УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ВИДЕООБОРУДОВАНИЯ
VIDEO EQUIPMENT STABILIZATION DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ручным устройствам стабилизации оборудования для кино и видеосъемки (кинокамер, видеокамер и прочих съёмочных устройств), компенсирующих тряску и колебания при съемке в движении с рук или с плеча оператора, обеспечивающих плавное движение видеооборудования.
Уровень техники
В основе всех применяемых в кинопроизводстве технических решений для стабилизации кинокамер лежит устройство, которое позволяет камере, либо камере вместе с противовесом, вращаться вокруг центра тяжести этого устройства. Подобные устройства решают одновременно две задачи: компенсацию нежелательных угловых поворотов, то есть обеспечивает стабилизацию, а также используются для горизонтального и вертикального панорамирования камеры.
Из уровня техники известны устройства типа Gymbal, позволяющие стабилизировать видеокамеры и фотоаппараты с функцией видеосъемки, которые оператор может нести в руках. Такие камеры сбалансированы в центре системы, где они могут свободно вращаться в трёх осях. Степени свободы используются одновременно и для стабилизации, и для панорамирования.
Например, из US 2018335178 A1, опубл. 22.11.2018, известно устройство стабилизации, которое включает в себя узел стабилизации полезной нагрузки, ручки, сконфигурированные так, чтобы пользователь мог полностью поддерживать стабилизирующее устройство. Узел стабилизации полезной нагрузки выполнен с возможностью поддержки полезной нагрузки и обеспечения, с помощью шарнирных соединений, возможности свободного вращения стабилизируемого объекта в трех осях, выполненных ортогонально друг другу.
К недостаткам данного устройства относится невозможность работать с большими камерами, неудобная эргономика и управление (оператор держит систему на вытянутых руках), большие габариты и вес устройства.
Также, из WO 2019134151 A1, опубл. 11.07.2019, известно ручное устройство стабилизации, содержащее механизм подвеса, платформу, на которую устанавливается стабилизируемый объект, рукоятку, соединенную с подвесом, при этом механизм подвеса выполнен с возможностью вращения вокруг трех осей с помощью шарнирных соединений.
Недостатком такого решения является то, что подобная механика не масштабируется таким образом, чтобы можно было построить аналогичную систему для большего размера камер. Это связано с тем, что несмотря на небольшой абсолютный размер системы, сравнительно с размером камеры она достаточно велика.
Раскрытие изобретения
Техническая задача настоящего изобретения заключается в создании устройства, способного стабилизировать видеооборудование и кинооборудование в процессе съемки во время его передвижения, при этом имеющего малые габариты и вес.
Технический результат заключается в снижении габаритов и веса устройства стабилизации.
Технический результат достигается за счет того, что устройство стабилизации видеооборудования содержит основание и подвижную платформу, соединенные между собой, по меньшей мере, одним шарнирным механизмом, выполненным исходя из следующего соотношения:
где x – расстояние от верхней горизонтальной плоскости платформы до точки пересечения осей шарнирного механизма;
К - результирующий коэффициент (К≤0,5);
Vi - объем каждого из параллелепипедов, в который заключен шарнирный механизм (Vi = ai х bi х ci);
ai – длина габаритного параллелепипеда;
bi – высота габаритного параллелепипеда;
ci – ширина габаритного параллелепипеда;
n – общее количество шарнирных механизмов.
Шарнирный механизм представляет собой, по меньшей мере, два звена, соединенные как между собой, так и с основанием и платформой, с помощью, по меньшей мере, трех цилиндрических шарниров, каждый из которых выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси.
Первое звено первым своим концом соединено с основанием устройства, а вторым своим концом соединено с первым концом второго звена, при этом второй конец второго звена соединен с платформой устройства.
Оси шарнирных механизмов не ортогональны друг другу.
Устройство содержит более одного шарнирного механизма, причем оси всех шарнирных механизмов пересекаются в одной точке.
Устройство может дополнительно содержать, по меньшей мере, один бесколлекторный двигатель, который установлен непосредственно на оси или выполнен с возможностью управления шарнирами через, по меньшей мере, один рычаг, ременную или цепную передачи.
Устройство может дополнительно содержать регулируемые ручки и сменные плечевые упоры, прикрепленные к основанию устройства.
Устройство может дополнительно содержать монитор и/или визир, которые прикреплены к основанию и/или к подвижной платформе или вынесены на камеру или тело оператора.
Устройство может дополнительно содержать внутренний или вынесенный блок аккумулятора, выполненный с возможностью питания устройства и стабилизируемой камеры.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – Общий вид варианта исполнения устройства стабилизации;
Фиг. 2 – Устройство стабилизации, вид снизу;
Фиг. 3 – Шарнирный механизм;
Фиг. 4 – Устройство стабилизации, вид сбоку.
