機械臂、機器人、全向車台、無人機如何（hé）加入舞台表演

1 引言
隨著國內演出市場需求的變化（huà），各種流動演出和固定演（yǎn）出體量和規模（mó）逐漸增大，演出形式也日益豐富，因此，演出（chū）設備的種類不斷變化，對（duì）演（yǎn）出設備的技術要求不斷提升。以流動演出為例，之前幾乎都是固定（dìng）設備為主，一般采用固定桁架搭台，演出方式主要靠燈光音響（xiǎng）來配合，但最近幾年演（yǎn）出形式開始多（duō）樣化，湧現出了很多（duō）新穎的機械設備，如增加舞台動感效果（guǒ）的柔索並聯（lián）機器人、可編程（chéng）矩陣球、機（jī）械臂、全向車台、擬態機器人、無（wú）人機等演出（chū）設備，極大地（dì）豐富（fù）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台，通過數量龐大（dà）的（de）矩陣球的造型、色彩的變化，增加（jiā）演出效果，有些矩陣球還可與演員互動做出特殊造型；柔索並聯機器人，典型的（de）為二維、三維威亞，可將人、攝像機、道（dào）具等在（zài）空（kōng）中進行快速移動（dòng），配合表演定位；采用（yòng）機械臂的方式可（kě）裝（zhuāng）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械臂（bì）進行互動，使演出模式更靈活（huó），燈光的角度更加多樣；采用全向車台則可以將道具或演員方便地（dì）移動到舞台的任意位（wèi）置，使（shǐ）布景活起來，與演（yǎn）員的表演（yǎn）融為一體；擬態機器人則可（kě）通過單（dān）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；無人機群（qún）則（zé）可以通（tōng）過無人機（jī）構建大空間背景（jǐng）下的燈光造型展覽展示，使表演立體化，擴展（zhǎn）舞台空間。
下麵針對（duì）上述幾（jǐ）種用於舞台表演的機械設備的應用形態及實（shí）現功（gōng）能展開闡釋。
2 柔索並聯機器人
2.1應用形態
柔索並聯機器人是一類（lèi）特殊的並聯機器人，其（qí）末端（duān）動平台通過柔索與固定平台連接，根據各支鏈協（xié）調變化索長來實現（xiàn）其位置和姿態的改變。與傳統機器人相比，其具有慣性小、響應快、高速性能好（hǎo）、工作空間大等一係列優點。
在演藝領域使用的柔索並聯機器人主要為各種威亞，包括兩軸（zhóu）驅動的（de）雙線飛行器，三（sān）軸四軸驅動的三維威亞，更多鋼絲繩牽引驅動的多姿態移動平台，如圖2所示。
 
舞台（tái）上常規出現的為一維威亞，也叫單點吊機，主要用於表演人（rén）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（yòng）升降平移分離的軌（guǐ）道威亞、索道威亞，也有兩台單點吊機末端互聯形成的雙線飛（fēi）行器。雙線飛行器（qì）相比軌道、索（suǒ）道威亞，不（bú）占用空間，可任（rèn）意拆卸（xiè）和任意組合，可控製（zhì）人或道具在一個平麵上進行表演，不僅可以進行（háng）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（gēn）繩（shéng）索牽引，有X、Y、Z三個空（kōng）間自由度，可以將演員或道具在三維空間中進行任意位置的移動，實現舞（wǔ）台立體空間的效果（見圖3）。多姿（zī）態移動（dòng）平台則通過6～8根鋼絲繩牽引，除了可控製人或道具在空中的移動，還可控製物體的姿態，比如（rú）傾斜等動作。
 
