支架4共同構成平行四邊形。為了定位該平行四邊形，提高其穩定性能，第二連桿122的中部通過緊固件13定位在第三支架6上。優選的，為了實現連桿構件12與第三支架6的固定連接，如圖1所示，還包括安裝臂10，安裝臂10的一端固定在第三支架6上，另一端上開設有與緊固件13相適配的定位孔11，第二連桿122通過緊固件13固定在安裝臂10上。為了便于電機及時調整轉動角度，作為優選，第一支架2的旋轉軸X軸與第二支架4的旋轉軸Y軸垂直設置。第一電機3的定子固定在第一支架2上，第一電機3的轉子與第二支架4固定設置，第一電機3直接驅動第二支架4，從而使第一支架2相對第二支架4發生相對轉動。第二電機5的定子固定在第三支架6上，第二電機5的轉子與第二支架4固定設置，第二電機5直接驅動第二支架4，從而使第二支架4相對第三支架6發生相對轉動。此處需知，第一電機3的定子和轉子的位置可以互換，同樣的，第二電機5的定子和轉子的位置可以互換。進一步的，為了增大拍攝設備I拍攝過程中的穩定性能，第一支架2與拍攝設備I的重心落在第一支架2的旋轉軸。通過力學分析，當第一支架2與拍攝設備I的重心落在第一支架2的旋轉軸X軸上時，第一支架2轉動至任意角度，均不會產生轉動力矩，即第一支架2不會因為力矩而來回晃動，增加轉動過程中的拍攝設備I的穩定性。當運載體平穩運行時，即無需電機驅動狀況下，第一支架2和拍攝設備I也處于動態平衡狀態。同樣道理，通過力學分析，為了增加穩定性能，避免繞Y軸旋轉的整體組件產生轉動力矩，作為優選方案，如圖1所示，第一支架2、第二支架4與拍攝設備I整體的重心落在第二支架4的旋轉軸上。在上述技術方案的基礎上，作為優選，第一電機3、第二電機5優選為直流無刷電機。米用直流無刷電機的好處在于(I)電子換向來代替傳統的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍；(2)屬靜態電機，空載電流小；(3)效率高
(4)體積小。具體的，控制組件包括處理器、慣性傳感器、電路板以及連接線，連接線包括導電線和信號線，慣性傳感器包括用于檢測角速度信號的陀螺儀以及用于檢測加速度信號的加速度計，處理器根據角速度信號與加速度信號來控制第一電機3、第二電機5的正轉、反轉以及轉速大小。通過設置慣性傳感器來及時動態監測拍攝設備的姿態，并快速及時控制電機的正反轉動，調整機架組件的位置從而提高拍攝設備的拍攝穩定性。實施例二如圖2-圖6所示，為本發明提供的另外一個實施例，一種陀螺式動態自平衡三軸云臺，包括機架組件、電機組件、控制組件以及拍攝設備I。如圖2所示，機架組件包括第一支架2、第二支架4、第三支架6以及用于對外固定的連接架8。拍攝設備I固定在第一支架2上，為了實現拍攝設備I沿X軸(即第一支架2的旋轉軸)旋轉，第一支架2與第二支架4轉動設置，這種轉動結構能夠實現拍攝設備I的抬頭或低頭旋轉。為了適應運載體的左傾或右傾，拍攝設備I相對應的進行左傾或右傾轉動，為了保證拍照或攝像的平穩性，如圖5、圖6所示，第二支架4與第三支架6轉動設置，第二支架4的左右轉動從而帶動第一支架2和拍攝設備I整體轉動。為了實現拍攝設備I的周向旋轉以進行360度范圍內轉動拍攝，連接架8對外固定在運載體上，第三支架6可繞Z軸相對連接架8轉動。此處，運載體可以為飛行器、汽車、輪船、機器人、人體等，當人體直接手握云臺時，該云臺為一手持設備，可以進行動態拍攝或攝影。電機組件包括第一電機3、第二電機5以及第三電機7，第一電機3驅動第一支架2繞其旋轉軸相對第二支架4轉動，第二電機5驅動第二支架4繞其旋轉軸相對第三支架6轉動，第三電機7驅動第三支架6繞其旋轉軸Z軸相對連接架8轉動。本實施例提供的動力源為電機，采用小型電機直接驅動具有以下優點(I)電機直接驅動耗能較小，節能環保；(2)電機進行無級調節、響應時間短、能夠及時快速調整以適應運載體的各種姿態，從而使拍攝設備的拍攝穩定性高。在上述技術方案的基礎上，進一步的，如圖2、圖3、圖4所示，第二支架4的兩個自由端向外延伸，第一支架2和拍攝設備I整體轉動設置在兩個自由端之間，第二電機5驅動第二支架4轉動過程中，第二支架4的兩個自由端的長度越長，第一支架2和拍攝設備I的重心越遠離第二支架4的定位點，從而導致第二支架4的晃動性越大，拍攝設備I越不穩定，為了降低第二支架4的晃動性，提高穩定性，如圖2、圖3、圖4所示，還包括連桿構件12，連桿構件12的兩自由端分別轉動設置在第二支架4的兩開口端，連桿構件12通過緊固件13固定在第三支架6上。