可编程三维威亚系统分析

1、    可编程三维威亚系统分析    侯鹏强+唐伟+向飞【摘 要】 介绍三维威亚应用于演艺领域的舞台表演功能，并详细阐述可编程轨迹的设置方法以及应用。【关键词】 可编程；三维威亚；轨迹；舞台表演： 10.3969/j.issn.1674-8239.2017.11.008【abstract】the author introduces the stage performance function which is the application of 3d wire in the field of performing arts， and detailed

2、setting method and application of programmable trajectory.【key words】programmable； 3d wire； trajectory； stage performance随着我国演出规模的扩大，各种流动演出和固定演出的体量和规模逐渐增大，对演出设备的要求逐年增加。以前的流动演出几乎都是以固定设备为主，一般采用固定桁架搭台，演出方式主要靠灯光音响来配合。最近几年演出行业开始多样化，涌现出了很多新颖的机械设备，如增加舞台动感效果的可编程矩阵球、机械臂、全向车台等演出设备，极大地丰富了演出的方式和內容。采用矩阵球表演方式的舞台，

3、通过数量庞大的矩阵球增加演出效果，有些矩阵球还可配合演员做出特殊造型（见图1）；采用机械臂的方式可装载演出用的大型显示屏，也可将灯具进行托举，同时还能通过编程将人与机械臂进行互动，演出模式更加灵活，灯光的角度更加多样（见图2）；采用全向车台则可以将道具或演员移动到舞台面的任意位置，使得布景演出更灵活多样（见图3）。1 三维威压三维威亚也称三维飞行器，可将人、道具或摄像机快速移动到空间的任意位置，表演的空间维度更加灵活多样，是目前比较先进、科技含量较高的立体舞台展现的一种手段。三维威亚作为一种演出方式，已越来越多地应用于舞台表演。常规的威亚分为一维威亚和二维威亚。一维威亚主要用于表演人员或者物体

4、的上升下降，表演形式比较单一；而二维威亚则可以在一个平面上进行表演，不光可以进行上升下降的动作，还可以进行左右移动的操作。两种威亚的表现形式都有一定的局限性，而三维威亚可以在空间的任意位置进行移动，实现立体舞台的效果，起到画龙点睛的效果。三维威亚通常采用四根绳索牵引，作为柔索并联机器人的一个分支，空间有x、y、z三个自由度。对于三维威亚控制系统功能，一般有如下几种：（1）手动操作，配置手柄等操作工具，可进行手动控制，一般配置多个维度的手柄，可同时控制三维威亚的上下、前后、左右的同时动作。（2）轨迹离线编程，编辑轨迹，设定需要经过的轨迹点，通过轨迹自动平滑等方式处理需要运行的轨迹，同时可设定轨迹

5、的运行时间等，并进行轨迹运行参数的设定和自检，支持轨迹离线仿真。（3）示教功能，能将手动运行的轨迹进行记录，并能回放。可通过手柄先试运行轨迹，同时开启轨迹记录功能，记录完成后可将估计进行完整的重现。（4）运行区域设定，可手动设置运行区域，保证系统在运行过程中不会运行过界和碰撞。目前，国外的奥地利瓦格纳比罗、英国st等公司拥有三维威亚技术。国内的一些公司也在开发三维威亚，但功能不够全面，四种功能中一般只实现了某一种或者两种功能。st公司的威亚系统采用三维视图进行设计，可轻松实现三维仿真功能，通过计算机软件编程，可实现轨迹编程、记录、回放等功能（见图4）。系统采用了多种算法，如基于样条曲线的轨迹生

6、成算法、基于s曲线的加减速控制算法、基于轨迹球控制的三维视图控制算法等。2 系统构成舞台机械控制系统采用分层控制结构，分为三层，操作层、控制层、执行层。三层功能划分明确，进行不同的数据处理。（1）操作层：一般指用于操作设备的人机交互终端（见图5），终端上配置两路带安全开关的手柄，可用于控制方向和速度，其中一组支持x、y方向控制，另一组支持z方向控制。操作台和运动控制器采用工业以太网进行通信，保证指令数据的实时性。操作终端自带急停开关，急停开关支持estop0、estop1级紧急停机模式。（2）控制层：控制层完成两个功能，一种功能为通过以太网接收操作终端传来的控制指令，控制指令采用实时下发的方式

7、，通信协议采用心跳模式，可在操作终端失去联系的情况下进入紧急停机模式，另一种功能为将解析的命令转换为针对伺服驱动的控制指令。由于该控制器需要完成算法的实时解析，需要较强的性能和较快的通信总线。本方案中采用德国倍福的可编程逻辑控制器（plc，见图6），该控制器运行速度较快，通常扫描周期一般在5 ms以上，而倍福的控制器运行速度能达到1 ms，甚至更短，有充足的计算能力进行轨迹的实时计算；同时系统采用ethercat总线，总线扫描四个设备能控制在100 us以内（见图7）。这种特性使得系统响应速度快、设备运行精度高。（3）执行层：执行层采用倍福的伺服驱动，伺服驱动和控制层之间通过ethercat总

