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基于全向輪的移動式舞臺設備的設計研究馬福東 ，駱德淵 ，梁浩峰 ，王志君 ，李潤國(電子科技大學 機械電子_丁程學院，四川 成都 611731) 摘要：針對舞臺上的演員、道具、布景的移動或變換問題 ，對同類產(chǎn)品的運動形式、全向輪底盤系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺支撐系統(tǒng)、車輪減震系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)等方面進行了研究，對四輪式全向輪式驅(qū)動底盤的運動速度和軌跡進行了分析 ，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總線的舞臺平面智能移動設備 ，提出了推力軸承結(jié)合萬向輪系的轉(zhuǎn)臺支撐結(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)動電機的轉(zhuǎn)速，利用SolidWorks三維建模功能進行了外形設 計 ，利用SolidWorks的Motion分析功能先后對舞臺設備在給定路徑下的反向和正向運動進行了仿真分析。
研究結(jié)果表明，該舞臺移 動設備能夠靈活多變地實現(xiàn)任意給定的平面運動軌跡，并實現(xiàn)較高的空間利用率 ，運動平穩(wěn) 、可靠性高。 關鍵詞：舞臺；全向輪；減震；SolidWorks；Motion分析 中圖分類號：TH69；TH39 文獻標志碼：A文章編號：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下舞臺設備主要包括升降舞臺、平面移動車臺和旋轉(zhuǎn) 0 引 言舞臺等…。
移動式舞臺設備是指可在平面上作連續(xù)直線或舞臺機械設備是劇院、電視臺等表演場所的重要曲線運動的平面移動車臺，當今的同類舞臺機械產(chǎn)品 硬件平臺，種類繁多，按照使用地點分類，可分為臺上大多外形龐大，在舞臺平面內(nèi)作直線運動，運動形式 舞臺機械和臺下舞臺機械兩種。臺上舞臺機械主要單一。 包括 吊桿、吊機、隔音幕、幕機、防火幕和假臺口等；臺本研究提出移動式舞臺設備結(jié)構(gòu)緊湊，外形小、收稿 日期：2014—08—08作者簡介：馬福東 (1989一)，男，湖北黃石人，主要從事智能機電產(chǎn)品的研究與實現(xiàn)方面的研究．E—mail：mzx502@qq．com通信聯(lián)系人：駱德淵，男，副教授 ，碩士生導師．E-mail：luodeyuan@163．corgi 第 12期馬福東，等：基于全向輪的移動式舞臺設備的設計研究·1597 · 底盤低 ，對演出效果影響較小 ，運動形式靈活多樣 ，包軌的導軌與滑塊配合 ，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)動等，可多臺聯(lián)合控制進與車體固定連接。不同于一般的懸掛輪式設計，驅(qū)動 行群組運動或拼接成一個大型舞臺車，可拓展性強，并 輪的輪軸兩端均通過滾動軸承與支架配合，避免輪軸 可以通過給定路徑運動或遠程人工操作，以承載演員進由于懸掛支撐而承受過大的彎矩。
當車體在凹凸不 行藝術表演，或?qū)Φ谰吆筒季斑M行變換和遷移 。平的地面上行進時，固定在導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。 1 總體要求3 中央轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)設計車臺底盤與地面距離應低于60mm，車臺臺面外 形為矩形，邊長在 1500mm～2000mm之間，車身重中央轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動 由底盤下的直流伺服 電機、蝸輪 量以鋁合金為主，以盡量減少負載。蝸桿減速器和傳動軸等組成的傳動機構(gòu)實現(xiàn)。目前多機械設備運行、無沖擊。整車可實現(xiàn)平面運動， 數(shù)舞臺機械的旋轉(zhuǎn)部分采用支撐輪系承載上方轉(zhuǎn)臺，輪子與轉(zhuǎn)臺為線接觸，壓強較大?？紤]到運轉(zhuǎn)過程的噪音 包括繞車臺中心軸的定軸轉(zhuǎn)動，中央圓臺可單獨實現(xiàn)問題，輪子一般采用塑料或橡膠等材料制品，由于轉(zhuǎn)臺 旋轉(zhuǎn)運動。上方人為因素，表面的受力具有不確定性。長期下來，本研究把STM32作為嵌人式控制系統(tǒng)芯片，實現(xiàn)輪子會產(chǎn)生磨損和擠壓變形 。故筆者采用以推力軸 了安全、準確地運動與定位，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 上位機實現(xiàn)了該移動車臺的遠程控制。對輪系的磨損，延長產(chǎn)品使用壽命，減小維修工作量。 2 驅(qū)動底盤 的機械結(jié)構(gòu)設計為了減小下盤變形 ，保證轉(zhuǎn)臺的平穩(wěn)旋轉(zhuǎn) ，設計中在轉(zhuǎn)臺下方的底盤安裝 了4個萬向輪，這4個萬向驅(qū)動底盤采用四輪結(jié)構(gòu)設計 ，輪子式樣為全向輪與全向驅(qū)動輪系共同分擔載荷。
