专利名称：悬吊物体在三维空间内运动的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能使悬吊物体在三维空间内运动的方法。本发明还涉及一种用于实现上述方法的装置，该装置占用的工作空间可动态调
難
iF. O
背景技术：
在体育赛事、电影电视剧拍摄或表演等活动中，经常需要通过绳索(例如钢丝绳、静力绳、…等等)吊起人、道具或摄像机等物体(以下简称悬吊物体)在某一范围的三维空间内运动。悬吊物体的运动不仅需要平滑、平稳、实时，而且在很多场合其装置占用的工作空间也应能快速动态调整。与本发明最直接相关的技术有US2004/0206715A1公开了一种悬吊物体在三维空间内运动的装置，悬吊物体通过绳索和悬吊物体平台连接，当牵引悬吊物体平台移动时，平台通过和悬吊物体连接的绳索拖动悬吊物体跟随移动。该技术的主要缺陷在于，当悬吊物体平台和悬吊物体之间的绳索长度较长时，悬吊物体具有较大的惯性，任何方向上的快速起停操作均会使悬吊物体摆动。这不仅意味着控制时延较大，该装置的稳定性也会比较差，很难达到精确和实时定位的要求。US3065861公开了一种悬吊物体在三维空间内运动的装置，它主要是由两条主滑道上可滑行的滑车通过绳索拖动悬吊物体移动的，其不足之处在于，由于悬吊物体在两侧的绳索上可自由滑动，因此当滑车沿主滑道快速起停时，悬吊物体可能在该方向上来回摆动，呈现一个震荡现象。导致该装置的控制时延较大，稳定性也较差，很难达到精确和实时定位的要求。US7088071B2公开了一种悬吊物体在三维空间内运动的装置，它主要有四个固定角落以及和四个角落通过绳索连接的悬吊物体，通过调节绳索长度来控制悬吊物体在三维空间内运动。该技术的的主要局限性在于，很难根据需要快速调整装置占用的工作空间的大小或位置。这是因为连接悬吊物体和四个固定角落的绳索类似一个“X”形，无论悬吊物体如何移动，这些“X”形交叉绳索很可能成为其他动态或静态物体的障碍，这带来至少两个问题1、即使该装置在非工作状态下，如果有其他悬吊物体也需要在这个空间内运动，那么上面提到的“X”形交叉绳索很可能会影响该悬吊物体的移动，导致其他悬吊物体运动装置无法工作；2、又因为“X”形交叉绳索是由四个固定角落决定的，所以其工作空间也很难快速轻易调整。例如这个“X”形交叉绳索拖动悬吊物体在场地某一空间内工作，其他悬吊物体装置在场地的另一空间内工作，这时就很难快速交换两套装置的工作空间。另外，不通过 控制系统或其他类似手段很难知道运动着的悬吊物体到某一固定位置的实时距离，因此很难在运动着的悬吊物体平台和某固定位置之间单独架设绳索。例如悬吊摄像机进行高清转播等时，需要借助光纤将悬吊物体产生的大量数据实时传回地面，但光纤的部署可能就需要引入控制系统，否则调试起来就会比较繁琐。
US3043444公开了一种悬吊物体在三维空间内运动的装置，它包括两条滑轨以及一个可沿滑轨移动的架子，架子上安装至少三个滚筒，至少三条绳索，绳索的两端分别固定在滚筒和悬吊物体上。通过调整架子在滑轨上的位置、以及悬吊物体到滚筒的绳索长度来实现悬吊物体在三维空间内的定位。其主要不足在于1、因为滚筒、电机自身的重量，对滑轨的负载、刚性等要求非常高，不但部署较难，同时也意味着悬吊物体的重量受限。2、操作员很难快速判断四个滚筒的动作并做相应控制，尤其是需要使悬吊物体在三维方向上同时运动时
发明内容
本发明的目的在于提供一种悬吊物体在三维空间内运动的方法。本发明的又一目的在于提供一种用于实现上述方法的装置，且装置占用的工作空间可动态调整，这既可以很大程度上避免悬吊物体的绳索和其他动态或静态物体的冲突，又极大提高了悬吊物体的稳定性，使悬吊物体的控制能够精确和实时。为实现上述目的，本发明提供的悬吊物体在三维空间内运动的方法，主要包括悬吊物体的对应两侧各连接绳索的一端，绳索的另一端连接在空中的固定点上，将悬吊物体悬吊在空中，并通过如下方法分别控制悬吊物体的X轴、y轴和z轴定位；其中通过增加悬吊物体其中一侧绳索与固定点的长度，同时减小悬吊物体另一侧绳索与固定点的长度，以控制悬吊物体的X轴定位；通过调整悬吊物体对应两侧绳索的固定点位置，或通过增加悬吊物体不同于X轴定位的任何一侧的绳索与固定点的长度，同时减小悬吊物体相对应另一侧的绳索与固定点的长度，以控制悬吊物体的I轴定位；通过同时调整悬吊物体绳索到固定点之间的长度，以控制悬吊物体的z轴定位。