结构及应用单轴柔索独立控制系统

相对于传统的舞台机械控制系统，舞台新型运动控制系统逐渐成为舞台科技发展的风向标。演员借助于新型舞台机械设备，可以完成更多前所未有的表演。例如将三维威亚引入舞台，可以让演员和舞台设备更加灵活地呈现在舞台所辐射的空间内；同原理的柔索牵引摄像则可以无死角地拍摄第一现场内容。同时，展示性机械表演的引入，也进一步提高了舞台效果的科技感和多元性，如动态雕塑表演就是其中之一。这些新产品可以应用于演播室、摄影棚、剧场、会展中心、体育馆、足球场、高速赛场等室内或户外场地，其核心技术便是柔索驱动系统的设计。

1 柔索驱动并联系统概述

绳牵引物体运动机构作为一种新型的运动机构，具有结构简单、惯性小、运动空间大和运动速度快[1]等优点，这种机构在未来的新型运动控制项目中有着广阔的前景。柔索驱动并联系统CDPS（Cable-driven ParallelSystem）是绳牵引运动机构的代表之一，而四索牵引并联机器人系统是柔索驱动并联系统的典型应用。该机械系统体积小，便于移动，可以方便地在大型场馆安装和拆卸。同时，执行器位于体育场的中间，安装有位置传感器，由4根柔索并联牵引，是整个系统的唯一功能部件。4根并联柔索分别独立，跨过定滑轮，与不同伺服电机相连，4台电机互不影响，独立工作。机器人系统控制中心通过有线或无线通讯操控4台电机的转动情况，实时采集执行器上传感器的位置信息，通过与规划位置校验，实现系统的闭环控制。

2 单轴柔索独立控制系统

2.1 单轴柔索独立控制系统结构

单轴独立控制系统结构如图1所示，示意框图如图2所示。单轴独立控制系统包含3个闭环控制系统，使得整个系统更加稳定地运行。其中，电机的电磁转矩变化反馈给电流，电流环为内环。而速度环作为外环由反馈的速度来调节电流大小。系统控制框图如图3所示。

图2 单轴独立控制系统示意框图

图3 系统控制框图

2.2 单轴柔索独立控制系统基本参数

单轴控制系统有4种基本类型的运动参数，分别是距离、速度、加速度和加加速度。在单轴牵引物体上下非匀速运动的过程中，为了让运动平滑流畅，进行多次模拟以后得出了以上4个参数的关系。从图4中的仿真结果可以看出，当加加速度被施加正弦斜坡量时，加速和减速是给定的正弦曲线。所以，速度也是正弦改变的曲线，看似是很顺利地从一个速度过渡到另一个速度的过程，这是理想的高精度伺服机构，需要电机的电流与加速度变化成正比。因此，速度越陡，驱动电机系统的电流就越大，这就需要一个强大的系统（这也与后面提到的四柔索控制系统速度规划有着紧密联系）。

图4 单轴控制系统仿真结果

2.3 单轴柔索独立控制系统的应用

单轴柔索独立控制系统是最基本的运动控制系统，笔者所在的公司不仅将其应用于传统舞台控制项目，还应用于动态雕塑等新型领域。实验室采用的是施耐德的PLC搭载25台伺服控制器驱动25台电机，每台电机负载着1个滑轮，滑轮缠绕着细绳末端进而悬挂玻璃水滴小球，如图5所示。

图5 单轴柔索控制系统实物图

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