CN101473160B - 改进型万向节 - Google Patents

Abstract

一种万向节装置包括：承窝(6)，其具有部分为球形的内表面，该内表面具有第一球半径；球体(2)，其位于承窝中并具有部分为球形的外表面，该外表面具有小于第一球半径的第二球半径；第一阵列电磁铁(5)，其安装在球体的外表面上；第二阵列电磁铁(7)，其安装在承窝(6)的内表面上；以及用于向两阵列电磁铁中不同的电磁铁选择性地供电以将球体支撑在承窝的一个位置中并控制球体相对于承窝的取向的设备，在该位置中，球体和承窝的部分为球形的表面关于共同的中心基本上同心。

Description

改进型万向节

技术领域

本发明涉及一种改进型万向节设计，并且具体地，涉及一种用于放置诸如摄像机的光学传感器的改进型万向节。

背景技术

为了使传感器能够关于两个垂直轴独立地旋转，已知的万向节设计基于具有两个同心架(concentric stage)或同心罩(cage)的一般方法，它们各自安装在单独的包括轴承与传动装置的组件上，以控制关于一个轴的旋转，利用安装在外部架上的内部架来使传感器能够关于两个垂直轴独立地旋转。类似地，为了使传感器能够关于三个垂直轴独立地旋转，使用了三个架，它们相继安装在彼此之上。

这种方法存在着许多问题。大量的组件使得已知的万向节装置组装起来不可靠、昂贵且复杂。此外，对于较小的传感器，大量的组件使得难以按比例缩小万向节。

发明内容

本发明试图克服、至少部分地克服这些问题。

一方面，本发明提供了一种万向节装置，包括：

承窝(socket)，其具有部分为球形的内表面，该内表面具有第一球半径；

球体，其位于承窝内并具有部分为球形的外表面，该外表面具有小于第一球半径的第二球半径；

第一阵列(array)电磁铁，其安装在球体的外表面上；

第二阵列电磁铁，其安装在承窝的内表面上；以及

用于有选择地向两阵列电磁铁中的不同的电磁铁供电以将位于承窝中的球体支撑在一个位置中并控制球体相对于承窝的取向的装置，其中，球体和承窝的部分为球形的表面基本上是同心的。

附图说明

现在将参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，这些实施方式仅用于示例，其中：

图1示出了根据本发明的第一实施例的万向节安装摄像机(gimbal mounted camera)的侧视图；

图2示出了图1的万向节安装摄像机的正视图；

图3示出了图1的万向节安装摄像机的截面图；

图4示出了在图1的万向节安装摄像机中使用的磁力方式(magnetic force pattern)的实例；以及

图5示出了根据本发明的第二实施例的万向节安装摄像机的侧视图。

具体实施方式

本发明所基于的一般概念是，由内部球形球体和外部球形承窝形成用于安装传感器的万向节，通过排列在球体与承窝相对表面上的多个电磁铁，该球体与承窝同心，并且该球体在承窝内悬浮(suspend)且旋转。

根据本发明的第一实施例的并且能够进行三轴旋转的万向节安装摄像机组件1的一个实例在图1至图4中示出。图1示出了摄像机组件1的侧视图，而图2示出了正视图。

摄像机组件1包括内部中空的球形球体2，其具有内腔3来放置摄像机。摄像机具有在球体2中第一前向孔径(first forwordaperture)4范围外的视场。球体2安装在部分为球形的承窝6中，该承窝具有与球体2同心的内表面，而第一前向孔径8来限定摄像机的视场边界。

球体2的外表面基本上由第一阵列电磁铁5覆盖而承窝6的内表面由第二阵列电磁铁7覆盖。电磁铁5和7位于或靠近球体2和承窝6的各自表面上，以将电磁铁5和7之间的间隔最小化并因此将它们的相互作用力最大化。电磁铁5和7相对于球体2和承窝6的各自表面的精确位置对于本发明并不是关键性问题。电磁铁5和7可排列在各自的表面上，根据需要(例如为了保护电磁铁或者为了方便制造)可与表面平齐或低于表面。

球体2和承窝6可由任意适合的材料制成，例如金属、陶瓷或塑料材料。用来形成球体2和承窝6的制造方法会部分地取决于所选的材料，而可能的技术的实例为轧磨(milling)、浇铸(casting)以及模压(moulding)。为了简化组件的制造，通常优选以多个部分形成球体2和承窝6中的每一个，所述的多个部分会在制造过程中固定在一起。

