被動(dòng)式自導(dǎo)向二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)方案解析

張術(shù)永 王海林 李月娟

[摘要]介紹“上海音樂(lè)學(xué)院歌劇院”被動(dòng)式自導(dǎo)向二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)模式技術(shù)要求，以及采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的解決方案。

[關(guān)鍵詞]被動(dòng)式自導(dǎo)向二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái);舞臺(tái)機(jī)械;齒輪齒條;自導(dǎo)向機(jī)構(gòu);控制系統(tǒng)

文章編號(hào)：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.011

作為公共觀演建筑，劇場(chǎng)是展現(xiàn)舞臺(tái)藝術(shù)、進(jìn)行國(guó)際文化藝術(shù)交流，以及為人們提供休閑、娛樂(lè)場(chǎng)所的藝術(shù)殿堂。隨著劇場(chǎng)形式越來(lái)越多，傳統(tǒng)劇場(chǎng)和實(shí)景秀場(chǎng)都發(fā)展迅速，舞臺(tái)藝術(shù)的表現(xiàn)形式也越來(lái)越豐富，給劇場(chǎng)建設(shè)和舞臺(tái)功能提出更高的要求。呆板固定的舞臺(tái)形式明顯限制了舞臺(tái)藝術(shù)的展現(xiàn)和文化的有效傳播。舞臺(tái)機(jī)械賦予了舞臺(tái)更多的活力，使舞臺(tái)形式富于變化，更加適應(yīng)舞臺(tái)藝術(shù)的創(chuàng)作和發(fā)展。

隨著科技的不斷進(jìn)步，舞臺(tái)機(jī)械的種類(lèi)越來(lái)越多、實(shí)用性越來(lái)越強(qiáng)。車(chē)臺(tái)作為舞臺(tái)機(jī)械的一種，經(jīng)常出現(xiàn)在專(zhuān)業(yè)歌劇院、話劇院、多用途劇場(chǎng)等劇場(chǎng)中，形式也不盡相同，但在劇院運(yùn)輸布景、演出的裝臺(tái)和拆臺(tái)、參與演出的過(guò)程中發(fā)揮著巨大的作用，給舞美人員帶來(lái)更大的創(chuàng)作空間，與主舞臺(tái)升降臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)等設(shè)備組合使用，展現(xiàn)更多的舞臺(tái)特殊效果，并提高劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的使用靈活性和效率。

車(chē)臺(tái)是舞臺(tái)機(jī)械中較為成熟的設(shè)備，也是劇場(chǎng)使用效率較高的設(shè)備之一，充分發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的智慧，將車(chē)臺(tái)的功能發(fā)揮得淋漓盡致。在國(guó)外，根據(jù)不同功能需求設(shè)計(jì)不同模式下的車(chē)臺(tái)系統(tǒng)，僅二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)形式就有很多種，例如：丹麥哥本哈根新歌劇院的二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)是通過(guò)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的，西班牙和日本的一些劇院則采用剛性鏈驅(qū)動(dòng)。在中國(guó)，由于受機(jī)械加工技術(shù)和控制技術(shù)的限制，真正意義上的國(guó)產(chǎn)二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)很少在劇場(chǎng)中得到實(shí)際的應(yīng)用。筆者以上海音樂(lè)學(xué)院歌劇院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上音歌劇院”）為例，介紹一種自主研發(fā)的被動(dòng)式自導(dǎo)向二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用。

1“上音歌劇院”的工藝特點(diǎn)及設(shè)備配置

“上音歌劇院”作為專(zhuān)業(yè)歌劇表演劇場(chǎng)，其功能定位明確，舞臺(tái)設(shè)備配置完整。舞臺(tái)工藝由英國(guó)TheatreProjects Consultants公司設(shè)計(jì)，臺(tái)口尺寸（寬）16m×（高）11m，主舞臺(tái)尺寸（寬）28m×（進(jìn)深）20.3m，舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)配置包含臺(tái)上設(shè)備、臺(tái)下設(shè)備和聲學(xué)等設(shè)備共計(jì)300余套。

