TWI572806B - 球體直驅機構 - Google Patents

Description

球體直驅機構

本發明揭露一種球體直驅機構，其中三點構成一圓，使用三個致動器可穩定支撐一球鏡頭並保持穩定的接觸，一常壓機構力固定球鏡頭與致動器之間的正向壓力及摩擦力。三組波形電壓驅動致動器分別產生力矩，直接以摩擦力推動球鏡頭，並以細微寸進的累積達成鏡頭整體方向之改變。本發明係關於一種攝影系統之影像感測器鏡頭雲台裝置，該裝置係利用球狀承座安裝影像感測器，並利用三個等角度圓形分佈安裝之申縮致動器推動球狀承座作-二維空間，θ x、θ y，任一方位之旋轉運動。

用數位控制旋轉雲台以馬達及齒輪或連桿為動力或傳動方法，運動遲緩、不精準、不穩定，適用於室內短程監控目的。在長程攝像紀錄及實物動態追蹤兩項目中與專業攝影師的攝像效果比對，發現以數位控制轉台紀錄的影像呈現下列缺失，其原因及改善方法如下：

(1)缺失：雲台的長程攝像影像呈現細微抖動及跳格畫面。

原因：影像抖動是直接傳自馬達低頻震動；畫格的跳動是因齒輪及連桿的咬合精度及背隙所造成。

改善方法：以更細微步進高頻驅動方式避免整體性低頻抖動，動靜之間在靜止時取像，即停格取像，並採直接傳動改善定位精度問題。

(2)缺失：鏡頭慢速的運轉拍攝移動物體時，如籃球比賽，播放畫面尚稱流暢，但對追蹤快速移動物體時，畫面播放呈現破碎的小方塊遮罩。

原因：動態的連續畫面因抖動或雜訊致畫面之資料關聯性降低，壓縮編碼時效率不佳，捨棄過多的資料即呈現破碎的小方塊遮罩。

改善方法：以細微步進方式驅動，並採停格取像，降低雜訊可保持整體資料關聯性。

(3)缺失：對局部快速移動的物體，如風扇葉片或攝像頭，畫面呈不均勻拉扯變形。

原因：畫面呈不均勻地拉扯變形可能源自前端影像感知器本體特性；或畫面的資料量大、雜訊大、鏡頭運轉快、後端壓縮不及都有此一現象。

改善方法：提昇影像感知器電路反應特徵或鎖定快速移動影像中之部分特徵來預測物體移動路徑，如追蹤賽車、飛行物，用聰明的雲台追蹤取像，可彌補攝影機硬體不足，但可達成移動目標區清楚的目的。

整體而言，一般商用數位控制雲台以軌跡動態追蹤物體時，其捕捉畫面內容的穩定能力尚不及商業應用。然人類的 眼睛是可在顛頗的環境下動態追蹤外界目標物。本發明以追求人類眼球的動態範圍，發展類似眼球功能的商用旋轉雲台。

分析先前專利美國專利US7812507B2所揭露之小型鏡頭驅動壓電馬達包括一被驅動球狀構件、一安裝於底座之支撐構件、一安裝於球狀構件週邊之平衡環與兩個軸承，其中第一個軸承連結平衡環於至底座支撐構件使平橫環可以第一個旋轉軸為中心做轉動，第二個軸承連接球狀機構至平衡環使球狀機構可以第二旋轉軸為中心做轉動。第一旋轉軸中之旋轉方向與第二旋轉軸之方向互相垂直，此發明使用了一些壓電單元，固定於基座，另一端與驅動構件接觸，驅動構件臨接於球狀被驅動構建件。固定於底座之壓電元件依輸入之控制電壓做申縮運動而帶動驅動構件轉動，由於驅動構件與被驅動構件緊密接觸，接觸面之摩擦力傳動球狀構件轉動。習用動態追蹤雲台機構，如美國專利US7812507B2，如要發展成類似眼球運動，將出現下列困難：(1)一般小型馬達裝置，驅動力量小，加速小，不足追蹤瞬間動態變化；(2)以間接驅動，傳動效率較低，浪費驅動力量；(3)缺乏垂直正壓力的控制機制，因表面長期磨耗致使摩擦力驅動方式缺乏精確性；(4)θ x、θ y分離式旋轉設計，不易同心旋轉，佔空間，轉動慣性增大，驅動力也須加大，製造成本相對提高；(5)θ x、θ y雙軸向受壓力後易變形呈歪斜狀，不同心旋轉攝像頭會抖動；(6)傳動機構的累積公差以及長期磨擦造成接觸點的表面材料磨耗，影響摩擦係數及正向壓力，損失傳動力及定位的精確性；(7)電路 進出路線幅度較大，旋轉易發生空間干涉問題；以及(8)無法對鏡頭方向軸做自旋修正。

