CN207137379U - 八轴牵引三维多姿态飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及舞台机械领域，尤其涉及八轴牵引三维多姿态飞行器。所述框架整体结构为立体框架，立体框架的上方的四个角包含四个上摆动滑轮，框架中间包含一个悬空的飞毯板，飞毯板的四个角各自包含一个边侧三角结构，边侧三角结构上包含上锁扣和下锁扣，四个上锁扣和四个下锁扣各自连接一个钢丝绳，每根钢丝绳均来自一个驱动机且能够拉紧飞毯板，四个上摆动滑轮分别安装在滑轮安装架上，滑轮安装架一侧能够围绕转轴转动，转轴位于转轴固定架上，转轴竖直布置，滑轮安装架固定在框架上。本专利保留了原有系统的X、Y、Z方向的3d平移运动，增加了沿不同轴线的倾斜、偏转功能；随时保证系统的安全性、可靠性。

Description

八轴牵引三维多姿态飞行器

技术领域

本实用新型涉及舞台机械领域，尤其涉及八轴牵引三维多姿态飞行器。

背景技术

现代演出中为了增加艺术效果，提高演员进行艺术表演时的自由度，特别是为适应杂技、特技演出需要，实现舞台与观众的互动，通常会在舞台或观众厅上空配置三维飞人机构，该飞人机构采用柔索4点驱动方式，伺服调速，能够在舞台或观众厅上空一定区域范围内使吊点做三维运动。更能够作为杂技等特殊演出的活动载体、与相应的单点吊机配合演出，增加演出效果。

3d四轴飞人机构作为一种实现单吊点三维运动的舞台设备，是由四台单点吊机及相关出绳滑轮组成的，通过控制系统的有机协调完美的实现了三维运动。3d四轴钢丝绳飞人机构打破了已有设备（轨道式飞人机构）不能灵活适应演出要求的弊端，通过四点钢丝绳（柔索并联）的不同收、放绳速度实现吊点的三维运动。

80年代初期为解决吊车摆动的问题，美国国家标准与技术研究所（NIST）开始应用并联机构原理，研究了6根柔索悬挂的工作台作为新型吊车。并联柔索驱动是用柔性的钢丝绳代替刚性的连杆驱动元件，继承了并联结构的优点，更相对于刚性部件减轻了重量、降低了成本、增加了承载能力，大幅提升了工作空间的范围。近年来，柔索并联机器人应用逐渐增多，各行业技术研发人员纷纷开展本行业对这方面的研究工作，研制了用于起重、检测、加工、港口货物吊装、海底打捞、物流分拣、超大口径射电望远镜馈源运动等多种柔索并联机器人。

由于柔索只能施加单向的拉力，所以必须有冗余力才能实现悬吊点力的闭合，其力学模型与无摩擦点接触抓取的情况类似，为实现n个自由度的运动，必须有n+1根柔索作为驱动元件。

3d四轴飞人机构是舞台行业对该类设备的统称，实际上如前所述，该类产品在工业领域已经具有近四十的发展历史，该产品能够以充分借鉴工业领域的成功经验，考虑舞台机械行业的特殊服务对象，增加安全性、能够靠性，拓展出一个崭新的应用领域。

随着文化事业的蓬勃发展，国内外舞台机械不论从品种、性能上都得到了长足进展。舞台上3d四轴飞人机构近年来经常配置于大型、标准演艺场馆，以配合导演的艺术创造，达到变换莫测的视觉效果。

但是现有技术的结构，不能实现复杂位态的变化，灵活度有限，且无法实现自动控制和模拟实现。

实用新型内容

实用新型的目的：为了提供一种效果更好的八轴牵引三维多姿态飞行器以及控制方法，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。

为了达到如上目的，本实用新型采取如下技术方案：

方案一：

八轴牵引三维多姿态飞行器，其特征在于，包含框架，所述框架整体结构为立体框架，立体框架的上方的四个角包含四个上摆动滑轮，框架中间包含一个悬空的飞毯板，飞毯板的四个角各自包含一个边侧三角结构，边侧三角结构上包含上锁扣和下锁扣，四个上锁扣和四个下锁扣各自连接一个钢丝绳，每根钢丝绳均来自一个驱动机且能够拉紧飞毯板，四个上摆动滑轮分别安装在滑轮安装架上，滑轮安装架一侧能够围绕转轴转动，转轴位于转轴固定架上，转轴竖直布置，滑轮安装架固定在框架上。

