多功能手持摄影器材
技术领域
本发明涉及摄影拍摄装置的位置控制技术领域，具体涉及一种多功能 手持摄影器材。
背景技术
在进行影视拍摄、体育竞技等场合，用户常常会需要使用运动摄影的 方式或者手法进行拍摄。运动摄影是指在拍摄一个镜头时，摄影机进行持 续性运动的摄影方式。也就是说在一个镜头中通过移动摄像机机位，或者 改变镜头光轴，或者变化镜头焦距所进行的拍摄。通过这种拍摄方式所拍 到的画面，称为运动画面。如：由摇、移、跟、升降摄像和综合运动摄像 形成的摇镜头、移镜头、跟镜头、升降镜头和综合运动镜头等。
在诸如影视剧拍摄进行运动摄影时，当前主要是通过摄像师借助手摇 设备(诸如摇臂等)在拍摄的时候来承载摄像机从而在空间当中形成顺畅的 运动，并且可对摄像机俯仰、转向进行操作，从而形成动态电视画面。现 有的手摇摇臂，摄影师需要通过双手对摇臂臂身进行水平俯仰的摇移运 动，并且通过遥控手柄来进行水平俯仰、转向、摄像机聚焦变焦等操作， 所拍摄画面品质完全依赖摄像师的拍摄水准，一旦需要重复按照相同轨迹 对摇臂和镜头进行操作，人工拍摄很难达要求。并且，人工拍摄的画面品 质将不可避免地受到摄影师的身体抖动的影响，尤其是由于摇臂本身并不 具有竖向减震的功能，使得在运动拍摄过程中由于身体步行造成的竖向抖 动将不可避免地传递到摄像机，从而无法满足对拍摄画面的画质要求较高 的应用场景的实际需求。换言之，传统的人工操作，已经难以应付需要复 杂拍摄轨迹和高拍摄画质的拍摄需求。并且手摇设备的购置成本很高，普 通消费者难于承担。
手持稳定器具备电子增稳能力，利用诸如惯性测量单元检测出相机的 姿态，再根据相机的目标姿态与实际姿态计算出抖动量，利用电机进行反 馈补偿，将计算出来的抖动量消除，达到电控增稳效果。手持稳定器的优 势在于增稳能力强，对微小抖动都能补偿掉，抗外界扰动能力强，增稳能 力跟设备调试的精准度和摄影师的操作关系不大。然而，当前的手持稳定 器受到其自身体积的约束，稳定和补偿运动的范围较为有限。在无法在脱 离人手操作的情况下，三轴稳定器只能控制相机在稳定器的三个电机轴限 定的空间范围中运动，范围是有限的，对于许多特定轨迹的拍摄是不足够 的。
因此，行业内仍存在提供一种运动范围大的、功能多样的、带有运动 增稳功能的、价格低廉的摄影器材。
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 多功能手持摄影器材，从而能够更好地用户在运动摄影应用场景时的种种 需求。
根据本发明的一方面，提供了多功能手持摄影器材，其被构造成允许 对载荷辅助拍摄，其特征在于，包括：增稳式手持机架，其中所述手持机 架具有：相对设置的第一管体部和第二管体部；俯仰增稳电机，其包括连 接至所述第一管体部的俯仰增稳电机壳体和能相对于所述俯仰增稳电机 壳体绕俯仰轴线枢转的俯仰增稳电机转子；连杆，其包括限定出横滚轴线 的安装座和自所述安装座的两侧延伸出的一对连接臂，其中第一连接臂连 接至所述俯仰增稳电机转子且第二连接臂可枢转地连接至所述第二管体 部，其中所述横滚轴线与所述俯仰轴线彼此是正交的；横滚增稳电机，其 包括连接至所述连杆的安装座的横滚电机壳体和能相对于所述横滚电机 壳体绕横滚轴线枢转的横滚增稳电机转子；竖向增稳装置，其具有：固定 安装至所述横滚增稳电机转子的壳体；能相对于所述壳体竖向运动的、固 定连接所述载荷的支承杆，其中所述竖向增稳装置被构造为能以增稳模式 或锁定模式操作，其中在所述增稳模式下，所述支承杆能相对于壳体运动 以对所述载荷竖向增稳，在所述锁定模式下，所述支承杆相对于壳体以确 定的长度被锁止；设置在所述支承杆端部的姿态传感器，其用于获取所述 竖向增稳装置在空间上的姿态信息；控制装置，其被构造成在竖向增稳装 置处于增稳模式时基于来自所述姿态传感器的姿态信息控制俯仰增稳电机和/或横滚增稳电机动作以将所述竖向增稳装置和载荷保持在竖直状态， 或在所述竖向增稳装置处于锁定模式时基于来自所述姿态传感器的姿态 信息控制所述俯仰增稳电机和/或横滚增稳电机动作以允许所述载荷在空 间内以确定的轨迹运动。
由此，与现有技术相比，根据本发明的多功能手持摄影器材实现了一 机多能：不仅能够消除用户在步进拍摄时的竖向震动、还能够在用户做变 加速或者变减速运动过程期间使竖向增稳装置依然保持在竖直状态从而 确保可能地竖向增稳效果，并且还能与现有摇臂一样在空间范围内实现 摇、移、跟、升降摄像等运动。根据本发明的多功能手持摄影器材不但显 著地降低了用户购置摄影器材的花费，还便于用户减少进行户外摄影所需 携带的行李重量和体积，从而大大地提高用户的好感度和满意度。
在一个优选实施方式中，所述竖向增稳装置还包括：以能绕一枢转轴 线枢转的方式安置在壳体内的平衡轮，所述平衡轮还操作连接至所述支承 杆以带动所述支承杆相对于壳体竖向运动；连接至所述枢转轴的弹性件， 其中所述支承杆通过所述弹性件的弹力支撑所述载荷并平衡载荷的重力； 操作连接至所述平衡轮的竖向增稳电机，其中竖向增稳电机转动时驱动所 述支承杆在竖向上反向于竖向震动运动以对载荷进行竖向增稳。由此，通过主动增稳的方式对载荷进行竖向增稳，能够有效地滤除用户步进时的微 小的竖向抖动，且响应速度更快、竖向增稳效果更好。
在一个优选实施方式中，所述平衡轮为与所述竖向增稳电机的转子一 体形成的平衡同步轮，其经由沿其外周布置的两条同步带分别连接至所述 支承杆的相对两端以旋转驱动所述支承杆运动。由此，允许以成本低廉和 传动平顺的方式实现对载荷的主动竖向增稳。