考慮到舞臺地面 輪。全向輪單個輪體由主動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 排列的從動小輪組合 ，將兩輪轂拼合 ，圓周的小從動剛性連接，那么當萬向輪系處于較高的凸起地面時， 輪交錯排列 。全向驅(qū)動輪系減震系統(tǒng)中的彈簧壓力將減小，全向輪由于舞臺場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，可能造成舞臺車的驅(qū)動力 止車輪打滑或空轉(zhuǎn)，同時為了減緩車臺運動過程中的不足。故本研究將萬向輪系進行了減震設計，萬向輪 沖擊和保護演員的安全，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行彈性連接，即相 機構(gòu)中，保證車臺在運行過程中輪子始終緊貼地面， 當于對驅(qū)動輪和底盤支撐輪均進行了減震設計。 為行進提供足夠的驅(qū)動力 。減震機構(gòu)的模型如圖1 所示。4 舞 臺設備的控制系統(tǒng)設計該舞臺車的驅(qū)動機構(gòu)使用了5臺直流伺服電機，考慮到電機同步控制和外設接 口易擴展性，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為實時操作系統(tǒng)，通過CAN總線實現(xiàn)直流伺服電機驅(qū)動器與嵌入式控制板的通信，通過CYWM6935無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實現(xiàn)與上位機的通信聃]。
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燒人到單片機中 。該機構(gòu)中使用了雙編碼器定位器，將分別安置了編碼器的兩個全向輪正交安裝在一起，圖1 驅(qū)動輪減震機構(gòu)當車臺運動時，相對處于正交位置的兩個編碼器可用由圖1可見，減震機構(gòu)為左右對稱結(jié)構(gòu) (除電機于對車臺在 和Y方向上的速度進行測量，在上位機 外)，全向輪通過輪軸安裝在支架上 (支架2進行了透軟件中合成車臺的運動路徑。 明處理)，支架兩側(cè)分別固定在兩條線軌的導軌上，線移動舞臺設備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 · 1598 ·機 電 工 程第31卷車輪的半徑。車臺可當作剛體進行運動規(guī)律的研究。由瞬心法分析可得 ：當 =t，=0時，若 和 反向，則瞬心在兩輪心所連的線段上，車臺整體繞位于車輪內(nèi)側(cè)的瞬心旋轉(zhuǎn)。當 和 ：同向且I，≠ ：時 ，車臺整體繞位于上述線段延長線上的瞬心旋轉(zhuǎn)。若 =一1,P：= ，車臺將 以 =2vie的角速度繞車臺中心旋轉(zhuǎn)；若 =： = ， 車臺將 以速度 作直線運動。當 = ， = ，時， = 十一It,'3， 是車臺中心處的速度，通過對 與 大小的控制，可實現(xiàn)車臺的全 向移動。
本研究根據(jù)不同的表演需要 ，規(guī)劃相應的路徑 ，以嵌入式控制板程序控制4-'"／全向輪的轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)不同的運動形式。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 運動學分析能，可以很直觀地對舞臺車進行正向運動學或反向運動學的分析和仿真，設置三維模型的接觸條件和零件材為了實現(xiàn)車臺的全向驅(qū)動，另外由于車臺上將承料、摩擦參數(shù)，施加重力影響。研究者可采用旋轉(zhuǎn)馬達、 載人或物，且驅(qū)動電機的安裝空間有限，只依靠左、右線性馬達、路徑配合馬達三種驅(qū)動馬達，通過數(shù)據(jù)點、常 兩輪上的直流伺服 電機進行驅(qū)動可能導致驅(qū)動力不數(shù)或表達式等方法設置馬達的轉(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。全向輪本研究給定舞臺車的幾何中心運動軌跡為橢圓 底盤通過4臺直流伺服電機分別控制4個全向輪的轉(zhuǎn)形路徑 ，長軸a=5000mm，短軸b=4000mm。本研 速 ，可以實現(xiàn)繞車臺中心的原地轉(zhuǎn)動 ，以及無車體轉(zhuǎn)究通過SolidWorks的Motion分析進行反向運動學求 動情況下任意方向的移動n。。。解，引人舞臺車的簡化模型 ，在裝配體三維圖模式下全向輪系坐標圖如圖3所示。
