淺析一種懸吊曲線軌道機(jī)器人系統(tǒng)

滕建新 劉勤山 覃博文

【摘? ?要】 介紹廣州市廣播電視臺(tái)自主研制的懸吊軌道機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、組成、功能，設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)問題以及解決 方案。系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試、試驗(yàn)、運(yùn)行滿足設(shè)計(jì)要求，可適用于地方廣播電視臺(tái)需求。

【關(guān)鍵詞】 演播室;軌道機(jī)器人;懸吊;行車系統(tǒng);減振系統(tǒng);控制系統(tǒng);精確定位;運(yùn)行平穩(wěn)

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.09.011

Analysis of a Suspension Curve Orbit Robot System

TENG Jian-xin， LIU Qin-shan， QIN Bo-wen

（Guangzhou Broadcasting Network， Guangzhou Guangdong 510066， China）

【Abstract】The design concept， composition， functions， technical problems encountered in the design and solutions of the suspended track robot system independently developed by Guangzhou Broadcasting Network are introduced. The system has been tested， and run to meet the design requirements， and it can be applied to the needs of local radio and TV stations.

【Key Words】studio; orbital robot; suspension; traffic system; vibration absorption system; control system; accurate ? ? positioning; smooth operation

1? 概述

機(jī)器人攝像機(jī)能夠有效利用演播室空間，增加多維度鏡頭表現(xiàn)力，滿足節(jié)目制作多樣化的需求，近年來在國(guó)內(nèi)外電視節(jié)目制作中得到了大量應(yīng)用。

演播室軌道機(jī)器人的形態(tài)主要有兩種，吊裝軌道機(jī)器人和地裝軌道機(jī)器人。從全景視覺角度和布局而言，吊裝軌道機(jī)器人的拍攝效果會(huì)優(yōu)于地裝軌道機(jī)器人，它的拍攝運(yùn)動(dòng)范圍可沿著設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，在特定時(shí)間和空間的雙重要求下，拍攝角度更寬闊，從而可以將全景演播室設(shè)計(jì)的概念融入節(jié)目生產(chǎn)。同時(shí)，安裝于吊裝軌道機(jī)器人的攝像機(jī)拍攝重復(fù)性高，且可以精準(zhǔn)定位，豐富了節(jié)目創(chuàng)作手段。

目前，國(guó)內(nèi)外電視行業(yè)應(yīng)用的主流軌道機(jī)器人價(jià)格高昂，一般電視臺(tái)難以承受。通過多次考察和技術(shù)論證，廣州市廣播電視臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱“廣州臺(tái)”）針對(duì)400 ㎡高清演播室自主研發(fā)了一套懸吊曲線軌道機(jī)器人系統(tǒng)，并于2017年成立了軌道機(jī)器人研發(fā)組，希望通過自身的技術(shù)力量以及珠江三角洲地區(qū)成熟的產(chǎn)品加工優(yōu)勢(shì)，使該系統(tǒng)既可滿足拍攝要求，還能降低設(shè)備的成本。

2? 懸吊曲線軌道機(jī)器人系統(tǒng)的功能要求

懸吊曲線軌道機(jī)器人系統(tǒng)裝設(shè)在400 ㎡高清演播室中，設(shè)計(jì)為吊裝軌道機(jī)器人，安裝在距離地面6.5 m的高度。區(qū)別于常見的直線運(yùn)行軌道，本次設(shè)計(jì)采用20 m長(zhǎng)的曲線軌道，使得攝像機(jī)在拍攝過程中可以曲線行進(jìn)，提供多樣的拍攝角度，增加拍攝畫面推進(jìn)的層次感。

電視節(jié)目的拍攝對(duì)攝像機(jī)的平衡與穩(wěn)定性要求很高，特別是在直播節(jié)目中，一旦出現(xiàn)抖動(dòng)，會(huì)對(duì)播出效果產(chǎn)生不良影響。軌道機(jī)器人在行進(jìn)過程中，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng);攝像機(jī)鏡頭變換時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)。因此，軌道機(jī)器人的研發(fā)過程中，對(duì)于減振的處理至關(guān)重要。

