非正交軸載體

《非正交軸載體》是深圳市大疆創新科技有限公司於2013年12月10日申請的專利，該專利的公布號為CN104508346A，申請公布日為2015年4月8日，發明人是周力、王鵬。

《非正交軸載體》所述載體用於實現所述運動體與一承載物（209）的耦合；所述載體包括至少兩個旋轉軸（202，204，206）；其中所述至少兩個旋轉軸的疊加轉動用於控制所述承載物的自由指向或補償運動體的運動及震動從而穩定所述承載物；其中兩個旋轉軸之間形成的角（α）是非直角以減小所述轉動相對應的轉動半徑，從而減小相應的轉動慣量；其中兩個旋轉軸上分別對應的負載重心分別在各自旋轉軸的軸線上。

2020年11月，《非正交軸載體》獲得第六屆廣東專利獎金獎。

（概述圖為《非正交軸載體》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：非正交軸載體
• 申請人：深圳市大疆創新科技有限公司
• 申請日：2013年12月10日
• 申請號：2013800276176
• 公布號：CN104508346A
• 公布日：2015年4月8日
• 發明人：周力、王鵬
• 地址：廣東省深圳市南山區高新區南區粵興一道9號香港科大深圳產學研大樓6樓
• 分類號：F16M11/12(2006.01)I
• 代理機構：深圳市賽恩倍吉智慧財產權代理有限公司
• 代理人：謝志為
• 類別：發明專利

專利背景

無人運動體（例如無人飛行器）具有體積小、重量輕、費用低、操作靈活和全性高的特點，可廣泛套用於航拍、監測、搜救、資源勘查等領域。但是由於無人運動體（尤其是無人飛行器）本身存在高頻震動和低頻抖動，用於航拍、監測、搜救、資源的承載物（例如相機）通常不是直接掛載於運動體上，需要配置穩定載體用來搭載攝像機、照相機以及監測、搜救用儀器。承載這個相機或其他有關儀器的載體裝置在一些文獻里稱為“雲台”。

發明內容

專利目的

《非正交軸載體》提供一種用在運動體上的載體，所述載體用於實現所述運動體與一承載物的耦合；所述載體包括至少兩個旋轉軸；其中所述至少兩個旋轉軸的疊加轉動用於控制所述承載物的自由指向或補償運動體的運動及震動從而穩定所述承載物；其中兩個旋轉軸之間形成的角是非直角以減小所述轉動相對應的轉動半徑，從而減小相應的轉動慣量；其中兩個旋轉軸上分別對應的負載重心分別在各自旋轉軸的軸線上。

技術方案

在《非正交軸載體》一些實施例中，所述載體包括三個旋轉軸，其疊加轉動用於控制所述承載物的自由指向或補償運動體的運動及震動從而穩定所述承載物，其中三個旋轉軸之間至少有兩個軸之間形成的角是非直角，其中三個旋轉軸上分別對應的負載重心分別在各自旋轉軸的軸線上。

在一些實施例中，其中的非直角大於0°但小於90°。在一些實施例中，其中的非直角在60°到70°之間。在一些實施例中，其中的非直角約為70°。在一些實施例中，其中所述非直角由一個朝水平面彎折的橫向軸臂實現。在一些實施例中，該載體是用於遙控飛行器帶載攝像器材的載體。在一些實施例中，該載體進一步包括框架組件，傳動組件和承載物組件，其框架組件包括三個支架（第一，二，三支架）。

在一些實施例中，該載體是一種陀螺式動態自平衡載體，該載體進一步包括一個控制組件，所述控制組件包括處理器和慣性感測器，所述慣性感測器檢測被載物的姿態信息，所述處理器根據所述姿態信息控制所述被載物的姿態。在一些實施例中，所述傳動組件進一步包括一個電機組件，所述處理器根據所述姿態信息控制該電機組件，該電機組件直接驅動所述機架組件相對所述被載物轉動從而調整所述被載物的姿態。在一些實施例中，該載體進一步包括連線於第一支架和第二支架上的水平旋轉架，所述水平旋轉架中安裝有十字形連線機構以及機械陀螺。

在一些實施例中，所述傳動組件包括一個電機，所述電機直接驅動所述第一支架相對所述第二支架轉動。在一些實施例中，所述傳動組件包括第一電機和第二電機，所述第一電機直接驅動所述第一支架相對所述第二支架轉動，所述第二電機直接驅動所述連桿構件從而帶動所述第二支架相對所述第三支架轉動。在一些實施例中，所述載體進一步包括相應於電機數量的電子調速模組和外罩，每一個所述電機和一個電子調速模組之間電連線並收容於一個外罩之內。