Фиг. 5 – Устройство стабилизации, вид снизу.
Фиг. 6 – Устройство стабилизации с установленной кинокамерой.
Осуществление изобретения
Задачей заявленного решения является создание устройства, которое, по сравнению с известными из уровня техники решениями, обладает малыми габаритами, весом за счёт того, что несёт в себе только функцию стабилизации, поскольку при съёмке с ручной камеры, оператор осуществляет панорамирование за счёт поворота корпуса и наклона рук.
Следует понимать, что во всех известных вышеуказанных системах стабилизации существует следующее соотношение её элементов:
3
где, x – расстояние от верхней горизонтальной плоскости платформы до точки пересечения осей шарнирного механизма (соответственно 8x - объём куба, с центром, совпадающим с точкой пересечения осей шарнирных механизмов, и соприкасающегося своей гранью с подвижной платформой);
К - результирующий коэффициент;
Vi = ai х bi х ci;
ai – длина габаритного параллелепипеда (объемного четырехугольника);
bi – высота габаритного параллелепипеда;
ci – ширина габаритного параллелепипеда;
n – общее количество шарнирных механизмов.
Следует понимать, что такое равенство можно составить для всех вышеуказанных систем, и им аналогичных, но в существующих системах коэффициент К значительно больше чем 0,5.
При этом фактические габариты устройства тем меньше, чем меньше результирующий коэффициент К.
В фактически существующих решениях коэффициент К больше 1, в следствие чего габариты известных систем достаточно большие, причем при той реализации кинематики, которая использована в существующих системах, уменьшение коэффициента крайне затруднено.
Целью заявленного изобретения является уменьшение габаритов устройства стабилизации путем получения меньшего значения коэффициента К.
Чтобы уменьшить габариты устройства стабилизации было принято решение изменить его механику, а именно: изменить расположение шарнирных механизмов, уменьшить углы между осями каждого звена шарнирного механизма, чтобы в итоге они вписывались в значительно меньший габаритный параллелепипед, вследствие чего уменьшается коэффициент K в вышеуказанной формуле.
Механике заявленного устройства достаточно обеспечивать свободу вращения камеры лишь в пределах нескольких градусов, достаточных для стабилизации. Возможность вращать камеру на 360 градусов, нужна лишь для панорамирования, а не для стабилизации, но из-за этого система, которая способна вращаться на все 360 градусов значительно больше по габаритам и весу, нежели система способная вращаться лишь на несколько градусов.
Такое устройство будет обладать другими рабочими характеристиками по сравнению с существующими системами, а именно - меньшим диапазоном вращения стабилизируемой платформы относительно основания.
При этом следует понимать, что чем больше коэффициент K, тем более габаритной становится система, но в то же время диапазон стабилизируемых отклонений больше, то есть возможно работа в более жёстких условиях, и диапазон стабилизируемых отклонений - больше. А по мере того как коэффициент К уменьшается, система становится более компактной, но в то же время уменьшается диапазон работы шарнирного механизма.
Опытным путем установлено, что с уменьшением диапазона работы шарнирных механизмов, при коэффициенте К равном 0,5 или менее, удалось достигнуть существенного снижения габаритов устройства, а при коэффициенте К от 0,5 до 1,0 такого же существенного снижения габаритов не удалось достигнуть.
Устройство стабилизации видеооборудования содержит (см. фиг.1,2) основание 1 и подвижную платформу 2, соединенные между собой, по меньшей мере, одним шарнирным механизмом 3, выполненным исходя из следующего соотношения:
3
где, x – расстояние от верхней горизонтальной плоскости платформы до точки пересечения осей шарнирного механизма (соответственно 8x - объём куба, с центром, совпадающим с точкой пересечения осей шарнирных механизмов, и соприкасающегося своей гранью с подвижной платформой);
К - результирующий коэффициент (К≤0,5);
Vi - объем каждого параллелепипеда, в который заключен шарнирный механизм (Vi = ai х bi х ci);
ai – длина габаритного параллелепипеда (объемного четырехугольника);
bi – высота габаритного параллелепипеда;
ci – ширина габаритного параллелепипеда;
n – общее количество шарнирных механизмов.
Основание устройства может быть выполнено любой формы, с возможностью его удерживания оператором в руках, как на расстоянии от тела оператора (на вытянутых руках), так и вблизи тела или на плече оператора.
Платформа 2 расположена сверху основания 1, предназначена для установки на ней видеооборудования, соединена с основанием с помощью шарнирного механизма 3.