本發明通過連桿構件12的自由端鉸接設置在第二支架4上，兩者共同構成平行四桿構件，根據平行四邊形原理，當第二支架4相對第三支架6轉動一定角度時，連桿構件12會隨之轉動相等角度,不會影響第二支架4的轉動軌跡；同時連桿構件12通過緊固件13固定在第三支架6上，連桿構件12在豎直方向上為第二支架4的兩個開口端提供有效支撐，增大第二支架4的載重量和剛度，當第二支架4載重量較大時，有效其減小形變量；同時生產工藝上減輕第二支架4的自身重量，減小第二電機5的直徑大小。在上述技術方案的基礎上，具體的，如圖2所示，連桿構件12包括依次鉸接連接的第一連桿121、第二連桿122以及第三連桿123。第一連桿121的自由端鉸接設置在第二支架4的一端部，第三連桿123的自由端鉸接設置在第二支架4的另一端，從而使連桿構件12與第二支架4共同構成平行四邊形。為了定位該平行四邊形，提高其穩定性能，第二連桿122的中部通過緊固件13定位在第三支架6上。優選的，為了實現連桿構件12與第三支架6的固定連接，如圖2、圖3、圖4所示，還包括安裝臂10，安裝臂10的一端固定在第三支架6上，另一端上開設有與緊固件13相適配的定位孔11，第二連桿122通過緊固件13固定在安裝臂10上。作為優選，第一支架2的旋轉軸X軸、第二支架4的旋轉軸Y軸以及第三支架6的旋轉軸Z軸三者相互垂直設置。如圖3、圖4所示，第一電機3的定子固定在第一支架2上，第一電機3的轉子與第二支架4固定設置，第一電機3直接驅動第二支架4，從而使第一支架2相對第二支架4發生相對轉動。如圖5、圖6所示，第二電機5的定子固定在第三支架6上，第二電機5的轉子與第二支架4固定設置，第二電機5直接驅動第二支架4，從而使第二支架4相對第三支架6發生相對轉動。如圖5、圖6所示，第三電機7的定子固定在連接架8上，轉子與第三支架6固定連接，第三電機7直接驅動第三支架6，從而使第三支架6相對連接架8繞Z軸轉動。連接架8上固定設置有定位架9，用于定位第三電機7。可以理解，第一電機3、第二電機5或第三電機7各自的定子和轉子的安裝位置可以互換。進一步的，為了增大拍攝設備I拍攝過程中的穩定性能，第一支架2與拍攝設備I的重心落在第一支架2的旋轉軸。通過力學分析，當第一支架2與拍攝設備I的重心落在第一支架2的旋轉軸X軸上時，第一支架2轉動至任意角度，均不會產生轉動力矩，即第一支架2不會因為力矩而來回晃動，增加轉動過程中的拍攝設備I的穩定性。當運載體平穩運行時，即無需電機驅動狀況下，第一支架2和拍攝設備I也處于動態平衡狀態。同樣道理，通過力學分析，為了增加穩定性能，避免繞Y軸旋轉的整體組件產生轉動力矩，作為優選方案，如圖1所示，第一支架2、第二支架4與拍攝設備I整體的重心落在第二支架4的旋轉軸上。同樣，為了避免繞Z軸轉動的整體組件產生轉動力矩，如圖5、圖6所示，第一支架
2、第二支架4、第三支架6與拍攝設備I整體的重心落在第三支架6的旋轉軸Z軸上。在上述技術方案的基礎上，作為優選，本實施例第一電機3、第二電機5優選為直流無刷電機。云臺采用直流無刷電機的好處在于(I)電子換向來代替傳統的機械換向，性能可靠、永無磨損、故障率低，壽命比有刷電機提高了約6倍；(2)屬靜態電機，空載電流小；
(3)效率高⑷體積小。具體的，控制組件包括處理器、慣性傳感器、電路板以及連接線，連接線包括導電線和信號線，慣性傳感器包括用于檢測角速度信號的陀螺儀以及用于檢測加速度信號的加速度計，處理器根據角速度信號與加速度信號來控制第一電機3、第二電機5或第三電機7的正轉、反轉以及轉速大小。通過設置慣性傳感器來及時動態監測拍攝設備的姿態，并快速及時控制電機的正反轉動，調整機架組件的位置從而提高拍攝設備的拍攝穩定性。實施例三在實施例一和實施例二的基礎上，本實施例的不同之處在于，將緊固件13替換為第四電機，通過第四電機直接驅動連桿構件12的第二連桿122相對第三支架6轉動。此處，連桿構件12會帶動第二支架4隨之轉動，因此第四電機可以起輔助第二電機5的作用。可以理解，第四電機也可以取代第二電機5，作為第二支架4相對第三支架6轉動的動力源，此時完全不需要第二電機5,電機組件只需第一電機3、第三電機7以及第四電機。上面結合附圖對本發明的實施例進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。
權利要求
1.一種陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于包括機架組件、電機組件、拍攝設備(I) 以及控制組件；所述控制組件包括處理器和慣性傳感器，所述慣性傳感器檢測所述拍攝設備(I)的姿態信息，所速處理器根據所述姿態信息控制所述電機組件；所述電機組件直接驅動所述機架組件相對所述拍攝設備轉動以調整所述拍攝設備(I)的拍攝角度；還包括用于輔助所述機架組件的連桿構件(12)，所述連桿構件(12)與所述機架組件構成四桿機構，所述連桿構件(12)隨所述機架組件發生轉動并支撐所述機架組件。
