舞動(dòng)的屏，靈動(dòng)的臂
——簡述漢秀劇場LED機(jī)械臂系統(tǒng)

鄭志榮，李 利，邢 偉，單方方

（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）

舞動(dòng)的屏，靈動(dòng)的臂
——簡述漢秀劇場LED機(jī)械臂系統(tǒng)

鄭志榮，李 利，邢 偉，單方方

（總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100028）

介紹武漢萬達(dá)漢秀劇場中3套六自由度LED機(jī)械臂系統(tǒng)的工藝要求、結(jié)構(gòu)組成、主要功能、性能參數(shù)以及技術(shù)特點(diǎn)。

LED機(jī)械臂系統(tǒng)；六自由度；液壓同步系統(tǒng)；虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

1 概況

LED顯示屏因其逼真的畫面、靚麗的顏色，常被用作舞臺演藝的背景，以烘托舞臺氣氛、美化現(xiàn)場裝飾，廣泛應(yīng)用于大型劇院、禮堂。不僅如此，LED顯示屏極大地拓寬了藝術(shù)空間，為游客和觀眾帶來了美輪美奐的視覺享受，使得每場演出更加精彩紛呈、扣人心弦。

目前，幾乎所有劇院里的LED顯示屏都是固定安裝在墻面或結(jié)構(gòu)上，即使有的LED屏可隨結(jié)構(gòu)變換位置，往往也都是簡單的一維動(dòng)作。鑒于此，武漢萬達(dá)漢秀劇場在舞臺工藝上大膽創(chuàng)新，委托總裝備部工程設(shè)計(jì)研究總院研發(fā)并搭建了3套技術(shù)最先進(jìn)、功能最復(fù)雜的大型六自由度LED機(jī)械臂系統(tǒng)。每套機(jī)械臂長約27 m，高約32 m，重約280 t，有6個(gè)關(guān)節(jié)可以活動(dòng)，最前面的“手掌”用于承載巨型LED屏。每組LED屏寬11.25 m，高6.66 m，面積達(dá)75 m2。

LED機(jī)械臂系統(tǒng)是萬達(dá)漢秀劇場中的最大亮點(diǎn)之一，給觀眾帶來了無與倫比的視覺震撼，如圖1～圖2所示。它將傳統(tǒng)意義上的LED背景墻變成空間位置自由、組合形式多變的LED活動(dòng)顯示屏，賦予LED屏靈性；甚至可在其上安裝各種特效燈具、煙霧，與其他演出設(shè)備配合，營造出虛幻的效果，成為參與表演的“機(jī)器人”明星。

圖1 演出實(shí)景

圖2 舞美設(shè)計(jì)效果圖

表1 機(jī)械臂上6個(gè)關(guān)節(jié)的性能參數(shù)

2 機(jī)械臂的組成

LED機(jī)械臂系統(tǒng)中，每套機(jī)械臂由立柱、后臂、前臂、支座A、支座B、顯示屏等6個(gè)部件組成，如圖3所示。其中，立柱高度為32.02 m，最大臂展達(dá)27.05 m。同時(shí)，機(jī)械臂采用了六自由度串聯(lián)式機(jī)構(gòu)形式，每套機(jī)械臂上有6個(gè)關(guān)節(jié)（即旋轉(zhuǎn)軸），其性能參數(shù)見表1。

2.1 立柱（Slew #1）

機(jī)械臂立柱的頂部和根部分別通過球鉸軸承和十字軸與基礎(chǔ)連接。立柱的下端安裝了帶有外齒的回轉(zhuǎn)支承和2套同步控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)立柱的搖擺動(dòng)作。

2.2 后臂（Pitch #1）

后臂長度為13.5 m，轉(zhuǎn)軸安裝在立柱下部，用兩只油缸同步牽拉，實(shí)現(xiàn)后臂的俯仰動(dòng)作。配重安裝在立柱背面，上面有鎖定機(jī)構(gòu)，用于停止?fàn)顟B(tài)下的位置鎖定。

2.3 前臂（Pitch #2）

前臂長度為10.35 m，根部安裝在后臂前端的兩個(gè)帶有內(nèi)齒的回轉(zhuǎn)支承上，用4臺減速電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前臂的俯仰動(dòng)作。