習用之指向雲台可做平移與傾斜運動來摸擬人類眼球之運動行為，尚無法實現人類眼球可做快速旋轉之功能，運用於手持式裝置(如手機、筆電與平板電腦)之攝影鏡頭運動雲台需要小型、輕薄等特性，要設計一個與人類眼球相同功能之相機鏡頭指向機構(camera orienting mechanism)以運用於手持式裝置，必需先要克服工作空間、尺寸、運動速度與可靠度等根本問題。

為了增加搜尋範圍與影像取像品質，將小型相機鏡頭埋設於一剛性圓球體之軸心貫孔內，並用可控震動元件形成三點支撐，托住剛性圓球體，形成類似眼球旋轉行為之指向運動，做成二維同心之旋轉平台。

因此，本發明的內容提出一全新的概念結構以小型化、簡單化、精確化、可靠化、微步進化、二維同心的球體直驅機構，可在1cc的容積以內完成二維立體寸進旋轉機制，其角速度(ω)與角加速度(α)可達1000deg/sec與50,000deg/sec2近似眼球動態範圍，達成類似眼球無背隙功能之微寸進鏡頭模組。未來以動態追蹤的方法切入高速攝影可以增加照相的樂趣；或以兩台以上攝影機同步監控一物件，利用幾何關係可以迅速計算出影像中物件的空間位置，達成3D實物影像距離量測的基礎平台， 以數位化展現人類視力的測距能力。我們期待因為極小型化、靈活、精準新世代雲台的發明，對於影像視覺辨識的精確度，搜尋、高速定位目標物，遠程視訊控制系統的臨場感，自動化系統的智能化系提供未來大量發展應用的遠景。

本發明所提出之球體直驅機構包括“可安裝影像感測器之中空球頭承座”、“使用等角度分布圓形排列之三軸伸縮致動器構件”與“使鏡頭與壓電伸縮致動器緊密貼合之預力機構”三區塊所構成；借由預力機構對中空球頭承座提供固定正壓力，使圓球表面與致動器間的摩擦力相對更穩定。三組獨立的伸縮致動器構件及電壓波形即三組不同的驅動力量的組合變化，其瞬間對圓球產生微小的推/拉效果。圓球整體的旋轉即多數個微小位移量之累積結果。憑藉獨立控制三個致動器產生適當之合力矩，鏡頭方向可做設定之旋轉。唯三個伸縮致動器構件並非正交安置，(θ x、θ y)旋轉發生的同時尚有鏡頭自旋效果(S)，這自旋效果(S)可轉動攝像機在不同方位取向時可呈現”頭上腳下”的效果，這一特性使本發明更具有超越人類眼球旋轉的表現。

本發明之效果可擴展數位相機的影像應用及搜像靈活性，以三組高速驅動電路分別控制三組寸進的伸縮致動器構件同時直接施加於中空球頭承座，三組推進力量的合成控制中空球頭承座亦即相機鏡頭裝置呈現類似眼球運動，快速且精準控制之二維旋轉(θ x、θ y)及自旋(S)定位。實務上我們以三組壓電陶瓷為驅動元件，驅使1cm直徑的剛性球型承座，其運動角速度(ω) 與角加速度(α)可達1000deg/sec與50,000deg/sec2。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

