基于嵌套结构的演艺全向车台设计研究.pdf

2023年 第47卷 第8期Journal of Mechanical Transmission基于嵌套结构的演艺全向车台设计研究王卫东 王 雪 石志孝 汪亚斌（甘肃工大舞台技术工程有限公司，甘肃 兰州 730050）摘要 演艺车台具有运载演员或布景的作用，是实现舞台丰富表演及多样变化的关键性舞台机械设备。为解决传统演艺车台智能程度低，灵活性差，无法根据节目编排按指定路径任意行走、旋转的问题，提出一种基于嵌套结构的新型演艺全向车台形式，该结构由内外嵌套式双环架体组成，通过外环大齿圈与内环张紧调节驱动小齿轮部件啮合，以实现嵌套内外双环的相对运动及组合运动。对提出的结构进行了车台设计；基于运动学原理对全向车台进行运动学分析，建立运动学模型，在此基础上进行航迹推算并建立三维模型，对全向车台进行动力学分析；搭建了基于嵌套结构的全向车台试验平台，进行了系统实验与测试。结果表明，基于嵌套结构的舞台用全向车台机械性能好，且可以实现鲁棒性好、精度高的轨迹运动。关键词 全向车台 演艺装备 运动学分析 嵌套结构 轨迹跟踪Design of Omnidirectional Vehicles Based on the Nested StructureWang Weidong Wang Xue Shi Zhixiao Wang Yabin(Gansu University of Technology Stage Technology&Engineering Co.,Ltd.,Lanzhou 730050,China)Abstract The performance wagon is the key stage mechanical equipment to realize rich performances and diversified changes on the stage,which can carry actors or scenery.In order to solve the problem of low intelligence and poor flexibility of the traditional performance wagon,which can not walk or rotate arbitrarily according to the designated path in accordance with the program arrangement,a new type of performance omnidirectional vehicle form based on nested structure is proposed.The structure is composed of an inner and outer nested double ring frame,and the relative motion and combined motion of the nested inner and outer double rings are realized by meshing the large gear ring of the outer ring with the tension adjustment of the inner ring and driving the pinion components.The omnidirectional vehicle for the proposed structure is designed.Based on the kinematics principle,the kinematics analysis system is carried out for the omnidirectional vehicle,and the kinematics model is established.On this basis,the track estimation is carried out and the three-dimensional model is established to analyze the dynamics of the omnidirectional vehicle.An omnidirectional vehicle platform based on the nested structure is built for system experiment and tests.The results show that the omnidirectional vehicle based on the nested structure has good mechanical performance,and can realize trajectory motion with good robustness and high precision.Key words Omnidirectional vehicle Performance equipment Kinematic analysis Nested structure Track tracking0 引言随着社会对文化生活需求的日益增长，演艺文化设备逐渐向自动化、智能化的方向发展。制造高科技演艺设备是丰富舞台效果、提高艺术表演质量的必然趋势。