1 引言
隨著國內(nèi)演出市場需求的變化,各種流動演出和固定演出體量和規(guī)模逐漸增大,演出形式也日益豐富,因此,演出設(shè)備的種類不斷變化,對演出設(shè)備的技術(shù)要求不斷提升。以流動演出為例,之前幾乎都是固定設(shè)備為主,一般采用固定桁架搭臺,演出方式主要靠燈光音響來配合,但最近幾年演出形式開始多樣化,涌現(xiàn)出了很多新穎的機(jī)械設(shè)備,如增加舞臺動感效果的柔索并聯(lián)機(jī)器人、可編程矩陣球、機(jī)械臂、全向車臺、擬態(tài)機(jī)器人、無人機(jī)等演出設(shè)備,極大地豐富了演出的形式和內(nèi)容(見圖1)。
在演出中,加入矩陣球表演方式的舞臺,通過數(shù)量龐大的矩陣球的造型、色彩的變化,增加演出效果,有些矩陣球還可與演員互動做出特殊造型;柔索并聯(lián)機(jī)器人,典型的為二維、三維威亞,可將人、攝像機(jī)、道具等在空中進(jìn)行快速移動,配合表演定位;采用機(jī)械臂的方式可裝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(jī)械臂進(jìn)行互動,使演出模式更靈活,燈光的角度更加多樣;采用全向車臺則可以將道具或演員方便地移動到舞臺的任意位置,使布景活起來,與演員的表演融為一體;擬態(tài)機(jī)器人則可通過單獨(dú)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(jī)群則可以通過無人機(jī)構(gòu)建大空間背景下的燈光造型展覽展示,使表演立體化,擴(kuò)展舞臺空間。
下面針對上述幾種用于舞臺表演的機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用形態(tài)及實(shí)現(xiàn)功能展開闡釋。
2 柔索并聯(lián)機(jī)器人
2.1應(yīng)用形態(tài)
柔索并聯(lián)機(jī)器人是一類特殊的并聯(lián)機(jī)器人,其末端動平臺通過柔索與固定平臺連接,根據(jù)各支鏈協(xié)調(diào)變化索長來實(shí)現(xiàn)其位置和姿態(tài)的改變。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比,其具有慣性小、響應(yīng)快、高速性能好、工作空間大等一系列優(yōu)點(diǎn)。
在演藝領(lǐng)域使用的柔索并聯(lián)機(jī)器人主要為各種威亞,包括兩軸驅(qū)動的雙線飛行器,三軸四軸驅(qū)動的三維威亞,更多鋼絲繩牽引驅(qū)動的多姿態(tài)移動平臺,如圖2所示。
舞臺上常規(guī)出現(xiàn)的為一維威亞,也叫單點(diǎn)吊機(jī),主要用于表演人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,有采用升降平移分離的軌道威亞、索道威亞,也有兩臺單點(diǎn)吊機(jī)末端互聯(lián)形成的雙線飛行器。雙線飛行器相比軌道、索道威亞,不占用空間,可任意拆卸和任意組合,可控制人或道具在一個平面上進(jìn)行表演,不僅可以進(jìn)行上升下降的動作,還可以進(jìn)行左右移動的操作。
三維威亞通常采用四根繩索牽引,有X、Y、Z三個空間自由度,可以將演員或道具在三維空間中進(jìn)行任意位置的移動,實(shí)現(xiàn)舞臺立體空間的效果(見圖3)。多姿態(tài)移動平臺則通過6~8根鋼絲繩牽引,除了可控制人或道具在空中的移動,還可控制物體的姿態(tài),比如傾斜等動作。
雙線飛行器相比軌道和索道威亞,組合靈活,方便拆卸,受現(xiàn)場空間環(huán)境影響較小,如目前在建的恒大?;◢u項(xiàng)目觀眾廳就采用了十套雙線飛行器,演員可通過飛行器從觀眾席后端飛向舞臺。三維威亞目前應(yīng)用場所較多,固定場所如銀川演藝中心、道真演藝中心、哈爾濱萬達(dá)、滿秀等,流動舞臺則比較常見,如大型體育場館,各種演唱會,綜藝節(jié)目都有使用。多姿態(tài)移動平臺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(shù)要點(diǎn)
在演藝領(lǐng)域的應(yīng)用中,柔索并聯(lián)機(jī)器人一般需滿足如下技術(shù)功能。
