刁 吧、珂 1二 劃L 甩工 程Vo1．31No．122014年 12月Jom'nalofMechanical＆ ElectricalEngineeringDec．2014 DOI：10．3969j／．issn．1001—4551．2014．12．018基于全向輪的移動(dòng)式舞臺(tái)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究馬福東 ，駱德淵 ，梁浩峰 ，王志君 ，李潤(rùn)國(guó)(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子_丁程學(xué)院，四川 成都 611731) 摘要：針對(duì)舞臺(tái)上的演員、道具、布景的移動(dòng)或變換問題 ，對(duì)同類產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)形式、全向輪底盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)支撐系統(tǒng)、車輪減震系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行了研究，對(duì)四輪式全向輪式驅(qū)動(dòng)底盤的運(yùn)動(dòng)速度和軌跡進(jìn)行了分析 ，提出了一種基于全向輪 、ARMCortex—M4 內(nèi)核嵌入式處理芯片以及CAN總線的舞臺(tái)平面智能移動(dòng)設(shè)備 ，提出了推力軸承結(jié)合萬向輪系的轉(zhuǎn)臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)以及線軌結(jié)合螺旋彈 簧的車輪減震結(jié)構(gòu)，利用KeiluVision5作為開發(fā)環(huán)境編譯程序控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用SolidWorks三維建模功能進(jìn)行了外形設(shè) 計(jì) ，利用SolidWorks的Motion分析功能先后對(duì)舞臺(tái)設(shè)備在給定路徑下的反向和正向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析。
研究結(jié)果表明，該舞臺(tái)移 動(dòng)設(shè)備能夠靈活多變地實(shí)現(xiàn)任意給定的平面運(yùn)動(dòng)軌跡，并實(shí)現(xiàn)較高的空間利用率 ，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 、可靠性高。 關(guān)鍵詞：舞臺(tái)；全向輪；減震；SolidWorks；Motion分析 中圖分類號(hào)：TH69；TH39 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001—4551(2014)12—1596—04Researchanddesign0fmobilestageequipmentbased0n0m nl●—d●i●rect·i■onallW1l1eellsMAFu—dong，LUODe—yuan，LIANGHao—feng，WANGZhi-jun，LIRun—guo(SchoolofMechatronicsEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu611731，China) Abstract：Aimingattheproblemsofchangingorcarryingactors，propsandsceneriesonstages，theformsofmotion，omni—directional wheelchassissystem ，rotarytablesupportsystem ，damping system and controlsystem ofsimilarproductswereinvestigated．Afterthe speedoffourdrivingwheelsand themovementtrackofthedevicewereanalyzed，akindofmobiledevicebasedonomni—directional wheels，ARM Codex—M4 embeddedprocessorsandCAN buswerepresented．A supportstructureoftherotarytablebasedonathurst bearingandturckleswasdesigned，andashockabsorptionsturcturebasedontheraillinescombinedwithspiralspringswasestablished． KeilI~vision5wasused asthedevelopmentenvironmentofprogram compilationtocontrolthespeedofthedrivingmotors．SolidWorks wasapplied to 3D modeling，motion analysiswasapplied in inverse kinematicsandforward kinematics．Theresultsindicate thatthe mobilestagedevicecouldrealizeanygivenCHIVESflexibly，andhadthehighspaceutilization，stabilityandreliability． Keywords：stage；omni—directionalwheels：shockabsorption；SolidWorks；Motionanalysis下舞臺(tái)設(shè)備主要包括升降舞臺(tái)、平面移動(dòng)車臺(tái)和旋轉(zhuǎn) 0 引 言舞臺(tái)等…。