所述的方法，空中的固定点由支撑架或建筑物内的横梁结构支撑在空中。本发明提供的用于实现上述方法的装置，主要包括两条滑道，每条滑道上至少有一个滑车；一悬吊物体，通过绳索将其相对的两侧分别连接到两侧滑道上的滑车；通过增加悬吊物体到其中一侧滑道滑车上的绳索的长度同时减小悬吊物体到另一侧滑道滑车上的绳索的长度，以控制悬吊物体的X轴定位；通过调整滑车在滑道上的位置，或通过增加悬吊物体不同于X轴定位的任何一侧到同侧两个滑车上的绳索长度同时减小悬吊物体另一对应侧到同侧两个滑车上的绳索长度，以控制悬吊物体的y轴定位；通过调整悬吊物体到滑车之间的绳索长度，以控制悬吊物体的z轴定位。所述的装置中，所述两侧的滑道分别安装在支撑架上，或安装在建筑物内的横梁结构上。所述的装置中，所述滑车通过绳索与滚筒连接，由电机驱动滚筒从而控制滑车在滑道上移动；滑车在滑道上的移动或用于控制悬吊物体的y轴移动，或用于调整所述装置的工作空间。所述的装置中，所述滑车上安装有走线用的滑轮或槽轮，控制悬吊物体的X轴定位和Z轴定位的绳索穿过滑轮或槽轮同时与X向滚筒和Z向滚筒连接，X向滚筒由X向电机驱动从而控制悬吊物体的X轴定位，Z向滚筒由Z向电机驱动控制悬吊物体的Z轴定位。所述的装置中，电机接到电源上。本发明的效果是I)本发明能够实现通过绳索控制悬吊物体在某一三维空间内平滑移动到任意位置，因此特别适合于电影拍摄、体育赛事、表演等场合。2)本发明能动态改变装置占用的工作空间，既可以很大程度上避免悬吊物体的绳索和其他动态或静态物体的冲突，又极大提高了悬吊物体的稳定性。
图I是本发明的一种实施方式的整体结构立体示意图。图2a、2b、2c分别是图I实施方式的悬吊物体沿y、x、z轴方向运动的控制示意图。图2d给出了在滑道不平行情况下悬吊物体的控制示意图。图2e给出了在滑道平行情况下，若滑车速率不相等或滑车移动过程中悬吊物体到某滑道上的两段绳索的长度不能始终保持相等时悬吊物体的控制示意图。图2f是滑道平行时图I装置的一种基本等效的实施方式示意图。图3a、3b是本发明另两种实施方式的示意图。图4是动态调整同一滑道上两个滑车间距离的示意图。图5给出了一种绳索经过动滑轮的优化示意图。图6a、b、c给出了几种本发明中的滑车安装示意图。图7a、b、c给出了几种不同形状的悬吊物体平台示意图。
具体实施例方式本发明的装置主要包括在所要求三维空间上方两侧架设的两条滑道(例如绳缆索道、工字钢轨道、槽钢轨道，等等)，每条滑道上至少有一个能沿滑道滑行的滑车(滑车上可装有滑轮、槽轮或轱辘等，以减小在滑道上滑行的摩擦力)，以及和滑车通过绳索连接的悬吊物体或悬吊物体平台(该平台作为一种移动载体可挂载摄像机、地质勘测器、测井钩、人或道具等，以用于各种场合。为描述简单，后面除非特别说明，本发明以后统称作悬吊物体)。通过调整悬吊物体到滑车的绳索长度、以及滑车在滑道上的位置，来控制悬吊物体在三维空间内的运动；滑车位置的调整也可用于改变装置所占用的工作空间。用于悬吊物体的绳索的末端可固定在滚筒上(也叫卷筒、卷扬机、卷盘等，本发明均称作滚筒)，滚筒通过电机(电动机、卷扬机等，本发明均称作电机)驱动可以卷起绳索或放出绳索；也可以将一根绳索的中间缠绕在滚筒上，两末端固定在其他物体上，转动滚筒可以增加滚筒到绳索其中一末端的绳索长度同时减小滚筒到绳索另一末端的绳索长度(要求绳索在滚筒上不打滑)。由于悬吊物体沿x、y、z轴方向的运动分别由彼此独立的绳索调整方式实现，因此该装置不需要采用复杂的控制系统即可实现悬吊物体在三维空间内的定位。此外，所有绳索也可以从一个地方控制，因此电机和电源线缆都不需要拉远放置。一些必需的附件也可以安置在悬吊物体平 台上，例如电源、无线接收器等。其中，本发明的装置中采用的滑轮、滑车、滚筒等已被人们所熟知，相关的一些防止绳索磨损和脱轨等小技巧也可以用在本发明中。
