張華書，榮佑民，林寶聚，劉連哲

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.大連科技館，遼寧大連 116011；3.東莞華中科技大學制造工程研究院，廣東東莞 523808）

層疊式旋轉(zhuǎn)視頻藝術柱的機電系統(tǒng)設計*

張華書1,3，榮佑民1,3，林寶聚2，劉連哲1

（1.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074；2.大連科技館，遼寧大連 116011；3.東莞華中科技大學制造工程研究院，廣東東莞 523808）

提出一種立體的、動態(tài)的、圖像可靈活拼接的層疊式旋轉(zhuǎn)視頻藝術柱的機電系統(tǒng)設計方案。內(nèi)容包括：視頻藝術柱的功能和應用；層疊式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設計；視頻板支撐結(jié)構(gòu)設計；視頻藝術柱控制系統(tǒng)設計。

層疊；旋轉(zhuǎn)；圖像拼接；藝術柱

0 引言

在不同的公共場合比如文化廣場，步行街，購物廳，展覽展示廳，候機或候車廳等公共展示空間，大家所見到的視頻廣告均是平面的，靜態(tài)的，單一的。這些視頻展示牌包含的信息量少，展示形式呆板，缺乏活力，廣告效果不盡如人意。本文所提出的視頻藝術柱是一種立體的、層疊的、各層間可獨立旋轉(zhuǎn)的動態(tài)視頻柱，它不僅可以分屏同時在360°方向上向周圍展示畫面信息，它的最大優(yōu)點是視頻圖像還可以靈活拼接，根據(jù)腳本情節(jié)需要隨時可將同向的視頻板由獨立畫面拼成一幅大的整體畫面，因而大大增強了藝術效果和廣告效應，可更好的達到視覺傳播的效果。圖1是本文研制成功的由九塊視頻板組成的三層三棱視頻藝術柱及其應用示意。

圖1 層疊式旋轉(zhuǎn)視頻藝術柱

1 層疊式旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

按這種藝術柱設計要求，首先要實現(xiàn)的功能是，每一層可以獨立旋轉(zhuǎn)，并且在旋轉(zhuǎn)過程中，適當時還需讓同一方向的各層畫面拼接后同步運行。換言之，整個裝置各層都在按一個固定的時間軸協(xié)調(diào)運行，以配合各視頻板的畫面播放序列是在“分屏”“合屏”過程中有序進行。因此，首先在機械上要求每一層能夠獨立運轉(zhuǎn)，相互之間的運動不能牽扯和干擾，即要求是一種積木層疊式的設計；其次要求每一層的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)為了滿足同一個時間軸，因而每層配備的機電伺服驅(qū)動系統(tǒng)必須完全相同，以便提供一致的基本運動參數(shù)。其單層旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖2所示。

圖2 一層旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設計圖

圖2中機構(gòu)表明：

（1）每層的中軸是固定的，中空的，它們既是視頻柱旋轉(zhuǎn)的中軸支撐，也提供了視頻和電機的電纜通道；

（2）在中軸的上部和下部分別裝有徑向推力軸承，軸承的外圈裝有旋轉(zhuǎn)座，旋轉(zhuǎn)座的外圍分別加工出三個在圓周上均勻分布的連接平面；

（3）用三塊C形支撐板將上下旋轉(zhuǎn)座通過（2）中所述的連接平面固聯(lián)在一起，這樣，支撐板可以自由旋轉(zhuǎn)，并作為旋轉(zhuǎn)視頻板的支撐骨架；

（4）各層的中軸相互之間用帶止口定位的法蘭形式連接，保證裝置的垂直度和直線度；視頻柱疊層層數(shù)的多少取決于客戶需求，需要加層時直接通過中軸的法蘭連接往上疊加便可，安裝操作十分方便。

2 視頻板支撐結(jié)構(gòu)

圖2中的C形支撐板布局方式顯然在軸向方向可承受最大載荷且用料少，然而視頻板的取向是背向中軸，支撐板是通過軸心的，要連接這兩個處于不同方向的視頻板和支撐板，必須通過一種連接件來完成。這種連接件以及連接方式如圖3所示。

圖3 視頻板和支撐板的連接

3 旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動方式

以上設計方案基本決定了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式為行星驅(qū)動方式，因為三塊C形支撐板和視頻板的連接十分緊密，它們在旋轉(zhuǎn)過程中所掃描出的是一個完整的圓柱體，不可能將一般的傳動機構(gòu)裝在藝術柱外圍，比如大小齒輪傳動機構(gòu)，鏈條鏈輪傳動機構(gòu)等。唯有利用C形支撐板所騰出的內(nèi)部空間，裝上伺服電機、同步帶、行星齒輪等，讓這些驅(qū)動系統(tǒng)的零部件隨著C形支撐板一起繞中軸旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)柱的行星驅(qū)動結(jié)構(gòu)

