CN104633406A - 一种几何约束自适应双推杆起降机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种几何约束自适应双推杆起降机构，通过两组推杆机构实现顶层支撑板上摄像机的俯仰运动。顶层支撑板与两组推杆机构间通过一套立式旋转轴支撑机构；具体为：将两个顶层远端轴承座分别安装在两组推杆机构中直线运动单元的滑块上，两个顶层远端轴承座内安装有关节轴承，顶层远端转轴两端分别与一个顶层远端滚动轴承的内圈固定，外圈安装在套筒内,套筒外圈安装在两个关节轴承内；支撑台两端分别通过顶丝与顶层远端转轴两端固定；立式旋转轴与支撑台间固定；立式旋转轴底部周向上具有支撑台肩；通过立式旋转轴支撑顶层支撑板远端。通过上述结构使本发明升降机构具有几何自解耦功能，在几何约束上具有自适应性，无需安装时繁复的调整工作。
Description
背景技术
电影行业一直伴随着最新技术而发展。数字技术已经成为电影制作的必要手段。在数字电影中，占有重要位置的数字特技，使得电影特技产生了质的飞跃。摄影机的运动控制技术，即与拍摄对象的运动匹配和路径再现是数字特效关键技术之一。由于轨迹数据的精确存储，可以实现轨迹再现，即不同拍摄环境下进行同一个运动镜头的多次拍摄，结合数字图像处理，可获得多种拍摄特效。
当前已有的摄像机运动控制系统为美国General Lift.s Mk Genu Flex，英国的MRMC的MILO以及中国的奥视佳(OTHKA)。这三个公司的产品，美国General Lift.s Mk Genu Flex体积庞大，吊臂不能进行伸缩，对拍摄空间的适应性差。英国的MILO在匀速以及加减速过程中，摄像机运动平稳，随着3DIMAX影视发展，摄像机的重量在大幅提高，MILO的载重量(15kg)已经不能适应最先进的摄像机。另外，MILO的价格非常昂贵。
在摄像机运动控制系统中，均具有控制摄像机高度位置的起降机构，用来实现摄像机高度位置的调节。目前，起降机构的形式主要有单推杆方式，6自由度机械臂方式以及双推杆方式；其中，采用单推杆方式的起降机构，直线推杆运动机构和被推动的顶层平板不能产生干涉，即推杆有效行程必须小于推杆的最小尺寸。但摄像机运动控制系统中的起降机构，要求被推动的平板可以在与水平面成+70/-50°的范围内运动，因此这种方式的起降机构不能直接应用到摄像机运动控制系统中。
采用6自由度机械臂的起降机构，推举的范围足够大，但这种结构的承载力小，而在摄像机运动控制系统中的起降机构对载重力矩要求很高(30公斤)。因此，这种方式的起降机构不能直接应用到摄像机运动控制系统中。
采用双推杆方式的起降机构，通过同步带同步。顶层平板远端，与直线模组结合的部分是一固定轴，其两端各配合一个滚动轴承。这种双推杆方式的起降机构需要两直线运动模组的安装角度一致，且相互平行。由于实际中不能做到两直线运动模组安装角度绝对一致且相互平行，仅靠直线推杆机构自身的柔性和安装时的调整来保证推举起降功能所需的几何约束条件。这样很费时间和精力，且在有效行程中存在应力，使得运动不流畅。且每次安装调整都不是固定的，需要依靠工人的经验来调整。另外，顶层平板的姿态是由顶层近端滚动轴承决定的，不能保证顶层平板滚动轴轴线与直线单元底层安装板的绝对平行，即不能保证直线推杆运动单元的指向和顶层平板的指向一致。各种制造和安装误差使得几何约束相互耦合，强硬的安装会使得推杆在某些位置运动困难，严重时会影响推杆的直线运动范围。
发明内容
针对上述问题，本发明通过对机构的重新设计，提出一种几何约束自适应双推杆起降机构，克服工作范围小的缺点，同时具有大承载力，以适应IMAX摄像机的尺寸和重量。
本发明一种几何约束自适应双推杆起降机构，包括支撑架、顶层支撑板、立式旋转轴支撑机构以及两组推杆机构。
所述支撑架顶端固定焊接顶端安装板，顶端安装板用来安装顶层支撑板的近端。
两组推杆机构分别左右对称安装在支撑架底部设计的凸边上；每组推杆机构包括底层滚动轴承模块、连接架、驱动传动机构与直线运动单元。底层滚动轴承模块包括底层轴承座、底层连接板与底层转轴。其中，底层轴承座固定安装在底层环形底板外缘的凸边上，底层转轴两端分别通过轴承与底层轴承座相连；底层转轴上固定安装有底层连接板。连接架一端与底层连接板固定安装，另一端通过驱动传动机构连接直线运动单元，由驱动传动机构实现直线单元中滑块沿丝杠的运动。
