RS1702U1 - Robotska glava za precizno pokretanje kamere u dve ose sa direktnim elektormotornim pogonom - Google Patents

Description

ОБЛАСТ ТЕХНИКЕ НА КОЈУ СЕ ПРОНАЛАЗАК ОДНОСИ

Предметни проналазак уопштено посматрано спада у област уређаја који служе као додатна опрема за ТВ камере и фото апарате. У питању је моторизовани уређај који омогућава прецизно ротационо позиционирање камере, или апарата који се на њега монтира, око две осе.

Према међународној класификацији патената (МКР), предмет проналаска је разврстан и означен основним класификационим симболом G03B17/561 као додатна опрема за камере.

Како уређај истовремено омогућава прецизну ротацију око две осе , он може бити означен и секундарним класификационим симболом F16M11/2071 који означава носаче са или без точкова који омогућавају ротацију око две осе.

ТЕХНИЧКИ ПРОБЛЕМ

Технички проблем који се решава предметним проналаском састоји се у следећем: како системски, конструктивно и управљачки решити направу којом се омогућава ротација продукцијских ТВ камера око две осе? Камере за које је потребно покретање имају тежину до 25 кг. Покретање око две осе треба да омогући прецизно позиционирање са поновљивошћу од 0.01°. Уређај такође треба да омогући контролу брзине кретања око две осе брзинама у опсегу од 0.01 % до 90°/с. Позициона резолуција и опсег брзина су типични опсези које захтева видео продукција да би при употреби оваквих уређаја био остварен висок квалитет слике у ситуацијама када се користе камере са телеобјективима или оне са широкоугаоним објективима. Додатни захтев због специфичне примене је да уређај буде потпуно нечујан, да се његова операција не би чула на видео снимцима. Поред овога, захтев је да урећај може да интегрише каблове. Ово значи да има конекторе за видео и аудио сигнал у непокретној бази и у делу уређаја где се монтира камера, тако да се омогући пренос видео и аудио сигнала са камере у базу кабловима који су потпуно интегрисани у тело уређаја и не висе са стране.

СТАЊЕ ТЕХНИКЕ

Потреба да због тежине продукцијских камера механичке главе замене људске оператере постоји већ дуже време. Прве главе за камере које су се производиле биле су потпуно механичке и уз помоћ њих је оператер могао једноставним закретањем две папучице да врши прецизно позиционирање камере.

Са убрзањем дигитализације и потребе да се камерама управља на даљину или да се прецизно понављају сложена кретања камере више пута, јавља се потреба за моторизованим главама за ТВ камере. Поред тога, у последње време све је израженији развој софтверских решења заснованих на машинском учењу и вештачкој интелигенцији која су способна да аутономно издају команде везане за продукцију ТВ садржаја. Оваква софтверска решења користе моторизоване ТВ главе као извршне органе.

Тренутно произвођачи као стандард за погон моторизованих ТВ глава користе компактне степер или електромоторе на једносмерну струју са или без четкица са редуктором. Због потребе за јако прецизним позиционирањем и контролом брзине, обични механички редуктори са зупчаницима нису одговарајући, јер имају превелики зазор. Због тога се користе редуктори који се зову хармоник драјвови, а који имају јако мали зазор и који раде на принципу еластичних деформација.

Коришћене хармоник драјвова, иако решава проблем прецизног позиционирања, са собом доноси неколико проблема. Највећи од њих су:

1. Доста висока цена уређаја

2. Појава буке при већим брзинама

3. Потреба за механичким одржавањем уређаја - хармоник драјвови се после одређеног броја сати употребе (који зависи од произвођача и конкретне технологије) морају подмазивати

4. Отежана интеграција каблова - каблови се не могу провући директно кроз осу ротације, већ се морају правити посебна конструкторска решења са одмотавањем и намотавањем каблова услед ротације да би каблови могли проћи кроз осу ротације

Прегледом расположиве патентне документације, као и техничке документације произвођача уређаја из ове области, пронађено је следеће:

У међународној пријави патента WO2007095950A1 објављеној 30.08.2007, описан је и приказан уређај за прецизно моторизовано померање камере око две осе који се ослања на редукторе и роботске зглобове. Сличну технологију користи већина активних произвођача сличне опреме.

