层叠式旋转视频艺术柱的机电系统设计*

张华书，荣佑民，林宝聚，刘连哲

（1.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074；2.大连科技馆，辽宁大连 116011；3.东莞华中科技大学制造工程研究院，广东东莞 523808）

层叠式旋转视频艺术柱的机电系统设计*

张华书1,3，荣佑民1,3，林宝聚2，刘连哲1

（1.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉 430074；2.大连科技馆，辽宁大连 116011；3.东莞华中科技大学制造工程研究院，广东东莞 523808）

提出一种立体的、动态的、图像可灵活拼接的层叠式旋转视频艺术柱的机电系统设计方案。内容包括：视频艺术柱的功能和应用；层叠式旋转结构设计；视频板支撑结构设计；视频艺术柱控制系统设计。

层叠；旋转；图像拼接；艺术柱

0 引言

在不同的公共场合比如文化广场，步行街，购物厅，展览展示厅，候机或候车厅等公共展示空间，大家所见到的视频广告均是平面的，静态的，单一的。这些视频展示牌包含的信息量少，展示形式呆板，缺乏活力，广告效果不尽如人意。本文所提出的视频艺术柱是一种立体的、层叠的、各层间可独立旋转的动态视频柱，它不仅可以分屏同时在360°方向上向周围展示画面信息，它的最大优点是视频图像还可以灵活拼接，根据脚本情节需要随时可将同向的视频板由独立画面拼成一幅大的整体画面，因而大大增强了艺术效果和广告效应，可更好的达到视觉传播的效果。图1是本文研制成功的由九块视频板组成的三层三棱视频艺术柱及其应用示意。

图1 层叠式旋转视频艺术柱

1 层叠式旋转机构

按这种艺术柱设计要求，首先要实现的功能是，每一层可以独立旋转，并且在旋转过程中，适当时还需让同一方向的各层画面拼接后同步运行。换言之，整个装置各层都在按一个固定的时间轴协调运行，以配合各视频板的画面播放序列是在“分屏”“合屏”过程中有序进行。因此，首先在机械上要求每一层能够独立运转，相互之间的运动不能牵扯和干扰，即要求是一种积木层叠式的设计；其次要求每一层的旋转机构为了满足同一个时间轴，因而每层配备的机电伺服驱动系统必须完全相同，以便提供一致的基本运动参数。其单层旋转机构如图2所示。

图2 一层旋转机构设计图

图2中机构表明：

（1）每层的中轴是固定的，中空的，它们既是视频柱旋转的中轴支撑，也提供了视频和电机的电缆通道；

（2）在中轴的上部和下部分别装有径向推力轴承，轴承的外圈装有旋转座，旋转座的外围分别加工出三个在圆周上均匀分布的连接平面；

（3）用三块C形支撑板将上下旋转座通过（2）中所述的连接平面固联在一起，这样，支撑板可以自由旋转，并作为旋转视频板的支撑骨架；

（4）各层的中轴相互之间用带止口定位的法兰形式连接，保证装置的垂直度和直线度；视频柱叠层层数的多少取决于客户需求，需要加层时直接通过中轴的法兰连接往上叠加便可，安装操作十分方便。

2 视频板支撑结构

图2中的C形支撑板布局方式显然在轴向方向可承受最大载荷且用料少，然而视频板的取向是背向中轴，支撑板是通过轴心的，要连接这两个处于不同方向的视频板和支撑板，必须通过一种连接件来完成。这种连接件以及连接方式如图3所示。

图3 视频板和支撑板的连接

3 旋转运动的驱动方式

以上设计方案基本决定了旋转驱动方式为行星驱动方式，因为三块C形支撑板和视频板的连接十分紧密，它们在旋转过程中所扫描出的是一个完整的圆柱体，不可能将一般的传动机构装在艺术柱外围，比如大小齿轮传动机构，链条链轮传动机构等。唯有利用C形支撑板所腾出的内部空间，装上伺服电机、同步带、行星齿轮等，让这些驱动系统的零部件随着C形支撑板一起绕中轴旋转。结构如图4所示。

图4 旋转柱的行星驱动结构

从图4中可以看出，由于内部空间的限制和结构布局的约束，设计中打破常理和习惯采用了行星蜗杆固定蜗轮结构，即蜗轮固定于中轴上不转，蜗杆自身旋转的同时还绕中轴旋转。这种方案制定基于三种考虑，其一，蜗轮蜗杆传动比较平稳，噪音小，振动小，有利于各视频稳定播放；其二，利用蜗轮蜗杆的90°变向传动特点，正好可以将蜗杆支架固联在C形支撑板上，简化了结构，减轻了重量；其三，蜗轮蜗杆机构有利于减速比的选取和电机惯量匹配，进而可弃掉减速器，选用小功率伺服电机驱动大惯量载荷。

4 控制系统设计

旋转视频艺术柱的控制系统如图5所示，控制系统从信号传输上分为两部分：图像传输部分和多自由度的运动信号传输部分，图像传输部分主要是利用播控软件实现多媒体内容的终端显示播放，而播放进程处于中控系统的监视之下；运动信号传输部分则是由中控系统发送的运动指令，经单片机处理之后通过运算放大器、驱动芯片等组成的模块，驱动伺服电机，完成各层视频板的旋转。为了实现播放内容和旋转运动的协调一致，即按导演所给出的脚本要求，时而“分屏”，时而“组屏”，所有的旋转运动指令，包含位置、速度、加速度、正反向等，都要求中控系统严格按事先编好的视频演播程序来同步发送指令。所以运动指令序列是受到播放进程的时间约束的。这种播放系统，利用的是一种动态多自由度数字标牌（Dynamic Multi Degree of Freedom Dig⁃ital Signage，DFDS）原理[1～3]，将数字显示本身和多自由度运动完美的结合起来。

图5 旋转视频艺术柱的控制系统框图

图6表明视频艺术柱除了强电电缆由外界连入以外，各层的控制信号传输均由控制服务器通过无线路由的方式完成。这种设计考虑使得整机干练，整体感强，也方便了运输，操作和维修。

图6 整机和外界的连接通信方式

5 结语

针对视频展示牌存在信息量少、形式单一、效果不尽如人意等问题，本文提出了一种层叠式旋转视频艺术柱，并针对其机电系统的旋转机构、显示终端支撑结构及视频艺术柱等设计进行了说明。该种设计方案易于组装、拆卸和后期维护工作，能够更加灵活、安全可靠地适用于展馆、展厅、车站、飞机场、商场等各类场合。

［1］秋波.数字标牌：新媒体、新趋势、新市场［J］. EDN电子设计技术，2009（6）：76-76.

［2］张进京.数字标牌-让合适的信息出现在所有合适的地方［J］.中国信息界，2012（11）：77-81.

［3］彭启琮.数字图像/视频信号处理新平台［M］.北京：电子工业出版社，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

张华书，男，1956年生，重庆人，硕士，副教授。研究领域：机电装备。已发表论文10篇。

(编辑：向 飞)

*国家自然科学基金（编号：50905065）；广东省产学研项目（编号：2011B090400381）；广东省科技计划项目（编号：2011B010100037）；东莞科技计划项目（编号：2011108102058、2011108102051）

2013－08－28