機械臂、機器人、全向車臺、無人機如何加入舞臺表演

1 引言
隨著國內演出市場需求的變化，各種流動演出和固定演出體量和規(guī)模逐漸增大，演出形式也日益豐富，因此，演出設備的種類不斷變化，對演出設備的技術要求不斷提升。以流動演出為例，之前幾乎都是固定設備為主，一般采用固定桁架搭臺，演出方式主要靠燈光音響來配合，但最近幾年演出形式開始多樣化，涌現(xiàn)出了很多新穎的機械設備，如增加舞臺動感效果的柔索并聯(lián)機器人、可編程矩陣球、機械臂、全向車臺、擬態(tài)機器人、無人機等演出設備，極大地豐富了演出的形式和內容（見圖1）。
 
在演出中，加入矩陣球表演方式的舞臺，通過數(shù)量龐大的矩陣球的造型、色彩的變化，增加演出效果，有些矩陣球還可與演員互動做出特殊造型；柔索并聯(lián)機器人，典型的為二維、三維威亞，可將人、攝像機、道具等在空中進行快速移動，配合表演定位；采用機械臂的方式可裝載演出用的大型顯示屏，也可將燈光進行托舉，同時通過編程還能將人與機械臂進行互動，使演出模式更靈活，燈光的角度更加多樣；采用全向車臺則可以將道具或演員方便地移動到舞臺的任意位置，使布景活起來，與演員的表演融為一體；擬態(tài)機器人則可通過單獨表演或與演員配合的方式，形成單體或群體表演，豐富表演形式；無人機群則可以通過無人機構建大空間背景下的燈光造型展覽展示，使表演立體化，擴展舞臺空間。
下面針對上述幾種用于舞臺表演的機械設備的應用形態(tài)及實現(xiàn)功能展開闡釋。
2 柔索并聯(lián)機器人
2.1應用形態(tài)
柔索并聯(lián)機器人是一類特殊的并聯(lián)機器人，其末端動平臺通過柔索與固定平臺連接，根據(jù)各支鏈協(xié)調變化索長來實現(xiàn)其位置和姿態(tài)的改變。與傳統(tǒng)機器人相比，其具有慣性小、響應快、高速性能好、工作空間大等一系列優(yōu)點。
在演藝領域使用的柔索并聯(lián)機器人主要為各種威亞，包括兩軸驅動的雙線飛行器，三軸四軸驅動的三維威亞，更多鋼絲繩牽引驅動的多姿態(tài)移動平臺，如圖2所示。
 
舞臺上常規(guī)出現(xiàn)的為一維威亞，也叫單點吊機，主要用于表演人員或者物體的上升下降，表演形式相對單一。
二維威亞則分為多種，有采用升降平移分離的軌道威亞、索道威亞，也有兩臺單點吊機末端互聯(lián)形成的雙線飛行器。雙線飛行器相比軌道、索道威亞，不占用空間，可任意拆卸和任意組合，可控制人或道具在一個平面上進行表演，不僅可以進行上升下降的動作，還可以進行左右移動的操作。
三維威亞通常采用四根繩索牽引，有X、Y、Z三個空間自由度，可以將演員或道具在三維空間中進行任意位置的移動，實現(xiàn)舞臺立體空間的效果（見圖3）。多姿態(tài)移動平臺則通過6～8根鋼絲繩牽引，除了可控制人或道具在空中的移動，還可控制物體的姿態(tài)，比如傾斜等動作。
 
