王靖雄，唐德紅，楊奇彪

（湖北工業(yè)大學，湖北 武漢432200）

0 引 言

人們把用于安裝固定攝像機并使其能夠進行任意方向轉(zhuǎn)動的裝置稱為云臺。云臺在無人機航拍，場景監(jiān)控等方面有廣泛的應用。在20世紀70年代，世界上第一臺斯坦尼康攝影云臺發(fā)明后，云臺開始步入攝影行業(yè)[1]。一般，除了大型攝影云臺，具有握持模塊的手持云臺也是攝影行業(yè)的常用云臺。

目前，各個數(shù)碼公司制造的專業(yè)級攝影設備通常體積和質(zhì)量較大，因此對于攝影用戶拍攝的難度也會增加，輔助這些專業(yè)級攝影設備的手持云臺，具有載重大、質(zhì)量大、電機出力高、計算精密的特點，但是在便攜性和易用性方面存在不足。

手持云臺如何在滿足使用功能的前提下優(yōu)化用戶體驗，是一個需要解決的問題。本文從人機工程關系出發(fā)對手持云臺產(chǎn)品進行設計優(yōu)化，以情景構(gòu)建和運動仿真分析的方式檢驗手持云臺的設計，通過改良手持云臺來幫助攝影用戶有更好的拍攝體驗[2]。

1 手持云臺應用現(xiàn)狀

手持云臺作為專門輔助拍攝的產(chǎn)品，在電影、電視劇等視頻拍攝中起到重要作用，近年來由于工程技術的進步和基于用戶體驗的考慮，手持云臺形態(tài)逐漸改變，如圖1所示，由傳統(tǒng)的雙手分開握持操作方式變?yōu)榭梢噪p手同時握持手柄部分，在便攜性和易用性方面更具有優(yōu)勢。目前手持云臺主要支持單反相機和攝影機等設備，但是近年來也出現(xiàn)裝載運動相機、手機的小型非專業(yè)級手持云臺。據(jù)調(diào)查，搭載運動相機和手機的非專業(yè)級手持云臺由于輕便小巧，因此用戶體驗較好，但是專業(yè)級手持云臺由于搭載設備質(zhì)量大的原因，在此方面還具有上升空間。如表1所示，為這兩類手持云臺的對比。

圖1 手持云臺的變化

表1 手持云臺對比

1.1 手持云臺模塊劃分

手持云臺根據(jù)功能模塊的劃分，可以分為云臺模塊和握持模塊。云臺模塊是整個產(chǎn)品功能的核心部分，包括結(jié)構(gòu)設計、電路設計、程序編寫等，對手持云臺的性能產(chǎn)生直接影響。而握持模塊具有支撐整體、可握持的功能，并通過自帶的操作系統(tǒng)控制云臺和相機，是手持云臺中人機工程關系最豐富的模塊，對用戶體驗產(chǎn)生直接影響。模塊劃分方式[3-4]見表2。

1.2 手持云臺使用方式

手持云臺的使用方式如圖2所示，目前手持云臺可以讓用戶通過握持模塊中正副手柄的搭配使用完成操作。由圖2可以看出，目前操作區(qū)域的變焦滑輪通常設計在手持云臺左邊，用戶只能用左手才能方便調(diào)節(jié)變焦滑輪，導致雙手的分工被固定。對于長時間使用手持云臺的用戶而言，設計并不合理。如表3所示，是部分同級別載重手持云臺的參數(shù)對比。由表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，手持云臺最大載重和自身質(zhì)量總和在5 000～6 500 g范圍內(nèi)，用戶使用時還需要考慮位移時的慣性。因此雙手會長時間保持同一使用姿勢，使人體長期處于不合理靜態(tài)施力狀態(tài)，導致身體會有很大的負擔。

表2 手持云臺3個模塊劃分方式

圖2 手持云臺使用方式

表3 部分手持云臺參數(shù)

2 手持云臺的設計方向與技術路線

基于人機工程來進行手持云臺的設計優(yōu)化，整體的研究流程都與人機工程學密切相關，同時由于手持云臺的活動結(jié)構(gòu)較多，需要進行仿真模擬驗證機械干涉。最后還應當進行優(yōu)化前后的對比實驗。研究的技術路線如圖3所示。

3 手持云臺設計研發(fā)流程

手持云臺的設計須考慮到人機工程的因素。如握持時的受力大小、眼睛與屏幕之間的距離、轉(zhuǎn)換拍攝視角的流暢度和舒適度等。需要充分考慮用戶上肢尺寸。因為產(chǎn)品特性，用戶以發(fā)育完成的成年人為主，部分人體尺寸差異并不明顯，可以通過同一模型來進行標識。由于用戶在不同的拍攝需求中會有不同的拍攝姿勢，為方便收集數(shù)據(jù)，人體模型采用用戶最常用的站立拍攝姿態(tài)，用來模擬手持云臺的使用情況[5]。

