CN109812682B - 竖向定位设备、竖向减震装置及具有其的稳定器和拍摄设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向减震装置，其包括：以绕一枢转轴线枢转的方式安置在支承结构上的平衡机构；竖向支撑所述载荷的旋转‑直线运动转换机构；力产生机构；其中在平衡机构沿任意方向转动时在保持平衡所述载荷的重力的情况下经由所述旋转‑直线运动转换机构带动载荷沿震动方向的反方向运动。由此，提供一种反应灵敏、结构简单、补偿效果好的竖向减震装置。进一步，还提供了载荷的竖向定位设备、成像装置用稳定器以及拍摄设备。

Description

竖向定位设备、竖向减震装置及具有其的稳定器和拍摄设备

技术领域

本发明涉及震动抑制和位置控制技术领域，具体涉及一种竖向定位设备、竖向减震装置及具有这样的竖向减震装置的稳定器和拍摄设备。

背景技术

对于例如在测量机械、制造机械、光学仪器或者拍摄设备等高精度机电系统来说，尽可能地避免或者最小化来自外部环境的震动或者抖动对于保持系统中的功能部件的期望位置而言是非常重要的。

例如，对于稳定器而言，在直接用手握着稳定器进行摄影，手容易竖向上抖动，从而影响摄影效果，容易降低画面的清晰度，同时在走路的过程中不便进行摄影，不便对美好的场景进行抓拍。对于无人机或者无人车搭载的成像装置来说，由于路面的颠簸或者气流的影响，也会产生不期望的竖向上的震动，从而不利于拍摄效果的提升。

已知的是，利用弹性件或阻尼件对载荷进行机械减振，然而在实践中发现，弹性件或阻尼件往往只能起到缓冲和储蓄冲击力，延迟释放的作用，但并不能如上所述的将功能部件(例如镜头)保持在竖向上的期望位置，因此这种机械减振的方式是不令人满意的。在此基础上，有人提出利用电机等致动器装置来竖向上补偿功能部件在震动时偏离期望位置的移位，但由于功能部件往往都非常的沉重，因此要求电机具有很大的转矩，这意味着电机的体积巨大、能耗巨大且需要很好的热耗散，这对于稳定器或者无人机或者无人车这类注重小型化和轻量化的自带电源产品而言，出于竖向减震的目的来增加这种类型的电机是根本不现实的。

因此，行业内仍存在提供一种令人满意的、商业上可行的竖向减震装置和竖向定位设备的需求。

发明内容

本发明旨在提供一种能至少部分地解决上述现有技术的种种不足的竖向减震装置。

根据本发明的一方面，提供了一种用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向减震装置，其用于支撑载荷，其中所述竖向减震装置包括：以绕一枢转轴线枢转的方式安置在支承结构上的平衡机构；竖向支撑所述载荷的旋转-直线运动转换机构，其被构造成在该平衡机构的一侧与该枢转轴线相距第一距离处与该平衡机构作用连接，以在所述载荷的重力作用下对所述平衡机构沿第一旋转方向施加第一转矩；力产生机构，其被构造成在该平衡机构的另一侧与该枢转轴线相距第二距离处与该平衡机构作用连接，以在所述力产生机构所施加的力的作用下对所述平衡机构沿相反于第一旋转方向的第二旋转方向施加第二转矩，该力产生机构以其一端固定连接至该支承结构；其中在所述平衡机构经受竖向震动而处于不同角位置时，在所述平衡机构沿任意方向旋转时在保持平衡所述载荷的重力情况下经由所述旋转-直线运动转换机构带动所述载荷沿震动方向的反方向运动。

由此，与现有技术相比，经由提供根据本发明的竖向减震装置，从根本功能原理上改变了机械减震的设计，其中将载荷以失重的方式悬浮地设置，并且经由机械设计实现了在接受到来自外部环境的竖向震动时主动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。

在一个优选实施方式中，其中所述平衡机构包括同轴布置的圆齿轮和至少部分具有随角度可变的半径的滑轮，其中所述旋转-直线运动转换机构被构造成包括与该圆齿轮相啮合的齿条。由此，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。

在一个优选实施方式中，其中所述平衡机构包括：同轴布置的摆动件和至少部分具有随角度可变的半径的滑轮，其中该旋转-直线运动转换机构包括固定设置在摆动件外侧端部处的滑动部、带有与该滑动部形成滑动连接的滑槽的线性移位件，从而将该摆动件的旋转摆动转化为该线性移位件的直线运动。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。

在一个优选实施方式中，所述力产生机构所述力产生机构包括：能够沿螺旋方向收卷或者放卷的蜗卷弹簧；与该蜗卷弹簧同轴布置的引导轮；

以及将该引导轮连接至该平衡机构的线形件，其中该蜗卷弹簧的一端固定连接至该引导轮并经由该线形件与该平衡机构作用连接，该蜗卷弹簧的另一端固定连接至该支承结构以使该蜗卷弹簧能随该平衡机构的转动收卷或者放卷，其中该线形件沿该平衡机构的外周边被导引。由此，以结构紧凑的方式布置该力产生机构，从而允许竖向减震装置的小型化。

