基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法技术

本发明专利技术实施例公开了提出了一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，包括建模步骤、目标函数构建步骤、计算步骤及规划步骤。本发明专利技术实施例通过在规划机构运动轨迹时，采用线性运动与五次多项式插值运动交替混合的方式，实现了在两种运动方式过渡时速度与加速度的连续性，并且实现了在整个运动过程中加速度变化的连续性，避免机构运动过程中产生抖动，具有运行平稳，用户体验佳的技术效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及运动轨迹规划领域，尤其涉及一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划 方法。
技术介绍
机械机构如游乐场的游乐设施往往既有平移又有旋转运动，为顺利达到目标位 置，机构在运动过程中需要沿预定的轨道避开障碍物运动，因而通常需要预先对机构的运 动轨迹进行规划。请参照图1，按照现有的运动轨迹规划方法，机构的加速度的变化在某些 地方存在不连续的情况，导致机构按照规划的轨迹运动时，某些位置产生抖动，影响运动效 果和客户体验。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种基于Maya软件的机构运动轨迹 规划方法，以使机构按照规划的运动轨迹运动时无抖动，具有运行平稳，用户体验佳的技术 效果。 为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提出了一种基于Maya软件的机构运动轨迹 规划方法，包括以下步骤： 建模步骤:在Maya软件中，建立机构及其运动环境的三维模型，通过关键帧动画设 置关键帧，生成机构的运动曲线；目标函数构建步骤:采用一次多项式和五次多项式交替混合的方式对运动曲线进 行参数化描述以构建目标函数，并以建模步骤中的关键帧作为输入，插值得到机构在每一 帧的运动数据； 计算步骤:对目标函数求一阶导数、二阶导数，以分别得到机构在每一帧的速度、 加速度;及 规划步骤:根据预设的速度及加速度限制，判断计算步骤得到的速度及加速度是 否超过限制，若均未超过，目标函数构建步骤得到运动数据即作为机构的目标运动曲线数 据，否则，增加超过部分所对应关键帧的时间，再重复目标函数构建步骤、计算步骤及规划 步骤，直到得到不超限的速度及加速度。 进一步地，关键帧由时间tk，k= 1，…，n及其对应的帧值xk，k= 1，…，n来确定，其 中，X为角位移或线位移。 进一步地，运动曲线中相邻两个关键帧构成运动段，对于运动段k中的线性运动段 构造第一目标函数f(x)=xk，k=l，…，n，按照所述运动段k的运动距离与时间，即相邻两关 键帧的帧值之差xk+i_xk，k=l，'"n-l及对应的时间差tk+i_tk，k=l，…n-1，计算得到平均速 度，并将其作为该运动段线性运动的速度毛#，= 1，···《 -1。 进一步地，对相邻两个运动段即运动段k和运动段k+Ι中的线性运动段的衔接过渡 段，按照设定的加速时间ta。。，构造第二目标函数舛〇 = /V +Γ，+1?2 + F，其中 的待定系数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,终止 位置％+1 +之+2 xlt / 2，终止速度心+2，终止加速度〇来计算确定，其中，t表示时间。 进一步地，计算步骤与规划步骤之间，或者规划步骤之后还包括： 检验步骤:对计算步骤得到的加速度求导，得到机构在每一帧的角加加速度，并生 成横轴为时间，纵轴为角加加速度的角加加速度变化图，若图中不存在角加加速度正负值 的突变，则运动轨迹规划成功。 进一步地，所述机构为组成车体的旋转座、第一旋转臂、第二旋转臂及座椅中的一 种或多种，其中，旋转座旋转地安装于基座上，基座底部设有运行于轨道上的轮子，旋转座、 第一旋转臂、第二旋转臂及座椅依次活动连接。 进一步地，第一旋转臂的速度范围为-16m/s~16m/s，加速度范围为-45m/s~2~ 45m/s~2〇 本专利技术实施例通过在规划机构运动轨迹时，采用线性运动与五次多项式插值运动 交替混合的方式，实现了在两种运动方式过渡时速度与加速度的连续性，并且实现了在整 个运动过程中加速度变化的连续性，避免机构运动过程中产生抖动。