CN108397652B - 一种影视特拍机器人云台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及影视特拍机器人技术领域，尤其涉及影视特拍机器人机械臂应用端上的特殊摄影机云台。本发明的影视特拍机器人云台，包括云台框架；云台框架一端与所述机器人的手臂末端端面固定连接，另一端包括用于安装拍摄装置的载物板，所述载物板所在的平面与所述机器人的手臂末端端面所在的平面相交且夹角为20°～40°。使得影视机器人在控制摄像机运动的过程中载物板与机械臂运转夹角达不到拍摄奇异点，且不会增加操作的复杂度和难度，避免摄像机与机械臂相撞。

Description

一种影视特拍机器人云台

技术领域

本发明涉及影视特拍机器人技术领域，尤其涉及一种影视特拍机器人云台。

背景技术

文化产业正成为新兴经济支柱，优秀的影视作品可促进我国文化产业的发展。视觉特效是影视创作的重要部分，而合成技术是现代视觉特效的重要制作手段之一，它是指将多层源素材混合成单一复合画面的处理过程。

影视特拍机器人是数字图像合成技术的重要素材拍摄工具。拍摄机器人控制摄像机运动，其轨迹被精准地记录、存储在计算机内，轨迹数据可以编辑修改，拍摄轨迹可以精确再现。轨迹精确再现是拍摄机器人最大的技术特点，这是人工操作无法实现的。实践中，同一运动轨迹拍摄的各层影像素材在计算机中，用3D图像软件制作出多种复杂的特技影视效果，例如比例缩放、群体效果、多次拍摄。

现有的影视特拍机器人可以提供6-8轴的联动控制，例如，黄河影视特拍装备有限公司的拍摄机器人，操作者只需要移动摄像机在空间内的位置和角度，就能够匹配多轴自动调整机械臂姿态进行记忆，让一切操作更灵活、更直观、更便捷。

现有影视特拍机器人的运动控制系统大多以方框式云台承载摄像机，其结构简单，在空间坐标系X轴、Y轴、Z轴方向运行及绕X轴、Y轴、Z轴运行时经常会出现奇异点。例如市面上经常出现的6轴联动控制的拍摄机器人，奇异点主要表现在三方面：1.当进行极限旋转时会出现4轴、5轴、6轴伺服电机限速，即三轴处于同一条直线上，而停止机器人运行，导致运行角度覆盖少，从而容易出现奇异点的计算错误。2.当第4轴与第6轴共线，会造成系统尝试着将第4轴与第6轴瞬间旋转180度，此时会影响摄影机本身的安全且达不到拍摄角度的情况，需要重新设计轨迹，不仅影响了导演的镜头轨迹实现，而且还浪费了现场拍摄的宝贵时间。3.当第1轴与第5轴和第6轴的交点共线时，会造成系统尝试将第1轴与第4轴瞬间旋转180度，达不到拍摄的角度，而且会导致摄像机与机械臂相撞，从而影响摄影机本身的安全。

现有技术也有在6轴联动控制的基础上采用增加自由度的方式，形成各种结构的7轴、8轴联动控制来规避奇异点，却使得手臂和云台的结构复杂、控制方法复杂，从而使得影视特拍机器人的成本大大增加。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种影视特拍机器人云台，它借助于简单的结构就能够规避奇异点，且不会增加操作的复杂度和难度，不仅可以增加拍摄角度，节省现场拍摄时间，而且能够保护摄像机与机械臂相撞。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种影视特拍机器人云台，包括云台框架，所述云台框架一端与所述机器人的手臂末端端面固定连接，另一端包括用于安装拍摄装置的载物板，所述载物板所在的平面与所述机器人的手臂末端端面所在的平面相交且夹角为20°～40°。

所述云台框架包括斜云台和方框云台，所述方框云台包括用于固定连接所述斜云台的方框云台上板和用作载物板的方框云台下板，所述方框云台上板固定设置在所述斜云台的第一面上，所述第一面与所述机器人的手臂末端端面所在的平面相交且夹角为20°～40°。

所述斜云台包括两个垂直于机器人手臂末端端面的侧板，两个所述侧板形状相同、左右对称设置，两个所述侧板的一端包括固定安装于所述机器人手臂末端端面的顶棱，另一端包括共同限定出所述第一面的第一斜棱。