在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入一些國(guó)際先進(jìn)理念，將觀眾廳室內(nèi)裝飾吊頂設(shè)計(jì)成為可上下移動(dòng)的聲學(xué)天花，并在觀眾廳周?chē)鷫Ρ趦?nèi)暗裝可升降的吸聲板，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)真正意義上的可變混響，以滿足不同形式演出時(shí)對(duì)聲學(xué)的要求。除此之外，10套被動(dòng)式自導(dǎo)向二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)道具及景物在側(cè)舞臺(tái)、后舞臺(tái)、主舞臺(tái)區(qū)域間的運(yùn)輸和場(chǎng)景切換。

2被動(dòng)式自導(dǎo)向二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)的布置形式及運(yùn)動(dòng)模式

“上音歌劇院”的車(chē)臺(tái)共10套，分別布置于側(cè)舞臺(tái)區(qū)和后舞臺(tái)區(qū)，所述車(chē)臺(tái)系統(tǒng)既可以沿平行于臺(tái)口方向左右往復(fù)運(yùn)行，也可以沿垂直于臺(tái)口方向前后往復(fù)運(yùn)行，還可以在側(cè)舞臺(tái)區(qū)、主舞臺(tái)區(qū)和后舞臺(tái)區(qū)呈回字形閉環(huán)循環(huán)運(yùn)行。單個(gè)車(chē)臺(tái)具備二維運(yùn)動(dòng)能力;多個(gè)車(chē)臺(tái)既可以編組同步運(yùn)行，也可以根據(jù)預(yù)設(shè)控制程序進(jìn)行位置和時(shí)間軸的協(xié)調(diào)運(yùn)行;所述車(chē)臺(tái)系統(tǒng)具備非常靈活的運(yùn)行模式，為演出裝臺(tái)、道具搬運(yùn)、演出特效等提供了非常便捷和高效的手段，也給更多、更新穎的舞臺(tái)藝術(shù)創(chuàng)作提供了更大的可能。

車(chē)臺(tái)的幾種典型運(yùn)動(dòng)模式通過(guò)下述一系列示意圖加以闡述。圖1中車(chē)臺(tái)分別在側(cè)舞臺(tái)和后舞臺(tái)區(qū)域的預(yù)定停止位上，可以將此狀態(tài)設(shè)定為車(chē)臺(tái)的原始位置。圖2中表示位于后舞臺(tái)區(qū)的5套車(chē)臺(tái)編組同步運(yùn)行至主舞臺(tái)區(qū)，完成后舞臺(tái)區(qū)大型道具或演員的整體運(yùn)送。圖3所示，側(cè)舞臺(tái)區(qū)車(chē)臺(tái)編組同步運(yùn)行至主舞臺(tái)區(qū)，完成側(cè)舞臺(tái)區(qū)大型道具或演員的整體運(yùn)送。圖4所示，側(cè)舞臺(tái)區(qū)車(chē)臺(tái)根據(jù)預(yù)設(shè)控制程序運(yùn)行，完成演出過(guò)程中道具或演員的順序出現(xiàn)，使觀演效果更具有層次感。圖5所示，單個(gè)車(chē)臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，完成側(cè)舞臺(tái)區(qū)演員的運(yùn)送，配合煙霧效果，使演員可以呈現(xiàn)一種漂移的特殊視覺(jué)享受。當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際演出的效果要求和景深設(shè)計(jì)，選擇不同位置上的車(chē)臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行，從而獲得最佳的舞臺(tái)效果。圖6所示，單個(gè)車(chē)臺(tái)二維運(yùn)動(dòng)，完成側(cè)舞臺(tái)區(qū)演員的運(yùn)送后，再向后舞臺(tái)方向運(yùn)行，給觀眾一種由近漸遠(yuǎn)的視覺(jué)效果。圖7所示，兩套單個(gè)車(chē)臺(tái)分別二維運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小范圍回字形循環(huán)，車(chē)臺(tái)1將演員或道具運(yùn)送至主舞臺(tái)區(qū)，并向后舞臺(tái)區(qū)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)車(chē)臺(tái)2向前運(yùn)行至原車(chē)臺(tái)1的位置，車(chē)臺(tái)1返回至原車(chē)臺(tái)2的位置進(jìn)行補(bǔ)位，如此可以不斷循環(huán)，為演員的連續(xù)上下場(chǎng)提供便捷的途徑。以此類(lèi)推，幾套單個(gè)車(chē)臺(tái)配合運(yùn)行，就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)深位置的循環(huán)切換。圖8所示，不同區(qū)域的幾套單個(gè)車(chē)臺(tái)配合運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)臺(tái)多區(qū)域、多編組的回字形循環(huán)。圖9所示，多套單個(gè)車(chē)臺(tái)配合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)大范圍的位置循環(huán)。

