被动式自导向二维运动车台方案解析

张术永 王海林 李月娟

[摘要]介绍“上海音乐学院歌剧院”被动式自导向二维运动车台的运动模式技术要求，以及采用齿轮齿条驱动系统的解决方案。

[关键词]被动式自导向二维运动车台;舞台机械;齿轮齿条;自导向机构;控制系统

文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2019.07.011

作为公共观演建筑，剧场是展现舞台艺术、进行国际文化艺术交流，以及为人们提供休闲、娱乐场所的艺术殿堂。随着剧场形式越来越多，传统剧场和实景秀场都发展迅速，舞台艺术的表现形式也越来越丰富，给剧场建设和舞台功能提出更高的要求。呆板固定的舞臺形式明显限制了舞台艺术的展现和文化的有效传播。舞台机械赋予了舞台更多的活力，使舞台形式富于变化，更加适应舞台艺术的创作和发展。

随着科技的不断进步，舞台机械的种类越来越多、实用性越来越强。车台作为舞台机械的一种，经常出现在专业歌剧院、话剧院、多用途剧场等剧场中，形式也不尽相同，但在剧院运输布景、演出的装台和拆台、参与演出的过程中发挥着巨大的作用，给舞美人员带来更大的创作空间，与主舞台升降台、转台等设备组合使用，展现更多的舞台特殊效果，并提高剧场舞台机械设备的使用灵活性和效率。

车台是舞台机械中较为成熟的设备，也是剧场使用效率较高的设备之一，充分发挥设计人员的智慧，将车台的功能发挥得淋漓尽致。在国外，根据不同功能需求设计不同模式下的车台系统，仅二维运动车台的驱动形式就有很多种，例如：丹麦哥本哈根新歌剧院的二维运动车台是通过齿轮齿条驱动的，西班牙和日本的一些剧院则采用刚性链驱动。在中国，由于受机械加工技术和控制技术的限制，真正意义上的国产二维运动车台很少在剧场中得到实际的应用。笔者以上海音乐学院歌剧院（以下简称“上音歌剧院”）为例，介绍一种自主研发的被动式自导向二维运动车台的实际应用。

1“上音歌剧院”的工艺特点及设备配置

“上音歌剧院”作为专业歌剧表演剧场，其功能定位明确，舞台设备配置完整。舞台工艺由英国TheatreProjects Consultants公司设计，台口尺寸（宽）16m×（高）11m，主舞台尺寸（宽）28m×（进深）20.3m，舞台机械系统配置包含台上设备、台下设备和声学等设备共计300余套。

在工艺设计过程中，引入一些国际先进理念，将观众厅室内装饰吊顶设计成为可上下移动的声学天花，并在观众厅周围墙壁内暗装可升降的吸声板，两者结合实现真正意义上的可变混响，以满足不同形式演出时对声学的要求。除此之外，10套被动式自导向二维运动车台系统，实现道具及景物在侧舞台、后舞台、主舞台区域间的运输和场景切换。

2被动式自导向二维运动车台的布置形式及运动模式

“上音歌剧院”的车台共10套，分别布置于侧舞台区和后舞台区，所述车台系统既可以沿平行于台口方向左右往复运行，也可以沿垂直于台口方向前后往复运行，还可以在侧舞台区、主舞台区和后舞台区呈回字形闭环循环运行。单个车台具备二维运动能力;多个车台既可以编组同步运行，也可以根据预设控制程序进行位置和时间轴的协调运行;所述车台系统具备非常灵活的运行模式，为演出装台、道具搬运、演出特效等提供了非常便捷和高效的手段，也给更多、更新颖的舞台艺术创作提供了更大的可能。

车台的几种典型运动模式通过下述一系列示意图加以阐述。图1中车台分别在侧舞台和后舞台区域的预定停止位上，可以将此状态设定为车台的原始位置。图2中表示位于后舞台区的5套车台编组同步运行至主舞台区，完成后舞台区大型道具或演员的整体运送。图3所示，侧舞台区车台编组同步运行至主舞台区，完成侧舞台区大型道具或演员的整体运送。图4所示，侧舞台区车台根据预设控制程序运行，完成演出过程中道具或演员的顺序出现，使观演效果更具有层次感。图5所示，单个车台独立运行，完成侧舞台区演员的运送，配合烟雾效果，使演员可以呈现一种漂移的特殊视觉享受。当然也可以根据实际演出的效果要求和景深设计，选择不同位置上的车台独立运行，从而获得最佳的舞台效果。图6所示，单个车台二维运动，完成侧舞台区演员的运送后，再向后舞台方向运行，给观众一种由近渐远的视觉效果。图7所示，两套单个车台分别二维运动，实现小范围回字形循环，车台1将演员或道具运送至主舞台区，并向后舞台区运动，此时车台2向前运行至原车台1的位置，车台1返回至原车台2的位置进行补位，如此可以不断循环，为演员的连续上下场提供便捷的途径。以此类推，几套单个车台配合运行，就可以实现多个进深位置的循环切换。图8所示，不同区域的几套单个车台配合运行，可以实现车台多区域、多编组的回字形循环。图9所示，多套单个车台配合运行，实现大范围的位置循环。

