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結(jié)構(gòu)及應(yīng)用單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)

日期:2016/3/10 來(lái)源:中國(guó)演藝科技網(wǎng)

相對(duì)于傳統(tǒng)的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng),舞臺(tái)新型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸成為舞臺(tái)科技發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。演員借助于新型舞臺(tái)機(jī)械設(shè)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(tái),可以讓演員和舞臺(tái)設(shè)備更加靈活地呈現(xiàn)在舞臺(tái)所輻射的空間內(nèi);同原理的柔索牽引攝像則可以無(wú)死角地拍攝第一現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)容。同時(shí),展示性機(jī)械表演的引入,也進(jìn)一步提高了舞臺(tái)效果的科技感和多元性,如動(dòng)態(tài)雕塑表演就是其中之一。這些新產(chǎn)品可以應(yīng)用于演播室、攝影棚、劇場(chǎng)、會(huì)展中心、體育館、足球場(chǎng)、高速賽場(chǎng)等室內(nèi)或戶(hù)外場(chǎng)地,其核心技術(shù)便是柔索驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 柔索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)系統(tǒng)概述

繩牽引物體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為一種新型的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣性小、運(yùn)動(dòng)空間大和運(yùn)動(dòng)速度快[1]等優(yōu)點(diǎn),這種機(jī)構(gòu)在未來(lái)的新型運(yùn)動(dòng)控制項(xiàng)目中有著廣闊的前景。柔索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)系統(tǒng)CDPS(Cable-driven ParallelSystem)是繩牽引運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的代表之一,而四索牽引并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)是柔索驅(qū)動(dòng)并聯(lián)系統(tǒng)的典型應(yīng)用。該機(jī)械系統(tǒng)體積小,便于移動(dòng),可以方便地在大型場(chǎng)館安裝和拆卸。同時(shí),執(zhí)行器位于體育場(chǎng)的中間,安裝有位置傳感器,由4根柔索并聯(lián)牽引,是整個(gè)系統(tǒng)的唯一功能部件。4根并聯(lián)柔索分別獨(dú)立,跨過(guò)定滑輪,與不同伺服電機(jī)相連,4臺(tái)電機(jī)互不影響,獨(dú)立工作。機(jī)器人系統(tǒng)控制中心通過(guò)有線或無(wú)線通訊操控4臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況,實(shí)時(shí)采集執(zhí)行器上傳感器的位置信息,通過(guò)與規(guī)劃位置校驗(yàn),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)

2.1 單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單軸獨(dú)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(dú)立控制系統(tǒng)包含3個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定地運(yùn)行。其中,電機(jī)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(lái)調(diào)節(jié)電流大小。系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

結(jié)構(gòu)及應(yīng)用單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)效果圖

圖1 單軸獨(dú)立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)及應(yīng)用單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)效果圖

圖2 單軸獨(dú)立控制系統(tǒng)示意框圖

結(jié)構(gòu)及應(yīng)用單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)效果圖

圖3 系統(tǒng)控制框圖

2.2 單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)基本參數(shù)

單軸控制系統(tǒng)有4種基本類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,為了讓運(yùn)動(dòng)平滑流暢,進(jìn)行多次模擬以后得出了以上4個(gè)參數(shù)的關(guān)系。從圖4中的仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)加加速度被施加正弦斜坡量時(shí),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(gè)速度過(guò)渡到另一個(gè)速度的過(guò)程,這是理想的高精度伺服機(jī)構(gòu),需要電機(jī)的電流與加速度變化成正比。因此,速度越陡,驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電流就越大,這就需要一個(gè)強(qiáng)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)。

結(jié)構(gòu)及應(yīng)用單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)效果圖

圖4 單軸控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

2.3 單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)的應(yīng)用

單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)是最基本的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),筆者所在的公司不僅將其應(yīng)用于傳統(tǒng)舞臺(tái)控制項(xiàng)目,還應(yīng)用于動(dòng)態(tài)雕塑等新型領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室采用的是施耐德的PLC搭載25臺(tái)伺服控制器驅(qū)動(dòng)25臺(tái)電機(jī),每臺(tái)電機(jī)負(fù)載著1個(gè)滑輪,滑輪纏繞著細(xì)繩末端進(jìn)而懸掛玻璃水滴小球,如圖5所示。

結(jié)構(gòu)及應(yīng)用單軸柔索獨(dú)立控制系統(tǒng)效果圖

圖5 單軸柔索控制系統(tǒng)實(shí)物圖

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