在一个优选实施方式中，还包括用于调节所述蜗卷弹簧的预紧力的调节机构，其包括：与蜗卷弹簧的另一端固定连接的转轴；以及旋转定位在支承结构上并与该转轴相连的蜗轮以及与该蜗轮相配合的蜗杆，其中经由旋转该蜗杆来带动蜗轮和与之相连的转轴以调节所述蜗卷弹簧的预紧力。由此，该竖向减震装置可以适应不同重量的载荷，从而提高了该竖向减震装置的通用性。

在一个优选实施方式中，还包括用于调节所述蜗卷弹簧的预紧力的调节机构，其包括：与蜗卷弹簧的另一端固定连接的棘轮；以及固定安装至支承结构并与该棘轮相接合或相脱开的可枢转棘爪，其中该可枢转棘爪接合至该棘轮时将蜗卷弹簧锁定在具有预定预紧力的角位置。由此，以简单的方式允许该竖向减震装置适应不同重量的载荷，从而提高了该竖向减震装置的通用性。

在一个优选实施方式中，所述力产生机构包括：能够沿直线方向拉伸或者回缩的螺旋弹簧和能够沿直线方向拉伸或者回缩的液压阻尼件中的任一种或者它们的组合，其中该力产生机构的一端固定连接至一线形件并经由该线形件与该平衡机构作用连接且另一端固定连接至该支承结构以使该力产生机构能随该平衡机构的转动拉伸或者回缩，其中该线形件沿该平衡机构的外周边被导引。由此，允许以低成本的方式制造和生产该竖向减震装置。

在一个优选实施方式中，还包括用于使该线形件偏转的引导轮。由此，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平衡机构保持接触。

在一个优选实施方式中，还包括用于调节所述螺旋弹簧的预紧力的机构，其包括：与该支承结构螺纹连接的、并与该螺旋弹簧的另一端固定连接的调节螺丝，其中经由相对于该支承结构旋入或者旋出该调节螺丝来调节所述螺旋弹簧的预紧力。由此，以简单的方式允许该竖向减震装置适应不同重量的载荷，从而提高了该竖向减震装置的通用性。

在一个优选实施方式中，还包括平行于该旋转-直线运动转换机构的运动方向设置的导向机构，其中该导向机构包括：平行于该旋转-直线运动转换机构的运动方向设置的至少一根导轨、穿设于该导轨上的至少一个直线轴承以及经由该直线轴承能沿该导轨被引导滑动的支座，其中该支座与该旋转-直线运动转换机构固定连接以实现对该旋转-直线运动转换机构的线性引导。由此，实现了以成本低廉且可靠的方式对旋转-直线运动转换机构及与其相连的载荷进行竖向引导。

根据本发明的另一方面，还提供了一种载荷的竖向定位设备，其包括用于测量所述载荷的位置的位置传感器、位置控制器和电机，其中该位置控制器接收来自该位置传感器的载荷的位置的信号并生成用于控制该电机的动作的输出信号，其中该定位设备还包括用于竖向支撑所述载荷的竖向减震装置，其中该电机连接至所述平衡机构以经由该电机的动作使载荷沿震动方向的反方向运动，从而将载荷定位在竖向上的确定位置。由此，可以实现确保载荷一直位于竖向上的确定位置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种成像装置用稳定器，其包括支承结构和连接至该支承结构的、用于竖向支撑该成像装置的竖向减震装置，其中该竖向减震装置包括：以围绕一枢转轴线枢转的方式安置在支承结构上的平衡机构；竖向支撑该成像装置的旋转-直线运动转换机构，其被构造成在该平衡机构的一侧与该枢转轴线相距第一距离处与该平衡机构作用连接，以在该成像装置的重力的作用下对该平衡机构沿第一旋转方向施加第一转矩；力产生机构，其被构造成在平衡机构的另一侧与该枢转轴线相距第二距离处与该平衡机构作用连接，以在所述力产生机构所施加的力的作用下对所述平衡机构沿相反于第一旋转方向的第二旋转方向施加第二转矩，且该力产生机构以其一端固定连接至该支承结构；其中在该平衡机构经受来自支承结构的竖向震动而处于不同角位置时，在该平衡机构沿任意方向旋转时在保持平衡所述成像装置的重力的情况下经由该旋转-直线运动转换机构带动成像装置沿震动方向的反方向运动。由此，能够消除竖向震动对成像装置的影响。

在一个优选实施方式中，还包括用于测量所述成像装置的位置的位置传感器、用于接收来自该位置传感器的成像装置的位置的信号的控制器以及与该平衡机构相连接的电机，所述控制器用于根据所述位置传感器检测的所述成像装置的位置信息，控制所述电机动作以驱动所述平衡机构旋转。由此，能够快速地对外部竖向震动做出反应并将载荷定位在竖向上的确定位置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种拍摄设备，其包括成像装置、用于减轻该成像装置的轴向震动的轴向增稳装置以及用于减轻该成像装置的竖向减震装置。