下面结合附图作详细描述图I是本发明的一种实施方式的整体结构立体示意图。为了方便理解悬吊物体在三维空间内的运动，图I给出了一个参考坐标系，其中y轴沿滑道31方向并从支撑架70指向支撑架71，X轴垂直y轴从滑道31指向滑道32，z轴同时垂直x轴和y轴从地面指向空中。以下其他图及相关说明均以这个坐标系为准。
如图I，滑道31架设在支撑架70、71上(在建筑物内滑道也可以安装在横梁上、墙上等)，上面有两个可通过绳索牵引而滑行的滑车510、520 ;滑道32架设在支撑架72、73上，上面有两个可通过绳索牵引而滑行的滑车530、540。支撑架70、71、72、73以及两条滑道围住悬吊物体所要运动的空间。每个滑车上至少有一个供绳索走线用的滑轮(或槽轮等，以减小绳索和滑车间的摩擦力。本发明均称滑轮)。悬吊物体007的一侧固定有两根绳索2la、21b，另一对立侧固定至少一个滑轮用于绳索22的走线，绳索2la、2lb、22分别穿过滑车510、520、530、540上的走线滑轮以及支撑架等其他物体上供走线用的滑轮，并与地面控制点例如滚筒连接，滚筒应固定在地面上以避免因悬吊物体重量拖动滚筒随意变换位置。为了清晰起见，图I未画出支撑架等物体上供走线用的滑轮。悬吊物体到四个滑车的绳索即可吊起悬吊物体。通过转动某些滚筒可以同时改变悬吊物体到四个滑车的四段绳索的长度，从而可控制悬吊物体的升降(也即悬吊物体的z轴定位，或称悬吊物体沿z轴方向的运动)；通过转动某些滚筒以增加悬吊物体到某滑道两个滑车上的两段绳索长度同时减小悬吊物体到另一条滑道两个滑车上的两段绳索的长度，从而可控制悬吊物体的X轴定位；通过转动某些滚筒以牵引四个滑车沿两条滑道滑行，从而可通过绳索21、22拖动悬吊物体沿y轴移动，达到控制悬吊物体y轴定位的目的。发电机80为所有电机供电。需要说明的是，为清晰起见，本图所示绳索和滚筒的连接方式并不代表实际的连接方式，其放大的示意图由后面的分解图给出。图2a、2b、2c分别是图I实施方式的悬吊物体沿y、x、z轴方向运动的控制示意图。为清晰起见，所有附图中除了悬吊物体、滑车或横杆203、204、302、113、123上固定的圆圈可看作动滑轮外(这些滑轮始终实时跟随悬吊物体、滑车或横杆运动。参考图5及说明)，其他未作编号的圆圈均是指供绳索走线用的定滑轮(固定在某一静止不动的物体上，但可通过万向转环自由改变方向)。绳索通过各个滑轮引到其他支撑架上。另外为了便于理解，每一根绳索采用一个单独的编号，对于中间绕在某滚筒上而两端固定在其他物体上的同一根绳索，将该绳索以滚筒为界划分成两段，由该绳索编号加后缀a、b来区分，转动滚筒即可增加某一段的长度同时减小另一段的长度。图2a给出了悬吊物体沿y轴方向运动的控制示意图。这是通过绳索牵引滑车沿滑道移动从而拖动悬吊物体一起移动来实现的。如图所示，绳索21的两个末端都固定在悬吊物体007上，绳索22的两个末端固定在滚筒300a、300b上，绳索11的两个末端分别固定滑车510、520上，绳索12的两个末端分别固定在滑车530、540上，滑车510、520由横杆或绳索41连接(41的两末端分别固定在滑车510、520上)，滑车530、540由横杆或绳索42连接(42的两末端分别固定在滑车530、540上)。当滚筒110、120均顺时针转动时(顺时针、逆时针均是以从图面看为准，下同)，导致Ila段绳索和12a段绳索的长度均减小，Ilb段绳索和12b段绳索的长度均增加，绳索11和12就会牵引滑车向y轴负向移动；反之，当滚筒110、120均逆时针转动时绳索11和12就会牵引滑车向y轴正向移动。滑车移动时悬吊物体可以在绳索22上自由滑动，但不能在绳索21上滑动，所以为了使悬吊物体沿y轴运动时尽量不影响悬吊物体007的X轴位置和z轴位置，绳索21a、21b的长度应作相应调整，例如使滚筒IlOb应完 全跟随滚筒110作同步转动(本发明中多个滚筒完全同步转动是指这些滚筒的转向相同，滚筒转动的线速度也相同，也即同一时间段内由这这些滚筒调整的绳索变化量完全相同。