8、线进行互联，伺服驱动通过指令接受来自控制器的指令。3 软件功能人机交互通过计算机软件stagetour完成，stagetour主界面分为八个区域（见图8），标题栏：显示oem厂家信息、本机软件的名称和系统时间；三维视图区：三维显示三维威亚的状态；设备监控区：三维威亚单个设备状态属性；操作区：设备、剧目选择的相关界面；信息提示栏：显示软件当前运行状态和用户的操作信息；状态栏：显示系统当前状态（系统状态是否正常）、显示用户属性（管理员、普通用户）和用户名称、软件工作模式；功能菜单按钮：剧目管理、设置配置、系统选项；模式切换区：stagetour的工作模式选择。endprint点击按钮可将软件切换到

9、指定的工作模式，工作模式可分为手动模式、编辑模式、自动模式。3.1 手动模式轨迹记录手动模式主要用于控制手动设备的运行，记录设备的轨迹，同时可用于读取、管理记录。记录管理用于威亚记录，按钮功能（见图9）如下：记录：点击记录按钮，开启轨迹记录；停止：点击停止按钮，停止轨迹记录；读取：读取已经记录的轨迹；保存：保存已经读取的记录信息；管理：打开管理窗口，进行记录的管理，包括记录名称、描述的修改、删除等功能；隐藏：用于隐藏对应的界面显示的轨迹。3.2 编辑模式编辑模式主要用于手动编辑轨迹，包括每个控制点的坐标，速度等。轨迹操作主要分为三个视图，正视图、侧视图、俯视图，并通过一个三维视图来显示最终的轨

10、迹。对于每个界面，可完成轨迹点的新增，删除，移动等操作（见图10）。（1）为新增按钮，按下后鼠标变为十字形状，鼠标左键点击对应的按钮即可完成点的新建，可联系多次点击，完成多个点的新建；（2）为视图查看按钮，按下后鼠標变为鼠标常规的箭头形状，点击任何视图都不会产生任何动作；（3）为删除按钮，按下后鼠标变为红色带斜杠的形状，点击对应的轨迹点可删除点；（4）为移动按钮，按下后鼠标变为手掌形状，先用左键选择对应的轨迹点，拖动鼠标到合适的轨迹位置，点击鼠标右键完成点的移动；（5）为放大按钮，按下后可放大对应的视图；（6）为缩小按钮，按下后恢复为正常的视图大小。轨迹点编辑界面（见图11）主要用于编辑每个轨

11、迹点，包括每个点的坐标、速度，其中速度为两个点的运行时间，单位为毫秒。其中蓝色区域为选中的轨迹点的标号。（1）编辑x、y、z坐标值，再选择位置设置按钮，即可完成对应的点坐标编辑；（2）编辑speed值，再选择速度设置，即可完成对应的速度时间设置；（3）速度量化选项，量化系数为1100，100基本针对三维威亚的最快运行速度。选择编辑模式下的其他选项卡，点击特殊图形，打开界面（见图12）。特殊轨迹有螺旋线、直线、波浪线三种，其中螺旋线可完成螺旋上升和螺旋下降曲线，直线完成轨迹的直线，波浪线为可调相位的sin曲线。轨迹分析界面（见图13）可针对编辑好的轨迹进行速度和加速度分析，并可调整对应的平滑程度

12、。界面可适当调整每段曲线的显示长度和显示曲线的数量，方便进行分析和优化。界面上层有平滑系数可进行优化，通过调整系数可将曲线平滑程度进行手动优化。4 控制算法三维威亚机构（示意图见图14）采用4根绳索牵引一个物体a，在四根绳综合作用下，物体可以在一定的三维空间内移动。其中，四根绳分别标记为l1，、l2、l3、l4，中心点物体坐标标记为（x，y，z）。四个点挂绳点坐标在空间中标记为（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3）、（x4，y4，z4），即可通过公式（1）得出每条绳的长度l。5 应用三维威亚可用于舞台表演，也可用于展览展示。其作为柔索并联机器人的一种方式，可应用于其他

13、物体空间位置调整，如摄像机等。由于三维威亚只有四根绳索，可采用类似单点吊机的布局方式，采用快拆的方式来进行四个点的固定。平时不用的情况下可当成单点吊机进行自由升降，不占用空间位置；需要用的时候可将四个点降到某个位置，进行快速连接即可。文中详述的系统已成功应用于多个剧场的观众厅以及部分婚庆场所。参考文献：1汪选要，曹毅，黄真.并联柔索牵引机构的运动学分析.机械设计与研究，2007，23（3）：46-48.2田文超，张小波，朱志红等.数控系统中多轴同步技术策略和实现j.华中科技大学学报，2001，29（5），4-6.3刘华生，童昕.两自由度绳牵引并联机构.华侨大学学报（自然科学版），2004，25（4）：410-414.4 张立勋，刘攀，王克等.绳索牵引并联康复机器人的建模与控制.哈尔滨工程大学学报，2009，30（1）：81-85.5杨同辉，高峻岩，郑亚青，林麒等.立面1r2t三自由度绳牵引并联机构的位姿运动