舞動的屏，靈動的臂
——簡述漢秀劇場LED機械臂系統

鄭志榮，李 利，邢 偉，單方方

（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）

舞動的屏，靈動的臂
——簡述漢秀劇場LED機械臂系統

鄭志榮，李 利，邢 偉，單方方

（總裝備部工程設計研究總院，北京 100028）

介紹武漢萬達漢秀劇場中3套六自由度LED機械臂系統的工藝要求、結構組成、主要功能、性能參數以及技術特點。

LED機械臂系統；六自由度；液壓同步系統；虛擬樣機設計

1 概況

LED顯示屏因其逼真的畫面、靚麗的顏色，常被用作舞臺演藝的背景，以烘托舞臺氣氛、美化現場裝飾，廣泛應用于大型劇院、禮堂。不僅如此，LED顯示屏極大地拓寬了藝術空間，為游客和觀眾帶來了美輪美奐的視覺享受，使得每場演出更加精彩紛呈、扣人心弦。

目前，幾乎所有劇院里的LED顯示屏都是固定安裝在墻面或結構上，即使有的LED屏可隨結構變換位置，往往也都是簡單的一維動作。鑒于此，武漢萬達漢秀劇場在舞臺工藝上大膽創新，委托總裝備部工程設計研究總院研發并搭建了3套技術最先進、功能最復雜的大型六自由度LED機械臂系統。每套機械臂長約27 m，高約32 m，重約280 t，有6個關節可以活動，最前面的“手掌”用于承載巨型LED屏。每組LED屏寬11.25 m，高6.66 m，面積達75 m2。

LED機械臂系統是萬達漢秀劇場中的最大亮點之一，給觀眾帶來了無與倫比的視覺震撼，如圖1～圖2所示。它將傳統意義上的LED背景墻變成空間位置自由、組合形式多變的LED活動顯示屏，賦予LED屏靈性；甚至可在其上安裝各種特效燈具、煙霧，與其他演出設備配合，營造出虛幻的效果，成為參與表演的“機器人”明星。

圖1 演出實景

圖2 舞美設計效果圖

表1 機械臂上6個關節的性能參數

2 機械臂的組成

LED機械臂系統中，每套機械臂由立柱、后臂、前臂、支座A、支座B、顯示屏等6個部件組成，如圖3所示。其中，立柱高度為32.02 m，最大臂展達27.05 m。同時，機械臂采用了六自由度串聯式機構形式，每套機械臂上有6個關節（即旋轉軸），其性能參數見表1。

2.1 立柱（Slew #1）

機械臂立柱的頂部和根部分別通過球鉸軸承和十字軸與基礎連接。立柱的下端安裝了帶有外齒的回轉支承和2套同步控制的驅動系統，實現立柱的搖擺動作。

2.2 后臂（Pitch #1）

后臂長度為13.5 m，轉軸安裝在立柱下部，用兩只油缸同步牽拉，實現后臂的俯仰動作。配重安裝在立柱背面，上面有鎖定機構，用于停止狀態下的位置鎖定。

2.3 前臂（Pitch #2）

前臂長度為10.35 m，根部安裝在后臂前端的兩個帶有內齒的回轉支承上，用4臺減速電機同步驅動，實現前臂的俯仰動作。

圖3 機械臂結構簡圖

2.4 支座B（Pitch #3）

支座B安裝在前臂前端的兩個帶油內齒的回轉支承上，用4臺減速電機同步驅動，實現支座B的俯仰動作。

2.5 支座A（Slew #2）

支座A安裝在支座B前端的兩個帶有內齒的回轉支承上，用1臺減速電機驅動，實現支座A的搖擺動作。

2.6 顯示屏（Roll #1）

顯示屏安裝在支座A前端的帶有內齒的回轉支承上，用1臺減速電機驅動，實現顯示屏的旋轉動作。

3 LED機械臂系統的功能

LED機械臂系統中每套機械臂均有六個自由度，且LED屏包絡面積很大。3套機械臂在不干涉的情況下可以自由組合，在空中隨意飛行、拼接、拆分、旋轉，形成舞臺上空各種造型的LED背景顯示。同時，LED機械臂系統與演出場景密切配合，不僅可以與舞臺上道具混搭成虛實相間的道具效果，而且可以伸到觀眾面前近距離呈現。LED機械臂系統的各種組合動作示例如圖4～圖10所示。

圖4 伸展狀態

圖5 收攏狀態

圖6 豎屏疊加

圖7 橫屏疊加

圖8 橫屏層疊

圖9 橫屏折合

圖10 斜屏組合

4 LED機械臂系統的特點

機械臂是基于仿生學原理模仿人體手臂研發設計的六自由度串聯式大型機構，用于承載LED屏，并帶動其在舞臺上空動作。這種機構的優點是開放式構造活動范圍大，原理簡單，各軸均可獨立控制；缺點是懸臂梁結構剛性差，各關節誤差會累計在輸出端，精度難以提高。

綜合來看，漢秀劇場LED機械臂系統的特點具體表現在以下幾個方面：

（1）體量大，慣量大：LED機械臂僅末端的LED屏重量就達3 t，總重量約280 t；

（2）懸臂長，行程大：機械臂伸出后最大臂展27.05 m，收攏后最小臂展6 m；

（3）速度快：單軸最大線速度達到2.474 m/s，最大組合線速度達到5.283 m/s；

（4）裝機容量大：單臺裝機容量達1 422.5 kW，公用液壓系統電機總功率4 075 kW；

（5）精度高：末端的LED屏能自由組合，拼縫間隙要求小于10 mm；

（6）安全、可靠：是漢秀劇院里使用頻率較高的演出設備。

5 結束語

通過設計單位科學有效的組織和管理，并將風險評估理念貫穿始終，LED機械臂系統集成了虛擬樣機設計、液壓同步、單軸多電機驅動以及實時位置檢測反饋等多項先進技術手段，實現了LED背景在整個舞臺上任意空間內的無縫拼接和連續顯示，極大地豐富了舞臺藝術樣式，保證演出效果的呈現。

（編輯 薛云霞）

Flying LED and Flexible Robot -The LED Display Robot System at Han Show Theatre

ZHENG Zhi-rong, LI li, XING wei, SHAN Fang-fang
(Beijing Special Equipment Design Institute, Beijing 100028, China)

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.

LED display robot system; 6-DOF ; hydraulic synchronization system; virtual prototype design

10.3969/j.issn.1674-8239.2015.02.009