在一些實施例中，其中所述傳動組件中的電機與所述支架之間設定有電滑環，從而使所述支架在圍繞對應旋轉軸可以做旋轉360°周向的轉動。在一些實施例中，其中所述傳動組件中的第一電機和第一支架之間，以及第二電機和第二支架之間分別設定有電滑環，從而使第一支架和第二支架在圍繞對應旋轉軸可以做旋轉360°周向的轉動。

該發明還提供一種用於在運動體上的載體，包括框架組件（第一支架和第二支架）、電機組件（第一電機和第二電機）和拍攝設備以及控制組件；所述控制組件包括處理器和慣性感測器，所述慣性感測器檢測所述拍攝設備的姿態信息，所述處理器根據所述姿態信息控制所述電機組件；所述電機組件直接驅動所述框架組件相對所述拍攝設備轉動以調整所述拍攝設備的拍攝角度；所述第一支架和第二支架分別可以圍繞一固定軸轉動（稱為旋轉軸Z軸和旋轉軸Y軸），其中旋轉軸Z軸和旋轉軸Y軸之間形成的角是非直角。

在一些實施例中，其中旋轉軸Y軸和旋轉軸Z軸之間形成的角在60°到70°之間。在一些實施例中，其中旋轉軸Y軸和旋轉軸Z軸之間形成的角約為70°。在一些實施例中，其中旋轉軸Y軸和旋轉軸Z軸之間形成的角在0°到90°之間。

該發明還涉及一種用於在運動體上的載體，包括穩定裝置部分、傳動裝置部分以及攝像裝置部分，所述穩定裝置部分包括連線於框架組件I和框架組件II上的水平旋轉架，所述水平旋轉架框架中安裝有十字形連線機構以及機械陀螺，十字形連線機構由內架以及外架組成，內架上固定機械陀螺；所述傳動裝置部分包括固定於外架一側軸上的傳動桿I以及傳動桿II，所述攝像裝置部分包括與水平旋轉架非垂直連線的懸掛U型架及固定於懸掛U型架上的相機底板。

在一些實施例中，其中水平旋轉架連線於懸掛U型架的角度在30°到45°之間。在一些實施例中，其中水平旋轉架連線於懸掛U型架的角度在0°到30°之間。在一些實施例中，其中水平旋轉架連線於懸掛U型架的角度在45°到90°之間。

該發明還提供一種用於在運動體上的載體,包括框架組件、傳動組件以及拍攝組件，所述框架組件包括第一支架、第二支架、第三支架，所述攝像組件固定在所述第一支架上，所述第一支架與所述第二支架轉動設定，所述第二支架與所述第三支架轉動設定；所述傳動組件包括第一電機以及第二電機，所述第一電機直接驅動所述第一支架相對所述第二支架轉動，所述第二電機直接驅動所述第二支架相對所述第三支架轉動，所述第一支架的轉動軸，所述第二支架的轉動軸和所述第三支架的轉動軸（分別稱為X軸，Y軸和Z軸）中至少有兩個轉動軸之間形成的角是非直角。

在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的角在30°到45°之間。在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的角在0°到30°之間。在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的角在45°到90°之間。

在一些實施例中，還進一步包括一個連線板，所述電機和電子調速模組均固定連線於所述連線板，所述電機與所述電子調速模組相鄰設定，所述外罩對應於所述電機上端處開設有樓空孔；所述外罩對應於所述電機外周側處開設有缺口，所述外罩固定於所述連線板上，所述連線板上還固定連線有編碼器，所述編碼器也收容於所述外罩內。

該發明還提供一種用於在運動體上的載體，包括第一支架、第二支架和用於搭載被載物的承載物，所述承載物轉動連線於所述第一支架，所述第一支架轉動連線於所述第二支架；所述載體還包括用於驅動所述承載物相對第一支架旋轉的第一驅動件和用於驅動，所述第一支架相對所述第二支架旋轉的第二驅動件；所述第一驅動件包括第一電機，所述第二驅動件包括第二電機；所述承載物與所述第一支架之間設定有於所述承載物旋轉時可保持旋通的第一電滑環，所述第一支架與所述第二支架之間設定有於所述第一支架旋轉時可保持旋通的第二電滑環，所述第一電滑環與第二電滑環之間相導通，所述承載物圍繞第一支架旋轉和第一支架圍繞第二支架旋轉時的轉動軸分別稱為旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸，旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角是非直角。

在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在30°到45°之間。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在0°到30°之間。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在45°到90°之間。

在一些實施例中，所述載體進一步包括固定件，固定件可以固定鎖緊於運動體上，第二支架轉動連線於固定件，固定件上設定有用於驅動第二支架相對固定件旋轉的第三驅動件，第三驅動件包括第三電機，固定件與第二支架之間設定有於第二支架旋轉時可保持旋通的第三電滑環，所述第二支架相對固定件旋轉時的轉動軸稱為旋轉軸Z軸，X軸，Y軸和Z軸中至少有兩個軸之間形成的角是非直角。