雙線飛行（háng）器相（xiàng）比軌道和索道威亞，組合靈活，方便拆（chāi）卸，受現場（chǎng）空間環境影響較小，如目（mù）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（qì），演員可通過飛（fēi）行（háng）器從觀眾席後端飛向舞台。三維威亞目前應用場所較多，固（gù）定場所如銀川演藝中心、道真演（yǎn）藝中心、哈爾濱萬達、滿秀等（děng），流動舞台則（zé）比較常見（jiàn），如大型體育場館，各種演唱會，綜藝節（jiē）目都有使用。多姿態移動平台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（fēi）毯。
2.2技術要點
在演藝領域的應用中，柔索並聯機器人一般需滿足（zú）如下技術功能。
軌跡離線編程。編（biān）輯軌跡，設定需要經過的軌跡點，並通過軌跡自動平滑等（děng）技術處理設定（dìng）好的運行軌跡；同時，還可設定軌跡（jì）的運行時間等，以及軌跡運行（háng）其他參數的設定和自檢；支持軌跡離線仿真。
示教功（gōng）能。能將手（shǒu）動運行的軌跡進行（háng）記錄（lù），並回放；可通（tōng）過手柄先試運行軌（guǐ）跡，同時開啟軌跡記錄功能，記錄完成後可將軌跡進行完整的重現。
運行區域設定。可手動設置運行區域（yù）， 保證係統在運行過程中不會運行過界和碰撞。
為了實現上述功能，係統一般需（xū）要采用多種算法，如基於樣條曲線的軌跡生成算法，基於S曲線的加減速控製算法，基於軌跡球控製（zhì）的三維視圖控製算法等。
3 全向（xiàng）車台（tái）
3.1應用形態
全（quán）向車台也稱萬向車台，通過規（guī）劃（huá）路徑，可完成車台（tái）的全方向移（yí）動及中（zhōng）央轉台旋轉運動，用於實現切換（huàn）布景和遷移演員。
在演出應用中，按照演藝節目編排要求編程控製車台的行（háng）走路徑，車台搭載演（yǎn）員或布景進行上場或（huò）退場、在指定時（shí）間和位置表演旋轉等動作，極（jí）大地豐富了藝術表演的形式。另外，它的真實（shí）研（yán）究價值不僅僅體現在演藝場所的藝術表演上，其蘊含的全輪（lún）驅動（dòng）結構、導航定位（wèi）技術完全（quán）可以應用到車間、碼頭、船艦上的物流傳輸係統，在工業實際應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用（yòng）的全向車台（見（jiàn）圖4），被很多人（rén）誤認為是（shì）智能機器人。其實，全向車（chē）台與目前的智能機器人有所區別，全向車台更強調預編程（chéng）行為，嚴格按照編輯好的動作（zuò）進（jìn）行表演，一般無法進行自動軌跡規（guī）劃等行為（wéi）。
 
3.2技（jì）術要點
相（xiàng）比用於物流的全向移動平台，用於演出的全向車台主要有如下技術需要解決。
軌跡規劃不同。不同於工廠製造環境，演出（chū）機器人的最大難（nán）題，來自於運（yùn）動姿態的多樣性，以及需要保證與演員表演、演出音樂、地麵投影（yǐng）、場地燈光等的高度統一。傳統上（shàng）工廠用的全向（xiàng）車台（移動機（jī）器人）側重於效率、精度（dù）和速（sù）度，這（zhè）也（yě）直（zhí）接決定了機器人的運（yùn）轉路徑多以直（zhí）線、圓弧為主，機（jī）器人的加（jiā）減速度規劃曲線呈（chéng）現一個規則的梯形。而用於演出領（lǐng）域的全向車台（表演機器人）為了完成完（wán）整的舞美創意，僅靠（kào）直線（xiàn）和圓弧轉（zhuǎn）彎的動作是遠遠不（bú）夠的（de），需要像芭（bā）蕾舞演員在旋轉的同時，還可畫出優美的（de）弧形；同時，還需要多台表演機（jī）器人協調運轉。
適應環境複（fù）雜。由於演出過程（chéng）中，有時候需要人員與車台進行互動，一般對於采用激光導航的車台而言，遮擋比較嚴（yán）重，同時（shí）光幹擾也較大，需解決導航環（huán）境不理想情況下的（de）定位，比如慣性（xìng）導航等。
多車台（tái）拚接。演出過程中有時需要運送比較大的道（dào）具，需要車台對接並完全同步運行。
全向車台在（zài）演藝領域中的應用（yòng），一般需滿足如下技術功能。
軌跡離線編程。編（biān）輯軌跡，設定需要經過的軌跡點，並通過（guò）軌（guǐ）跡（jì）自動平滑等技（jì）術處（chù）理設定好的運行軌跡；同（tóng）時，還可設定軌跡的運行時間等，以及軌跡運行其他參數的設定和自檢；支持軌跡離線仿真。
避障功能。一般通過內置激光（guāng）避障和紅外等傳感器，並結合算法實現避障功能。
運行區域設定。可手動設置運行區域， 保證係統在運行過程中（zhōng）不會運行過界和（hé）碰撞。
全向車台的上述技術特征均有別於傳統劇場設備，某些編程手段與柔索並聯機器（qì）人類似，也是機器人編程的（de）一個（gè）分（fèn）支，和物流機器人又（yòu）有所不同，不（bú）需要自（zì）動規劃路徑，需要嚴（yán）格按照編好的路徑進行（háng）移動。
4 矩陣球
4.1應用形態
矩陣球，也稱動態雕塑、懸浮（fú）球陣（zhèn）列，是由（yóu）數（shù）百到數千個懸浮體（tǐ）組成（chéng）的陣列（liè），每個懸浮體通過一根拉線受（shòu）控，可做垂直運動，每個懸浮體的運動組成一體（tǐ）化的動（dòng）作。
動（dòng）態雕塑在（zài）計算機的控製下，以立體方式展現圖案、文字、變換的曲線曲麵（miàn），伴隨音樂（lè）舞動，亦（yì）或靈動，亦（yì）或柔美，帶給觀眾極強的視（shì）覺衝擊（jī）感，具（jù）有超乎想像（xiàng）的展示效果，在科技館（guǎn）、展廳、大型商場、舞台等演藝娛樂場合（hé）迅（xùn）速地應用，圖5所示為動態雕（diāo）塑（sù）在舞台上的應用場（chǎng）景。
 