綜上所述，此類(lèi)二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)的運(yùn)行模式靈活多變，功能優(yōu)勢(shì)明顯。然而，這么復(fù)雜的運(yùn)行模式如何實(shí)現(xiàn)？該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案是，采用多驅(qū)動(dòng)接力的方式實(shí)現(xiàn)車(chē)臺(tái)的跨區(qū)域運(yùn)行，通過(guò)交叉式的齒輪齒條驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)車(chē)臺(tái)的二維運(yùn)動(dòng);采用自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)保證車(chē)臺(tái)運(yùn)行的方向準(zhǔn)確性。

該二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)系統(tǒng)共使用了49套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，車(chē)臺(tái)本身為無(wú)動(dòng)力結(jié)構(gòu)，由臺(tái)面木地板、臺(tái)面鋼結(jié)構(gòu)、萬(wàn)向行走輪組、自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、安全防護(hù)裝置等組成。車(chē)臺(tái)采用被動(dòng)式驅(qū)動(dòng)，各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別布置在側(cè)補(bǔ)償臺(tái)、側(cè)輔助臺(tái)、主升降臺(tái)、后補(bǔ)償臺(tái)、后輔助臺(tái)上。驅(qū)動(dòng)成組設(shè)置，跨區(qū)域分配，根據(jù)驅(qū)動(dòng)齒條的銜接距離進(jìn)行定位。如圖10所示，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分布保證車(chē)臺(tái)在任何位置都有不少于兩套驅(qū)動(dòng)同時(shí)為車(chē)臺(tái)提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的延續(xù)性，保證了車(chē)臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行和跨區(qū)域布置。

3二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)要求

被動(dòng)式二維運(yùn)動(dòng)車(chē)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需具備的幾個(gè)要素：（1）提供驅(qū)動(dòng)力的可靠性;（2）車(chē)臺(tái)跨區(qū)域運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力銜接;（3）接力驅(qū)動(dòng)車(chē)臺(tái)時(shí)動(dòng)力銜接的順暢性;（4）提供車(chē)臺(tái)轉(zhuǎn)向動(dòng)力;（5）提供正/反向驅(qū)動(dòng)力;（6）安裝空間受限，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊合理;（7）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備隱藏性;（8）多驅(qū)動(dòng)同時(shí)工作時(shí)的同步性控制和互斥性規(guī)避。