圖3 技術路線

3.1 握持模塊設計研發(fā)流程

3.1.1 收集人機數(shù)據(jù)

用戶常規(guī)握持云臺出力關系見圖4。由圖4可知，手持云臺站立使用時單只手臂的動作與人體使用啞鈴鍛煉時的動作相似，與人體上肢鍛煉時運用肌肉相同，因此可參照啞鈴鍛煉手臂的方式，判斷用戶使用手持云臺的出力狀況。文獻[6]中，對啞鈴鍛煉人體上肢肌肉的情況做出具體的調(diào)查和研究。研究過程表明，人體上肢前臂和大臂之間的夾角越趨于90°，肌肉施力越大，鍛煉效果越好，而低于90°時角度越小越省力。同理，在手持云臺的實際使用中，用戶上肢夾角越小，使用起來越省力。

圖4 用戶常規(guī)握持手持云臺出力關系

基于人機工程來進行手持云臺的設計優(yōu)化，需要確定使用者生理特征，由于專業(yè)攝影設備較重，因此用戶多為成年男性，手持云臺使用方式為握持，并掌握國內(nèi)男性手掌尺寸和作業(yè)區(qū)域，根據(jù)文獻[7]，將男性P5（第5百分位）和P95（第95百分位）作為尺寸下上限值的依據(jù)。如表4所示，為我國男性手部相關尺寸數(shù)據(jù)。

表4 男性手部相關尺寸數(shù)據(jù) mm

手掌長計算公式為：Y=7.89+0.53X（X為手長，Y為手掌長）。

大拇指長計算公式：Y=-2.79+0.32X（X為手長，Y為大拇指長）。

握持模塊的手柄部分與人體手掌直接接觸，所以手柄寬度大小應在受力結(jié)構(gòu)與內(nèi)部空間允許的情況下小于并盡量接近手掌長度，取P5和P95的男性手長尺寸，由公式計算，可得男性手掌長度在98～112 mm之間。因為手持云臺握持時需要使用大拇指對操作面板進行操作，因此操作面板應在握持區(qū)域上方，人體大拇指遠位指關節(jié)活動范圍約等于拇指長度，因此尺寸大小可根據(jù)大拇指長度決定。取P5和P95的男性手長尺寸，由公式計算，可得男性大拇指長度在52～60 mm之間。手持云臺的手握長度與手掌的寬度密切相關，為保證舒適度，尺寸應比手掌的寬度大。由表4可知，手掌寬度在82～96 mm之間。

3.1.2 確定握持模塊的設計方向

握持模塊中手柄的設計包括長度、直徑、手把形狀以及尺寸，考慮工業(yè)加工的難度與操作性，選擇圓柱形手柄。圓柱形手柄的直徑、長度及操作區(qū)域的長度均與人體對應的尺寸密切相關。手柄結(jié)構(gòu)草圖與尺寸如圖5所示?；谌梭w手部尺寸數(shù)據(jù)和內(nèi)部空間大小的考慮，手柄基本設定尺寸參數(shù)如表5所示。為方便計算，尺寸取用整數(shù)[8]。

圖5 手柄結(jié)構(gòu)草圖與尺寸

結(jié)合前面所取得的人體尺寸數(shù)據(jù)，確定握持模塊的結(jié)構(gòu)設計方向，如圖6所示，是所改良的握持模塊的推理過程及結(jié)構(gòu)草案。

表5 手柄尺寸參數(shù) mm

圖6 握持模塊推理過程及結(jié)構(gòu)草案

3.2 構(gòu)建云臺模塊模型

SolidWorks作為工程類軟件，在輔助結(jié)構(gòu)設計和運動仿真方面具有優(yōu)勢，胡慶曾用SolidWorks對手持云臺的結(jié)構(gòu)設計進行研究，主要運用SolidWorks建模和設計功能分析云臺模塊的結(jié)構(gòu)[9]，并基于已有應用SolidWorks研發(fā)手持云臺的案例，選擇將SolidWorks的運動仿真功能應用到手持云臺云臺模塊的的設計中。

手持云臺的云臺模塊和握持模塊直接相連，兩者之間的設計會相互影響。根據(jù)握持模塊的設計，優(yōu)化云臺模塊與握持模塊連接的部分，并根據(jù)該部分的優(yōu)化來調(diào)整手持云臺整體的形態(tài)結(jié)構(gòu)。由于云臺模塊均為三軸增穩(wěn)系統(tǒng)，所以先參考市場現(xiàn)有手持云臺，構(gòu)建優(yōu)化前的云臺模塊方案，并與設計優(yōu)化后的云臺模塊進行比對。如圖7所示，是優(yōu)化前后手持云臺在SolidWorks中進行的運動仿真實驗。