4.2技術要點
為了實現係統的高（gāo）動態特性（xìng）和易操作特性，係統采用伺服+高速工業以太網的方案來實現，動態（tài）雕塑由一（yī）個個一體化懸浮體（tǐ）組成，運（yùn）用分布式實時控製、伺服控製等技術。每個懸浮體（tǐ）安裝簡單，通（tōng）過標準化的緊固件固定在吊（diào）頂鋼架上；電氣部分隻需要多（duō）芯插座連接，一般的工人即可以（yǐ）完成安裝；整體采用無機櫃無機（jī）房設（shè）計，簡化運維成本（běn），用（yòng）戶通過計算機（jī）軟件可以（yǐ）靈活地控製懸浮陣列（liè）的場景變（biàn）換。
目前動態（tài）雕塑的（de）實現主要有兩種（zhǒng）技術方式。
一般應用於（yú）高速高精度場合，係統運行結構采用伺服（fú）電機，每（měi）個伺服電機間通過高速（sù）工業以太網來布置控製網絡，每個運動部件的速度可達到幾米每秒的運行速度。係（xì）統針對雕塑的編程采用專業的（de）編程軟件來實現，編程方式相對（duì）靈活多樣。
一般應用於要求相對較低的場合，方案采用DMX512信號來控製每個點，電機一般采用步進電機，軟件編程通常采用現成的燈光控製台進行編程，運行速度較（jiào）慢（màn），編程較為（wéi）繁瑣。
軟件（見圖6）一般應具備如下的功能。
 