У објављеној пријави у Сједињеним Америчким Државама US20130336645А1 који је објављен 13.05.2014, описан је и приказан уређај за моторизовано покретање ТВ камере око три осе истовремено. Проналазак се ослања на коришћење електро мотора на једносмерну струју са или без четкица уз коришћење хармоник драјва.

Слично претходном проналаску, у одобреном патенту у Сједињеним Америчким Државама US7209176B2, који је објављен 24.04.2007, описан је уређај за моторизовано покретање ТВ камере на даљину око три осе. У овом проналаску предлаже се нешто другачија механичка структура него у претходно описаном проналаску, међутим основни погон за све три осе је исти и састоји се од употребе хармоник драјва и електромотора.

У одобреном патенту у Сједињеним Америчким Државама US7811008В2 који је објављен 12.10.2010, описан је уређај за даљинско моторизовано покретање камере око две осе који користи електромоторе на једносмерну струју и систем црвастог преносника.

У одобреном патенту US7046295B2, који је објављен 16.05.2006, описан је уређај за прецизно позиционирање камере око две ортогоналне осе који као актуаторско решење користи voice coil актуаторе, чиме се избегава потреба за коришћењем механичке редукције.

У објављеној пријави US20080205877A1 који је објављен 28.08.2008, описан је уређај за прецизно позиционирање камере око две ортогоналне осе који може лако да се расклапа. Актуација уређаја базирана је на електромоторима са редуктором.

ИЗЛАГАЊЕ СУШТИНЕ ПРОНАЛАСКА

Суштина проналаска огледа се у томе што је моторизована глава за прецизно покретање ТВ камере око две ортогоналне осе израђена од алуминијума, са шупљом унутрашњошћу у којој су смештени електромотори на једносмерну струју без четкица, енкодерска електроника за мерење угаоног положаја мотора и управљачка електроника за контролу мотора.

Суштину проналска представља техничко решење по коме се за покретање главе око оса директно користе електромотори без четкица. Ово је битна разлика у односу на друге проналаске који се за прецизно позиционирање ослањају на хармоник драјв или други ситем механичког преноса. Коришћени мотори су мале снаге, димензија и тежине и шупљи су кроз средину, што омогућава несметан пролазак каблова из базе до дела где се монтира камера.

Новост проналаска представља и то што се за мерење угаоног положаја оса користи енкодер који омогућава пролазак каблова кроз осовину, што са шупљим мотором омогућава интеграцију каблова на једноставан и јефтин начин, што код других сличних проналазака није случај.

Два највећа проблема која се јављају код директног коришћења мотора за покретање главе око оса су:

1. Што при јако малим брзинама може доћи до осцилација у брзини, јер дискретни магнети у мотору генеришу угаони момент који није константан

2. Што је у одређеним положајима оса, мотору потребан релативно велики момент да би се камера држала у месту, што мотори мале снаге, масе и димензија не могу да испоруче

Предложеним решењем елиминисана су оба потенцијална проблема. При малим брзинама остварује се јако добра контрола брзине, тако што се користи управљачки алгоритам који се ослања на претходно снимљену карактеристику нелинеарности мотора. У току управљања ова снимљена карактеристика се користи да би се неутралисале потенцијалне осцилације угаоног момента мотора. Проблем држања камере у одређеним положајима решава се тако што је део главе за монтажу ТВ камере конструкцијски тако решен да дозвољава балансирање камере клизањем у два правца приликом монтирања. Балансирана камера не захтева никакав момент за држање у било ком положају оса главе. Сав моменат који мотори дају, троши се на убрзавање и успорење кретања око оса, што омогућава коришћење релативно малих електромотора.