移動(dòng)式舞臺(tái)設(shè)備是指可在平面上作連續(xù)直線或舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備是劇院、電視臺(tái)等表演場(chǎng)所的重要曲線運(yùn)動(dòng)的平面移動(dòng)車臺(tái)，當(dāng)今的同類舞臺(tái)機(jī)械產(chǎn)品 硬件平臺(tái)，種類繁多，按照使用地點(diǎn)分類，可分為臺(tái)上大多外形龐大，在舞臺(tái)平面內(nèi)作直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)形式 舞臺(tái)機(jī)械和臺(tái)下舞臺(tái)機(jī)械兩種。臺(tái)上舞臺(tái)機(jī)械主要單一。 包括 吊桿、吊機(jī)、隔音幕、幕機(jī)、防火幕和假臺(tái)口等；臺(tái)本研究提出移動(dòng)式舞臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，外形小、收稿 日期：2014—08—08作者簡(jiǎn)介：馬福東 (1989一)，男，湖北黃石人，主要從事智能機(jī)電產(chǎn)品的研究與實(shí)現(xiàn)方面的研究．E—mail：mzx502@qq．com通信聯(lián)系人：駱德淵，男，副教授 ，碩士生導(dǎo)師．E-mail：luodeyuan@163．corgi 第 12期馬福東，等：基于全向輪的移動(dòng)式舞臺(tái)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究·1597 · 底盤低 ，對(duì)演出效果影響較小 ，運(yùn)動(dòng)形式靈活多樣 ，包軌的導(dǎo)軌與滑塊配合 ，滑塊 固定在安裝架上 ，安裝架 括平移、整體旋轉(zhuǎn)、局部定軸轉(zhuǎn)動(dòng)等，可多臺(tái)聯(lián)合控制進(jìn)與車體固定連接。不同于一般的懸掛輪式設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng) 行群組運(yùn)動(dòng)或拼接成一個(gè)大型舞臺(tái)車，可拓展性強(qiáng)，并 輪的輪軸兩端均通過滾動(dòng)軸承與支架配合，避免輪軸 可以通過給定路徑運(yùn)動(dòng)或遠(yuǎn)程人工操作，以承載演員進(jìn)由于懸掛支撐而承受過大的彎矩。
當(dāng)車體在凹凸不 行藝術(shù)表演，或?qū)Φ谰吆筒季斑M(jìn)行變換和遷移 。平的地面上行進(jìn)時(shí)，固定在導(dǎo)軌上的輪子和支架可l三l順著滑塊在彈簧1和彈簧2的支撐下上、下浮動(dòng)。 1 總體要求3 中央轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)車臺(tái)底盤與地面距離應(yīng)低于60mm，車臺(tái)臺(tái)面外 形為矩形，邊長(zhǎng)在 1500mm～2000mm之間，車身重中央轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng) 由底盤下的直流伺服 電機(jī)、蝸輪 量以鋁合金為主，以盡量減少負(fù)載。蝸桿減速器和傳動(dòng)軸等組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。目前多機(jī)械設(shè)備運(yùn)行、無沖擊。整車可實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)， 數(shù)舞臺(tái)機(jī)械的旋轉(zhuǎn)部分采用支撐輪系承載上方轉(zhuǎn)臺(tái)，輪子與轉(zhuǎn)臺(tái)為線接觸，壓強(qiáng)較大?？紤]到運(yùn)轉(zhuǎn)過程的噪音 包括繞車臺(tái)中心軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，中央圓臺(tái)可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)問題，輪子一般采用塑料或橡膠等材料制品，由于轉(zhuǎn)臺(tái) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上方人為因素，表面的受力具有不確定性。長(zhǎng)期下來，本研究把STM32作為嵌人式控制系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)輪子會(huì)產(chǎn)生磨損和擠壓變形 。故筆者采用以推力軸 了安全、準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)與定位，利用手柄遙控器或PC端承支撐為主，萬向輪輪系支撐為輔的方案。該方案減輕 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了該移動(dòng)車臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。對(duì)輪系的磨損，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命，減小維修工作量。 2 驅(qū)動(dòng)底盤 的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了減小下盤變形 ，保證轉(zhuǎn)臺(tái)的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn) ，設(shè)計(jì)中在轉(zhuǎn)臺(tái)下方的底盤安裝 了4個(gè)萬向輪，這4個(gè)萬向驅(qū)動(dòng)底盤采用四輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ，輪子式樣為全向輪與全向驅(qū)動(dòng)輪系共同分擔(dān)載荷。
