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【摘 要】 详细介绍了大型机械臂在央视马年春晚舞台上的具体应用，包括其安装、运动情况和舞台效果。
【关键词】 央视春晚；机械臂；安装；结构；舞台效果
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.010
【Abstract】The specific application of large mechanical arm in the stage in CCTV Spring Festival Gala was introduced， including its structure， operation， and stage effects.
【Key Words】CCTV Spring Festival Gala； mechanical arm； installation； structure； stage effects
自中央电视台春节联欢晚会（简称“春晚”）开播以来，春晚的舞台每年都在变化。中央电视台马年春节联欢晚会（简称“马年春晚”）的舞台设备更是让人记忆犹新，简约大气又变化多端。为了贯彻勤俭节约的精神，马年春晚保留了龙年和蛇年春晚大部分的升降台、LED屏等舞台设备，并首次应用了大型机械臂，用以安装LED屏，这也是该类设备在中国剧场的首次应用。为了使LED屏能实现在演播大厅舞台上方空间任意一点的移动，采用了5个大型的机械臂来安装5块尺寸为7 m×3.5 m的LED屏。
1 机械臂的安装
马年春晚的演播厅是已建成的建筑，为安装大型机械臂，演播厅内的栅顶作了改造。5台机械臂沿舞台横向布置，每台机械臂可以在舞台上方纵向运行，运行深度为18 m，但不能沿舞台横向移动。由于栅顶高度较低，且LED屏向上存贮之后，机械臂不能在栅顶上方超出太多，所以，机械在上下升降运动元上分割成两个运动元，将原本可以用5轴完成的机械臂，设置为6轴运动。因此，在舞台上方纵向铺设了6条机械臂安装轨道，轨道长20 m，供5个机械臂前后移动，如图1～图2所示。
安装于机械臂上的LED屏须在整个舞台上方空间的任意一点运行，这给舞台的灯光布置带来了很大的难度。其一，由于空间高度的限制，在栅顶下没有设置灯光层；其二， LED屏所到之处，台上的灯光会被遮挡。通过工作人员的几番论证，最终将灯光吊挂在机械臂移动轨道的下方，同时加密灯光布置，以满足舞台上灯光的需求。
2 机械臂的运动
机械臂的结构如图3 所示。机械臂的6轴运动元分别为：水平前后移动运动元、上下运动（包括存贮升降与表演升降两个运动元）、前后摆动运动元、左右摆动运动元、旋转运动元，各运动元的运行参数如表1如示。以下就每一个运动元的结构及运行方式作详细介绍。
2.1 水平前后移动
由于机械臂自身重量大，故采用了钢质行走轮行走在重型轨道上，每台机械臂用2条轨道来支撑，且每条轨道上采用4只支承轮。为使受力均匀，支承轮采用2只1组，且每组中的2只支承轮采用浮动联接。前后驱动则采用齿轮齿条驱动，将齿条与支承轨道联接在一起。驱动机构与驱动齿轮均安装在机械臂上。齿轮与齿条的啮合驱动，很好地保证了机械臂的前后运行速度、定位精度及每组机械臂之间的同步精度等。如表1中所示，水平前后移动的最高速度为0.5 m/s，移动行程为18 m。
2.2 存贮升降
马年春晚演播厅的栅顶高度为13.2 m，除去机械臂旋转关节的高度，LED屏在水平状态时能提升的最大高度约为11 m。由于演播厅栅顶基本上是满布的，因此，为达到最大的提升高度，在部分区域调整了栅顶结构，使机械臂可穿过栅顶，向上方存贮。存贮升降只能在某几个特定的区域即栅顶被删除的部分运行。同时，存贮升降与前后移动之间有一个互锁关系，也就是说，只有当存贮升降在最低位置时，才能前后水平移动。相反，只有前后水平移动在特定位置时，才能进行存贮升降。存贮升降也采用了齿轮齿条驱动机构，由4只驱动齿轮啮合4根齿条上下升降。如表1中所示，存贮升降的最高速度为0.1 m/s，上下升程为3.6 m。