在一个优选实施方式中，还包括与所述平衡同步轮一体形成的卷簧 盒，其中所述弹性件为一端固定连接至所述卷簧盒的、盘设在所述卷簧盒 内的卷簧，其中所述卷簧的另一端固定连接至能相对于壳体调节的转轴， 从而能随所述卷簧盒的转动被收卷或者放卷。由此，采用卷簧允许以更加 平顺的方式来平衡载荷的重力，对于竖向增稳电机的运行影响更小且整个 竖向增稳装置更加紧凑且体积更加小巧。
在一个优选实施方式中，所述平衡轮为与所述支承杆啮合传动的平衡 齿轮，所述弹性件为同轴地盘设在所述平衡齿轮的枢转轴上的卷簧，其中 所述卷簧的一端固定连接至能相对于所述壳体调节的卷簧盒且另一端固 定连接至所述枢转轴从而能随所述枢转轴的转动收卷或者放卷。由此，采 用卷簧允许以更加平顺的方式来平衡载荷的重力，对于竖向增稳电机的运 行影响更小且整个竖向增稳装置更加紧凑且体积更加小巧。
在一个优选实施方式中，所述竖向增稳装置还包括用于调节所述卷簧 盒或所述转轴相对于壳体的角度位置以调节所述卷簧的预紧力的调节机 构。由此，允许能够搭载重量不同的载荷，提高了多功能手持摄影器材的 通用性。
在一个优选实施方式中，所述调节机构包括固定连接至所述转轴的棘 轮和设置在所述壳体上的棘爪，其中在外力用下相对于所述壳体调节所述 棘轮至确定的角度位置后，所述棘爪将所述棘轮止动在调节后的角度位置 处。
在一个优选实施方式中，所述调节机构包括固定设置在所述壳体内的 蜗杆和与设置在蜗杆上的、固定连接至所述卷簧盒的蜗轮，其中，所述蜗 杆在外力作用下转动带动蜗轮运动以调节所述卷簧盒相对于壳体的角度 位置。由此，利用蜗轮和蜗杆自锁性，从而在完成调节后能可靠地保持卷 簧的预紧力。另一方面，蜗轮和蜗杆的配合还允许实现对卷簧的预紧力度 进行无级调节，从而能够更好的保证竖向增稳装置的通用性。
在一个优选实施方式中，所述调节机构包括设置在所述竖向增稳装置 的壳体内的锁定件及在所述卷簧盒上沿周向间隔布置的多个限定孔或限 位棘爪，其中在外力作用下相对于所述壳体调节所述卷簧盒至确定的角度 位置后，所述锁定件将所述卷簧盒锁定在调节后的角度位置处。
在一个优选实施方式中，还包括自所述支承杆的不同侧分别固定连接 至所述支承杆的多个直导轨，从而引导所述支承杆相对于所述壳体在直线 方向上运动。由此，提高支承杆在竖向运动过程中的刚性。
在一个优选实施方式中，还包括用于使所述竖向增稳装置在所述增稳 模式和锁定模式间切换的锁定机构，其中所述锁定机构包括：固定连接至 所述壳体的固定架，其中所述固定架跨设在所述支承杆上且内设有能自所 述支承杆的两侧与所述支承杆接合的成对的锁紧夹，其中所述成对的锁紧 夹分别连接有旋向相反的螺接件；设置在所述固定架一侧的调节件，其中 所述调节件带有与所述螺接件的螺纹相配合的调节螺纹，从而经由旋转所 述调节件驱动所述成对的锁紧夹在其锁定位置和解锁位置之间移位。
在一个优选实施方式中，还包括能连接至竖向增稳装置的远离载荷的 另一端的平衡重，其中所述平衡重是可调节的以在竖向方向上调平所述载 荷。由此，以简单的方式实现了竖向方向上的重心调平。
在一个优选实施方式中，还包括载荷，其中所述载荷为能搭载或搭载 有成像装置的两轴稳定器或者三轴稳定器，其中所述两轴稳定器或三轴稳 定器的航向轴电机连接至所述竖向增稳装置的支承杆，其中所述两轴稳定 器或者三轴稳定器中的两个旋转轴形成的角度为在60°到70°之间的非 直角。
在一个优选实施方式中，所述手持机架还设置有允许控制俯仰增稳电 机和/或横滚增稳电机动作的控制摇杆，其中所述控制摇杆与所述控制装置 是信号连接的。由此，允许以远程或者预设的方式对手持摄影器材所搭载 的成像装置的运动轨迹进行控制。
在一个优选实施方式中，还包括能附接至俯仰增稳电机和/或横滚增稳 电机的一个或多个角度传感器，所述一个或多个角度传感器用于获取所述 俯仰增稳电机和/或横滚增稳电机的旋转角度信息；其中所述控制装置基于 所述姿态传感器的姿态信息以及角度传感器的旋转角度信息来闭环控制 俯仰增稳电机和/或横滚增稳电机动作以将所述竖向增稳装置保持在竖直 状态。由此，实现了更好的横向和纵向的增稳效果。
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多功能手持摄影器材的机架的立体视图；
图2示出了根据本发明的多功能手持摄影器材的机架的爆炸图；
图3-13示出了根据本发明的各种竖向增稳装置的视图；
图14-15示出了根据本发明的锁定机构的主视图和正视图；
图16示出了根据本发明的带有载荷的多功能手持摄影器材的立体视 图；
图17示出了带有平衡重的图16中的多功能手持摄影器材的后视图；
图18-19示出了带有载荷的多功能手持摄影器材进行空间运动的侧视 图和俯视图；
图20示出了图17中的多功能手持摄影器材的侧视图。
附图标记说明
