CN109681755A - 一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器，包括手柄和带俯仰轴、横滚轴和航向轴的三轴稳定器，还包括竖向减振轴包含机架、弹性件、负载台、传动件；所述传动件包括固定在机架上的旋转轴、通过旋转轴旋转的传动轮、与传动轮固定连接的渐开线轮；所述弹性件的一端固定在机架上，另一端通过一线形件绕接在渐开线轮上；所述负载台包括上部用于承载支撑三轴稳定器的承载部和下部的刚性传动部，所述承载部与三轴稳定器固定连接，负载台通过刚性传动部与传动轮活动连接，实现直线运动和旋转运动的转换；所述机架与手持支架紧固连接。本发明通过渐开线轮与弹性件的结合，利用杠杆原理，解决了弹性件作用力是变化的，简单使用弹性件缓振，仍会向载荷传递不均匀的冲击力和振动的问题。
Description
技术领域
本发明涉及摄影设备技术领域，特别是一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器。
背景技术
为了防止拍摄抖动，很多摄影设备都架设在云台上进行拍摄，但是云台防抖只是对于水平方向的防抖效果较好，但是对于竖直方向的防抖效果不佳。目前，有关竖向防抖的研究不多，其中一件PCT专利申请WO2017/132814A1公开了一种竖向增稳结构、云台装置及拍摄设备，其竖向增稳组件包括弹性件、旋转件以及悬拉件，悬拉件的一端绕旋转件的外周面上，另一端用于连接负载，旋转件能够将弹性件的弹力转换为悬拉件对负载恒定的拉力，以达到对负载起来竖向减振防抖的效果。该方案仍存在不足，主要体现在以下几个方面:首先，该方案由于采用了柔性件来承载负载，可以对竖向向上的抖动，其可以做到一定的力补偿，达到一定的防振效果，但是不能做到快速、灵敏、精确的力补偿；其次该方案只适用于竖向提拉负载，而不能在竖向向上支撑负载，限制了该装置的使用范围；最后该方案负载范围不可调，适用范围窄。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器，可以对四轴稳定器的竖向抖动进行快速、灵敏、精确的力补偿，实现更优良的减振效果，且可以实现向上提拉负载或者向上支撑负载等多种负载承载方式的减振，而且成本更低，可靠性更高。
为达到上述发明目的，本发明所述一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器，包括手柄和带俯仰轴、横滚轴和航向轴的三轴稳定器，还包括竖向减振轴，所述竖向减振轴包含机架、弹性件、负载台、传动件；
所述传动件包括固定在机架上的旋转轴、通过旋转轴旋转的传动轮、与传动轮固定连接的渐开线轮；
所述弹性件的一端固定在机架上，另一端通过一线形件绕接在渐开线轮上；
所述负载台包括上部与三轴稳定器固定连接的承载部和下部的刚性传动部，负载台通过刚性传动部与传动轮活动连接，实现直线运动和旋转运动的转换；
所述机架与手柄紧固连接。
通过弹性件和渐开线轮的配合使用，获取恒定力矩，并且通过刚性传动设计，实现了在接受到来自外部环境的竖向震动时主动、快速地补偿竖向上位移从而以可靠且低成本方式得到了一种反应灵敏、结构简单、补偿效果好的竖向减震装置。
进一步地，所述弹性件为蜗卷弹簧、螺旋弹簧、、橡皮筋、液压阻尼件或气压阻尼件中的一种或几种的组合。由此，允许以低成本的方式制造和生产该竖向减震装置。
进一步地，所述传动轮为至少部份为半径不变的圆形齿轮件，刚性传动部为与齿轮件相啮合的齿条。经由这样的设计，以可靠且竖向位移补偿精度高的方式实现了对竖向震动的减震。
进一步地，所述传动轮为摆轮，摆轮外周处设置有一滑动部，刚性传动部被构造成带有与摆轮滑动部形成滑动连接的滑槽的线性移位件。由此，进一步减少了竖向减震装置中存在的磨擦损耗，这可以提高该竖向减震装置对外部竖向震动的反应的灵敏性和补偿的精确性。进一步地，所述线形件为钢丝、尼龙线、碳纤线中的一种。可以进一步降低竖向减震装置的制造成本，且由于线形件的质量较小，实际上不会对竖向减震装置增加额外的质量，从而提供简单可靠的连接。