本实用新型进一步技术方案在于，所述滑轮安装架上还包含导向轮，导向轮位于上摆动滑轮的边侧。

本实用新型进一步技术方案在于，所述飞毯板上摆放有飞毯。

方案二：

八轴牵引三维多姿态飞行器的控制方法，其特征在于，利用如上任意所述的八轴牵引三维多姿态飞行器，包含如下步骤，

设定飞毯板的运行路线和姿态，进行曲线编辑，采用基于三次样条曲线生成平滑处理曲线的算法进行曲线编辑；

对八个不同的电机施加命令，基于s曲线的加减速控制算法进行加减速控制；

通过驱动机对钢丝的收放，进行飞毯板的控制以及位置调整。

本实用新型进一步技术方案在于，还包含对飞毯状态进行即时识别的步骤，即采用基于轨迹球的三维视图控制算法进行三维视图描绘，同时采用摄像机进行位态情况表述，所述位态包含其倾斜程度，高低，水平位置。

本实用新型进一步技术方案在于，还包含轨迹记录的步骤，所述轨迹记录是指，在手动模式下，设备能够手动运行设备，并记录手动运行设备的曲线，完成设备的曲线记忆功能。

本实用新型进一步技术方案在于，还包含轨迹回放的步骤，所述轨迹回放是指用户能够选择记录的轨迹进行回放，实现曲线回放功能。

本实用新型进一步技术方案在于，编辑模式用于完成设备运行曲线的编程，能够任意定义曲线运行的轨迹以及每段曲线运行的时间，采用CAD的绘图方式，设置关键点后曲线会自动进行平滑处理，同时采用分段定义时间的方式，能够针对每小段曲线进行时间单独编程。

采用如上技术方案的本实用新型，相对于现有技术有如下有益效果：本专利在原有的四轴威亚飞行器的基础上拓展功能，实现了威亚中心点的自由状态到姿态能够控的跨越，保留了原有系统的X、Y、Z方向的3d平移运动，增加了沿不同轴线的倾斜、偏转功能；飞行器的驱动单元采用能快速响应的伺服电机系统，通过控制系统中上位工控机高效的算法计算出中心点实时要达到的位置、倾斜度所对应的绳索长度，实时控制八台电机的运行方向及转速，首先保证飞行机构中心点的安全边界，其次按照预设轨迹快速运行，达到运动控制的精准要求；同时通过钢丝绳张力测量（通过卷筒，减速器反馈至电机内部的扭矩传感器），随时保证系统的安全性、能够靠性。

附图说明

为了进一步说明本实用新型，下面结合附图进一步进行说明：

图1为实用新型侧面实现结构示意图；

图2为实用新型俯视结构示意图；

图3为飞毯板边侧固定结构示意图；

图4为上摆动滑轮安装结构图；

附图说明：1、驱动机；2、驱动机护罩；3、驱动机安装夹板；4、上摆动滑轮；51、钢丝绳一；52.钢丝绳二；53.钢丝绳三；54.钢丝绳四；55.钢丝绳五；56.钢丝绳六；57.钢丝绳七；58.钢丝绳八；6、飞毯板；7、拐角滑轮;8.转轴固定架；9.边侧三角结构；10.上锁扣；11.下锁扣；12.固定点；13.滑轮安装架；14.框架；15.固定结构；16.转轴；17.轴承；18.导向轮。

本附图为本装置主要部件组成的示意图，不代表本实用新型的外形尺寸、连接方式、装配形式、位置关系等，图示省略了部分部件等。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

