關于如何控制機械設計中運動機構自由度的探討

張 澄 馬應龍藥業集團股份有限公司

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關于如何控制機械設計中運動機構自由度的探討

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【文章摘要】

【關鍵詞】

機械設計；運動機構

1.概況及現狀

在現代工業化中，機械化的生產過程已經逐漸替代了人工化，機械自動化更是成為了現代生產方式的突出主題。雖然機械化、自動化已經逐漸替代了低下的人工化，但是由于加工、裝配等生產是不連續的，還有大量的搬運、裝配等作業，尚未能被機械化替代，有待于進一步實現機械化，因為在機械設計中，運動機構自由度極大的限制了機械自動化的生產，所以擬人機器的運動機構自由度的出現，為這些只能用人工作業的機械化奠定了基礎。

運動機構自由度一直都是限制機械設計突破的掣肘，如今雖然有眾多的學者博士在自由度理論方面投入很多精力研究，但現實是構建的眾多六自由度機械手運動模型在實際使用中無法做到精準抓取、操作速度快速等問題。因此，探討關于如何控制機械設計中運動機構自由度的問題還是任重道遠的。

2.機械設計中的運功機構自由度

根據機械原理，機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數的數目，稱為機構自由度。例如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。機械的獨立運動是給定的一個廣義的坐標數目，普遍是用f來代表數目，假設這個構件組合的f值是零，那么就表明他是一個結構，但是也說明了它退化成為一個構件。因此，f值小于零時，這個數目代表的就是一個機構，還表明了相對運動是存在于各個構件之間的。

3.自由度定義

機械設計中，運動機構自由度是被劃分為兩種，機械原理因為物體在一個平面內最多的自由度是3而不是6，因此有著平面機構和空間機構。

3.1平面機構定義

平面機構，在機械設計中，是不可忽視的一個重要因素，是指平面上，一個桿件由某點坐標（a，b），通過a點的垂線ab形成與橫坐標軸的夾角開決定，其中平面機構是擁有3個自由度的，所以，其造成包括構件的自由度、運動副及其分類、低副、轉動副、移動副。

3.2空間機構定義

空間機構，其在機械設計中是設想不受空間約束的一個剛體桿件，這個桿件既能再正交的三個方向進行平行移動，更是可以以軸為中心，在正交的三個方向上進行移動，所以，空間機構的桿件是擁有6個自由度。因此，在立體空間中，機械設計的運動機構是能有6個自由度，其中三個沿著坐標軸的移動跟其他三個圍繞坐標軸轉動，從而構建出一個獨立的機構自由度，即為空間機構自由度。

4.構件的自由度

無論是平面機構還是空間機構，構件都是其重要的組成部分，構件自由度，其運動組成是機構在運動過程中而產生的，他不但是基本機構的要素之一。構件作為單元體，在機構設計中，是屬于平面機構運動組成機械設計中運動機構自由度的控制一種。因此，無論任何構件，只要在空間中進行自由運動時，都會有6個自由度表現出來：比如在坐標系中，圍繞坐標軸進行移動或者是圍繞坐標軸轉動。在機械設計中，運動機構在平面運動時，其構件是只有三個自由度，構件在平面內，既可以在任意某點圍繞軸進行移動，還可以沿著軸方向而進行移動。

5.平面機構的自由度

低副高副，是存在每個平面的，轉動副和移動副組成低副，其中，在機械設計中，每個平面都存在的高副、低副都是需要把兩個約束數引進來計算，從而得出設計。比如使構件在平面內的機構子自由度失去兩個，只保留其中一個，將高副引入一個約束數，這樣就有了失去一個自由度的構件，但還保有兩個自由度，這樣就會讓設計者容易發現規律。用來計算平面機構時，把作為參考坐標的機架用作相對固定，假設這個機構是N個能動構件，那么這個機構的構件自由度總數為3N，當運動副連接各個構件時，運動副會引入約束減少自由度；再假設機構中存在N個高副和N+1個低副，那當所有引入約束數的移動副是可以得出2N加上2N+2。因此，自由度公式是計算平面機構等于可移動構件自由度減去引入約束數。

6.對六自由度機械手運動控制的實際應用探討

六自由度串聯機械手是由六個關節組成，機械手安裝在工作臺上，這種結構使機械手擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運動冗余性，并同時具有移動和操作功能，這使它優于普通的移動機器人和傳統的機械手。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。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就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。不但在高端行業中出現特殊情況，而且在實際機械手的使用中，機械設計中，往往對機械手的執行器的某個姿態不加限制，使用非六自由度的機械手，因此這種具有容錯性能的六自由度機械手位置逆解法應用在普通的非六自由度機械手的位置反解問題上。因此，機械手位置逆解算法在探索如何控制機械設計中運動機構自由度方面是行業內的研究主流方向。

7.結語

通過探討，使六自由度機器人在復雜運動控制方面實現工業生產中各種復雜軌跡的設計及利用方面做了進一步的研究，不僅豐富了機器人逆運動學分析方面的相關理論，也增加了在六自由度機器人復雜運動控制問題的研究方法。為六自由度機器人位置逆解問題的深入研究和處理其他機構學問題奠定了一定的基礎。因此，分析更多結構的六自由度機器人，研究其在不同的方式下實現其復雜運動控制。為工業生產探索出更為完美的控制方式，是復雜控制變為簡單。對更多種類的六自由度機器人位置逆解算法進行仿真驗證。提高仿真的易用性，易操作性和可擴展性，為研究者和使用者提供一個良好的軟件平臺。

【參考文獻】

趙軍華，袁世先.機械設計中運動機構自由度的控制［J］.煤炭技術，2013，

隨著科技的發展，生產方式已經在全面向著機械自動化轉換，機械制造業已經成為現代主要的生產方式，因此，科學地進行擬人化的機械設計已經成為機械設計中的主要方向，所以本文主要進行機械設計中運動機構自由度的探討。