2.3 表演升降
由于存贮升降的行程只有3.6 m，LED屏在舞台上空的运行幅度有限，为保证LED屏能运行到整个舞台上空的每一个点，又设置了表演升降，表演升降配合存贮升降和LED屏前后摆动，可以让LED的边缘触及到舞台面。表演升降为双级上下升降结构，采用精密滚子链驱动，将驱动链轮与驱动电机安装在双级传动的中间框架上，链条的闭环链两边分别联接上部框架与下部框架。表演升降相对独立，可以在没有互锁条件的情况下任意升降。如表1中所示，表演升降的最高速度为0.2 m/s，上下升程为5.2 m。
2.4 前后摆动
在存贮状态时，LED屏是水平放置的，且LED屏面向下。通常，当LED屏在使用状态时，LED屏须直立或呈一定的倾斜角度，因此，LED屏须有一个前后摆动的功能。为更好地满足使用要求， LED屏前后摆动的行程设置为前摆90°，后摆60°，摆动速度为15°/s。也就是说，LED屏可以由存贮的水平状态，前摆到LED屏面向观众完全直立，也能后摆至LED屏面向舞台内，且与舞台面成60°。前后摆动也采用了精密滚子链驱动，由一个摆动中心固定摆动臂，链条外包在摆动臂上，将驱动电机与驱动链条安装在表演升降柱内。电机启动后就能驱动摆动臂前后摆动。
2.5 左右摆动
为达到更丰富的表演效果，LED屏不仅能前后摆动，还能左右摆动，尤其当LED屏直立时，通过左右摆动，可让观众观赏到LED屏从正面到侧面的全方位运行过程。LED屏的左右摆动幅度为±45°，摆动速度为15°/s。驱动采用齿轮传动，支承则采用了回转支承，驱动齿轮直接安装在减速电机的输出轴上，被动齿轮则利用回转支承上的齿圈。由于摆动需要一定的空间，所以，左右摆动与上下运动及相邻LED屏之间均有一定的互锁关系。
2.6 旋转
旋转是LED屏参与表演的最重要的功能之一。当LED屏直立时，可沿屏的中心点旋转，不仅能顺时针方向旋转，也能逆时针方向旋转。为了便于LED屏上的电缆管理，同时满足演出要求，并没有设置360°旋转，只设置了±135°旋转。其驱动采用齿轮传动，支承则采用了回转支承，驱动齿轮直接安装在减速电机的输出轴上，被动齿轮则利用回转支承上的齿圈。由于旋转需要一定的空间，所以旋转与上下运动、及相邻LED屏之间均有一定的互锁关系。
3 舞台效果
图4中的4幅图展示了5块由机械臂驱动的LED屏配合动作所呈现的不同变化组合，令人目不暇接。大型机械臂的使用给剧场增添了很多演出场景与功能；而与之搭配的LED屏起到置景、播放画面、营造虚拟的“实景”等功能。由于LED屏可以到达舞台上空的任意位置，因此，它们可以置于演员的前、后、左、右、上方等任意位置，一方面参与演出并与演员互动，另一方面，还可挡住未上台的演员，防止穿帮，可代替大幕、条幕等，如在《万马奔腾》的节目中就起到了此作用。总之，大型机械臂的使用，让LED屏不再仅仅作为背景，而是参与到演出当中，令舞台不再只是一个或多个平面，而是变化万千的立体多维空间。
马年春晚上大型机械臂的使用，不仅得到了业内的认可，而且获得了电视观众的普遍好评，尤其是LED屏与台下升降台的联合使用，营造了很好的舞台视觉氛围。活动的LED屏，的确让演出增色许多，然而，目前由于造价偏高，还无法推广到所有剧场。随着舞台技术的发展，我们期待更多剧场能够应用大型机械臂来使用活动的LED屏，从而进一步丰富舞台演出效果。
（编辑 薛云霞）
【关键词】 央视春晚；机械臂；安装；结构；舞台效果
文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2014.09.010
【Abstract】The specific application of large mechanical arm in the stage in CCTV Spring Festival Gala was introduced， including its structure， operation， and stage effects.