上述结构的两组推杆机构中，直线运动单元上的滑块间安装有立式旋转轴支撑机构。所述立式旋转轴支撑机构包括顶层远端轴承座、顶层远端转轴、顶层远端滚动轴承、关节轴承、支撑台与立式旋转轴。其中，顶层远端轴承座为两个，分别安装在两组推杆机构中直线运动单元的滑块上，两个顶层远端轴承座内安装有关节轴承，顶层远端转轴两端分别安装一个顶层远端滚动轴承。两个顶层远端滚动轴承的内圈分别与转轴固定，外圈安装在套筒内,套筒外圈安装在两个关节轴承内。支撑台两端分别通过顶丝与顶层远端转轴两端固定；立式旋转轴为柱状结构，底面开孔，通过螺钉与支撑台间拧紧固定，使立式旋转轴位于支撑台中心位置；立式旋转轴底部周向上具有支撑台肩；通过支撑台肩支撑顶层支撑板远端。
所述顶层支撑板近端底面两侧设计有两个顶层近端轴承座，顶层近端转轴两端分别通过一个顶层近端滚动轴承与两个顶层近端轴承座相连；顶层近端转轴上固定安装有连接板，通过连接板将顶层支撑板近端安装在支撑架的顶端安装板上；顶层支撑板远端开有安装孔，通过安装孔套在立式旋转轴支撑机构中立式旋转轴上，与立式旋转轴上的支撑台肩贴合。
通过上述结构，控制两组推杆机构中的驱动传动机构驱动直线运动单元中滑块以近似相同的速度向下或向上同步运动，可实现顶层支撑板远端的俯仰运动。
本发明的优点为：
1、本发明双推杆起降机构，双电机增加推杆的输出功率，提高端部承载能力；两电机运动时会有微小的前后时间差，自适应的推杆起降机构不仅不会因此使得两滑块相互卡住，反而利用这个时间差，将推杆的直线运动转变成两个杆件绕立式旋转轴的旋转运动以及顶层平板的俯仰运动，从而再分了上升或下降的步距，提高起降机构的平稳性；
2、本发明双推杆起降机构，安装简单，在几何约束上具有自适应性，无需安装时繁复的调整工作；
3、本发明双推杆起降机构，承载力大，可提供大转动扭矩；
4、本发明双推杆起降机构，每条推杆具有各自的驱动电机，配合自适应的机构设计，可以消除驱动电机运动不同步的影响，可允许两直线运动单元±8mm的不同步距离。
附图说明
图1为本发明起降机构整体结构侧视示意图；
图2为本发明起降机构整体结构立体示意图；
图3为本发明起降机构中底层滚动轴承模块结构示意图；
图4为本发明起降机构中驱动传动机构结构示意图；
图5为本发明起降机构中直线运动单元结构示意图；
图6为本发明起降机构中立式旋转轴支撑机构结构示意图；
图7为本发明起降机构中立式旋转轴支撑机构中顶层远端滚动轴承与套筒间安装方式示意图；
图8为本发明起降机构中顶层支撑板结构示意图。
图中：
1-支撑架 2-顶层支撑板 3-立式旋转轴支撑机构
4-推杆机构 101-底层安装板 102-中层圆柱支撑
103-上层圆锥支架 104-顶端安装板 105-凸边
103a-支杆 103b-加固件 201-顶层近端轴承座
202-顶层近端转轴 203-连接板 204-安装孔
301-顶层远端轴承座 302-顶层远端轴 303-顶层远端滚动轴承
304-关节轴承 305-支撑台 306-立式旋转轴
307-支撑台肩 308-套筒 401-底层滚动轴承模块
402-连接架 403-驱动传动机构 404-直线运动单元
401a-底层轴承座 401b-底层连接板 401c-底层转轴
403a-驱动电机 403b-皮带轮A 403c-皮带轮B
403d-传动带 403e-驱动传动支架 403f-传动轴
404a-外部框架 404b-滑块
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明一种几何约束自适应双推杆起降机构，包括支撑架1、顶层支撑板2、立式旋转轴支撑机构3以及两组推杆机构4，如图1所示。
所述支撑架1采用圆柱圆锥结构架，包括底层安装板101、中层圆柱支撑102与上层圆锥支架103，如图2所示。其中，中层圆柱支撑102为空心结构，作为主支撑，内部用来布线，顶面设计为可开合盖板，实现对中层圆柱支撑102内部线路的保护。下端周向上与底层环形底板101内圆间通过台肩配合定位，由螺钉夹紧固定。中层圆柱支撑102顶面上安装上层圆锥支架103；上层圆锥支架103包括支杆103a与加固件103b；支杆103a至少为4个，周向均布，底端与中层圆柱支撑102顶面外缘焊接固定；顶端均向内倾斜，共同形成圆锥结构支架。4个支杆103a中部通过环形结构的加固件103b相连，增强圆锥支架103的抗扭性能。4个支杆103a顶端固定焊接顶端安装板104，顶端安装板104用来安装顶层支撑板2的近端。