本发明的其它特征和优点的一部分将会是本领域技术人员在阅读本公开后显见的，另一部分将在下文的具体实施方式中结合附图描述。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了根据本发明的竖向减震装置的主视图，其中部分部件被移除以更好地示出该装置的内部结构；

图2示出了根据图1中的竖向减震装置的主视图；

图3示出了根据本发明的另一竖向减震装置的主视图；

图4示出了根据图3中的竖向减震装置的仰视图；

图5示出了根据本发明的另一力产生机构的主视图；

图6-7示出了根据本发明用于调节力产生机构的预紧力的调节机构的主视图；

图8示出了带有根据本发明的减震装置的成像装置用稳定器的主视图。

附图标记说明

1.竖向减震装置 2.枢转轴 A.枢转轴线 3.旋转轮组

31.齿轮件 32.滑轮件 33.摆轮 331.滑动部 34.外周边

4.旋转-直线运动转换机构 41.齿条 42.线性移位件 421.滑槽

5、5A.力产生机构 6、6A.线形件 61、61A.引导轮

7.导向机构 71.导轨 72.直线轴承 73.支座 8.电机

91.套管 92.端盖 93.转轴 94蜗轮 95.棘轮

96.棘爪 97.枢转轴 98.弹簧 10.支承结构

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“支撑”或“支承”或“安置”于另一个组件，它可以是直接支承或支撑或安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的用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向减震装置1，其中该竖向减震装置1用于支撑载荷。在此，作为一种示例，该载荷可以是用于拍摄图像/视频的成像装置，例如数码相机、摄像机，也可以为具有摄像功能的手机、平板电脑等便携式通讯装置，同样该载荷也可以是搭载有该成像装置的稳定器。其中，该竖向减震装置1包括一以绕枢转轴线A枢转的方式支承在支承结构(未图示出)的平衡机构，在图1所示出的实施例中，如图1所示上，该平衡机构包括：例如经由一对轴承被枢转安置在一支承结构(未图示出)上的枢转轴2，其中该枢转轴2自身的轴线被标示为枢转轴线A、可围绕该枢转轴线A旋转的、至少部分具有随角度可变的半径的旋转轮组3。在本实施方式中，该旋转轮组3包括圆齿轮31和至少部分具有随角度可变的半径的滑轮32，优选该滑轮32的半径以渐开线的方式变化；在此圆齿轮31和滑轮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)同轴地固定设置在该枢转轴2上，从而允许圆齿轮31和滑轮件32这两者始终保持共同旋转。当然也能够想到的是，可以将齿轮31和滑轮32形成为一件式。同样地，本领域技术人员能理解到，也可以将该枢转轴2固定支承在该支承结构中，而使彼此间固定连接或者一体形成的齿轮31和滑轮32例如经由轴承绕该枢转轴2的轴线旋转

在该圆齿轮31的外圆周上均布有多个齿，在该圆齿轮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旋转-直线运动转换机构4。如图1所示，在此处的旋转-直线运动转换机构4被构造成包括与该齿轮件的齿相啮合的齿条41。在该齿条41的上端设置有用于与齿条41的正上方的载荷(未图示出)相连接的外螺纹部，从而将齿条41固定连接至该载荷。在齿条41的上方搭载有载荷时，由于该载荷的重力，经由该齿条与圆齿轮31的齿的啮合可以对该圆齿轮31沿图中的逆时针方向相对于该枢转轴2施加可被称为第一转矩的转矩，其中该转矩的力臂等于该齿条41与圆齿轮31的啮合点(即旋转-直线运动转换机构与该平衡机构的作用连接处)相对于该枢转轴线A的距离，由于圆齿轮31的半径大小是不变的，这使得该距离在该圆齿轮31沿任意方向旋转时都保持不变。在此实施例中，上述转矩等于载荷的重力与该旋转-直线运动转换机构4与该枢转轴2的枢转轴线A之间的距离(即圆齿轮31的半径)的乘积。

在该滑轮32的下方、与该齿条41关于枢转轴线A相对地设置有力产生机构5，在此该力产生机构为能够沿竖向方向拉伸或者回缩的螺旋弹簧5。其中该螺旋弹簧5的下端被固定连接至该支承结构(未图示出)，例如可以将该螺旋弹簧以预紧力可调节的方式固定连接至支承结构。同时该螺旋弹簧5的上端经由一线形件6作用连接至该旋转轮组3中的滑轮32，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。不限于此，这里术语“线形件”用来表示各种连接元件，其在合适的情况下(仅仅传递拉力)可以是柔性的，或者在合适的情况下(传递拉力或压力)可以是部分非柔性的。进一步，为了便于引导和使该线形件6偏转，在该滑轮件32附近还设置有引导轮61，该引导轮61可以例如为外周面光滑的惰轮。