固定模型編輯：可（kě）編輯某（mǒu）個（gè）區（qū）域的動態雕（diāo）塑按（àn）照（zhào）設定好的數學函（hán）數進行運行，如正弦餘弦、直線、斜（xié）麵等固定的模型。
字符編輯：可將動態雕塑用於顯示字符，如數字、漢字、英文（wén）字母等。
圖形編輯（jí）：可將動態雕塑顯示固定的畫麵。軟件可對圖形進行預處理（lǐ），包（bāo）括（kuò）調整灰度值等（děng）處理功能。
自定義函數編輯：可用於任（rèn）意（yì）函數編輯（jí），用於顯示用（yòng）戶指定（dìng）的特（tè）殊函數，如特定的曲麵曲線等信息。
5 機械臂
5.1應用形態
對於演（yǎn）藝行業來說，機械臂誠然是玩轉舞台的（de）點睛之（zhī）筆（bǐ）。尤其是隨著技術的不斷（duàn）更新，機械臂已然全麵進入（rù）演藝領域，LED顯示屏可以在機械臂的掌控（kòng）下隨意飛（fēi）行、拚（pīn）接、拆分、旋轉，在舞台空間形成（chéng）各種造型的LED背景（jǐng）顯示。機械（xiè）臂也（yě）可與多媒體（tǐ）、燈光（guāng）、音樂“共舞（wǔ）”。
與目前常規的舞台機械相（xiàng）比較，機械臂有體積大、自由度多、慣量大、速度快、精度高、安全性和（hé）可靠性要求高等（děng）特點。多數廠家采用購買現成的工業機器人來完成，比（bǐ）如“珠江紅船”上的演出采用的是傳（chuán）統（tǒng）常（cháng）規的機器人（見圖7），借此（cǐ）加入很（hěn）多表演元素，采用（yòng）人與機械臂互動的方式來增加表演效（xiào）果。但（dàn）也存在特殊情況，如傳統常規（guī）的機器人由於載荷、形狀等無法滿足演出要求，需特別定製開發，如武（wǔ）漢“漢秀”采用（yòng）的機器人（見圖（tú）8）。
 
5.2技（jì）術要點
由於工業機器人產業已（yǐ）經發展多年，機械臂相對成熟度較高，已經應用於工業場合（hé）多年，有豐富（fù）的應用經驗。基於機械臂的機器人（rén）多數采用現有（yǒu）的軟硬件來（lái）完成，比如采用機器（qì）人的示教功能，將動作進行（háng）示教規劃，使得機械臂能按導演要求進行動作重現；也可通過機（jī）器人控製接口，發送目標點給機器人，通（tōng）過額外的人機交互功能來完成指令的下發和（hé）執行。目（mù）前，也有（yǒu）很成熟（shú）的編程功能滿足使用需求，應用時一般需（xū）要了解機（jī）器人自帶的（de）功能即可；也可使用第三方編程軟件，如RobotMaster，RobotArt，RobotWorks等軟件（jiàn），按照演出需求進（jìn）行預編程，並可實現離線編程。
6 擬態機器人
6.1應用形態
目前，擬態機器人被運用到舞台表演主要是（shì）作（zuò）為伴舞，表演的形式通常是幾十台機器人組成方陣隨著背景音樂或（huò）歌手的演唱翩翩起舞，加之機器人身上LED燈的七彩（cǎi）變（biàn）幻，達到一種科技與律動結合的效果。擬態機器人本身的科技含量其實並不高（gāo），是通過所（suǒ）謂“舵機”（一種廉價小型伺服電機）來控（kòng）製各個關節，先（xiān）根據舞美的要（yào）求預先設定好舞蹈程序，每個舵機按時間順序向不同的角度（dù）移動，從而有了跟著（zhe）音樂的（de）舞步。
整個舞蹈程序以無線觸發方式啟動，這樣所（suǒ）有擬態機器人可以在（zài）同一時（shí）刻啟動（dòng）整個舞蹈程序。雖然（rán）擬態（tài）機器人本身技術難度不大（dà），但是要使（shǐ）數量如此（cǐ）之多（duō）的機器人同時按一個既定的程序動起來，並且運行穩定不出錯，也不是一件容易（yì）的事，這裏麵（miàn）需要花大量時間對機器人進行調試（shì）。Alpha 1S在2016年（nián）央視春晚首次亮相便大獲成功（見（jiàn）圖9），它擁有16個（gè）關節自由度，可模仿人的肢體（tǐ）動作，雙眼裝有藍光LED，按程（chéng）序指令閃爍。2018年央視春晚（wǎn）主會場的大開場節目中，擬態（tài）狗的特別版機器人“Jimu汪汪”驚豔亮（liàng）相（見圖10），不（bú）僅與舞台上的（de）演員精彩聯動，還被分別擺放在台下的24個圓桌上與現場觀眾進行互動，成為一大亮點。
 