两个所述侧板的顶棱各自通过斜云台上板与所述机器人手臂末端端面固定连接；和/或，所述斜云台的所述第一面上设置有与两个所述侧板固定连接的斜云台下板。

所述第一斜棱包括靠近所述顶棱的第一端，所述第一端与所述顶棱之间间隔一段距离。

两个所述侧板包括对称地从所述第一斜棱的第一端平行于所述顶棱向前延伸的平棱。

所述斜云台的侧板包括第二斜棱，所述第二斜棱从与所述顶棱相交的第一端向后上方延伸，并与所述顶棱之间形成100°～130°内角。

所述第一斜棱和第二斜棱均包括第二端，所述斜云台的侧板均包括在所述第一斜棱和第二斜棱的第二端之间延伸的第三斜棱。

所述固定连接为可拆卸式固定连接。

所述方框云台下板上设有用于安装拍摄装置的安装孔，及/或，所述方框云台左板与方框云台右板上设有用于安装拍摄装置的安装孔。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、借助于简单的结构将载物板所在的平面与机器人手臂末端端面所在的平面形成一个夹角，此夹角可以使机器人在拍摄中有效的规避奇异点，使工程师在拍摄中能够达到更加刁钻的轨迹设计，避免摄像机与机械臂相撞。

2、斜云台通过方框云台与拍摄装置连接，以及使斜云台的第一斜棱的第一端与顶棱或手臂末端端面保持间隔，在保证载物板平面与机器人手臂末端端面所在平面夹角的同时，增加摄像设备与机器人手臂端的距离，从而增加拍摄角度，减少限位范围。

3、方框云台上设有安装孔，例如专用标准螺纹孔，可以上备用影视专用英制螺栓，这样，方框云台上可根据需要安装一个或多个摄像机，提高拍摄灵活性。

4、本云台在满足影视特拍机器人的拍摄需求的同时不破坏机器人与其它云台原有的连接系统，使用的依然是硬连接方式，使摄像机在拍摄中画面稳定能够达到0.05mm的重复精度。

附图说明

本发明借助于以下附图进行描述：

图1是根据本发明实施例的云台的结构示意图。

【附图标记说明】

10：斜云台；

11：斜云台下板；

12：斜云台上板；

13：第一斜棱；

14：顶棱；

15：斜云台左侧板；

16：斜云台右侧板；

17：第二斜棱；

18：平棱；

19：第三斜棱；

20：方框云台；

21：方框云台上板；

22：方框云台下板；

25：方框云台左板；

26：方框云台右板。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

需要说明的是，由于影视特拍机器人云台通常安装在机器人手臂末端端面法兰上，而机器人手臂末端端面在实际工作中可能处于不同的方位，因此本发明中所说的“上、下、左、右、前、后”仅仅代表相对方位关系，并不代表地球坐标系下的绝对方位，例如“下”方并不一定与重力方向一致。“前”指的是方框云台倾斜所朝向的方向，“后”指的是相反的另一方向。

另外需要说明的是，本发明所说的云台或云台框架，指云台的机械结构，并不涉及云台的电控系统或其他连接结构。本领域技术人员可以理解的是，本发明的云台或云台框架适用于与云台稳定元件、云台匹配摄影机专业组件组合使用而构成智能影视特拍机器人。

而本发明中的云台与机械臂连接部分，可以依然采用本领域常用的硬连接结构形式，以保持拍摄装置的稳定性，具体结构在本发明中不作具体限制。

此外，还需要说明的是，本发明所说的影视特拍机器人，其承载的拍摄装置可以是摄像机或摄影机等拍摄工具，本发明对这些装置的类型不做限制。

总体结构

如图1所示的影视特拍机器人云台包括斜云台10和方框云台20。所述斜云台10包括载物端(下端)和连接端(上端)，载物端限定出一个载物面，与所述机器人的手臂末端端面所在的平面相交且夹角为20°～40°，优选为30°。连接端(上端)与影视特拍机器人的手臂末端端面固定连接。在常见的六轴机器人手臂中，所述手臂末端端面指第六轴法兰盘。

所述方框云台20包括载物端(下端)和安装端(上端)，安装端安装在所述斜云台的第一面(载物面)上，从而使方框云台的载物端所在的平面也与所述机器人的手臂末端端面所在的平面相交且夹角为20°～40°，优选为30°。这样，能够使机器人在控制摄像机运动的过程中规避奇异点，且不会增加操作的复杂度和难度，增加了摄像设备与机器人手臂端的距离，从而增加拍摄角度，减少限位范围，避免摄像机与机械臂相撞。

