大型机械臂在央视春晚的应用

小河HH

自中央电视台春节联欢晚会（简称“春晚”）开播以来，春晚的舞台每年都在变化。中央电视台马年春节联欢晚会（简称“马年春晚”）的舞台设备更是让人记忆犹新，简约大气又变化多端。马年春晚保留了龙年和蛇年春晚大部分的升降台、LED屏等舞台设备，并首次应用了大型机械臂，用以安装LED屏，这也是该类设备在中国剧场的首次应用。为了使LED屏能实现在演播大厅舞台上方空间任意一点的移动，采用了5个大型的机械臂来安装5块尺寸为7 m×3.5 m的LED屏。

图为LED机械臂

1 机械臂的安装

马年春晚的演播厅是已建成的建筑，为安装大型机械臂，演播厅内的栅顶作了改造。5台机械臂沿舞台横向布置，每台机械臂可以在舞台上方纵向运行，运行深度为18M。且LED屏向上存贮之后，机械臂不能在栅顶上方超出太多，所以，机械在上下升降运动元上分割成两个运动元，将原本可以用5轴完成的机械臂，设置为6轴运动。因此，在舞台上方纵向铺设了6条机械臂安装轨道，轨道长20 m，供5个机械臂前后移动，如图1～图2所示。

图1 机械臂安装正立面图

图2 机械臂安装侧立面图

安装于机械臂上的LED屏须在整个舞台上方空间的任意一点运行，这给舞台的灯光布置带来了很大的难度。其一，由于空间高度的限制，在栅顶下没有设置灯光层；其二， LED屏所到之处，台上的灯光会被遮挡。通过工作人员的几番论证，最终将灯光吊挂在机械臂移动轨道的下方，同时加密灯光布置，以满足舞台上灯光的需求。

2 机械臂的运动

机械臂的结构如图3 所示。机械臂的6轴运动元分别为：水平前后移动运动元、上下运动、前后摆动运动元、左右摆动运动元、旋转运动元，各运动元的运行参数如表1如示。以下每一个运动元的结构及运行方式作详细介绍。

图3 机械臂的结构

2.1 水平前后移动

由于机械臂自身重量大，故采用了钢质行走轮行走在重型轨道上，每台机械臂用2条轨道来支撑，且每条轨道上采用4只支承轮。为使受力均匀，支承轮采用2只1组，且每组中的2只支承轮采用浮动联接。前后驱动则采用齿轮齿条驱动，将齿条与支承轨道联接在一起。驱动机构与驱动齿轮均安装在机械臂上。齿轮与齿条的啮合驱动，很好地保证了机械臂的前后运行速度、定位精度及每组机械臂之间的同步精度等。如表1中所示，水平前后移动的最高速度为0.5 m/s，移动行程为18 m。

表1 各运动元的运行参数值

2.2 存贮升降

马年春晚演播厅的栅顶高度为13.2 m，除去机械臂旋转关节的高度，LED屏在水平状态时能提升的最大高度约为11 m。由于演播厅栅顶基本上是满布的，因此，为达到最大的提升高度，在部分区域调整了栅顶结构，使机械臂可穿过栅顶，向上方存贮。存贮升降只能在某几个特定的区域即栅顶被删除的部分运行。同时，存贮升降与前后移动之间有一个互锁关系，也就是说，只有当存贮升降在最低位置时，才能前后水平移动。相反，只有前后水平移动在特定位置时，才能进行存贮升降。存贮升降也采用了齿轮齿条驱动机构，由4只驱动齿轮啮合4根齿条上下升降。如表1中所示，存贮升降的最高速度为0.1 m/s，上下升程为3.6 m。

2.3 表演升降

由于存贮升降的行程只有3.6 m，LED屏在舞台上空的运行幅度有限，为保证LED屏能运行到整个舞台上空的每一个点，又设置了表演升降，表演升降配合存贮升降和LED屏前后摆动，可以让LED的边缘触及到舞台面。表演升降为双级上下升降结构，采用精密滚子链驱动，将驱动链轮与驱动电机安装在双级传动的中间框架上，链条的闭环链两边分别联接上部框架与下部框架。表演升降相对独立，可以在没有互锁条件的情况下任意升降。如表1中所示，表演升降的最高速度为0.2 m/s，上下升程为5.2 m。

