Демонстрационные роботы для театральной сцены

Актуальность темы

диссертации. Техническое обеспечение современных театральных постановок большинства ведущих театров нашей страны и мира, в первую очередь оперно-балетных, таких, как Большой театр в Москве, Мариинский театр в С-Петербурге, Grand Opera в Париже, La Scala в Милане и т. п. отличается исключительной сложностью. Традиционные технические средства (подъемные занавесы, выдвижные кулисы, сменные задники, люки на поверхности сцены и пр.), которые ¿-ходят в состав постоянного технического оснащения сцены, конечно, продолжают широко использоваться, но время, когда основная часть подготовительных работ к постановке каждого определенного спектакля заключалась лишь в живописном оформлении плоских декораций, давно прошло.

В настоящее время почти для каждого спектакля требуется новое серьезное техническое оборудование, преимущественно стационарное, но часто, кроме того, подвижное. Постановщики спектаклей и главные художники год от года усложняют оформление сцены, проявляя большую фантазию и иногда ставя перед разработчиками технического оснащения задачи на границах технических возможностей. При этом как правило, техническое оснащение каждого нового спектакля сугубо индивидуально и требует оригинальных решений.

Анализ исторического опыта развития сценической техники оперно-балетных театров показывает, что всегда достаточно важным средством достижения эффектности театрального действа было использование на сцене больших перемещающихся и трансформирующихся объектов различного внешнего вида, в том числе антропоморфных и зооморфных. В настоящее время объекты, фрагменты технического оснащения сцены нередко настолько усложняются, что переходят в качественно новую категорию. Они могут выполнять сложные движения, могут иметь многочисленные подвижные части с самостоятельными приводами с микропроцессорным управлением. С полным основанием эти сложные объекты можно считать сценическими демонстрационными роботами [29, 30, 31]. Объединение их с помощью единой системы автоматизированного управления требует создания соответствующих специальных роботизированных комплексов. По отношению к сценическим демонстрационным роботам пространство сцены целесообразно рассматривать, как демонстрационное пространство. Высокая концентрация в демонстрационном пространстве различного штатного (постоянного и переменного) оборудования вместе со сценическими демонстрационными роботами определяет сложную структуру сценических роботизированных комплексов.

Сценические демонстрационные роботы следует рассматривать, как одну из разновидностей демонстрационных роботов, предназначенных для различных сфер применения. В серии работ [48, 49, 114] ученых СПбГПУ для демонстрационных роботов была разработана их многоаспектная классификация. Были проанализированы типовые требования к демонстрационным роботамв качестве основной * отличительной особенности была определена ориентация исключительно на зрительное восприятие. Однако до сих пор сценические демонстрационные роботы не были объектом серьезного научного анализа, что приводило к серьезным трудностям при их проектировании. Сценические демонстрационные роботы имеют отчетливую специфику. Эта специфика заключается в больших размерах (до десяти метров и более, во весь размер сцены), в необходимости учета высокой плотности заполнения демонстрационного пространства и в повышенных требованиях безопасности для актеров и другого персонала. Для сценических демонстрационных роботов, имеющих значительный вес, необходимо учитывать ограничения по силовому взаимодействию с планшетом сцены и с другим оборудованием. При проектировании конструкций для данного типа демонстрационных роботов необходимо учитывать требования, обычные для любого сценического оборудования: максимальное соответствие замыслу постановщика, возможность согласования движений с развитием сценического действия, минимально возможная масса, возможность быстрой и технологичной сборки и разборки на сцене перед каждым спектаклем при минимальных технических средствах, компактность и хорошая сохраняемость при хранении и т. д. В то же время обычно не предъявляются высокие требования по быстродействию и точности выполнения движений, что нетипично для робототехники. многовековой истории театра в техническом оформлении спектаклей именно механическое движение больших объектов с подвижными частями, с одной стороны, производило незабываемый эффект, а с другой стороны, представляло серьезные технические трудности. Накопленный опыт часто оказывается достаточным в традиционных операциях (поднятие и опускание занавеса, задника, перемещение по рельсовому напольному или подвесному пути декораций, перемещение на роликах и т. п.), но он недостаточен при решении многих новых задач. Опыт показывает, что и в наше время именно механическая проблематика создания современной подвижной сценической демонстрационной техники, включая демонстрационные роботы, остается наиболее сложной, поэтому именно ей в данной диссертации уделяется наибольшее внимание.