在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的角在60°到70°之間。在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的角約為70°。在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的角在0°到90°之間。

附圖說明

圖1是一種正交載體的立體示意圖；

圖2是一種非正交載體的立體示意圖；

圖3是一個對比一種正交載體和一種三非正交載體的示意圖；

圖4是一個展示非正交的載體優勢的示意圖；

圖5是一種陀螺式動態、自平衡載體的結構示意圖；

圖6是另一種陀螺式載體的結構示意圖；

圖7是一種三軸載體的結構示意圖；

圖8是另一種三軸載體的結構示意圖；

圖9是一種roll軸和pitch軸非正交的載體的立體示意圖；

圖10是一種三軸之相鄰兩軸之間都非正交的載體的立體示意圖。

權利要求

1.一種用在運動體上的載體，所述載體用於實現所述運動體與一承載物的耦合，其中，所述載體包括:至少兩個旋轉軸；其中所述至少兩個旋轉軸的疊加轉動用於控制所述承載物的自由指向或補償運動體的運動及震動從而穩定所述承載物；其中兩個旋轉軸之間形成的角是非直角以減小所述轉動相對應的轉動半徑，從而減小相應的轉動慣量；其中兩個旋轉軸上分別對應的負載重心分別在各自旋轉軸的軸線上。

2.根據權利要求1所述的載體,包括三個旋轉軸，其疊加轉動用於控制所述承載物的自由指向或補償運動體的運動及震動從而穩定所述承載物，其中三個旋轉軸之間至少有兩個軸之間形成的角是非直角，其中三個旋轉軸上分別對應的負載重心分別在各自旋轉軸的軸線上。

3.根據權利要求1或2所述的載體，其中的非直角大於0°但小於90°。

4.根據權利要求3所述的載體，其中的非直角在60°到70°之間。

5.根據權利要求4所述的載體，其中的非直角約為70°。

6.根據權利要求1-5中任一項所述的載體，其中所述非直角由一個朝某一平面彎折的橫向軸臂實現。

7.根據權利要求1-6中任一項所述的載體，進一步包括框架組件，傳動組件和承載物組件，其框架組件包括三個支架（第一，二，三支架）。

8.根據權利要求7所述的載體，該載體是一種陀螺式動態自平衡載體，該載體進一步包括一個控制組件，所述控制組件包括處理器和慣性感測器，所述慣性感測器檢測承載物的姿態信息，所述處理器根據所述姿態信息控制所述承載物的姿態。

9.根據權利要求8所述的載體，所述傳動組件進一步包括一個電機組件，所述處理器根據所述姿態信息控制該電機組件，該電機組件直接驅動所述機架組件相對所述被載物轉動從而調整所述被載物的姿態。

10.根據權利要求8所述的載體，進一步包括連線於所述第一支架和所述第二支架上的水平旋轉架；所述水平旋轉架中安裝有十字形連線機構以及機械陀螺；所述傳動組件包括第一電機和第二電機，所述第一電機直接驅動所述第一支架相對所述第二支架轉動，所述第二電機直接驅動所述連桿構件從而帶動所述第二支架相對所述第三支架轉動。

實施方式

由於運動體（尤其是無人飛行器）本身存在高頻震動和低頻抖動，用於航拍、監測、搜救、資源的承載物（例如相機）通常不能直接掛載於運動體上，而是需要配置穩定載體用來搭載攝像機、照相機以及監測、搜救用儀器。具體地說，穩定載體需要能夠消除由於飛行器高頻和低頻震動對航拍圖像造成的影響，以及由於機體本身傾斜造成的畫面傾斜的問題，從而保證拍攝出非常清晰、穩定的圖像。可以不需要經過其它消抖處理，線上路檢測、定點監測、航拍等套用中取得良好效果。

另外，如果相機或其它裝置的角度不能動，會很大程度上限制其套用。可以採用多自由度的載體將相機或其它裝置（例如照明燈等）與運動體（例如飛行器）耦合。所述多自由度的載體可以實現控制承載物的自由指向或補償運動體的運動及震動從而穩定所述承載物。

一個物體通常有6個自由度，包括三個方向上的平移，及繞三個軸的轉動。這三個軸通常稱為X軸，Y軸和Z軸。在航空領域繞三個軸的轉動分別稱為俯仰（pitch），左側傾和右側傾（roll），和左右的朝向（yaw），因而上述三個軸又稱為pitch軸，roll軸和yaw軸。飛行器上的載體可以是三軸，二軸或一軸,即載體相對於飛行器分別有三個、兩個或一個方向上的旋轉運動的自由度。

