宋寧，郭容，劉勇

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644601）

使用Blender驅(qū)動(dòng)制作機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)畫方法探索

宋寧，郭容，劉勇

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644601）

與其它動(dòng)畫相比，機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)畫基于物理邏輯，對精度有很高的要求。Blender的驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫功能在機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫這一領(lǐng)域獨(dú)具特色，具有很高的靈活性。本文以機(jī)械壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫作為載體，探索和論述了使用Blender驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫功能制作機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)畫的方法步驟，在分析曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理的基礎(chǔ)上，具體論述了動(dòng)畫模型建立、構(gòu)件自由度設(shè)置、驅(qū)動(dòng)與表達(dá)式創(chuàng)建等細(xì)節(jié)，為機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)畫制作提供了一套精確的解決方案。

曲柄滑塊；運(yùn)動(dòng)仿真；驅(qū)動(dòng)；約束；Blender

1 概述

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫是機(jī)械類虛擬仿真產(chǎn)品的基本組成部分。實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果有兩種方式，一種是使用動(dòng)畫軟件制作好動(dòng)畫，在需要時(shí)候播放；另一種使用程序產(chǎn)生動(dòng)畫。盡管后一種方法具有更大的自由度，但是編輯工作繁瑣，對系統(tǒng)資源消耗較多。因此，第一種動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)方式在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用最廣。在目前的主流動(dòng)畫軟件中，制作動(dòng)畫的方式主要包括關(guān)鍵幀動(dòng)畫、控制器動(dòng)畫、表達(dá)式動(dòng)畫和骨骼蒙皮動(dòng)畫幾種方式。其中表達(dá)式動(dòng)畫具有完美的理論正確性和精確度，適合用于制作機(jī)械動(dòng)畫。在眾多表達(dá)式動(dòng)畫軟件中，Blender驅(qū)動(dòng)動(dòng)畫的功能獨(dú)具特色：Blender中的物體屬性可以設(shè)為驅(qū)動(dòng)，設(shè)為驅(qū)動(dòng)的屬性可以與物體的其它屬性或者其它物體的屬性通過Python表達(dá)式關(guān)聯(lián)起來。利用這種關(guān)聯(lián)方式可以建立機(jī)構(gòu)構(gòu)件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，因此將該功能用于制作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫具特有的優(yōu)勢。以下以機(jī)械壓力機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫為例，討論使用Blender驅(qū)動(dòng)表達(dá)式制作機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)畫的方法和步驟。

一只沒洗的臭腳，有什么好摸的？難道有怪癖嗎？易非想，但又一想，據(jù)說有前清遺老喜歡女人的小腳和裹腳布，那看來怪癖是文脈相承的，也沒什么好奇怪了。只是，為什么要摸她的腳呢？

2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

2.1 機(jī)構(gòu)組成與運(yùn)動(dòng)定性分析

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為中小型機(jī)械壓力機(jī)的主要增力機(jī)構(gòu)，通過該機(jī)構(gòu)，來自電動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換為滑塊的直線運(yùn)動(dòng)。如圖1，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)由機(jī)架、曲柄、連桿、滑塊構(gòu)成。曲柄是該機(jī)構(gòu)中的原動(dòng)件，曲柄通過鉸鏈帶動(dòng)連桿一端轉(zhuǎn)動(dòng)；連桿另一端通過鉸鏈與滑塊連接，在隨曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，連桿推動(dòng)滑塊沿導(dǎo)軌移動(dòng)。該機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的自由度見表1。

圖1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)平面圖

表1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的自由度

2.2 滑塊與曲柄的運(yùn)動(dòng)關(guān)系

滑塊行程

式中：S——滑塊距離最低點(diǎn)的位移，mm； R——曲柄半徑，mm； L——連桿長度，mm；α——曲柄轉(zhuǎn)角，°。

根據(jù)滑塊位移與曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系以及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中構(gòu)件間的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，在Blender中設(shè)置各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的方法如下。

sinβ=λsinα+ελ

（1）新建一個(gè)空物件作為連桿與滑塊的轉(zhuǎn)動(dòng)副，并將其設(shè)置為滑塊的子物體，使其運(yùn)動(dòng)完全受滑塊控制。

在國內(nèi)的不少企業(yè)中存在著人員、資金及營銷能力有限，生產(chǎn)規(guī)模較小的情況。所以在進(jìn)行目標(biāo)市場定位時(shí)，避免為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，需要精準(zhǔn)定位。企業(yè)就對市場需求先進(jìn)行調(diào)查分析，找準(zhǔn)市場定位，提高產(chǎn)品檔次，才可以在市場中占有一席之地，否則只能降價(jià)銷售，企業(yè)的效益也受到損失。因此，精確的市場地位是非常重要的。