圖3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡圖

2.4 支座B（Pitch #3）

支座B安裝在前臂前端的兩個(gè)帶油內(nèi)齒的回轉(zhuǎn)支承上，用4臺減速電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)支座B的俯仰動(dòng)作。

2.5 支座A（Slew #2）

支座A安裝在支座B前端的兩個(gè)帶有內(nèi)齒的回轉(zhuǎn)支承上，用1臺減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)支座A的搖擺動(dòng)作。

2.6 顯示屏（Roll #1）

顯示屏安裝在支座A前端的帶有內(nèi)齒的回轉(zhuǎn)支承上，用1臺減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)顯示屏的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。

3 LED機(jī)械臂系統(tǒng)的功能

LED機(jī)械臂系統(tǒng)中每套機(jī)械臂均有六個(gè)自由度，且LED屏包絡(luò)面積很大。3套機(jī)械臂在不干涉的情況下可以自由組合，在空中隨意飛行、拼接、拆分、旋轉(zhuǎn)，形成舞臺上空各種造型的LED背景顯示。同時(shí)，LED機(jī)械臂系統(tǒng)與演出場景密切配合，不僅可以與舞臺上道具混搭成虛實(shí)相間的道具效果，而且可以伸到觀眾面前近距離呈現(xiàn)。LED機(jī)械臂系統(tǒng)的各種組合動(dòng)作示例如圖4～圖10所示。

圖4 伸展?fàn)顟B(tài)

圖5 收攏狀態(tài)

圖6 豎屏疊加

圖7 橫屏疊加

圖8 橫屏層疊

圖9 橫屏折合

圖10 斜屏組合

4 LED機(jī)械臂系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)械臂是基于仿生學(xué)原理模仿人體手臂研發(fā)設(shè)計(jì)的六自由度串聯(lián)式大型機(jī)構(gòu)，用于承載LED屏，并帶動(dòng)其在舞臺上空動(dòng)作。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是開放式構(gòu)造活動(dòng)范圍大，原理簡單，各軸均可獨(dú)立控制；缺點(diǎn)是懸臂梁結(jié)構(gòu)剛性差，各關(guān)節(jié)誤差會累計(jì)在輸出端，精度難以提高。

綜合來看，漢秀劇場LED機(jī)械臂系統(tǒng)的特點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）體量大，慣量大：LED機(jī)械臂僅末端的LED屏重量就達(dá)3 t，總重量約280 t；

（2）懸臂長，行程大：機(jī)械臂伸出后最大臂展27.05 m，收攏后最小臂展6 m；

（3）速度快：單軸最大線速度達(dá)到2.474 m/s，最大組合線速度達(dá)到5.283 m/s；

（4）裝機(jī)容量大：單臺裝機(jī)容量達(dá)1 422.5 kW，公用液壓系統(tǒng)電機(jī)總功率4 075 kW；

（5）精度高：末端的LED屏能自由組合，拼縫間隙要求小于10 mm；

（6）安全、可靠：是漢秀劇院里使用頻率較高的演出設(shè)備。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)單位科學(xué)有效的組織和管理，并將風(fēng)險(xiǎn)評估理念貫穿始終，LED機(jī)械臂系統(tǒng)集成了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)、液壓同步、單軸多電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及實(shí)時(shí)位置檢測反饋等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了LED背景在整個(gè)舞臺上任意空間內(nèi)的無縫拼接和連續(xù)顯示，極大地豐富了舞臺藝術(shù)樣式，保證演出效果的呈現(xiàn)。

（編輯 薛云霞）

Flying LED and Flexible Robot -The LED Display Robot System at Han Show Theatre

ZHENG Zhi-rong, LI li, XING wei, SHAN Fang-fang
(Beijing Special Equipment Design Institute, Beijing 100028, China)

In this paper, the author introduces the functional requirements, structural composition, main performance parameters and technical characters of LED display robot system in Wuhan Wanda Han Show theater, which is composed by three sets of 6-DOF robots.

LED display robot system; 6-DOF ; hydraulic synchronization system; virtual prototype design

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.009