軌跡離線編程。編輯軌跡,設(shè)定需要經(jīng)過的軌跡點(diǎn),并通過軌跡自動平滑等技術(shù)處理設(shè)定好的運(yùn)行軌跡;同時,還可設(shè)定軌跡的運(yùn)行時間等,以及軌跡運(yùn)行其他參數(shù)的設(shè)定和自檢;支持軌跡離線仿真。
示教功能。能將手動運(yùn)行的軌跡進(jìn)行記錄,并回放;可通過手柄先試運(yùn)行軌跡,同時開啟軌跡記錄功能,記錄完成后可將軌跡進(jìn)行完整的重現(xiàn)。
運(yùn)行區(qū)域設(shè)定。可手動設(shè)置運(yùn)行區(qū)域, 保證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會運(yùn)行過界和碰撞。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能,系統(tǒng)一般需要采用多種算法,如基于樣條曲線的軌跡生成算法,基于S曲線的加減速控制算法,基于軌跡球控制的三維視圖控制算法等。
3 全向車臺
3.1應(yīng)用形態(tài)
全向車臺也稱萬向車臺,通過規(guī)劃路徑,可完成車臺的全方向移動及中央轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,用于實(shí)現(xiàn)切換布景和遷移演員。
在演出應(yīng)用中,按照演藝節(jié)目編排要求編程控制車臺的行走路徑,車臺搭載演員或布景進(jìn)行上場或退場、在指定時間和位置表演旋轉(zhuǎn)等動作,極大地豐富了藝術(shù)表演的形式。另外,它的真實(shí)研究價值不僅僅體現(xiàn)在演藝場所的藝術(shù)表演上,其蘊(yùn)含的全輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航定位技術(shù)完全可以應(yīng)用到車間、碼頭、船艦上的物流傳輸系統(tǒng),在工業(yè)實(shí)際應(yīng)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(yīng)用的全向車臺(見圖4),被很多人誤認(rèn)為是智能機(jī)器人。其實(shí),全向車臺與目前的智能機(jī)器人有所區(qū)別,全向車臺更強(qiáng)調(diào)預(yù)編程行為,嚴(yán)格按照編輯好的動作進(jìn)行表演,一般無法進(jìn)行自動軌跡規(guī)劃等行為。
3.2技術(shù)要點(diǎn)
相比用于物流的全向移動平臺,用于演出的全向車臺主要有如下技術(shù)需要解決。
軌跡規(guī)劃不同。不同于工廠制造環(huán)境,演出機(jī)器人的最大難題,來自于運(yùn)動姿態(tài)的多樣性,以及需要保證與演員表演、演出音樂、地面投影、場地?zé)艄獾鹊母叨冉y(tǒng)一。傳統(tǒng)上工廠用的全向車臺(移動機(jī)器人)側(cè)重于效率、精度和速度,這也直接決定了機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)路徑多以直線、圓弧為主,機(jī)器人的加減速度規(guī)劃曲線呈現(xiàn)一個規(guī)則的梯形。而用于演出領(lǐng)域的全向車臺(表演機(jī)器人)為了完成完整的舞美創(chuàng)意,僅靠直線和圓弧轉(zhuǎn)彎的動作是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,需要像芭蕾舞演員在旋轉(zhuǎn)的同時,還可畫出優(yōu)美的弧形;同時,還需要多臺表演機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。
適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜。由于演出過程中,有時候需要人員與車臺進(jìn)行互動,一般對于采用激光導(dǎo)航的車臺而言,遮擋比較嚴(yán)重,同時光干擾也較大,需解決導(dǎo)航環(huán)境不理想情況下的定位,比如慣性導(dǎo)航等。
多車臺拼接。演出過程中有時需要運(yùn)送比較大的道具,需要車臺對接并完全同步運(yùn)行。
全向車臺在演藝領(lǐng)域中的應(yīng)用,一般需滿足如下技術(shù)功能。