这些滚筒可以用一个电机通过齿轮或同轴等驱动。下同)，从而使得悬吊物体到滑车510、520的绳索的长度不因滑车移动而变化。很明显，在两条滑道平行且滚筒110、110b、120完全同步转动的情况下，若其他滚筒不转，那么悬吊物体的运动轨迹将严格平行I轴，且运动过程中悬吊物体的X轴位置和z轴位置均保持不变；在其他情况下例如滑道不平行或滚筒110和120线速度不相等时，悬吊物体的运动方向可能不是严格的平行I轴，即运动过程中悬吊物体的x、z轴位置也可能跟随发生变化(图2d、2e将解释这一情况)，即使如此，本发明这一实施方式仍然适用于多数场合，为了描述简单，本发明仍将通过滑车移动而控制的悬吊物体的运动方向称作y轴方向。另外因为悬吊物体在y轴上的可活动行程比滑道要短，所以该实施方式以及图3a所示实施方式中，支撑架和滑道所围的空间也应比所要求的悬吊物体的运动空间稍大些。显然，牵引滑车沿滑道移动也意味着改变了装置占用工作空间的位置，例如在装置非工作状态下，可以将悬吊物体放在滑道的某一尽头以避免绳索和场地中其他动态或静态物体的冲突。需要说明的是，本发明所有附图中的绳索连接方式并不是唯一的，本领域技术人员可很容易采用其他绳索连接方式以实现本发明所述的绳索的长度调整方式。例如两条滑道平行时绳索22也可以像21 —样两末端均固定在悬吊物体上，这将由图2e作详细解释；又例如绳索11的两个末端可分别固定在滑车510、530上，绳索12的两个末端可分别固定在滑车520、540上，只要能调整绳索可使四个滑车按期望方向移动即可。图2b给出了悬吊物体沿X轴方向运动的控制示意图。原理上这是通过增加悬吊物体到某滑道滑车上的绳索长度同时减小悬吊物体到另一条滑道滑车上的绳索的长度来实现的。如图所示，当滚筒200a逆时针转动卷起绳索201时，就会拉动横杆203向接近滚筒200a的方向移动，相当于卷起绳索21，从而使得悬吊物体到滑车510、520的两段绳索的长度减小；反之当滚筒200a顺时针转动时就会使得悬吊物体到滑车510、520的两段绳索的长度增加。需要说明的是两段绳索21a、21b均可自由穿过横杆203上固定的两个滑轮，图5将作进一步解释。同样，滚筒200b也可通过横杆204增加或减小悬吊物体到滑车530、540之间的两段绳索的长度。当滚筒200a和200b均顺时针转动时，悬吊物体到滑车530、540上的两段绳索的长度减小，悬吊物体到滑车510、520的两段绳索的长度增加，从而使得悬吊物体向X轴正向移动；反之当滚筒200a和200b均逆时针转动时，悬吊物体就会向X轴负向移动。实际装置中200a和200b也可以用一个滚筒200来实现，这时201和202可看作同一根绳索以滚筒200为界划分的两段。在两条滑道平行的情况下，若仅转动滚筒200a、200b且保持悬吊物体到任何一条滑道上的两段绳索的长度相等时，悬吊物体沿X轴方向运动过程中其I轴位置将保持不变，且其轨迹将是一个平行于XOZ平面的椭圆弧(根据椭圆定义)。在滑道距离一定时悬吊物体到四个滑车的四段绳索的总长度越小，椭圆弧轨迹越扁，四段绳索的总长度越大，轨迹越接近圆弧形状。由于多数运动场、体育场等周边有看台，一般悬吊物体运动到边界时都要求比场中央的位置稍高些以避免触碰到看台，因此本发明可以用于大多数场合；在两条滑道不平行或悬吊物体到某滑道滑车上两段绳索的长度不等的情况下，通过上述转动滚筒200a、200b的方法控制悬吊物体时其运动方向可能不是严格的平行X轴，即X轴定位过程中悬吊物体的I轴位置也可能发生变化(参考图2d、2e)，这可能使得悬吊物体到滑车530、540的两段绳索的总长度虽然是增加(或减小)的，但其中一段绳索的长度却可能保持不变甚至减小(或增加)，即使如此，本发明这一实施方式仍然适用于多数场合，当然这也可以通过改变滑道安装位置、滑车初始安装位置、动态调整滑车位置等方法使得悬吊物体到滑车530、540的两段绳索的长度均增加或均减小。同样，在按图2c方法作z轴定位时或按图3b实施方式控制悬吊物体时，也可能存在悬吊物体到某条滑道的一段绳索长度减小而另一段绳索长度增加的现象，这也可以用类似办法解决。为了描述简单，本发明仍将采用图2b方法引起的悬吊物体的运动方向仍然称作X轴方向。如果要实现悬吊物体007严格平行1轴的运动轨迹，则可以通过控制滚筒3008、30013、300(3、110、120来调整悬吊物体的高度以及y轴位置，这几个滚筒的控制可通过手动实现，也可引入控制系统，根据悬吊物体到四个滑车的距离等参数实时计算出各滚筒的转向、速度等。
