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【摘 要】介绍武汉万达汉秀剧场中3套六自由度LED机械臂系统的工艺要求、结构组成、主要功能、性能参数以及技术特 点。
【关键词】 LED机械臂系统；六自由度；液压同步系统；虚拟样机设计
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.009
【Abstract】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.
【Key Words】LED display robot system； 6-DOF ； hydraulic synchronization system； virtual prototype design
1 概况
LED显示屏因其逼真的画面、靓丽的颜色，常被用作舞台演艺的背景，以烘托舞台气氛、美化现场装饰，广泛应用于大型剧院、礼堂。不仅如此，LED显示屏极大地拓宽了艺术空间，为游客和观众带来了美轮美奂的视觉享受，使得每场演出更加精彩纷呈、扣人心弦。
目前，几乎所有剧院里的LED显示屏都是固定安装在墙面或结构上，即使有的LED屏可随结构变换位置，往往也都是简单的一维动作。鉴于此，武汉万达汉秀剧场在舞台工艺上大胆创新，委托总装备部工程设计研究总院研发并搭建了3套技术最先进、功能最复杂的大型六自由度LED机械臂系统。每套机械臂长约27 m，高约32 m，重约280 t，有6个关节可以活动，最前面的“手掌”用于承载巨型LED屏。每组LED屏宽11.25 m，高6.66 m，面积达75 m2。
LED机械臂系统是万达汉秀剧场中的最大亮点之一，给观众带来了无与伦比的视觉震撼，如图1～图2所示。它将传统意义上的LED背景墙变成空间位置自由、组合形式多变的LED活动显示屏，赋予LED屏灵性；甚至可在其上安装各种特效灯具、烟雾，与其他演出设备配合，营造出虚幻的效果，成为参与表演的“机器人”明星。
2 机械臂的组成
LED机械臂系统中，每套机械臂由立柱、后臂、前臂、支座A、支座B、显示屏等6个部件组成，如图3所示。其中，立柱高度为32.02 m，最大臂展达27.05 m。同时，机械臂采用了六自由度串联式机构形式，每套机械臂上有6个关节（即旋转轴），其性能参数见表1。
2.1 立柱（Slew #1）
机械臂立柱的顶部和根部分别通过球铰轴承和十字轴与基础连接。立柱的下端安装了带有外齿的回转支承和2套同步控制的驱动系统，实现立柱的摇摆动作。
2.2 后臂（Pitch #1）
后臂长度为13.5 m，转轴安装在立柱下部，用两只油缸同步牵拉，实现后臂的俯仰动作。配重安装在立柱背面，上面有锁定机构，用于停止状态下的位置锁定。
2.3 前臂（Pitch #2）
前臂长度为10.35 m，根部安装在后臂前端的两个带有内齿的回转支承上，用4台减速电机同步驱动，实现前臂的俯仰动作。
2.4 支座B（Pitch #3）
支座B安装在前臂前端的两个带油内齿的回转支承上，用4台减速电机同步驱动，实现支座B的俯仰动作。
2.5 支座A（Slew #2）
支座A安装在支座B前端的两个带有内齿的回转支承上，用1台减速电机驱动，实现支座A的摇摆动作。
2.6 显示屏（Roll #1）
显示屏安装在支座A前端的带有内齿的回转支承上，用1台减速电机驱动，实现显示屏的旋转动作。
3 LED机械臂系统的功能
LED机械臂系统中每套机械臂均有六个自由度，且LED屏包络面积很大。3套机械臂在不干涉的情况下可以自由组合，在空中随意飞行、拼接、拆分、旋转，形成舞台上空各种造型的LED背景显示。同时，LED机械臂系统与演出场景密切配合，不仅可以与舞台上道具混搭成虚实相间的道具效果，而且可以伸到观众面前近距离呈现。LED机械臂系统的各种组合动作示例如图4～图10所示。
4 LED机械臂系统的特点
机械臂是基于仿生学原理模仿人体手臂研发设计的六自由度串联式大型机构，用于承载LED屏，并带动其在舞台上空动作。这种机构的优点是开放式构造活动范围大，原理简单，各轴均可独立控制；缺点是悬臂梁结构刚性差，各关节误差会累计在输出端，精度难以提高。
综合来看，汉秀剧场LED机械臂系统的特点具体表现在以下几个方面：
（1）体量大，惯量大：LED机械臂仅末端的LED屏重量就达3 t，总重量约280 t；
（2）悬臂长，行程大：机械臂伸出后最大臂展27.05 m，收拢后最小臂展6 m；
（3）速度快：单轴最大线速度达到2.474 m/s，最大组合线速度达到5.283 m/s；
（4）装机容量大：单台装机容量达1 422.5 kW，公用液压系统电机总功率4 075 kW；
（5）精度高：末端的LED屏能自由组合，拼缝间隙要求小于10 mm；
（6）安全、可靠：是汉秀剧院里使用频率较高的演出设备。
5 结束语
通过设计单位科学有效的组织和管理，并将风险评估理念贯穿始终，LED机械臂系统集成了虚拟样机设计、液压同步、单轴多电机驱动以及实时位置检测反馈等多项先进技术手段，实现了LED背景在整个舞台上任意空间内的无缝拼接和连续显示，极大地丰富了舞台艺术样式，保证演出效果的呈现。
（编辑 薛云霞）
【关键词】 LED机械臂系统；六自由度；液压同步系统；虚拟样机设计
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.009
【Abstract】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.