圖7 SolidWorks中進行仿真實驗

修改前后的云臺模塊在SolidWorks中的運動狀態(tài)以及收納和使用狀態(tài)下的模型對比如圖8所示，可以觀察出優(yōu)化前云臺模塊與握持模塊之間距離較近，機械運動過程中容易相互干涉，同時也阻礙用戶的握持。優(yōu)化后云臺模塊和握持模塊之間的干涉減小，設計優(yōu)化后的云臺模塊三軸機械臂的最大活動范圍數(shù)據(jù)見圖9，可根據(jù)圖9數(shù)據(jù)驗證裝載攝影設備后的運動干涉。

圖8 云臺模塊運動狀態(tài)對比

圖9 云臺模塊三軸機械臂最大活動范圍

4 手持云臺設計方案

通過設計深化，最終設計方案如圖10所示。其設計特點是握持部分操作界面傾斜，變焦滑輪置于頂部，扳機鍵與手柄一體化，并參考CRANE3 LAB手持云臺[10]，將三腳架代替手持手柄的傳統(tǒng)位置。

圖10 設計方案

4.1 手持云臺設計說明

手持云臺內(nèi)部為金屬骨架，保證產(chǎn)品強度，云臺整體的設計優(yōu)化主要集中在握持模塊。手柄部分加裝防滑套，操作區(qū)域主體為前面的遙感母控和部分按鍵，操作區(qū)域背面放置扳機鍵，輔助用戶完成更快捷的操作。變焦滑輪置于頂部，保證用戶左右手握持均能正常使用，同時由于扳機鍵與手柄部分一體化，用戶操作變焦滑輪時不會產(chǎn)生干涉，并且電源鍵置于變焦滑輪中部，避免操作時誤觸。外接耳機孔和充電的USB接口與電池模塊放置于下方，保證外接配件時避免影響握持，同時方便內(nèi)部電路組裝，增加產(chǎn)品生產(chǎn)時的良品率。同時，手持云臺收納狀態(tài)下的尺寸長為350 mm，寬為365 mm，面積大小與A3紙相當，可以滿足旅行箱、汽車后備箱、背包等移動儲存設備的放置需求。握持模塊手柄部分與水平面夾角為120°，與航向軸的彎折角度相同，避免對相機屏幕的視覺干涉和增大調(diào)平的空間。握持模塊具體設計細節(jié)見圖11，手持云臺具體尺寸見圖12。

圖11 握持模塊的設計細節(jié)

圖12 手持云臺的使用與收納尺寸

4.2 手持云臺使用方式

在SolidWorks中進行手持云臺的運動仿真并構(gòu)建相應的人體模型，并對比優(yōu)化前后的設計方案，優(yōu)化前后手持云臺的使用對比見圖13。由圖13可以看出，優(yōu)化后手持云臺的站立拍攝時重心更低，穩(wěn)定性更高，更符合用戶延時攝影的需求；優(yōu)化后常規(guī)握持時負責操作區(qū)域的手臂離身體更近，支撐手持云臺的出力更少，更便于操作云臺；為使優(yōu)化后低機位拍攝時用戶使用更加便利，可以由原來的雙手操作變?yōu)閱问植僮鳎瑵M足用戶多操的需求，且手持云臺機身更低，用戶重心向下而非向前偏移，減輕用戶靜態(tài)施力時的腰部壓力；優(yōu)化后收納狀態(tài)下的手持云臺更加緊湊，更能適應背包、汽車后備箱、儲物柜等大多數(shù)儲存空間，在便攜性方面具有優(yōu)勢。

5 結(jié) 論

本文從手持云臺的設計出發(fā)，結(jié)合人機工程學對手持云臺整體進行優(yōu)化設計，獲取數(shù)據(jù)并加以分析來確定用戶使用時的合適動作及云臺的合適結(jié)構(gòu)。再根據(jù)用戶行為對手持云臺整體進行設計優(yōu)化。同時，利用SolidWorks運動仿真功能，模擬手持云臺實際使用時的機械運動狀態(tài)，驗證干涉；根據(jù)優(yōu)化前后手持云臺的使用狀態(tài)對比，來驗證設計優(yōu)化后手持云臺的合理性。證明優(yōu)化后云臺在易用性和便攜性方面具有優(yōu)勢。同時，人機工程學和SolidWorks的運動仿真功能相結(jié)合的研究方法，也為其他具有活動結(jié)構(gòu)和多個使用形態(tài)的產(chǎn)品研發(fā)提供思路。

圖13 手持云臺優(yōu)化前后用戶使用對比