3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)建模

在Blender中有一個(gè)變換鎖定的功能，可用于現(xiàn)在構(gòu)件的自由度。限制構(gòu)件自由度的操作方法為，選中構(gòu)件，屬性面板切換到物體，找到變換鎖定欄，點(diǎn)擊需要限定的自由度上的“鎖”圖標(biāo)，即可限制對應(yīng)的自由度。被限制自由度的方向上，構(gòu)件不能再操作。

圖2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型

4 構(gòu)件自由度設(shè)置

使用Blender驅(qū)動(dòng)表達(dá)式制作動(dòng)畫的基本關(guān)鍵是動(dòng)畫模型要符合物理真實(shí)并且精確。機(jī)械壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)使用SolidWorks、UG NX等CAD軟件嚴(yán)格精確建模，通過dae或STL格式導(dǎo)入Blender。如果有必要，導(dǎo)入的模型可以適當(dāng)精簡，但是要注意精簡降低模型精度的同時(shí)也可能影響到后續(xù)制作動(dòng)畫的精度。Blender中物體默認(rèn)的旋轉(zhuǎn)中心是物體的原點(diǎn)，因此對于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，需要將原點(diǎn)調(diào)整到構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)軸。經(jīng)過整理的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)模型如圖2，圖中小圓點(diǎn)為各模型的原點(diǎn)。

5 設(shè)置機(jī)械元件之間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系

設(shè)為連桿系數(shù)，為偏置率，則有

在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，連桿和滑塊形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副，在滑塊的約束下，連桿的一端只能和滑塊同步移動(dòng)，這就是滑塊對連桿的約束。這一約束在Blender中可以通過鎖定跟隨（Locked Track）約束來表示。添加鎖定約束的方法為以下幾點(diǎn)。

表2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)屬性設(shè)置

“來，田同志、楊連長，李同志、王連長，臉盆拿著，這是團(tuán)里送給你們的新婚禮物。祝你們幸福恩愛，早點(diǎn)為我們555團(tuán)生養(yǎng)接班人，這也是555團(tuán)交給你們最新的革命任務(wù)，要認(rèn)真努力完成啊。好了，沙棗開花，各回各家?！?/p>

設(shè)置驅(qū)動(dòng)在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，滑塊的位移取決于曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，因此可設(shè)置滑塊的位移屬性S為驅(qū)動(dòng)屬性。設(shè)置方法為：選中滑塊構(gòu)件模型，轉(zhuǎn)至屬性面板，在自定義屬性S上點(diǎn)擊右鍵，在右鍵菜單中選擇“添加驅(qū)動(dòng)器”→“Manually Create Later（稍后手動(dòng)創(chuàng)建）”。設(shè)為驅(qū)動(dòng)的屬性默認(rèn)顯示為紫色背景。類似地，設(shè)置滑塊Y方向的位移屬性為驅(qū)動(dòng)，以便在下一步中通過Python表達(dá)式將Y方向的位移和自定義屬性中的S關(guān)聯(lián)起來。

人才培養(yǎng)注重與實(shí)際相結(jié)合，避免輕實(shí)踐、重理論的教學(xué)方式，注重學(xué)生的實(shí)踐能力培養(yǎng)。在校期間，以學(xué)期為階段對學(xué)生的實(shí)踐、管理、個(gè)人能力進(jìn)行分段式培養(yǎng)，避免突擊式、短期外出游玩式的實(shí)踐考察活動(dòng)。每個(gè)單獨(dú)的學(xué)期進(jìn)行實(shí)踐類課程的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，課程體系的設(shè)置由淺入深，使學(xué)生的專業(yè)能力在每一個(gè)學(xué)期結(jié)束后都有明顯提升。建立系統(tǒng)的實(shí)習(xí)計(jì)劃和漸進(jìn)式能力培養(yǎng)課程體系，課程設(shè)置要符合學(xué)校的地理位置特征，避免千校一面、開設(shè)課程重疊化，突出區(qū)域特征，形成特色鮮明的培養(yǎng)模式。加大選修課力度，豐富多樣、層次明晰的選課設(shè)置對學(xué)生綜合應(yīng)用能力的培養(yǎng)大有裨益。