Шарнирный механизм 3 представляет собой (см. фиг.3), по меньшей мере, два звена 4, соединенные как между собой, так и с основанием 1 и платформой 2, с помощью, по меньшей мере, трех цилиндрических шарниров 5, каждый из которых выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси. Первое звено одним своим концом шарнирно соединено с основанием 1 устройства, а вторым своим концом шарнирно соединено с другим звеном, при этом второй конец второго звена шарнирно соединен с платформой 2 устройства.
Шарнирный механизм, имея, соединенные шарнирно, как между собой, так и с основанием и платформой, по меньшей мере, два звена, содержит, по меньшей мере, три цилиндрических шарнирных соединения, линии осей которых не ортогональны друг другу. Эти оси пересекаются в одной точке, расположенной на расстоянии X от платформы. Расположение осей шарниров в пространстве подобрано таким образом, чтобы обеспечить подвижность стабилизируемой платформы в трех вращательных степенях свободы. При этом следует понимать, что если в системе используется более одного шарнира, то все оси всех шарниров должны пересекаться в одной точке.
Чтобы сделать систему более компактной, по меньшей мере, три оси, создающие степени свободы вращения камеры, располагаются не ортогонально друг к другу, а под меньшим углом, например, 10 - 20 градусов, что является достаточным для стабилизации камеры, но при этом устройство как минимум в два раза меньше устройств, обеспечивающих полный оборот, и соответственно в несколько раз легче.
Как и в конкурирующих системах, механика может приводиться в действие бесколлекторными двигателями (или иными типами двигателей).
Поскольку оси вращения не совпадают с традиционными ортогональными осями X, Y и Z, то в устройстве должен быть заложен специальный алгоритм, который рассчитывает коэффициенты поворота двигателей для достижения корректной стабилизации.
При этом, по меньшей мере, один двигатель может быть установлен как непосредственно на оси, так и на любом другом подходящем для этого месте устройства с возможностью управления шарнирами через, по меньшей мере, один рычаг, ременную или цепную передачи, или иное механическое соединение.
Устройство стабилизации может содержать регулируемые ручки, сменные вариации плечевых упоров, прикрепленные к основанию устройства, и другие вспомогательные элементы, для более удобного удержания устройства оператором.
Кроме того, устройство может содержать монитор и/или визир и/или другие съемочные аксессуары, которые могут крепиться как к основанию, так и к подвижной платформе, либо быть вынесены на камеру или тело оператора.
Питание устройства может осуществляться как от внутреннего, так и от вынесенного блока аккумуляторов, размещенного на теле оператора. При этом от этого блока аккумуляторов может питаться и стабилизируемая камера.
Пример реализации заявленного изобретения.
Устройство стабилизации содержит основание и подвижную платформу, соединенные между собой двумя шарнирными механизмами (Фиг. 4-6).
На платформе установлен стабилизируемый объект (например, кинокамера), «тело» которого (т.е. не учитывая, например, блок аккумулятора, сменный объектив и т.п.) заключено в виртуальный габаритный куб. Сторона куба в данном примере составляет 150 мм.
Расстояние от верхней горизонтальной плоскости платформы до точки пересечения осей шарнирного механизма составляет 75 мм.
Каждый шарнирный механизм, заключенный в виртуальный габаритный параллелепипед, обладает объемом, соответствующим своим габаритным размерам - длина параллелепипеда составляет 70 мм, ширина – 53 мм, высота – 44 мм.
Шарнирный механизм выполнен исходя из следующего соотношения:
коэффициент
K равен 0.097
В предлагаемом примере .
При этом диапазон вращения платформы относительно основания составляет 20, 10 и 10 градусов вокруг горизонтальной, вертикальной и продольной осей соответственно.
На данное устройство стабилизации можно поставить целый ряд различных камер, высота центра тяжести такой камеры не должна превышать значение Х. Камера устанавливается таким образом, чтобы её центр тяжести был максимально геометрически приближен к точке пересечения осей шарнирных механизмов.
Как было указано ранее, конструктив шарнирного механизма представляет собой, по меньшей мере, два звена, соединенные как между собой, так и с основанием и платформой, с помощью, по меньшей мере, трех осей, обеспечивающих вращение. Несущей частью шарнирного механизма является деталь, соединяющая две оси, и обеспечивающая жёсткость между ними.
ai x bi x ci,
При этом, добавление в данный конструктив каких-либо элементов или изменения формы существующих, не повышающих, при этом, несущую способность механизма и необходимых только для увеличения его объема, не должно учитываться при вычислении вышеуказанных объемов. То есть когда считается объём параллелепипедов  в которые заключены шарниры, то внутрь параллелепипедов, заключается только та часть шарнира, которая фактически несёт нагрузку.
Заявленное изобретение обеспечивает стабилизацию видеооборудования в процессе съемки во время передвижения, но при этом имеет намного меньшие габариты и вес по сравнению с известными аналогичными решениями.