可选地，所述斜云台和方框云台可以是一体形成的云台框架，并不一定采用本实施例中斜云台和方框云台组合的云台框架，只要承载摄像机的载物板能够与机器人手臂末端端面所在的平面相交并成上述理想角度即可。例如，可单独使用斜云台，所述斜云台10的载物端直接与拍摄装置固定连接。本方案的核心是通过对夹角的调整，避免载物板与机器人手臂末端端面平行而带来的奇异点问题。

斜云台10

斜云台10至少包括两个平行地对称设置的侧板，即左侧板15和右侧板16，所述左侧板15和右侧板16垂直于所述机器人手臂末端端面设置，所述左侧板15和右侧板16朝向所述机器人手臂末端端面的一侧包括顶棱14，远离所述机器人手臂末端端面的一侧包括第一斜棱13，所述第一斜棱13相对于顶棱14倾斜，外夹角θ1为140°～160°，优选为150°。

两个所述顶棱14直接固定连接于机器人手臂末端端面，或者借助于固定连接在两个所述顶棱14之间的斜云台上板12与机器人手臂末端端面固定连接。

两个所述第一斜棱13限定出所述斜云台的载物面，即第一面，所述第一斜棱延伸的方向也与所述机器人的手臂末端端面所在的平面相交且夹角为20°～40°，与夹角θ1互补，对应地限定出斜云台第一斜棱13的朝向，即限定出斜云台第一面的朝向。

优选地，方框云台的连接端与所述第一斜棱13固定连接，从而使方框云台朝向理想的方向倾斜。可选地，斜云台还包括沿所述第一面设置的斜云台下板11作为载物板，方框云台的连接端安装在所述斜云台下板11上，所述斜云台下板11安装在两个第一斜棱13上。

这样的斜云台结构不仅耗材少，重量轻，而且能够稳固的支撑摄像设备。当然，本实施例中这个斜云台的结构仅仅是优选，可以想见，如果把它改成载物板通过两长两短的支撑杆与机器人手臂末端端面连接，也能最终使其第一面达到同样的朝向。

以下详细描述左侧板15和右侧板16的形状。如无特殊说明，左侧板15和右侧板16形状相同对称设置。附图及文字中为了简明起见，仅就其中一个侧板的结构细节进行了标注。可以理解的是，另一个侧板同样具有相同和对称的结构细节。

所述左侧板15或右侧板16呈多边形，其中一条边构成用于支撑方框云台的第一斜棱13，所述第一斜棱13包括更靠近机器人手臂末端端面的第一端和更远离机器人手臂末端端面的第二端，所述第一端与所述机器人手臂末端端面间隔一段距离，也就是说也与顶棱14间隔一段距离，从而使方框云台安装的位置距离所述机器人手臂末端端面更远，以更大程度降低拍摄装置与机器人手臂碰撞的可能性，并增加拍摄过程中拍摄角度的变化范围。

可以想见的是，斜云台第一斜棱13的第一端也可以直接与顶棱相交，这样也能够规避奇异点。但是由于这样斜云台第一面与机器人手臂末端端面的距离比较小，应注意防止拍摄装置与手臂的碰撞发生。

所述多边形还包括从所述第一斜棱13的第一端横向向前突出的平棱18，这样在方框云台安装在第一面上之后，这对平棱18之间形成供人们接近云台安装部的空间，便于拆卸，同时有助于提升斜云台的结构强度。

所述多边形还包括从所述顶棱14的后侧一端向后上方延伸的第二斜棱17，所述第二斜棱17与所述机器人手臂末端端面之间具有50°～80°的夹角，也就是，多边形在第二斜棱17与所述顶棱14之间包括100°～130°的内角θ2，优选125°。这样，可以将顶棱14的长度，也就是斜云台的安装端的尺寸限定在法兰的尺寸范围之内，而不会损失斜云台载物端的尺寸。

所述第二斜棱17包括第一端和第二端，所述第一端向所述第二端延伸的延长线与所述第一斜棱13的第一端向第二端延伸的延长线相交于一个交点。所述第二斜棱17的第二端和所述第一斜棱13的第二端相对于所述交点的位置而言，更接近他们各自的第一端。在所述第二斜棱17的第二端和所述第一斜棱13的第二端之间形成所述多边形的第三斜棱19。第三斜棱避免了第二斜棱17和第一斜棱13相交可能形成的尖角，避免了斜云台对拍摄装置的视觉干涉，也避免了可能的碰撞伤害。

