關(guān)于如何控制機械設(shè)計中運動機構(gòu)自由度的探討

羅偉彬

摘 要：機械制造業(yè)在現(xiàn)代化建設(shè)過程中發(fā)揮著重要作用，所以科學(xué)地設(shè)計機械非常重要。闡述了機械設(shè)計中運動自由度的概念，重點介紹了平面機構(gòu)的自由度，同時，結(jié)合六自由度機械手的復(fù)雜運動控制，提出了控制機械設(shè)計中運動機構(gòu)自由度的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：機械設(shè)計；運動機構(gòu)；自由度；機械手

中圖分類號：TH122 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.116

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步帶動了其他很多行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在機械行業(yè)方面，技術(shù)創(chuàng)新更是尤為重要。如今，機器人的創(chuàng)造和使用使社會生活有了空前的變化，機器人技術(shù)在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事活動中的應(yīng)用無不起著巨大的積極作用。在機械制造行業(yè)當(dāng)中，模仿人手臂功能而制造出的機械手臂也是機器人系統(tǒng)中不可或缺的一部分。機械手臂可以代替人力去做那些危險或繁重的勞動，從而使工業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)機械化和自動化。如今，全世界的學(xué)者們在機械自由度理論研究方面投入了很多精力，構(gòu)建了許多六自由度機械手運動學(xué)的模型，但機械手在現(xiàn)實中和在復(fù)雜的工作條件下還不能進行很精準的作業(yè)，因此，探討如何控制機械設(shè)計中運動機構(gòu)的自由度和控制各種類型的機械手運動軌跡等問題，是現(xiàn)代機械制造行業(yè)的重要課題。

1 機械設(shè)計中的運動機構(gòu)自由度

機構(gòu)自由度是指根據(jù)機械學(xué)原理來確定機構(gòu)在具體的運動時，必須為之提供獨立運動參數(shù)的數(shù)目，即為了確定機械運動機構(gòu)的精準位置，需要給定機械獨立運動一個廣義的坐標(biāo)數(shù)目。一般用英文f來表示這個給定的數(shù)目。如果一個構(gòu)件組合體自由度f值是0，則表明它就是一個機構(gòu)，同時說明它已經(jīng)退化成為一個構(gòu)件；當(dāng)f值小于0時，那么它就是一個機構(gòu)，而且表明了各個構(gòu)件之間可以存在的相對運動。機械運動機構(gòu)自由度還可以詳細劃分為平面和空間兩種自由度。

1.1 平面機構(gòu)自由度

平面機構(gòu)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(biāo)（a，b）、通過a點的垂線ab和橫坐標(biāo)軸的夾角這三個參數(shù)來決定，所以它的桿件擁有3個自由度。

1.1.1 構(gòu)件的自由度

構(gòu)件自由度是構(gòu)件在機械運動的過程中有可能會發(fā)生的一項獨立運動，它是機構(gòu)的基本要素之一。構(gòu)件作為一個單元體，在平面機構(gòu)運動的過程中屬于組成機械設(shè)計中運動機構(gòu)自由度的控制。所以，任何一個構(gòu)件在空間里自由運動的時候，其具體地表現(xiàn)為6個自由度：在直角坐標(biāo)系內(nèi)，沿著三個坐標(biāo)軸移動或者繞三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動；對于一個在平面上運動的構(gòu)件來說，僅有3個自由度，即構(gòu)件ab在xoy平面內(nèi)，不但可以在任一點g處繞著z軸轉(zhuǎn)動，而且還可以沿著x軸、y軸方向移動。