2.根據權利要求1所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述機架組件包括第一支架(2)、第二支架(4)以及第三支架￠)，所述拍攝設備(I)固定在所述第一支架(2) 上，所述第一支架(2)與所述第二支架(4)轉動設置，所述第二支架(4)與所述第三支架(6)轉動設置。
3.根據權利要求2所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述電機組件包括第一電機⑶以及第二電機(5)，所述第一電機(3)直接驅動所述第一支架⑵相對所述第二支架(4)轉動，所述第二電機(5)直接驅動所述第二支架(4)相對所述第三支架(6)轉動。
4.根據權利要求3所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述連桿構件(12)的兩自由端分別轉動設置在所述第二支架(4)的兩開口端，所述連桿構件(12)通過緊固件 (13)固定在第三支架(6)上。
5.根據權利要求4所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述連桿構件(12)包括依次鉸接連接的第一連桿(121)、第二連桿(122)以及第三連桿(123);所述第一連桿 (121)的自由端鉸接設置在所述第二支架(4)的一端部，所述第三連桿(123)的自由端鉸接設置在所述第二支架(4)的另一端；所述第二連桿(122)定位在所述第三支架(6)上。
6.根據權利要求5所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，還包括安裝臂(10)，所述安裝臂(10)的一端固定在所述第三支架(6)上，另一端上開設有與所述緊固件(13)相適配的定位孔(11)，所述第二連桿(122)通過緊固件(13)固定在所述安裝臂(10)上。
7.根據權利要求5所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述電機組件包括第四電機，所述第四電機直接驅動所述第二連桿(122)相對所述第三支架(6)轉動。
8.根據權利要求7所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述第一電機(3)的定子固定在所述第一支架(2)上，所述第一電機(3)的轉子與所述第二支架(4)固定設置； 所述第二電機(5)的定子固定在所述第三支架(6)上，所述第二電機(5)的轉子與所述第二支架(4)固定設置。
9.根據權利要求8所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述第一支架(2)與所述拍攝設備(I)的重心落在所述第一支架(2)的旋轉軸上；所述第一支架(2)、所述第二支架(4)與所述拍攝設備(I)整體的重心落在所述第二支架(4)的旋轉軸上。
10.根據權利要求1-9任一項所述的陀螺式動態自平衡云臺，其特征在于，所述機架組件還包括用于對外固定的連接架(8)，所述電機組件還包括第三電機(7);所述第三電機(7)直接驅動所述第三支架(6)相對所述連接架(8)轉動。
全文摘要
本發明公開了一種陀螺式動態自平衡云臺，包括機架組件、電機組件、拍攝設備以及控制組件；控制組件包括處理器和慣性傳感器，慣性傳感器檢測拍攝設備的姿態信息，處理器根據姿態信息控制電機組件；電機組件直接驅動機架組件相對拍攝設備轉動以調整拍攝設備的拍攝角度；還包括用于輔助機架組件的連桿構件，連桿構件隨機架組件發生轉動并支撐機架組件。本發明采用電機組件作為原動力直接云臺的機架組件，耗能較小、節省電能；通過連桿構件與機架組件共同構成四桿構件，連桿構件在豎直方向上為機架組件的提供有效支撐，增大機架組件的載重量和剛度，當機架組件載重量較大時，有效其減小形變量；同時減輕機架組件的自身重量，減小電機的直徑大小。
文檔編號F16M11/12GK102996983SQ20111038034
公開日2013年3月27日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年9月9日
發明者汪滔 申請人:深圳市大疆創新科技有限公司