設(shè)置驅(qū)動(dòng)表達(dá)式。對被設(shè)置為驅(qū)動(dòng)的屬性，其屬性值可以通過Python表達(dá)式自動(dòng)計(jì)算取得。要使用Python表達(dá)式，務(wù)必先在設(shè)置面板“文件”選項(xiàng)夾勾選“自動(dòng)運(yùn)行Python腳本”并保存。設(shè)置表達(dá)式的方法為以下幾點(diǎn)。①打開曲線編輯面板，模式切換為“驅(qū)動(dòng)器”，按N打開屬性面板，將屬性面板切換到“驅(qū)動(dòng)器”。②在屬性面板“驅(qū)動(dòng)器中”，先將表達(dá)式中要用到的變量添加進(jìn)來，例如var_alpha表示α變量。對于構(gòu)件上的自定義變量，“路徑”中用“[“屬性名”]”來取得，如圖3。③在“表達(dá)式”輸入框中，填入用于計(jì)算驅(qū)動(dòng)屬性值的Python表達(dá)式。表3是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中各參數(shù)屬性的驅(qū)動(dòng)表達(dá)式。

圖3 表達(dá)式變量設(shè)置

表3 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)表達(dá)式

6 建立機(jī)械元件之間的約束關(guān)系

設(shè)置各構(gòu)件的尺寸參數(shù)。設(shè)置方法為：選定用于存儲(chǔ)參數(shù)的構(gòu)件，在屬性面板點(diǎn)擊“添加”按鈕，構(gòu)件就會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)屬性；點(diǎn)擊新增屬性后的“編輯”按鈕，可以修改屬性的名稱、含義等相關(guān)設(shè)置。表2是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的屬性設(shè)置。

由于通常小于1，可取近似值

（2）先選中上一步建立的轉(zhuǎn)動(dòng)副，再選擇連桿，同時(shí)按下Ctrl+Shift+C快捷鍵，選擇“鎖定跟隨”，連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)受到轉(zhuǎn)動(dòng)副軸心位置的影響。

（3）單獨(dú)選擇連桿，轉(zhuǎn)至“屬性”面板，在約束選項(xiàng)夾下選擇受影響的旋轉(zhuǎn)方向和影響它的數(shù)值。必要時(shí)可以進(jìn)入物體編輯模式調(diào)整物體模型的初始朝向。在前述曲柄滑塊機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)中，受影響的旋轉(zhuǎn)軸為x軸。

當(dāng)上述曲面為球面時(shí)，設(shè)球面為Sβ，如圖4所示，其中oimmobile-ximmobileyimmobilezimmobile為實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系.此時(shí)，(10)式中的Gauss曲率K為球面半徑平方的倒數(shù).若沿Sβ上的一條閉曲線平移矢量一周后，與平移前相比的角度差別為：

7 解算動(dòng)畫與烘焙輸出

機(jī)構(gòu)中的元件運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系完全確定之后，運(yùn)行動(dòng)畫解算就能解算出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫。若要將動(dòng)畫導(dǎo)入圖像引擎，則必須需在導(dǎo)出前先對動(dòng)畫進(jìn)行烘焙。導(dǎo)出動(dòng)畫的格式通常為．fbx。

8 結(jié)語

本文以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為載體，討論使用Blender驅(qū)動(dòng)表達(dá)式功能制作機(jī)構(gòu)仿真動(dòng)畫的方法和步驟。該動(dòng)畫制作的方法具有符合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、表達(dá)自由、動(dòng)作準(zhǔn)確的特點(diǎn)。制作的動(dòng)畫能方便地導(dǎo)入圖像引擎，適合虛擬仿真使用。因此該動(dòng)畫制作方法便于推廣，具有一定的參考價(jià)值。

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TH112.1

A

1671-0711（2017）10（下）-0073-03