流畅移动：用乐高制作可工作相机滑轨
一个移动流畅的相机滑轨可以为你的视频和定格动画增添专业感，轻松创造出充满动感的镜头。本文中，Noah de Lange将展示他如何仅使用乐高为智能手机搭建了一个全功能相机滑轨，并分享了详细的搭建指导。
平滑移动的相机滑轨可以为你的视频和砖片电影（brickfilms）增添专业质感，轻松创造出充满动感的镜头。在本文中，我将向你展示我如何仅使用乐高为智能手机搭建了一个全功能相机滑轨。
这是一个简单而有效的解决方案，为你的镜头增添电影感移动。因此，在工程师周，我将提供一些指导，教你如何自己搭建它。
宁要好的复制，不要坏的原创
开始一个项目之前，我总是喜欢研究其他工程师如何解决类似挑战，特别是在用乐高工作时。凭借在电影片场的经验，我见过各种各样的相机滑轨在实际使用中。对于这个项目，我专门研究了三轴运动控制滑轨，以了解它们的设计和功能。
Lynx 运动控制滑轨（售价2000美元）
专业三轴相机滑轨设计可实现六种基本相机运动中的三种。每个高端滑轨都包含摇摄（pan）和俯仰（tilt）控制，以及某种形式的直线运动——例如推移（dolly）、平移（truck）或升降（pedestal）——以增强镜头构图。
熟悉这些运动将帮助你在本文后面参考它们时有更清晰的理解：
- 摇摄（Pan） – 在固定轴上向左或向右旋转相机。
- 俯仰（Tilt） – 将相机向上或向下倾斜。
- 推移（Dolly） – 相机沿直线向前或向后移动。
- 平移（Truck） – 不改变角度，向左或向右移动相机。
- 升降（Pedestal） – 升高或降低整个相机装置。
图片来自 Rasmus Brønnum
带运动控制的专业电动相机滑轨通常价格在500到2000美元之间，具体取决于承重能力和你想要控制的轴数。我的目标是创造一个符合以下标准的相机滑轨：
- 经济实惠的三轴控制替代方案（摇摄、俯仰、平移）
- 能够从云台上进行远程操作
- 能够将滑轨倒置拍摄俯视镜头
我还选择主要用黑色乐高零件来搭建它，以尽量减少反射，确保拍摄画面中不会出现不需要的偏色。
当然，专业滑轨是为高端相机构建的，并提供延时摄影和精确速度位置控制等高级功能。虽然这些功能很棒，但我没有实现大部分功能——毕竟，我们仍然在用乐高搭建。
智能手机还是相机？
大约一年前，我为我的Sony A6300搭建了一个电动相机滑轨。虽然这台相机不比带大镜头的全画幅设备重，但它仍然需要精确的位置控制。然而，编程非常麻烦，而且系统的重量使平滑移动变得困难。轨道需要持续支撑——没有支撑，它们在压力下有散架的风险。
它工作得很好，我对结果非常满意！你可以在我一年前制作的关于足球射门机构的视频中看到它的实际效果！
去年夏天，我买了iPhone 15 Pro，它开箱即用就能提供令人印象深刻的视频录制，包括Apple ProRAW。如果你不像我一样是相机极客，这基本上意味着你能获得更多图像数据，让你在后期制作中有更大的控制力。缺点呢？文件体积更大。
随着智能手机摄像头变得越来越先进，我决定专门为手机重新设计我的相机滑轨。这不仅让它更轻、更平滑，而且对于想要自己搭建版本又不需要沉重专业摄影设备的读者来说也更容易获得。
坚固轨道上的运动
创建一个可靠的相机滑轨需要强大稳定的底座，而坚固的导轨对于实现平滑运动至关重要。为确保最大刚性，我将乐高Technic元件与SNOT（ studs Not On Top，非顶面凸点）技术相结合，在各个方向加固结构。这种方法最大限度地减少了轨道偏差，当相机沿滑轨左右移动时，提供稳定精确的平移运动。
轨道透视图
此外，我选择使用新的蜗杆零件代替传统齿轮齿条。在之前的设计中，齿轮齿条会引入轻微颠簸，影响相机移动的平滑度。通过集成蜗杆，我能够实现更一致流畅的运动，提升滑轨的整体性能。