該發明中的載體可以用於運動體上。其上可搭載承載物，用以實現承載物相對於運動體的固定、隨意調節所述承載物的姿態（例如：改變承載物的高度、傾角和/或方向）和使承載物穩定保持在確定的姿態上。例如，該載體可以含有有穩定功能的萬向節。所述載體可以作為攝影、照相、監測（雷達）、採樣、照明等的輔助裝置，可運用於空基（例如旋翼飛行器或固定翼飛行器）、水基（例如潛艇或船隻）、路基（例如機動車輛）或天基（例如衛星，空間站，或飛船）等領域。所述承載物可以為照相機和攝像機等攝像裝置，也可為感測器，雷達，照明燈或其他裝置。

在下面一些實施例中，承載物主要以相機為例，運動體主要以飛行器為例，來闡述該發明的有益效果。當然，如上所述，可以理解地，承載物也可以為其它類型的相機，監控攝像頭，照明燈等。運動體也可以是潛艇或船隻、機動車輛，衛星，空間站或飛船等。

圖1是一種有三個正交軸的載體100的立體圖。載體100可以有第一旋轉軸102（X軸，或pitch軸），第二旋轉軸104（Y軸，或roll軸），及第三旋轉軸106（Z軸，或yaw軸）。這三個旋轉軸102、104、106之間相互正交，也就是成90°角。

第一支架108可以承載一個或多個承載物（未顯示），例如相機，照明燈等，並可以被第一電機110驅動，圍繞第一旋轉軸102轉動以改變承載物的俯仰傾角（pitch）。支架108、承載物、以及第一旋轉軸102一起，可以被第二電機112驅動，圍繞第二旋轉軸104轉動以改變承載物的左右側傾角（roll）。

上述組件一起，通過第一軸臂114及第二軸臂115，與一個固定件116可轉動地連線。固定件116可以通過多個固定點118固定於運動體（未顯示）上。固定件116下面的組件，包括第一軸臂114及第二軸臂115，可以繞第三旋轉軸106轉動以改變承載物的左右朝向（yaw）。注意到第二軸臂115在X-Y平面內，也就是說與Z軸正交。第二軸臂115在X-Y平面內可以有一彎折，如圖1所示，但此彎折不是必須的。

圖2是一種有非正交軸的載體200的立體圖。除消除飛行器高頻和低頻震動達到穩定性之外，載體200還能夠以一軸、兩軸、或三軸旋轉，可以實現更好的拍攝、監控或其他目的。載體200可以有第一旋轉軸202（X軸，或pitch軸），第二旋轉軸204（Y軸，或roll軸），及第三旋轉軸206（Z軸，或yaw軸）。其中旋轉軸204與206之間相互非正交，其夾角α小於90°。在一些實施例中，α約為60°-70°。在圖2所示的實施例中，α約為70°。相對於圖1中的載體，非正交Y軸（相對於原始的正交Y軸）相當於朝著Z軸彎折了α'＝90°-α，例如20°。這裡α'是α的餘角。

注意到2013年前多軸飛行器側飛時雲台相機視野的傾斜角度需要靠飛行器的側傾（roll）來補充。假如飛行器側飛角度最大可達到45°，因此原則上講為了使載體易於控制，α'要小于飛行器側飛最大傾角），例如45°。

除此以外，非正交軸對於機械結構設計而言，很重要的一個作用是減小軸臂長度，增強結構剛度。在一些實施例中，在α'＝20°-45°時恰好能在保證個軸的負載重心在軸上的基礎上軸臂最短，剛度最好。第一支架208可以承載一個或多個承載物，例如相機209，照明燈等，並可以被第一電機210驅動，圍繞第一旋轉軸202轉動以改變承載物的俯仰傾角（pitch）。支架208、承載物209、以及第一旋轉軸202一起，可以被第二電機212驅動，圍繞第二旋轉軸204轉動以改變承載物的左右側傾角（roll）。

上述組件一起，通過第一軸臂214及第二軸臂215，與一個固定件216可轉動地連線。固定件216可以通過多個固定點218固定於運動體（未顯示）上。固定件216下面的組件，包括第一軸臂214及第二軸臂215，可以繞第三旋轉軸206轉動以改變承載物的左右朝向（yaw）。注意到第二軸臂215偏離原始的X-Y平面，也就是說不與Z軸正交。第二軸臂115在Y-Z平面內有一彎折，如圖2所示，其彎折角為180°-α'。該領域裡的技術人員可以認識到，其它機械幾何結構也可以實現非正交軸。

圖2中的非正交軸的載體200的三個旋轉軸中的yaw軸206與roll軸204的夾角為非正交。在這種設計下，yaw軸206上的電機220和roll軸204上的電機212位置可以非常接近，使軸臂214與圖1中的軸臂114相比更短，結構更緊湊，剛度更好，也節省重量。同時也減小了yaw軸電機220的負荷。相比之下，圖1中的軸臂114很長，會導致載體整體剛度較差，也造成軸臂114連線處需要消耗較多的材料，而且增加整個載體100的重量。