在使用中，球体2是通过第一阵列和第二阵列电磁铁5和7之间的相互的磁排斥而悬浮或漂浮在承窝6中的。这种不存在球体2与承窝6之间的物理接触而由磁排斥产生的对球体2的支撑作用，消除了球体2与承窝之间的摩擦，并使得球体2能够平稳且高度可控地运动。

通过分别控制由电磁铁5和7中的不同电磁铁产生(emit)的磁场的强度和极性，来改变和控制球体2的角运动或取向。在披露的实施例中，将第一阵列和第二阵列的完全相对(diametricallyopposed)的电磁铁5和7所发射的磁场的强度和极性控制为相同。优选在装置1的相对侧面上的电磁铁5和7的这种“镜像(mirroring)”作用，以确保球体2的漂浮不因电磁铁5和7中的不同一方发射的磁场强度与极性的变化而受到影响，用于控制球体2的取向并有助于球体2保持平稳且可预测的运动。然而，这并不是必需的。

优选地，承窝6的外表面和球体2的内表面由电磁屏蔽材料、或EM屏蔽复合结构(其由不同材料所形成的多个层组成)覆盖。这种EM屏蔽将防止电磁铁5和7所发射的电磁信号从组件中外逸(escape)，并作为电磁信号或干扰源来发生作用，或影响摄像机的运行。此外，EM屏蔽将防止组件的操作受到外部EM干扰源的影响。

在示出的实施例中，各阵列电磁铁5和7是规则的阵列，其中，每个电磁铁由6个均匀间隔且等距的电磁铁包围。预期其为一种特别有益的排列。然而，可以使用多阵列电磁铁5和7的其他排列方式。

尽管不是必需的，仍优选将多阵列的电磁铁5和7以规则的对称形式排列，并使用对于两阵列电磁铁相同的排列形式。这将简化对球体2运动的控制。

在图1中，示出了球体2，其中，第一阵列和第二阵列的电磁铁5和7彼此交叠。应理解，由于几何学原因，为了使第一阵列和第二阵列的电磁铁5和7彼此交叠，第一阵列和第二阵列的电磁铁5和7需要以相同形式排列，并且第一阵列和第二阵列中的电磁铁5和7的间隔需要略有不同。承窝6表面上的第二阵列电磁铁5之间的间隔大于球体2表面上的第一阵列电磁铁5之间的间隔，以使第一阵列和第二阵列中相应的电磁铁5和7具有相对于中心(球体2和承窝6关于该中心是同心的)具有相同的径向位置。

尽管以上将球形球体2和部分为球形的承窝6描述为同心的，仅当球体2由于磁排斥而悬浮于承窝6中时它们才为同心。为了使球体2能够在承窝6中运动，需要在球体2的外表面与承窝6的内表面之间具有至少一定的小的环形间隙。因而，当不向电磁铁5和7供电时，球体2将与承窝6的底面相接触而静止，而此时球体2与承窝6则不再完全同心。

当球体2和承窝6的相对表面相互接触，例如当电磁铁5和7不被供电且球体2的重量由承窝6的表面所支撑时，或者在摄像机组件1被充分加速而克服了磁排斥力而使球体2与承窝6表面接触的情况下，为了防止损坏电磁铁5和7，优选地，球体2的外表面和承窝6的内表面是光滑的，具体而言，电磁铁5和7不从球体2和承窝6的表面突出。此外，可通过使其中的一个或两个表面由自动润滑材料制成或具有润滑涂层来润滑球体2和承窝6的相对表面。

在示出的实施方式中，电磁铁5和7分别嵌入球体2的外表面和承窝6的内表面，以使电磁铁5和7的相对面分别与球体2和承窝6的表面齐平。为了将第一阵列和第二阵列电磁铁5和7之间的间隔最小化，优选这种布置。磁力随着距离变大而减小，从而，将间隔最小化会使电磁铁5和7的尺寸和功耗最小化。然而，在某些应用中，优选地，使电磁铁5和7嵌入球体2和承窝6的表面内，使得磁铁5和7的相对表面可由薄的表面层覆盖。为防止电磁铁5和7受到环境的损坏，这种布置是我们所期望的。

球体2的外径大于承窝6中的第一孔径8，以使球体2在任何情况下都不会从承窝6中脱落。为了能够组装摄像机组件1，承窝以3个部分形成，它们围绕球体2组装。承窝6各部分之间的接口(joint seam)14在图2中示出。

在操作中，控制系统(未示出)独立地控制提供至每个磁铁5和7的能量，以控制球体2在承窝6中的运动。为了从控制系统向第一阵列电磁铁5供电并使来自摄像机的信号能够发送而用于进行处理，电源和数据线9从球体2经过，并穿过承窝4来与外部电源、控制和信号处理系统(为了清楚而未在图中示出)连接。