如图2所示，两组推杆机构4分别左右对称安装在底层环形底板101外缘设计的凸边105上；每组推杆机构4包括底层滚动轴承模块401、连接架402、驱动传动机构403与直线运动单元404。其中，底层滚动轴承模块401包括底层轴承座401a、底层连接板401b与底层转轴401c，如图3所示；其中，底层轴承座401a固定安装在底层环形底板101外缘的凸边105上，底层转轴401c两端分别通过一个底层滚动轴承与底层轴承座401a两侧面相连，使底层转轴401c与水平面平行，可自由转动。底层转轴401c上固定安装有底层连接板401b，使底层连接板401b可随底层转轴401c一同转动。
连接架402为长方体钢架，一端与底层连接板401b固定安装，另一端通过驱动传动机构403连接直线运动单元404。所述驱动传动机构403包括驱动电机403a、皮带轮A403b、皮带轮B403c、传动带403d、驱动传动支架403e、传动轴403f，如图4所示。其中，驱动传动支架403e作为驱动传动机构403的支撑框架，具有顶板与底板；底板与长方体钢架端部固定，实现驱动传动机构403与连接架402间的固定。驱动电机403a固定安装在驱动传动支架403e的顶板上，驱动电机403a输出轴穿过顶板与皮带轮A403b同轴固连。皮带轮B403c同轴固定于传动轴403f上，传动轴403f两端分别通过驱动滚动轴承与驱动传动支架403e的顶板和底板间相连。皮带轮A403b与皮带轮B403c间通过传动带403d套接，通过驱动电机403a驱动皮带轮A403b带动皮带轮B403c与传动轴403f一同转动，实现力矩传递，驱动直线运动单元404运动。
所述直线运动单元404为现有设备，如图5所示，采用滚珠丝杠驱动。直线运动单元404的外部框架404a一端固定安装在驱动传动支架403e的顶板上，将丝杠端部通过联轴器与传动轴403f同轴固定；进而通过驱动传动机构403可驱动丝杠转动，实现直线运动单元404中的滑块404b沿丝杠轴向移动。上述结构的两组推杆机构4中，直线运动单元404上的滑块间安装有立式旋转轴支撑机构3。
所述立式旋转轴支撑机构3包括顶层远端轴承座301、顶层远端转轴302、顶层远端滚动轴承303、关节轴承304、支撑台305、立式旋转轴306与支撑台肩307，如图6所示。其中，顶层远端轴承座301为两个，分别安装在两组推杆机构4中直线运动单元404的滑块上，两个顶层远端轴承座301内安装有关节轴承304，顶层远端转轴302两端分别安装一个顶层远端滚动轴承303，如图7所示；两个顶层远端滚动轴承303的内圈分别与转轴固定，外圈安装在套筒308内,套筒308外圈安装在两个关节轴承304内，由此使顶层远端滚动轴承303外圈可自由转动；并且可沿轴向移动。支撑台305两端分别通过顶丝与顶层远端转轴302两端固定。立式旋转轴306为柱状结构，底面开孔，通过螺钉与支撑台305间拧紧固定，使立式旋转轴306位于支撑台305中心位置。立式旋转轴306底部周向上具有支撑台肩307；通过支撑台肩307来支撑顶层支撑板2远端。
如图8所示，所述顶层支撑板2近端底面两侧设计有两个顶层近端轴承座201，顶层近端转轴202两端分别通过一个顶层近端滚动轴承与两个顶层近端轴承座201相连。顶层近端转轴202上固定安装有连接板203，通过连接板203将顶层支撑板2近端安装在支撑架1中顶端安装板104上表面。顶层支撑板2远端开有安装孔204，通过安装孔204套在立式旋转轴支撑机构3中立式旋转轴306上，与立式旋转轴306上的支撑台肩307贴合，同时确定了两组推杆机构4绕底层滚动轴承模块401的转动角度。且本发明中由两组推杆机构4通过底层滚动轴承模块401与底层安装板101相接，保证任一推杆机构4不会因为顶层支撑板2的压力使自身发生摆动或扭动。上述立式旋转轴306外表面以及顶层支撑板2上与立式旋转轴306接触面均经光滑处理，使顶层支撑板2可相对立式旋转轴306灵活转动。