进一步地，所述线形件沿渐开线轮的外周边被导引，还包括用于使该线形件改变导引方向的引导轮。可以允许线形件在竖向减震装置的整个工作过程中都可靠地与该旋转轮保持接触。
进一步地，还包括导向件，所述导向件固定在机架上，使负载台沿导向件作线性运动；实现了以成本低廉且可靠的方式对负载台进行竖向引导。
进一步地，还包括与刚性传动部固定连接的直线轴承，直线轴承套接在导向件上。进一步改善对负载台进行竖向引导的效果。
本发明的工作原理:本结构通过渐开线轮与弹性件的结合，利用杠杆原理，解决了弹性件作用力是变化的，简单使用弹性件缓振，仍会向载荷传递不均匀的冲击力和振动的问题。利用弹性件的作用力平衡载荷。但由于弹性件的弹力不是恒定的，随着弹性件的形变，弹性件产生的作用力也是变化的，负载的重量和弹性件的力度是相对应的，负载越重，弹性件形变越大，弹性件的力度也越大。由此，引入外周边与旋转轴的距离随角度线性变化的渐开线轮，通过弹性件连接线形件的一端，线形件的另一端绕接在渐开线轮上，使得变化的弹性件弹力与其在渐开线轮上的作用点到旋转轴心变化的力臂的乘积(即弹性件的力矩)始终恒定；为了使这种均衡的力矩和载荷的力矩相互抵消，进一步引入了转换曲线运动与直线运动的传动装置，即刚性传动部和传动轮的配合，传动轮与渐开线轮同轴固定；当机架竖向震动时，通过弹性件、传动轮与渐开线轮的互相配合，使得传动轮对刚性传动部的支撑力恒定不变；另外，刚性传动部和负载相对于机架始终处于一种失重的悬浮平衡状态，传动轮随着机架的上下运动而转动时，则相当于只是在刚性传动部上做平稳地滚动，而不带动刚性传动部做跟随运动，也即当机架随着摄影者运动而上下起伏时，负载相对于环境处于基本没有起伏的平衡状态，从而达到较好的减振效果。
本发明的有益效果是可以大幅减小竖向抖动对云台负载的影响，具有更优良的减振效果，且可以实现向上提拉负载或者向上支撑负载等多种负载承载方式的减振。
附图说明
图1为本发明所述一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器整体结构图；
图2为本发明所述第一种竖向减振轴的结构示意图
图3为本发明所述第一种竖向减振轴的完整结构示意图；
图4为本发明所述的第二种竖向减振装置结构俯视图；
图5为本发明所述的第二种竖向减振装置结构仰视图；
图6为本发明所述带蜗卷弹簧的竖向减振轴结构图；
图中，1.竖向减震装置；2.旋转轴；3.传动件；31.传动轮；32.渐开线轮；33.摆轮；331.滑动部；4.负载台；40.承载部；41.刚性传动部；42.线性移位件；421.滑槽；5.弹性件6.线形件61.引导轮7.导向件；71.导轨；72.直线轴承；73.直线轴承座；9、蜗卷弹簧；10、机架；103、俯仰轴；102、横滚轴；101、航向轴；104、手柄。
具体实施方式
现参考附图，详细说明本发明所公开的竖向减震装置的示意性方案。尽管提供附图是为了呈现本发明的一些实施方式，但附图不必按具体实施方案的尺寸绘制，并且某些特征可被放大、移除或局剖以更好地示出和解释本发明的公开内容。附图中的部分构件可在不影响技术效果的前提下根据实际需求进行位置调整。在说明书中出现的短语“在附图中”或类似用语不必参考所有附图或示例。
需要说明的是，当组件被称为“固定”至另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置”于另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。在下文中被用于描述附图的某些方向性术语，例如“横”、“竖”、“前”、“后”、“内”、“外”、“上方”、“下方”和其它方向性术语，将被理解为具有其正常含义并且指正常看附图时所涉及的那些方向。除另有指明，本说明书所述方向性术语基本按照本领域技术人员所理解的常规方向。