导线9在球体2中连接至摄像机，并连接至单个电磁铁5，虽然球体2中的连接的详情未在图中示出。导线9穿过球体中的第二后向孔径10，并穿过承窝6中的第二后向孔径11。球体2在承窝6中的可能的运动范围最终由孔10和11的大小以及导线9的长度所限定。球体2相对于承窝6的物理运动的范围，不与承窝6中第一前向孔径8的尺寸所限定的摄像机的视场范围直接相关，或者不自动与其相同。然而，通常优选将该装置设置为，可获得球体2的运动范围基本与可获得视场相对应。

当球体2相对于承窝6旋转时，为了提供空间使导线9在球体的外表面2和承窝6的内表面之间穿过，承窝6在第二孔径11周围的后向部分向外凸出以提供导线空间12。该凸出区域中的承窝6的内表面不包括任何电磁铁7。如在图3的横截面中示出的，为了限制球体2相对于承窝6的旋转，在球体2的表面上第二孔径10周围配置圆形填塞(stop)13。填塞13从球体2的表面向外径向延伸，以使球体2在承窝6中的旋转将使填塞13与承窝6的突出部分边缘接触，因而防止球体2相对于承窝6进一步旋转。填塞13适宜作为凸缘(raised lip)围绕球体2中第二孔径延伸的边缘而形成。

将填塞13配置为与承窝6的内表面接合，并在球体2的旋转被导线9阻碍的点之前防止球体2旋转。也就是说，填塞13防止球体2旋转过度而将导线9拉紧。因此，填塞13避免了由于球体2在承窝6中的过度旋转而对导线9或相关连接及元件造成的损坏。控制系统通常安排为，不允许球体2的受控运动过度而损坏导线9或组件1中的任何其他部分。然而，却可能发生足以导致损坏发生的球体2的非受控或非指令(uncommanded)运动，例如，如果承窝6所连接的支撑结构经受突然转动，或者如果外部物体与球体2的暴露表面接触。填塞13则防止任何这些非指令或非预期的运动损坏摄像机组件1。

填塞13不会限制球体2关于第一孔径8和第二孔径11的轴旋转。为了实现这种旋转，导线9应当以其一端穿过旋转连接器而连接。作为选择地，可提供另一个填塞以限制关于该轴的旋转。

在图中，球体中的第一孔径4和第二孔径10大小相近。这并不是必需的。优选地，球体2以多个部分的形式制造，使得在各个部分连接在一起之前，腔体3内的任意组件能够组装并连接。因此，孔径10不需要在制造过程中提供至腔体5的通道，且仅需足够大以使导线9通过。

在示出的实施例中，承窝6前部的第一孔径8和承窝6后部的用于提供导线空间12的突出部分完全相对，并具有近似相同的区域。形成第一阵列电磁铁5和第二阵列电磁铁7的对称性简化了对该装置的控制。

优选地，该装置应当这样安排，使得球体2和承窝6运动的物理限定范围(physical limit)略微大于摄像机可获得全部视场所需要的范围，并且控制球体2相对于承窝6的运动的控制系统应当这样安排，使得球体2相对于承窝6受控的最大运动范围与视场的限定范围相对应。这样可保证存在安全边缘(margin)，以使球体2相对于承窝6的任何非预期的其他运动不会导致球体2延伸至其运动的物理限定范围。

在示出的实施例中，球体2中的第二孔径10与第一孔径4完全相对，并且大小基本相同，使得孔径10远大于使导线9通过所需的范围。第二孔径10的尺寸和位置并不是必需的但是适宜使摄像机以及球体2内的其他电子组件方便组装。

为了使球体2的旋转受到控制，由每阵列电磁铁5和7中的每一个所产生的磁场的强度和极性可单独控制。为了旋转球体2，调整不同的两阵列中相对的或邻近的电磁铁5和7的磁场以在球体2和承窝6之间产生关于期望的旋转轴的力偶(couple)。当球体2相对于承窝6达到所需的位置时，调整电磁铁5和7的磁场以将球体2维持在其位置上而无需施加任何力偶。

图3中示出了关于由控制系统提供的能量而产生至第一阵列和第二阵列中邻近的电磁铁5和7的磁力以使球体2在承窝6中进行受控的旋转的实例。

图3示出了图1中所示摄像机装置1沿贯穿球体2第一孔径3和第二孔径10的中部的平面的横截面。为了方便，含球体2的装置1在前视位置(foresight position)被示出，其中，球体的第一孔径3位于承窝中第一孔径8的中部。

