1 引言

随著(zhe)國(guó)内演出市場需求的變化，各種(zhǒng)流動演出和固定演出體量和規模逐漸增大，演出形式也日益豐富，因此，演出設備的種(zhǒng)類不斷變化，對(duì)演出設備的技術要求不斷提升。以流動演出爲例，之前幾乎都(dōu)是固定設備爲主，一般采用固定桁架搭台，演出方式主要靠燈光音響來配合，但最近幾年演出形式開(kāi)始多樣(yàng)化，湧現出了很多新穎的機械設備，如增加舞台動感效果的柔索并聯機器人、可編程矩陣球、機械臂、全向(xiàng)車台、拟态機器人、無人機等演出設備，極大地豐富了演出的形式和内容（見圖1）。

在演出中，加入矩陣球表演方式的舞台，通過(guò)數量龐大的矩陣球的造型、色彩的變化，增加演出效果，有些矩陣球還(hái)可與演員互動做出特殊造型；柔索并聯機器人，典型的爲二維、三維威亞，可將(jiāng)人、攝像機、道(dào)具等在空中進(jìn)行快速移動，配合表演定位；采用機械臂的方式可裝載演出用的大型顯示屏，也可將(jiāng)燈光進(jìn)行托舉，同時(shí)通過(guò)編程還(hái)能(néng)將(jiāng)人與機械臂進(jìn)行互動，使演出模式更靈活，燈光的角度更加多樣(yàng)；采用全向(xiàng)車台則可以將(jiāng)道(dào)具或演員方便地移動到舞台的任意位置，使布景活起(qǐ)來，與演員的表演融爲一體；拟态機器人則可通過(guò)單獨表演或與演員配合的方式，形成(chéng)單體或群體表演，豐富表演形式；無人機群則可以通過(guò)無人機構建大空間背景下的燈光造型展覽展示，使表演立體化，擴展舞台空間。

下面(miàn)針對(duì)上述幾種(zhǒng)用于舞台表演的機械設備的應用形态及實現功能(néng)展開(kāi)闡釋。

2 柔索并聯機器人

2.1應用形态

柔索并聯機器人是一類特殊的并聯機器人，其末端動平台通過(guò)柔索與固定平台連接，根據各支鏈協調變化索長(cháng)來實現其位置和姿态的改變。與傳統機器人相比，其具有慣性小、響應快、高速性能(néng)好(hǎo)、工作空間大等一系列優點。

在演藝領域使用的柔索并聯機器人主要爲各種(zhǒng)威亞，包括兩(liǎng)軸驅動的雙線飛行器，三軸四軸驅動的三維威亞，更多鋼絲繩牽引驅動的多姿态移動平台，如圖2所示。

舞台上常規出現的爲一維威亞，也叫(jiào)單點吊機，主要用于表演人員或者物體的上升下降，表演形式相對(duì)單一。

二維威亞則分爲多種(zhǒng)，有采用升降平移分離的軌道(dào)威亞、索道(dào)威亞，也有兩(liǎng)台單點吊機末端互聯形成(chéng)的雙線飛行器。雙線飛行器相比軌道(dào)、索道(dào)威亞，不占用空間，可任意拆卸和任意組合，可控制人或道(dào)具在一個平面(miàn)上進(jìn)行表演，不僅可以進(jìn)行上升下降的動作，還(hái)可以進(jìn)行左右移動的操作。

三維威亞通常采用四根繩索牽引，有X、Y、Z三個空間自由度，可以將(jiāng)演員或道(dào)具在三維空間中進(jìn)行任意位置的移動，實現舞台立體空間的效果（見圖3）。多姿态移動平台則通過(guò)6～8根鋼絲繩牽引，除了可控制人或道(dào)具在空中的移動，還(hái)可控制物體的姿态，比如傾斜等動作。