图2c给出了悬吊物体沿z轴方向运动的控制示意图。这是通过同时调整悬吊物体到所有滑车的四段绳索的长度来控制的。如图所示，当滚筒300c、300a、300b均顺时针转动时，悬吊物体007到滑车510、520、530、540上的四段绳索的长度均减小，从而导致悬吊物体上升；反之，当滚筒300c、300a、300b均逆时针转动时，由于悬吊物体的重量就会导致悬吊物体下降。为了使四段绳索长度的变化量相等，滚筒300c的线速度应该是300a、300b的一半。需要注意的是，只有悬吊物体到两侧滑道的四段绳索长度全部相等时，仅转动滚筒300a.300b.300c来控制的悬吊物体的升降方向才严格平行z轴；否则悬吊物体的升降与z轴会有一个微小的偏差。即使如此，本发明也可以满足大多数应用。为叙述简便，本发明仍然用Z轴表示悬吊物体的升降方向。如果要使悬吊物体的Z轴定位严格平行Z轴，可通过手动调整X、y轴方向定位用的滚筒，或引入控制系统，根据滑道之间的距离等参数动态计算各滚筒的速度等。很明显，图I实施方式中，如果需要在悬吊物体和地面某点之间另外架设一条绳索作其他用途时，该绳索的控制方式需要与21a或21b完全一致。例如架设光纤将悬吊物体采集的数据实时传播到地面时，可在滑车510上再加一个走线滑轮，光纤两末端分别固定在某滚筒(记为105)和悬吊物体上，光纤长度的调整方式与图2a、2b、2c中21a或21b段绳索的长度调整方式完全一致，即除滚筒105完全跟随110转动外，滚筒200a、300c对光纤长度的调整要与对21a或21b段绳索的长度调整始终完全相同；当然，也可以将21a、21b用两根绳索代替，而将光纤置于绳索21a或21b中，只要这两根绳索的长度调整方式仍与图2a、2b、2c —致即可。图2d给出了在滑道不平行情况下悬吊物体的控制示意图。这仍然可以按照图2a、2b、2c所示的方法来控制悬吊物体的移动，绳索与滚筒的连接方式仍与图2a、2b、2c保持一致，为清晰起见，图中未画出这些连接。需要注意的是此时悬吊物体沿X、I、z三个轴的运动方向不是完全正交的。例如在图2d中按图2a方法牵引滑车向图面上方或向图面下方移动过程中，会存在悬吊物体的高度降低或升高的情况，X轴位置也可能变化，需要说明的是，即使在滑道非笔直的情况下，也可能存在上述这种情况，这时可按图2b、2c所示方法通过转动相应滚筒使得悬吊物体在x、z轴上按期望方向变化。又例如按图2b方法牵引悬吊物体在两个滑道间移动时，悬吊物体的y、z轴位置也可能跟着变化，这时可按图2a、2c所示方法通过转动相应的滚筒使得悬吊物体在y、z轴上按期望方向移动。同样控制悬吊物体按图2c方法仅做z轴定位时，也可能会导致悬吊物体的x、y轴位置发生变化，这可按图2a、2b所示方法通过转动相应的滚筒使得悬吊物体在x、y轴上按期望方向移动。即使如此，按图2a、2b、2c所述方法调整该装置中相应绳索的长度从而控制悬吊物体在三维空间内的运动，其效果仍然能满足很多场合要求。如果要使悬吊物体能严格沿某一方向移动，可以引入控制系统根据滑道间距离等参数实时计算出各滚筒的转向和转速。 图2e给出了在滑道平行情况下，若滑车速率不相等或滑车移动过程中悬吊物体到某滑道上的两段绳索的长度不能始终保持相等时悬吊物体的控制示意图。如图两条滑道虽然长度相等但从图面看一个靠上，一个靠下，又或者两条滑道长度不等但滑车均需从滑道的一头移动到另一头。这种环境下虽然仍可通过图2a、2b、2c所示方法来控制悬吊物体的移动(图2e中绳索和滚筒的连接和图2a、2b、2c保持一致，为清晰起见，图中未画出)，但和图2d类似，悬吊物体沿x、y、z三个轴的运动方向不是完全正交的。