全向车台作为运输布景、搭载演员、移动搬运、旋转变换、营造舞台氛围的重要台下机文章编号：1004-2539（2023）08-0090-07DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2023.08.01290第8期王卫东，等：基于嵌套结构的演艺全向车台设计研究械设备，在文艺演出中起到至关重要的作用1-3。然而，目前舞台机械行业内的车台不论在外观形式还是在科技智能程度上都较为单一，传统车台往往只能借助搭建的导轨做直线往复运动或旋转运动，不能实现多方位、自由度高的实时变化，无法满足现代艺术表演的诸多需求。因此，提高演艺车台灵活性与智能化程度、实现演艺车台任意位置移动与精确定位成为业界热点问题之一。为解决传统车台智能程度低的问题，国内舞台机械行业充分借鉴移动机器人的控制特点，对舞台用演艺车台进行了相关研究4。近年来国内外针对移动机器人的研究取得了大量成果。文献5提出了一种差速转向的自助导向车（Automated Guided Vehicle，AGV），适用于农业专用自引导作业，基于模糊控制理论设计了距离、角度偏差输入和驱动轮速度差输出的控制器并仿真验证了其可行性。文献6针对架空轨道机器人运动特点，建立了一种开环控制系统模型，并通过仿真软件进行了瞬态性能分析。文献7提出了一种单排连续切换全向轮结构，并针对该结构机器人建立了动力学模型，研究了该机器人在斜坡上不发生后、侧翻的条件。文献8针对AGV搬运货物出现的驱动轮打滑现象，设计了一种独立悬挂的新型驱动单元结构，并验证了该系统的可靠性。文献9通过集成低成本、质量轻的外部感知传感器，即加速计和光流传感器，解决了攀爬机器人的轨迹跟踪精度问题。文献10针对八驱动冗余强非线性全向机器人系统模型求解的复杂性和耗时性，使得嵌入式系统难以实现快速高效的轨迹跟踪的问题，提出了一种转向策略约束下的最优速度模型预测控制，并将其与局部微误差姿态校正相结合，实现了独立的车轮转角反馈控制。文献11提出了一种基于行人行为学习的自主移动机器人，通过对道路环境采样，进行定位制图，将视觉同时定位和建图技术与检测到的行人信息相结合，设计了机器人的可通行区域感知算法，并验证了其有效性。文献12开发了一种四驱结构的变电站巡检机器人，通过对其控制方法进行分析研究，实现了样机的试制，并通过了测试。尽管对于移动机器人的研究有一定进展，但由于舞台机械的特殊性，使得现阶段传统机器人轨迹运动无法适用于演艺全向车台设计。本文在深入研究上述移动机器人设计与控制的基础上，提出了一种基于嵌套结构的演艺全向车台设计方案，进行了运动学分析，实现了全向车台在舞台中的自主运动，以解决舞台用传统车台的灵活性差、智能程度低的问题。1 全向车台嵌套结构设计1.1全向车台设计需求全向车台脱离轨道束缚，运行范围可在舞台台面任意区域内，以3自由度即X、Y方向的移动和垂直于舞台台面Z方向的任意转动，即能够在舞台台面以任意姿态和转向角移动，同时可实现自由旋转。每个全向车台台面规格设置为2 000 mm2 000 mm250 mm的长方体形基本单元，保持较低重心，可以使车台运行更稳定。多个基本单元以不同数量组合的形式联动，可实现大规模舞台集群编组。主要功能需求参数如表1所示。1.2嵌套结构设计图1所示为全向车台设计方案，其由内外嵌套式双环结构构成。采用钢结构作为全向车台架体以减轻车台质量，同时提高承载能力。外环结构外部为设置规格尺寸的矩形架体，架体内设计有齿圈部件，1.外环嵌套结构组件；2.内环嵌套结构组件；3.蓄电池组件；4.伺服驱动器；5.电控系统箱；6.嵌套内环啮合小齿轮；7.弹簧张紧组件；8.外环车台偏角全向轮组件；9.内环驱动轮；10.激光雷达传感器组件；11.外环嵌套结构支撑滚轮；12.内环车台导向轮；13.外环车台齿圈部件；14.驱动电动机。图1全向车台设计图Fig.1Drawing of the omnidirectional vehicle design 表1主要功能需求参数Tab.1Main functional requirement parameters主要功能需求运行速度/（m/s）旋转速度/（r/min）行走停止精度/mm旋转停止精度/（）承载能力/kg质量/kg参数指标0.050.50.0665150070991第47卷可以与内环张紧调节驱动齿轮部件相啮合，形成内外协同工作结构形式。张紧调节驱动齿轮部件如图1中红框内所示。为保证内外环嵌套结构做相对运动时运行更平稳，外环与内环分别固定有圆形支撑导轨和外环嵌套结构支撑滚轮以及内环车台导向轮。为避免全向车台在转向时产生摩擦消耗，同时满足侧向移动的需求，内环架体上对称布置驱动装置，驱动电动机带动驱动舵轮工作，外环架体四角底部安装有呈等边分布的偏角全向轮，实现全向运动。车台在锁定转向协调驱动机时，以差速驱动行走、转向；车台转向协调驱动机工作时可以抵消移动电动机造成的上层台面架体旋转运动，形成车台台面相对固定参照物只平移运动的工作模式。全向车台结构图如图2所示，其中，嵌套内环结构如图2中右上方红色方框内所示，外环嵌套机构组件如图2中右下方红色方框内所示。图3所示为全向车台工作时的运动示意图。全向车台做水平移动图3（a）时，车台沿任意直线前进或后退，此时内环转台与外环转台保持相对静止，驱动电动机带动驱动轮纯滚动工作，使车台以水平移动的运动形式沿黑色箭头所指方向运行。