雙線飛行器相比軌道(dào)和索道(dào)威亞，組合靈活，方便拆卸，受現場空間環境影響較小，如目前在建的恒大海花島項目觀衆廳就(jiù)采用了十套雙線飛行器，演員可通過(guò)飛行器從觀衆席後(hòu)端飛向(xiàng)舞台。三維威亞目前應用場所較多，固定場所如銀川演藝中心、道(dào)真演藝中心、哈爾濱萬達、滿秀等，流動舞台則比較常見，如大型體育場館，各種(zhǒng)演唱會(huì)，綜藝節目都(dōu)有使用。多姿态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）上展出的八軸飛毯。

2.2技術要點

在演藝領域的應用中，柔索并聯機器人一般需滿足如下技術功能(néng)。

• 軌迹離線編程。編輯軌迹，設定需要經(jīng)過(guò)的軌迹點，并通過(guò)軌迹自動平滑等技術處理設定好(hǎo)的運行軌迹；同時(shí)，還(hái)可設定軌迹的運行時(shí)間等，以及軌迹運行其他參數的設定和自檢；支持軌迹離線仿真。

• 示教功能(néng)。能(néng)將(jiāng)手動運行的軌迹進(jìn)行記錄，并回放；可通過(guò)手柄先試運行軌迹，同時(shí)開(kāi)啓軌迹記錄功能(néng)，記錄完成(chéng)後(hòu)可將(jiāng)軌迹進(jìn)行完整的重現。

• 運行區域設定。可手動設置運行區域， 保證系統在運行過(guò)程中不會(huì)運行過(guò)界和碰撞。

爲了實現上述功能(néng)，系統一般需要采用多種(zhǒng)算法，如基于樣(yàng)條曲線的軌迹生成(chéng)算法，基于S曲線的加減速控制算法，基于軌迹球控制的三維視圖控制算法等。

3 全向(xiàng)車台

3.1應用形态

全向(xiàng)車台也稱萬向(xiàng)車台，通過(guò)規劃路徑，可完成(chéng)車台的全方向(xiàng)移動及中央轉台旋轉運動，用于實現切換布景和遷移演員。

在演出應用中，按照演藝節目編排要求編程控制車台的行走路徑，車台搭載演員或布景進(jìn)行上場或退場、在指定時(shí)間和位置表演旋轉等動作，極大地豐富了藝術表演的形式。另外，它的真實研究價值不僅僅體現在演藝場所的藝術表演上，其蘊含的全輪驅動結構、導航定位技術完全可以應用到車間、碼頭、船艦上的物流傳輸系統，在工業實際應用中有著(zhe)巨大的市場潛力。

需要說(shuō)明的是，在平昌冬奧會(huì)閉幕式上應用的全向(xiàng)車台（見圖4），被(bèi)很多人誤認爲是智能(néng)機器人。其實，全向(xiàng)車台與目前的智能(néng)機器人有所區别，全向(xiàng)車台更強調預編程行爲，嚴格按照編輯好(hǎo)的動作進(jìn)行表演，一般無法進(jìn)行自動軌迹規劃等行爲。

3.2技術要點

相比用于物流的全向(xiàng)移動平台，用于演出的全向(xiàng)車台主要有如下技術需要解決。

• 軌迹規劃不同。不同于工廠制造環境，演出機器人的最大難題，來自于運動姿态的多樣(yàng)性，以及需要保證與演員表演、演出音樂、地面(miàn)投影、場地燈光等的高度統一。傳統上工廠用的全向(xiàng)車台（移動機器人）側重于效率、精度和速度，這(zhè)也直接決定了機器人的運轉路徑多以直線、圓弧爲主，機器人的加減速度規劃曲線呈現一個規則的梯形。而用于演出領域的全向(xiàng)車台（表演機器人）爲了完成(chéng)完整的舞美創意，僅靠直線和圓弧轉彎的動作是遠遠不夠的，需要像芭蕾舞演員在旋轉的同時(shí)，還(hái)可畫出優美的弧形；同時(shí)，還(hái)需要多台表演機器人協調運轉。

• 适應環境複雜。由于演出過(guò)程中，有時(shí)候需要人員與車台進(jìn)行互動，一般對(duì)于采用激光導航的車台而言，遮擋比較嚴重，同時(shí)光幹擾也較大，需解決導航環境不理想情況下的定位，比如慣性導航等。