軌跡離線編程。編輯軌跡,設(shè)定需要經(jīng)過的軌跡點(diǎn),并通過軌跡自動平滑等技術(shù)處理設(shè)定好的運(yùn)行軌跡;同時,還可設(shè)定軌跡的運(yùn)行時間等,以及軌跡運(yùn)行其他參數(shù)的設(shè)定和自檢;支持軌跡離線仿真。
避障功能。一般通過內(nèi)置激光避障和紅外等傳感器,并結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)避障功能。
運(yùn)行區(qū)域設(shè)定。可手動設(shè)置運(yùn)行區(qū)域, 保證系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會運(yùn)行過界和碰撞。
全向車臺的上述技術(shù)特征均有別于傳統(tǒng)劇場設(shè)備,某些編程手段與柔索并聯(lián)機(jī)器人類似,也是機(jī)器人編程的一個分支,和物流機(jī)器人又有所不同,不需要自動規(guī)劃路徑,需要嚴(yán)格按照編好的路徑進(jìn)行移動。
4 矩陣球
4.1應(yīng)用形態(tài)
矩陣球,也稱動態(tài)雕塑、懸浮球陣列,是由數(shù)百到數(shù)千個懸浮體組成的陣列,每個懸浮體通過一根拉線受控,可做垂直運(yùn)動,每個懸浮體的運(yùn)動組成一體化的動作。
動態(tài)雕塑在計(jì)算機(jī)的控制下,以立體方式展現(xiàn)圖案、文字、變換的曲線曲面,伴隨音樂舞動,亦或靈動,亦或柔美,帶給觀眾極強(qiáng)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、舞臺等演藝娛樂場合迅速地應(yīng)用,圖5所示為動態(tài)雕塑在舞臺上的應(yīng)用場景。
4.2技術(shù)要點(diǎn)
為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高動態(tài)特性和易操作特性,系統(tǒng)采用伺服+高速工業(yè)以太網(wǎng)的方案來實(shí)現(xiàn),動態(tài)雕塑由一個個一體化懸浮體組成,運(yùn)用分布式實(shí)時控制、伺服控制等技術(shù)。每個懸浮體安裝簡單,通過標(biāo)準(zhǔn)化的緊固件固定在吊頂鋼架上;電氣部分只需要多芯插座連接,一般的工人即可以完成安裝;整體采用無機(jī)柜無機(jī)房設(shè)計(jì),簡化運(yùn)維成本,用戶通過計(jì)算機(jī)軟件可以靈活地控制懸浮陣列的場景變換。
目前動態(tài)雕塑的實(shí)現(xiàn)主要有兩種技術(shù)方式。
一般應(yīng)用于高速高精度場合,系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)采用伺服電機(jī),每個伺服電機(jī)間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)來布置控制網(wǎng)絡(luò),每個運(yùn)動部件的速度可達(dá)到幾米每秒的運(yùn)行速度。系統(tǒng)針對雕塑的編程采用專業(yè)的編程軟件來實(shí)現(xiàn),編程方式相對靈活多樣。
一般應(yīng)用于要求相對較低的場合,方案采用DMX512信號來控制每個點(diǎn),電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī),軟件編程通常采用現(xiàn)成的燈光控制臺進(jìn)行編程,運(yùn)行速度較慢,編程較為繁瑣。
軟件(見圖6)一般應(yīng)具備如下的功能。
固定模型編輯:可編輯某個區(qū)域的動態(tài)雕塑按照設(shè)定好的數(shù)學(xué)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)行,如正弦余弦、直線、斜面等固定的模型。
字符編輯:可將動態(tài)雕塑用于顯示字符,如數(shù)字、漢字、英文字母等。
圖形編輯:可將動態(tài)雕塑顯示固定的畫面。軟件可對圖形進(jìn)行預(yù)處理,包括調(diào)整灰度值等處理功能。
自定義函數(shù)編輯:可用于任意函數(shù)編輯,用于顯示用戶指定的特殊函數(shù),如特定的曲面曲線等信息。
5 機(jī)械臂
5.1應(yīng)用形態(tài)