雙線飛行器相比軌道和索道威亞，組合靈活，方便拆卸，受現(xiàn)場空間環(huán)境影響較小，如目前在建的恒大?；◢u項目觀眾廳就采用了十套雙線飛行器，演員可通過飛行器從觀眾席后端飛向舞臺。三維威亞目前應用場所較多，固定場所如銀川演藝中心、道真演藝中心、哈爾濱萬達、滿秀等，流動舞臺則比較常見，如大型體育場館，各種演唱會，綜藝節(jié)目都有使用。多姿態(tài)移動平臺目前主要是一些展覽展示在用，如2017年北京PALMEXPO（音響燈光展）上展出的八軸飛毯。
2.2技術要點
在演藝領域的應用中，柔索并聯(lián)機器人一般需滿足如下技術功能。
軌跡離線編程。編輯軌跡，設定需要經(jīng)過的軌跡點，并通過軌跡自動平滑等技術處理設定好的運行軌跡；同時，還可設定軌跡的運行時間等，以及軌跡運行其他參數(shù)的設定和自檢；支持軌跡離線仿真。
示教功能。能將手動運行的軌跡進行記錄，并回放；可通過手柄先試運行軌跡，同時開啟軌跡記錄功能，記錄完成后可將軌跡進行完整的重現(xiàn)。
運行區(qū)域設定。可手動設置運行區(qū)域， 保證系統(tǒng)在運行過程中不會運行過界和碰撞。
為了實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)一般需要采用多種算法，如基于樣條曲線的軌跡生成算法，基于S曲線的加減速控制算法，基于軌跡球控制的三維視圖控制算法等。
3 全向車臺
3.1應用形態(tài)
全向車臺也稱萬向車臺，通過規(guī)劃路徑，可完成車臺的全方向移動及中央轉臺旋轉運動，用于實現(xiàn)切換布景和遷移演員。
在演出應用中，按照演藝節(jié)目編排要求編程控制車臺的行走路徑，車臺搭載演員或布景進行上場或退場、在指定時間和位置表演旋轉等動作，極大地豐富了藝術表演的形式。另外，它的真實研究價值不僅僅體現(xiàn)在演藝場所的藝術表演上，其蘊含的全輪驅動結構、導航定位技術完全可以應用到車間、碼頭、船艦上的物流傳輸系統(tǒng)，在工業(yè)實際應用中有著巨大的市場潛力。
需要說明的是，在平昌冬奧會閉幕式上應用的全向車臺（見圖4），被很多人誤認為是智能機器人。其實，全向車臺與目前的智能機器人有所區(qū)別，全向車臺更強調預編程行為，嚴格按照編輯好的動作進行表演，一般無法進行自動軌跡規(guī)劃等行為。
 
3.2技術要點
相比用于物流的全向移動平臺，用于演出的全向車臺主要有如下技術需要解決。
軌跡規(guī)劃不同。不同于工廠制造環(huán)境，演出機器人的最大難題，來自于運動姿態(tài)的多樣性，以及需要保證與演員表演、演出音樂、地面投影、場地燈光等的高度統(tǒng)一。傳統(tǒng)上工廠用的全向車臺（移動機器人）側重于效率、精度和速度，這也直接決定了機器人的運轉路徑多以直線、圓弧為主，機器人的加減速度規(guī)劃曲線呈現(xiàn)一個規(guī)則的梯形。而用于演出領域的全向車臺（表演機器人）為了完成完整的舞美創(chuàng)意，僅靠直線和圓弧轉彎的動作是遠遠不夠的，需要像芭蕾舞演員在旋轉的同時，還可畫出優(yōu)美的弧形；同時，還需要多臺表演機器人協(xié)調運轉。
適應環(huán)境復雜。由于演出過程中，有時候需要人員與車臺進行互動，一般對于采用激光導航的車臺而言，遮擋比較嚴重，同時光干擾也較大，需解決導航環(huán)境不理想情況下的定位，比如慣性導航等。
多車臺拼接。演出過程中有時需要運送比較大的道具，需要車臺對接并完全同步運行。
全向車臺在演藝領域中的應用，一般需滿足如下技術功能。
軌跡離線編程。編輯軌跡，設定需要經(jīng)過的軌跡點，并通過軌跡自動平滑等技術處理設定好的運行軌跡；同時，還可設定軌跡的運行時間等，以及軌跡運行其他參數(shù)的設定和自檢；支持軌跡離線仿真。
避障功能。一般通過內置激光避障和紅外等傳感器，并結合算法實現(xiàn)避障功能。
運行區(qū)域設定。可手動設置運行區(qū)域， 保證系統(tǒng)在運行過程中不會運行過界和碰撞。
全向車臺的上述技術特征均有別于傳統(tǒng)劇場設備，某些編程手段與柔索并聯(lián)機器人類似，也是機器人編程的一個分支，和物流機器人又有所不同，不需要自動規(guī)劃路徑，需要嚴格按照編好的路徑進行移動。
4 矩陣球
4.1應用形態(tài)
矩陣球，也稱動態(tài)雕塑、懸浮球陣列，是由數(shù)百到數(shù)千個懸浮體組成的陣列，每個懸浮體通過一根拉線受控，可做垂直運動，每個懸浮體的運動組成一體化的動作。
動態(tài)雕塑在計算機的控制下，以立體方式展現(xiàn)圖案、文字、變換的曲線曲面，伴隨音樂舞動，亦或靈動，亦或柔美，帶給觀眾極強的視覺沖擊感，具有超乎想像的展示效果，在科技館、展廳、大型商場、舞臺等演藝娛樂場合迅速地應用，圖5所示為動態(tài)雕塑在舞臺上的應用場景。
 