10.手持机架 11.第一管体部 12.第二管体部 13.俯仰增稳电机 131.俯仰增稳电机定子 132.俯仰增稳电机转子 14.连杆 141.安装座 142.第一连接臂 143.第二连接臂 15.连接座 15A.紧固件 151.第一连接端 152.第二连接端 16.通孔 161.轴承 162.芯轴 163.轴承盖 171.第一连接杆 172.第二连接杆 173.紧固件 T.俯仰轴线 L.横滚轴线V.竖向轴线 18.中空杆 19.横滚增稳电机 191.横滚增稳电机定子 192.横滚增稳电机转子 20.竖向增稳装 置 21A、21B.壳体半部 22.竖向增稳电机 22A.竖向增稳电机定子22B.竖向增稳电机转子 22C.紧固件 23.平衡轮 24.枢转轴 24A.安装槽 25.支承杆 25A、25B.同步 带 25C.压合件 25D.调节螺钉 25E.压合件 25F.外套筒 26.直导轨 26A.直导轨 27.引导块 28.固定座 29.轴端封盖 30.重力平衡机构 31.卷簧盒 32.卷簧 32A.卷簧外端 32B.卷 簧内端 33.卷簧盖 40.调节机构 41.手动调节螺母 42.蜗 杆 43.蜗轮 44.调节电机 45.压盖 46A.限位拨钮 46B.限 位锁销 46C.限位滑槽 46D.棘爪 47.限位孔48.限位棘轮 49A.转轴 49B.安装槽 49.棘轮 B.轴承 90.三轴稳定器 91.航向轴电机110.平衡重 111.卡位件 120.锁定机构 121A、121B.锁紧夹 25A.锁紧槽 122.扭紧扳手123.弹性件 124.固定架 125A、125B.螺接件 S.空间范围
具体实施方式
现参考附图，详细说明本发明所公开的多功能手持摄影器材的示意性 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“设置”或“安装”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”、“左”、“右”、“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。
首先参阅图16，其中示出了根据本发明的作为优选实施方式的一种多 功能手持摄影器材，其中该手持摄影器材能够允许在用户进行大幅度运动 期间仍能提供可靠的竖向增稳效果，与此同时还能允许带动该手持摄影器 材所搭载的载荷在空间内以确定的轨迹运动，从而允许对载荷进行多种方 式的辅助拍摄。在此，作为一种示例，该多功能手持摄影器材包括在图1 至2中示出的增稳式手持机架10和由该增稳式手持机架10所搭载的在图3-15中示出的不同类型的竖向增稳装置20。
在下文中首先结合附图1-2对该增稳式手持机架10的结构进行非限定 性的描述。
请一并参阅图1至图2，其中示出了作为本申请的示例性优选实施方式 的增稳式手持机架10，其中该增稳式手持机架10用于对所搭载的负载设 备，在此例如是竖向增稳装置(及其所连接的载荷)在纵向和横向两个方向 进行增稳。在优选实施方式中，负载设备具体可以是在图3中示出的竖向 增稳装置20。可以理解的是，负载设备也可以是其他可以安装于该增稳式 手持机架10的设备，如其他二轴稳定器或不具有增稳功能的摄像支架(例如电动摇臂)等。
如图1和2所示，该增稳式手持机架10包括相对设置的第一管体部11和 第二管体部12，在本文中，第一管体部11和第二管体部12优选可借助于下 文描述的部件可拆卸地连接在一起。在本文中，“横向”是指第一管体部 11和第二管体部12的连接方向，在图1中为左右方向，并可以标示为图1和 2中的轴线T的方向。“纵向”则是正交于横向，在图1和2中为垂直于纸面 的内外方向，并可以标示为图1和2中的轴线L的方向。同时，就下文所述 的空间上的轨迹运动来说，这样沿横向延伸的“轴线T”对应于空间运动 中的俯仰轴线，沿纵向延伸的“轴线L”则对应于空间运动中的横滚轴线。
具体来说，如图1和2所示，其中第一管体部11和第二管体部12在其上 下两侧分别设有用于相互配合连接的连接端(在此仅标示出位于上侧的第 一连接端151和第二连接端152)，在此示出的第一连接端151和第二连接端 152例如优选为可以借助于夹紧扳手被夹紧或松开的松紧套筒。如图2所 示，第一连接端151和第二连接端152沿俯仰轴线T被对齐，并在两者之间 设置有允许绕俯仰轴线转动的俯仰增稳电机13和连杆14，在此该俯仰增稳电机包括连接至第一管体部11的俯仰增稳电机壳体131和能相对于俯仰增 稳电机壳体131绕该俯仰轴线T枢转的俯仰增稳电机转子132。在这里，优 选地，该俯仰增稳电机壳体131的一端借助于例如为螺钉的紧固件173固定 连接至在此优选为中空杆的第一连接杆171，接下来将固定连接有俯仰增 稳电机壳体131的第一连接杆171插设入第一管体部11的第一连接端151 内，由于该第一连接端151是可被夹紧或松开的松紧套筒，这允许可相对 于该第一连接端151移入或者移出该第一连接杆171，同时保证与该第一连 接杆171相连接的俯仰增稳电机壳体131始终保持与俯仰轴线T是同轴的。
如图1和2所示，该连杆14包括位于中部的能限定出横滚轴线L(在此该 横滚轴线L与俯仰轴线T彼此是正交的)的安装座141，其中如下文所述该安 装座141是用于安装该增稳式手持机架10中的横滚增稳电机19。在此该横 滚增稳电机19包括固定连接至安装座141的横滚电机壳体191和能相对于 该横滚电机壳体191发生转动的横滚增稳电机转子192。在该安装座141的 两侧分别延伸出一对连接臂142和143以使得大致呈U形，其中第一连接臂142连接至俯仰增稳电机13的俯仰增稳电机转子132从而在其带动下允许 连杆14绕俯仰轴线T枢转，从而如下文所详细描述的那样实现对竖向增稳 装置20的纵向增稳或在空间中做俯仰运动。在这里，该横滚电机壳体191 的一端优选借助于焊接或者紧固件等方式固定连接至连杆14的安装座 141。同时，在此用于例如安装下文所述的竖向增稳装置20的连接座15(在 此例如为连接板)可借助于多个紧固件15A固定连接至横滚增稳电机转子 192，从而在横滚增稳电机转子192的带动下，允许固定连接至连接座15的 负载设备绕横滚轴线L发生枢转从而实现对下文中的竖向增稳装置20的横 向增稳或在空间中做横滚运动。借助于俯仰增稳电机13和横滚增稳电机 19，允许该增稳式手持机架10对所搭载的负载设备在纵向和横向两个方向 进行增稳或者使其在空间中做俯仰或横滚运动，其工作方式将在下文中进 一步予以详述。
