機(jī)械臂、機(jī)器人、全向車臺、無人機(jī)如何加入舞臺表演

1 引言
隨著國內(nèi)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(shè)備的種類不斷變化，對演出設(shè)備的技術(shù)要求不斷提升。以流動演出為例，之前幾乎都是固定設(shè)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(jī)械設(shè)備，如增加舞臺動感效果的柔索并聯(lián)機(jī)器人、可編程矩陣球、機(jī)械臂、全向車臺、擬態(tài)機(jī)器人、無人機(jī)等演出設(shè)備，極大地豐富了演出的形式和內(nèi)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(jī)器人，典型的為二維、三維威亞，可將人、攝像機(jī)、道具等在空中進(jìn)行快速移動，配合表演定位；采用機(jī)械臂的方式可裝載演出用的大型顯示屏，也可將燈光進(jìn)行托舉，同時通過編程還能將人與機(jī)械臂進(jìn)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(jī)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(jī)群則可以通過無人機(jī)構(gòu)建大空間背景下的燈光造型展覽展示，使表演立體化，擴(kuò)展舞臺空間。
下面針對上述幾種用于舞臺表演的機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用形態(tài)及實現(xiàn)功能展開闡釋。
2 柔索并聯(lián)機(jī)器人
2.1應(yīng)用形態(tài)
柔索并聯(lián)機(jī)器人是一類特殊的并聯(lián)機(jī)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(diào)變化索長來實現(xiàn)其位置和姿態(tài)的改變。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，其具有慣性小、響應(yīng)快、高速性能好、工作空間大等一系列優(yōu)點。
在演藝領(lǐng)域使用的柔索并聯(lián)機(jī)器人主要為各種威亞，包括兩軸驅(qū)動的雙線飛行器，三軸四軸驅(qū)動的三維威亞，更多鋼絲繩牽引驅(qū)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(jī)，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(jī)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(jìn)行表演，不僅可以進(jìn)行上升下降的動作，還可以進(jìn)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(jìn)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，如目前在建的恒大海花島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(yīng)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(dá)、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(shù)要點
在演藝領(lǐng)域的應(yīng)用中，柔索并聯(lián)機(jī)器人一般需滿足如下技術(shù)功能。
軌跡離線編程。編輯軌跡，設(shè)定需要經(jīng)過的軌跡點，并通過軌跡自動平滑等技術(shù)處理設(shè)定好的運行軌跡；同時，還可設(shè)定軌跡的運行時間等，以及軌跡運行其他參數(shù)的設(shè)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(jìn)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(jìn)行完整的重現(xiàn)。
運行區(qū)域設(shè)定。可手動設(shè)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(yīng)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(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)運動，用于實現(xiàn)切換布景和遷移演員。
在演出應(yīng)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(jìn)行上場或退場、在指定時間和位置表演旋轉(zhuǎn)等動作，極大地豐富了藝術(shù)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(shù)表演上，其蘊(yùn)含的全輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航定位技術(shù)完全可以應(yīng)用到車間、碼頭、船艦上的物流傳輸系統(tǒng)，在工業(yè)實際應(yīng)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(yīng)用的全向車臺（見圖4），被很多人誤認(rèn)為是智能機(jī)器人。其實，全向車臺與目前的智能機(jī)器人有所區(qū)別，全向車臺更強(qiáng)調(diào)預(yù)編程行為，嚴(yán)格按照編輯好的動作進(jìn)行表演，一般無法進(jìn)行自動軌跡規(guī)劃等行為。
 