1.1.2 平面機構(gòu)的自由度

每個平面都會存在低副和高副。低副包括轉(zhuǎn)動副和移動副，它們都需要引入兩個約束數(shù)，使構(gòu)件同時失去2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(shù)，但同時使構(gòu)件失去一個自由度，只保留下2個自由度。這樣就很容易發(fā)現(xiàn)如下情況：在某個平面機構(gòu)中，假如含有N個可動構(gòu)件，即機架僅作為參考坐標(biāo)，相對進行固定，未用運動副聯(lián)接前，這些可以運動的構(gòu)件自由度總數(shù)應(yīng)當(dāng)是3N；當(dāng)各個構(gòu)件用運動副連接后，運動副引入約束而減少構(gòu)件自由度；如果機構(gòu)中存在PL個低副、PH個高副，那么，所有運動副引入約束數(shù)可表示為2PL+PH。由此，用可移動構(gòu)件自由度的總數(shù)減去所引入約束的總數(shù)就可計算出平面機構(gòu)。

1.2 空間機構(gòu)自由度

空間機構(gòu)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平行移動，也能在三個正交方向上以軸為中心轉(zhuǎn)動，所以它的桿件就擁有6個自由度。由此可知，桿件在平面上擁有3個自由度，一個表現(xiàn)為面的旋轉(zhuǎn)，另兩個表現(xiàn)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(xiàn)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(zhuǎn)。所以，就把沿著三個坐標(biāo)軸移動以及繞三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動構(gòu)建出的相對獨立的運動參數(shù)的數(shù)目叫作機構(gòu)自由度。

2 對六自由度機械手運動控制的探討

一般在實際應(yīng)用過程中，如果六自由度機械手的某個或者某些關(guān)節(jié)發(fā)生故障，該關(guān)節(jié)在當(dāng)前的角度就會被機械系統(tǒng)鎖定住，這就直接影響了六自由度機械手的工作進展，會導(dǎo)致六自由度機械手本來的作用不能得以正確發(fā)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(xiàn)。對于此類問題，最重要的就是有效的軌跡規(guī)劃和運動控制，這樣機械手才能正常發(fā)揮作用，完成預(yù)期工作。例如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(fā)生故障，某個關(guān)節(jié)功能失常，導(dǎo)致其成為欠自由度機械手，就可能使整個機械手臂都無法正常工作，整個飛行任務(wù)受到影響。除此以外，欠自由度機械手在工作的空間環(huán)境中只能做到部分不完全定位，對于軌跡規(guī)劃的中間位置沒有相對應(yīng)的逆解方式。機械設(shè)計師們一般在實際應(yīng)用中采用向量代數(shù)線性變換法來進行處理。用容錯性能的機械手位置來進行逆解由關(guān)節(jié)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(shè)計中運動機構(gòu)自由度方面具有很高的研究價值。

3 結(jié)束語

機械制造業(yè)的發(fā)展方興未艾，相關(guān)人員要高度重視機械設(shè)計。本文探討了機械設(shè)計中，對運動機構(gòu)自由度的控制所需要注意的問題，并著重講述了六自由度機械手在各種現(xiàn)實復(fù)雜運動中的自由度的控制，希望可以為機械在各種復(fù)雜運動中運動和操作軌跡的設(shè)計技術(shù)上提供一些支持。將來，會有越來越多的六自由度機器人涌現(xiàn)并投入社會使用，它們在不同方式下的復(fù)雜運動控制值得深入研究，也需不斷優(yōu)化和拓展其仿真易用性，將復(fù)雜控制簡單化，努力實現(xiàn)更加理想的自由度控制方式。

參考文獻

[1]趙軍華，袁世先.機械設(shè)計中運動機構(gòu)自由度的控制[J].煤炭技術(shù)，2013（4）.

[2]宋海鷹，楊勇，祁偉，等.基于光電定位的六自由度機械手[J].制造業(yè)自動化，2013（2）.

〔編輯：王霞〕

Abstract： Machinery manufacturing plays in important role in the process of modernization； it is very important scientifically designed machinery. Mechanical Design explains the concept of freedom of movement， focusing on the freedom of planar mechanism， while the combination of complex motion control six degrees of freedom manipulator proposed practical significance to control the mechanical motion mechanism design freedom.

Key words： mechanical design； motion mechanism； freedom； manipulator