如图2所示，该连杆14的第二连接臂143在其端部带有与俯仰轴线T对 齐的通孔16，该通孔16中能容置有轴承161和插设入该轴承161的芯轴162， 其中该芯轴162可以固定连接至可拆卸地插设入第二管体部12的第二连接 端152的第二连接杆172。借此，实现了将第一管体部11和第二管体部12的 上侧的相互连接。优选地，该增稳式手持机架10可以借助于用于连接第一 管体部11和第二管体部12的中空管18从而形成为环形管体结构，在此中空 管18、第一管体部11和第二管体部12均能优选采用30毫米直径的碳纤维 管，碳纤维管的壁厚优选为1.5毫米，从而允许该增稳式手持机架10具有足 够的强度，且具有较轻的重量。当然，该第一管体部11和第二管体部12也 可以设计为其它横截面形状，只要能允许用户方便握持。增稳式手持机架 10的环形部分的上侧还能够方便安装控制摇杆、监视器、图传设备等配件。 优选地，允许俯仰增稳电机13能在360度的角度范围内转动，从而使增稳式手持机架10能够以正装或者倒装的方式使用，这扩宽了增稳式手持机架 10的适用场景。
如图2所示，该第一管体部11和第二管体部12的中段设有防滑套以使 其能够作为手持区域供用户握持。当用户进行手持拍摄时，双手握持住增 稳式手持机架10的两侧，此时可以将负载设备安装在固定连接至横滚增稳 电机转子192的连接座15处。优选地，为了便于下文所述由俯仰增稳电机 13和横滚增稳电机19实现对负载设备的两向增稳，在使用时以重心调平的 方式将负载设备安装至该增稳式手持机架10：使负载设备的重心安装成经 过该安装座141所限定出的横滚轴线L，同时负载设备和连杆14的整体重心 经过俯仰轴线T，从而在电机动作时不会由于重心偏离该俯仰增稳电机13 或横滚增稳电机19的枢转轴线而造成不期望的阻力矩。
为了实现对连接至安装座的负载设备进行精确地两向增稳，优选在该 俯仰增稳电机转子132和横滚增稳电机转子192上分别设置有角度传感器 以获取该俯仰增稳电机转子132或横滚增稳电机转子192的旋转角度信息。 在此，具体可以包括连杆141在俯仰方向(即相对于俯仰轴线T的旋转角度) 的角度信息和连接座15在横滚方向(即相对于横滚轴线L的旋转角度)的角 度信息。如下文将详细描述的，例如集成在俯仰增稳电机13和横滚增稳电 机19中的或者与安装在增稳式手持机架10的环形部分上的控制摇杆信号 连接的控制装置用于至少基于来自以上角度传感器的旋转角度信息来闭 环控制该俯仰增稳电机13和横滚增稳电机19运动以允许连杆14绕俯仰轴 线T按需枢转且连接座15绕横滚轴线L按需枢转，从而实现对连接至连接座 15的负载设备进行两向增稳或空间上的确定轨迹运动。
接下来，参阅附图3-15对用作为本发明的手持摄影器材的示例性负载 设备的竖向增稳装置20予以详细描述，其中在图3-8中示出了该竖向增稳装 置20的第一实施例，在图9-11中示出了该竖向增稳装置20的另外两种可行 的变形实施例，在图12-13中示出了该竖向增稳装置20的又一可行的实施 例，在图14-15中示出了该竖向增稳装置20的锁定机构120。需要指出的是， 本发明的手持摄影器材并不限于搭载附图3-13中所示出的竖向增稳装置， 现有的诸如气浮式、弹簧式的主动式或者被动式的竖向增稳装置均可以与 本发明中的手持摄影器材搭配使用以实现对用户步行拍摄时的竖向震动 予以减震或者增稳。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。
在图3-8中，示意性地示出了本发明的用于减震竖向震动的竖向增稳装 置20的第一种实施例，其中该竖向增稳装置20用于支撑载荷(如图16所示， 示例性地可以为三轴稳定器)。其中，该竖向增稳装置20包括相对布置的两 个壳体半部21A和21B，其中这两个壳体半部21A和21B大体呈长方体且构 造成可拆卸地连接在一起，从而在其内部限定出大致呈圆柱形的内部空 腔。在此，包含两个壳体半部21A和21B在内的壳体能够固定安装至手持机架10的连接座15并随之一起运动。
如图3所示，在内部空腔内设置有以绕枢转轴线A1枢转的方式借助于 多个轴承B支承在上述两个壳体半部21A和21B上的竖向增稳电机22。在本 文中，该竖向增稳电机22包括电机端盖和借助于电机端盖固定设置的竖向 增稳电机定子22A，在此该电机端盖包括大致呈筒状的端盖内壁以及连接 至端盖内壁的端盖底壁，在此该端盖内壁与端盖底壁形成用于竖向增稳电 机定子22A的容置空间。端盖底壁的中央开设用于插设安放下文中描述的轴承B的安装孔，如图7所示。
