關于如何控制機械設計中運動機構自由度的探討

【摘 要】機械制造業在現代化建設過程中發揮著重要作用，科學地進行機械設計很重要。本文闡述了機械設計中運動自由度的概念，重點介紹了平面機構的自由度，同時，結合六自由度機械手的復雜運動控制，提出了控制機械設計中運動機構自由度的現實意義，探討之后可以看出在機械運動自由度方面還有許多需要我們努力的地方，期待與同行共同學習進步。

【關鍵詞】機械設計；運動機構；自由度

0.引言

科學技術的發展和進步帶動了其他很多行業蓬勃發展，在機械行業方面技術創新更是尤為重要的。如今機器人的創造和使用，使社會生活有了空前的變化，機器人技術在日常生活、工業生產、軍事活動中的應用無不起到巨大的積極作用。在機械制造行業當中，模仿人的手臂功能而制造出的機械手臂也算是機器人系統中的不可或缺的一部分。可以在現代發達的技術力量支撐下，進行各種動作的操作，只需要給它們設定好固定的程序，機械手臂就可以進行自動搬運、抓取或者操作各種工具。機械手臂可以代替人力去做那些危險的或者繁重的勞動，從而使工業生產實現機械化和自動化。如今全世界的學者博士們在機械自由度理論知識方面投入了很多精力研究，構建了許多六自由度機械手運動學的模型，但機械手在現實中、在復雜的工作條件下還不能進行很精準的作業。比如排爆機械手，在現實排爆工作中對需要抓取的物體不能提前預知其精確的位置定位，所以在抓取物體時會出現操作速度緩慢、抓取不精準等問題。因此，探討如何控制機械設計中運動機構的自由度以及控制各種類型的機械手運動軌跡等問題，是現代機械制造行業的重要課題，任重而道遠。

1.機械設計中的運動機構自由度

1.1運動機構自由度概述

機構自由度是指根據機械學原理來確定機構在具體的運動時，必須為之提供獨立運動參數的數目。即為了可以確定機械運動機構的精準位置，需要給定機械獨立運動的一個廣義的坐標數目。一般用英文f來表示這個給定的數目：如果一個構件組合體自由度f值是零，則表明它就是一個結構，同時說明它已經退化成為一個構件。當f值小于零時，那么它就是一個機構，而且表明了各個構件之間可以存在的相對運動；機械運動機構自由度還可以詳細的劃分為平面的和空間的兩種自由度。

1.2平面機構自由度定義

平面機構自由度，就是在平面上，一個剛體的桿件可由任何一點a的坐標（a，b），以及通過a點的垂線ab與橫坐標軸的夾角這三個個參數來決定，所以它的桿件擁有3個自由度。

1.3空間機構自由度定義

空間機構的自由度，即一個剛體桿件不受空間約束，不僅可以在三個正交方向上進行平行移動，而且也能在三個正交方向上以軸為中心進行轉動，所以它的桿件就擁有6個自由度。 由此可以得知，桿件在平面上擁有3個自由度，一個表現為面的旋轉，另兩個表現為前后、左右2個角度的移動；桿件在立體空間中擁有6個自由度，三個表現在前后、上下、左右三個角度的移動，另外三個則在前后、上下、左右三個面進行旋轉。所以，就把沿著三個坐標軸移動，以及繞三個坐標軸轉動，構建出的相對獨立的運動參數的數目叫做機構自由度。

1.4平面機構自由度

1.4.1構件的自由度

構件自由度是構件在機械運動的過程中有可能會發生的一項獨立運動，它是機構的基本要素之一。構件作為一個單元體，在平面機構運動的過程中屬于組成機械設計中運動機構自由度的控制。所以說，任何一個構件在進行空間的自由運動的時候，其具體地表現為6個自由度：在直角坐標系內，沿著三個坐標軸進行移動，或者繞三個坐標軸進行轉動；對于一個在平面上進行運動的構件來說，僅有3個自由度，即構件ab在xoy平面內，不但可以在任一點g處繞著z軸進行轉動，而且還可以沿著x軸、y軸方向進行移動。

1.4.2平面機構的自由度

每個平面都會存在低副和高副。低副包括轉動副和移動副，它們都是需要引入兩個約束數，使構件同時失去兩個自由度，但是只保留其中一個自由度；高副是指凸輪副和齒輪副，它們都需要引入一個約束數，但同時使構件失去一個自由度，然而保留下兩個自由度。這樣就很容易發現如下規律：在某個平面機構中，假如含有N個可動構件，即機架僅作為參考坐標，相對進行固定，未用運動副聯接前，這些可以運動的構件自由度總數應當是3N；當各個構件用運動副連接后，運動副引入約束而減少構件自由度；如果機構中存在PL個低副PH個高副，那么所有運動副引入約束數可以表示為2PL加上PH。由此，計算自由度的公式就可以得出：可移動構件自由度的總數減去所引入約束的總數來計算平面機構。

2.對六自由度機械手運動控制的探討

為了探討如何控制運動機為構的自由度，為了深度尋找運動機構自由度的潛在規律以及對其控制的有效措施，下面主要對六自由度機械手復雜運動的控制進行探討和分析。一般在實際應用過程中，若是六自由度機械手的某個或者某些關節發生故障，該關節在當前的角度就會被機械系統鎖定住，這就直接影響了六自由度機械手的工作的進行情況，會導致六自由度機械手本來的作用不能得以正確發揮，繼而就會有五自由度機械手，又稱“欠自由度機械手”問題的出現。所以對于此類問題來說，尤其重要的就是有效的軌跡規劃和運動控制，這樣的話機械手才能發揮正常功能，完成預期工作。此類情況在現代航空航天制造領域中也同樣適用，航天飛行器一般都裝有六自由度機械手臂，如果某個飛行器上的六自由度機械手發生故障，某個關節功能失常，導致其成為欠自由度機械手，這一個小環節的故障舅很容易致使這整個機械手臂都無法正常進行工作，整個飛行任務將受到耽誤。道理是一樣的，在其它的方面這些現象也是如此。除此以外，欠自由度機械手在工作的空間環境中只能做到部分不完全定位，對于軌跡規劃的中間位置沒有相對應的逆解方式。機械設計師們一般在實際應用中經常采用向量代數線性變換法來進行處理。可用容錯性能的機械手位置來進行逆解由關節故障形成的欠自由度機械手，這種算法十分實用。因此，容錯性能的機械手位置逆解法在探究如何控制機械設計中運動機構自由度方面具有很高的研究價值。

3.結束語

機械制造業的發展方興未艾，相關人員要高度重視機械設計方面。本文探討了機械設計中，對運動機構自由度的控制需要注意哪些問題，可以為機器人的設計制造提供了一些借鑒和參考。文中還著重講述了六自由度機械手在各種現實復雜運動中的自由度的控制方面，也希望可以對機械制造行業，關于機械在各種復雜運動中的運動和操作軌跡的設計技術上提供一些支持。將來越來越多的六自由度機器人會涌現并投入社會使用，它們在不同方式下的復雜運動控制值得深入研究，需不斷優化和拓展其仿真易用性，將復雜控制簡單化，努力實現更加理想的自由度控制方式。

【參考文獻】

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