6.2 技術要點
擬態機器人用（yòng）於演藝領域中，往往是群體應用，在調（diào）試好每個單（dān）個擬態機器人的動（dòng）作、姿態、位置後，還要考慮群體的同步性和（hé）一致性，這對於信（xìn）號（hào）的傳輸距離、抗幹擾能（néng）力及機器人接收（shōu）信號的靈敏度都會有一（yī）定的要求。
擬態機器人作為新興的機器人分支，每個廠家都有自己的編程軟（ruǎn）件，有些機器人（rén）本身（shēn）就支持二次編程功能，用戶可以自行編輯程（chéng）序，而無需具備係統專業的（de）編程（chéng）知識；也可通過第三方的軟件（jiàn）編出複雜的動作。從技術應用層麵而言難度相對較低。
7 無人（rén）機（jī）
7.1應（yīng）用形態
對於大多數（shù）的中國觀眾來說，在電視上看到無人機進行藝術表演，應該（gāi）是在2016年央視春節聯歡（huān）晚會。此後（hòu）的2017年央視春晚、2018年央視春晚，無人機表演成了不可或缺的亮點。幾十架無人機就像螢火蟲一般，雖然每一個無人機隻有點點微光，但是匯集在一起之後（hòu），就能組成如夢境般的畫麵。又如2018年2月的平昌冬奧（ào）會，幾百架（jià）無人機在空中組成了奧運五環，體現了（le）新時代的新技術與奧林匹克這（zhè）一古老盛會（huì）的完美（měi）融合（見圖11）。
 
7.2技術要點
對於無人機本身的技術分析，不是本文的描述重點。把無人機運用到演藝創作中，真正的（de）技術（shù）難度說（shuō）到底還是移動（dòng）機（jī）器人（rén）的問（wèn）題，與全向車台麵對（duì）的難（nán）點類似。但是（shì）無人（rén）機更多的時候是在三維空間中的飛行造型，所以麵對（duì）的問題特別是定位更加複雜。概括起來，無人機編組控製有如下難點。
時鍾問題（tí），是指如何為多架（jià）無（wú）人（rén）機（jī）進行時鍾同步或如何使多架無人機的係統時間一致。這個問題是演藝設備行業的（de）一個普遍難題，當一個係統內設備數量（liàng）多了之後，如何保證每個係統或子係統內各個設（shè）備的（de）時鍾一致。不同的授（shòu）時方案決定了不同的時間掃描周期，例如GPS可以小於1 ms，電波授時在1 ms左右，NTP網絡授時在50 ms左右。
定位問題，包括空間定位（wèi）和定位精度，是指如何（hé）測量多架無人機的位置（zhì）及獲取每架無人機位置的準確程度。常用的方案有光學動（亞毫米級精度）、光流定位（毫米級精度）、UWB定位（厘米（mǐ）級精度（dù））、RTKGPS定位（分（fèn）米級（jí）精度）、GPS定位（wèi）（米級精度）等。
導航問題，是指導引和控製無人機按舞美要求飛（fēi）行在（zài）預定軌道的技術和（hé）方法。製導過程中，導航係統要在係（xì）統時間周期內不斷掃描更新無人機與預定軌道的相對位置關係，發出導航信息給（gěi）無人機控製係統，對飛行軌跡（jì）和每個無人機的姿態做閉環控製。
路（lù）徑規劃，是指按照舞美要求設置預定軌道的過程（chéng）與方法，分為人工規劃或自動規劃（huá）。一（yī）般不超過100架無人機的規模可以采（cǎi）用人工規劃，而（ér）當飛行器數量大於此（cǐ）值後，自動規劃則成為超大規（guī）模編隊的必要（yào）核心技（jì）術，通常采用的方法有基於網（wǎng）格地圖的搜索算（suàn）法、人工勢場法、或蟻群算法等特（tè）殊的路徑優化方法。
8 結語（yǔ）
目前，舞台演出形式越來越（yuè）多樣化，不斷地引（yǐn）入了其他行業的技術成果，形成舞台上融合演出模式，以滿足各種創意需求（qiú），如迪（dí）斯尼寶藏灣就將大型的風洞引入（rù）了表演中，配（pèi）合演出達到懸空的效果；再如張藝謀（móu）2047中表演的雲紗秀，就是將空氣動力學融入到舞台中進行表演。典型演出設備與新技術手段的應用豐富了舞台（tái）表演形式，將帶給（gěi）觀眾更多震撼的視聽感（gǎn）受。