二自由度云台的结构设计与分析

赵天宇

摘要：云台作为支撑相机的运动组件，在工业巡检机器人、安防机器人或警车监控等领域应用非常广泛。二自由度云台能够实现水平和俯仰两个方向的运动，其通过搭载机器人头部或相机等实现类人化的运动及空间大范围的实时监控。本文通过对一款二自由度云台的结构设计与分析，从整体方案的设计到基础参数的确定，再到机构方案的布局和建模分析，最终实现对云台的细节结构设计，实现对二自由度云台的机械产品设计，并利用机械建模软件solidworks完成云台的结构建模，为云台的后续模块化运用提供技术支撑。

Abstract： As a moving component supporting the camera， the head is widely used in industrial inspection robots， security robots， or police vehicle monitoring. The two-degree-of-freedom head can realize the movement in both the horizontal and pitch directions， and it can realize human-like movement and large-scale real-time monitoring in space by carrying a robot's head or camera. In this paper， through the structural design and analysis of a two-degree-of-freedom head， from the design of the overall plan to the determination of basic parameters， to the layout and modeling analysis of the mechanism plan， the detailed structural design of the head is finally achieved， and the mechanical product design of the two-degree-of-freedom head is realized， and the mechanical modeling software solidworks is used to complete the structural modeling of the head， providing technical support for the subsequent modular application of the head.

關键词：云台;二自由度;结构;建模

Key words： head;two-degree-of-freedom;structure;modeling

中图分类号：TP242                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0159-02

1  云台的功能及应用

云台最初是用来支撑和固定相机的[1]，其分为固定云台和电动云台两种。其中固定云台类似于相机常用的支撑三脚架，仅仅起到支撑和手动调节的功能。电动云台可以通过电动机构控制云台进行一定的运动，从而使搭载的相机可以转动到相应的位置。云台与相机的结合使用通常有两种形式，分别为内嵌式和分离式。其中内嵌式运用于云台相机中，在监控、安防等领域使用较为广泛。分离式组合可以将云台和相机分别独立。另外云台作为一个独立的设备，可以运用在其他领域。

电力巡检机器人[2]代替工人在室外或恶劣条件下进行电缆等设施的定期检测，如图1所示，其头部通过云台实现多范围，大空间的实时监控及热成像显示。同样在警车的实时监控中[3]，也是通过云台搭载的摄像头对车子经过的区域进行监控和摄像。在服务机器人领域，云台作为机器人头部运动的动力源，可以使机器人头部能够灵活运动，达到类人化的效果。

云台的设计及运用采用了模块化的设计思路，将云台作为一个独立的模块进行设计制造，可使其通用性极大增强。模块化的云台可实现快速拆装，为后续的维护提供极大的便利。

2  机构方案设计

对于云台的设计与分析，首先需要明确具体的设计要求，确定云台设计的主要参数及类型。设计之初需要进行基本的机构方案比较与分析，确定最终的机构布局，之后再进行具体的结构设计。

2.1 云台设计的需求分析

云台主要应用于室外巡检机器人或服务型机器人头部，其通常需要实现两个自由度的运动，并且在满足额定负载的情况下，结构应尽可能小巧简单，并且需考虑到便于安装拆卸，包括云台自身的安装及附属零部件的安装。初步设定云台的整体尺寸在150mm*100mm*80mm的尺寸空间内，额定负载为5kg，设计时需考虑偏载对整体结构的影响。

2.2 不同机构形式比较

要实现两个自由度运动的机构方案，可以考虑连杆机构，带传动机构、齿轮机构或蜗轮蜗杆传动机构。考虑到整体的空间紧凑性，本次设计中不考虑采用连杆机构。对于齿轮机构和涡轮蜗杆机构的比较，齿轮传动两齿轮的中心转轴相互平行，其传动比通常较小，但传动效率高，通常能达到80-90%，齿轮传动不具有自锁性。而对于蜗轮蜗杆传动[4]，蜗轮与蜗杆的中心转轴空间垂直，其通常可实现较大的传动比，但传动效率较低，通常在50%以下，蜗轮蜗杆传动一般都具有自锁性。

考虑到实际云台的整体方案和安装布局，需要借助同步带传动进行运动方式的转变，从而实现两个基本自由度的运动。

2.3 机构方案设计与布局

对于机构方案的设计布局，由于云台最终需要安装在固定支座上，要实现绕竖直轴的水平转动，可在云台末端设计齿轮传动或蜗轮蜗杆传动形式。如图2所示，左侧电机通过同步带传动带动蜗杆转动从而带动蜗轮转动，由于蜗轮固定在安装基座上，电机会使得云台作水平方向的转动。同理，右侧电机可通过同步带及蜗轮蜗杆传动实现蜗轮轴两侧法兰盘的俯仰运动。

