基于人机工程的手持云台设计研究

王靖雄，唐德红，杨奇彪

（湖北工业大学，湖北 武汉432200）

0 引 言

人们把用于安装固定摄像机并使其能够进行任意方向转动的装置称为云台。云台在无人机航拍，场景监控等方面有广泛的应用。在20世纪70年代，世界上第一台斯坦尼康摄影云台发明后，云台开始步入摄影行业[1]。一般，除了大型摄影云台，具有握持模块的手持云台也是摄影行业的常用云台。

目前，各个数码公司制造的专业级摄影设备通常体积和质量较大，因此对于摄影用户拍摄的难度也会增加，辅助这些专业级摄影设备的手持云台，具有载重大、质量大、电机出力高、计算精密的特点，但是在便携性和易用性方面存在不足。

手持云台如何在满足使用功能的前提下优化用户体验，是一个需要解决的问题。本文从人机工程关系出发对手持云台产品进行设计优化，以情景构建和运动仿真分析的方式检验手持云台的设计，通过改良手持云台来帮助摄影用户有更好的拍摄体验[2]。

1 手持云台应用现状

手持云台作为专门辅助拍摄的产品，在电影、电视剧等视频拍摄中起到重要作用，近年来由于工程技术的进步和基于用户体验的考虑，手持云台形态逐渐改变，如图1所示，由传统的双手分开握持操作方式变为可以双手同时握持手柄部分，在便携性和易用性方面更具有优势。目前手持云台主要支持单反相机和摄影机等设备，但是近年来也出现装载运动相机、手机的小型非专业级手持云台。据调查，搭载运动相机和手机的非专业级手持云台由于轻便小巧，因此用户体验较好，但是专业级手持云台由于搭载设备质量大的原因，在此方面还具有上升空间。如表1所示，为这两类手持云台的对比。

图1 手持云台的变化

表1 手持云台对比

1.1 手持云台模块划分

手持云台根据功能模块的划分，可以分为云台模块和握持模块。云台模块是整个产品功能的核心部分，包括结构设计、电路设计、程序编写等，对手持云台的性能产生直接影响。而握持模块具有支撑整体、可握持的功能，并通过自带的操作系统控制云台和相机，是手持云台中人机工程关系最丰富的模块，对用户体验产生直接影响。模块划分方式[3-4]见表2。

1.2 手持云台使用方式

手持云台的使用方式如图2所示，目前手持云台可以让用户通过握持模块中正副手柄的搭配使用完成操作。由图2可以看出，目前操作区域的变焦滑轮通常设计在手持云台左边，用户只能用左手才能方便调节变焦滑轮，导致双手的分工被固定。对于长时间使用手持云台的用户而言，设计并不合理。如表3所示，是部分同级别载重手持云台的参数对比。由表3数据可以发现，手持云台最大载重和自身质量总和在5 000～6 500 g范围内，用户使用时还需要考虑位移时的惯性。因此双手会长时间保持同一使用姿势，使人体长期处于不合理静态施力状态，导致身体会有很大的负担。

表2 手持云台3个模块划分方式

图2 手持云台使用方式

表3 部分手持云台参数

2 手持云台的设计方向与技术路线

基于人机工程来进行手持云台的设计优化，整体的研究流程都与人机工程学密切相关，同时由于手持云台的活动结构较多，需要进行仿真模拟验证机械干涉。最后还应当进行优化前后的对比实验。研究的技术路线如图3所示。

3 手持云台设计研发流程

手持云台的设计须考虑到人机工程的因素。如握持时的受力大小、眼睛与屏幕之间的距离、转换拍摄视角的流畅度和舒适度等。需要充分考虑用户上肢尺寸。因为产品特性，用户以发育完成的成年人为主，部分人体尺寸差异并不明显，可以通过同一模型来进行标识。由于用户在不同的拍摄需求中会有不同的拍摄姿势，为方便收集数据，人体模型采用用户最常用的站立拍摄姿态，用来模拟手持云台的使用情况[5]。

图3 技术路线

3.1 握持模块设计研发流程

3.1.1 收集人机数据

用户常规握持云台出力关系见图4。由图4可知，手持云台站立使用时单只手臂的动作与人体使用哑铃锻炼时的动作相似，与人体上肢锻炼时运用肌肉相同，因此可参照哑铃锻炼手臂的方式，判断用户使用手持云台的出力状况。文献[6]中，对哑铃锻炼人体上肢肌肉的情况做出具体的调查和研究。研究过程表明，人体上肢前臂和大臂之间的夹角越趋于90°，肌肉施力越大，锻炼效果越好，而低于90°时角度越小越省力。同理，在手持云台的实际使用中，用户上肢夹角越小，使用起来越省力。

图4 用户常规握持手持云台出力关系

基于人机工程来进行手持云台的设计优化，需要确定使用者生理特征，由于专业摄影设备较重，因此用户多为成年男性，手持云台使用方式为握持，并掌握国内男性手掌尺寸和作业区域，根据文献[7]，将男性P5（第5百分位）和P95（第95百分位）作为尺寸下上限值的依据。如表4所示，为我国男性手部相关尺寸数据。