进一步，如图7所示，该竖向增稳电机22还包括围绕该竖向增稳电机 定子22A设置的竖向增稳电机转子22B，在此该竖向增稳电机转子22B包括 相对于该竖向增稳电机定子22A间隔设置从而形成有气隙的、优选为筒状 的磁钢的转子片以及安装该转子片的转子机壳，其中转子片设置在由转子 机壳所围出的容置空间内。由于该竖向增稳电机转子22B的转子片在气隙 内产生足够的磁感应强度，并且与通电后的竖向增稳电机定子22A相互作用产生感应电势以驱动自身转动。转子机壳包括筒状的转子侧壁以及连接 至转子侧壁的转子底壁，转子侧壁和转子底壁形成用于安装转子的容置空 间。在本实施例中，该竖向增稳电机22采用位于内侧的竖向增稳电机定子 22A和位于外侧的竖向增稳电机转子22B，即采用外转子的电机的设计形 式。
在本实施例中，优选地将该竖向增稳电机22的借助于多个轴承B绕枢 转轴线A1枢转的枢转轴24和该该竖向增稳电机转子22B的转子机壳一体成 型。同时在此优选为平衡齿轮23的平衡轮23穿设在该枢转轴24上且贴靠该 转子机壳设置，并且借助于紧固件22C将两者固接在一起从而允许在竖向 增稳电机22通电后能够按需地带动该枢转轴24和平衡齿轮23一起转动。
如图3所示，在该竖向增稳电机22的枢转轴24的一侧(图3示出为右侧) 设置有与其作用连接的、用于固定连接载荷的支承杆25。在此该支承杆被 示出优选为与该平衡齿轮23相啮合的输出齿条，在此该载荷例如为图16中 示出的至少两个旋转轴形成的角成在60°到70°之间的非直角的、能搭载 或搭载有成像装置(在此优选为单反相机)的非正交三轴稳定器，当然可以 理解得到的是也可以为两轴的增稳装置。在此，该输出齿条的顶端上设有可与载荷的底部的例如1/4螺纹孔相连接的螺纹件。优选地，将该输出齿条 布置成在其约1/2行程位置处与该齿轮23的外周相啮合，由此实现在该枢转 轴24的一侧在距该枢转轴线A1一定距离(第一齿轮32的半径)处与该枢转 轴24作用连接，以传递来自载荷(在图16中的三轴稳定器90，重力方向向下) 的重力对枢转轴24沿第一旋转方向施加第一转矩。
与此同时，如图3-8所示，在该枢转轴24的相对另一侧(在图示出为上 侧)与该输出齿条轴向间隔开地设置有用于平衡载荷重力的重力平衡机构 30。在此，该重力平衡机构30包括借助于多个轴承B可枢转地附接至壳体 半部21A和21B的卷簧盒31以及容置在该卷簧盒31内的、与该枢转轴24作用 连接以向枢转轴24施加作用力从而对枢转轴24施加反向于第一旋转方向 的转矩。进一步，为了防止外部的污物对卷簧32的寿命带来不利影响，还设有用于封闭该卷簧盒31的卷簧盖33。
具体来说，如图3所示，该卷簧盒31大致设计为中空圆盘状，其中卷 簧32以同轴地盘设在枢转轴24上的方式这样地设置在该卷簧盒31内：其中 其卷簧外端32A以折弯的方式被卡设在该卷簧盒31的卡槽内，从而使得卷 簧外端32A固定连接至该卷簧盒31；同时，其卷簧内端32B插设入开设在枢 转轴24的外周面上的安装槽24A内从而使其固定连接至该枢转轴24。进一 步，在卷簧内端32B已插设入该枢转轴24的安装槽24A内后，利用轴端封盖 29自卷簧盒31的一侧封闭该枢转轴24的开口端以避免卷簧内端32B自安装 槽24A内脱出。在此处，设置在卷簧盒31内的卷簧32的预紧力根据输出齿 条25所连接的载荷的重量以及齿轮23和枢转轴24的直径是可预设的，只要 能够满足借助于卷簧32的预紧力足以对枢转轴24施加反向于第一旋转方 向的、能够平衡该第一转矩的转矩即可。借此通过该卷簧32所积蓄的预紧 力能完全平衡载荷的重力。
进一步，为了确保枢转轴24总是沿直线方向施加作用力以避免施力不 均对竖向减震效果的不利影响，优选地，如图3-4以及12-13所示，该竖向 增稳装置20还包括设置在由壳体半部21A和21B所围出的内部空腔内的至 少一个直线引导机构，其中该直线引导机构包括固定连接至壳体半部21B 的引导块27和相应地固定连接至支承杆25的直导轨26，从而允许在发生竖 向震动时允许在该直线引导机构的引导作用下使支承杆25相对于壳体半部21A和21B始终做线性运动。这对于该竖向增稳装置的长时间的稳定工作 是非常有益的。当然，在图3-4以及12-13中示出的直线引导机构的结构是 示例性而非限定性的，实际上，诸如滑槽和与之配合的滑靴等方式也是可 行的。
在此基础上，作为一种有利的改进方面，还期望该竖向增稳装置20包 括用于调节卷簧32的预紧力的调节机构40，从而允许在竖向增稳装置的使 用过程中由用户手动或者自动地调节卷簧的预紧力以适应不同重量的载 荷，这有利于提高该竖向增稳装置的通用性。
具体来说，如图3和8中所示出的那样，该调节机构40包括固定连接至 该可枢转的卷簧盒31的蜗轮43以及与该蜗轮43作用连接的蜗杆42。如图3 和8所示，在本实施例中，该蜗杆42借助于固接至该壳体半部21B的固定座 28和设置在该固定座28内的轴承B被构造成平行于支承杆25可枢转的设 置。如图所示，该蜗杆42靠内的一端连接有调节电机44且靠外的一端自该 壳体半部21B穿出并固定连接有供用户操作的手动调节螺母41。为了防止 外部的灰尘进入壳体半部21A和21B的内部空腔，利用压盖45对蜗杆42的安 装孔予以封闭。借此，在竖向增稳装置20的使用过程中，一方面，用户可 以通过旋动手动调节螺母41带动蜗杆42转动，从而带动固定连接至卷簧盒 31的蜗轮43转动。结果，由于卷簧32的卷簧外端32A是固定连接至卷簧盒 31的周壁且卷簧内端32B是固定连接至枢转轴24，这使得该卷簧外端32A 会相对于固定不动的卷簧内端32B被加紧或者放松以满足不同载荷的需 要。另一方面，卷簧32的预紧力大小的调节也可以通过该调节电机44的转 动来自动实现，其操作方式在此不再赘述。在此，由于蜗轮43和蜗杆44的 配合一方面具有自锁性，从而允许卷簧32的预紧力在完成调节后能够得到 可靠的保持。另一方面，蜗轮43和蜗杆44的配合还允许实现对卷簧32的预 紧力度进行无级调节，从而能够更好的保证竖向增稳装置20的通用性。