在图3中，示出了三个邻近相对的电磁铁对5a和7a、5b和7b以及5c和7c。图3中示出了电磁铁7a至7c和5a至5c，其产生磁场而导致球体2相对于承窝在顺时针方向上关于与纸平面垂直的轴旋转。为了实现这种旋转，磁铁5a和7a产生相同极性的磁场，在此实施例中为北磁场(N)。为了清楚，仅示出了装置1一侧上的电磁铁，然而如上所述，第一阵列和第二阵列中完全相对的电磁铁将产生相同的磁场。

当相对的电磁铁7b不被供电而不产生磁场(O)时，电磁铁5b产生相反的、南极(S)的磁场。而当相对的磁铁7c产生北极性(N)磁场时，电磁铁5c也不被供电而不产生磁场(O)。由于这些不同的磁极性，具有相反极性的电磁铁5b和7c之间的净吸引力(netattractive force)产生使球体2在顺时针方向旋转的力偶。

这仅仅是可用于使球体2在承窝6中旋转的邻近电磁铁磁极性模式的一个实例，还存在着许多其他可能的模式。具体而言，对于互斥的电磁铁5a和7a而言，选择北极磁场并不具有重要意义。技术上的重要特征是相对极性，即不同的电磁铁是否具有相同的极性(则互斥)、或者具有相反的极性(则相吸)、或者不被供电(则不产生磁场)，绝对的极性没有重要意义并且可以被逆转。

在图3中，仅示出了装置1一侧上的电磁铁。优选地，通过向完全相对的电磁铁施加相同的磁力模式而使得球体2上的力是成镜像的(mirrored)，从而实现球体2在承窝6中受控制的旋转。这种施加至电磁铁5和7的磁力的镜像模式是确保没有线性力而只有力偶作用于球体2使得球体2与承窝6保持同心的简单方法。

如上所述，提供至第一阵列和第二阵列的电磁铁5和7中每一个的能量可单独控制，因而它们产生的磁场可单独受控。通过适当控制第一阵列和第二阵列的电磁铁5和7产生的磁场，球体2可同时与承窝6保持同心并根据需要的关于任意轴以任意所需的量旋转。

为了将球体2稳定在承窝6中，可安排局部列的电磁铁5和7，例如在每阵列中一个电磁铁之间产生局部的吸引力，以抵抗或防止球体2在承窝6中的相对旋转。仅在局部位置中存在吸引力，以使球体2通过两阵列中其他电磁铁5和7之间的相互排斥而仍然在承窝6中保持同心，从而球体2在承窝6中继续保持磁悬浮。

图4示出了这种在相对的电磁铁对5和7之间的局部磁吸引(由+表示)安排的一个实例，此时，在相邻的相对电磁铁对5和7之间保持排斥(由-表示)，在球体2和承窝6之间维持总的净排斥。

在图4中，4个这样的局部吸引对称地安排在组件1周围来将球体2保持在承窝6的位置中，在图中可见其中的3个。

通过产生围绕轴的力偶，球体2在承窝6中旋转，然而除了以上参照图3讨论的镜像模式之外，还可通过在位于所期望的旋转轴处完全相对的位置上产生局部的吸引或排斥，来控制电磁铁5和7进一步稳定球体2防止相对于承窝6进行线性运动，并且阻碍球体2关于任何其他轴的运动。

通常，为了使球体2在承窝6中执行所期望的旋转，不同电磁铁需要产生的必须的电能时序(sequence of power)和磁场极性计算起来会相对复杂。因而，预期该组件的控制系统将包括计算机。就是说，运算器(operator)将指示控制系统球体2需要怎样的旋转运动，且形成控制系统一部分的计算机则计算并向不同的电磁铁提供或指示必需的能量。

对球体2在承窝6中旋转取向和运动的控制度的灵敏性和准确性通常取决于每阵列电磁铁5和7的数量，电磁铁越多，控制越准确。实际中，在示出的实施例中，准确性取决于承窝6上第二阵列电磁铁7的数量。球体2上不与承窝6上第二阵列电磁铁7相对的其他的第一阵列电磁铁5不会促进提高的准确性。

因此，在许多应用中，对球体2所需的控制准确性决定着每阵列电磁铁的数量，并且在许多情况下该数量远大于在承窝6中支撑球体2所需的电磁铁的数量。因此，在操作中，常常是这样的情况：在任意具体时间，某些甚至是多数电磁铁不被供电。

在仅需要一些而非全部电磁铁来支撑球体2的情况下，为了简化控制装置和计算，分离电磁铁的支撑和运动功能可能是有益的。就是说，可以选择某些位置合适的电磁铁阵列来控制球体2的运动，而其他电磁铁阵列则仅产生用于支撑的排斥力。