為解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)中采用專業(yè)三軸穩(wěn)定云臺(tái)作為減振云臺(tái)，配備加速計(jì)和陀螺儀。加速計(jì)提供實(shí)時(shí)的重力加速度方向，進(jìn)而可以計(jì)算出設(shè)備姿態(tài)角度;陀螺儀提供實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度，通過積分換算成姿態(tài)角度。兩者采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)時(shí)計(jì)算出設(shè)備傾斜角度，然后通過PID算法得出控制量，再傳輸給電機(jī)進(jìn)行校正。

減振云臺(tái)的應(yīng)用能對(duì)拍攝過程中的振動(dòng)及擺動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化修正，最終使拍攝效果穩(wěn)定流暢。

3? 曲線軌道設(shè)計(jì)

廣州臺(tái)400 ㎡高清演播室軌道機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，要求軌道機(jī)器人運(yùn)行在長(zhǎng)度20 m的曲線軌道上，這種情況較為罕見，設(shè)計(jì)難度較高。軌道在演播室中的布局見圖1。

技術(shù)參數(shù)如下：軌道距地面高度6.5 m;曲線軌道長(zhǎng)度20 m;行走速度0～0.5 m/s;升降速度0～0.09 m/s;伸縮行程2 m;荷載20 kg;攝像機(jī)型號(hào)為佳能ME200S-SH攝像機(jī)，鏡頭焦段18 mm～80 mm。

4? 系統(tǒng)設(shè)備組成

懸吊曲線軌道機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、減振系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出指令控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)速率，減振系統(tǒng)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)消減。

4.1? 機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包含軌道、軌道基礎(chǔ)、行車、驅(qū)動(dòng)。

4.1.1? 軌道

考慮到工藝原因，初期雛形采用單軌設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于軌道曲面成型。但由于行走輪跨度小，導(dǎo)致軌道機(jī)器人行走時(shí)攝像機(jī)有輕微橫向擺動(dòng)（圖2）。

后期設(shè)計(jì)將單軌道系統(tǒng)改為雙軌道系統(tǒng)（圖3），較好地改善了軌道機(jī)器人橫向擺動(dòng)問題。

雙軌軌道中心距為560 mm，使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格Φ40 mm×3 mm的無縫鋼管設(shè)計(jì)，軌道彎曲部分使用專業(yè)圓管彎曲機(jī)械加工而成，由軌道托板支撐，軌道托板通過連接板與桁架相連（圖4）。

軌道設(shè)計(jì)采用平行雙軌道，要求水平高度一致，軌道表面光滑，加工精度和安裝精度極高，參照火車軌道加枕木的安裝方式，把軌道平行精度偏差控制在最小范圍。但行車對(duì)軌道要求絕對(duì)平行，為此在一邊輪系加了偏心自動(dòng)微調(diào)機(jī)構(gòu)修正偏差（圖5）。

4.1.2? 軌道基礎(chǔ)

機(jī)器人在高速移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)能，要求軌道基礎(chǔ)有一定的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。由于燈柵層原設(shè)計(jì)無法滿足承重要求，固定軌道基礎(chǔ)成了棘手的問題，必須重新考慮吊裝軌道機(jī)器人的方式。通過計(jì)算，從天花上引下5個(gè)吊點(diǎn)，從墻壁上引出6個(gè)三角架。桁架固定在三角架底部，每個(gè)三角架通過膨脹螺栓固定在墻壁上，桁架固定點(diǎn)均勻分布，三角架用75#角鋼，剛性連接（圖6）。

桁架采用高強(qiáng)度鋁合金管焊接而成，按目前演出市場(chǎng)上常用桁架的規(guī)格，中心距400 mm×400 mm設(shè)計(jì)，以便借用其工裝模具，降低成本。

4.1.3? 行車

行車由水平行走和升降機(jī)構(gòu)兩部分構(gòu)成。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)柔性同步帶，牽引行車沿曲線軌道運(yùn)行，柔性同步帶可降低動(dòng)力傳遞過程中附帶的噪聲、振動(dòng)等缺陷（圖7）。