以軸線正交的上輪按要求參數(shù)繪制軌跡圖，將舞臺車的質(zhì)心與軌跡圖作 和右輪的軸線交點(同時也是車臺的幾何中心)為原路徑配合。 點建立平面直角坐標系。筆者在Motion分析的路徑配合馬達模式下驅(qū)動舞臺車幾何中心依照軌跡按預定速度運動，可解算出圖3坐標系中各個驅(qū)動輪輪心在 和y方向的線速度， 和y方向的線速度隨時間的變化曲線如圖4所示。輪心線速度如表1所示，亦即驅(qū)動輪輪緣相對舞臺車的線速度，由該速度即可計算所需的驅(qū)動電機轉(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)動輪輪心處的驅(qū)動馬達，即可進行正向運動學求解 ，最終得到了預圖3 全 向輪系坐標 圖先的橢圓形路徑n。本研究先以車輪作為研究對象，取輪心作為基點如果需要其他的運動路徑，只需通過方程驅(qū)動或 建立平面坐標系， 、l，、t，，和 分別為左右和上直接繪制的方式更換運動軌跡圖即可，非常方便。 下輪輪緣相對輪心平移坐標系的速度。 。和 分別 為左右車輪的繞基點轉(zhuǎn)動的角速度。由剛體的運動7 結(jié)束語 規(guī)律可知，車臺左右兩輪中心處相對地面的移動速度 分別等于 。和 l，：。其中：。=∞。R，l，2=∞：R‘，R一本研究運用剛體平面運動和點的合成運動規(guī)律 、 第12期馬福東，等：基于全向輪的移動式舞臺設備的設計研究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(細線)和y方向(粗線)的線速度曲線表1 輪心線速度機械工程師，1999(9)：46—47．[3]魏發(fā)孔，田海弘，王 棟，等．劇場舞臺臺面機械設備技術要點的探討[J]．蘭州理工大學學報，2004，30(2)：51—54．[4] 郭洪澈 ，曹 成．無塵車間自動裝配機器人全向移動底盤設計 [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舞臺設備模型，South Korea：ICRA舞臺設備模型，2001：767-772．[6] 陳旭東，孔令成，劉尊朋 ，等．基于全向輪的機器人移動機構(gòu)運動分析與控制設計 [J]．測控技術，2012，31(1)：48—51，56．[7] 鄔國昌．旋轉(zhuǎn)臺回旋支撐與導向易損原因機理研究及優(yōu)化[J]．甘肅科技，2011，27(4)：62—64．[8] 鄭偉佳 ，馬 賽 ，皮佑國．基于STM32和I~C／OS—II的圓捆纏膜一體機嵌入式控制器設計 [J]．廣東農(nóng)業(yè)科學，2013 運動分析與仿真技術 ，設計了一種新型智能舞臺設(12)：197—201． 備，可實現(xiàn)較高的空間利用率和平穩(wěn)的運動n。
通過[9] 王 碩，陶學恒，李玉光 ，等．一種 自動清洗玻璃窗的機器 SolidWorks的Motion分析仿真實驗表明，該機構(gòu)可實人[J]．組合機床與 自動化加工技術 ，2012(1)：103—106，112． 現(xiàn)靈活多變的平面運動 ，通過該仿真方法 ，可大大減[10]周衛(wèi)華 ，王 班，黃善均，等．單排連續(xù)切換全向輪移動機 少設計人員的物理推導和計算過程。器人的布局方式與運動的穩(wěn)定性分析 [J]．中國機械工該智能舞臺車還不是很成熟，目前開發(fā)的上位機程 ，2014，25(7)：888—894． 是基于STM32系列處理器的手柄按鍵式遙控器，需要[11]周京京，郭愛東．SolidWorks在麥克納姆輪課堂教學中的 進一步研發(fā)與嵌入式控制板下位機進行通信的上位應用 [J]．中國電力教育，2011(32)：121—122，124．[12]胡 峰，駱德淵，段棟棟，等．基于ProE／與Simulink的De1． 機軟件，在筆記本電腦和平板電腦等使用廣泛的終端ta并聯(lián)機器人運動仿真 [J]．機電工程 ，2012，29(8)：982— 實現(xiàn)對智能舞臺車的遠程控制，預置多個場次的表演984，992． 路徑，實現(xiàn)車臺運動路徑的規(guī)劃與監(jiān)視n引。
[13]呂永健，叢新勇，楊 銘．步進電動機驅(qū)動的Mecanum輪全向裝備運輸車的設計 [J]．微特電機，2013(12)：14—16， 參考文獻 (References)：3O． [1] 宋振瑞．智能舞臺控制系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) [D]．鎮(zhèn)江：江[14]郭 華．舞 臺機械設備控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件的實現(xiàn)蘇科技大學電子信息學院，2010．[J]．計算機 自動測量與控制，2001(4)：30—33． [2] 吳明亮，高文元，胡赤兵．舞臺機械車臺的微機控制[J]．[編輯：張 豪] 本文引用格式： 馬福東，駱德淵，梁浩峰，等．基于全向輪的移動式舞臺設備的設計研究[J]．機電工程，2014，31(12)：1596—1599． MAFu—dong，LUODe—yuan，LIANGHao—feng，eta1．Researchanddesignofmobilestageequipmentbasedonomni—directionalwheels[J]．Journal ofMechanical＆ElectricalEngineering，2014，31(12)：1596—1599．機《電工程》雜志 ：http：／w／ww．meem．eom．cn