本发明中所使用的术语“第一”、“第二”及其类似术语，在本发明中并不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个部件与其它部件进行区分。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在图1中，示意性地示出了本发明的一个实施方式。如图1所示，一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器，包括手柄104和带俯仰轴103、横滚轴102和航向轴101的三轴稳定器，还包括竖向减振轴1，所述竖向减振轴1包括：固定连接至机架10的旋转轴2、通过旋转轴2旋转的传动轮31、与传动轮31固定连接的渐开线轮32，所述弹性件5的一端固定在机架10上，另一端通过一线形件6绕接在渐开线轮32上；所述负载台4包括上部与三轴稳定器固定连接的承载部40和下部的刚性传动部41，负载台4通过刚性传动部41与传动轮31活动连接，实现直线运动和旋转运动的转换。在本实施方式中，该传动轮31被构造成该传转轮被构造成为摆轮33，摆轮33外周处设置滑动部331；刚性传动部被构造成与该滑动部331形成滑动连接的滑槽421的线性移位件42；其中该滑动部331优选为表面光滑的辊子。渐开线轮32被构造成至少部分外周边与旋转轴2的距离随角度线性变化的滑轮件；在此摆轮33和渐开线轮32可以是分别制得然后以彼此间不可相对转动的方式(例如彼此固定连接或者粘结)同轴地布置在该旋转轴2上，从而允许摆轮33和渐开线轮32这两者始终保持共同旋转。当然也能够想到的是，可以将摆轮33和渐开线轮32形成为一件式。
如图4、5，在该摆轮33的旋转摆动过程中，可以对其上的滑动部331的运动速度做正交分解，其中水平方向的速度为Vx，竖直方向的速度为Vy。由此，在摆轮33的旋转摆动过程中，一方面滑动部331会在滑槽421中发生一定的水平移位，另一方面该滑动部331会带动该线性移位件42在竖向上运动。换言之，经由滑动部331和滑槽421的配合作用，可以将摆轮33和线性移位件42两者等效形成一曲柄滑块结构，从而确保了线性移位件42只在竖向上运动，即该摆轮的旋转摆动被转化为该线性移位件42的直线运动。优选地，该滑动部331可以是辊子，由此能够尽可能地减小滑动部331和滑槽421之间的不期望的摩擦从而保证了高效的运动传递。
如图4、5，由于该滑动部331的位置是固定的，即其到旋转轴2之间的距离在整个摆动过程中也是保持不变的。同时，由于滑动部331嵌入在承载有载荷的线性移位件42的滑动槽421中，该载荷的重力可以经由该滑动部331和滑动槽421的接触对该摆轮33沿图4中的逆时针方向相对该旋转轴2施加可被称为第一转力矩的力矩。其中该力矩等于载荷的重力与负载台4与该旋转轴2之间的距离(即滑动部331到摆轮的旋转中心的半径)的乘积。
一般而言，弹性件5的拉力与其弹性形变成正比，即所述弹性件5的弹性形变越大，所述弹性件5的弹力越大。换言之，在渐开线轮32逆时针旋转拉伸该弹性件5时，作用在线形件6中的力越大，反之则该线形件6中的力越小。就本实施例而言，由于该载荷的重力和传动轮31的半径均是不变的，而由于如图所示出的那样，该渐开线轮32在靠右所示的一侧的半径大于靠左所示的一侧的半径，换言之，当渐开线轮32逆时针方向旋转时，随着弹性件5的弹力越来越大(线形件6施加给的渐开线轮32的力也越来越大)，但线形件6与渐开线轮32的接触点则越来越靠左侧，即渐开线轮32的半径是减小的。在渐开线轮32顺时针方向旋转时会发生相同的情形，即弹性件5的弹力越来越小，但渐开线轮32的半径却越来越大。因此，只要合理设计该渐开线轮32的半径的变化情况，即可使该弹性件5施加给旋转轴2的第二转矩始终平衡所述作用于该载荷的重力施加给旋转轴2的第一转力矩，即，所述旋转轴2能够将弹性件5的弹力转换为恒定的对该载荷的支撑力或者可以称为始终保持平衡该载荷的重力。换言之，由于根据本实施方式的竖向减震装置的作用，该载荷始终处于失重状态。