Представляется, что насущно необходима опережающая научная проработка таких принципиальных, схемных и конструктивных решений сценических демонстрационных роботов и роботизированных комплексов, которые соответствуют современным представлениям о достижениях мировой театральной техники, о потребностях технического оснащения, о стилистике тех театральных представлений, которые ориентированы на использование широкого арсенала технических, в том числе мехатронных средств. В силу всего сказанного тема данной диссертации, посвященной решению ряда проблем, возникших при проектировании сценических демонстрационных роботов и мехатронных устройств, является актуальной.

Целью диссертации является разработка научно обоснованных методик решения ряда задач выбора схемных и конструктивных решений, расчета и проектирования сложных специальных1 сценических демонстрационных роботов на основе обобщения опыта их создания для сцены Мариинского театра.

Для достижения указанной цели были решены следующие основные задачи:

— анализ организации демонстрационного пространства современного театра, наиболее распространенных типов несущих конструкций и различных устройств перемещения с позиций приспособленности к современным театральным постановкамразработка математических моделей и методов расчета манипуляционных систем сценических антропоморфных демонстрационных роботовразработка математических моделей и методов расчета манипуляционных систем с упругими звеньями.

На защиту выносятся следующие основные положения: I проектирование современных сложных сценических демонстрационных роботов должно опираться на анализ демонстрационного пространствапостроение сценических антропоморфных демонстрационных роботов требует совмещения системы подвешивания со встраиванием механизмов с приводами;

— для зооморфных сценических демонстрационных роботов в отсутствии жестких требований на точность позиционирования целесообразно использовать манипуляционные системы, построенные на основе деформируемого с помощью тросов гибкого упругого стержня, для их расчета следует использовать теорию больших деформаций тонких стержней;

— при построении сценических зооморфных демонстрационных роботов, анатомия которых содержит продольно вытянутые гибкие управляемые элементы, целесообразно использовать манипуляционные системы на основе рычажных механизмов с изменяемой длиной;

Практическая ценность диссертации заключается в том, что в ней разработаны методики проектирования сценических демонстрационных роботов для современного театра.

Основной материал диссертации распределен по трем главам.

Первая глава посвящена анализу демонстрационного пространства современного театра. В главе дается краткая характеристика технических устройств сцены различного назначения и различных типов, в первую очередь, подвижных: подъемно-опускных, перемещающихся по рельсовым путям, свободно перемещающимся по сцене на колесных шасси и пр.

Также в первой главе дается многоаспектная классификация объектов технического оснащения сцены, в которой отмечаются признаки, соответствующие сценическим демонстрационным роботам.

Обосновывается важное положение, что для театральных декораций основной является система подвешивания на штанкетах или одиночных тельферах. Размещение лебедок на потолочных балках и на стенах при использовании тросовых передач предоставляет достаточно широкие возможности смены положений и перемещения различных предметов на сцене, что целесообразно использовать при построении сценических демонстрационных роботов. Задачи перемещения декораций, в том числе сценических демонстрационных роботов, в современном театре можно разделить на две основные группы: монтажные задачи и рабочие задачи.

Вторая глава посвящена методологии исследования механизмов антропоморфных демонстрационных роботов для сцены, начиная с задач геометрического анализа и синтеза. В этой главе анализируются фигуры «великанов», которые представляют собой цртропоморфные демонстрационные сценические роботы.

В данной главе обсуждаются и обосновываются в первую очередь принципы построения структуры механизмов подобных роботов. Прямое использование сведений из анатомии человека невозможно, так как в этом случае число степеней свободы будет недопустимо велико. Анализируются пути уменьшения числа степеней свободы, исходя из того, что в различных сценах великаны присутствуют на сцене в разных позах, причем изменение поз происходит медленно, в квазистатических режимах, поэтому большинство расчетов относится к геометрии и к статике. ^.

В модулях используются различные способы формирования и передачи движений: посредством шарнирно-рычажных механизмов и гибких звеньев. Для некоторых модулей (ног, начиная с коленных суставов) предложено использовать пассивный способ деформирования под действием сил тяжести. В главе проведен анализ конструкций антропоморфных демонстрационных роботов, построены их математические модели, методики расчета их наиболее важных модулей, исходя из требований к линейным перемещениям, углам поворота и деформациям, даны рекомендации по их совершенствованию, в частности, расширению их двигательных возможностей.