在图9至11中还示出了调节机构40的其它形式，在这些实施例中，竖 向增稳装置20的其它部件是相同的，区别仅在于调节机构40的实现方式有 所区别。
具体来说，如图9和10所示，该调节机构40还可以包括：设置在卷簧盒 31的面对壳体半部21B一侧的、沿周向均匀间隔布置的多个限位孔47；以 及设置在壳体半部21B中的、供用户操作的锁定件。在此该锁定件包括设 置在壳体半部21B内的限位滑槽46C以及能在该限位滑槽46C中滑入或滑 出的限位锁销46B，其中当该限位锁销46B滑出时能插入位于卷簧盒31的多 个限位孔47中的一个以允许将卷簧盒31相对于壳体半部21B锁定在某个角 度位置。相应地，当限位锁销46B该限位滑槽46C中滑入时，该限位锁销46B 自限位孔47内退出从而解除卷簧盒31与壳体半部21B间的锁定关系，从而 允许用户按需地调节卷簧盒31内的卷簧32的预紧力。
为了便于用户手动操作该限位锁销46B，设置有自壳体半部21B凸设出 的、固定连接至该限位锁销46B的限位拨钮46A，从而允许借助于用户的拨 动使该限位锁销46B在限位滑槽46C内滑入或滑出。如图11所示，该调节机 构40并不限于包括设置在卷簧盒31上的限位孔47，还可以实现为设置在卷 簧盒31上的面对壳体半部21B一侧的、沿周向均匀间隔布置的多个限位棘 轮48，此时限位锁销46B用作为与该限位棘轮48配合作用的棘爪。由于调节原理是相同的，在此不再赘述。
接下来，在图12-13中对根据本发明的竖向增稳装置20的又一实施例予 以详细描述，在图中具有相同功能的零部件由相同的附图标记标识出，其 中图12示出了该又一实施例的竖向增稳装置20的分解图，其中清楚地示出 了该竖向增稳装置20的各个部件，图13则示出了图12中的竖向增稳装置20 的处于部分装配好的状态下的主视图。
如图12和13所示，在此实施例中，同样借助竖向增稳电机22按照来自 控制装置的指令驱动与竖向增稳电机转子22B固定连接的平衡轮23转动， 进而带动支承杆25(不带有用于与平衡轮23啮合传动的齿)在竖向上往复运 动。同时，同样借助于安装在卷簧盒31内的卷簧32来平衡由支承杆25所支 承的载荷的重力。在此，该卷簧32的预紧力同样是可调节的。
与之前的实施例中利用平衡齿轮-齿条传动的实施例有所不同的是，在 本实施例中平衡轮23被设计为与竖向增稳电机转子22B一体形成的平衡同 步轮23。由此，借助于啮合至平衡同步轮23的两条同步带25A和25B来驱动 在此优选为直杆的支承杆25在竖向上往复运动。具体来说，两条同步带25A 和25B借助于例如为压合件25E的紧固件在平衡同步轮23的外周缘处以彼 此紧邻的方式固定连接两条同步带25A和25B，其中同步带25A在此以逆时 针方向沿平衡同步轮23的外周布置并与该平衡同步轮23保持紧密接合，同 时同步带25B以顺时针方向沿平衡同步轮23的外周布置并与该平衡同步轮 23保持紧密接合。其中同步带25B的自由端借助于例如为压合件25C的紧固 件固定连接至支承杆25的下端(即与载荷的连接端)且同步带25A的自由端 借助于例如为压合件25C的紧固件固定连接至支承杆25的上端(即远离载 荷的连接端)，其中优选将该支承杆25的上端容置在外套筒25F中以避免外 部环境中的灰尘和湿气对同步带25A和25B的稳定运行产生不利影响。
优选地，为了容许调节同步带25A的松紧程度，在扣压同步带25A的 自由端的压合件25C的附近设置有调节螺钉25D，相应地在容置该压合件 25C的外套筒25F的底面上设有允许用户借助于工具自外侧操作调节螺钉 25D的操作孔，这使得该竖向增稳装置20在组装好的状态下，用户可以借 助于诸如为起子的工具从外侧操作该压合件25C来调节同步带25A的松紧 程度，以确保同步带25A始终保持与平衡同步轮23的可靠接合。
本实施例中的竖向增稳装置20的工作原理如下：当期望支承杆25带动 载荷沿竖向向上运动以补偿竖向振动时，控制装置向竖向增稳电机22发出 控制指令以使其沿逆时针方向枢转，此时竖向增稳电机转子22B带动平衡 同步轮23及同步带25B也一起进行逆时针转动，即相当于平衡同步轮23“卷 绕”同步带25B进而带动与同步带25固定连接的支承杆相应地沿竖向向上 运动。同时，平衡同步轮23还同步地“退绕”与支承杆的另一端固定连接的同步带25A，两者的同步协作将竖向增稳电机22的旋转运动平顺地转化 为支承杆在竖向上的线性运动。由于同步带25B与平衡同步轮23的接合关 系是确定的，因此通过控制竖向增稳电机转子22B的逆时针转动的角度能 够精确地补偿载荷的竖向振动。
同样地，当期望支承杆带动载荷沿竖向向下运动以补偿竖向振动时， 控制装置向竖向增稳电机22发出控制指令以使其沿顺时针方向枢转，以大 体相同的方式同样将竖向增稳电机22的顺时针旋转运动平顺地转化为支 承杆在竖向向下的线性运动。尽管在此使平衡同步轮23借助于同步带25A 和25B将竖向增稳电机22的旋转运动转化为支承杆的线性运动，但本领域 技术人员知晓，利用链轮和链等其它等效方式也是可行的。