軌道車上安裝了8個(gè)天然橡膠輪。由于天然橡膠輪既有一定的硬度，又有一定的彈性，還有一定的緩振性，可以吸收掉振動(dòng)能量的20%～60%，這是其他材料所不能比擬的。天然橡膠輪里面鑲嵌動(dòng)摩擦系數(shù)小的精密軸承，最大限度減少能耗損失，最大程度降低機(jī)械運(yùn)行中的噪聲及振動(dòng)。行走機(jī)構(gòu)安裝軸采用偏心軸設(shè)計(jì)，當(dāng)矢量角發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的作用力反饋到偏心軸上，使行走機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一定角度微調(diào)，保證行走機(jī)構(gòu)在彎軌處轉(zhuǎn)彎順暢。

行走安全機(jī)構(gòu)包括一個(gè)電子限位和兩級(jí)機(jī)械限位。電子限位采用精密多圈編碼器作為傳感元件，小車正常運(yùn)行在電子限位限定的范圍內(nèi)。機(jī)械限位設(shè)置在軌道兩端的固定位置，共兩級(jí)限位裝置，第一級(jí)限位為緩沖限位，防止機(jī)械在高速運(yùn)行時(shí)因電機(jī)直接斷電造成機(jī)械擺動(dòng)，第二級(jí)限位為絕對(duì)保護(hù)限位，當(dāng)機(jī)械運(yùn)行觸發(fā)第二級(jí)限位時(shí)，會(huì)切斷電機(jī)電源，停止機(jī)械運(yùn)行，保證運(yùn)行安全。

升降機(jī)構(gòu)采用三節(jié)伸縮，每段長(zhǎng)度1 m，管與管之間通過滑塊精密配合，既不會(huì)因間隙發(fā)生擺動(dòng)，同時(shí)又能保證升降順滑。

提升安全機(jī)構(gòu)包括電子限位和機(jī)械限位。電子限位采用精密多圈編碼器作為傳感元件，升降機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行在電子限位限定的范圍內(nèi)，當(dāng)觸發(fā)機(jī)械限位時(shí)，會(huì)切斷電機(jī)電源，保證運(yùn)行安全。

4.2? 減振系統(tǒng)

減振系統(tǒng)包含斜面減振機(jī)構(gòu)與減振云臺(tái)。

4.2.1? 斜面減振機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)平面減振器只對(duì)單一軸向減振有效果，對(duì)二維空間減振效果差，斜面減振機(jī)構(gòu)吸收了X軸和Y軸兩個(gè)方向的主要振動(dòng)能量，綜合減振效果明顯（圖8）。

4.2.2? 減振云臺(tái)

在吊軌機(jī)器人之上，采用減振云臺(tái)，搭配安裝攝像機(jī)，見圖9。在該項(xiàng)目中，選取專業(yè)三軸穩(wěn)定云臺(tái)作為減振云臺(tái)，保證繞X軸、Y軸、Z軸旋轉(zhuǎn)，每個(gè)軸采用伺服電機(jī)，通過加速計(jì)及陀螺儀，計(jì)算出設(shè)備姿態(tài)角度及旋轉(zhuǎn)角度，通過PID算法得出控制量，再傳輸給電機(jī)進(jìn)行校正。在此基礎(chǔ)上，減振云臺(tái)與行車連接處加裝專用橡膠減振球，加強(qiáng)減振效果。

根據(jù)慣性分析（見圖10）：

（1）把機(jī)械運(yùn)動(dòng)加速時(shí)間設(shè)為0～5 s，這期間速度達(dá)到0.5 m/s;

（2）機(jī)械勻加運(yùn)動(dòng)時(shí)：加速度

=0.1 m/s2，

式中v2=0.5 m/s，v1=0，t=5 s;

慣性力

重力

根據(jù)力平衡原理，攝像機(jī)相對(duì)移動(dòng)距離為 。

式中：H表示伸縮桿最大長(zhǎng)度， Q表示負(fù)載的重力，m為負(fù)載的質(zhì)量，g為重力加速度，取10 m/s2。

由上面的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，攝像機(jī)的擺動(dòng)量和機(jī)械運(yùn)行時(shí)的加速時(shí)間大小有關(guān)。而攝像機(jī)云臺(tái)抗擺動(dòng)效果有一定的范圍，超出云臺(tái)范圍則無法消除擺動(dòng)。為了減少機(jī)械自身的擺動(dòng)幅度，需要降低加速度，軌道機(jī)器人運(yùn)行采用緩起緩?fù)７绞?，將啟?dòng)時(shí)間調(diào)整到最合適的范圍，減少抖動(dòng)。