Третья глава посвящена исследованию возможностей воссоздания на сцене сказочных персонажей и животных, анатомия которых содержит продольно-вытянутые управляемые гибкие элементы. Опираясь на опыт кукольного театра по созданию подвижной шеи лебедя и хобота слона, предлагается использовать ряд механизмов на основе гибких стержней в условиях большого театра. Разработаны методы статического и динамического анализа манипуляционных систем данного типа.

В главе предложено использовать манипуляционную систему на основе многозвенного рычажного механизма с изменяющейся длиной для воссоздания на сцене сказочных персонажей и животных, анатомия которых содержит продольно-вытянутые гибкие управляемые элементы. Предложена методика геометрического анализа данной манипуляционной системы. Разработана методика определения границ рабочей зоны и выработаны зависимости, позволяющие построить упрощенную рабочую* зону концевого звена.

Выводы приводятся отдельно по главам, в интегрированном виде они содержатся в Заключении диссертации.

Список литературы

содержит 126 наименований.

По результатам диссертации опубликовано пять работ [А1 — А5 ].

1. АНАЛИЗ’РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА СЦЕНИЧЕСКИХ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ РОБОТОВ.

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Проанализировано демонстрационное пространство современного театра и установлено, что в сценической машинерии наибольшее применение находят системы подвешивания с подъемными механизмами и горизонтальные дороги.

2. Выявлен наиболее рациональный принцип построенйя сценических демонстрационных роботов, заключающейся в совмещении системы регулируемого подвешивания на тельферных тележках с применением модулей со встроенными приводами.

3. Разработан модуль позвоночного столба антропоморфного сценического демонстрационного робота, позволяющий плавно сгибать спину робота при помощи одного привода. Установлено, что при построении модулей конечностей могут быть использованы такие приемы, как передача движений гибкими звеньями и пассивный способ деформирования под собственным весом при многозвенном выполнении конструкции! Разработаны математические модели и методика решения задач геометрии и статики этих модулей.

4. Предложено схемное и конструктивное решение для воссоздания на сцене сказочных персонажей и животных, анатомия которых содержит продольно-вытянутые управляемые гибкие элементы на основе гибких стержней. Разработана математическая модель и предложена методика расчета подобных систем. На основе теории больших деформаций криволинейных стержней для этого предложено использовать метод конечных элементов, и разработана программа численных расчетов.

5. Предложена и проработана оригинальная схема зооморфного робота на основе гибкого стержня для имитации змеевидного движения.

6. Сформулирован подход к решению прямой задачи динамики сценических демонстрационных роботов, построенных на основе гибких стержней.

7. Разработана методика построения зон возможных положений концевого звена для демонстрационного робота на основе многозвенного рычажного механизма.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1А. Смородов П. В., Волков А. Н. Исследование динамики платформы Стюарта // 30 неделя науки СПбГПУ: материалы межвузовской науч.-техн. конф. Ч. III. — СПб.: изд. СПбГПУ, 2001. — С. 12−13.

2А. Смородов П. В., Волков А. Н. Автоматизированные механизмы механизированного оснащения сцен оперных постановок // 32 неделя науки СПбГТУ: материалы межвузовской науч.-техн. конф. Ч. III. — СПб.: изд. СПбГТУ, 2003.-С. 17−18.

ЗА. Смородов П. В., Волков А. Н. Построение сценических демонстрационных роботов с многозвенными кинематическими цепями // 33 неделя науки СПбГТУ: материалы межвузовской науч.-техн. конф. Ч. III. -СПб.: изд. СПбГПУ, 2004. — С. 13−14.

4А. Волков А. Н., Смородов П. В., Демонстрационные роботы на сцене театра: фигуры великанов в тетралогии Р. Вагнера «Кольцо нибелунга» // Теория Механизмов и Машин. 2005. -№ 1. С. 70 — 76.

5А. Волков А. Н., Смородов П. В., Челпанов И. Б. Задачи механики сцены современного театра // Сб. докл. международной конф. МТ'04. — Варна, Болгария, 2004. — С. 99−100.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.