1‧‧‧剛性圓球

2‧‧‧內圓孔

3‧‧‧導槽構件

4‧‧‧底座構件

5‧‧‧伸縮致動器構件

6‧‧‧護帽構件

7‧‧‧導槽

8‧‧‧橫孔

9‧‧‧橫桿

10‧‧‧彈性伸縮構件

11‧‧‧刻槽

12‧‧‧中心孔

第1圖係美國專利US7812507B2所揭露之架構圖。

第2圖係本發明之中空球頭安裝座立體示意圖。

第3圖係本發明之三維支撐之結構立體圖。

第4圖係本發明之機械式彈簧預力示意圖。

第5圖係本發明之申縮致動器與護帽構件圖。

第6圖係本發明之底盤固定構件示意圖。

第7圖係本發明驅動壓電元件之鋸齒波形示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照第2圖，為本發明之中空球頭安裝座立體示意圖。本發明之最佳實施例請參考第2圖，一剛性圓球1之內圓 孔2係預留安裝影像感測器，一個導槽構件3，底座構件4，請參考第3圖導槽構件之三個導槽7，可分別容納個三個伸縮致動器構件5，及三個伸縮致動器構件5之護帽構件6，請參考第2圖，可以分三個點頂住剛性圓球1並可循θ x、θ y二維同心自由轉動。由於CMOS半導體製程技術之精進，使CMOS影像感測器之尺寸大幅縮小，影像感測器大廠如ommni vision、Apitec等皆推出大小約3x3x3mm之高畫質影像感測器模組以搶攻移動式裝置市場。這些小型化的影像感測器可裝入直徑3mm至4mm之內圓孔2之容置空間中。第4圖，內圓孔2之內壁中心，設置一橫孔8以便裝入一橫桿9，橫桿9可用於連接一彈性伸縮構件10至底座構件4之中心孔12，以施加一經過球心之預力，即使雲台翻轉朝下時，剛性圓球1時依然可與致動器護帽構件6保持緊密貼合。第5圖，致動器護帽構件6係套裝或黏著於伸縮致動器構件5之上方，其功用是保護伸縮致動器5避免伸縮致動器構件5直接與剛性圓球1摩擦而造成損壞，並介由控制致動器護帽構件6之表面材料特性控制與剛性圓球1之間之摩擦係數。並藉由致動器護帽構件6形狀的修正如刻槽11(不限於此)，以調整其震幅及接觸點之運動軌跡。

剛性圓球1亦可為導磁之磁性材質材料，如鐵質材料所構成，底座構件4可為永久磁鐵材質或透過電力控制之電磁鐵，以提供用非接觸性之外加磁場，以磁力替換彈簧力，簡化剛性圓球1與致動器護帽構件6由彈簧之緊迫接觸，且角度旋轉不再 受彈簧機構的限制。

另，多數個本發明的剛體圓球1可承載一平板或直接與地面接觸，轉動時摩擦力的接觸可形成二維方向性的相對運動，可用為二維檢視平台的驅動裝置。剛性圓球1內設有一容置空間以裝置功能性元件，且功能性元件為感知器或是反射鏡或是對外聯桿。