即使如此，按图2a、2b、2c所述方法调整该装置中的绳索长度从而控制悬吊物体在三维空间内的运动，其效果仍然能满足很多场合要求。如果要使悬吊物体能严格沿某一方向移动，可以引入控制系统根据滑道间距离等参数实时计算出各滚筒的转向和转速。由上面所述可知，分别按图2a、2b、2c所示方法控制悬吊物体移动时，其方向可能不是严格的正交关系，为了使这些方向尽量正交，架设的两条滑道应尽量平行，滑车510、520之间的间距尽量与滑车530、540之间的间距相等，且运动过程中应通过一些熟知方法使悬吊物体到任一滑道两个滑车上的两段绳索的长度始终保持相等。图2f是滑道平行时图I装置的一种基本等效的实施方式的示意图。在滑道平行情况下只要按图2a方法牵引滑车沿滑道移动时可以使得悬吊物体到任一滑道两个滑车上的两段绳索的长度始终保持相等，绳索22就可以像绳索21 —样其两个末端均固定在悬吊物体上，为清晰起见只画出了绳索22的连接示意图，这时滚筒120b完全跟随图2a中滚筒120同步转动，以实现悬吊物体的y轴定位；滚筒200b代替图2b中的滚筒200b，且与图2b中滚筒200a配合一起转动，以按图2b所述方法实现悬吊物体的X轴定位；滚筒300a、300b代替图2c中的300a和300b，和滚筒300a、300b分别连接的两个圆圈也是动滑轮，两个滚筒均顺时针转动时拉动动滑轮从而卷起绳索22a和22b，使得悬吊物体到滑车530、540的两段绳索长度均减小，反之当滚筒300a、300b均逆时针转动时，由于悬吊物体的重量就会使得悬吊物体到滑车530、540的两段绳索长度均增加。滚筒300a、300b与图2c中滚筒300c配合一起转动，以按图2c所述方法实现悬吊物体的z轴定位。图3a是本发明的一种采用三根绳索控制悬吊物体的示意图。如图，与图2a相比，悬吊物体右侧固定一根绳索22，绳索的另一端与地面控制点如滚筒连接。采用三根绳索一方面可以减小装置的工作空间，另一方面某种程度上也相对简化了绳索连接方式。302、304、124、204均是动滑轮。该实施方式中悬吊物体沿y轴方向的运动控制与图2a类似，都是通过转动滚筒110、120从而牵引滑车沿滑道移动来实现的，同时滚筒IlOb完全跟随110同步转动、滚筒120b完全跟随120同步转动。为清晰起见，图中没有画出固定在滑车上的绳索。悬吊物体沿X轴方向的运动仍然是通过增加悬吊物体到某滑道上的绳索的长度同时减小悬吊物体到另一滑道上的绳索的长度来实现。如图，滚筒200a转动可通过横杆202增加或减小悬吊物体到滑道31的两段绳索的长度，滚筒200b转动可通过动滑轮204增加或减小悬吊物体到滑道32的绳索的长度。滚筒200a、200b均顺时针转动时，悬吊物体到滑道32的绳索长度减小，到滑道31的绳索长度增加，悬吊物体向滑道32方向移动；反之滚筒200a、200b均逆时针转动时，悬吊物体向滑道31方向移动。同理，悬吊物体沿z轴方向的运动可通过滚筒300a、300b、300c来实现，当他们都顺时针转动时，悬吊物体到所有滑车上的绳索长度均减小，悬吊物体上升；反之当滚筒300a、300b、300c均逆时针转动时，悬吊物体下降。需要说明的是，悬吊物体到两条滑道的绳索不对称，因此在不借助控制系统的情况下，该实施方式的定位精度可能没有图2实施方式理想，例如在控制悬吊物体沿z轴运动时带来的悬吊物体的I轴、X轴变化量相比图2实施方式可能更大，但该实施方式仍然能满足多数场合的应用要求。图3b是本发明另一种实施方式的示意图。如图，悬吊物体的四侧固定四个滑轮， 绳索26a、26b、27a、27b分别穿过四个滑轮将悬吊物体悬吊在空中。虚线框91、92可以固定在墙壁上或支撑架上等保持静止不动，也可以像550、560 —样做成滑车，即各用一根绳索牵引以沿滑道滑动。为清晰起见本图没有将91、92当作滑车画出，但为了描述简单本发明仍将91、92称作滑车。该装置中悬吊物体在三维空间内的运动是通过调整悬吊物体到滑车550、560、91、92的绳索长度来实现的。