当全向车台做原地旋转运动图3（b）时，内环转台驱动轮以一定转角带动内环转台沿红色实线所示箭头逆时针方向旋转，外环转台以相反黑色虚线所示顺时针方向旋转，同时保持车台本体中心坐标不变。控制全向车台运行速度与给定角速度，可以使得其进行旋转与水平的组合运动模式图3（c），车台沿红色曲线运行。2 全向车台运动学模型2.1运动学分析全向车台在工作时的运动方式可以分为以下4种状态：全向车台任意移动；全向车台旋转运动；全向车台在旋转的同时水平移动；静止保持全向车台位姿不变。为描述全向车台在舞台台面中的运动，建立平面全局参考坐标系，设舞台台面为世界坐标系XOY，则全向车台在世界坐标系的位置如图4所示。车台本体坐标系为XbObYb，全向车台的航向角即车台坐标系Xb轴与世界坐标系X轴之间的夹角。（x，y）为全向车台在世界坐标系XOY下的Ob位置，（xl，yl）和（xr，yr）分别为左、右驱动轮所在的坐标。r为车台转向半径。全向车台外环嵌套结构圆形部分中固定有模数为6 mm、直径为1 656 mm的齿圈，与内环嵌套结构组件中的小齿轮形成内啮合圆柱齿轮的传动形式。vl和vr分别为左、右两个驱动轮的行进速度；l和r分别为左、右驱动轮速度方向和Xb轴之间的夹角；两驱动轮之间的距离为L。全向车台的运行速度vb分解在Xb轴上和Yb轴上的分量vx和vy分别为图2全向车台结构图Fig.2Structural diagram of the omnidirectional vehicle（a）水平运动（b）原地旋转（c）旋转与水平组合运动图3全向车台运动示意图Fig.3Schematic diagram of the omnidirectional vehicle movement92第8期王卫东，等：基于嵌套结构的演艺全向车台设计研究vx=vlcosl+vrcosr2（1）vy=vlsinl+vrsinr2（2）车台角速度为=vlsinl-vrsinrL（3）r=L(vr+vl)2(vr-vl)（4）根据上述分析，可得左驱动轮的运动模型为v1=(vbcos)2+(vy-L2)（5）1=arctanvy-L/2vbcos（6）右驱动轮的运动模型为vr=(vbcos)2+(vy+L2)（7）r=arctanvy+L/2vbcos（8）车台上Ob的位置坐标（x，y）为 x=xl+xr2y=yl+yr2（9）2.2航迹推算全向车台的位姿状态量X=(x，y，)T，车台速度vb及角速度作为控制输入量u。存在一个旋转矩阵R（t），即舞台坐标系与全向车台本体坐标系之间的变换矩阵，使得式（11）成立。其中，xi为驱动轮i在舞台世界坐标系下x方向的投影；yi为驱动轮i在舞台世界坐标系下y方向的投影；xbi为驱动轮i在车台本体坐标系下x方向的投影；ybi为驱动轮i在车台本体坐标系下y方向的投影。全向车台运行时的位姿状态可表示为式（12），将全向车台驱动轮位置代入式（11），通过求导，即可得到全向车台轨迹方程。R(t)=cos-sinxsincosy001（10）xiyi=R(t)xbiybi1（11）x=X(t)y=Y(t)=(t)（12）全向车台通过激光雷达和视觉传感器的导航方式进行全自主运动。定位与建图系统设计结构框架如图5所示。采用激光雷达与视觉感知系统融合的方式，将激光雷达获取的点云信息与视觉感知系统所得到的特征点进行 ORB（Oriented FAST and Rotated BRIEF）提取，并在特征提取时对动态数据特征进行目标检测，将剔除其动态特征部分作为输入对象，通过3D-2D配准算法统一尺度，对传感器获取的数据进行初始化并使全向车台系统进入线程跟踪状态。后端使用图优化非线性优化对全向车台进行状态估计，同时利用前端初步得到的估计位姿建立全局位姿图，并通过改进的闭环检测进一步消除前端产生的累计误差，以此获取全向车台的定位。3 实验分析基于 SolidWorks 软件建立全向车台三维实体模型，对模型进行简化，去除支撑轮、导轮、传感器组件及控制系统等部分。并将简化好的三维模型导入Adams软件对全向车台进行动力学分析。导入的模型如图6所示，垂直车台方向为Z轴，车台面所在平面为XOY面。重力方向垂直车台面向下，与Z轴正方向相反。对全向车台的 4种状态分别进行动力学仿真分析。由于全向车台位姿不变时处于静止状态，这里图4全向车台位姿示意图Fig.4Position and posture diagram of the omnidirectional vehicle图5系统设计结构框架图Fig.5Frame diagram of the system design structure 93第47卷不做分析。全向车台任意移动时，内环转台及外环转台组合保持相对静止，以任意方向实现整体车台移动。绘制舞台平面（图6中橘色部分），与ground固定连接。全向车台内外环架体之间固定连接，驱动轮与电动机之间设置旋转副，外环架体万向轮与万向轮支架之间设置旋转副，驱动轮及万向轮与舞台面设置接触力。舞台面材料设置为wood，驱动轮及万向轮材料设置为rubber_belt，其余车台组件包括钢结构及齿轮材料均设置为 steel。仿真时间设置为 1 s，步长为0.1。摩擦力设置为库伦摩擦力，根据驱动轮材料设置，动摩擦因数为0.6，静摩擦因数为0.5。对内环左、右驱动轮分别添加旋转驱动副，使得全向车台沿Y方向水平移动。由于此时车台整体运动，内环与外环相对静止，因此可以不对齿轮啮合作分析，只需验证模型运动即可。仿真所得左右驱动轮 X、Y、Z方向位置如图7所示。