在如图1所示，被示出的滑轮32可以是该平的滑轮状的元件。该滑轮32包括具有一定半径(以枢转轴线A为基准点)的周边34，该滑轮的半径可沿周边34变化(例如成渐开线的方式变化)。作为一种示例，在从图1中沿顺时针方向看，该半径以预定的比率减小。进一步，该滑轮32具有沿其周边34设置的用于容纳线形件6的凹槽从而使该线形件6沿具有随角度可变的半径的滑轮32的外周边34被导引。如图1所示出的那样，该线形件6的端部被固定不动地安放，从而确保该线形件6接触该滑轮32的部分在周边32的凹槽内并且不会相对凹槽发生相对移动。作为一个实例，线形件6可以通过夹紧或粘接固定在圆齿轮31或者滑轮32的非外周边的侧面内。作为进一步的改进，线形件6和凹槽的接合还可以设计成使得产生足够的摩擦，从而避免线形件6相对于凹槽出现不希望的任何相对滑动。优选地，为了尽可能地降低平衡机构自身的惯性以允许对支承结构细微的震动作出响应，期望进一步减轻平衡机构的质量，例如可以考虑将圆齿轮31的部分做镂空处理或者将该滑轮32以轻质材料制成。

在该滑轮32在任意方向上旋转时，该线形件6一直处于力平衡的状态，即滑轮32的外周边34给予该线形件6的摩擦力等于该线形件6中的张力(同样等于螺旋弹簧5的弹性力)。因此线形件6同样会给滑轮32沿切向的相同大小的作用力，在该作用力的作用下会对该滑轮32沿图1中所示的顺时针方向相对于枢转轴线A施加可被称为第二转矩的转矩。其中该转矩等于力产生机构中的弹性力与线形件6与滑轮32的外周边34的接触点(即作用连接位置)到旋转轴线A的距离(即等于滑轮件32的半径)的乘积。

一般而言，螺旋弹簧5的拉力与其弹性形变成正比，即所述螺旋弹簧的弹性形变越大，所述螺旋弹簧的弹力越大。换言之，在滑轮32沿图1中的逆时针方向旋转拉伸该螺旋弹簧5时，作用至线形件6中的弹力越大，反之则作用至该线形件6中的弹力越小。就本实施例而言，由于该载荷的重力和圆齿轮31的半径均是不变的，而由于如图1所示出的那样，该滑轮32在从图1中沿顺时针方向看，该半径以预定的比率减小(即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，当滑轮32逆时针方向旋转时，随着螺旋弹簧5的弹力越来越大(线形件6施加给的滑轮32的力也越来越大)，但线形件6与滑轮32的作用连接点则越来越靠左侧，即滑轮32的半径是减小的。相应地，在滑轮32顺时针方向旋转时会发生相同的情形，即弹力越来越小，但滑轮32的半径却越来越大。因此，只要合理设计该滑轮32的半径的变化情况，即可实现使该螺旋弹簧5施加给滑轮32的第二转矩始终平衡所述作用于该载荷的重力施加给圆齿轮31的第一转矩，即，所述旋转轮组3能够将螺旋弹簧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。

在该用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向减震装置经受来自外部环境(例如来自支承结构)的竖向震动时。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2连接至该支承结构10，因此会随着支承结构带动旋转轮组3在竖向上向下移位一定距离。由于该旋转轮组3中的圆齿轮31与该齿条41之间存在啮合关系，旋转轮组3的竖向移位会相应地造成该圆齿轮31沿顺时针方向旋转一定的角度到达另一角位置，同时会使该齿条41在圆齿轮31的带动下向上移位一定距离(即带动载荷反向于震动方向运动)，由于以上所描述的，在旋转轮组3沿任意方向旋转期间均能保持平衡所述载荷的重力的，由于旋转轮组3向下移位的距离大致等于齿条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旋转-直线运动转换机构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上的运动时出现。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上的上下震动对于载荷的影响。

需要指出的是，尽管在本实施方式中，利用螺旋弹簧作为力产生机构，但这仅是示例性的，该力产生机构还可以是能够沿直线方向拉伸或者回缩的液压阻尼件或者是串联或者并联布置的螺旋弹簧和/或液压阻尼件，只要该力产生机构满足拉力与其形变量成正比的关系即可。