应该注意，本文中竖向震动泛指具有竖向分量的震动，即只要震动在竖直方向具有分量，即可称作竖向震动，换言之，竖向震动的宏观运动方向并不一定是竖直方向的，也可以与竖直方向具有一定的夹角。在该竖向震动例如是向下运动时，由于该竖向减震装置中的旋转轴连接至机架，因此会随着机架带动传动轮31在竖向上向下移位一定距离。由于该传动轮31与该刚性传动部41之间存在啮合关系，传动轮31的竖向移位会相应地造成该传动轮31沿顺时针方向旋转一定的角度到达另一角位置，同时会使该刚性传动部41在传动轮31的带动下向上移位一定距离，由于以上所描述的，在传动轮31沿任意方向旋转期间均能保持平衡所述载荷的重力的，由于传动轮31向下移位的距离大致等于刚性传动部41向上移位的距离，因此载荷实际的竖向上的绝对位置并未发生变化，即消除了外部环境的震动对载荷的影响。换言之，由于本发明的竖向减震装置能够在保持平衡该载荷的重力的情况下经由刚性传动部41带动载荷沿震动方向的反方向运动，从而消除了外部环境的震动对载荷的影响。同样的情形也会在竖向震动是朝下的运动时出现。由此可知，本领域技术人员能够理解得到，利用本发明的竖向减震装置能够基本消除或者隔绝竖向震动对于载荷的影响。
需要指出的是，尽管在本实施方式中，利用该蜗卷弹簧9作为弹性件5，但这仅是示例性的，弹性件5还可以是能够沿直线方向拉伸或者回缩的橡皮筋、液压阻尼件或气压阻尼件或者是串联或者并联布置的螺旋弹簧和/或橡皮筋和/或液压阻尼件和/或气压阻尼件，只要该弹性件5满足拉力与其形变量成正比的关系即可。
进一步，作为一种优选的方式，该竖向减震装置1还可以包括平行于负载台4的运动方向设置的导向件7，其中如图3所示，该导向件7包括：平行于负载台4的运动方向设置的至少一个导轨，其中该导轨优选为2个，其平行于该运动方向延伸且在其两端由安装座安放好。在导轨上分别穿设有直线轴承72，固定连接到该刚性传动部41的支座73可以借助于该直线轴承72被沿导轨被引导滑动。借助于这样的设置，使得刚性传动部41能直线导向地在竖向上运动且不会发生与传动轮31的脱接，这有利于竖向减震轴1的可靠性。
在图2和3中示出了根据本发明的另一种实施方式，其中大部分部件与第一种实施方式是相同的，区别在于其中传动轮和与之相匹配的刚性传动部。因此，相同的附图标记被用于相同的部件。
如图2和3所示，不同于第一实施方式，在本实施方式中，所述传动轮31被构造成为外周上均布有多个齿的圆形齿轮件，在传动轮31的一侧的外周边处的大致成竖向的切线方向上设置有用于竖向支撑所述载荷的负载台4。如图2所示，在此处的负载台4包括上部的承载部40和下部的刚性传动部41，其中刚性传动部41被构造成与传动轮31的齿相啮合的齿条。在负载台4的承载部搭载有载荷时，由于该载荷的重力，经由该齿条与齿轮件的齿的啮合可以对传动轮31沿图中的逆时针方向相对该旋转轴2施加可被称为第一转力矩的力矩。其中该力矩等于载荷的重力与负载台4与2旋转轴之间的距离(即传动轮31的半径)的乘积。
在渐开线轮32的下方、与刚性传动部41关于旋转轴2对称地设置有弹性件5，在此该弹性件5为能够沿竖向方向拉伸或者回缩的螺旋弹簧。其中弹性件5的下端被不可移位地安放，例如可以将弹性件5的下端固定连接至机架，同时该弹性件5的上端经由一线形件6绕接在渐开线轮32上，在此该线形件6可以是钢丝或者尼龙线或者碳纤线，只要其具有足够的拉伸强度即可。为了便于引导和使该线形件6偏转，在渐开线轮32附近还设置有引导轮61，该引导轮61可以为外周面光滑的惰轮。在如图2所示，该线形件6沿着外周边与旋转轴2的距离随角度线性变化的渐开线轮32的外周边被导引。由于该线形件6一直处于力平衡的状态，即渐开线轮32的外周边给予该线形件6的摩擦力等于该线形件6的张力(同样等于弹性件5的弹性力)。因此线形件6同样会给渐开线轮32沿切向的相同大小的作用力，在该作用力的作用下会对渐开线轮32沿图2中所示的顺时针方向相对旋转轴2施加可被称为第二转力矩的力矩。其中该力矩等于弹性件的弹性力与线形件6与渐开线轮32的外周边的接触点到旋转轴2的距离的乘积。