4.3? 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制臺(tái)、驅(qū)動(dòng)部分、檢測(cè)部分、攝像機(jī)云臺(tái)接口組成。

4.3.1? 工作原理

控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、伺服控制技術(shù)、編碼器等控制技術(shù)。

水平運(yùn)動(dòng)：控制臺(tái)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制命令，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)接收到的控制臺(tái)命令進(jìn)行解釋，控制伺服電機(jī)運(yùn)行，伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)運(yùn)行，同步帶隨著減速機(jī)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軌道機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過自身安裝的編碼器，將位置變化反饋給控制臺(tái)，控制臺(tái)通過軟件計(jì)算當(dāng)前位置，實(shí)現(xiàn)水平方向位置控制。運(yùn)行過程實(shí)時(shí)檢測(cè)是否到限位位置，若到達(dá)，及時(shí)停止運(yùn)行。

升降運(yùn)動(dòng)：控制臺(tái)給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制命令，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)接收到的控制臺(tái)命令進(jìn)行解釋，控制伺服電機(jī)運(yùn)行，伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過減速機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，纏繞在滾筒上的鋼絲繩隨著滾筒運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軌道機(jī)器人升降運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過自身安裝的編碼器，將位置變化反饋給控制臺(tái)，控制臺(tái)通過軟件計(jì)算當(dāng)前位置，實(shí)現(xiàn)升降方向位置控制。運(yùn)行過程實(shí)時(shí)檢測(cè)是否到限位位置，若到達(dá)，及時(shí)停止運(yùn)行。

4.3.2? 主要功能

控制系統(tǒng)具備的主要功能有：精確定位，運(yùn)行平穩(wěn);實(shí)時(shí)升降，平移控制;場(chǎng)景錄制;場(chǎng)景重放;與攝像機(jī)云臺(tái)相連，控制攝像機(jī)調(diào)焦、旋轉(zhuǎn)、俯仰運(yùn)動(dòng)等。

5? 減噪措施

由于軌道機(jī)器人應(yīng)用于電視節(jié)目制作，為保證拍攝效果，噪聲的控制極為重要。在此應(yīng)用場(chǎng)景下，噪聲來源通常有兩類：機(jī)械噪聲，即攝像機(jī)在軌道行進(jìn)過程中固定振動(dòng)產(chǎn)生的噪音;電磁性噪聲，由電動(dòng)機(jī)內(nèi)的電磁振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。

針對(duì)機(jī)械噪聲，采用減振手法，從源頭上消除或減弱噪聲。在軌道車上面安裝橡膠輪，橡膠具有高彈性，擁有更強(qiáng)的阻尼系數(shù)，降低噪聲效果非常理想。

本項(xiàng)目中驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用伺服電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行平穩(wěn)，噪聲小。同時(shí)又在電機(jī)上增加了隔聲吸聲措施，最大程度地降低噪聲。

6? ?應(yīng)用實(shí)例

廣州臺(tái)已將該系統(tǒng)應(yīng)用于高清新聞拍攝，《廣視新聞》的拍攝全面應(yīng)用了該系統(tǒng)（圖11）。在節(jié)目開始時(shí)，軌道機(jī)器人沿著軌道緩緩向前推進(jìn)，攝像機(jī)軸心距離地面運(yùn)動(dòng)拍攝范圍為2.5 m～4.5 m，水平運(yùn)動(dòng)速度0～0.5 m/s，升降運(yùn)動(dòng)速度0～0.09 m/s，機(jī)器人最大俯仰角度不小于±170°，最大水平旋轉(zhuǎn)角度不小于±170°。在拍攝過程中，機(jī)器人攝像機(jī)會(huì)平穩(wěn)沿曲線軌道移動(dòng)，并根據(jù)節(jié)目需求做升降、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，為節(jié)目的呈現(xiàn)帶來全新的形態(tài)。

廣州臺(tái)自主研制的懸吊曲線軌道機(jī)器人系統(tǒng)，經(jīng)過一年多的技術(shù)驗(yàn)證后，成功應(yīng)用到實(shí)際拍攝中，取得了較好的效果，且該系統(tǒng)的費(fèi)用只有國(guó)外同類產(chǎn)品的四分之一，性價(jià)比高， 可作為穩(wěn)定的解決方案在地市級(jí)電視臺(tái)推廣。