2.4 前后摆动

在存贮状态时，LED屏是水平放置的，且LED屏面向下。通常，当LED屏在使用状态时，LED屏须直立或呈一定的倾斜角度，因此，LED屏须有一个前后摆动的功能。为更好地满足使用要求， LED屏前后摆动的行程设置为前摆90°，后摆60°，摆动速度为15°/s。

也就是说，LED屏可以由存贮的水平状态，前摆到LED屏面向观众完全直立，也能后摆至LED屏面向舞台内，且与舞台面成60°。前后摆动也采用了精密滚子链驱动，由一个摆动中心固定摆动臂，链条外包在摆动臂上，将驱动电机与驱动链条安装在表演升降柱内。电机启动后就能驱动摆动臂前后摆动。

2.5 左右摆动

为达到更丰富的表演效果，LED屏不仅能前后摆动，还能左右摆动，尤其当LED屏直立时，通过左右摆动，可让观众观赏到LED屏从正面到侧面的全方位运行过程。LED屏的左右摆动幅度为±45°，摆动速度为15°/s。驱动采用齿轮传动，支承则采用了回转支承，驱动齿轮直接安装在减速电机的输出轴上，被动齿轮则利用回转支承上的齿圈。由于摆动需要一定的空间，所以，左右摆动与上下运动及相邻LED屏之间均有一定的互锁关系。

2.6 旋转

旋转是LED屏参与表演的最重要的功能之一。当LED屏直立时，可沿屏的中心点旋转，不仅能顺时针方向旋转，也能逆时针方向旋转。为了便于LED屏上的电缆管理，同时满足演出要求，并没有设置360°旋转，只设置了±135°旋转。其驱动采用齿轮传动，支承则采用了回转支承，驱动齿轮直接安装在减速电机的输出轴上，被动齿轮则利用回转支承上的齿圈。由于旋转需要一定的空间，所以旋转与上下运动、及相邻LED屏之间均有一定的互锁关系。

3 舞台效果

图4 马年春晚LED屏的舞台效果

图4中的4幅图展示了5块由机械臂驱动的LED屏配合动作所呈现的不同变化组合，令人目不暇接。大型机械臂的使用给剧场增添了很多演出场景与功能；而与之搭配的LED屏起到置景、播放画面、营造虚拟的“实景”等功能。由于LED屏可以到达舞台上空的任意位置，因此，它们可以置于演员的前、后、左、右、上方等任意位置，一方面参与演出并与演员互动，另一方面，还可挡住未上台的演员，防止穿帮，可代替大幕、条幕等，如在《万马奔腾》的节目中就起到了此作用。总之，大型机械臂的使用，让LED屏不再仅仅作为背景，而是参与到演出当中，令舞台不再只是一个或多个平面，而是变化万千的立体多维空间。

马年春晚上大型机械臂的使用，不仅得到了业内的认可，而且获得了电视观众的普遍好评，尤其是LED屏与台下升降台的联合使用，营造了很好的舞台视觉氛围。活动的LED屏，的确让演出增色许多，然而，目前由于造价偏高，还无法推广到所有剧场。随着舞台技术的发展，我们期待更多剧场能够应用大型机械臂来使用活动的LED屏，从而进一步丰富舞台演出效果。

albert.tang

想不到这么唯美的画面背后竟是这些大家伙在操纵。

小河HH

albert.tang 发表于 2017-1-2 20:40
想不到这么唯美的画面背后竟是这些大家伙在操纵。

操作的很专业呀。

问天问地问自己

声光显示等科技手段是越来越花哨了，
真正的好作品，原创精品，收视率是越来越少了。
哈哈

蔡皓618

光鲜亮丽的背后是一大堆油污满满的铁家伙。

zcx172632

不错。。。。。

一重科技

春晚啊，现在鸡肋了，我记得以前总盯着看的，现在看一看就睡着了。

小河HH

一重科技 发表于 2017-1-4 09:00
春晚啊，现在鸡肋了，我记得以前总盯着看的，现在看一看就睡着了。

睡不着的时候当催眠曲看看吧。