优选地，为了更好地实现对支承杆的引导，在本实施例中，在支承杆 的背侧设置直导轨26的基础上，该支承杆的另一侧还增设有与其规定连接 的第二直导轨26A，即自所述支承杆的不同侧分别设置有固定连接至支承 杆25的多个直导轨26和26A，从而引导支承杆25相对于所述壳体在直线方 向上运动。借助于这样的设置，能够确保在多个方向沿直线方向引导该支 承杆，同时还能增加支承杆在竖向上的刚性，即使在竖向支撑很重的载荷时，该支承杆也不会发生挠曲变形，这对于竖向增稳装置20的可靠性和高 使用寿命都是有益的。
进一步不同于其他实施例地，在本实施例中的卷簧盒31被构造成与平 衡同步轮23形成为一体件，其中卷簧外端32A固定连接至该卷簧盒31的内 侧。卷簧32的卷簧内端32B则固定连接至插设在卷簧盒31内的转轴49A的安 装槽49B内。在此，该转轴49A的一端固定连接有用户能调节的棘轮49，另 一端则借助于轴承被支承在卷簧盒31内。
在使用该竖向增稳装置20时，用户能先通过拨开用于止动棘轮49的棘 爪46D并手动地旋转棘轮49及与其固定连接的转轴49A。结果，卷簧内端 32B在转轴49A的带动下相对于固定连接至卷簧盒31内侧的卷簧外端32A 被卷绕或者退绕，这使得该卷簧32用以平衡载荷重力的预紧力度被增大或 者减小以适应不同重量的载荷。当调节好卷簧32的预紧力度后，用户将棘 爪46D重新拨回成接合该棘轮49并将其锁止就位，从而使卷簧32保持有期 望的预紧力并始终令人满意地平衡载荷的重力。
尽管在此示出了利用棘轮49和棘爪46D来调节卷簧32的预紧力，实际 上转轮和锁销的配合同样也能令人满意地调节卷簧32的预紧力，这些常规 变型均应视为本发明的一部分而被涵盖入本申请的保护范围内。
在本文中，在可选为输出齿条的支承杆25的顶端固定连接有可以是惯 性测量单元(IMU)的姿态传感器，以获取竖向增稳装置20在空间上的姿态 信息，例如但不限于竖向高度、竖向增稳装置20在三维空间中的角速度和 加速度。需指出的是，位于该支承杆25的顶端的位置传感器可借助于有线 连接或者无线连接(包括但不限于蓝牙和NFC的通信方式)的方式将竖向增 稳装置20的姿态信息传递给增稳式机架10的控制装置，从而允许控制装置 基于竖向增稳装置20的姿态信息来控制俯仰增稳电机和/或横滚增稳电机 运动以将竖向增稳装置20保持在竖直状态。具体的控制方式将在下文中详 细描述。
在该竖向增稳装置20工作时，设置在支承杆25顶端的姿态传感器被用 来执行载荷的竖向位置的测量以获取载荷的实际竖向位置。进一步，作为 一种示例，在竖向增稳装置20的位置控制器中设定或者存储有载荷的预设 竖向位置并且在载荷发生竖向震动时，该位置控制器被设计成根据预设竖 向位置和实际竖向位置来控制竖向增稳电机22发生枢转，从而经由该竖向 增稳电机22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，这样使得该载荷能够在竖向上具有基本不变的绝对位 置。这种主动增稳的方式能够实现更好的竖向增稳效果。
在图14-15中示出了根据本发明的下文中会使用到的锁定机构120，该 锁定机构用于将上述竖向增稳装置20在增稳模式和锁定模式之间切换，其 中在增稳模式下，上述竖向增稳装置20的支承杆25能如上文描述的那样相 对于壳体运动以对载荷竖向增稳。而在锁定模式下，支承杆25相对于竖向 增稳装置20的壳体以确定的长度被锁止，此时可以使该处于锁定模式下的 竖向增稳装置20用作为摇臂，在该确定的长度所得出的半径空间范围内， 带动载荷在一定的空间范围内到达任意位置，从而允许利用手持摄影器材 带动载荷自动地按预设轨迹进行拍摄。
如图14-15。其中该锁定机构包括：固定连接至竖向增稳装置20的壳体 半部21A和21B上的固定架124，其中该固定架124跨设在支承杆25上。具体 来说，该固定架124的主体横向于支承杆25两侧凸伸出一对固定臂，其中 在这对固定臂上分别设置有供下文描述的螺接件125A和125B穿设的通孔。 在此该螺接件125A和125B的螺纹方向是是相反的且在两者之间设置有用 于将两者朝向两侧偏压打开的优选为弹簧的弹性件123。一对锁紧夹121A和121B借助于与之相连的螺接件125A和125B以跨越在支承杆25上方的方 式各自被抵靠至固定架124的成对的固定臂上，该成对锁紧夹121A和121B 的下部带有用于与支承杆25两侧设置的锁紧槽25A相接合的卡合部，其中 在该锁紧夹121A和121B卡合入该支承杆25的锁紧槽25A内时，该锁定机构 将支承杆25锁止。
在初始状态下，由于弹性件123的预紧力的作用，该成对的螺接件125A 和125B将会被迫使分开，从而使成对的锁紧夹121A和121B并不会与支承 杆25的锁紧槽25A出现卡合，此时竖向增稳装置20的支承杆25能够不受阻 地伸长或者缩短以正常作用。当需要将该支承杆25锁止在期望长度或者位 置时，借助于作为调节件的扭紧扳手122插入螺接件125A和125B中的任一 者中，向旋紧螺接件125A和125B的方向旋转，由于螺接件125A和125B的螺纹方向是相反的，这会使得在扭紧扳手122的旋转带动下克服弹性件123 的弹性力将螺接件125A和125B拉近，这从而造成了成对的锁紧夹121A和 121B各自被拉向相配合的支承杆25的锁紧槽25A，其结果是，支承杆25被 锁止在期望的长度或位置处。