3  结构设计与分析

对于二自由度云台的结构设计，从动力源、传动机构和执行机构三部分进行设计分析。动力源部分主要是指电机的选型和参数的确定，传动部分为机械结构设计的核心部分，主要包括带传动及蜗轮蜗杆传动中参数的确定和分析;执行部分分别为两个自由度末端的法兰，通过法兰与外部器件連接实现两个自由度的运动。

3.1 电机的选型

对于电机的选型设计，在实际工业中集成的电机类型主要包括直流电机、伺服电机及步进电机等。其中，直流电机和伺服电机具备高转速、低扭矩的特点，而步进电机通常转速较低，且力矩较大。对于二自由度云台机构，因为通常使用在巡检或服务机器人头部，其具备速度低、且需要的力矩较高的特点，因此在本次设计中选用步进电机作为云台的动力输出[5]。

考虑到云台的整体尺寸和负载大小，选型42系列的步进电机均可为两个方向运动提供动力。

3.2 蜗轮蜗杆及带传动设计

蜗轮蜗杆传动是机械领域十分常见的一种啮合传动形式，其通过能够实现较大的传动比，并且具有自锁能力。在云台的设计过程中，首先需要确定末端负载的大小，通过蜗轮蜗杆的力学计算确定其基本参数值的大小，主要包括轮齿的模数及齿数等，再结合整体的布局，确定蜗轮蜗杆的其他参数，包括连接轴的尺寸，连接固定方式等。

为实现二自由度云台较紧凑的结构，需要采用带传动的机构方案对电机输出轴和末端执行机构进行连接。带传动改变运动的输出方向，使得电机可以跟蜗轮蜗杆机构平行布置，避免硬性连接导致的整体尺寸过于狭长。带传动具有一定的传动柔性，并且噪音小，传动平稳。在对其进行设计计算中，首先需要通过对负载及带轮转速的计算确定带的类型和基本参数。带传动设计时，需要考虑带的尺寸标准化以及安装过程中的张紧方式。带的长度确定首先通过初始的带轮布置位置和尺寸确定初始长度，通过查找带长标准确定需要选型的最终带长，再通过该带长反推带轮的中心距[6]，进而进行带轮位置的微小调整。带轮的张紧通常可以通过添加张紧轮或者将带轮设计成可调整状态来实现。

3.3 其他结构细化设计

对于电机的安装固定，步进电机通过输出轴四周的螺纹孔进行固定，为便于带轮张紧，可将与电机固定的连接件做成腰孔形式。电机输出轴直接通过键与带轮连接。对于键的设计，需要通过计算传动扭矩的大小确定键的宽度和高度，从而确定其最终选型。键可以传递电机输出轴与带轮之间圆周方向的力和运动，而两者的固定需要通过在带轮上拧顶丝顶在电机轴上。带轮与蜗杆之间的连接固定方式与电机轴端基本一致。

对于二自由度云台的执行端方案设计，其水平运动可直接通过将水平运动机构中的涡轮固定在基座上，电机带动蜗轮蜗杆转动，蜗轮的固定使得云台整体沿着蜗轮作旋转运动。其竖直俯仰运动以类似的方式实现，在末端蜗轮轴的两端设计两个法兰，法兰与外界需要运动的器件进行连接，从而实现其两个方向的自由度。

4  结论

通过对二自由度云台的结构设计和分析，可得出以下结论：

①二自由度云台应用非常广泛，其模块化的设计思路使得云台的可维护性和通用性大大增强;

②同步带传动和蜗轮蜗杆传动的结合可使得云台结构紧凑，并具备自锁性能，达到较大的传动比从而实现大负载条件下的工作;

③步进电机具备高扭矩低转速的特点，并且成本较低，适合在云台设计中使用;

④本文对云台的应用及主要结构设计进行了分析研究，其细节结构设计及仿真分析还有待于进一步研究。

参考文献：

[1]无人机视觉稳定云台系统设计[D].哈尔滨工程大学，2012.

[2]鲁守银，钱庆林，张斌，等.变电站设备巡检机器人的研制[J].电力系统自动化，2006，30（13）：94-98.

[3]佚名.警车改装无线车载视频监控系统，CN202231808U[P].2012.

[4]刘洁.蜗轮蜗杆传动优化设计研究[J].机械传动，2008，32（2）：53-54.

[5]范超毅，范巍.步进电机的选型与计算[J].机床与液压，2008，36（5）：310-313.

[6]庄工.同步带传动的设计计算和使用[J].机械制造，1989（12）：9-12.