基于Maya軟件的機構運動軌跡規劃方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及運動軌跡規劃領域，尤其涉及一種基于Maya軟件的機構運動軌跡規劃 方法。
【背景技術】
[0002] 機械機構如游樂場的游樂設施往往既有平移又有旋轉運動，為順利達到目標位 置，機構在運動過程中需要沿預定的軌道避開障礙物運動，因而通常需要預先對機構的運 動軌跡進行規劃。請參照圖1，按照現有的運動軌跡規劃方法，機構的加速度的變化在某些 地方存在不連續的情況，導致機構按照規劃的軌跡運動時，某些位置產生抖動，影響運動效 果和客戶體驗。

【發明內容】

[0003] 本發明實施例所要解決的技術問題在于，提供一種基于Maya軟件的機構運動軌跡 規劃方法，以使機構按照規劃的運動軌跡運動時無抖動，具有運行平穩，用戶體驗佳的技術 效果。
[0004] 為了解決上述技術問題，本發明實施例提出了一種基于Maya軟件的機構運動軌跡 規劃方法，包括以下步驟：
[0005] 建模步驟:在Maya軟件中，建立機構及其運動環境的三維模型，通過關鍵幀動畫設 置關鍵幀，生成機構的運動曲線；
[0006]目標函數構建步驟:采用一次多項式和五次多項式交替混合的方式對運動曲線進 行參數化描述以構建目標函數，并以建模步驟中的關鍵幀作為輸入，插值得到機構在每一 幀的運動數據；
[0007] 計算步驟:對目標函數求一階導數、二階導數，以分別得到機構在每一幀的速度、 加速度;及
[0008] 規劃步驟:根據預設的速度及加速度限制，判斷計算步驟得到的速度及加速度是 否超過限制，若均未超過，目標函數構建步驟得到運動數據即作為機構的目標運動曲線數 據，否則，增加超過部分所對應關鍵幀的時間，再重復目標函數構建步驟、計算步驟及規劃 步驟，直到得到不超限的速度及加速度。
[0009] 進一步地，關鍵幀由時間tk，k= 1，…，n及其對應的幀值xk，k= 1，…，n來確定，其 中，X為角位移或線位移。
[0010] 進一步地，運動曲線中相鄰兩個關鍵幀構成運動段，對于運動段k中的線性運動段 構造第一目標函數f(x)=xk，k=l，…，n，按照所述運動段k的運動距離與時間，即相鄰兩關 鍵幀的幀值之差xk+i_xk，k=l，'"n-l及對應的時間差tk+i_tk，k=l，…n-1，計算得到平均速 度，并將其作為該運動段線性運動的速度毛#，= 1，···《 -1。
[0011] 進一步地，對相鄰兩個運動段即運動段k和運動段k+Ι中的線性運動段的銜接過渡 段，按照設定的加速時間ta。。，構造第二目標函數舛〇 = /V +Γ，+1?2 + F，其中 的待定系數A、B、C、D、E及F由起始位置·％41 -ii4l /2，起始速度4+1，起始加速度〇,終止 位置％+1 +之+2 xlt / 2，終止速度心+2，終止加速度〇來計算確定，其中，t表示時間。
[0012] 進一步地，計算步驟與規劃步驟之間，或者規劃步驟之后還包括：
[0013] 檢驗步驟:對計算步驟得到的加速度求導，得到機構在每一幀的角加加速度，并生 成橫軸為時間，縱軸為角加加速度的角加加速度變化圖，若圖中不存在角加加速度正負值 的突變，則運動軌跡規劃成功。
[0014] 進一步地，所述機構為組成車體的旋轉座、第一旋轉臂、第二旋轉臂及座椅中的一 種或多種，其中，旋轉座旋轉地安裝于基座上，基座底部設有運行于軌道上的輪子，旋轉座、 第一旋轉臂、第二旋轉臂及座椅依次活動連接。
[0015] 進一步地，第一旋轉臂的速度范圍為-16m/s~16m/s，加速度范圍為-45m/s~2~ 45m/s~2〇