在此基础上，作为一种有利的改进方面，还期望该竖向减震装置包括用于调节螺旋弹簧的预紧力的调节机构，从而允许在竖向减震装置的使用过程中由用户调节螺旋弹簧的预紧力以适应不同重量的载荷，这有利于提高该竖向减震装置的通用性。具体来说，如图2中所示出的那样，该调节机构包括被构造用于收纳该螺旋弹簧5的、呈管状的套管91以及固定支承在该套管91尾端的端盖92，在该端盖92的中心部设置有内螺纹。该调节机构还包括与螺旋弹簧的另一端固定连接的调节件(未示出)，在此该调节件为经由其外螺纹与该端盖92的内螺纹形成螺旋啮合的调节螺丝。如图2所示，由于该套管91经由支承结构10侧面上凸缘部被固定支承在该支承结构上或者该套管91也可以与该支承结构一体形成，因此可以经由端盖92和调节螺丝实现螺旋弹簧和支承结构的固定连接。由于调节螺丝与不可动的端盖92之间的螺纹连接，在竖向减震装置的使用过程中，用户可以通过手动的方式相对于该端盖92旋入或者旋出该调节螺丝从而调节该螺旋弹簧5的预紧力以适应不同重量的载荷。当然，能够理解的是，该端盖也可以直接螺纹连接至该支承结构，并相对于该支承结构旋入或者旋出以调节螺旋弹簧的预紧力，在此情况下，允许以更灵活地方式在该支承结构内布置该螺旋弹簧，例如可以倾斜或者横向地安装螺旋弹簧，只要其能够经由线形件作用连接至平衡机构即可。

进一步，作为一种优选的方式，该竖向减震装置1还可以包括平行于该旋转-直线运动转换机构4的运动方向设置的导向机构7，其中如图2所示，该导向机构7包括：平行于该旋转-直线运动转换机构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，固定连接到该齿条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，使得齿条41能直线导向地在竖向上运动且不会发生与齿轮件3的脱接，这有利于竖向减震装置1的可靠性。

在图2中还示出了根据本发明的载荷的竖向定位设备，尽管如上所介绍的那样，本发明的竖向减震装置能够消除外部环境的震动对载荷的不利影响，但出于更加快速和精准地将载荷定位在期望的竖向位置上，本发明的竖向定位设备还可以包括用于测量所述载荷的位置的位置传感器(未图示出)、用于接收来自该位置传感器的载荷的位置的信号的控制器(未图示出)以及与该旋转轮组3相连接的电机8。其中该位置控制器接受来自该位置传感器的载荷的位置的信号并生成用于控制该电机的动作的输出信号，在接受到来自位置控制器的输出信号后，该电机动作以使载荷沿震动方向的反方向运动一定距离，从而将载荷定位在竖向上的确定位置。

正如上述所描述的那样，载荷一直是处于其重力被完全平衡的状态或者说处于失重状态，因此在此种情形下电机在旋转动作时并不需要负担任何载荷的重力，因此在此处的竖向位置调节中，微电机或者小型的伺服电机是可行的。这种电机具有调控快速和精准的优点，同时这种电机所需的能耗和散热量均是小的，这对于稳定器或者无人机或者无人车这类的产品来说并不会造成不可接受的负担。

在图3和4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，区别在于其中平衡机构和与之相匹配的旋转-直线运动转换机构的结构。因此，相同的附图标记被用于相同的部件。

如图3和4所示，不同于第一实施方式，在本实施方式中，平衡机构包括摆轮33和至少部分具有随角度可变的半径的滑轮32，其中该旋转-直线运动转换机构包括固定设置在摆轮33外周处的滑动部331，其中该滑动部331优选为表面光滑的辊子，带有与该滑动部331形成滑动连接的滑槽421的线性移位件42，在这里该线性移位件可以呈长条状并在其顶端部设置有用于连接载荷的外螺纹部。如图3-4所示，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；在此摆轮33和滑轮件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)同轴地布置在该枢转轴2上，从而允许摆轮33和滑轮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和滑轮32形成为一件式。进一步，作为一种变型例，该摆轮33替换为在外侧端部带有滑动部的摆杆也是可行的，只要能保证该滑动部到枢转轴线A之间的距离是不变的即可。

同样地，由于该滑动部331的位置是固定的，即其到旋转轴线A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枢转轴2施加可被称为第一转矩的转矩。其中该转矩等于载荷的重力与该旋转-直线运动转换机构4与该枢转轴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。

与图1-2中示出的实施例相同的是，在该滑轮32的下方、与该线性移位件42关于枢转轴线A相对地设置有力产生机构5，在此该力产生机构为能够沿竖向方向拉伸或者回缩的螺旋弹簧5。其中该螺旋弹簧5的下端被固定连接至该支承结构(未图示出)，例如同样地可以将该螺旋弹簧以预紧力可调节的方式固定连接至支承结构。同时该螺旋弹簧5的上端经由一线形件6作用连接至该滑轮32，在此该线形件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，在该滑轮件32附近还设置有引导轮，该引导轮可以为外周面光滑的惰轮。在如图3-4所示，该线形件6沿具有随角度可变的半径的滑轮32的外周边被导引。在图3-4中的滑轮32可以具有与图1中示出的滑轮32相同的形状并起到相同的作用，在此不再对其进行赘述。