【Key Words】LED display robot system； 6-DOF ； hydraulic synchronization system； virtual prototype design
1 概况
LED显示屏因其逼真的画面、靓丽的颜色，常被用作舞台演艺的背景，以烘托舞台气氛、美化现场装饰，广泛应用于大型剧院、礼堂。不仅如此，LED显示屏极大地拓宽了艺术空间，为游客和观众带来了美轮美奂的视觉享受，使得每场演出更加精彩纷呈、扣人心弦。
目前，几乎所有剧院里的LED显示屏都是固定安装在墙面或结构上，即使有的LED屏可随结构变换位置，往往也都是简单的一维动作。鉴于此，武汉万达汉秀剧场在舞台工艺上大胆创新，委托总装备部工程设计研究总院研发并搭建了3套技术最先进、功能最复杂的大型六自由度LED机械臂系统。每套机械臂长约27 m，高约32 m，重约280 t，有6个关节可以活动，最前面的“手掌”用于承载巨型LED屏。每组LED屏宽11.25 m，高6.66 m，面积达75 m2。
LED机械臂系统是万达汉秀剧场中的最大亮点之一，给观众带来了无与伦比的视觉震撼，如图1～图2所示。它将传统意义上的LED背景墙变成空间位置自由、组合形式多变的LED活动显示屏，赋予LED屏灵性；甚至可在其上安装各种特效灯具、烟雾，与其他演出设备配合，营造出虚幻的效果，成为参与表演的“机器人”明星。
2 机械臂的组成
LED机械臂系统中，每套机械臂由立柱、后臂、前臂、支座A、支座B、显示屏等6个部件组成，如图3所示。其中，立柱高度为32.02 m，最大臂展达27.05 m。同时，机械臂采用了六自由度串联式机构形式，每套机械臂上有6个关节（即旋转轴），其性能参数见表1。
2.1 立柱（Slew #1）
机械臂立柱的顶部和根部分别通过球铰轴承和十字轴与基础连接。立柱的下端安装了带有外齿的回转支承和2套同步控制的驱动系统，实现立柱的摇摆动作。
2.2 后臂（Pitch #1）
后臂长度为13.5 m，转轴安装在立柱下部，用两只油缸同步牵拉，实现后臂的俯仰动作。配重安装在立柱背面，上面有锁定机构，用于停止状态下的位置锁定。
2.3 前臂（Pitch #2）
前臂长度为10.35 m，根部安装在后臂前端的两个带有内齿的回转支承上，用4台减速电机同步驱动，实现前臂的俯仰动作。
2.4 支座B（Pitch #3）
支座B安装在前臂前端的两个带油内齿的回转支承上，用4台减速电机同步驱动，实现支座B的俯仰动作。
2.5 支座A（Slew #2）
支座A安装在支座B前端的两个带有内齿的回转支承上，用1台减速电机驱动，实现支座A的摇摆动作。
2.6 显示屏（Roll #1）
显示屏安装在支座A前端的带有内齿的回转支承上，用1台减速电机驱动，实现显示屏的旋转动作。
3 LED机械臂系统的功能
LED机械臂系统中每套机械臂均有六个自由度，且LED屏包络面积很大。3套机械臂在不干涉的情况下可以自由组合，在空中随意飞行、拼接、拆分、旋转，形成舞台上空各种造型的LED背景显示。同时，LED机械臂系统与演出场景密切配合，不仅可以与舞台上道具混搭成虚实相间的道具效果，而且可以伸到观众面前近距离呈现。LED机械臂系统的各种组合动作示例如图4～图10所示。
4 LED机械臂系统的特点
机械臂是基于仿生学原理模仿人体手臂研发设计的六自由度串联式大型机构，用于承载LED屏，并带动其在舞台上空动作。这种机构的优点是开放式构造活动范围大，原理简单，各轴均可独立控制；缺点是悬臂梁结构刚性差，各关节误差会累计在输出端，精度难以提高。
综合来看，汉秀剧场LED机械臂系统的特点具体表现在以下几个方面：
（1）体量大，惯量大：LED机械臂仅末端的LED屏重量就达3 t，总重量约280 t；
（2）悬臂长，行程大：机械臂伸出后最大臂展27.05 m，收拢后最小臂展6 m；
（3）速度快：单轴最大线速度达到2.474 m/s，最大组合线速度达到5.283 m/s；
（4）装机容量大：单台装机容量达1 422.5 kW，公用液压系统电机总功率4 075 kW；
（5）精度高：末端的LED屏能自由组合，拼缝间隙要求小于10 mm；
（6）安全、可靠：是汉秀剧院里使用频率较高的演出设备。
5 结束语
通过设计单位科学有效的组织和管理，并将风险评估理念贯穿始终，LED机械臂系统集成了虚拟样机设计、液压同步、单轴多电机驱动以及实时位置检测反馈等多项先进技术手段，实现了LED背景在整个舞台上任意空间内的无缝拼接和连续显示，极大地丰富了舞台艺术样式，保证演出效果的呈现。
（编辑 薛云霞）