表4 男性手部相关尺寸数据 mm

手掌长计算公式为：Y=7.89+0.53X（X为手长，Y为手掌长）。

大拇指长计算公式：Y=-2.79+0.32X（X为手长，Y为大拇指长）。

握持模块的手柄部分与人体手掌直接接触，所以手柄宽度大小应在受力结构与内部空间允许的情况下小于并尽量接近手掌长度，取P5和P95的男性手长尺寸，由公式计算，可得男性手掌长度在98～112 mm之间。因为手持云台握持时需要使用大拇指对操作面板进行操作，因此操作面板应在握持区域上方，人体大拇指远位指关节活动范围约等于拇指长度，因此尺寸大小可根据大拇指长度决定。取P5和P95的男性手长尺寸，由公式计算，可得男性大拇指长度在52～60 mm之间。手持云台的手握长度与手掌的宽度密切相关，为保证舒适度，尺寸应比手掌的宽度大。由表4可知，手掌宽度在82～96 mm之间。

3.1.2 确定握持模块的设计方向

握持模块中手柄的设计包括长度、直径、手把形状以及尺寸，考虑工业加工的难度与操作性，选择圆柱形手柄。圆柱形手柄的直径、长度及操作区域的长度均与人体对应的尺寸密切相关。手柄结构草图与尺寸如图5所示。基于人体手部尺寸数据和内部空间大小的考虑，手柄基本设定尺寸参数如表5所示。为方便计算，尺寸取用整数[8]。

图5 手柄结构草图与尺寸

结合前面所取得的人体尺寸数据，确定握持模块的结构设计方向，如图6所示，是所改良的握持模块的推理过程及结构草案。

表5 手柄尺寸参数 mm

图6 握持模块推理过程及结构草案

3.2 构建云台模块模型

SolidWorks作为工程类软件，在辅助结构设计和运动仿真方面具有优势，胡庆曾用SolidWorks对手持云台的结构设计进行研究，主要运用SolidWorks建模和设计功能分析云台模块的结构[9]，并基于已有应用SolidWorks研发手持云台的案例，选择将SolidWorks的运动仿真功能应用到手持云台云台模块的的设计中。

手持云台的云台模块和握持模块直接相连，两者之间的设计会相互影响。根据握持模块的设计，优化云台模块与握持模块连接的部分，并根据该部分的优化来调整手持云台整体的形态结构。由于云台模块均为三轴增稳系统，所以先参考市场现有手持云台，构建优化前的云台模块方案，并与设计优化后的云台模块进行比对。如图7所示，是优化前后手持云台在SolidWorks中进行的运动仿真实验。

图7 SolidWorks中进行仿真实验

修改前后的云台模块在SolidWorks中的运动状态以及收纳和使用状态下的模型对比如图8所示，可以观察出优化前云台模块与握持模块之间距离较近，机械运动过程中容易相互干涉，同时也阻碍用户的握持。优化后云台模块和握持模块之间的干涉减小，设计优化后的云台模块三轴机械臂的最大活动范围数据见图9，可根据图9数据验证装载摄影设备后的运动干涉。

图8 云台模块运动状态对比

图9 云台模块三轴机械臂最大活动范围

4 手持云台设计方案

通过设计深化，最终设计方案如图10所示。其设计特点是握持部分操作界面倾斜，变焦滑轮置于顶部，扳机键与手柄一体化，并参考CRANE3 LAB手持云台[10]，将三脚架代替手持手柄的传统位置。

图10 设计方案

4.1 手持云台设计说明

手持云台内部为金属骨架，保证产品强度，云台整体的设计优化主要集中在握持模块。手柄部分加装防滑套，操作区域主体为前面的遥感母控和部分按键，操作区域背面放置扳机键，辅助用户完成更快捷的操作。变焦滑轮置于顶部，保证用户左右手握持均能正常使用，同时由于扳机键与手柄部分一体化，用户操作变焦滑轮时不会产生干涉，并且电源键置于变焦滑轮中部，避免操作时误触。外接耳机孔和充电的USB接口与电池模块放置于下方，保证外接配件时避免影响握持，同时方便内部电路组装，增加产品生产时的良品率。同时，手持云台收纳状态下的尺寸长为350 mm，宽为365 mm，面积大小与A3纸相当，可以满足旅行箱、汽车后备箱、背包等移动储存设备的放置需求。握持模块手柄部分与水平面夹角为120°，与航向轴的弯折角度相同，避免对相机屏幕的视觉干涉和增大调平的空间。握持模块具体设计细节见图11，手持云台具体尺寸见图12。

图11 握持模块的设计细节

图12 手持云台的使用与收纳尺寸

4.2 手持云台使用方式

在SolidWorks中进行手持云台的运动仿真并构建相应的人体模型，并对比优化前后的设计方案，优化前后手持云台的使用对比见图13。由图13可以看出，优化后手持云台的站立拍摄时重心更低，稳定性更高，更符合用户延时摄影的需求；优化后常规握持时负责操作区域的手臂离身体更近，支撑手持云台的出力更少，更便于操作云台；为使优化后低机位拍摄时用户使用更加便利，可以由原来的双手操作变为单手操作，满足用户多操的需求，且手持云台机身更低，用户重心向下而非向前偏移，减轻用户静态施力时的腰部压力；优化后收纳状态下的手持云台更加紧凑，更能适应背包、汽车后备箱、储物柜等大多数储存空间，在便携性方面具有优势。

5 结 论

本文从手持云台的设计出发，结合人机工程学对手持云台整体进行优化设计，获取数据并加以分析来确定用户使用时的合适动作及云台的合适结构。再根据用户行为对手持云台整体进行设计优化。同时，利用SolidWorks运动仿真功能，模拟手持云台实际使用时的机械运动状态，验证干涉；根据优化前后手持云台的使用状态对比，来验证设计优化后手持云台的合理性。证明优化后云台在易用性和便携性方面具有优势。同时，人机工程学和SolidWorks的运动仿真功能相结合的研究方法，也为其他具有活动结构和多个使用形态的产品研发提供思路。

图13 手持云台优化前后用户使用对比