在该滑轮32在任意方向上旋转时，该线形件6一直处于力平衡的状态，即滑轮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(同样等于螺旋弹簧5的弹性力)。因此线形件6同样会给滑轮件32沿切向的相同大小的作用力，在该作用力的作用下会对该滑轮32沿图4中所示的顺时针方向相对枢转轴2施加可被称为第二转矩的转矩。其中该转矩等于力产生机构中的弹性力与线形件6与滑轮件32的外周边的作用连接点到旋转轴2的距离(即等于滑轮32的半径)的乘积。

正如上述的，只要合理设计该滑轮32的半径的变化情况，即可使该螺旋弹簧5施加给滑轮32的第二转矩始终平衡所述作用于该载荷的重力施加给摆轮33的第一转矩，即，图3-4中所示出的平衡机构同样能够将螺旋弹簧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。

与图1-2中的实施例相同的是，该力产生机构也可以是能够沿直线方向拉伸或者回缩的液压阻尼件或者是串联或者并联布置的螺旋弹簧和/或液压阻尼件，只要该力产生机构满足拉力与其形变量成正比的关系即可。同样地，在图3-4中也可以设置如上所述的允许在竖向减震装置的使用过程中由用户调节螺旋弹簧的预紧力的调节机构。

同样地，正如图3-4中所示出的那样，该竖向减震装置1也可以包括平行于该旋转-直线运动转换机构4的运动方向设置的导向机构7，以使得线性移位件42能直线导向地在竖向上运动且不会发生与摆轮33的脱接，这有利于竖向减震装置1的可靠性。

替代地，作为一种变型例，在图5中示出了作用连接至平衡机构的另一种类型的力产生机构。在图5中示出平衡机构与图3-5中的平衡机构具有同样的结构，在此不再赘述。在图5，该力产生机构包括：能够沿螺旋方向收卷或者放卷的蜗卷弹簧5A、与该蜗卷弹簧5A同轴布置的引导轮61A以及将该引导轮作用连接至该平衡机构的线形件6A。如图所示，该蜗卷弹簧5A布置在该引导轮61A的下方并经由其外侧端部固定连接至该引导轮61A的底面，且线形件6A以由引导轮61A引导的方式与该平衡机构作用连接。同时，该蜗卷弹簧5A的内侧端部固定连接至支承结构以使该蜗卷弹簧能随该平衡机构的转动被收卷或者放卷。与图1-4中所示出的力产生机构相比，图5中所示出的力产生机构的优点在于能够实现更加紧凑的布置并允许安装在狭小的空间内。作为进一步的改进，同样可以为图5中示出的蜗卷弹簧增设用于调节蜗卷弹簧的预紧力的调节机构，其中包括与该蜗卷弹簧的另一端(在此为内端)固定连接的一转轴93，其中该转轴93可以与旋转定位在该支承结构(未示出)的蜗轮94相连，该调节机构还包括在此未图示出的与该蜗轮94相配合的蜗杆，其中该蜗杆的两端分别可转动地支承在该支承结构10上，由此可以经由旋转该蜗杆来带动蜗轮94和与之相连的转轴以调节该蜗卷弹簧5A的预紧力。

同样，在图6-7中示出了该蜗卷弹簧5A的另一种预紧力的调节机构，在此相同的附图标记被用于相同的部件。其中这里的调节机构包括：与蜗卷弹簧5A的另一端(在此为内端)固定连接的棘轮95，其中该棘轮95带有沿外周方向间隔布置的多个齿槽，其中该棘轮95同轴地布置在该蜗卷弹簧5A的下方；以及固定安装至支承结构10并与该棘轮95相接合或相脱开的可枢转棘爪96，在此，该棘爪96被设计为呈L形，其包括经由弹簧98连接至支承结构10的较短的部段以及用于接合至该棘轮95的外周上的齿槽的较长的部段。较短的部段与较长的部段在其结合处供枢转轴96穿设的轴孔，由此允许该棘爪96绕该枢转轴96枢转以枢转脱开该棘轮95或者枢转接合该棘轮95，其中该可枢转棘爪96接合至该棘轮95时将蜗卷弹簧5A锁定在具有预定预紧力的角位置。

具体来说，当载荷较重需要使蜗卷弹簧5A具有更大的预紧力时，此时线先逆时针转动棘轮95以允许该棘爪96从棘轮95上的齿槽处脱开，此时由用户按压住棘爪96以免其被弹簧98促动从而干扰棘轮转动，此时再顺时针转动棘轮95至合适角度后完成对蜗卷弹簧5A的预紧，随后松开棘爪96使其与棘轮95上的齿槽恢复接合从而固定棘轮95的角度。在载荷较轻需要减小蜗卷弹簧5A的预紧力时，同样先脱开棘爪96以允许棘轮95能够逆时针转动，从而实现可双向地调节棘轮95的角度，进而调节蜗卷弹簧的预紧力。因此可以实现对该蜗卷弹簧的预紧力的调节以适应不同重量的载荷。

