結構及應用單軸柔索獨立控制系統

相對于傳統的舞臺機械控制系統，舞臺新型運動控制系統逐漸成為舞臺科技發展的風向標。演員借助于新型舞臺機械設備，可以完成更多前所未有的表演。例如將三維威亞引入舞臺，可以讓演員和舞臺設備更加靈活地呈現在舞臺所輻射的空間內；同原理的柔索牽引攝像則可以無死角地拍攝第一現場內容。同時，展示性機械表演的引入，也進一步提高了舞臺效果的科技感和多元性，如動態雕塑表演就是其中之一。這些新產品可以應用于演播室、攝影棚、劇場、會展中心、體育館、足球場、高速賽場等室內或戶外場地，其核心技術便是柔索驅動系統的設計。

1 柔索驅動并聯系統概述

繩牽引物體運動機構作為一種新型的運動機構，具有結構簡單、慣性小、運動空間大和運動速度快[1]等優點，這種機構在未來的新型運動控制項目中有著廣闊的前景。柔索驅動并聯系統CDPS（Cable-driven ParallelSystem）是繩牽引運動機構的代表之一，而四索牽引并聯機器人系統是柔索驅動并聯系統的典型應用。該機械系統體積小，便于移動，可以方便地在大型場館安裝和拆卸。同時，執行器位于體育場的中間，安裝有位置傳感器，由4根柔索并聯牽引，是整個系統的唯一功能部件。4根并聯柔索分別獨立，跨過定滑輪，與不同伺服電機相連，4臺電機互不影響，獨立工作。機器人系統控制中心通過有線或無線通訊操控4臺電機的轉動情況，實時采集執行器上傳感器的位置信息，通過與規劃位置校驗，實現系統的閉環控制。

2 單軸柔索獨立控制系統

2.1 單軸柔索獨立控制系統結構

單軸獨立控制系統結構如圖1所示，示意框圖如圖2所示。單軸獨立控制系統包含3個閉環控制系統，使得整個系統更加穩定地運行。其中，電機的電磁轉矩變化反饋給電流，電流環為內環。而速度環作為外環由反饋的速度來調節電流大小。系統控制框圖如圖3所示。

圖2 單軸獨立控制系統示意框圖

圖3 系統控制框圖

2.2 單軸柔索獨立控制系統基本參數

單軸控制系統有4種基本類型的運動參數，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動的過程中，為了讓運動平滑流暢，進行多次模擬以后得出了以上4個參數的關系。從圖4中的仿真結果可以看出，當加加速度被施加正弦斜坡量時，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速度過渡到另一個速度的過程，這是理想的高精度伺服機構，需要電機的電流與加速度變化成正比。因此，速度越陡，驅動電機系統的電流就越大，這就需要一個強大的系統（這也與后面提到的四柔索控制系統速度規劃有著緊密聯系）。

圖4 單軸控制系統仿真結果

2.3 單軸柔索獨立控制系統的應用

單軸柔索獨立控制系統是最基本的運動控制系統，筆者所在的公司不僅將其應用于傳統舞臺控制項目，還應用于動態雕塑等新型領域。實驗室采用的是施耐德的PLC搭載25臺伺服控制器驅動25臺電機，每臺電機負載著1個滑輪，滑輪纏繞著細繩末端進而懸掛玻璃水滴小球，如圖5所示。

圖5 單軸柔索控制系統實物圖

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