方框云台20

所述方框云台20总体上由四个具有相同宽度的板条围成方框型，所述四个板条包括相对平行设置的方框云台上板21和方框云台下板22，以及相对平行设置的方框云台左板25和方框云台右板26，所述方框云台上板21和方框云台下板22的两端分别与所述方框云台左板25和方框云台右板26垂直地固定连接。所述方框云台下板22、方框云台左板25与方框云台右板26上设有安装孔27，例如专用标准螺纹孔，可以上备用影视专用英制螺栓，这样，方框云台上允许在多个位置安装摄像机或同时可安装多台摄像机，对同一场景的拍摄有多个画面可供选择，从中选取最优的，提高拍摄质量，节省拍摄时间。优选地，所述摄像机固定在所述方框云台下板22朝向所述方框云台上板21的一侧面的中部，能够避免摄像机与机械臂相撞。所述方框云台上板21直接与斜云台的第一斜棱13固定连接或者与设置在斜云台第一面上的斜云台下板11固定连接。

优选地，上述提及的固定连接均为可拆卸的固定连接，装拆方便，便于携带。优选地，整个云台采用铝镁合金材质加工，轻盈且不易氧化。

工作原理

影视特拍机器人的手臂末端端面与斜云台上板12或斜云台顶棱14固定连接，斜云台下板11与方框云台上板21固定连接或者斜云台的第一斜棱13直接与方框云台上板21固定连接。摄像机固定在方框云台下板22朝向方框云台上板21的一侧面的中部，优选地，摄像机的镜头轴线平行于方框云台的下板22并指向方框云台的厚度方向，从而与机器人的最后一节手臂的轴线方向之间形成非90度的夹角。影视特拍机器人通过6轴联动控制手臂运动，带动拍摄装置到达任何理想的拍摄角度，不会出现奇异角。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种影视特拍机器人云台，包括云台框架，其特征在于：

所述云台框架包括斜云台(10)和方框云台(20)；

所述斜云台(10)包括两个垂直于机器人手臂末端端面的侧板(15、16)，两个所述侧板(15、16)的一端包括固定安装于所述机器人手臂末端端面的顶棱(14)，另一端包括共同限定出第一面的第一斜棱(13)，所述第一面与所述机器人的手臂末端端面所在的平面相交且夹角为20°～40°；

所述方框云台(20)包括用于固定连接所述斜云台(10)的方框云台上板(21)和用作载物板的方框云台下板(22)，所述方框云台上板(21)固定设置在所述斜云台(10)的所述第一面上；拍摄装置固定在所述方框云台下板(22)朝向所述方框云台上板(21)的一侧面的中部。

2.根据权利要求1所述影视特拍机器人云台，其特征在于：

两个所述侧板(15、16)形状相同、左右对称设置。

3.根据权利要求1所述影视特拍机器人云台，其特征在于：

两个所述侧板(15、16)的顶棱(14)各自通过斜云台上板(12)与所述机器人手臂末端端面固定连接；和/或，

所述斜云台(10)的所述第一面上设置有与两个所述侧板(15、16)固定连接的斜云台下板(11)。

4.根据权利要求1所述影视特拍机器人云台，其特征在于：

所述第一斜棱(13)包括靠近所述顶棱(14)的第一端，所述第一端与所述顶棱(14)之间间隔一段距离。

5.根据权利要求4所述的影视特拍机器人云台，其特征在于：

两个所述侧板(15、16)包括对称地从所述第一斜棱(13)的第一端平行于所述顶棱(14)向前延伸的平棱(18)。

6.根据权利要求1所述影视特拍机器人云台，其特征在于：

所述斜云台的侧板(15、16)包括第二斜棱(17)，所述第二斜棱(17)从与所述顶棱(14)相交的第一端向后上方延伸，并与所述顶棱(14)之间形成100°～130°内角。

7.根据权利要求6所述影视特拍机器人云台，其特征在于：

所述第一斜棱(13)和第二斜棱(17)均包括第二端，所述斜云台的侧板(15、16)均包括在所述第一斜棱(13)和第二斜棱(17)的第二端之间延伸的第三斜棱(19)。

8.根据权利要求1至7任一项所述影视特拍机器人云台，其特征在于：

所述固定连接为可拆卸式固定连接。

9.根据权利要求1至7任一项所述影视特拍机器人云台，其特征在于：

所述方框云台下板(22)上设有用于安装拍摄装置的安装孔(27)，及/或，

所述方框云台左板(25)与方框云台右板(26)上设有用于安装拍摄装置的安装孔(27)。