尤其还希望指出的是，尽管结合图1-5中所示出的平衡机构均带有滑轮，但同样可以想到的是，该平衡机构可以例如是包括第一平衡臂和与该第一平衡臂连接的第二平衡臂的杠杆，其中第一平衡臂和第二平衡臂都可相对旋转轴线A枢转。第一平衡臂可以与恒力发条作用连接。而竖向支撑载荷的旋转-直线运动转换机构则通过其上设置的滑槽与诸如在图3-4中所示出的滑动部形成滑动连接，由于杠杆的作用，允许利用较小的恒力发条即可支撑较重的载荷并使其处于失重状态。滑动部和滑槽的滑动连接可允许在第二平衡臂发生摆动时使旋转-直线运动转换机构中的线性移位件在竖向上沿向上和向下的方向相对于第二平衡臂2滑动，这同样实现了在经受竖向震动时带动载荷沿震动方向的反方向运动的效果。与上文所描述的平衡机构相比，此种平衡机构的优点所需的部件较少，结构更加简单。

在图3-4和图8中还示出了根据本发明的载荷的竖向定位设备，尽管如上所介绍的那样，本发明的竖向减震装置1能够消除外部环境的震动对载荷的不利影响，但出于更加快速和精准地将载荷定位在期望的竖向位置上，本发明的竖向定位设备还可以包括用于测量所述载荷的位置的位置传感器(未图示出)、用于接收来自该位置传感器的载荷的位置的信号的控制器(未图示出)以及与该平衡机构相连接的电机8。其中该位置控制器接受来自该位置传感器的载荷的位置的信号并生成用于控制该电机的动作的输出信号，在接受到来自位置控制器的输出信号后，该电机动作以使载荷沿震动方向的反方向运动一定距离，从而将载荷定位在竖向上的确定位置。进一步优选地，该载荷的竖向定位设备可以带有供用户手持的手柄件。同样能够想到地，该载荷的竖向定位设备也可以直接安装至无人机、无人车或者交通工具等装置上。

可以理解的是，上文所描述的用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向减震装置可以用于成像装置用的稳定器，例如但不限于手持稳定器、无人机、无人车等。在该成像装置用的稳定器是手持稳定器的情形下，该支承结构例如可以是稳定器的供用户持拿的手柄，此时用户走动时所产生的竖向震动可以经由该竖向减震装置所减震，从而即使在用户走动的情形下仍能够保证拍摄的品质和效果。同样地，在该成像装置用的稳定器是无人机的情形下，该支承结构例如可以是无人机的悬挂吊舱等。

可以理解，上述所描述的用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向减震装置通用可以用于拍摄设备，例如VR视频拍摄机器人或影视小车等。

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。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。在不脱离本发明的构思和原则的前提下，本领域的技术人员可作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (15)

1.一种用于减震来自支承结构的竖向震动的竖向减震装置，该竖向减震装置用于支撑载荷，其特征在于，所述竖向减震装置包括：

以绕一枢转轴线枢转的方式安置在支承结构上的平衡机构；

竖向支撑所述载荷的旋转-直线运动转换机构，其被构造成在该平衡机构的一侧与该枢转轴线相距第一距离处与该平衡机构作用连接，以在所述载荷的重力作用下对所述平衡机构沿第一旋转方向施加第一转矩；

力产生机构，其被构造成在该平衡机构的另一侧与该枢转轴线相距第二距离处与该平衡机构作用连接，以在所述力产生机构所施加的力的作用下对所述平衡机构沿相反于第一旋转方向的第二旋转方向施加第二转矩，该力产生机构以其一端固定连接至该支承结构；

其中在所述平衡机构经受竖向震动而处于不同角位置时，在所述平衡机构沿任意方向旋转时在保持平衡所述载荷的重力情况下经由所述旋转-直线运动转换机构带动所述载荷沿震动方向的反方向运动。

2.如权利要求1所述的竖向减震装置，其特征在于，其中所述平衡机构包括：同轴布置的圆齿轮和至少部分具有随角度可变的半径的滑轮，其中所述旋转-直线运动转换机构被构造成包括与该圆齿轮相啮合的齿条。

3.如权利要求1所述的竖向减震装置，其特征在于，其中所述平衡机构包括：同轴布置的摆动件和至少部分具有随角度可变的半径的滑轮，其中该旋转-直线运动转换机构包括固定设置在摆动件外侧端部处的滑动部、带有与该滑动部形成滑动连接的滑槽的线性移位件，从而将该摆动件的旋转摆动转化为该线性移位件的直线运动。

4.如权利要求1所述的竖向减震装置，其特征在于，所述力产生机构包括：

能够沿螺旋方向收卷或者放卷的蜗卷弹簧；

与该蜗卷弹簧同轴布置的引导轮；

以及将该引导轮连接至该平衡机构的线形件，

其中该蜗卷弹簧的一端固定连接至该引导轮并经由该线形件与该平衡机构作用连接，该蜗卷弹簧的另一端固定连接至该支承结构以使该蜗卷弹簧能随该平衡机构的转动收卷或者放卷，其中该线形件沿该平衡机构的外周边被导引。