可产生的一个可能的困难是：由于优选第一阵列和第二阵列电磁铁具有规则形式，在暂时没有能量提供至电磁铁的情况下，当启动电源时，不可能确定球体2相对于承窝的取向。为了克服这个问题，可以使用向预定的多个电磁铁所提供的电能时序的特定转换(special switch on power sequence)，其带动球体2至已知的取向。也可以使用作为选择的方式，例如能量可仅提供至一阵列中的一个电磁铁，而另一列的磁铁用来探测(detect)已供电电磁铁的相对位置。

如上所述，导线9将能量和控制信号传输至球体2上的电磁铁5。这些可作为与球体内每个电磁铁5的单独的能量连接或者与切换单元(switching unit)的能量连接和数据连接，其中通过数据连接提供数据来指示切换单元应将什么能量转换至每个电磁铁5。

在第一实施例中，为了简明，示出的孔径4、8、10和11为开放的。然而，实践中这将使得万向节组件和摄像机容易受到物理和环境的损坏。

在图5中示出的第二实施例中，承窝6中的前向孔径8由部分为球形的透明盖15覆盖。透明盖15保护球体2、摄像机以及承窝6的内部不受物理上的接触。其保护球体2和摄像机防止发生直接的物理损害，并且防止在整体上对摄像机组件产生损害，例如防止球体2受力而与承窝6接触或防止外来物体堵卡在球体2和承窝6的相对表面之间。

此外，如果孔径11也被密封，则摄像机组件作为整体可被密封，因而防止了环境损害，例如由于在组件内形成水珠而产生的腐蚀。

在第一和第二种实施例中，球体2中的孔径4可选择性地由适合的透明层密封以保护摄像机。

在所述的实施例中，示出的球体2和承窝6之间的空间是空的。通常该空隙将包含空气，或者在第二实施例中，包含选择的气体混合物。该空隙可选地包含液体，以用作球体2和承窝6之间的润滑剂和/或缓冲层。如果该空隙包含液体，除了使用具有透明盖15的第二实施例并且该液体透明之外，通常必须至少围绕孔径8的圆周提供保留液体的滑动密封(sliding seal)。

以上所示出的实施例采用根据本发明的万向节以对摄像机进行支撑和取向。可以使用类似的装置以支撑和取向其他类型的传感器或能量发射装置(energy emitting devices)。例如对用于外科手术中的激光切割机进行支撑和取向。该万向节还可用作多轴伺服，用于移动或操作物理设备和末端应变器(effector)，然而，这通常与第二实施例中的盖15不兼容。

本发明不局限于所述实施例。在由所附权利要求限定的本发明范围内，本领域中的技术人员能够预想可替换的装置。

Claims (7)

1.一种万向节装置，包括：

承窝，具有部分为球形的内表面，所述内表面具有第一球半径；

球体，位于所述承窝内并具有部分为球形的外表面，所述外表面具有小于所述第一球半径的第二球半径；

第一阵列电磁铁，安装在所述球体的外表面；

第二阵列电磁铁，安装在所述承窝的内表面；以及

供电装置，用于有选择地向所述两阵列电磁铁中的不同的电磁铁供电，以将位于所述承窝中的所述球体通过所述第一阵列和所述第二阵列中一些电磁铁之间的互相的磁排斥而支撑在使所述球体的部分球形的表面和所述承窝的部分球形的表面基本同心于共同中心的位置中，并通过所述第一阵列和所述第二阵列中不同电磁铁之间的磁性的相互作用来控制所述球体相对于所述承窝的取向。

2.根据权利要求1所述的万向节装置，其中，通过所述第一阵列和所述第二阵列电磁铁之间的互相的磁排斥而将所述球体支持在所述承窝中。

3.根据权利要求1或2所述的万向节装置，其中，所述第一阵列和所述第二阵列的每一阵列均包括以规则的对称形式排列的多个电磁铁。

4.根据权利要求3所述的万向节装置，其中，所述第一阵列和所述第二阵列的电磁铁均以相同形式排列。

5.根据权利要求4所述的万向节装置，其中，所述第二阵列的电磁铁之间的间隔大于所述第一阵列的电磁铁之间的间隔，以使所述第一阵列和所述第二阵列的电磁铁对处于所述共同中心的共同半径上。

6.根据权利要求1所述的万向节装置，其中，所述球体是中空的。

7.根据权利要求1所述的万向节装置，其中，在所述球体中安装有摄像机。

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