【Key Words】CCTV Spring Festival Gala； mechanical arm； installation； structure； stage effects
自中央电视台春节联欢晚会（简称“春晚”）开播以来，春晚的舞台每年都在变化。中央电视台马年春节联欢晚会（简称“马年春晚”）的舞台设备更是让人记忆犹新，简约大气又变化多端。为了贯彻勤俭节约的精神，马年春晚保留了龙年和蛇年春晚大部分的升降台、LED屏等舞台设备，并首次应用了大型机械臂，用以安装LED屏，这也是该类设备在中国剧场的首次应用。为了使LED屏能实现在演播大厅舞台上方空间任意一点的移动，采用了5个大型的机械臂来安装5块尺寸为7 m×3.5 m的LED屏。
1 机械臂的安装
马年春晚的演播厅是已建成的建筑，为安装大型机械臂，演播厅内的栅顶作了改造。5台机械臂沿舞台横向布置，每台机械臂可以在舞台上方纵向运行，运行深度为18 m，但不能沿舞台横向移动。由于栅顶高度较低，且LED屏向上存贮之后，机械臂不能在栅顶上方超出太多，所以，机械在上下升降运动元上分割成两个运动元，将原本可以用5轴完成的机械臂，设置为6轴运动。因此，在舞台上方纵向铺设了6条机械臂安装轨道，轨道长20 m，供5个机械臂前后移动，如图1～图2所示。
安装于机械臂上的LED屏须在整个舞台上方空间的任意一点运行，这给舞台的灯光布置带来了很大的难度。其一，由于空间高度的限制，在栅顶下没有设置灯光层；其二， LED屏所到之处，台上的灯光会被遮挡。通过工作人员的几番论证，最终将灯光吊挂在机械臂移动轨道的下方，同时加密灯光布置，以满足舞台上灯光的需求。
2 机械臂的运动
机械臂的结构如图3 所示。机械臂的6轴运动元分别为：水平前后移动运动元、上下运动（包括存贮升降与表演升降两个运动元）、前后摆动运动元、左右摆动运动元、旋转运动元，各运动元的运行参数如表1如示。以下就每一个运动元的结构及运行方式作详细介绍。
2.1 水平前后移动
由于机械臂自身重量大，故采用了钢质行走轮行走在重型轨道上，每台机械臂用2条轨道来支撑，且每条轨道上采用4只支承轮。为使受力均匀，支承轮采用2只1组，且每组中的2只支承轮采用浮动联接。前后驱动则采用齿轮齿条驱动，将齿条与支承轨道联接在一起。驱动机构与驱动齿轮均安装在机械臂上。齿轮与齿条的啮合驱动，很好地保证了机械臂的前后运行速度、定位精度及每组机械臂之间的同步精度等。如表1中所示，水平前后移动的最高速度为0.5 m/s，移动行程为18 m。
2.2 存贮升降
马年春晚演播厅的栅顶高度为13.2 m，除去机械臂旋转关节的高度，LED屏在水平状态时能提升的最大高度约为11 m。由于演播厅栅顶基本上是满布的，因此，为达到最大的提升高度，在部分区域调整了栅顶结构，使机械臂可穿过栅顶，向上方存贮。存贮升降只能在某几个特定的区域即栅顶被删除的部分运行。同时，存贮升降与前后移动之间有一个互锁关系，也就是说，只有当存贮升降在最低位置时，才能前后水平移动。相反，只有前后水平移动在特定位置时，才能进行存贮升降。存贮升降也采用了齿轮齿条驱动机构，由4只驱动齿轮啮合4根齿条上下升降。如表1中所示，存贮升降的最高速度为0.1 m/s，上下升程为3.6 m。
2.3 表演升降