3.2解決方案

3.2.1驅(qū)動(dòng)方式的選擇

采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，齒條固定安裝于車(chē)臺(tái)臺(tái)面鋼架下方，齒輪安裝于各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的減速機(jī)出軸端，電機(jī)帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪通過(guò)與齒條的嚙合將圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，齒條帶動(dòng)車(chē)臺(tái)行走。車(chē)臺(tái)直線跨區(qū)域運(yùn)行時(shí)，通過(guò)多驅(qū)動(dòng)的接力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的連續(xù)性，當(dāng)車(chē)臺(tái)運(yùn)行到指定位置后需轉(zhuǎn)向運(yùn)行時(shí)，原驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下降至舞臺(tái)面下方，另一方向的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升起，提供車(chē)臺(tái)換向運(yùn)行的動(dòng)力。以車(chē)臺(tái)1為例，車(chē)臺(tái)1準(zhǔn)備向主升降臺(tái)1的方向做水平直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)側(cè)輔助臺(tái)1和主升降臺(tái)1分別下降一個(gè)車(chē)臺(tái)的高度，給車(chē)臺(tái)運(yùn)行留出通道，然后“驅(qū)動(dòng)1”和“驅(qū)動(dòng)2”升起并與車(chē)臺(tái)下部齒條嚙合，在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)的同步推動(dòng)下，車(chē)臺(tái)向左運(yùn)行（如圖11所示）;隨著車(chē)臺(tái)的運(yùn)行，“驅(qū)動(dòng)3”升起，并開(kāi)始與“驅(qū)動(dòng)2”同步，準(zhǔn)備與車(chē)臺(tái)下部齒條嚙合，完成驅(qū)動(dòng)接力，滿足動(dòng)力延續(xù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)臺(tái)跨區(qū)域運(yùn)行;以此類(lèi)推，“驅(qū)動(dòng)5”和“驅(qū)動(dòng)6”依次升起，完成驅(qū)動(dòng)接力，直至將車(chē)臺(tái)推送至主升降臺(tái)1上的指定位置（如圖12、如13所示）。然后“驅(qū)動(dòng)5”和“驅(qū)動(dòng)6”下降至主升降臺(tái)臺(tái)面以下，同時(shí)“驅(qū)動(dòng)4”、“驅(qū)動(dòng)7”、“驅(qū)動(dòng)11”和“驅(qū)動(dòng)14”升起，這4套驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力方向是垂直于舞臺(tái)臺(tái)口的，配合車(chē)臺(tái)臺(tái)面鋼架下方設(shè)置的垂直交叉的雙向齒條，在4套驅(qū)動(dòng)的同步推動(dòng)下，完成車(chē)臺(tái)的垂直轉(zhuǎn)向和跨區(qū)域運(yùn)行，如圖14、圖15、圖16所示。

3.2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由減速電機(jī)、齒輪、電機(jī)機(jī)架、驅(qū)動(dòng)鉸接軸、電動(dòng)推桿、驅(qū)動(dòng)支架、蓋板機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)等組成。齒輪通過(guò)平鍵與減速機(jī)輸出軸聯(lián)結(jié)，并整體安裝在電機(jī)機(jī)架上，電機(jī)機(jī)架與驅(qū)動(dòng)鉸接軸鉸接，電動(dòng)推桿安裝在減速電機(jī)前端，通過(guò)電動(dòng)推桿的伸縮實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)齒輪的升降，蓋板機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)齒輪聯(lián)動(dòng)，當(dāng)齒輪升起時(shí)蓋板打開(kāi)，齒輪下降時(shí)蓋板關(guān)閉，使整個(gè)舞臺(tái)平面完整（如圖17、圖18、圖19、圖20所示）。

3.2.3自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

二維車(chē)臺(tái)的自導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可避免在舞臺(tái)木地板上開(kāi)長(zhǎng)導(dǎo)向槽，減少了對(duì)舞臺(tái)地板完整性的破壞。車(chē)臺(tái)臺(tái)面鋼架下方設(shè)置十字交叉的齒條，在齒條兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)向翼板（如圖21、圖22所示）。齒輪與齒條嚙合時(shí)，齒輪兩側(cè)將嵌在兩塊導(dǎo)向翼板之間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車(chē)臺(tái)的自導(dǎo)向功能。

3.2.4控制系統(tǒng)

采用先進(jìn)的軸控技術(shù)，閉環(huán)控制，利用絕對(duì)值編碼器進(jìn)行準(zhǔn)確的位置檢測(cè)，結(jié)合動(dòng)態(tài)補(bǔ)償完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交替過(guò)程中的準(zhǔn)確銜接。絕對(duì)值編碼器準(zhǔn)確記錄車(chē)臺(tái)運(yùn)行位置與驅(qū)動(dòng)齒輪之間的位置關(guān)系，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷齒輪與齒條的嚙合關(guān)系并自動(dòng)記錄，避免銜接過(guò)程中出現(xiàn)撞齒或跳齒現(xiàn)象，使車(chē)臺(tái)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程連續(xù)和平穩(wěn)。

4結(jié)語(yǔ)

被動(dòng)式自導(dǎo)向二維運(yùn)行車(chē)臺(tái)可以提供多種運(yùn)行模式，充分發(fā)揮了車(chē)臺(tái)布景的靈活性，在機(jī)械加工精度和控制技術(shù)方面都取得了突破性的進(jìn)步，并在上音歌劇院項(xiàng)目中獲得了實(shí)際應(yīng)用，技術(shù)服務(wù)于藝術(shù)，為科技與藝術(shù)融合提供借鑒。