通过上述结构，控制两组推杆机构4中的驱动传动机构403驱动两滑块以近似相同的速度向下或向上同步运动，可实现顶层支撑板2远端的俯仰运动。
本发明顶层平板俯仰夹角达到120度，其中与水平面正向最大夹角为70度。直线运动单元有效行程为自身最大行程。且本发明升降机构中顶层远端转轴302与顶层支撑板2间的连接，不是固定连接，而是将顶层支撑板2套压在立式旋转轴306上；其次，顶层支撑板2近端与支撑架1相连，顶层支撑板2远端通过相互嵌套的滚动轴承与关节轴承与直线运动单元404相连，使本发明升降机构具有几何自解耦功能；由此在使起降机构工作过程中，当两个驱动电机403a工作非同步时，或在组装过程中，两条推杆4非平行(两条推杆4相互之间有略微的分开、合拢或前后交错)或姿态不同向时，立式旋转轴支撑机构3中支撑台305的自旋转运动，以及顶层支撑板2远端的俯仰运动，以及立式旋转轴支承机构3的滚动轴承轴向运动和关节轴承的调心运动，使得在顶层支撑板2长边方向的水平分量与两组推杆机构4轴向的水平分量方向非一致时，升降机构可以正常完成推举任务，且基本无应力产生。
Claims (3)
1.一种几何约束自适应双推杆起降机构，其特征在于：包括支撑架、顶层支撑板、立式旋转轴支撑机构以及两组推杆机构；
所述支撑架顶端固定焊接顶端安装板，顶端安装板用来安装顶层支撑板的近端；
两组推杆机构分别左右对称安装在支撑架底部设计的凸边上；每组推杆机构包括底层滚动轴承模块、连接架、驱动传动机构与直线运动单元；底层滚动轴承模块包括底层轴承座、底层连接板与底层转轴；其中，底层轴承座固定安装在底层环形底板外缘的凸边上，底层转轴两端分别通过轴承与底层轴承座相连；底层转轴上固定安装有底层连接板；连接架一端与底层连接板固定安装，另一端通过驱动传动机构连接直线运动单元，由驱动传动机构实现直线单元中螺母沿丝杠的运动；
上述结构的两组推杆机构中，直线运动单元上的滑块间安装有立式旋转轴支撑机构；所述立式旋转轴支撑机构包括顶层远端轴承座、顶层远端转轴、顶层远端滚动轴承、关节轴承、支撑台与立式旋转轴；其中，顶层远端轴承座为两个，分别安装在两组推杆机构中直线运动单元的滑块上，两个顶层远端轴承座内安装有关节轴承，顶层远端转轴两端分别安装一个顶层远端滚动轴承；两个顶层远端滚动轴承的内圈分别与转轴固定，外圈安装在套筒内,套筒外圈安装在两个关节轴承内；支撑台两端分别通过顶丝与顶层远端转轴两端固定；立式旋转轴为柱状结构，底面开孔，通过螺钉与支撑台间拧紧固定，使立式旋转轴位于支撑台中心位置；立式旋转轴底部周向上具有支撑台肩；通过支撑台肩支撑顶层支撑板远端；
所述顶层支撑板近端底面两侧设计有两个顶层近端轴承座，顶层近端转轴两端分别通过一个顶层近端滚动轴承与两个顶层近端轴承座相连；顶层近端转轴上固定安装有连接板，通过连接板将顶层支撑板近端安装在支撑架的顶端安装板上；顶层支撑板远端开有安装孔，通过安装孔套在立式旋转轴支撑机构中立式旋转轴上，与立式旋转轴上的支撑台肩贴合。
2.如权利要求1所述一种几何约束自适应双推杆起降机构，其特征在于：所述支撑架采用圆柱圆锥结构架，包括底层安装板、中层圆柱支撑与上层圆锥支架；其中，中层圆柱支撑为空心结构，顶面设计为可开合盖板；下端周向上与底层环形底板内圆间通过台肩配合定位，由螺钉夹紧固定；中层圆柱支撑顶面上安装上层圆锥支架；上层圆锥支架包括支杆与加固件；支杆至少为4个，周向均布，底端与中层圆柱支撑顶面外缘焊接固定；顶端均向内倾斜，共同形成圆锥结构支架；4个支杆中部通过环形结构的加固件相连。
3.如权利要求1所述一种几何约束自适应双推杆起降机构，其特征在于：所述驱动传动机构包括驱动电机、皮带轮A、皮带轮B、传动带、驱动传动支架、传动轴；其中，驱动传动支架底板与长方体钢架端部固定；驱动电机固定安装在驱动传动支架的顶板上，驱动电机输出轴穿过顶板与皮带轮A同轴固连；皮带轮B同轴固定于传动轴上，传动轴两端分别通过驱动滚动轴承与驱动传动支架的顶板和底板间相连；皮带轮A与皮带轮B间通过传动带套接。
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