由于存贮升降的行程只有3.6 m，LED屏在舞台上空的运行幅度有限，为保证LED屏能运行到整个舞台上空的每一个点，又设置了表演升降，表演升降配合存贮升降和LED屏前后摆动，可以让LED的边缘触及到舞台面。表演升降为双级上下升降结构，采用精密滚子链驱动，将驱动链轮与驱动电机安装在双级传动的中间框架上，链条的闭环链两边分别联接上部框架与下部框架。表演升降相对独立，可以在没有互锁条件的情况下任意升降。如表1中所示，表演升降的最高速度为0.2 m/s，上下升程为5.2 m。
2.4 前后摆动
在存贮状态时，LED屏是水平放置的，且LED屏面向下。通常，当LED屏在使用状态时，LED屏须直立或呈一定的倾斜角度，因此，LED屏须有一个前后摆动的功能。为更好地满足使用要求， LED屏前后摆动的行程设置为前摆90°，后摆60°，摆动速度为15°/s。也就是说，LED屏可以由存贮的水平状态，前摆到LED屏面向观众完全直立，也能后摆至LED屏面向舞台内，且与舞台面成60°。前后摆动也采用了精密滚子链驱动，由一个摆动中心固定摆动臂，链条外包在摆动臂上，将驱动电机与驱动链条安装在表演升降柱内。电机启动后就能驱动摆动臂前后摆动。
2.5 左右摆动
为达到更丰富的表演效果，LED屏不仅能前后摆动，还能左右摆动，尤其当LED屏直立时，通过左右摆动，可让观众观赏到LED屏从正面到侧面的全方位运行过程。LED屏的左右摆动幅度为±45°，摆动速度为15°/s。驱动采用齿轮传动，支承则采用了回转支承，驱动齿轮直接安装在减速电机的输出轴上，被动齿轮则利用回转支承上的齿圈。由于摆动需要一定的空间，所以，左右摆动与上下运动及相邻LED屏之间均有一定的互锁关系。
2.6 旋转
旋转是LED屏参与表演的最重要的功能之一。当LED屏直立时，可沿屏的中心点旋转，不仅能顺时针方向旋转，也能逆时针方向旋转。为了便于LED屏上的电缆管理，同时满足演出要求，并没有设置360°旋转，只设置了±135°旋转。其驱动采用齿轮传动，支承则采用了回转支承，驱动齿轮直接安装在减速电机的输出轴上，被动齿轮则利用回转支承上的齿圈。由于旋转需要一定的空间，所以旋转与上下运动、及相邻LED屏之间均有一定的互锁关系。
3 舞台效果
图4中的4幅图展示了5块由机械臂驱动的LED屏配合动作所呈现的不同变化组合，令人目不暇接。大型机械臂的使用给剧场增添了很多演出场景与功能；而与之搭配的LED屏起到置景、播放画面、营造虚拟的“实景”等功能。由于LED屏可以到达舞台上空的任意位置，因此，它们可以置于演员的前、后、左、右、上方等任意位置，一方面参与演出并与演员互动，另一方面，还可挡住未上台的演员，防止穿帮，可代替大幕、条幕等，如在《万马奔腾》的节目中就起到了此作用。总之，大型机械臂的使用，让LED屏不再仅仅作为背景，而是参与到演出当中，令舞台不再只是一个或多个平面，而是变化万千的立体多维空间。
马年春晚上大型机械臂的使用，不仅得到了业内的认可，而且获得了电视观众的普遍好评，尤其是LED屏与台下升降台的联合使用，营造了很好的舞台视觉氛围。活动的LED屏，的确让演出增色许多，然而，目前由于造价偏高，还无法推广到所有剧场。随着舞台技术的发展，我们期待更多剧场能够应用大型机械臂来使用活动的LED屏，从而进一步丰富舞台演出效果。
（编辑 薛云霞）