一种支撑高速旋转相机的平衡稳定装置及使用方法与流程

本发明属于高速旋转相机测量技术领域，尤其涉及一种支撑高速旋转相机的平衡稳定装置及使用方法。

背景技术：

目前，业内常用的技术可描述如下：物体的运动轨迹是物体运动的重要信息之一，通过物体的运动轨迹，可计算出物体的速度、加速度等物理参数信息，以便于更好地分析物体的状态。而利用摄像机拍摄物体的运动轨迹是一种简单而高效的手段，常用的拍摄测量系统中相机均为固定拍摄，但相机的视野范围是一定的，如果被测物体的运动范围较大，一台相机显然不能满足工程需求，若采用多台相机，一是涉及运动轨迹合成问题，二是增加了成本。近年来，高速旋转相机在各个领域的应用越来越广泛，如在军事领域，火药爆破分析、弹道分析、炸药爆炸、子弹出膛、火箭发射等；生物医学领域，高分辨率高速显微镜成像、细胞高速成像、生物力学、生物运动分析、动物仿真学、动物动作分析等；体育运动领域，仿真设备测试、人体动作姿态分析、冲线瞬间拍摄、羽毛球、网球、田径运动、兵乓球动作姿态分析等；因此利用高速旋转相机可高效、快捷地测量大范围内运动物体的轨迹。高速旋转相机测量物体运动轨迹的第一步就是相机的安装，而由于在实际测量过程中，测量的场地环境复杂以及相机高速旋转带来的惯性力矩等问题，相机的初始位姿对相机标定有着直接影响，而相机标定对测量结果的影响至关重要。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)固定相机测量范围较小，不能满足大场景物体运动轨迹测量的要求；

(2)若使用多台相机测量物体运动轨迹，则需要进行复杂的运动轨迹合成，且增加测量成本；

(3)测量场地环境复杂，如野外负载复杂地形、室内不平整地面等，影响标定相机的初始位姿；

(4)相机高速旋转产生的惯性力矩影响拍摄的运动轨迹。

而解决上述问题的难点在于如何使用一台相机测量大场景中的物体运动轨迹，以及如何在复杂的测量环境中保证测量结果的精准性。

为解决上述问题，可使用一台相机在任意复杂的测量环境中完成相应的测量，并且在保证测量结果准确性的前提下，节约设备成本，提高工作效率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种支撑高速旋转相机的平衡稳定装置及使用方法。

本发明的实现方式如下，一种支撑高速旋转相机的平衡稳定装置，所述支撑高速旋转相机的平衡稳定装置设置有：

三条支腿；

三条支腿分别与下平台用转动副连接；

丝杠的上平台、下平台由两个丝杠螺母机构分别加上虎克铰连接，同时上平台、下平台间设置有一个球铰；

一个斜齿轮固连与丝杠下端，另一个斜齿轮通过转轴与手轮相连，两个斜齿轮相互啮合；

电机与减速机为垂直连接方式，减速机通过法兰盘固连在上平台，减速机输出轴与旋转平台固连。

进一步，所述三条支腿为变截面长度可调支腿；可调支腿由两个构件组成；

两个构件是以滑动副的形式连接，支腿下半部分与支撑导向轴采用一根连杆连接，铰接点处均为转动副，支腿上半部分与下平台采用转动副连接，且三个铰接点均匀分布在下平台的某个同心圆上。