滚筒201控制悬吊物体的x轴定位，当滚筒201顺时针转动时，悬吊物体到滑车560、92上的四段绳索的总长度均减小，到滑车550、91的四段绳索的总长度均增加，从而导致悬吊物体向X轴正向移动；反之当滚筒201逆时针转动时，悬吊物体到滑车550、91上的四段绳索的总长度均减小，到滑车560、92上的四段绳索的总长度均增加，从而导致悬吊物体向X轴负向移动。滚筒101控制悬吊物体的y轴定位，当滚筒101顺时针转动时，悬吊物体到滑车550、560的四段绳索的总长度均减小，到滑车91、92的四段绳索的总长度均增加，从而导致悬吊物体向y轴负向移动；反之当滚筒101逆时针转动时，悬吊物体到滑车550、560的四段绳索的总长度均增加，到滑车91、92的四段绳索的总长度均减小，从而导致悬吊物体向y轴正向移动。滚筒300a和300b的转动完全同步，通过收放绳索26、27来控制的升降(即z轴定位)，当滚筒300a、300b顺时针转动时，绳索26、27被卷起，导致悬吊物体上升；反之当滚筒300a、300b逆时针转动时，绳索26、27被放长，导致悬吊物体下降。需要说明的是类似图2d或2e，上述悬吊物体沿x、y、z三个轴的运动方向可能不是完全正交，但所述装置仍可以满足大多数场合的应用。在需要精确定位的场景中，可通过引入控制系统根据场地等参数动态计算出每个滚筒的速度等。滚筒130、140分别控制滑车550、560沿滑道方向运动。在装置非正常工作状态时，可以通过130、140以及可能的滑车91、92来动态改变装置占用工作空间的位置或大小，图4将对这种情况作详细解释。显然，牵引滑车沿滑道移动时相应的也会引起悬吊物体的y轴位置变化。需要注意的是，移动滑车过程中，悬吊物体到每个角落的两段绳索长度变化可能不一致，这需要适当的控制滚筒101、201和300a、300b，以避免倾斜、触地或过高等。与图2所述实施方式相比较，图3b所述实施方式主要有两个不足1)悬吊物体作y轴定位时也会引起z轴位置的变化；2)调整工作空间时操作比较复杂，不仅需要控制滚筒300，还得仔细协调滚筒101和201的转动。图4给出了一种动态调整同一滑道上两个滑车间距离的示意图。当连接悬吊物体和滑道的绳索变成一种障碍时，很可能需要减小装置占用的工作空间。注意实现此功能时其他附图中连接两个滑车的编号41和42所代表的绳索或横杆可以去掉。如图，绳索16 —端固定在滚筒Illc上,一端固定在滑车510上；绳索17 —端固定在滚筒Illb上,一端固定在滑车520上；绳索18 —端固定在滚筒121b上，一端固定在滑车530上；绳索19 一端固定在滚筒121c上，一端固定在滑车540上。滚筒Illa的线速度应是滚筒Illb的一半，滚筒121a的线速度应是滚筒121b的一半。在装置正常工作状态下，滚筒Illa和121a保持不动，滚筒IllbUllc完全跟随滚筒110同步转动，滚筒121b、121c完全跟随滚筒120同步转动。当需要减小滑车510和520间距以及滑车530和540间距时，滚筒Illb和Illc分别卷起绳索17和16，滚筒Illa放长绳索112，相当于绳索11的两个末端更接近，从而缩短滑车510、520间距；同样121b和121c分别卷起绳索18和19，121a放长绳索12，相当于绳索12的两个末端更接近，从而缩短滑车530、540间距。增加滑车间距时反向转动滚筒111a、IllbUllc和121a、121b、121c即可。需要注意的是，动态调整过程中的高度会有变化，这时可手动控制负责悬吊物体z轴定位的滚筒避免触地或过高，也可以通过控制系统自动实现。当然，在实际装置中要实现这一功能，绳索11、12，以及滚筒110、120、llla、121a均可去掉，只要能使滑车按期望方向移动即可，本领域的技术人员可以很容易实现这点。图5给出了一种绳索经过横杆上动滑轮的优化示意图。通常滑轮的直径比较小，如果穿过同一个动滑轮的两段绳索相距太近时，容易互相缠绕，这时可通过使用两个滑轮来拉开两根绳索的距离，以避免绳索缠绕影响装置正常工作。如图，绳索21a穿过横杆203上固定的滑轮213、214连接到滚筒IlOb上，绳索21b穿过横杆203上固定的滑轮215、216也与滚筒IlOb连接。图6a、图6b、图6c分别是本发明中的滑车安装示意图。