Захваљујући наведеним иновативним техничким решењима, проналазак има следеће предности у односу на друга позната техничка решења:

- Због одсуства уређаја за механички пренос ротационог кретања рад уређаја је потпуно бешуман како на малим, тако и на великим угаоним брзинама.

- Због одсуства хармоник драјвова није потребно посебно одржавање уређаја у смислу регуларног подмазивања после одређеног броја радних сати.

- Због одсуства механичког преноса уређај је лакши, компактнији, једноставнији и јефтинији за израду од других сличних решења.

- Омогућена је интеграција каблова у уређај и каблови пролазе кроз осе ротације, што искључује потребу за посебним конструкторским решењима са одмотавањем и намотавањем каблова услед ротације да би каблови могли проћи кроз осу.

КРАТАК ОПИС СЛИКА И НАЦРТА

У циљу лакшег разумевања проналаска, аутор се само примера ради позива на приложене нацрте пријаве и где:

- Слика 1. представља скицу проналаска у погледу са бока

- Слика 2. представља скицу проналаска у погледу од позади

- Слика 3. представља скицу проналаска у погледу одозго

- Слика 4. представља детаље дела за монтирање камере на главу

- Слика 5. представља пресек дуж доње осе и даје преглед механичког решења осе

за окретање камере

- Слика 6. представња шематски приказ блок дијаграма за управљање електомоторима који су смештени у осама кретања

ДЕТАЉАН ОПИС ПРОНАЛАСКА

Посматрањем слика приложеног нацрта лако се уочава да се моторизована роботска глава 1 камере састоји од базе 2 облика шупљег ваљка унутар које се налази цилиндрични носач 21 за који је са унутрашње стране причвршћен електромотор 15 и са спољашње стране навучен унутрашњи прстен лежаја 16, чији спољашњи прстен је уметнут у базу 2 облика шупљег ваљка, при чему лежај 16 омогућава обртно померање цилиндричног носача 21 у односу на базу 2, затим енергетски претварач 11 који наизменични напон претвара у једносмерни напон на коме раде електромотор 15 и електромотор у горњем делу стуба 4 идентичан електромотору 15 у бази 2, потом електронски склоп 12 за контролу електромотора 15 и електронски склоп 13 за комуникацију са спољним светом путем ког се шаљу команде електронском склопу 12 за контролу електромотора 15 у бази 2 и електронском склопу у стубу 4 за контролу електромотора у горњем делу стуба 4 који је идентичан електронском склопу 12 у бази 2. За цилиндрични носач 21 је причвршћена хоризонтална плоча 3 облика диска са равним завршетком, која се директно наслања на лежај 16, што омогућава покретање камере око доње осе кретања, која је одређена базом 2.

Крај хоризонталне плоче 3 је причвршћен за вертикални стуб 4 облика шупљег квадра са цилиндричним завршетком у чијем је врху смештен цилиндрични носач електромотора и лежаја за покретање по горњој оси кретања (одређеној горњим делом стуба 4) идентичан носачу 21 у бази 2 са истим везивним механизмом као у бази 2, за који је са унутрашње стране, попут оног у бази 2, причвршћен електромотор идентичан електромотору 15 у бази 2, и са спољашње стране навучен унутрашњи прстен лежаја, идентичан лежају у бази 2, чији спољашњи прстен је уметнут у цилиндрични завршетак стуба 4, при чему лежај у стубу 4 омогућује обртно померање цилиндричног носача у односу на стуб 4, поред којих се унутар овог дела налазе и електронски склоп који је идентичан електронском склопу 12 у бази 2. На цилиндрични носач мотора и лежаја у вертикалном стубу 4, идентичан носачу 21 у бази 2, помоћу вијака везан је вертикални носач 5 за покретање камере око горње осе на коме је помоћу вијака прикачена правоугаона плоча 6 за монтирање камере, који се директно наслања на лежај у стубу 4. Такође вертикални стуб 4 је затворен поклопцем 7 који наведене елементе унутар стуба штити од спољних утицаја.