要在滑轨上实现最平滑的相机移动，最小化垂直间隙至关重要。系统中任何上下晃动都会引入不稳定性，因此设计必须确保紧贴但无摩擦贴合。
滑块与轨道之间的接触点
轮子在减少摩擦方面也起着至关重要的作用。它们需要在轨道上平滑滚动以防止不必要的阻力，确保电机能够高效驱动滑动运动。此外，为了让滑轨能够倒置工作，必须从上下两方支撑，在任何方向都保持稳定性。
为了防止不需要的横向移动，我在轨道内部安装了2x2圆形砖和圆形板。这些组件将滑块牢固固定到位，确保各方面都得到一致支撑，并实现精确可控的运动。
我还添加了从8齿到40齿不等的齿轮，实现5:1减速，确保电机能够实现更慢的平移运动。
用乐高Technic完善摇摄运动
搭建我的第一个相机滑轨时，实现平滑摇摄运动是最大的挑战之一。使用标准乐高Technic转盘并不理想——特别是对于较重的装置——因为它无法提供必要的稳定性和平滑度。
为了解决这个问题，我使用了UCS AT-AT套装中引入的6 x 6弧形齿轮条。这个零件有一个独特凹槽，可以让1x1圆形瓷砖起到滚珠轴承的作用，显著提高摇摄运动的平滑度。此外，我添加了两个齿轮来驱动齿轮条，确保更稳定可控的摇摄运动。
6×6齿轮条插入1×1圆形瓷砖
然而，这有一个缺点——如果滑轨倒置，1x1圆形瓷砖会掉出来。为了防止这种情况，我必须想出一个解决方案，保持转盘固定同时保持平滑旋转。我用1L拖球锁定组件。这确保了正确的高度，同时最大限度地减少额外摩擦，使摇摄运动在任何方向都保持稳定流畅。
此外，我在这里也添加了齿轮来实现平滑摇摄。首先，电机采用相同的8-40齿轮减速，提供5:1比例。它还包含一个12-60齿轮，这又产生了5:1减速。结合这些减速，总齿轮减速达到25:1，显著降低电机转速，实现精确可控的摇摄运动。
平滑俯仰、转盘、齿轮比和克服电机卡顿
俯仰机构到目前为止是最容易解决的，唯一真正的挑战是选择合适的转盘。根据我的经验，较旧的56齿Technic转盘比较新的60齿转盘提供更平滑的旋转，特别是在承受侧向载荷时。我在设计第一个版本滑轨时遇到过这个问题，所以对我来说选择56齿转盘是毫无疑问的。
俯仰机构的齿轮装置
除了搭建一个可以用橡胶零件固定手机的笼子，并用松紧带确保手机牢固固定外，剩下的唯一任务就是选择合适的齿轮比。我选择了35:1的比例，显著降低电机转速，实现更平滑的俯仰运动。根据我的经验，在我拍摄的镜头类型中，俯仰不如摇摄频繁。为确保电机平稳运行不卡顿，我决定俯仰轴采用比其他轴更高的齿轮比。
橡胶零件将手机固定到位
电机卡顿发生在发送给电机的速度太低时，导致运动不一致。在当前设计中，这不是大问题，但当我以后实现一个新功能：录制和回放运动时，这可能会成为问题。
对于这个功能，电机平稳运行不卡顿至关重要，因为任何不稳定都会在最终图像中引入不必要的抖动。卡顿发生是因为，在极低速度下，步进电机可能会遇到微步不足或共振问题。如果步进驱动器每秒接收到的脉冲不足，电机可能无法平稳过渡步数，导致运动中出现明显的跳动。此外，低速共振会导致电机振动而不是流畅移动。
使用Pybricks实现一切
Pybricks中的块编程和Python代码
如果你从未听说过Pybricks，它是一个很棒的开源平台，让你可以使用Python对乐高Powered Up集线器编程。与官方乐高应用不同，Pybricks直接在集线器上运行代码，所以你不需要保持连接到手机或电脑。它支持无线蓝牙通信，允许多个集线器一起工作，并启用高级功能如远程控制、自动化和实时数据共享。这些能力使其成为我想要使用的滑轨的完美选择，所以使用Pybricks是显而易见的决定。如果你想了解更多，Ronald Vallenduuk已经写了一篇很棒的文章。