• 多車台拼接。演出過(guò)程中有時(shí)需要運送比較大的道(dào)具，需要車台對(duì)接并完全同步運行。

全向(xiàng)車台在演藝領域中的應用，一般需滿足如下技術功能(néng)。

• 軌迹離線編程。編輯軌迹，設定需要經(jīng)過(guò)的軌迹點，并通過(guò)軌迹自動平滑等技術處理設定好(hǎo)的運行軌迹；同時(shí)，還(hái)可設定軌迹的運行時(shí)間等，以及軌迹運行其他參數的設定和自檢；支持軌迹離線仿真。

• 避障功能(néng)。一般通過(guò)内置激光避障和紅外等傳感器，并結合算法實現避障功能(néng)。

• 運行區域設定。可手動設置運行區域， 保證系統在運行過(guò)程中不會(huì)運行過(guò)界和碰撞。

全向(xiàng)車台的上述技術特征均有别于傳統劇場設備，某些編程手段與柔索并聯機器人類似，也是機器人編程的一個分支，和物流機器人又有所不同，不需要自動規劃路徑，需要嚴格按照編好(hǎo)的路徑進(jìn)行移動。

4 矩陣球

4.1應用形态

矩陣球，也稱動态雕塑、懸浮球陣列，是由數百到數千個懸浮體組成(chéng)的陣列，每個懸浮體通過(guò)一根拉線受控，可做垂直運動，每個懸浮體的運動組成(chéng)一體化的動作。

動态雕塑在計算機的控制下，以立體方式展現圖案、文字、變換的曲線曲面(miàn)，伴随音樂舞動，亦或靈動，亦或柔美，帶給觀衆極強的視覺沖擊感，具有超乎想像的展示效果，在科技館、展廳、大型商場、舞台等演藝娛樂場合迅速地應用，圖5所示爲動态雕塑在舞台上的應用場景。

4.2技術要點

爲了實現系統的高動态特性和易操作特性，系統采用伺服+高速工業以太網的方案來實現，動态雕塑由一個個一體化懸浮體組成(chéng)，運用分布式實時(shí)控制、伺服控制等技術。每個懸浮體安裝簡單，通過(guò)标準化的緊固件固定在吊頂鋼架上；電氣部分隻需要多芯插座連接，一般的工人即可以完成(chéng)安裝；整體采用無機櫃無機房設計，簡化運維成(chéng)本，用戶通過(guò)計算機軟件可以靈活地控制懸浮陣列的場景變換。

目前動态雕塑的實現主要有兩(liǎng)種(zhǒng)技術方式。

• 一般應用于高速高精度場合，系統運行結構采用伺服電機，每個伺服電機間通過(guò)高速工業以太網來布置控制網絡，每個運動部件的速度可達到幾米每秒的運行速度。系統針對(duì)雕塑的編程采用專業的編程軟件來實現，編程方式相對(duì)靈活多樣(yàng)。

• 一般應用于要求相對(duì)較低的場合，方案采用DMX512信号來控制每個點，電機一般采用步進(jìn)電機，軟件編程通常采用現成(chéng)的燈光控制台進(jìn)行編程，運行速度較慢，編程較爲繁瑣。

軟件（見圖6）一般應具備如下的功能(néng)。

• 固定模型編輯：可編輯某個區域的動态雕塑按照設定好(hǎo)的數學(xué)函數進(jìn)行運行，如正弦餘弦、直線、斜面(miàn)等固定的模型。

• 字符編輯：可將(jiāng)動态雕塑用于顯示字符，如數字、漢字、英文字母等。

• 圖形編輯：可將(jiāng)動态雕塑顯示固定的畫面(miàn)。軟件可對(duì)圖形進(jìn)行預處理，包括調整灰度值等處理功能(néng)。

• 自定義函數編輯：可用于任意函數編輯，用于顯示用戶指定的特殊函數，如特定的曲面(miàn)曲線等信息。

5 機械臂

5.1應用形态

對(duì)于演藝行業來說(shuō)，機械臂誠然是玩轉舞台的點睛之筆。尤其是随著(zhe)技術的不斷更新，機械臂已然全面(miàn)進(jìn)入演藝領域，LED顯示屏可以在機械臂的掌控下随意飛行、拼接、拆分、旋轉，在舞台空間形成(chéng)各種(zhǒng)造型的LED背景顯示。機械臂也可與多媒體、燈光、音樂“共舞”。