图6a是单个滑车示意图。图6b是两个滑车通过横杆或绳索41相连的示意图。图6b中的两个滑车也可以合并成图6c中的一个滑车，例如在两个滑车距离比较近的情况下。滑道32上的滑车安装与此类似。图7a、图7b和图7c给出了几种悬吊物体平台的实现示意图。图7c给出了一种吊摄像机等平衡性要求较高的悬吊物体平台的示意图，由配重801、内外环框架以及连杆等组成。这样无论运动时外环如何倾斜，中间的连杆几乎可以随时可与地面保持垂直，从而使得下面连接的平台及其上面安装的摄像机几乎始终保持水平。除此之外，悬吊物体平台可以 是其他不规则形状的物体。本发明简单易实施，不需要复杂的控制系统即可精确和实时地实现悬吊物体在三维空间内的定位，同时不仅很大程度上有效避免了悬吊物体的绳索和其他动态或静态物体的冲突问题，也极大提高了悬吊物体的稳定性，从而达到完美的表演或拍摄等效果。
权利要求
1.一种悬吊物体在三维空间内运动的方法，主要包括 悬吊物体的对应两侧各连接绳索的一端，绳索的另一端连接在空中的固定点上，将悬吊物体悬吊在空中，并通过如下方法分别控制悬吊物体的X轴、y轴和Z轴定位；其中通过增加悬吊物体其中一侧绳索与固定点的长度，同时减小悬吊物体另ー侧绳索与固定点的长度，以控制悬吊物体的X轴定位； 通过调整悬吊物体对应两侧绳索的固定点位置，或通过增加悬吊物体不同于X轴定位的任何一侧的绳索与固定点的长度，同时减小悬吊物体相对应另一侧的绳索与固定点的长度，以控制悬吊物体的y轴定位； 通过同时调整悬吊物体绳索到固定点之间的长度，以控制悬吊物体的z轴定位。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述的空中的固定点由支撑架或建筑物内的横梁结构支撑在空中。
3.ー种实现权利要求I所述方法的装置，主要包括 两条滑道，每条滑道上至少有ー个滑车； ー悬吊物体，通过绳索将其相対的两侧分别连接到两侧滑道上的滑车； 通过增加悬吊物体到其中一侧滑道滑车上的绳索的长度同时减小悬吊物体到另ー侧滑道滑车上的绳索的长度，以控制悬吊物体的X轴定位； 通过调整滑车在滑道上的位置，或通过增加悬吊物体不同于X轴定位的任何ー侧到同侧两个滑车上的绳索长度同时减小悬吊物体另ー对应侧到同侧两个滑车上的绳索长度，以控制悬吊物体的y轴定位； 通过调整悬吊物体到滑车之间的绳索长度，以控制悬吊物体的z轴定位。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述两侧的滑道分别安装在支撑架上，或安装在建筑物内的横梁结构上。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述滑车通过绳索与滚筒连接，由电机驱动滚筒从而控制滑车在滑道上移动；滑车在滑道上的移动或用于控制悬吊物体的y轴移动，或用于调整所述装置的工作空间。
6.根据权利要求3或5所述的装置，其中，所述滑车上安装有走线用的滑轮或槽轮，控制悬吊物体的X轴定位和Z轴定位的绳索穿过滑轮或槽轮同时与X向滚筒和Z向滚筒连接，X向滚筒由X向电机驱动从而控制悬吊物体的X轴定位，Z向滚筒由z向电机驱动控制悬吊物体的z轴定位。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中，所述电机接到电源上。
全文摘要
一种悬吊物体在三维空间内运动的方法，包括悬吊物体的对应两侧连接绳索的一端，绳索的另一端连接在空中的固定点上，将悬吊物体悬吊在空中，并通过调整悬吊物体对应两侧的绳索长度或固定点的位置分别控制吊物体的x轴、y轴和z轴定位。本发明还公开了用于实现上述方法的装置。本发明占用的工作空间可动态调整，这既可以很大程度上避免悬吊物体的绳索和其他动态或静态物体的冲突，又极大提高了悬吊物体的稳定性，使悬吊物体的控制能够精确和实时。
文档编号B66C13/04GK102627227SQ201210073818
公开日2012年8月8日 申请日期2012年3月20日 优先权日2012年3月20日
发明者方忠民 申请人:方忠民