На бази 2 се налази сет конектора 8 које чине конектори који омогућавају напајање главе 1 наизменичним напоном, затим конектори за видео излазе и етернет конектор за контролу главе 1. Са доње стране база 2 је затворена поклопцем 9, који на дну има навоје који омогућавају фиксирање главе 1 на сталак или неку другу површину. У поклопцу 9 налазе се индикаторске лед диоде 10 које служе да кориснику сигнализирају у ком режиму ради глава 1.

На вертикалном стубу 4 налазе се излазни видео конектори 27 и конектор 18 за евентуалну комуникацију са камером.

Кроз средиште електромотора 15 у бази 2 пролази шупља осовина 17 иза које је са доње стране испод електромотора 15 смештен апсолутни енкодер 14. Такође, на исти начин попут оног у бази 2, кроз средиште електомотора у вертикалном стубу 4 пролази шупља осовина иза које је са доње стране испод електромотора смештен апсолутни енкодер, сви идентични онима у бази 2.

База 2 је са горње стране затворена хоризонталном плочом 3. Ова плоча је шупља кроз средину и заједно са шупљом осовином 17 омогућава несметан пролаз каблова од конектора 8 у бази 2, енергетског претварача 11 и електронског склопа 13 за комуникацију са спољним светом прво до електронског склопа 12 за контролу електромотора 15, потом кроз доњу осу закретања главе 1 до електронског склопа у стубу 4 за контролу електромотора у стубу 4, излазног видео конектора 27 и конектора 18 за евентуалну комуникацију са камером. Хоризонтална плоча 3 и база 2 садрже граничнике који онемогућавају ротацију плоче већу од 360°, што пролазак каблова кроз шупљу осовину 17 која пролази кроз доњу осу ротације чини безбедним.

Правоугаона плоча 6 за монтирање камере садржи попречне прорезе 19 који омогућавају монтирање камере. Ови прорези 19 дозвољавају померање камере напредназад у току позиционирања. Такође, вертикални носач 5 садржи три вертикална жљеба 20 у које улазе пинови правоугаоне плоче 6. Ово омогућава померање монтиране камере горе-доле у току монтаже. Ово померање камере у два правца у току монтаже омогућава њено балансирање ради елиминације потребе за великим моментом на електромотору 15 и електромотору у стубу 4, идентичном електромотору 15. Када је камера убалансирана, стезањем вијака она се фиксира и остаје фиксна и балансирана.

Контролни блок дијаграм који омогућава управљање електромотора 15 и електромотора у стубу 4, идентичном електромотору 15, тако да се оствари висок квалитет и фина регулација брзине мотора, састоји се из ПИ контролера струје, који као своје улазе узима мерену струју електромотора 15 у бази и електромотора у стубу 4 и референтну вредност струје. Ова референтна вредност дата је разликом између збира излаза из ПИ контролера брзине и вредности из лукап табеле која садржи карактеристику осциловања момента мотора услед дискретне реализације магнета и стварно измерене струје електромотора 15 и електромотора у стубу 4. ПИ контролер брзине као свој улаз узима разлику између жељене брзине електромотора 15 и електромотора у стубу 4, и процењене брзине. Процењена брзина рачуна се уз помоћ обзервера брзине који на бази механичког модела система, мерене струје и положаја електромотора 15 и електромотора у стубу 4 израчунава његову брзину.