從圖4中可以看出，由于內(nèi)部空間的限制和結(jié)構(gòu)布局的約束，設計中打破常理和習慣采用了行星蝸桿固定蝸輪結(jié)構(gòu)，即蝸輪固定于中軸上不轉(zhuǎn)，蝸桿自身旋轉(zhuǎn)的同時還繞中軸旋轉(zhuǎn)。這種方案制定基于三種考慮，其一，蝸輪蝸桿傳動比較平穩(wěn)，噪音小，振動小，有利于各視頻穩(wěn)定播放；其二，利用蝸輪蝸桿的90°變向傳動特點，正好可以將蝸桿支架固聯(lián)在C形支撐板上，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量；其三，蝸輪蝸桿機構(gòu)有利于減速比的選取和電機慣量匹配，進而可棄掉減速器，選用小功率伺服電機驅(qū)動大慣量載荷。

4 控制系統(tǒng)設計

旋轉(zhuǎn)視頻藝術柱的控制系統(tǒng)如圖5所示，控制系統(tǒng)從信號傳輸上分為兩部分：圖像傳輸部分和多自由度的運動信號傳輸部分，圖像傳輸部分主要是利用播控軟件實現(xiàn)多媒體內(nèi)容的終端顯示播放，而播放進程處于中控系統(tǒng)的監(jiān)視之下；運動信號傳輸部分則是由中控系統(tǒng)發(fā)送的運動指令，經(jīng)單片機處理之后通過運算放大器、驅(qū)動芯片等組成的模塊，驅(qū)動伺服電機，完成各層視頻板的旋轉(zhuǎn)。為了實現(xiàn)播放內(nèi)容和旋轉(zhuǎn)運動的協(xié)調(diào)一致，即按導演所給出的腳本要求，時而“分屏”，時而“組屏”，所有的旋轉(zhuǎn)運動指令，包含位置、速度、加速度、正反向等，都要求中控系統(tǒng)嚴格按事先編好的視頻演播程序來同步發(fā)送指令。所以運動指令序列是受到播放進程的時間約束的。這種播放系統(tǒng)，利用的是一種動態(tài)多自由度數(shù)字標牌（Dynamic Multi Degree of Freedom Dig?ital Signage，DFDS）原理[1～3]，將數(shù)字顯示本身和多自由度運動完美的結(jié)合起來。

圖5 旋轉(zhuǎn)視頻藝術柱的控制系統(tǒng)框圖

圖6表明視頻藝術柱除了強電電纜由外界連入以外，各層的控制信號傳輸均由控制服務器通過無線路由的方式完成。這種設計考慮使得整機干練，整體感強，也方便了運輸，操作和維修。

圖6 整機和外界的連接通信方式

5 結(jié)語

針對視頻展示牌存在信息量少、形式單一、效果不盡如人意等問題，本文提出了一種層疊式旋轉(zhuǎn)視頻藝術柱，并針對其機電系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、顯示終端支撐結(jié)構(gòu)及視頻藝術柱等設計進行了說明。該種設計方案易于組裝、拆卸和后期維護工作，能夠更加靈活、安全可靠地適用于展館、展廳、車站、飛機場、商場等各類場合。

［1］秋波.數(shù)字標牌：新媒體、新趨勢、新市場［J］. EDN電子設計技術，2009（6）：76-76.

［2］張進京.數(shù)字標牌-讓合適的信息出現(xiàn)在所有合適的地方［J］.中國信息界，2012（11）：77-81.

［3］彭啟琮.數(shù)字圖像/視頻信號處理新平臺［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

The Electromechanical Systems Design of Stacked and Rotating Video Art Column

ZHANG Hua-shu1，3，RONG You-min1，3，LIN Bao-ju2，LIU Lian-zhe1
（1.School of Mechanical Science and Engineering，Huazhong University of Science and Engineering，Wuhan430074，China；2.Dalian Science and Technology Museum，Dalian 116011，China；3.DG-HUST Manufacturing Engineering Institute，Dongguan523808，China）

This paper presents a three-dimensional，dynamic，flexible spliced video image artistic column，namely electromechanical systems design of stacked column rotating video art.Contents include：functions and applications of video art column，stacked rotating structure design，video board supporting structure design，video arts column control system design.

stacked；rotating;image stitching；art column

TH122

A

1009－9492(2014)02－0054－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.02.016

張華書，男，1956年生，重慶人，碩士，副教授。研究領域：機電裝備。已發(fā)表論文10篇。

(編輯：向 飛)

*國家自然科學基金（編號：50905065）；廣東省產(chǎn)學研項目（編號：2011B090400381）；廣東省科技計劃項目（編號：2011B010100037）；東莞科技計劃項目（編號：2011108102058、2011108102051）

2013－08－28