由图7可以看出，左右驱动轮在X方向、Z方向保持位置不变，Y方向由开始的0变为500 mm。这验证了运动模型的正确性。全向车台做旋转运动时，在X方向、Y方向没有位移变动，保持车台坐标中心不变，绕Z方向旋转。对小齿轮添加驱动函数，所得嵌套结构中使外环转台齿圈与内环转台部分相啮合的小齿轮动力学分析结果分别如图8、图9所示。图 8所示为驱动转矩图。由图 8可知，在 0.80.9 s处存在峰值。从接触力情况分析，Y方向接触力相对于X、Z方向较大，在0.80.9 s处接触力最大。嵌套外环齿圈与嵌套内环齿轮在啮入啮出时呈一定性波动，这是由于模型仿真中为避免过多干涉，去除了嵌套支撑轮和内环导向轮，致使齿轮传动过程中在0.80.9 s处出现转矩增大的情况。但驱动转矩与接触力总体波动范围变化不大，符合车台旋转运动结果。车台在旋转的同时水平移动运行时，对驱动轮的驱动副添加驱动，驱动函数设置为 step（time，0，0d，4，100d）。给驱动轮添加驱动副，仿真所得左右驱动轮的柔性连接力如图10所示。嵌套结构啮合齿轮动力学分析如图11所示。（a）右驱动轮位置仿真结果（b）左驱动轮位置仿真结果图7驱动轮位置仿真结果Fig.7Simulation results of the driving wheel position图8驱动转矩图Fig.8Drive torque diagram图9齿轮齿圈X、Y、Z方向接触力Fig.9Contact force of the gear ring in X，Y and Z directions图10左右驱动轮连接力Fig.10Connecting force of left and right drive wheels图6三维模型Fig.6Three-dimensional model94第8期王卫东，等：基于嵌套结构的演艺全向车台设计研究由图 11可以看出，输出的速度呈周期性波动，加速度变化随齿轮啮入啮出时产生的碰撞接触力变化，满足车台运行要求。基于上述设计与分析，搭建基于嵌套结构的演艺全程车台试验平台，如图12所示。硬件系统部分包括旋转行走驱动机构、旋转定位及协调驱动、激光雷达传感器系统、控制系统等，各系统组件模块化分布，避免相互干涉。在实际舞台场景应用过程中，还会根据全向车台的不同用途，在部分车台台面上铺设LED显示屏，营造舞台效果。车台运行时，首先需要通过激光导航仪识别周围工作场景并传入主控制机构，构建定位系统内置数字地图，进而对车台进行轨迹规划并下发运行指令到伺服驱动控制系统，从而完成各种运行状态。为了更好地监测车台蓄电池电量，实现车台自动充电控制，保证系统安全、可靠地运行，设计了电源管理控制模块，通过RS485与主控机进行通信。最终建立的车台控制系统的结构如图13所示。在该车台控制系统中，主控机选用倍福CX9020产品，通过Ethernet实现与激光导航仪通信；激光导航仪选用倍加福OMD30M-R2000完成对周围环境的扫描，该传感器采用高分辨率CMOS线性阵列和数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）技术工作，并借助测量角度确定距离，工作范围大，角分辨率高，能够适应车台在多种环境下精确定位；伺服驱动器选用步科低压伺服驱动，可以通过以太网等现场总线或者工业网络实现模拟量或者脉冲信号数据传递，便于主控制机控制。完成车台控制系统设计后，对其进行实验。给定全向车台初始位姿为X=(0，0，0)T，给定全向车台的速度为0.1 m/s，行走轨迹为圆弧。实验所得轨迹跟踪如图14所示。其中，绿色所示为实际轨迹，红色所示为轨迹跟踪。由图14可以看出，两曲线接近，重合度高，取得了较高的跟踪精度。4 结论本文提出了一种基于嵌套结构的新型演艺车台形式，根据功能需求对新型演艺车台进行了设计与实验研究。主要结论有：1）基于嵌套机构提出了内外双环嵌套式全向车台结构，建立了全向车台的运动模型，并进行航迹推算，为轨迹跟踪奠定了基础。2）建立全向车台三维模型，基于Adams对全向图11嵌套结构齿轮动力学分析Fig.11Dynamic analysis of the sted gear图12全向车台实物图Fig.12Omnidirectional vehicle图13车台控制系统的结构Fig.13Structure of the platform control system图14轨迹跟踪Fig.14Track tracking95第47卷车台进行动力学分析。结果表明，提出的结构满足要求。3）搭建全向车台试验平台，对其进行测试与实验。实验结果表明，该系统具有较高的轨迹精度。该项研究提高了传统舞台机械的智能化和灵活度，演艺装备更具创新性，具有广泛的应用前景和实用价值。参考文献1汤子龙，丁志强，丁永强，等.基于模糊PID对万向车台路径引导控制 J.自动化与仪表，2018，33（6）：20-24.TANG Zilong，DING Zhiqiang，DING Yongqiang，et al.Path guidance control of omni-directional vehicle based on fuzzy PID J.Automation and Instrumentation，2018，33（6）：20-24.2马福东.一种演艺场所智能万向车台的关键技术研究与实现D.