刁 吧、珂 1二 划L 甩工 程Vo1．31No．122014年 12月Jom'nalofMechanical＆ ElectricalEngineeringDec．2014 DOI：10．3969j／．issn．1001—4551．2014．12．018基于全向轮的移动式舞台设备的设计研究马福东 ，骆德渊 ，梁浩峰 ，王志君 ，李润国(电子科技大学 机械电子_丁程学院，四川 成都 611731) 摘要：针对舞台上的演员、道具、布景的移动或变换问题 ，对同类产品的运动形式、全向轮底盘系统、转台支撑系统、车轮减震系统、 控制系统等方面进行了研究，对四轮式全向轮式驱动底盘的运动速度和轨迹进行了分析 ，提出了一种基于全向轮 、ARMCortex—M4 内核嵌入式处理芯片以及CAN总线的舞台平面智能移动设备 ，提出了推力轴承结合万向轮系的转台支撑结构以及线轨结合螺旋弹 簧的车轮减震结构，利用KeiluVision5作为开发环境编译程序控制驱动电机的转速，利用SolidWorks三维建模功能进行了外形设 计 ，利用SolidWorks的Motion分析功能先后对舞台设备在给定路径下的反向和正向运动进行了仿真分析。
研究结果表明，该舞台移 动设备能够灵活多变地实现任意给定的平面运动轨迹，并实现较高的空间利用率 ，运动平稳 、可靠性高。 关键词：舞台；全向轮；减震；SolidWorks；Motion分析 中图分类号：TH69；TH39 文献标志码：A文章编号：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下舞台设备主要包括升降舞台、平面移动车台和旋转 0 引 言舞台等…。
移动式舞台设备是指可在平面上作连续直线或舞台机械设备是剧院、电视台等表演场所的重要曲线运动的平面移动车台，当今的同类舞台机械产品 硬件平台，种类繁多，按照使用地点分类，可分为台上大多外形庞大，在舞台平面内作直线运动，运动形式 舞台机械和台下舞台机械两种。台上舞台机械主要单一。 包括 吊杆、吊机、隔音幕、幕机、防火幕和假台口等；台本研究提出移动式舞台设备结构紧凑，外形小、收稿 日期：2014—08—08作者简介：马福东 (1989一)，男，湖北黄石人，主要从事智能机电产品的研究与实现方面的研究．E—mail：mzx502@qq．com通信联系人：骆德渊，男，副教授 ，硕士生导师．E-mail：luodeyuan@163．corgi 第 12期马福东，等：基于全向轮的移动式舞台设备的设计研究·1597 · 底盘低 ，对演出效果影响较小 ，运动形式灵活多样 ，包轨的导轨与滑块配合 ，滑块 固定在安装架上 ，安装架 括平移、整体旋转、局部定轴转动等，可多台联合控制进与车体固定连接。不同于一般的悬挂轮式设计，驱动 行群组运动或拼接成一个大型舞台车，可拓展性强，并 轮的轮轴两端均通过滚动轴承与支架配合，避免轮轴 可以通过给定路径运动或远程人工操作，以承载演员进由于悬挂支撑而承受过大的弯矩。
当车体在凹凸不 行艺术表演，或对道具和布景进行变换和迁移 。平的地面上行进时，固定在导轨上的轮子和支架可l三l顺着滑块在弹簧1和弹簧2的支撑下上、下浮动。 1 总体要求3 中央转台的机械结构设计车台底盘与地面距离应低于60mm，车台台面外 形为矩形，边长在 1500mm～2000mm之间，车身重中央转台的驱动 由底盘下的直流伺服 电机、蜗轮 量以铝合金为主，以尽量减少负载。蜗杆减速器和传动轴等组成的传动机构实现。目前多机械设备运行、无冲击。整车可实现平面运动， 数舞台机械的旋转部分采用支撑轮系承载上方转台，轮子与转台为线接触，压强较大。