圖2中的載體200的yaw軸206與roll軸204非正交也使負載在圍繞yaw軸206旋轉占用的空間（相應的折合轉動慣量）與圖1中的載體100相比減小，從而減小了yaw軸206與電機220所承擔的負荷。圖2中的載體200每個軸上所對應的質量塊（也稱為負載）的重心在軸線上。例如，yaw軸206所承擔的負載，包括第一軸臂214及第二軸臂215、第二電機212、支架208、承載物209、第一電機202等，其總體的重心落在yaw軸206上。這樣，當所述負載沿yaw軸206轉動時，將是一個對稱的轉動，而不會對yaw軸206施加震動而造成的額外壓力。同時，利用負載本身的慣性可以消除載體200所在的運動體（如飛行器、車輛等）傳遞到載體掛載的設備（如相機、雷達、照明燈等承載物209）的振動，從而提高拍攝和瞄準效果。

這樣，該發明提供的一種用在運動體上的載體200實現所述運動體與一承載物209的耦合。所述載體的多個旋轉軸的疊加轉動用於控制所述承載物209的自由指向或補償運動體的運動及震動從而穩定所述承載物209。其中至少兩個旋轉軸之間形成的角是非直角。其中yaw軸206對應的負載重心在在其軸線206上，roll軸204對應的負載（例如第二電機212，支架208，承載物209，第一電機202等）重心在roll軸204的軸線上，pitch軸202對應的負載（例如支架208，承載物209，第一電機202等）重心在pitch軸202的軸線上。

在一些實施例中，非直角0°<α'<90°或者90°<（180°-α'）<180°。例如α'可以在0°到45°之間。在一些實施例中，α'可以在0°到30°之間或30°到45°之間。在一個優選實施例中，α'約為20°。在另一個優選實施例中，α'約為30°。在一些實施例中，α'可以在45°到90°之間。在其它一些實施例中，載體可以只包括兩個旋轉軸，其兩個軸之間形成的角是非直角。

圖3進一步對比正交載體100和非正交載體200。注意到固定件116及固定件216可以分別定義水平面310及320，例如對應于飛行器水平飛行的姿態。在正交載體100中，縱向軸臂114的方向與水平面310正交，也就是成直角。在正交載體200中，縱向軸臂214的方向與水平面320非正交，也就是成非直角β。其中β＝90°+α'。由圖3可以更明顯的看到為什麼yaw軸與roll軸非正交可以使yaw軸和roll軸的電機位置可以非常接近，從而可以使yaw軸和roll軸之間軸臂214更短，也就使得載體結構更緊湊並節省材料，減少重量，從而減小了yaw軸電機的負荷。

圖4進一步對比正交載體100和非正交載體200，從中可以更容易看出為什麼非正交載體旋轉占用的空間更小。在圖4中，按yaw軸旋轉時的旋轉半徑用雙虛線410、420表示。可以看到，由於yaw軸與roll軸由正交載體100中的直角交叉變成非正交載體200中的非正角交叉，yaw軸的旋轉半徑（即yaw軸電機和roll軸電機之間的水平投影距離）420與旋轉半徑410相比變短，從而使yaw軸與roll軸非正交使負載在yaw軸旋轉占用的空間（即折合的轉動慣量）減小，也就減小了yaw軸電機220的負荷。

更具體地說，對於同樣長度L的yaw軸104、204，圖4中虛線方框內的有效轉動質量m1、m2相應的旋轉半徑410、420分別是L、Lsinα。如果轉動質量m1＝m2，則轉動慣量正比於（sinα）2，相應地yaw軸電機220的負荷減小至原來的（sinα）2倍。另外，承載於運動體（尤其是小型無人飛行體）的載體體積越小，重量越輕越有利於操作員快速有效的控制相機或其他承載物的方向和角度，以達到高質量的航拍，監視等功效。這裡載體的體積並不一定是指的是載體的整體幾何體積。由於載體的主要功能之一是以一軸，兩軸或三軸旋轉，載體以某一軸旋轉式占用的空間更直接得反映了該載體的實際“操作”體積。也就是說，載體以該軸旋轉時的半徑越小，載體在該軸上的實際“操作”體積越小。除體積考慮之外，載體重量輕可以減輕驅動電機的負荷，易於電機和載體的設計。除體積和重量之外，像很多機械結構一樣，載體的剛性也是一個重要指標。剛性是物體在外力作用下不易產生形變的性質，或稱物體抵抗變形的能力。可以理解地，剛性高的載體不僅壽命長，可靠性高，而且操作反應速度快。