进一步，上平台、下平台采用两个虎克铰、一个球铰进行连接，在下平台和虎克铰之间各有一个丝杠螺母机构，丝杠与下平台之间采用滚动轴承支撑。

进一步，所述丝杠底端有一个斜齿轮与之固连，另一个斜齿轮通过转轴与手轮连接，两个斜齿轮相互啮合，转轴在下平台也通过滚动轴承支撑。

进一步，所述减速机轴线与上平台轴线重合，减速机与上平台采用法兰连接，减速机输出轴与上平台采用推力轴承支撑，减速机输出轴与旋转台转轴采用梅花联轴器连接；

所述减速机轴线与上平台轴线重合且采用法兰连接，减速机输出轴与旋转平台转轴用联轴器连接。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：电机与减速机为垂直连接方式，减速机通过法兰盘固连在上平台，减速机输出轴与旋转平台使用推力轴承支承；三条支腿为变截面长度可调支腿，可调支腿采用两部分结构是以滑动副的形式连接，支腿下半部分与支撑导向轴采用一根连杆连接，铰接点均为转动副，支腿上半部分与下平台采用转动副连接，且三个铰接点均匀分布在下平台的某个同心圆上。当通过手动调节三个支腿长度达到一定值时，用支腿上的锁紧螺钉对支腿两构件进行锁死，防止支腿长度发生变化。上下两个平台采用两个虎克铰、一个球铰进行连接，球铰直接连接上下两个平台，而虎克铰一端连接上平台，另一端与丝杠螺母机构的螺母相连，丝杠底部利用滚动轴承支撑安装在下平台。此处丝杠螺母机构的运动方式设计为丝杠转动，螺母移动的运动方式，即当对丝杠施加转动输入时，螺母沿丝杆轴线方向产生一定的位移。丝杠底端有一个斜齿轮与之固连，手轮通过转轴与另一个斜齿轮，两个斜齿轮相互啮合，转轴在下平台也通过滚动轴承支撑，斜齿轮一方面可以传递运动，另一方面可以改变运动方向。如上所述，当丝杠转动时，螺母会在丝杠轴线方向产生一定的位移，再由虎克铰作用可改变上平台的位姿。因此，两个手轮可分别调节上平台在水平面内的俯仰和滚转两个角度，当调节上平台的两个角度参数达到要求值时，再利用手轮上的锁紧螺钉进行锁死，使手轮不能再发生转动，以保证上平台保持原有位姿状态。

本发明的电机与减速机采用两者轴线垂直的分布方式，电机悬空，减速机轴线与上平台轴线重合，此处减速机与上平台采用法兰连接，减速机输出轴与上平台采用推力轴承支撑，减速机输出轴与旋转台转轴采用梅花联轴器连接。当采用上述的调整方法时，一旦上平台的位姿达到要求，由于减速机与上平台由法兰连接，减速机输出轴与旋转平台转轴由梅花联轴器连接，则旋转平台也可达到相应的位姿要求，即相机安装要求位姿也满足。

本发明中的长度可调的支腿可适应多种复杂的外场地环境，相比于现有的固定地测量，对测量场地环境要求低，方便携带、安装等，可提高工作效率；利用高速旋转相机测量物体运动轨迹可实现大场景物体运动轨迹测量，相比于现有的固定相机测量以及多相机测量后再进行场景重构，可增大测量范围，减少后期工作量，减少使用相机成本。利用丝杠螺母机构调节对上平台的位姿进行微小调整；采用电机悬空，减速机与上平台法兰连接的方式可减小相机高速旋转产生的惯性力矩，与现有测量设备相比，测量精度有了进一步提升。整个过程只需要驱动一个用于旋转平台旋转的电机，支腿调节和上平台调节均为手动调节，相比于现有设备，既满足了工作需求，又减少了电机使用数量，省去了精密仪器中高昂的电机费用，极大地简化了操作，节约了制造成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的支撑高速旋转相机的平衡稳定装置结构示意图；

图2是本发明实施例提供的锁死螺钉的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的减速机、法兰的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的上平台的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的虎克铰、螺母、丝杠的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的支腿、导向轴、连杆的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的旋转平台、转动副的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的旋转轴、联轴器的结构示意图；

图中：1、上平台；2、下平台；3、支腿；4、导向轴、5、连杆；6、锁死螺钉；7、电机；8、相机；9、减速机；10、法兰盘；11、虎克铰；12、螺母；13、丝杠；14、球铰；15、斜齿轮；16、手轮；17、旋转平台；18、转动副；19、手轮锁死螺钉；20、旋转轴；21、联轴器；22、推力轴承。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用长度可调的支腿粗略地使整个机构处于水平状态，再通过丝杠螺母机构小范围内精细调节旋转平台保持水平，以满足测量要求；采用电机悬空，减速机与可调平台固连的方式也可减小相机高速旋转产生的惯性力矩，提高系统机械结构的稳定性。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的支撑高速旋转相机的平衡稳定装置包括：上平台1、下平台2、支腿3、导向轴4、连杆5、锁死螺钉6、电机7、相机8、减速机9、法兰盘10、虎克铰11、螺母12、丝杠13、球铰14、斜齿轮15、手轮16、旋转平台17、转动副18、手轮锁死螺钉19、旋转轴20、联轴器21、推力轴承22。