對于演藝行業(yè)來說,機(jī)械臂誠然是玩轉(zhuǎn)舞臺的點(diǎn)睛之筆。尤其是隨著技術(shù)的不斷更新,機(jī)械臂已然全面進(jìn)入演藝領(lǐng)域,LED顯示屏可以在機(jī)械臂的掌控下隨意飛行、拼接、拆分、旋轉(zhuǎn),在舞臺空間形成各種造型的LED背景顯示。機(jī)械臂也可與多媒體、燈光、音樂“共舞”。
與目前常規(guī)的舞臺機(jī)械相比較,機(jī)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(diǎn)。多數(shù)廠家采用購買現(xiàn)成的工業(yè)機(jī)器人來完成,比如“珠江紅船”上的演出采用的是傳統(tǒng)常規(guī)的機(jī)器人(見圖7),借此加入很多表演元素,采用人與機(jī)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(tǒng)常規(guī)的機(jī)器人由于載荷、形狀等無法滿足演出要求,需特別定制開發(fā),如武漢“漢秀”采用的機(jī)器人(見圖8)。
5.2技術(shù)要點(diǎn)
由于工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展多年,機(jī)械臂相對成熟度較高,已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)場合多年,有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?;跈C(jī)械臂的機(jī)器人多數(shù)采用現(xiàn)有的軟硬件來完成,比如采用機(jī)器人的示教功能,將動作進(jìn)行示教規(guī)劃,使得機(jī)械臂能按導(dǎo)演要求進(jìn)行動作重現(xiàn);也可通過機(jī)器人控制接口,發(fā)送目標(biāo)點(diǎn)給機(jī)器人,通過額外的人機(jī)交互功能來完成指令的下發(fā)和執(zhí)行。目前,也有很成熟的編程功能滿足使用需求,應(yīng)用時一般需要了解機(jī)器人自帶的功能即可;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(yù)編程,并可實(shí)現(xiàn)離線編程。
6 擬態(tài)機(jī)器人
6.1應(yīng)用形態(tài)
目前,擬態(tài)機(jī)器人被運(yùn)用到舞臺表演主要是作為伴舞,表演的形式通常是幾十臺機(jī)器人組成方陣隨著背景音樂或歌手的演唱翩翩起舞,加之機(jī)器人身上LED燈的七彩變幻,達(dá)到一種科技與律動結(jié)合的效果。擬態(tài)機(jī)器人本身的科技含量其實(shí)并不高,是通過所謂“舵機(jī)”(一種廉價小型伺服電機(jī))來控制各個關(guān)節(jié),先根據(jù)舞美的要求預(yù)先設(shè)定好舞蹈程序,每個舵機(jī)按時間順序向不同的角度移動,從而有了跟著音樂的舞步。
整個舞蹈程序以無線觸發(fā)方式啟動,這樣所有擬態(tài)機(jī)器人可以在同一時刻啟動整個舞蹈程序。雖然擬態(tài)機(jī)器人本身技術(shù)難度不大,但是要使數(shù)量如此之多的機(jī)器人同時按一個既定的程序動起來,并且運(yùn)行穩(wěn)定不出錯,也不是一件容易的事,這里面需要花大量時間對機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試。Alpha 1S在2016年央視春晚首次亮相便大獲成功(見圖9),它擁有16個關(guān)節(jié)自由度,可模仿人的肢體動作,雙眼裝有藍(lán)光LED,按程序指令閃爍。2018年央視春晚主會場的大開場節(jié)目中,擬態(tài)狗的特別版機(jī)器人“Jimu汪汪”驚艷亮相(見圖10),不僅與舞臺上的演員精彩聯(lián)動,還被分別擺放在臺下的24個圓桌上與現(xiàn)場觀眾進(jìn)行互動,成為一大亮點(diǎn)。
6.2 技術(shù)要點(diǎn)
擬態(tài)機(jī)器人用于演藝領(lǐng)域中,往往是群體應(yīng)用,在調(diào)試好每個單個擬態(tài)機(jī)器人的動作、姿態(tài)、位置后,還要考慮群體的同步性和一致性,這對于信號的傳輸距離、抗干擾能力及機(jī)器人接收信號的靈敏度都會有一定的要求。