成都：电子科技大学，2015：1-5.MA Fudong.Research and implantation on key technology of intelligent omni-directional vehicle on venue for performance D.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2015：1-5.3王 晓 光.舞 台 机 械 在 舞 台 表 演 中 的 作 用J.剧 影 月 报，2020（5）：63.WANG Xiaoguang.The role of stage machinery in performance J.Drama and Film Journal，2020（5）：63.4丁志强.万向车台控制系统的研究与设计 D.兰州：兰州理工大学，2018：4-8.DING Zhiqiang.Research and design of omnidirectional vehicle control system D.Lanzhou：Lanzhou University of Technology，2018：4-8.5赵晨宇，陈息坤.差速转向农业专用AGV小车的设计与模糊控制研究 J.农机化研究，2016，38（11）：123-127.ZHAO Chenyu，CHEN Xikun.Study on fuzzy control of an agricultural dedicated AGV with differential steering J.Journal of Agricultural Mechanization Research，2016，38（11）：123-127.6徐凯，林显新，易丐，等.基于架空轨道的全向移动机器人运动稳定性研究 J.食品与机械，2020，36（2）：105-109.XU Kai，LIN Xianxin，YI Gai，et al.Research on motion stability of omnidirectional mobile robot based on overhead trackJ.Food&Machinery，2020，36（2）：105-109.7周卫华，王班，黄善均，等.单排连续切换全向轮移动机器人的布局方式与运动的稳定性分析 J.中国机械工程，2014，25（7）：888-894.ZHOU Weihua，WANG Ban，HUANG Shanjun，et al.Layout selection and stability analysis of a mobile robot based on single row alternate wheelJ.China Mechanical Engineering，2014，25（7）：888-894.8张军，雷川川.一种新型AGV驱动单元结构设计与分析 J.机械设计与制造，2018（7）：137-139.ZHANG Jun，LEI Chuanchuan.Structural design and analysis of a new type of AGV drive unit J.Machinery Design&Manufacture,2018（7）：137-139.9TAVAKOLI M，LOPES P，SGRIGNA L，et al.Motion control of an omnidirectional climbing robot based on dead reckoning method J.Mechatronics，2015，30：94-106.10 DING T，ZHANG Y，MA G，et al.Trajectory tracking of redundantly actuated mobile robot by MPC velocity control under steering strategy constraint J.Mechatronics，2022，84：102779.11 邢志伟，朱晓蕊，何超.基于行人行为学习的机器人同时定位与可通行区域制图 J.机械工程学报，2019，55（11）：36-45.XING Zhiwei，ZHU Xiaorui，HE Chao.Simultaneous localization and traversable region mapping based on pedestrian behavior learningJ.Journal of Mechanical Engineering，2019，55（11）：36-45.12 李荣，栾贻青，王海鹏，等.全向四驱变电站巡检机器人运动控制系统设计 J.机床与液压，2020，48（8）：112-116.LI Rong，LUAN Yiqing，WANG Haipeng，et al.Design of motion control system for omnidirectional four-drive substation patrol robot J.Machine Tool&Hydraulics，2020，48（8）：112-116.收稿日期:2022-06-29 修回日期:2022-07-21基金项目:国家重点研发计划课题子课题（2018YFB1403703-04）甘肃省重点研发计划（20YF8GA122）作者简介:王卫东（1964），男，河北唐山人，学士，高级工程师；主要研究方向为舞台机械及演艺机器人；。96