上述的非正交軸載體概念可以套用於各種載體，包括用於改進已有載體結構。例如，圖5是一種二軸陀螺式動態、自平衡載體500的結構示意圖。載體500包括機架組件、電機組件、控制組件以及承載物510。機架組件包括第一支架520、第二支架540以及第三支架560。承載物510可以固定在第一支架520上。第一支架520與第二支架540轉動設定（即：可以相互轉動地耦合），第二支架540與第三支架560轉動設定（即：可以相互轉動地耦合）。此處承載物510的形狀不局限於圖1中所示的方形，還可以為圓形、橢球形或其它形狀。承載物510也不限於圖5中所示的攝像設備，而可以是照明燈，雷達等設備。

該發明的一些實施例採用一或多個電機作為載體的傳動裝置。採用電機作為原動力直接載體的機架組件，耗能較小、節省電能；同時電機驅動能夠實現無級調節，動作回響時間短，能夠快速啟動、停止或及時調整轉速大小以適應無人飛行器各種飛行姿態，從而提高攝像組件的拍攝穩定性。在其它一些實施例中，機械齒輪驅動也可以實現攝像機或照相機的一軸，兩軸或三軸轉動的目的。

電機組件可以包括第一電機530以及第二電機550。第一電機530可以直接驅動第一支架520繞其旋轉軸相對第二支架540轉動。第二電機550可以直接驅動第二支架540繞其旋轉軸相對第三支架560轉動。第一支架520和第二支架540分別可以圍繞一固定軸轉動（稱為旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸），其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角是按照該發明可以是非直角。例如，在設計中可以將傳統的旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間直角壓縮減小。這樣，X軸和Y軸的電機位置可以相應減小，使軸臂更短，結構更緊湊，剛度更好，也節省重量。而且X軸與Y軸非正交使負載在yaw軸旋轉占用的空間（即折合的轉動慣量）減小，從而減小了電機的負荷。

在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的非正交角在0°到90°之間。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在0°到30°之間。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在30°到45°之間，例如30°，或45°。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在45°到90°之間。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的非正交角在90°到180°之間。

在一些實施例中，該載體是一種陀螺式動態自平衡載體，載體500進一步包括一個控制組件，所述控制組件包括處理器和慣性感測器，所述慣性感測器檢測承載物510的姿態信息。處理器根據姿態信息控制電機組件，該電機組件直接驅動所述機架組件相對所述被載物轉動從而調整所述承載物510的姿態。在一些實施例中，載體500進一步包括連線於第一支架和第二支架上的水平旋轉架，所述水平旋轉架中安裝有十字形連線機構以及機械陀螺。上面提到的載體的穩定性可以通過陀螺來實現。陀螺是可以包括一個位於軸心且可旋轉的輪子。陀螺可以實現穩定性是因為陀螺一旦開始旋轉，由於輪子的角動量而有抗拒方向改變的趨向。

這樣，可以採用大慣性的機械穩定陀螺來實現載體的穩定。載體支架上可以連線水平旋轉架，水平旋轉架上連線機械陀螺構成穩定裝置，穩定裝置通過傳動裝置與攝像裝置相連，能夠實現陀螺與相機垂直方向的同步運動，依靠陀螺的穩定性實現相機的穩定拍攝。

在一些實施例中，載體500進一步包括相應於電機數量的電子調速模組和外罩，每一個所述電機和一個電子調速模組之間電連線並收容於一個外罩之內。在一些實施例中，其中所述傳動組件中的電機與所述支架之間設定有電滑環，從而使所述支架在圍繞對應旋轉軸可以做旋轉360°周向的轉動。在一些實施例中，其中所述傳動組件中的第一電機和第一支架之間、以及第二電機和第二支架之間分別設定有電滑環，從而使第一支架和第二支架在圍繞對應旋轉軸可以做旋轉360°周向的轉動。

以航拍套用為例，圖5在中的載體500可以固定於一個無人飛行器的機腹。載體500包括框架組件（第一支架520和第二支架540）、電機組件（第一電機530和第二電機550）和拍攝設備510以及控制組件。所述控制組件包括處理器和慣性感測器。所述慣性感測器檢測所述拍攝設備510的姿態信息。所述處理器根據所述姿態信息控制所述電機組件。所述電機組件直接驅動所述框架組件相對所述拍攝設備轉動以調整所述拍攝設備510的拍攝角度。所述第一支架520和第二支架540分別可以圍繞一固定軸轉動（稱為旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸）。其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角是非直角。