考虑到运转过程的噪音 包括绕车台中心轴的定轴转动，中央圆台可单独实现问题，轮子一般采用塑料或橡胶等材料制品，由于转台 旋转运动。上方人为因素，表面的受力具有不确定性。长期下来，本研究把STM32作为嵌人式控制系统芯片，实现轮子会产生磨损和挤压变形 。故笔者采用以推力轴 了安全、准确地运动与定位，利用手柄遥控器或PC端承支撑为主，万向轮轮系支撑为辅的方案。该方案减轻 上位机实现了该移动车台的远程控制。对轮系的磨损，延长产品使用寿命，减小维修工作量。 2 驱动底盘 的机械结构设计为了减小下盘变形 ，保证转台的平稳旋转 ，设计中在转台下方的底盘安装 了4个万向轮，这4个万向驱动底盘采用四轮结构设计 ，轮子式样为全向轮与全向驱动轮系共同分担载荷。
考虑到舞台地面 轮。全向轮单个轮体由主动轮毂和绕轮毂圆周均匀存在凹凸不平的可能性，如果万向轮系与底盘之间为 排列的从动小轮组合 ，将两轮毂拼合 ，圆周的小从动刚性连接，那么当万向轮系处于较高的凸起地面时， 轮交错排列 。全向驱动轮系减震系统中的弹簧压力将减小，全向轮由于舞台场地可能存在凹凸不平的地方，为了防系与地面的贴合力将减小，可能造成舞台车的驱动力 止车轮打滑或空转，同时为了减缓车台运动过程中的不足。故本研究将万向轮系进行了减震设计，万向轮 冲击和保护演员的安全，本研究将各轮子安装在减震轮架与底盘安装面之间采用弹簧进行弹性连接，即相 机构中，保证车台在运行过程中轮子始终紧贴地面， 当于对驱动轮和底盘支撑轮均进行了减震设计。 为行进提供足够的驱动力 。减震机构的模型如图1 所示。4 舞 台设备的控制系统设计该舞台车的驱动机构使用了5台直流伺服电机，考虑到电机同步控制和外设接 口易扩展性，笔者决定采用基于ARMCodex—M4的32位处理芯片sTM32F407IGT6作为嵌入式控制芯片，以~C／OS一Ⅱ为实时操作系统，通过CAN总线实现直流伺服电机驱动器与嵌入式控制板的通信，通过CYWM6935无线数据收发模块实现与上位机的通信聃]。
本研究以KeiluVision5作为开发环境 ，用C语言编写程序 ，将编译好的HEX文件通过ST—LINK／V2烧人到单片机中 。该机构中使用了双编码器定位器，将分别安置了编码器的两个全向轮正交安装在一起，图1 驱动轮减震机构当车台运动时，相对处于正交位置的两个编码器可用由图1可见，减震机构为左右对称结构 (除电机于对车台在 和Y方向上的速度进行测量，在上位机 外)，全向轮通过轮轴安装在支架上 (支架2进行了透软件中合成车台的运动路径。 明处理)，支架两侧分别固定在两条线轨的导轨上，线移动舞台设备的控制系统结构图如图2所示。 · 1598 ·机 电 工 程第31卷车轮的半径。车台可当作刚体进行运动规律的研究。由瞬心法分析可得 ：当 =t，=0时，若 和 反向，则瞬心在两轮心所连的线段上，车台整体绕位于车轮内侧的瞬心旋转。当 和 ：同向且I，≠ ：时 ，车台整体绕位于上述线段延长线上的瞬心旋转。若 =一1,P：= ，车台将 以 =2vie的角速度绕车台中心旋转；若 =： = ， 车台将 以速度 作直线运动。当 = ， = ，时， = 十一It,'3， 是车台中心处的速度，通过对 与 大小的控制，可实现车台的全 向移动。