4.2技術要點
為了實現(xiàn)系統(tǒng)的高動態(tài)特性和易操作特性，系統(tǒng)采用伺服+高速工業(yè)以太網(wǎng)的方案來實現(xiàn)，動態(tài)雕塑由一個個一體化懸浮體組成，運用分布式實時控制、伺服控制等技術。每個懸浮體安裝簡單，通過標準化的緊固件固定在吊頂鋼架上；電氣部分只需要多芯插座連接，一般的工人即可以完成安裝；整體采用無機柜無機房設計，簡化運維成本，用戶通過計算機軟件可以靈活地控制懸浮陣列的場景變換。
目前動態(tài)雕塑的實現(xiàn)主要有兩種技術方式。
一般應用于高速高精度場合，系統(tǒng)運行結構采用伺服電機，每個伺服電機間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)來布置控制網(wǎng)絡，每個運動部件的速度可達到幾米每秒的運行速度。系統(tǒng)針對雕塑的編程采用專業(yè)的編程軟件來實現(xiàn)，編程方式相對靈活多樣。
一般應用于要求相對較低的場合，方案采用DMX512信號來控制每個點，電機一般采用步進電機，軟件編程通常采用現(xiàn)成的燈光控制臺進行編程，運行速度較慢，編程較為繁瑣。
軟件（見圖6）一般應具備如下的功能。
 
固定模型編輯：可編輯某個區(qū)域的動態(tài)雕塑按照設定好的數(shù)學函數(shù)進行運行，如正弦余弦、直線、斜面等固定的模型。
字符編輯：可將動態(tài)雕塑用于顯示字符，如數(shù)字、漢字、英文字母等。
圖形編輯：可將動態(tài)雕塑顯示固定的畫面。軟件可對圖形進行預處理，包括調整灰度值等處理功能。
自定義函數(shù)編輯：可用于任意函數(shù)編輯，用于顯示用戶指定的特殊函數(shù)，如特定的曲面曲線等信息。
5 機械臂
5.1應用形態(tài)
對于演藝行業(yè)來說，機械臂誠然是玩轉舞臺的點睛之筆。尤其是隨著技術的不斷更新，機械臂已然全面進入演藝領域，LED顯示屏可以在機械臂的掌控下隨意飛行、拼接、拆分、旋轉，在舞臺空間形成各種造型的LED背景顯示。機械臂也可與多媒體、燈光、音樂“共舞”。
與目前常規(guī)的舞臺機械相比較，機械臂有體積大、自由度多、慣量大、速度快、精度高、安全性和可靠性要求高等特點。多數(shù)廠家采用購買現(xiàn)成的工業(yè)機器人來完成，比如“珠江紅船”上的演出采用的是傳統(tǒng)常規(guī)的機器人（見圖7），借此加入很多表演元素，采用人與機械臂互動的方式來增加表演效果。但也存在特殊情況，如傳統(tǒng)常規(guī)的機器人由于載荷、形狀等無法滿足演出要求，需特別定制開發(fā)，如武漢“漢秀”采用的機器人（見圖8）。
 
5.2技術要點
由于工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展多年，機械臂相對成熟度較高，已經(jīng)應用于工業(yè)場合多年，有豐富的應用經(jīng)驗?；跈C械臂的機器人多數(shù)采用現(xiàn)有的軟硬件來完成，比如采用機器人的示教功能，將動作進行示教規(guī)劃，使得機械臂能按導演要求進行動作重現(xiàn)；也可通過機器人控制接口，發(fā)送目標點給機器人，通過額外的人機交互功能來完成指令的下發(fā)和執(zhí)行。目前，也有很成熟的編程功能滿足使用需求，應用時一般需要了解機器人自帶的功能即可；也可使用第三方編程軟件，如RobotMaster，RobotArt，RobotWorks等軟件，按照演出需求進行預編程，并可實現(xiàn)離線編程。
6 擬態(tài)機器人
6.1應用形態(tài)
目前，擬態(tài)機器人被運用到舞臺表演主要是作為伴舞，表演的形式通常是幾十臺機器人組成方陣隨著背景音樂或歌手的演唱翩翩起舞，加之機器人身上LED燈的七彩變幻，達到一種科技與律動結合的效果。擬態(tài)機器人本身的科技含量其實并不高，是通過所謂“舵機”（一種廉價小型伺服電機）來控制各個關節(jié)，先根據(jù)舞美的要求預先設定好舞蹈程序，每個舵機按時間順序向不同的角度移動，從而有了跟著音樂的舞步。
整個舞蹈程序以無線觸發(fā)方式啟動，這樣所有擬態(tài)機器人可以在同一時刻啟動整個舞蹈程序。雖然擬態(tài)機器人本身技術難度不大，但是要使數(shù)量如此之多的機器人同時按一個既定的程序動起來，并且運行穩(wěn)定不出錯，也不是一件容易的事，這里面需要花大量時間對機器人進行調試。Alpha 1S在2016年央視春晚首次亮相便大獲成功（見圖9），它擁有16個關節(jié)自由度，可模仿人的肢體動作，雙眼裝有藍光LED，按程序指令閃爍。2018年央視春晚主會場的大開場節(jié)目中，擬態(tài)狗的特別版機器人“Jimu汪汪”驚艷亮相（見圖10），不僅與舞臺上的演員精彩聯(lián)動，還被分別擺放在臺下的24個圓桌上與現(xiàn)場觀眾進行互動，成為一大亮點。
 