НАЧИН ИНДУСТРИЈСКЕ ИЛИ ДРУГЕ ПРИМЕНЕ ПРОНАЛАСКА

Индустријска израда предметног проналаска је могућа. Сви механички делови могу се израдити техникама стругања и глодања алуминијума на ЦНЦ машинама. Остали делови проналаска су комерцијално доступне компоненте. Алгоритам управљања се може испрограмирати и извршавати на комерцијално доступним електронским уређајима за контролу мотора. Склапање свих наведених делова може се урадити ручно у веома кратком року.

Примена предметног проналаска се препоручује у ситуацијама када је потребан јако висок квалитет снимљеног материјала и уопште видео продукције. Предметни проналазак може да омогући да оператер на даљину контролише камеру и тако обавља улогу камермана, што може бити јако корисно у случају природних катастрофа, пандемија или других разлога када се људима препоручује да остану код куће.

Проналазак такође може да се користи са софтвером за аутоматску продукцију, чиме се омогућава комплетан процес продукције без директног учешћа људског оператера.

Због своје цене и компактности предметни проналазак има потенцијал да додатно подстакне моторизацију и дигитализацију у сфери продукције видео садржаја.

Claims (1)

ПАТЕНТНИ ЗАХТЕВИ

1. Роботска глава (1) за прецизно покретање камере око две осе са директним електромоторним погоном коју чине: база (2) унутар које је смештен цилиндрични носач (21), и на којој се налази сет конектора (8) које чине конектори за напајање главе наизменичним напоном, затим конектори за видео излазе и етернет конектор за контролу главе, а која је са доње стране затворена поклопцем (9) унутар ког се налазе индикаторске лед диоде (10), затим вертикалног стуба (4), у чијем је горњем делу смештен цилиндрични носач идентичан носачу (21) у бази (2) и на коме се налазе конектор (18) и излазни видео конектори (27), при чему је цилиндрични део стуба (4) затворен поклопцем (7), назначена тиме, што је хоризонтална плоча (3), у чијој средини је изведена шупљина и која је причвршћена за цилиндрични носач (21) у бази (2), и чији је крај са стубом (4) повезан путем вијака, директно наслоњена на лежај (16) чији је унутрашњи прстен навучен са спољне стране на цилиндрични носач (21), а спољашњи прстен уметнут у базу (2), и за који је причвршћен у средини шупаљ електромотор (15) кроз чију шупљину пролази шупља осовина (17) испод које је, са доње стране електромотора (15) смештен апсолутни енкодер (14), поред кога се унутар базе (2) налази и електронски склоп (12) за контролу електромотора (15), и тиме што се на идентичан начин носач (5) са вертикалним жљебовима (20), на који је вијцима причвршћен правоугаона плоча (6) са попречним прорезима (19), причвршћена за цилиндрични носач у стубу (4) идентичан носачу (21) у бази (2) за који је причвршћен у средини шупаљ електромотор, идентичан електромотору (15) у бази (2), кроз чију шупљину пролази шупља осовина идентична шупљој осовини (17) у бази (2), испод које је, са доње стране електромотора у стубу (4) смештен апсолутни енкодер идентичан апсолутном енкодеру (14) у бази (2), где се носач (5) директно наслања на лежај, идентичан лежају (16) у бази (2), чији је унутрашњи прстен навучен са спољне стране на цилиндрични носач у стубу (4), а спољашњи прстен уметнут у цилиндрични завршетак стуба (4), поред кога се у стубу (4) налази и електронски склоп за контролу електромотора у стубу (4), идентичан електронском склопу (12) за контролу електромотора (15) у бази (2).

2<.>Роботска глава (1) према захтеву 1, назначена тиме, што су каблови од конектора (8), енергетског претварача (11) и електронског склопа (13) постављени прво до електронског склопа (12) у бази (2), а потом кроз шупљину електромотора (15), шупље осовине (17) и шупљине хоризонталне плоче (3), кроз стуб (4) до конектора (18), излазних видео конектора (27) и електронског склопа за контролу мотора горње осе који је идентичан електронском склопу (12) за контролу електромотора (15) у бази (2).