同样的，在该渐开线轮32的下方、与该线性移位件42关于旋转轴2对称地设置有弹性件5，在此弹性件5可以为能够沿竖向方向拉伸或者回缩的螺旋弹簧。其中该弹性件5的下端被不可移位地安放，例如可以将弹性件5的下端固定连接至机架，同时该弹性件5的上端经由一线形件6绕接在该渐开线轮32上，在此该线形件6例如是钢丝或者尼龙线或者碳纤线，只要其具有足够的拉伸强度即可。为了便于引导和使该线形件6偏转，在该渐开线轮32附近还设置有引导轮61，该引导轮61可以为外周面光滑的惰轮。在如图2所示，该线形件6沿着外周边与旋转轴2的距离随角度线性变化的渐开线轮32的外周边被导引。由于该线形件6一直处于力平衡的状态，即渐开线轮32的外周边给予该线形件6的摩擦力等于该线形件6的张力(同样等于弹性件5的弹性力)。因此线形件6同样会给渐开线轮32沿切向的相同大小的作用力，在该作用力的作用下会对渐开线轮32沿图2中所示的顺时针方向相对旋转轴2施加可被称为第二转力矩的力矩。其中该力矩等于弹性件的弹性力与线形件6与渐开线轮32的外周边的接触点到旋转轴2的距离的乘积。
正如上述的，只要合理设计渐开线轮32的外周边与旋转轴2的距离的变化情况，即可使该弹性件5施加给旋转轴2的第二转力矩始终平衡所述作用于该载荷的重力施加给旋转轴2的第一转力矩，即，所述旋转轴2能够将弹性件5的弹力转换为恒定的对该载荷的支撑力或者可以称为始终保持平衡该载荷的重力。换言之，由于根据本实施方式的竖向减震装置同样能够起到使载荷始终处于失重状态的作用。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经组合，形成本领域技术人员可以理解的其它实施方式。
虽然，上文中已经用具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种具备竖向减振功能的手持四轴稳定器，其特征在于：包括手柄和带俯仰轴、横滚轴和航向轴的三轴稳定器，其特征在于：还包括竖向减振轴；所述竖向减振轴包含机架、弹性件、负载台、传动件；
所述传动件包括固定在机架上的旋转轴、通过旋转轴旋转的传动轮、与传动轮固定连接的渐开线轮；
所述弹性件的一端固定在机架上，另一端通过一线形件绕接在渐开线轮上；
所述负载台包括上部用于承载支撑三轴轴稳定器的承载部和下部的刚性传动部，所述承载部与三轴稳定器固定连接，负载台通过刚性传动部与传动轮活动连接；
所述机架与手柄紧固连接。
2.根据权利要求1所述手持四轴稳定器，其特征在于：所述弹性件为蜗卷弹簧、螺旋弹簧、橡皮筋、液压阻尼件或气压阻尼件中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述手持四轴稳定器，其特征在于：所述传动轮被构造成至少部份为以旋转轴为圆心、半径不变的圆形齿轮件，刚性传动部被构造成与齿轮件相啮合的齿条。
4.根据权利要求1所述手持四轴稳定器，其特征在于：所述传动轮被构造成摆轮，摆轮外周处设置有一滑动部，刚性传动部被构造成带有与摆轮滑动部形成滑动连接的滑槽的线性移位件。
5.根据权利要求1所述手持四轴稳定器，其特征在于：所述线形件为钢丝、尼龙线、碳纤线中的一种。
6.如权利要求1所述的手持四轴稳定器，其特征在于：所述线形件沿渐开线轮的外周边被导引，还包括用于使该线形件改变导引方向的引导轮。
7.根据权利要求1所述手持四轴稳定器，其特征在于：还包括导向件，所述导向件固定在机架上，使负载台沿导向件作线性运动。
8.根据权利要求7所述手持四轴稳定器，其特征在于：还包括与刚性传动部固定连接的直线轴承，直线轴承套接在导向件上。
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