6.2 技術要點
擬態(tài)機器人用于演藝領域中，往往是群體應用，在調試好每個單個擬態(tài)機器人的動作、姿態(tài)、位置后，還要考慮群體的同步性和一致性，這對于信號的傳輸距離、抗干擾能力及機器人接收信號的靈敏度都會有一定的要求。
擬態(tài)機器人作為新興的機器人分支，每個廠家都有自己的編程軟件，有些機器人本身就支持二次編程功能，用戶可以自行編輯程序，而無需具備系統(tǒng)專業(yè)的編程知識；也可通過第三方的軟件編出復雜的動作。從技術應用層面而言難度相對較低。
7 無人機
7.1應用形態(tài)
對于大多數(shù)的中國觀眾來說，在電視上看到無人機進行藝術表演，應該是在2016年央視春節(jié)聯(lián)歡晚會。此后的2017年央視春晚、2018年央視春晚，無人機表演成了不可或缺的亮點。幾十架無人機就像螢火蟲一般，雖然每一個無人機只有點點微光，但是匯集在一起之后，就能組成如夢境般的畫面。又如2018年2月的平昌冬奧會，幾百架無人機在空中組成了奧運五環(huán)，體現(xiàn)了新時代的新技術與奧林匹克這一古老盛會的完美融合（見圖11）。
 
7.2技術要點
對于無人機本身的技術分析，不是本文的描述重點。把無人機運用到演藝創(chuàng)作中，真正的技術難度說到底還是移動機器人的問題，與全向車臺面對的難點類似。但是無人機更多的時候是在三維空間中的飛行造型，所以面對的問題特別是定位更加復雜。概括起來，無人機編組控制有如下難點。
時鐘問題，是指如何為多架無人機進行時鐘同步或如何使多架無人機的系統(tǒng)時間一致。這個問題是演藝設備行業(yè)的一個普遍難題，當一個系統(tǒng)內設備數(shù)量多了之后，如何保證每個系統(tǒng)或子系統(tǒng)內各個設備的時鐘一致。不同的授時方案決定了不同的時間掃描周期，例如GPS可以小于1 ms，電波授時在1 ms左右，NTP網(wǎng)絡授時在50 ms左右。
定位問題，包括空間定位和定位精度，是指如何測量多架無人機的位置及獲取每架無人機位置的準確程度。常用的方案有光學動（亞毫米級精度）、光流定位（毫米級精度）、UWB定位（厘米級精度）、RTKGPS定位（分米級精度）、GPS定位（米級精度）等。
導航問題，是指導引和控制無人機按舞美要求飛行在預定軌道的技術和方法。制導過程中，導航系統(tǒng)要在系統(tǒng)時間周期內不斷掃描更新無人機與預定軌道的相對位置關系，發(fā)出導航信息給無人機控制系統(tǒng)，對飛行軌跡和每個無人機的姿態(tài)做閉環(huán)控制。
路徑規(guī)劃，是指按照舞美要求設置預定軌道的過程與方法，分為人工規(guī)劃或自動規(guī)劃。一般不超過100架無人機的規(guī)?？梢圆捎萌斯ひ?guī)劃，而當飛行器數(shù)量大于此值后，自動規(guī)劃則成為超大規(guī)模編隊的必要核心技術，通常采用的方法有基于網(wǎng)格地圖的搜索算法、人工勢場法、或蟻群算法等特殊的路徑優(yōu)化方法。
8 結語
目前，舞臺演出形式越來越多樣化，不斷地引入了其他行業(yè)的技術成果，形成舞臺上融合演出模式，以滿足各種創(chuàng)意需求，如迪斯尼寶藏灣就將大型的風洞引入了表演中，配合演出達到懸空的效果；再如張藝謀2047中表演的云紗秀，就是將空氣動力學融入到舞臺中進行表演。典型演出設備與新技術手段的應用豐富了舞臺表演形式，將帶給觀眾更多震撼的視聽感受。