5.如权利要求4所述的竖向减震装置，其特征在于，还包括用于调节所述蜗卷弹簧的预紧力的调节机构，其包括：

与蜗卷弹簧的另一端固定连接的转轴；以及

旋转定位在支承结构上并与该转轴相连的蜗轮以及与该蜗轮相配合的蜗杆，其中经由旋转该蜗杆来带动蜗轮和与之相连的转轴以调节所述蜗卷弹簧的预紧力。

6.如权利要求4所述的竖向减震装置，其特征在于，还包括用于调节所述蜗卷弹簧的预紧力的调节机构，其包括：

与蜗卷弹簧的另一端固定连接的棘轮；以及

固定安装至支承结构并与该棘轮相接合或相脱开的可枢转棘爪，其中该可枢转棘爪接合至该棘轮时将蜗卷弹簧锁定在具有预定预紧力的角位置。

7.如权利要求1所述的竖向减震装置，其特征在于，所述力产生机构包括：能够沿直线方向拉伸或者回缩的螺旋弹簧和能够沿直线方向拉伸或者回缩的液压阻尼件中的任一种或者它们的组合，其中该力产生机构的一端固定连接至一线形件并经由该线形件与该平衡机构作用连接且另一端固定连接至该支承结构以使该力产生机构能随该平衡机构的转动拉伸或者回缩，其中该线形件沿该平衡机构的外周边被导引。

8.如权利要求7所述的竖向减震装置，其特征在于，还包括用于使该线形件偏转的引导轮。

9.如权利要求7所述的竖向减震装置，其特征在于，还包括用于调节所述螺旋弹簧的预紧力的机构，其包括：与该支承结构螺纹连接的、并与该螺旋弹簧的另一端固定连接的调节螺丝，其中经由相对于该支承结构旋入或者旋出该调节螺丝来调节所述螺旋弹簧的预紧力。

10.如权利要求1所述的竖向减震装置，其特征在于，还包括平行于该旋转-直线运动转换机构的运动方向设置的导向机构，其中该导向机构包括：

平行于该旋转-直线运动转换机构的运动方向设置的至少一根导轨；

穿设于该导轨上的至少一个直线轴承；以及

经由该直线轴承能沿该导轨被引导滑动的支座，其中该支座与该旋转-直线运动转换机构固定连接以实现对该旋转-直线运动转换机构的线性引导。

11.一种载荷的竖向定位设备，其特征在于，包括用于测量所述载荷的位置的位置传感器、位置控制器和电机，其中该位置控制器接受来自该位置传感器的载荷的位置的信号并生成用于控制该电机的动作的输出信号，其中该定位设备还包括用于竖向支撑所述载荷的如权利要求1至10中任一项所述的竖向减震装置，其中该电机连接至所述平衡机构以经由该电机的动作使载荷沿震动方向的反方向运动，从而将载荷定位在竖向上的确定位置。

12.一种成像装置用稳定器，其包括支承结构和连接至该支承结构的、用于竖向支撑该成像装置的竖向减震装置，其中该竖向减震装置包括：

以围绕一枢转轴线枢转的方式安置在支承结构上的平衡机构；

竖向支撑该成像装置的旋转-直线运动转换机构，其被构造成在该平衡机构的一侧与该枢转轴线相距第一距离处与该平衡机构作用连接，以在该成像装置的重力的作用下对该平衡机构沿第一旋转方向施加第一转矩；

力产生机构，其被构造成在平衡机构的另一侧与该枢转轴线相距第二距离处与该平衡机构作用连接，以在所述力产生机构所施加的力的作用下对所述平衡机构沿相反于第一旋转方向的第二旋转方向施加第二转矩，且该力产生机构以其一端固定连接至该支承结构；

其中在该平衡机构经受来自支承结构的竖向震动而处于不同角位置时，在该平衡机构沿任意方向旋转时在保持平衡所述成像装置的重力的情况下经由该旋转-直线运动转换机构带动成像装置沿震动方向的反方向运动。

13.如权利要求12所述的稳定器，其特征在于，还包括：

用于测量所述成像装置的位置的位置传感器；

用于接收来自该位置传感器的成像装置的位置的信号的控制器；以及

与该平衡机构相连接的电机，其中所述控制器用于根据所述位置传感器检测的所述成像装置的位置信息控制所述电机动作以驱动所述平衡机构旋转。

14.如权利要求13所述的稳定器，其特征在于：所述传感器为惯性测量单元，所述控制器在所述惯性测量单元检测到所述支承结构产生震动时，控制所述电机带动所述平衡机构旋转，使所述成像装置相对于所述支承结构沿震动方向的反方向运动以使该成像装置在竖向上具有基本不变的绝对位置。

15.一种拍摄设备，其包括成像装置、用于减轻该成像装置的轴向震动的轴向增稳装置以及用于减轻该成像装置的竖向减震装置，其中该竖向减震装置是如权利要求1至10中任一项所述的竖向减震装置。

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