本研究根据不同的表演需要 ，规划相应的路径 ，以嵌入式控制板程序控制4-'"／全向轮的转速，可实现不同的运动形式。6 结 果图2 控制系统结构图通过三维CAD软件SolidWorks的Motion分析功 5 运动学分析能，可以很直观地对舞台车进行正向运动学或反向运动学的分析和仿真，设置三维模型的接触条件和零件材为了实现车台的全向驱动，另外由于车台上将承料、摩擦参数，施加重力影响。研究者可采用旋转马达、 载人或物，且驱动电机的安装空间有限，只依靠左、右线性马达、路径配合马达三种驱动马达，通过数据点、常 两轮上的直流伺服 电机进行驱动可能导致驱动力不数或表达式等方法设置马达的转速或线性速度 。 够，本研究在四轮上均安装了直流伺服电机。全向轮本研究给定舞台车的几何中心运动轨迹为椭圆 底盘通过4台直流伺服电机分别控制4个全向轮的转形路径 ，长轴a=5000mm，短轴b=4000mm。本研 速 ，可以实现绕车台中心的原地转动 ，以及无车体转究通过SolidWorks的Motion分析进行反向运动学求 动情况下任意方向的移动n。。。解，引人舞台车的简化模型 ，在装配体三维图模式下全向轮系坐标图如图3所示。
以轴线正交的上轮按要求参数绘制轨迹图，将舞台车的质心与轨迹图作 和右轮的轴线交点(同时也是车台的几何中心)为原路径配合。 点建立平面直角坐标系。笔者在Motion分析的路径配合马达模式下驱动舞台车几何中心依照轨迹按预定速度运动，可解算出图3坐标系中各个驱动轮轮心在 和y方向的线速度， 和y方向的线速度随时间的变化曲线如图4所示。轮心线速度如表1所示，亦即驱动轮轮缘相对舞台车的线速度，由该速度即可计算所需的驱动电机转速。本研究将如表 1所示的数据文件(篇幅所限只列出部分)在Motion分析直接输人到各驱动轮轮心处的驱动马达，即可进行正向运动学求解 ，最终得到了预图3 全 向轮系坐标 图先的椭圆形路径n。本研究先以车轮作为研究对象，取轮心作为基点如果需要其他的运动路径，只需通过方程驱动或 建立平面坐标系， 、l，、t，，和 分别为左右和上直接绘制的方式更换运动轨迹图即可，非常方便。 下轮轮缘相对轮心平移坐标系的速度。 。和 分别 为左右车轮的绕基点转动的角速度。由刚体的运动7 结束语 规律可知，车台左右两轮中心处相对地面的移动速度 分别等于 。和 l，：。其中：。=∞。R，l，2=∞：R‘，R一本研究运用刚体平面运动和点的合成运动规律 、 第12期马福东，等：基于全向轮的移动式舞台设备的设计研究O0o＼ 、、／ < 、． _l锻掣搽＼、 ．／ ／ If ＼＼0．i＼ 、I．／ ．i＼ ：I-s．日旦，6馘 蛳 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图4 轮心在 方向(细线)和y方向(粗线)的线速度曲线表1 轮心线速度机械工程师，1999(9)：46—47．[3]魏发孔，田海弘，王 栋，等．剧场舞台台面机械设备技术要点的探讨[J]．兰州理工大学学报，2004，30(2)：51—54．[4] 郭洪澈 ，曹 成．无尘车间自动装配机器人全向移动底盘设计 [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舞台设备模型，South Korea：ICRA舞台设备模型，2001：767-772．[6] 陈旭东，孔令成，刘尊朋 ，等．基于全向轮的机器人移动机构运动分析与控制设计 [J]．测控技术，2012，31(1)：48—51，56．[7] 邬国昌．旋转台回旋支撑与导向易损原因机理研究及优化[J]．甘肃科技，2011，27(4)：62—64．[8] 郑伟佳 ，马 赛 ，皮佑国．基于STM32和I~C／OS—II的圆捆缠膜一体机嵌入式控制器设计 [J]．广东农业科学，2013 运动分析与仿真技术 ，设计了一种新型智能舞台设(12)：197—201． 备，可实现较高的空间利用率和平稳的运动n。
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