因为我有两个集线器一起工作实现远程操作，每个都扮演特定角色。第一个集线器安装在云台上，负责收集运动数据并通过蓝牙发送给滑轨。第二个集线器放置在滑轨本身上，读取运动数据进行转换，并为电机供电。
我不会详细介绍代码，但我想强调一些最重要的方面。
安装在三脚架上的乐高Technic集线器
三脚架脚本将乐高Technic集线器转变为运动跟踪系统，控制电机、读取运动数据，并通过蓝牙实时广播。
该系统核心依赖于IMU（惯性测量单元）——一种通过陀螺仪和加速度计组合跟踪运动、方向和加速度的传感器。这允许集线器精确测量俯仰和摇摄旋转，确保平滑准确的运动控制。
安装在三脚架上的Technic集线器，带有控制平移运动的附件
程序启动时，集线器上电，LED变绿。然后电机自行校准，运行直到堵转，将角度重置为90度，确保每次都有一致的起始位置。一切设置好后，脚本循环运行，不断检查IMU获取运动数据。同时，它跟踪电机角度计算滑轨速度，保持运动流畅可控。
处理后的数据通过蓝牙无线发送并打印出来用于调试。100ms的短延迟保持更新频繁，又不会让系统过载。
我在下面链接了这个三脚架安装的studio文件。请记住，每个三脚架都有自己的相机安装方法。如果你计划搭建这个滑轨，你可能需要设计一个自定义解决方案将集线器连接到你的三脚架。
滑轨安装的乐高Technic集线器
这个脚本将乐高Technic集线器转变为完全响应式运动控制系统，根据传入的蓝牙数据实时无缝调整摇摄、俯仰和滑动。
集线器一旦上电，就安静地准备自己。默认停止按钮被禁用，确保不中断操作，在收到信号前集线器LED保持熄灭。三个电机——滑动、摇摄和俯仰——每个都唤醒，伸展极限，重置位置，确保从可靠的参考点开始。滑动电机甚至运行到堵转，摸索出边界，然后就位。
安装在滑轨上的Technic集线器
一切校准完成后，系统进入连续循环，等待传入的运动数据。如果没有信号到达，集线器LED变红，表示连接问题。但一旦数据到达，LED闪烁绿色，真正的魔法开始了。俯仰和摇摄电机平滑调整位置，而滑动电机动态改变速度——但仅在保持其运动范围内。
在任何时刻，如果按下集线器按钮，一切都会受控停止。电机回到起始位置，集线器优雅断电，准备下一次使用。
启动滑轨
每次从相同参考点启动滑轨至关重要。当滑轨断电时，它总会回到那个确切的起始位置，确保运动一致性。
为了让这一切顺利进行，重要的是启动过程中插入插针，如图所示。这些插针帮助系统建立零点。然而，一旦集线器上电，插针应该被移除，允许滑轨自由移动不受限制。这个简单的步骤确保每次启动系统时都能获得精确可重复的运动。
插入Technic连接器获得正确参考点
拔掉插针后，首先打开滑轨上的集线器。这确保系统正确初始化。接下来，检查三脚架头上的集线器在俯仰方向是否水平。这有助于在操作过程中保持平滑准确的运动。
设置完成后，打开三脚架集线器。它会先进行校准过程，找到参考点。校准后，确保滑轨的运动设置为零，防止它在开始移动时撞到自己。遵循这些步骤确保一切顺利运行，避免系统承受不必要的压力。
开拍！
就是这样——你已经准备好开始拍摄了！
我喜欢用AirPlay将我的iPhone屏幕镜像到MacBook，或者投射到电视上，这样拍摄时视野更大。这让构图和调整容易得多。滑轨可能有一些小颠簸，但现代智能手机有很好的防抖功能，所以大多数不完美都会自动平滑掉。
这里是我用我的砖拼相机滑轨拍摄的一些镜头。
自己动手搭建
我制作这个滑轨玩得很开心！我还在Studio中制作了数字版本，所以如果你曾经想要自己的一个相机滑轨来拍摄乐高，现在是你的机会！
这里是你需要的所有链接：
我稍后可能会为代码添加一些功能，并尝试改进一些延迟问题和机械问题，使其运行更顺畅，所以我会保持GitHub更新。如果你有任何建议，请告诉我——我可能会将它们添加到搭建或代码中！
Best of BrickNerd - 原文最初发表于2025年2月21日。