[0016] 本發明實施例通過在規劃機構運動軌跡時，采用線性運動與五次多項式插值運動 交替混合的方式，實現了在兩種運動方式過渡時速度與加速度的連續性，并且實現了在整 個運動過程中加速度變化的連續性，避免機構運動過程中產生抖動。
【附圖說明】
[0017] 圖1是按照現有運動軌跡規劃方法生成的機構對應的加速度變化示意圖。
[0018] 圖2是本發明實施例的車體結構示意圖。
[0019] 圖3是本發明實施例的基于Maya軟件的機構運動軌跡規劃方法流程示意圖。
[0020] 圖4是本發明實施例的通過Maya軟件關鍵幀動畫生成的第一旋轉臂運動軌跡圖。
[0021] 圖5是本發明實施例一次多項式和五次多項式擬合生成的運動曲線示意圖。
[0022] 圖6是本發明實施例的第一旋轉臂對應的速度變化示意圖。
[0023] 圖7是本發明實施例的第一旋轉臂對應的加速度變化示意圖。
[0024] 圖8是本發明實施例的第一旋轉臂對應的加加速度變化示意圖。
[0025] 附圖標號說明
[0026] 旋轉座10
[0027] 第一旋轉臂20
[0028] 第二旋轉臂30
[0029] 座椅 40
[0030] 基座 50
[0031] 軌道 1〇〇
[0032] 建模步驟S1
[0033]目標函數構建步驟S2 [0034] 計算步驟S3
[0035] 檢驗步驟S4
[0036] 規劃步驟S5。
【具體實施方式】
[0037] 需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相 互結合，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。需要說明的是，本說明書 中所有曲線圖的橫軸表示時間，單位為幀，運動幀率為100f/s。
[0038] 請參照圖2,本發明實施例所提到的機構為組成娛樂載人車的車體的旋轉座10、第 一旋轉臂20、第二旋轉臂30及座椅40中的一種或多種(本說明書的機構以第一旋轉臂20為 例進行說明）。具體地，所述旋轉座10旋轉地安裝于所述娛樂載人車的基座50上，基座50底 部設有運行于軌道100上的輪子，旋轉座10、第一旋轉臂20、第二旋轉臂30及座椅40依次活 動連接。其中，第一旋轉臂20可沿垂直于紙面的旋轉軸旋轉，運動行程為-12deg~7deg，速 度范圍為-16m/s~16m/s，加速度范圍為_45m/s~2~45m/s~2。
[0039] 本發明實施例在規劃機構運動軌跡時，先利用Maya軟件對機構及運動環境建模， 再用關鍵幀動畫的方法得到機構的運動曲線，動態仿真機構按運動曲線運動的視覺效果， 利用曲線編輯器交互修改關鍵位置，通過采用一次多項式與五次多項式運動交替混合的方 式，實現在兩種運動方式過渡時速度與加速度的連續性，并且實現在整個運動過程中加速 度變化的連續性，以使機構按照規劃的運動軌跡運動時無抖動，具有運行平穩，客戶體驗佳 的技術效果。
[0040] 請參照圖3，本發明實施例的基于Maya軟件的機構運動軌跡規劃方法包括以下幾 個步驟：
[0041] 建模步驟S1:在Maya軟件中，建立機構及運動環境的三維模型，根據設計要求通過 關鍵幀動畫設置關鍵幀，生成機構的運動曲線。
[0042]具體地，利用關鍵幀動畫方法，對第一旋轉臂20屬性設置關鍵幀，生成第一旋轉臂 20運動曲線，關鍵幀由時間tk，k = l，…，n及其對應的幀值xk，k = l，…，n來確定。如圖4所示， 其中，圖中的所有黑點標識為關鍵幀，曲線由Maya軟件內置算法自動生成，縱軸表示旋轉角 度，單位為deg。用關鍵幀動畫的方法，可根據設計的需要隨時調整關鍵幀的位置或值，直到 得到所需要的關鍵幀的幀值xk，k = l，…，n及對應的時間tk，k=l，···，n，在本說明書中以n = 11為例進行說明。在本說明書中，X為角位移