圖6是另一種陀螺式載體600的示意圖。載體600可以包括框架部分（又稱穩定裝置部分）、傳動裝置部分以及承載物（例如攝像裝置）部分。承載物部分可以包括一個相機底板608，其上可以固定各種不同型號的相機（未顯示）。穩定裝置部分可以利用機械陀螺在高速旋轉時能保持穩定的特性來保證整個載體600的穩定。在載體600的中部和後部分別安裝了第一機構支架612和第二機構支架613。在第一機構支架612和第二機構支架613的中心都裝有軸承座，並且同軸。水平旋轉架610通過該軸承座分別與第一機構支架612和第二機構支架613連線，並可以繞該軸旋轉。

所述水平旋轉架610由一個矩形框架和U形框架兩部分組成，上部為矩形框架部分，其兩端頭分別括裝於第一機構支架612和第二機構支架613中心的軸承座內，使水平旋轉架610可以在第一機構支架612和第二機構支架613之間左右擺動。該矩形框架中安裝有十字形連線機構以及機械陀螺609。十字形連線機構由十字形連線框架內架615以及十字形連線框架外架614組成。外架614兩側裝有軸承。外架614通過該軸承連線到水平旋轉架610上，保證整個陀螺609及連線裝置具有一個前後運動的自由度。外架614上留有螺孔，安裝時可以上下調整陀螺609的重心位置。當飛行器發生左右晃動時，陀螺609由於慣性作用始終保持豎直。水平旋轉架610與機械陀螺609相連，會始終保持與機械陀螺609垂直。陀螺的運動可以通過傳動桿617傳至相機底板608，而保證了承載物（相機）在左右方向上的水平。舵機618由遙控器控制，可以主動調整相機的指向。

減震橡膠619可以吸收飛行器在飛行過程中產生的低頻震動，而高頻震動可以被機械陀螺609濾去，從而得到穩定的拍攝畫面。按照該發明的一些實施例，水平旋轉架610和懸掛U型架611之間非正交連線，使得雲台結構更緊湊，剛度更好，而且節省重量。這樣，旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角可以從傳統的直角修改設計為非直角。

在一些實施例中，水平旋轉架610和懸掛U型架611之間的非正交角大於0°但小於90°。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在0°到30°之間。在另一些實施例中，該角度在30°到45°之間，例如30°或45°。在另一些實施例中，該角度在45°到90°之間。在另一些實施例中，該角度在90°到180°之間。

圖7是一種三軸載體700的示意圖。該載體700包括框架部分、傳動裝置部分以及承載物（例如攝像裝置）部分723。框架部分包括第一支架724和第二支架726。攝像裝置部分723固定在第一支架724上。此處攝像裝置部分723的形狀不局限於圖7中所示的方形，還可以為市面上常見的圓形或其它形狀。為了實現攝像裝置部分723沿X軸（即：第一支架724的旋轉軸）旋轉，第一支架724通過端部的銷軸轉動設定在第二支架726上，這種轉動結構能夠實現攝像裝置部分723的抬頭或低頭旋轉。

為了適應無人飛行器在飛行過程中的左側傾或右側傾飛行，攝像裝置部分723相對應的進行右側傾或左側傾轉動進行補償，以保證拍照或攝像的平穩性。如圖7所示，第二支架726可繞自身轉軸Y軸轉動。第二支架726的左右轉動一定角度從而帶動第一支架724和攝像裝置部分723的整體轉動。為了驅動第一支架724、第二支架726，該實施例提供的動力源為電機725、727。採用小型電機直接驅動具有許多優點，例如耗能較小，節能環保，回響時間短、能夠及時快速調整以適應無人飛行器各種飛行姿態，從而使攝像組件的拍攝穩定性高，等等。另外，電機能夠實現無級調節，速度變化均勻，能夠在允許的速度範圍內連續地、任意地調節速度大小，對機構構件的衝擊性較小，穩定性能佳。具體的，如圖7所示，傳動裝置部分包括第一電機725以及第二電機727。第一電機25直接驅動第一支架724繞其旋轉軸（即：X軸）相對第二支架726轉動。第二電機727直接驅動第二支架726繞其旋轉軸（即：Y軸）轉動。

第一支架724的轉動軸，第二支架726的轉動軸和第三支架728的轉動軸（分別稱為X軸，Y軸和Z軸）中至少有兩個轉動軸之間形成的角是非直角。例如，可以修改傳統設計中的直角，使其彎折為非直角。這種設計可以使非直角相交的兩個軸上的電機位置可以更接近，使相應軸臂更短，結構更緊湊，剛度更好，也節省重量。而且雲台非直角相交的兩個軸在旋轉占用的空間（即折合的轉動慣量）減小，從而減小了相應軸上電機的負荷。

在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的非正交角在0°到90°之間。在一些實施例中，其中旋轉軸X軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在0°到30°之間。在一些實施例中，該角度在30°到45°之間，例如30°，或45°。在一些實施例中，該角度在45°到90°之間。在一些實施例中，該角度在90°到180°之間。