與目前常規的舞台機械相比較，機械臂有體積大、自由度多、慣量大、速度快、精度高、安全性和可靠性要求高等特點。多數廠家采用購買現成(chéng)的工業機器人來完成(chéng)，比如“珠江紅船”上的演出采用的是傳統常規的機器人（見圖7），借此加入很多表演元素，采用人與機械臂互動的方式來增加表演效果。但也存在特殊情況，如傳統常規的機器人由于載荷、形狀等無法滿足演出要求，需特别定制開(kāi)發(fā)，如武漢“漢秀”采用的機器人（見圖8）。

5.2技術要點

由于工業機器人産業已經(jīng)發(fā)展多年，機械臂相對(duì)成(chéng)熟度較高，已經(jīng)應用于工業場合多年，有豐富的應用經(jīng)驗。基于機械臂的機器人多數采用現有的軟硬件來完成(chéng)，比如采用機器人的示教功能(néng)，將(jiāng)動作進(jìn)行示教規劃，使得機械臂能(néng)按導演要求進(jìn)行動作重現；也可通過(guò)機器人控制接口，發(fā)送目标點給機器人，通過(guò)額外的人機交互功能(néng)來完成(chéng)指令的下發(fā)和執行。目前，也有很成(chéng)熟的編程功能(néng)滿足使用需求，應用時(shí)一般需要了解機器人自帶的功能(néng)即可；也可使用第三方編程軟件，如RobotMaster，RobotArt，RobotWorks等軟件，按照演出需求進(jìn)行預編程，并可實現離線編程。

6 拟态機器人

6.1應用形态

目前，拟态機器人被(bèi)運用到舞台表演主要是作爲伴舞，表演的形式通常是幾十台機器人組成(chéng)方陣随著(zhe)背景音樂或歌手的演唱翩翩起(qǐ)舞，加之機器人身上LED燈的七彩變幻，達到一種(zhǒng)科技與律動結合的效果。拟态機器人本身的科技含量其實并不高，是通過(guò)所謂“舵機”（一種(zhǒng)廉價小型伺服電機）來控制各個關節，先根據舞美的要求預先設定好(hǎo)舞蹈程序，每個舵機按時(shí)間順序向(xiàng)不同的角度移動，從而有了跟著(zhe)音樂的舞步。

整個舞蹈程序以無線觸發(fā)方式啓動，這(zhè)樣(yàng)所有拟态機器人可以在同一時(shí)刻啓動整個舞蹈程序。雖然拟态機器人本身技術難度不大，但是要使數量如此之多的機器人同時(shí)按一個既定的程序動起(qǐ)來，并且運行穩定不出錯，也不是一件容易的事(shì)，這(zhè)裡(lǐ)面(miàn)需要花大量時(shí)間對(duì)機器人進(jìn)行調試。Alpha 1S在2016年央視春晚首次亮相便大獲成(chéng)功（見圖9），它擁有16個關節自由度，可模仿人的肢體動作，雙眼裝有藍光LED，按程序指令閃爍。2018年央視春晚主會(huì)場的大開(kāi)場節目中，拟态狗的特别版機器人“Jimu汪汪”驚豔亮相（見圖10），不僅與舞台上的演員精彩聯動，還(hái)被(bèi)分别擺放在台下的24個圓桌上與現場觀衆進(jìn)行互動，成(chéng)爲一大亮點。

6.2 技術要點

拟态機器人用于演藝領域中，往往是群體應用，在調試好(hǎo)每個單個拟态機器人的動作、姿态、位置後(hòu)，還(hái)要考慮群體的同步性和一緻性，這(zhè)對(duì)于信号的傳輸距離、抗幹擾能(néng)力及機器人接收信号的靈敏度都(dōu)會(huì)有一定的要求。