方案一：

八轴牵引三维多姿态飞行器，其特征在于，包含框架14，所述框架14整体结构为立体框架，立体框架的上方的四个角包含四个上摆动滑轮4，框架中间包含一个悬空的飞毯板6，飞毯板6的四个角各自包含一个边侧三角结构9，边侧三角结构9上包含上锁扣10和下锁扣11，四个上锁扣和四个下锁扣各自连接一个钢丝绳，每根钢丝绳均来自一个驱动机1且能够拉紧飞毯板6，四个上摆动滑轮4分别安装在滑轮安装架13上，滑轮安装架13一侧能够围绕转轴转动，转轴16位于转轴固定架8上，转轴16竖直布置，滑轮安装架13固定在框架上。本处的技术方案所起到的实质的技术效果及其实现过程为如下：本专利开创性采用八根钢丝绳即所谓的八轴牵引进行控制，灵活度更强，工作的时候，伺服驱动电机包含八个，四个为上方的钢丝绳提供动力，四个为下方的钢丝绳提供动力，上方的钢丝绳穿过导向滑轮以及上摆动滑轮后连接上锁扣，下方的钢丝绳连接到下锁扣上，当然，作为优选，在框架的下方部位安装导向滑轮，下方的钢丝绳穿过下方部位安装的导向滑轮后再连接下锁扣是更优的实施方式；通过总共的八个伺服驱动电机进行调整，能实现更多的位态实现，灵活度更高。

所述滑轮安装架上还包含导向轮18，导向轮18位于上摆动滑轮4的边侧。

所述飞毯板上摆放有飞毯。

方案二：

八轴牵引三维多姿态飞行器的控制方法，其特征在于，利用如上任意所述的八轴牵引三维多姿态飞行器，包含如下步骤，

设定飞毯板的运行路线和姿态，进行曲线编辑，采用基于三次样条曲线生成平滑处理曲线的算法进行曲线编辑；

对八个不同的电机施加命令，基于s曲线的加减速控制算法进行加减速控制；

通过驱动机对钢丝的收放，进行飞毯板的控制以及位置调整。

本实用新型进一步技术方案在于，还包含对飞毯状态进行即时识别的步骤，即采用基于轨迹球的三维视图控制算法进行三维视图描绘，同时采用摄像机进行位态情况表述，所述位态包含其倾斜程度，高低，水平位置。

本实用新型进一步技术方案在于，还包含轨迹记录的步骤，所述轨迹记录是指，在手动模式下，设备能够手动运行设备，并记录手动运行设备的曲线，完成设备的曲线记忆功能。

本实用新型进一步技术方案在于，还包含轨迹回放的步骤，所述轨迹回放是指用户能够选择记录的轨迹进行回放，实现曲线回放功能。

本实用新型进一步技术方案在于，编辑模式用于完成设备运行曲线的编程，能够任意定义曲线运行的轨迹以及每段曲线运行的时间，采用CAD的绘图方式，设置关键点后曲线会自动进行平滑处理，同时采用分段定义时间的方式，能够针对每小段曲线进行时间单独编程。

和现有技术进行对比：本专利在原有的四轴威亚飞行器的基础上拓展功能，实现了威亚中心点的自由状态到姿态能够控的跨越，保留了原有系统的X、Y、Z方向的3d平移运动，增加了沿不同轴线的倾斜、偏转功能；通过同一侧四根钢丝绳的收放实现倾斜和偏转；飞行器的驱动单元采用能快速响应的伺服电机系统，通过控制系统中上位工控机高效的算法计算出中心点实时要达到的位置、倾斜度所对应的绳索长度，实时控制八台电机的运行方向及转速，首先保证飞行机构中心点的安全边界，其次按照预设轨迹快速运行，达到运动控制的精准要求；同时通过钢丝绳张力测量（通过卷筒，减速器反馈至电机内部的扭矩传感器），随时保证系统的安全性、能够靠性。

以上结构实现的技术效果实现清晰，如果不考虑附加的技术方案，本专利名称还可以是一种多维舞台结构。图中未示出部分细节。

需要说明的是，本专利提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不相互制约，但是其也能够以在不冲突的情况下相互组合，达到多个效果共同实现。

八轴牵引三维多姿态飞行器控制系统，由八个驱动机构和配套的控制系统组成。该系统通过各种大量算法来控制和协调八个驱动机的速度及转动位置，实现演员在舞台有效三维空间区域内按照导演演出效果要求的不同轨迹自由移动或倾斜运动，从而实现满意的演绎效果。

硬件配置

I、主控PLC：

系统采用德国倍福系列的PLC，稳定能够靠:

1、运行速度快，对于常规PLC，系统的扫描周期一般在5ms以上，而倍福的PLC运行速度能达到500us设置更短，方便进行飞行器轨迹运算，实时性高。

2、总线速度快，倍福PLC主要采用倍福Ethercat总线，总线速度扫描八个设备能控制在100us以内，对于底层驱动设备调节速度快，设备响应精度高。

3、应用范围广，倍福目前广泛应用于需要运动控制的行业，包括最新的迪斯尼等秀场全部采用其控制系统。

、伺服驱动及伺服电机

伺服驱动和伺服电机采用德国倍福产品，有如下特点：

1、单通道或双通道伺服驱动

2、高速EtherCAT通讯

3、各种额定电流类型，最大170A

4、电机类型选择灵活

5、优化用于多轴应用场合适用于对动态性和性能要求较高的定位任务

6、三相永磁无刷伺服电机

软件

先进的舞台控制软件，软件采用高级语言c#编写，界面动态响应速度快，响应速度远优于采用组态软件编写的控制程序。

软件的操作方式通过计算机选择，配合操作台上手柄进行控制，安全可靠。通过计算机软件的编程，能够轻松实现轨迹编程、记录、回放等功能。八组单点吊机能够组合使用构成八轴牵引三维多姿态飞行器，也能够拆开使用作为普通单点吊机。

1、操作方式：分编辑模式、手动模式、自动模式等，操作方式灵活。

2、通用曲线编辑：编辑模式主要用于完成设备运行曲线的编程，能够任意定义曲线运行的轨迹以及每段曲线运行的时间，采用类似CAD的绘图方式，设置关键点后曲线会自动进行平滑处理，同时采用分段定义时间的方式，能够针对每小段曲线进行时间单独编程。

3、特殊曲线编辑：在特殊曲线编辑模式下，系统提供了多种曲线进行快速编程，包括直线、正弦、余弦曲线、螺旋线等曲线进行选择，方便用户快速演示和实际使用。

4、轨迹记录：在手动模式下，设备能够手动运行设备，并记录手动运行设备的曲线，完成设备的曲线记忆功能。

5、轨迹回放：用户能够选择记录的轨迹进行回放，实现曲线回放功能。

6、设备管理：设备管理能够灵活的设置设备的软限位、清零位置、当前位置等设备参数。

7、系统状态、设备状态：能够查看系统状态和设备状态，包括设备每个开关的状态信息。

8、日志管理：能够查看系统的报警日志、操作记录等信息。

运动控制算法

算法设计：为了八轴牵引三维多姿态飞行器的控制精度、速度、安全等方面的要求，需要设计大量相应的控制算法，如故障预测及处置、软冗余设计、运动曲线设计以及控制器内部功能设计等。

1、曲线编辑，采用基于三次样条曲线生成平滑处理曲线的算法

2、加减速控制，基于s曲线的加减速控制算法

3、三维视图，基于轨迹球的三维视图控制算法

创新性、先进性

该系统采用三维视图进行设计，能够轻松实现三维仿真功能，不仅可实现同一侧四根钢丝绳的收放实现倾斜和偏转，而且通过计算机软件的编程，能够实现轨迹编程、记录、回放等功能。系统采用了多种算法，与基于样条曲线的轨迹生成算法，基于S曲线的加减速控制算法，基于轨迹球控制的三维视图控制算法等。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (3)

1.八轴牵引三维多姿态飞行器，其特征在于，框架（14）整体结构为立体框架，立体框架的上方的四个角包含四个上摆动滑轮（4），框架中间包含一个悬空的飞毯板（6），飞毯板（6）的四个角各自包含一个边侧三角结构（9），边侧三角结构（9）上包含上锁扣（10）和下锁扣（11），四个上锁扣和四个下锁扣各自连接一个钢丝绳，每根钢丝绳均来自一个驱动机（1）且能够拉紧飞毯板（6），四个上摆动滑轮（4）分别安装在滑轮安装架（13）上，滑轮安装架（13）一侧能够围绕转轴转动，转轴（16）位于转轴固定架（8）上，转轴（16）竖直布置，滑轮安装架（13）固定在框架上。

2.如权利要求1所述的八轴牵引三维多姿态飞行器，其特征在于，所述滑轮安装架上还包含导向轮（18），导向轮（18）位于上摆动滑轮（4）的边侧。

3.如权利要求1所述的八轴牵引三维多姿态飞行器，其特征在于，所述飞毯板（6）上摆放有飞毯。