擬態(tài)機(jī)器人作為新興的機(jī)器人分支,每個廠家都有自己的編程軟件,有些機(jī)器人本身就支持二次編程功能,用戶可以自行編輯程序,而無需具備系統(tǒng)專業(yè)的編程知識;也可通過第三方的軟件編出復(fù)雜的動作。從技術(shù)應(yīng)用層面而言難度相對較低。
7 無人機(jī)
7.1應(yīng)用形態(tài)
對于大多數(shù)的中國觀眾來說,在電視上看到無人機(jī)進(jìn)行藝術(shù)表演,應(yīng)該是在2016年央視春節(jié)聯(lián)歡晚會。此后的2017年央視春晚、2018年央視春晚,無人機(jī)表演成了不可或缺的亮點(diǎn)。幾十架無人機(jī)就像螢火蟲一般,雖然每一個無人機(jī)只有點(diǎn)點(diǎn)微光,但是匯集在一起之后,就能組成如夢境般的畫面。又如2018年2月的平昌冬奧會,幾百架無人機(jī)在空中組成了奧運(yùn)五環(huán),體現(xiàn)了新時代的新技術(shù)與奧林匹克這一古老盛會的完美融合(見圖11)。
7.2技術(shù)要點(diǎn)
對于無人機(jī)本身的技術(shù)分析,不是本文的描述重點(diǎn)。把無人機(jī)運(yùn)用到演藝創(chuàng)作中,真正的技術(shù)難度說到底還是移動機(jī)器人的問題,與全向車臺面對的難點(diǎn)類似。但是無人機(jī)更多的時候是在三維空間中的飛行造型,所以面對的問題特別是定位更加復(fù)雜。概括起來,無人機(jī)編組控制有如下難點(diǎn)。
時鐘問題,是指如何為多架無人機(jī)進(jìn)行時鐘同步或如何使多架無人機(jī)的系統(tǒng)時間一致。這個問題是演藝設(shè)備行業(yè)的一個普遍難題,當(dāng)一個系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備數(shù)量多了之后,如何保證每個系統(tǒng)或子系統(tǒng)內(nèi)各個設(shè)備的時鐘一致。不同的授時方案決定了不同的時間掃描周期,例如GPS可以小于1 ms,電波授時在1 ms左右,NTP網(wǎng)絡(luò)授時在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(jī)的位置及獲取每架無人機(jī)位置的準(zhǔn)確程度。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(dǎo)航問題,是指導(dǎo)引和控制無人機(jī)按舞美要求飛行在預(yù)定軌道的技術(shù)和方法。制導(dǎo)過程中,導(dǎo)航系統(tǒng)要在系統(tǒng)時間周期內(nèi)不斷掃描更新無人機(jī)與預(yù)定軌道的相對位置關(guān)系,發(fā)出導(dǎo)航信息給無人機(jī)控制系統(tǒng),對飛行軌跡和每個無人機(jī)的姿態(tài)做閉環(huán)控制。
路徑規(guī)劃,是指按照舞美要求設(shè)置預(yù)定軌道的過程與方法,分為人工規(guī)劃或自動規(guī)劃。一般不超過100架無人機(jī)的規(guī)??梢圆捎萌斯ひ?guī)劃,而當(dāng)飛行器數(shù)量大于此值后,自動規(guī)劃則成為超大規(guī)模編隊(duì)的必要核心技術(shù),通常采用的方法有基于網(wǎng)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(yōu)化方法。
8 結(jié)語
目前,舞臺演出形式越來越多樣化,不斷地引入了其他行業(yè)的技術(shù)成果,形成舞臺上融合演出模式,以滿足各種創(chuàng)意需求,如迪斯尼寶藏灣就將大型的風(fēng)洞引入了表演中,配合演出達(dá)到懸空的效果;再如張藝謀2047中表演的云紗秀,就是將空氣動力學(xué)融入到舞臺中進(jìn)行表演。典型演出設(shè)備與新技術(shù)手段的應(yīng)用豐富了舞臺表演形式,將帶給觀眾更多震撼的視聽感受。
選自《演藝科技》2018年第4期 侯鵬強(qiáng)《豐富舞臺表演形式的典型設(shè)備與應(yīng)用》,轉(zhuǎn)載請標(biāo)注:演藝科技傳媒。更多詳細(xì)內(nèi)容請參閱《演藝科技》。
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