3.2技術(shù)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(shù)需要解決。
軌跡規(guī)劃不同。不同于工廠制造環(huán)境，演出機(jī)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?zé)艄獾鹊母叨冉y(tǒng)一。傳統(tǒng)上工廠用的全向車臺（移動機(jī)器人）側(cè)重于效率、精度和速度，這也直接決定了機(jī)器人的運轉(zhuǎn)路徑多以直線、圓弧為主，機(jī)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(lǐng)域的全向車臺（表演機(jī)器人）為了完成完整的舞美創(chuàng)意，僅靠直線和圓弧轉(zhuǎn)彎的動作是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要像芭蕾舞演員在旋轉(zhuǎn)的同時，還可畫出優(yōu)美的弧形；同時，還需要多臺表演機(jī)器人協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。
適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜。由于演出過程中，有時候需要人員與車臺進(jìn)行互動，一般對于采用激光導(dǎo)航的車臺而言，遮擋比較嚴(yán)重，同時光干擾也較大，需解決導(dǎo)航環(huán)境不理想情況下的定位，比如慣性導(dǎo)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(lǐng)域中的應(yīng)用，一般需滿足如下技術(shù)功能。
軌跡離線編程。編輯軌跡，設(shè)定需要經(jīng)過的軌跡點，并通過軌跡自動平滑等技術(shù)處理設(shè)定好的運行軌跡；同時，還可設(shè)定軌跡的運行時間等，以及軌跡運行其他參數(shù)的設(shè)定和自檢；支持軌跡離線仿真。
避障功能。一般通過內(nèi)置激光避障和紅外等傳感器，并結(jié)合算法實現(xiàn)避障功能。
運行區(qū)域設(shè)定。可手動設(shè)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(shù)特征均有別于傳統(tǒng)劇場設(shè)備，某些編程手段與柔索并聯(lián)機(jī)器人類似，也是機(jī)器人編程的一個分支，和物流機(jī)器人又有所不同，不需要自動規(guī)劃路徑，需要嚴(yán)格按照編好的路徑進(jìn)行移動。
4 矩陣球
4.1應(yīng)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(jī)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(qiáng)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(yīng)用，圖5所示為動態(tài)雕塑在舞臺上的應(yīng)用場景。
 
4.2技術(shù)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(shù)。每個懸浮體安裝簡單，通過標(biāo)準(zhǔn)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(jī)柜無機(jī)房設(shè)計，簡化運維成本，用戶通過計算機(jī)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(shù)方式。
一般應(yīng)用于高速高精度場合，系統(tǒng)運行結(jié)構(gòu)采用伺服電機(jī)，每個伺服電機(jī)間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)來布置控制網(wǎng)絡(luò)，每個運動部件的速度可達(dá)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(yīng)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(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，軟件編程通常采用現(xiàn)成的燈光控制臺進(jìn)行編程，運行速度較慢，編程較為繁瑣。
軟件（見圖6）一般應(yīng)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(shè)定好的數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)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(jìn)行預(yù)處理，包括調(diào)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(jī)械臂
5.1應(yīng)用形態(tài)
對于演藝行業(yè)來說，機(jī)械臂誠然是玩轉(zhuǎn)舞臺的點睛之筆。尤其是隨著技術(shù)的不斷更新，機(jī)械臂已然全面進(jìn)入演藝領(lǐng)域，LED顯示屏可以在機(jī)械臂的掌控下隨意飛行、拼接、拆分、旋轉(zhuǎn)，在舞臺空間形成各種造型的LED背景顯示。機(jī)械臂也可與多媒體、燈光、音樂“共舞”。
與目前常規(guī)的舞臺機(jī)械相比較，機(jī)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(jī)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(jī)器人（見圖7），借此加入很多表演元素，采用人與機(jī)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(jī)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(jī)器人（見圖8）。
 