拟态機器人作爲新興的機器人分支，每個廠家都(dōu)有自己的編程軟件，有些機器人本身就(jiù)支持二次編程功能(néng)，用戶可以自行編輯程序，而無需具備系統專業的編程知識；也可通過(guò)第三方的軟件編出複雜的動作。從技術應用層面(miàn)而言難度相對(duì)較低。

7 無人機

7.1應用形态

對(duì)于大多數的中國(guó)觀衆來說(shuō)，在電視上看到無人機進(jìn)行藝術表演，應該是在2016年央視春節聯歡晚會(huì)。此後(hòu)的2017年央視春晚、2018年央視春晚，無人機表演成(chéng)了不可或缺的亮點。幾十架無人機就(jiù)像螢火蟲一般，雖然每一個無人機隻有點點微光，但是彙集在一起(qǐ)之後(hòu)，就(jiù)能(néng)組成(chéng)如夢境般的畫面(miàn)。又如2018年2月的平昌冬奧會(huì)，幾百架無人機在空中組成(chéng)了奧運五環，體現了新時(shí)代的新技術與奧林匹克這(zhè)一古老盛會(huì)的完美融合（見圖11）。

7.2技術要點

對(duì)于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，真正的技術難度說(shuō)到底還(hái)是移動機器人的問題，與全向(xiàng)車台面(miàn)對(duì)的難點類似。但是無人機更多的時(shí)候是在三維空間中的飛行造型，所以面(miàn)對(duì)的問題特别是定位更加複雜。概括起(qǐ)來，無人機編組控制有如下難點。

• 時(shí)鍾問題，是指如何爲多架無人機進(jìn)行時(shí)鍾同步或如何使多架無人機的系統時(shí)間一緻。這(zhè)個問題是演藝設備行業的一個普遍難題，當一個系統内設備數量多了之後(hòu)，如何保證每個系統或子系統内各個設備的時(shí)鍾一緻。不同的授時(shí)方案決定了不同的時(shí)間掃描周期，例如GPS可以小于1 ms，電波授時(shí)在1 ms左右，NTP網絡授時(shí)在50 ms左右。

• 定位問題，包括空間定位和定位精度，是指如何測量多架無人機的位置及獲取每架無人機位置的準确程度。常用的方案有光學(xué)動（亞毫米級精度）、光流定位（毫米級精度）、UWB定位（厘米級精度）、RTKGPS定位（分米級精度）、GPS定位（米級精度）等。

• 導航問題，是指導引和控制無人機按舞美要求飛行在預定軌道(dào)的技術和方法。制導過(guò)程中，導航系統要在系統時(shí)間周期内不斷掃描更新無人機與預定軌道(dào)的相對(duì)位置關系，發(fā)出導航信息給無人機控制系統，對(duì)飛行軌迹和每個無人機的姿态做閉環控制。

• 路徑規劃，是指按照舞美要求設置預定軌道(dào)的過(guò)程與方法，分爲人工規劃或自動規劃。一般不超過(guò)100架無人機的規模可以采用人工規劃，而當飛行器數量大于此值後(hòu)，自動規劃則成(chéng)爲超大規模編隊的必要核心技術，通常采用的方法有基于網格地圖的搜索算法、人工勢場法、或蟻群算法等特殊的路徑優化方法。

8 結語

目前，舞台演出形式越來越多樣(yàng)化，不斷地引入了其他行業的技術成(chéng)果，形成(chéng)舞台上融合演出模式，以滿足各種(zhǒng)創意需求，如迪斯尼寶藏灣就(jiù)將(jiāng)大型的風洞引入了表演中，配合演出達到懸空的效果；再如張藝謀2047中表演的雲紗秀，就(jiù)是將(jiāng)空氣動力學(xué)融入到舞台中進(jìn)行表演。典型演出設備與新技術手段的應用豐富了舞台表演形式，將(jiāng)帶給觀衆更多震撼的視聽感受。

選自《演藝科技》2018年第4期  侯鵬強《豐富舞台表演形式的典型設備與應用》，轉載請标注：演藝科技傳媒。更多詳細内容請參閱《演藝科技》。