伸縮致動器構件5可為電壓的形變如壓電材料，亦或是電磁的形變如電磁閥都是形變比例於施加電壓。當三組申縮致動器分別形變時，摩擦力驅動是可接受三組不同的形變，並以整體的淨摩擦力效果來驅動物件的移動及方向。施加的電壓波形使伸縮致動器構件5等產生三組高頻率、極微量行程的震動，分別經過致動器護帽構件6等三個接觸點傳遞至剛性圓球1，達成以摩擦力控制剛性圓球1轉動。摩擦力驅動是運用支撐剛性圓球1的三個接觸點在球表面產生穩定接觸或滑動接觸二種狀態。摩擦力在打滑與不打滑之間運作與汽車ABS煞車原理相似，穩定接觸可以傳遞力量，一旦打滑就無法傳遞力量。震動是往復式的行為，如果接觸點不打滑，在推、拉往復之間，剛性圓球1只是原地抖動並無轉動。如、推拉分別可產生不對等的微轉動，則就可能在不斷推、拉過程中累積所預期的轉動行程。第7圖是其中一組伸縮致動器構件5的驅動電壓波形(但不限於此)表示伸縮致動器構件5的形變量，其二次導函數即為接觸點(JT1)之加速度波形，暫就將第7圖視為施力的波型。圖7示F1為最大靜摩擦力 的設計值。小於F1為靜磨擦範圍，大於F1為動磨擦範圍。在驅動電壓波形的一周期中來做說明，驅動圓球轉動的力量自零開始增加，在施力小於F1之前可以順利推動剛性圓球1轉動，屬靜磨擦力範圍；施力超過F1就發生滑動，無法有效驅動剛性圓球1，剛性圓球1因缺少推動力也逐漸停止；施力達到最大值頂峰後，推力轉向為拉力，在剛性圓球1轉動停止的一瞬間進入靜摩擦力(係數)範圍，因施力轉變方向，拉動圓球1反向轉動，直到一個周期的結束。按第7圖中上升及下降不對稱的施力波型的設計，推力與拉力是在一個不對等的波段加速度，故可以產生出一個單方向轉動的淨位移量。依此循環動作，週期電壓波型驅動伸縮致動器構件5推動中空球頭做旋轉運動。

其中，摩擦力的大小等於垂直正壓力乘以摩擦係數，藉預力機構可控制垂直正壓力，以設定F1的大小值。以三組獨立的高速驅動電路分別控制三組獨立的致動器直接施加於剛性圓球1，三組運動的總成控制剛性圓球1亦即相機鏡頭裝置呈現類似眼球運動，快速且精準控制之二維旋轉(θ x、θ y)及自旋(S)定位。

剛性圓球1就在這多數次寸進的動靜之間，累積出轉動的全行程。這種微小的寸進可以隨時停止，隨時啟動，每一次瞬間的寸進都是一個獨立事件。這種微量寸進的驅動方法有別於習用馬達與齒輪的組合，對隨機追蹤外界物體的軌跡及停滯瞬間時取像的清晰度，二者與習用技術比較均有絕對的優勢，是本 發明一大特徵。本發明借控制三個伸縮致動器構件之電壓波型分別來控制三個致動器之出力，並累加後最終得到預期的二維轉動(θ x、θ y)，甚至自旋(S)的定位。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧剛性圓球

2‧‧‧內圓孔

3‧‧‧導槽構件

4‧‧‧底座構件

5‧‧‧伸縮致動器構件

6‧‧‧護帽構件

Claims (5)

1. 一種球體直驅機構，可提供精密二維同心的轉動，包括有：一底座；一導槽構件，設置於該底座，該導槽構件上至少有三個導槽；至少有三個伸縮致動器構件，該些伸縮致動器構件設於該些導槽，且該些伸縮致動器構件分別設有一護帽構件；以及一剛性圓球，該剛性圓球內設有一容置空間可裝置功能性元件，且該剛性圓球設於該些伸縮致動器構件之間，該導槽構件介於部分該剛性圓球與該底座之間，至少有三個伸縮致動器構件抵頂該剛性圓球以進行二維同心自由轉動。
2. 如請求項1所述之球體直驅機構，其中該底座具磁性，該剛性圓球具導磁性，該底座以非接觸磁力吸附該剛性圓球。
3. 如請求項1所述之球體直驅機構，其中該剛性圓球之該容置空間具有一橫向貫孔，該橫向貫孔裝設有一橫桿，該橫桿以一彈性伸縮構件連接至該底座之一中心孔。
4. 如請求項1所述之球體直驅機構，該伸縮致動器構件為壓電材料或是電磁閥。
5. 如請求項1所述之球體直驅機構，該功能性元件為感知器或是反射鏡或是對外聯桿。