【附图说明】 图1是按照现有运动轨迹规划方法生成的机构对应的加速度变化示意图。 图2是本专利技术实施例的车体结构示意图。 图3是本专利技术实施例的流程示意图。 图4是本专利技术实施例的通过Maya软件关键帧动画生成的第一旋转臂运动轨迹图。 图5是本专利技术实施例一次多项式和五次多项式拟合生成的运动曲线示意图。 图6是本专利技术实施例的第一旋转臂对应的速度变化示意图。 图7是本专利技术实施例的第一旋转臂对应的加速度变化示意图。 图8是本专利技术实施例的第一旋转臂对应的加加速度变化示意图。 附图标号说明 旋转座10 第一旋转臂20 第二旋转臂30 座椅 40 基座 50 轨道 1〇〇 建模步骤S1目标函数构建步骤S2 计算步骤S3 检验步骤S4 规划步骤S5。【具体实施方式】 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相 互结合，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。需要说明的是，本说明书 中所有曲线图的横轴表示时间，单位为帧，运动帧率为100f/s。 请参照图2,本专利技术实施例所提到的机构为组成娱乐载人车的车体的旋转座10、第 一旋转臂20、第二旋转臂30及座椅40中的一种或多种(本说明书的机构以第一旋转臂20为 例进行说明）。具体地，所述旋转座10旋转地安装于所述娱乐载人车的基座50上，基座50底 部设有运行于轨道100上的轮子，旋转座10、第一旋转臂20、第二旋转臂30及座椅40依次活 动连接。其中，第一旋转臂20可沿垂直于纸面的旋转轴旋转，运动行程为-12deg~7deg，速 度范围为-16m/s~16m/s，加速度范围为_45m/s~2~45m/s~2。 本专利技术实施例在规划机构运动轨迹时，先利用Maya软件对机构及运动环境建模， 再用关键帧动画的方法得到机构的运动曲线，动态仿真机构按运动曲线运动的视觉效果， 利用曲线编辑器交互修改关键位置，通过采用一次多项式与五次多项式运动交替混合的方 式，实现在两种运动方式过渡时速度与加速度的连续性，并且实现在整个运动过程中加速 度变化的连续性，以使机构按照规划的运动轨迹运动时无抖动，具有运行平稳，客户体验佳 的技术效果。 请参照图3，本专利技术实施例的包括以下几 个步骤： 建模步骤S1:在Maya软件中，建立机构及运动环境的三维模型，根据设计要求通过 关键帧动画设置关键帧，生成机构的运动曲线。具体地，利用关键帧动画方法，对第一旋转臂20属性设置关键帧，生成第一旋转臂 20运动曲线，关键帧由时间tk，k = l，…，n及其对应的帧值xk，k = l，…，n来确定。如图4所示， 其中，图中的所有黑点标识为关键帧，曲线由Maya软件内置算法自动生成，纵轴表示旋转角 度，单位为deg。用关键帧动画的方法，可根据设计的需要随时调整关键帧的位置或值，直到 得到所需要的关键帧的帧值xk，k = l，…，n及对应的时间tk，k=l，···，n，在本说明书中以n = 11为例进行说明。在本说明书中，X为角位移当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Maya软件的机构运动轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：建模步骤：在Maya软件中，建立机构及其运动环境的三维模型，通过关键帧动画设置关键帧，生成机构的运动曲线；目标函数构建步骤：采用一次多项式和五次多项式交替混合的方式对运动曲线进行参数化描述以构建目标函数，并以建模步骤中的关键帧作为输入，插值得到机构在每一帧的运动数据；计算步骤：对目标函数求一阶导数、二阶导数，以分别得到机构在每一帧的速度、加速度；及规划步骤：根据预设的速度及加速度限制，判断计算步骤得到的速度及加速度是否超过限制，若均未超过，目标函数构建步骤得到运动数据即作为机构的目标运动曲线数据，否则，增加超过部分所对应关键帧的时间，再重复目标函数构建步骤、计算步骤及规划步骤，直到得到不超限的速度及加速度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，戎志刚，刘道强，高敬义，
申请(专利权)人：深圳华强智能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44