考慮到舞臺(tái)地面 輪。全向輪單個(gè)輪體由主動(dòng)輪轂和繞輪轂圓周均勻存在凹凸不平的可能性，如果萬向輪系與底盤之間為 排列的從動(dòng)小輪組合 ，將兩輪轂拼合 ，圓周的小從動(dòng)剛性連接，那么當(dāng)萬向輪系處于較高的凸起地面時(shí)， 輪交錯(cuò)排列 。全向驅(qū)動(dòng)輪系減震系統(tǒng)中的彈簧壓力將減小，全向輪由于舞臺(tái)場(chǎng)地可能存在凹凸不平的地方，為了防系與地面的貼合力將減小，可能造成舞臺(tái)車的驅(qū)動(dòng)力 止車輪打滑或空轉(zhuǎn)，同時(shí)為了減緩車臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中的不足。故本研究將萬向輪系進(jìn)行了減震設(shè)計(jì)，萬向輪 沖擊和保護(hù)演員的安全，本研究將各輪子安裝在減震輪架與底盤安裝面之間采用彈簧進(jìn)行彈性連接，即相 機(jī)構(gòu)中，保證車臺(tái)在運(yùn)行過程中輪子始終緊貼地面， 當(dāng)于對(duì)驅(qū)動(dòng)輪和底盤支撐輪均進(jìn)行了減震設(shè)計(jì)。 為行進(jìn)提供足夠的驅(qū)動(dòng)力 。減震機(jī)構(gòu)的模型如圖1 所示。4 舞 臺(tái)設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)該舞臺(tái)車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使用了5臺(tái)直流伺服電機(jī)，考慮到電機(jī)同步控制和外設(shè)接 口易擴(kuò)展性，筆者決定采用基于ARMCodex—M4的32位處理芯片sTM32F407IGT6作為嵌入式控制芯片，以~C／OS一Ⅱ?yàn)閷?shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與嵌入式控制板的通信，通過CYWM6935無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信聃]。
本研究以KeiluVision5作為開發(fā)環(huán)境 ，用C語言編寫程序 ，將編譯好的HEX文件通過ST—LINK／V2燒人到單片機(jī)中 。該機(jī)構(gòu)中使用了雙編碼器定位器，將分別安置了編碼器的兩個(gè)全向輪正交安裝在一起，圖1 驅(qū)動(dòng)輪減震機(jī)構(gòu)當(dāng)車臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)處于正交位置的兩個(gè)編碼器可用由圖1可見，減震機(jī)構(gòu)為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu) (除電機(jī)于對(duì)車臺(tái)在 和Y方向上的速度進(jìn)行測(cè)量，在上位機(jī) 外)，全向輪通過輪軸安裝在支架上 (支架2進(jìn)行了透軟件中合成車臺(tái)的運(yùn)動(dòng)路徑。 明處理)，支架兩側(cè)分別固定在兩條線軌的導(dǎo)軌上，線移動(dòng)舞臺(tái)設(shè)備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 · 1598 ·機(jī) 電 工 程第31卷車輪的半徑。車臺(tái)可當(dāng)作剛體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。由瞬心法分析可得 ：當(dāng) =t，=0時(shí)，若 和 反向，則瞬心在兩輪心所連的線段上，車臺(tái)整體繞位于車輪內(nèi)側(cè)的瞬心旋轉(zhuǎn)。當(dāng) 和 ：同向且I，≠ ：時(shí) ，車臺(tái)整體繞位于上述線段延長(zhǎng)線上的瞬心旋轉(zhuǎn)。若 =一1,P：= ，車臺(tái)將 以 =2vie的角速度繞車臺(tái)中心旋轉(zhuǎn)；若 =： = ， 車臺(tái)將 以速度 作直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng) = ， = ，時(shí)， = 十一It,'3， 是車臺(tái)中心處的速度，通過對(duì) 與 大小的控制，可實(shí)現(xiàn)車臺(tái)的全 向移動(dòng)。
本研究根據(jù)不同的表演需要 ，規(guī)劃相應(yīng)的路徑 ，以嵌入式控制板程序控制4-'"／全向輪的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)形式。6 結(jié) 果圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖通過三維CAD軟件SolidWorks的Motion分析功 5 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析能，可以很直觀地對(duì)舞臺(tái)車進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)學(xué)或反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析和仿真，設(shè)置三維模型的接觸條件和零件材為了實(shí)現(xiàn)車臺(tái)的全向驅(qū)動(dòng)，另外由于車臺(tái)上將承料、摩擦參數(shù)，施加重力影響。研究者可采用旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、 載人或物，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)的安裝空間有限，只依靠左、右線性馬達(dá)、路徑配合馬達(dá)三種驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，通過數(shù)據(jù)點(diǎn)、常 兩輪上的直流伺服 電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力不數(shù)或表達(dá)式等方法設(shè)置馬達(dá)的轉(zhuǎn)速或線性速度 。 夠，本研究在四輪上均安裝了直流伺服電機(jī)。全向輪本研究給定舞臺(tái)車的幾何中心運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓 底盤通過4臺(tái)直流伺服電機(jī)分別控制4個(gè)全向輪的轉(zhuǎn)形路徑 ，長(zhǎng)軸a=5000mm，短軸b=4000mm。本研 速 ，可以實(shí)現(xiàn)繞車臺(tái)中心的原地轉(zhuǎn)動(dòng) ，以及無車體轉(zhuǎn)究通過SolidWorks的Motion分析進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)學(xué)求 動(dòng)情況下任意方向的移動(dòng)n。。。解，引人舞臺(tái)車的簡(jiǎn)化模型 ，在裝配體三維圖模式下全向輪系坐標(biāo)圖如圖3所示。
