相對于傳統(tǒng)的舞臺機械控制系統(tǒng)，舞臺新型運動控制系統(tǒng)逐漸成為舞臺科技發(fā)展的風向標。演員借助于新型舞臺機械設備，可以完成更多前所未有的表演。例如將三維威亞引入舞臺，可以讓演員和舞臺設備更加靈活地呈現(xiàn)在舞臺所輻射的空間內(nèi)；同原理的柔索牽引攝像則可以無死角地拍攝第一現(xiàn)場內(nèi)容。同時，展示性機械表演的引入，也進一步提高了舞臺效果的科技感和多元性，如動態(tài)雕塑表演就是其中之一。這些新產(chǎn)品可以應用于演播室、攝影棚、劇場、會展中心、體育館、足球場、高速賽場等室內(nèi)或戶外場地，其核心技術(shù)便是柔索驅(qū)動系統(tǒng)的設計。

1 柔索驅(qū)動并聯(lián)系統(tǒng)概述

繩牽引物體運動機構(gòu)作為一種新型的運動機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、慣性小、運動空間大和運動速度快[1]等優(yōu)點，這種機構(gòu)在未來的新型運動控制項目中有著廣闊的前景。柔索驅(qū)動并聯(lián)系統(tǒng)CDPS（Cable-driven ParallelSystem）是繩牽引運動機構(gòu)的代表之一，而四索牽引并聯(lián)機器人系統(tǒng)是柔索驅(qū)動并聯(lián)系統(tǒng)的典型應用。該機械系統(tǒng)體積小，便于移動，可以方便地在大型場館安裝和拆卸。同時，執(zhí)行器位于體育場的中間，安裝有位置傳感器，由4根柔索并聯(lián)牽引，是整個系統(tǒng)的唯一功能部件。4根并聯(lián)柔索分別獨立，跨過定滑輪，與不同伺服電機相連，4臺電機互不影響，獨立工作。機器人系統(tǒng)控制中心通過有線或無線通訊操控4臺電機的轉(zhuǎn)動情況，實時采集執(zhí)行器上傳感器的位置信息，通過與規(guī)劃位置校驗，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 單軸柔索獨立控制系統(tǒng)

2.1 單軸柔索獨立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單軸獨立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，示意框圖如圖2所示。單軸獨立控制系統(tǒng)包含3個閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定地運行。其中，電機的電磁轉(zhuǎn)矩變化反饋給電流，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)。而速度環(huán)作為外環(huán)由反饋的速度來調(diào)節(jié)電流大小。系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖2 單軸獨立控制系統(tǒng)示意框圖

圖3 系統(tǒng)控制框圖

2.2 單軸柔索獨立控制系統(tǒng)基本參數(shù)

單軸控制系統(tǒng)有4種基本類型的運動參數(shù)，分別是距離、速度、加速度和加加速度。在單軸牽引物體上下非勻速運動的過程中，為了讓運動平滑流暢，進行多次模擬以后得出了以上4個參數(shù)的關(guān)系。從圖4中的仿真結(jié)果可以看出，當加加速度被施加正弦斜坡量時，加速和減速是給定的正弦曲線。所以，速度也是正弦改變的曲線，看似是很順利地從一個速度過渡到另一個速度的過程，這是理想的高精度伺服機構(gòu)，需要電機的電流與加速度變化成正比。因此，速度越陡，驅(qū)動電機系統(tǒng)的電流就越大，這就需要一個強大的系統(tǒng)（這也與后面提到的四柔索控制系統(tǒng)速度規(guī)劃有著緊密聯(lián)系）。

圖4 單軸控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.3 單軸柔索獨立控制系統(tǒng)的應用

單軸柔索獨立控制系統(tǒng)是最基本的運動控制系統(tǒng)，筆者所在的公司不僅將其應用于傳統(tǒng)舞臺控制項目，還應用于動態(tài)雕塑等新型領(lǐng)域。實驗室采用的是施耐德的PLC搭載25臺伺服控制器驅(qū)動25臺電機，每臺電機負載著1個滑輪，滑輪纏繞著細繩末端進而懸掛玻璃水滴小球，如圖5所示。

圖5 單軸柔索控制系統(tǒng)實物圖

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