综上所述，此类二维运动车台的运行模式灵活多变，功能优势明显。然而，这么复杂的运行模式如何实现？该系统的驱动方案是，采用多驱动接力的方式实现车台的跨区域运行，通过交叉式的齿轮齿条驱动实现车台的二维运动;采用自导向机构保证车台运行的方向准确性。

该二维运动车台系统共使用了49套驱动系统，车台本身为无动力结构，由台面木地板、台面钢结构、万向行走轮组、自导向机构、安全防护装置等组成。车台采用被动式驱动，各驱动系统分别布置在侧补偿台、侧辅助台、主升降台、后补偿台、后辅助台上。驱动成组设置，跨区域分配，根据驱动齿条的衔接距离进行定位。如图10所示，该驱动系统的分布保证车台在任何位置都有不少于两套驱动同时为车台提供动力，从而实现驱动力的延续性，保证了车台的平稳运行和跨区域布置。

3二维运动车台驱动系统的设计

3.1设计要求

被动式二维运动车台的驱动系统需具备的几个要素：（1）提供驱动力的可靠性;（2）车台跨区域运行时的动力衔接;（3）接力驱动车台时动力衔接的顺畅性;（4）提供车台转向动力;（5）提供正/反向驱动力;（6）安装空间受限，结构设计紧凑合理;（7）驱动系统具备隐藏性;（8）多驱动同时工作时的同步性控制和互斥性规避。

3.2解决方案

3.2.1驱动方式的选择

采用齿轮齿条驱动系统，齿条固定安装于车台台面钢架下方，齿轮安装于各驱动系统的减速机出轴端，电机带动齿轮旋转，齿轮通过与齿条的啮合将圆周运动转换为直线运动，齿条带动车台行走。车台直线跨区域运行时，通过多驱动的接力实现驱动力的连续性，当车台运行到指定位置后需转向运行时，原驱动系统下降至舞台面下方，另一方向的驱动系统升起，提供车台换向运行的动力。以车台1为例，车台1准备向主升降台1的方向做水平直线运动，此时侧辅助台1和主升降台1分别下降一个车台的高度，给车台运行留出通道，然后“驱动1”和“驱动2”升起并与车台下部齿条啮合，在两个驱动的同步推动下，车台向左运行（如图11所示）;随着车台的运行，“驱动3”升起，并开始与“驱动2”同步，准备与车台下部齿条啮合，完成驱动接力，满足动力延续，实现车台跨区域运行;以此类推，“驱动5”和“驱动6”依次升起，完成驱动接力，直至将车台推送至主升降台1上的指定位置（如图12、如13所示）。然后“驱动5”和“驱动6”下降至主升降台台面以下，同时“驱动4”、“驱动7”、“驱动11”和“驱动14”升起，这4套驱动的动力方向是垂直于舞台台口的，配合车台台面钢架下方设置的垂直交叉的双向齿条，在4套驱动的同步推动下，完成车台的垂直转向和跨区域运行，如图14、图15、图16所示。

3.2.2驱动系统组成

驱动系统主要由减速电机、齿轮、电机机架、驱动铰接轴、电动推杆、驱动支架、盖板机构、位置检测开关等组成。齿轮通过平键与减速机输出轴联结，并整体安装在电机机架上，电机机架与驱动铰接轴铰接，电动推杆安装在减速电机前端，通过电动推杆的伸缩实现驱动齿轮的升降，盖板机构与驱动齿轮联动，当齿轮升起时盖板打开，齿轮下降时盖板关闭，使整个舞台平面完整（如图17、图18、图19、图20所示）。

3.2.3自导向机构

二维车台的自导向机构可避免在舞台木地板上开长导向槽，减少了对舞台地板完整性的破坏。车台台面钢架下方设置十字交叉的齿条，在齿条两侧设置导向翼板（如图21、图22所示）。齿轮与齿条啮合时，齿轮两侧将嵌在两块导向翼板之间，进而实现车台的自导向功能。

3.2.4控制系统

采用先进的轴控技术，闭环控制，利用绝对值编码器进行准确的位置检测，结合动态补偿完成驱动系统交替过程中的准确衔接。绝对值编码器准确记录车台运行位置与驱动齿轮之间的位置关系，进而准确判断齿轮与齿条的啮合关系并自动记录，避免衔接过程中出现撞齿或跳齿现象，使车台整个运行过程连续和平稳。

4结语

被动式自导向二维运行车台可以提供多种运行模式，充分发挥了车台布景的灵活性，在機械加工精度和控制技术方面都取得了突破性的进步，并在上音歌剧院项目中获得了实际应用，技术服务于艺术，为科技与艺术融合提供借鉴。