5.2技術(shù)要點
由于工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展多年，機(jī)械臂相對成熟度較高，已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)場合多年，有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗?；跈C(jī)械臂的機(jī)器人多數(shù)采用現(xiàn)有的軟硬件來完成，比如采用機(jī)器人的示教功能，將動作進(jìn)行示教規(guī)劃，使得機(jī)械臂能按導(dǎo)演要求進(jìn)行動作重現(xiàn)；也可通過機(jī)器人控制接口，發(fā)送目標(biāo)點給機(jī)器人，通過額外的人機(jī)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(yīng)用時一般需要了解機(jī)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(jìn)行預(yù)編程，并可實現(xiàn)離線編程。
6 擬態(tài)機(jī)器人
6.1應(yīng)用形態(tài)
目前，擬態(tài)機(jī)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(jī)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(jī)器人身上LED燈的七彩變幻，達(dá)到一種科技與律動結(jié)合的效果。擬態(tài)機(jī)器人本身的科技含量其實并不高，是通過所謂“舵機(jī)”（一種廉價小型伺服電機(jī)）來控制各個關(guān)節(jié)，先根據(jù)舞美的要求預(yù)先設(shè)定好舞蹈程序，每個舵機(jī)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(jī)器人可以在同一時刻啟動整個舞蹈程序。雖然擬態(tài)機(jī)器人本身技術(shù)難度不大，但是要使數(shù)量如此之多的機(jī)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(jī)器人進(jìn)行調(diào)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(guān)節(jié)自由度，可模仿人的肢體動作，雙眼裝有藍(lán)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(jī)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(jìn)行互動，成為一大亮點。
 
6.2 技術(shù)要點
擬態(tài)機(jī)器人用于演藝領(lǐng)域中，往往是群體應(yīng)用，在調(diào)試好每個單個擬態(tài)機(jī)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(jī)器人接收信號的靈敏度都會有一定的要求。
擬態(tài)機(jī)器人作為新興的機(jī)器人分支，每個廠家都有自己的編程軟件，有些機(jī)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(fù)雜的動作。從技術(shù)應(yīng)用層面而言難度相對較低。
7 無人機(jī)
7.1應(yīng)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(jī)進(jìn)行藝術(shù)表演，應(yīng)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(jī)表演成了不可或缺的亮點。幾十架無人機(jī)就像螢火蟲一般，雖然每一個無人機(jī)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(jī)在空中組成了奧運五環(huán)，體現(xiàn)了新時代的新技術(shù)與奧林匹克這一古老盛會的完美融合（見圖11）。
 
7.2技術(shù)要點
對于無人機(jī)本身的技術(shù)分析，不是本文的描述重點。把無人機(jī)運用到演藝創(chuàng)作中，真正的技術(shù)難度說到底還是移動機(jī)器人的問題，與全向車臺面對的難點類似。但是無人機(jī)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(fù)雜。概括起來，無人機(jī)編組控制有如下難點。
時鐘問題，是指如何為多架無人機(jī)進(jìn)行時鐘同步或如何使多架無人機(jī)的系統(tǒng)時間一致。這個問題是演藝設(shè)備行業(yè)的一個普遍難題，當(dāng)一個系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備數(shù)量多了之后，如何保證每個系統(tǒng)或子系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)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(luò)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(jī)的位置及獲取每架無人機(jī)位置的準(zhǔn)確程度。常用的方案有光學(xué)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(dǎo)航問題，是指導(dǎo)引和控制無人機(jī)按舞美要求飛行在預(yù)定軌道的技術(shù)和方法。制導(dǎo)過程中，導(dǎo)航系統(tǒng)要在系統(tǒng)時間周期內(nèi)不斷掃描更新無人機(jī)與預(yù)定軌道的相對位置關(guān)系，發(fā)出導(dǎo)航信息給無人機(jī)控制系統(tǒng)，對飛行軌跡和每個無人機(jī)的姿態(tài)做閉環(huán)控制。
路徑規(guī)劃，是指按照舞美要求設(shè)置預(yù)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(jī)的規(guī)?？梢圆捎萌斯ひ?guī)劃，而當(dāng)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(shù)，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(jié)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(shù)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(fēng)洞引入了表演中，配合演出達(dá)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(xué)融入到舞臺中進(jìn)行表演。典型演出設(shè)備與新技術(shù)手段的應(yīng)用豐富了舞臺表演形式，將帶給觀眾更多震撼的視聽感受。