三条支腿3分别为变截面长度可调的支腿，分别与下平台2用转动副18连接，三个铰接点以下平台2中心为基准均匀分布；上平台1、下平台2由两个丝杠13螺母12机构分别加上一个虎克铰连接，同时上平台1、下平台2还有一个球铰14；一对斜齿轮15中一个固连与丝杠13下端，另一个通过旋转轴20与手轮16相连，两个斜齿轮15相互啮合；电机7与减速机9为垂直连接方式，减速机9通过法兰盘10固连在上平台1，减速机9输出轴与旋转平台17固连。

三条支腿3为变截面长度可调支腿，可调支腿采用两部分结构是以滑动副的形式连接，支腿3下半部分与支撑导向轴采用一根连杆连接，铰接点均为转动副18，支腿3上半部分与下平台2采用转动副18连接，且三个铰接点均匀分布在下平台2的某个同心圆上。通过手动调节三个支腿3的长度达到一定值时，用支腿3上的锁紧螺钉对支腿3的两构件进行锁死，防止支腿3长度发生变化。

上平台1、下平台2采用两个虎克铰11、一个球铰14进行连接，球铰14直接连接上平台1、下平台2，而虎克铰11一端连接上平台1，另一端与丝杠13螺母机构的螺母12相连，丝杠13底部利用滚动轴承支撑安装在下平台2。丝杠机构的运动方式设计为丝杠13转动，螺母12移动的运动方式，即当对丝杠13施加一个转动输入时，螺母12沿丝杠13的轴线方向产生一定位移。

丝杠13底端有一个斜齿轮15与之固连，与斜齿轮15相互啮合的另一个斜齿轮通过转轴与手轮16连接，转轴在下平台2也通过滚动轴承支撑。

这对斜齿轮15一方面可以传递运动，另一方面可以改变运动方向。传递运动是指，通过转动两个手轮16可将旋转运动传递为丝杠13的旋转运动，当丝杠13转动时，螺母12会在丝杠13轴线方向产生一定的位移，再由虎克铰11作用可改变上平台的位姿。因此，两个手轮16可分别调节上平台1在水平面内的俯仰和滚转角度，当调节上平台1的两个角度参数达到要求值时，再利用手轮16上的锁死螺钉6进行锁死，使手轮16不能再发生转动，以保证上平台1保持当前位姿状态。

电机7与减速机9采用两者轴线垂直分布的方式布局，电机7悬空，减速机9的轴线与上平台1轴线重合，这里减速机9与上平台1采用法兰连接，减速机9输出轴与上平台1采用推力轴承支撑，减速机9输出轴与旋转平台17的转轴采用梅花联轴器21连接。当依据上述的调整方法时，当上平台1的位姿达到要求时，由于减速机9与上平台1由法兰连接，减速机9的输出轴与旋转平台17的转轴由梅花联轴器21连接，则旋转平台17也可达到相应的位姿要求，即相机8的位姿安装要求也满足。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

本发明实施例提供的支撑高速旋转相机的平衡稳定装置包括支撑部件、调整部件、旋转部件三个部分。支撑部分如图5和图6所示，由支腿3、导向轴4、连杆5、锁死螺钉6、转动副18四部分构成，其中支腿3由两个构件构成；调整部分如图7所示，由虎克铰11、螺母12、丝杠13、球铰14、斜齿轮15、手轮16、手轮锁死螺钉19七部分构成，其中丝杠下端的滚动轴承未标注；旋转部分包括电机7、减速机9、法兰10、旋转轴20、联轴器21、旋转平台17、相机8七部分组成。

如图5和图6，三条支腿3组成三角架结构，支腿3由两部分组成，通过两个构件之间的相对移动可改变长度，通过锁紧螺钉6可使得支腿在外力作用下仍能保持现有的长度，导向轴4和连杆5用于支撑三角架，使其稳定，同时还可以增加整个机构的负载，与下平台的铰接点转动副18用于支腿的合拢与展开，上述过程为支腿部分的实现形式。如图5和图7，当人工转动手轮16时，一对啮合的斜齿轮15传递运动又改变与运动方向，使得丝杠13发生转动，如前所述，这时螺母12会产生移动，再通过虎克铰11作用，上平台2的对应角度会发生变化，上述过程为调整部分的实现形式。如图8，电机7产生旋转运动，经减速机9减速后，减速机输出轴与旋转轴20通过联轴器21连接，传递扭矩，同时，减速机9与上平台2通过法兰10固连在一起，旋转轴20通过推力轴承支承于上平台2并与旋转平台17固连，最后相机7安装在旋转平台17上，上述过程为旋转部分的实现形式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。