關(guān)于如何控制機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的探討

羅偉彬

摘 要：機(jī)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(jì)機(jī)械非常重要。闡述了機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)自由度的概念，重點(diǎn)介紹了平面機(jī)構(gòu)的自由度，同時(shí)，結(jié)合六自由度機(jī)械手的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制，提出了控制機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；自由度；機(jī)械手

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)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(jìn)步帶動(dòng)了其他很多行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在機(jī)械行業(yè)方面，技術(shù)創(chuàng)新更是尤為重要。如今，機(jī)器人的創(chuàng)造和使用使社會(huì)生活有了空前的變化，機(jī)器人技術(shù)在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、軍事活動(dòng)中的應(yīng)用無不起著巨大的積極作用。在機(jī)械制造行業(yè)當(dāng)中，模仿人手臂功能而制造出的機(jī)械手臂也是機(jī)器人系統(tǒng)中不可或缺的一部分。機(jī)械手臂可以代替人力去做那些危險(xiǎn)或繁重的勞動(dòng)，從而使工業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。如今，全世界的學(xué)者們在機(jī)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型，但機(jī)械手在現(xiàn)實(shí)中和在復(fù)雜的工作條件下還不能進(jìn)行很精準(zhǔn)的作業(yè)，因此，探討如何控制機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度和控制各種類型的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡等問題，是現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)的重要課題。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度

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

1.1 平面機(jī)構(gòu)自由度

平面機(jī)構(gòu)自由度，就是在平面上，一個(gè)剛體的桿件可由任何一點(diǎn)a的坐標(biāo)（a，b）、通過a點(diǎn)的垂線ab和橫坐標(biāo)軸的夾角這三個(gè)參數(shù)來決定，所以它的桿件擁有3個(gè)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的過程中有可能會(huì)發(fā)生的一項(xiàng)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，它是機(jī)構(gòu)的基本要素之一。構(gòu)件作為一個(gè)單元體，在平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過程中屬于組成機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制。所以，任何一個(gè)構(gòu)件在空間里自由運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其具體地表現(xiàn)為6個(gè)自由度：在直角坐標(biāo)系內(nèi)，沿著三個(gè)坐標(biāo)軸移動(dòng)或者繞三個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；對于一個(gè)在平面上運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件來說，僅有3個(gè)自由度，即構(gòu)件ab在xoy平面內(nèi)，不但可以在任一點(diǎn)g處繞著z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而且還可以沿著x軸、y軸方向移動(dòng)。

1.1.2 平面機(jī)構(gòu)的自由度

每個(gè)平面都會(huì)存在低副和高副。低副包括轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，它們都需要引入兩個(gè)約束數(shù)，使構(gòu)件同時(shí)失去2個(gè)自由度，但是只保留其中一個(gè)自由度。高副是指凸輪副和齒輪副，它們都需要引入一個(gè)約束數(shù)，但同時(shí)使構(gòu)件失去一個(gè)自由度，只保留下2個(gè)自由度。這樣就很容易發(fā)現(xiàn)如下情況：在某個(gè)平面機(jī)構(gòu)中，假如含有N個(gè)可動(dòng)構(gòu)件，即機(jī)架僅作為參考坐標(biāo)，相對進(jìn)行固定，未用運(yùn)動(dòng)副聯(lián)接前，這些可以運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件自由度總數(shù)應(yīng)當(dāng)是3N；當(dāng)各個(gè)構(gòu)件用運(yùn)動(dòng)副連接后，運(yùn)動(dòng)副引入約束而減少構(gòu)件自由度；如果機(jī)構(gòu)中存在PL個(gè)低副、PH個(gè)高副，那么，所有運(yùn)動(dòng)副引入約束數(shù)可表示為2PL+PH。由此，用可移動(dòng)構(gòu)件自由度的總數(shù)減去所引入約束的總數(shù)就可計(jì)算出平面機(jī)構(gòu)。

1.2 空間機(jī)構(gòu)自由度

空間機(jī)構(gòu)的自由度，即一個(gè)剛體桿件不受空間約束，不僅可以在三個(gè)正交方向上平行移動(dòng)，也能在三個(gè)正交方向上以軸為中心轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它的桿件就擁有6個(gè)自由度。由此可知，桿件在平面上擁有3個(gè)自由度，一個(gè)表現(xiàn)為面的旋轉(zhuǎn)，另兩個(gè)表現(xiàn)為前后、左右2個(gè)角度的移動(dòng)；桿件在立體空間中擁有6個(gè)自由度，三個(gè)表現(xiàn)在前后、上下、左右三個(gè)角度的移動(dòng)，另外三個(gè)則在前后、上下、左右三個(gè)面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。所以，就把沿著三個(gè)坐標(biāo)軸移動(dòng)以及繞三個(gè)坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)建出的相對獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目叫作機(jī)構(gòu)自由度。

2 對六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制的探討

一般在實(shí)際應(yīng)用過程中，如果六自由度機(jī)械手的某個(gè)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(huì)被機(jī)械系統(tǒng)鎖定住，這就直接影響了六自由度機(jī)械手的工作進(jìn)展，會(huì)導(dǎo)致六自由度機(jī)械手本來的作用不能得以正確發(fā)揮，繼而就會(huì)有五自由度機(jī)械手，又稱“欠自由度機(jī)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(yùn)動(dòng)控制，這樣機(jī)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(jī)械手臂，如果某個(gè)飛行器上的六自由度機(jī)械手發(fā)生故障，某個(gè)關(guān)節(jié)功能失常，導(dǎo)致其成為欠自由度機(jī)械手，就可能使整個(gè)機(jī)械手臂都無法正常工作，整個(gè)飛行任務(wù)受到影響。除此以外，欠自由度機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)師們一般在實(shí)際應(yīng)用中采用向量代數(shù)線性變換法來進(jìn)行處理。用容錯(cuò)性能的機(jī)械手位置來進(jìn)行逆解由關(guān)節(jié)故障形成的欠自由度機(jī)械手，這種算法十分實(shí)用，因此，容錯(cuò)性能的機(jī)械手位置逆解法在探究如何控制機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度方面具有很高的研究價(jià)值。

3 結(jié)束語

機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方興未艾，相關(guān)人員要高度重視機(jī)械設(shè)計(jì)。本文探討了機(jī)械設(shè)計(jì)中，對運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jī)械手在各種現(xiàn)實(shí)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中的自由度的控制，希望可以為機(jī)械在各種復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)和操作軌跡的設(shè)計(jì)技術(shù)上提供一些支持。將來，會(huì)有越來越多的六自由度機(jī)器人涌現(xiàn)并投入社會(huì)使用，它們在不同方式下的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)更加理想的自由度控制方式。

參考文獻(xiàn)

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〔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