圖8顯示一個可以在三個軸上進行360°周向旋轉的載體800。載體800可以包括第一轉動件829和第二轉動件830，第一驅動件832，第二驅動件833，第三驅動件834，以及承載件831。承載件831可以承載例如攝像裝置，照明燈，雷達等承載物859。該實施例中，攝像裝置以微單相機859為例，並將載體800套用于飛行器上為例，闡述該實施例的有益效果。微單相機859可通過鎖緊件固定於承載件831上。當然，可以理解地，承載件831也可以承載其它類型的相機或監控攝像頭等。

載體800可以作為攝影、照相、監測的裝置，可運用於載人或無人飛行器、運載體、汽車、輪船、機器人、電影拍攝、手設設備等領域。承載件831轉動連線於第一轉動件829，第一轉動件829轉動連線於第二轉動件830。第二轉動件830可以包括橫向支臂21和縱向支臂22。橫向支臂21和縱向支臂22之間可以固定連線或一體成型。承載件831轉動方向可與第一轉動件829的轉動方向垂直。載體800還包括固定件867，固定件867可以固定鎖緊于飛行器的安裝位置上。第二轉動件830轉動連線於固定件867。固定件867上設定有用於驅動第二轉動件830相對固定件867旋轉的第三驅動件834，以形成三軸載體800。

載體800還包括用於驅動承載件831相對第一轉動件829旋轉的第一驅動件832和用於驅動第一轉動件829相對第二轉動件830旋轉的第二驅動件833。第一驅動件832包括第一電機，第二驅動件833包括第二電機。第三驅動件834包括第三電機。固定件867與第二轉動件830之間設定有於第二轉動件830旋轉時可保持旋通的電滑環。雲台可以繞三向360°無限制旋轉。

採用導電滑環來連線載體上的電氣設備可以解決電機驅動帶來的一些問題，例如，直接與載體上的電氣設備連線的線纜經常出現纏繞、限制，使載體不能實現全方位的轉動，電氣設備不能實現360°全向轉動，載體的功能受到極大的限制，不便於用戶的使用。

導電滑環屬於電接觸滑動連線套用範疇，它又稱電旋轉連線器、集電環、旋轉關節、旋轉電氣接口、滑環、集流環、回流環、線圈、換向器、轉接器，是實現兩個相對轉動機構的圖像、數據信號及動力傳遞的精密輸電裝置。特別適合套用於無限制的連續旋轉，同時又需要從固定位置到旋轉位置傳送功率或數據的場所。具體地，電滑環可以包括滑環轉子和滑環定子。滑環轉子和滑環定子可以分別固定於載體中相對轉動的兩個支架上，或固定於承載物和承載物所繞的支架上。通過電滑環解決了360°旋轉問題後的載體已經更進一步提高了在飛行體上航拍的穩定性。

承載件831圍繞第一轉動件829旋轉和第一轉動件829圍繞第二支架830旋轉時的轉動軸可以分別稱為X軸和Y軸。第二轉動件830相對固定件867旋轉時的轉動軸稱為Z軸。按照該發明的一些實施例，X軸，Y軸和Z軸中至少有兩個軸之間形成的角是非直角。這種設計可以使非直角相交的兩個軸上的驅動件（或電機）位置可以更接近，使相應軸臂更短，結構更緊湊，剛度更好，也節省重量。而且雲台非直角相交的兩個軸在旋轉占用的空間（即折合的轉動慣量）減小，從而減小了相應軸上驅動件（或電機）的負荷。

在一些實施例中，其中所述的至少有兩個轉動軸之間形成的非正交角大於0°而小於90°。在一些實施例中，其中旋轉軸Z軸和旋轉軸Y軸之間形成的角在0°到90°之間。在一些實施例中，該角度在60°到70°之間，例如60°或70°。在一些實施例中，該角度在45°到90°之間。在一些實施例中，該角度在90°到180°之間。

圖9是一種roll軸和pitch軸非正交的載體的立體示意圖。其中圖9a是正面視圖，圖9b是底面視圖，圖9c是立體視圖。同理可以減小roll軸負載的轉動慣量。與圖2中yaw軸與roll軸非正交的情況同理，這裡roll軸負載的轉動慣量得以減小。

圖10是一種三軸之相鄰兩軸之間都非正交的載體的立體示意圖。其中圖10a是正面視圖，圖10b是底面視圖，圖10c是立體視圖。

在這些實施例中，各軸的負載重心優選地基本上落在相應的軸線上，以得到伺服載體過程中的比較平衡的控制。負載重心的位置在設計範圍內的偏差也是容許的。

榮譽表彰

2020年11月，《非正交軸載體》獲得第六屆廣東專利獎金獎。