以軸線正交的上輪按要求參數(shù)繪制軌跡圖，將舞臺(tái)車的質(zhì)心與軌跡圖作 和右輪的軸線交點(diǎn)(同時(shí)也是車臺(tái)的幾何中心)為原路徑配合。 點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系。筆者在Motion分析的路徑配合馬達(dá)模式下驅(qū)動(dòng)舞臺(tái)車幾何中心依照軌跡按預(yù)定速度運(yùn)動(dòng)，可解算出圖3坐標(biāo)系中各個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輪心在 和y方向的線速度， 和y方向的線速度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。輪心線速度如表1所示，亦即驅(qū)動(dòng)輪輪緣相對(duì)舞臺(tái)車的線速度，由該速度即可計(jì)算所需的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速。本研究將如表 1所示的數(shù)據(jù)文件(篇幅所限只列出部分)在Motion分析直接輸人到各驅(qū)動(dòng)輪輪心處的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，即可進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解 ，最終得到了預(yù)圖3 全 向輪系坐標(biāo) 圖先的橢圓形路徑n。本研究先以車輪作為研究對(duì)象，取輪心作為基點(diǎn)如果需要其他的運(yùn)動(dòng)路徑，只需通過方程驅(qū)動(dòng)或 建立平面坐標(biāo)系， 、l，、t，，和 分別為左右和上直接繪制的方式更換運(yùn)動(dòng)軌跡圖即可，非常方便。 下輪輪緣相對(duì)輪心平移坐標(biāo)系的速度。 。和 分別 為左右車輪的繞基點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。由剛體的運(yùn)動(dòng)7 結(jié)束語 規(guī)律可知，車臺(tái)左右兩輪中心處相對(duì)地面的移動(dòng)速度 分別等于 。和 l，：。其中：。=∞。R，l，2=∞：R‘，R一本研究運(yùn)用剛體平面運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)規(guī)律 、 第12期馬福東，等：基于全向輪的移動(dòng)式舞臺(tái)設(shè)備的設(shè)計(jì)研究O0o＼ 、、／ < 、． _l鍛掣搽＼、 ．／ ／ If ＼＼0．i＼ 、I．／ ．i＼ ：I-s．日旦，6馘 螄 之O0o＼ 、L一／ ‘0．00 2．00 4．00 6．00 8．00 10．00 12．00 14．00 1600 18．0o 20．00．t／s圖4 輪心在 方向(細(xì)線)和y方向(粗線)的線速度曲線表1 輪心線速度機(jī)械工程師，1999(9)：46—47．[3]魏發(fā)孔，田海弘，王 棟，等．劇場(chǎng)舞臺(tái)臺(tái)面機(jī)械設(shè)備技術(shù)要點(diǎn)的探討[J]．蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，30(2)：51—54．[4] 郭洪澈 ，曹 成．無塵車間自動(dòng)裝配機(jī)器人全向移動(dòng)底盤設(shè)計(jì) [J]．控制工程，2009，16($3)：112—115．15J BYUNKS，KIM SJ，SONGJB．DesignofContinuousA1．ternateWheelsforOmnidirectionalMobileRobots[C]／P／ro．ceedingsofthe2001IEEE International ConferenceonRo-boticsandAutomation．Seoul舞臺(tái)設(shè)備模型，South Korea：ICRA舞臺(tái)設(shè)備模型，2001：767-772．[6] 陳旭東，孔令成，劉尊朋 ，等．基于全向輪的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與控制設(shè)計(jì) [J]．測(cè)控技術(shù)，2012，31(1)：48—51，56．[7] 鄔國(guó)昌．旋轉(zhuǎn)臺(tái)回旋支撐與導(dǎo)向易損原因機(jī)理研究及優(yōu)化[J]．甘肅科技，2011，27(4)：62—64．[8] 鄭偉佳 ，馬 賽 ，皮佑國(guó)．基于STM32和I~C／OS—II的圓捆纏膜一體機(jī)嵌入式控制器設(shè)計(jì) [J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013 運(yùn)動(dòng)分析與仿真技術(shù) ，設(shè)計(jì)了一種新型智能舞臺(tái)設(shè)(12)：197—201． 備，可實(shí)現(xiàn)較高的空間利用率和平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)n。
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