在图16中示出了安装有上述图3至13中示出的竖向增稳装置20的多功 能手持摄影器材的主视图，其中该竖向增稳装置20以重心调平的方式安装 在固定连接至横滚增稳电机转子192的连接座15处：使竖向增稳装置20的 重心安装成经过该安装座141所限定出的横滚轴线L，同时竖向增稳装置20 和连杆14的整体重心经过俯仰轴线，这样实现了竖向增稳装置20在增稳式 手持机架10中的重心调平，从而组装成为根据本发明的多功能手持摄影器 材。
在图16-18中描述了本发明的手持摄影器材中的载荷为搭载有单反相 机的三轴稳定器的优选实施方式，其中该三轴稳定器90为包括有航向轴电 机91在内的三轴稳定器，在此作为示例，其中航向轴电机91与余下的两个 旋转轴形成的角度为在60°到70°之间的非直角，这使得不会对该三轴稳 定器所搭载的拍摄装置的背面造成遮挡。在本文中，其中该三轴稳定器固 定连接至竖向增稳装置20的支承杆25。
接下来结合图16至20来描述本发明的多功能手持摄影器材的操作方 法。
在使用本发明的多功能手持摄影器材时，优选首先在竖向方向上对其 进行重心调平以减少电机驱动转动时的阻力矩。为此，如图17所示，还带 有能够可调地连接至该竖向增稳装置20的远离载荷的一端的平衡重110。 优选地平衡重100的数量配备为多个且重量不相同，以根据竖向增稳装置 20的支承杆25所连接的载荷的重量来进行调节，其中在调节到位后(在此例 如为，三轴稳定器、单反相机和竖向增稳装置以及平衡重的整体重心经过 俯仰轴线T)，可以利用成对的卡位件111将平衡重110卡止。当然可以理解， 还包括平衡重驱动件以用于使平衡重110沿竖向增稳装置20的长度方向滑 动，以自动平衡不同载荷的重量。
在此，根据本发明的多功能手持摄影器材首先能够满足用户在运动摄 影时进行横向或纵向跟拍时的增稳要求，具体来说：
首先，在完成重心调平后，三轴稳定器的航向轴电机90以吊装的方式 固定连接至竖向增稳装置20的支承杆25，由此借助于竖向增稳装置20将三 轴稳定器90以“悬浮”的方式设置在增稳式手持机架10的内部空间中(参见 图17)。
如图16和17所示，在用户双手握持该手持摄影器材以匀速走动的方式 进行户外拍摄期间，能够借助于该手持摄影器材实现竖向增稳装置20始终 处于竖直状态以确保对三轴稳定器的良好竖向增稳效果，此时即使由于用 户在走动过程中产生竖向方向上的振动或抖动，均可以借助于竖向增稳装 置20的竖向增稳作用予以滤除，这使得利用本发明的手持摄影器材拍摄出 的画面画质是非常高的。
在进行户外拍摄时，若用户在双手握持该手持摄影器材进行大幅度的 俯拍或仰拍或者用户握持该手持摄影器材进行变速运动时，手持机架所搭 载的竖向增稳装置会在自身惯性的作用下相对于机架出现不期望的晃动。 在采用根据本发明的增稳式手持机架10后，利用设置在支承杆25端部的姿 态传感器实时获取作竖向增稳装置20的姿态信息。在此，无论是纵向急加 速还是纵向急减速，控制装置均可根据负载设备的实时姿态信息和预设姿 态信息生成控制指令，使俯仰增稳电机13和/或横滚增稳电机19驱动竖向增 稳装置20保持在竖直状态。优选地，由于在俯仰增稳电机转子132和横滚 增稳电机转子192上设置有角度传感器来获取俯仰增稳电机13和/或横滚增 稳电机19动作后的旋转角度信息，这允许控制装置基于来自姿态传感器的 姿态信息和来自角度传感器的旋转角度信息闭环控制俯仰增稳电机13和/ 或横滚增稳电机19运动以将所述竖向增稳装置20保持在竖直状态，从而拍 摄得到预设想要的效果。
在图18-19中示出了根据本发明的多功能手持摄影器材的另一种功能， 在用户进行户外拍摄时，尤其是为了拍摄诸如影视剧或者综艺节目时，期 望手持摄影器材还能带动载荷实现预定的拍摄轨迹。此时，用户仅需手动 的旋紧作为调节件的扭紧扳手122以使竖向增稳装置20处于锁定模式，从 而将竖向增稳装置20用作为能在确定的长度的半径的空间范围(图19中标 示为S)内按确定轨迹转动的摇臂。尤其是，如图18所示，此时横滚增稳电机19能被转到平行于地面的姿态，此时横滚增稳电机19带动竖向增稳装置 20在大致呈120度的角度范围内自由转动。此时用户可以借助于设置在手 持机架10上的与该控制装置信号连接的控制摇杆来操作俯仰增稳电机13 和/或横滚增稳电机19动作。由于竖向增稳装置20所具有的长度是确定的且 能如摇臂一样在俯仰增稳电机13和/或横滚增稳电机19的带动下在空间范 围内进行摇、移、跟、升降摄像等运动。尤其是，在该控制摇杆的操作下， 能够使该手持摄影器材所搭载的单反相机在空间范围内受控地达到任意 位置，尤其还能以远程的方式或者预设的方式使单反相机按预设的运动轨 迹进行拍摄而不会受用户的经验和抖动的影响，从而满足用户对于更高拍 摄画质的实际需求。
还希望指出的是，根据本发明的多功能手持摄影器材实现了一机多 能，这样不但显著地降低了用户购置摄影器材的花费，还便于用户减少进 行户外摄影所需携带的行李重量和体积，从而大大地提高用户的好感度和 满意度。
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。
