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

張 澄 馬應(yīng)龍藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司

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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

張 澄 馬應(yīng)龍藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司

【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

機(jī)械設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.概況及現(xiàn)狀

在現(xiàn)代工業(yè)化中，機(jī)械化的生產(chǎn)過程已經(jīng)逐漸替代了人工化，機(jī)械自動(dòng)化更是成為了現(xiàn)代生產(chǎn)方式的突出主題。雖然機(jī)械化、自動(dòng)化已經(jīng)逐漸替代了低下的人工化，但是由于加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的，還有大量的搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，尚未能被機(jī)械化替代，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，因?yàn)樵跈C(jī)械設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度極大的限制了機(jī)械自動(dòng)化的生產(chǎn)，所以擬人機(jī)器的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的出現(xiàn)，為這些只能用人工作業(yè)的機(jī)械化奠定了基礎(chǔ)。

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度一直都是限制機(jī)械設(shè)計(jì)突破的掣肘，如今雖然有眾多的學(xué)者博士在自由度理論方面投入很多精力研究，但現(xiàn)實(shí)是構(gòu)建的眾多六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)模型在實(shí)際使用中無法做到精準(zhǔn)抓取、操作速度快速等問題。因此，探討關(guān)于如何控制機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的問題還是任重道遠(yuǎn)的。

2.機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)功機(jī)構(gòu)自由度

根據(jù)機(jī)械原理，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)時(shí)所必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，稱為機(jī)構(gòu)自由度。例如機(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)的一個(gè)廣義的坐標(biāo)數(shù)目。機(jī)械的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)是給定的一個(gè)廣義的坐標(biāo)數(shù)目，普遍是用f來代表數(shù)目，假設(shè)這個(gè)構(gòu)件組合的f值是零，那么就表明他是一個(gè)結(jié)構(gòu)，但是也說明了它退化成為一個(gè)構(gòu)件。因此，f值小于零時(shí)，這個(gè)數(shù)目代表的就是一個(gè)機(jī)構(gòu)，還表明了相對(duì)運(yùn)動(dòng)是存在于各個(gè)構(gòu)件之間的。

3.自由度定義

機(jī)械設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度是被劃分為兩種，機(jī)械原理因?yàn)槲矬w在一個(gè)平面內(nèi)最多的自由度是3而不是6，因此有著平面機(jī)構(gòu)和空間機(jī)構(gòu)。

3.1平面機(jī)構(gòu)定義

平面機(jī)構(gòu)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，是不可忽視的一個(gè)重要因素，是指平面上，一個(gè)桿件由某點(diǎn)坐標(biāo)（a，b），通過a點(diǎn)的垂線ab形成與橫坐標(biāo)軸的夾角開決定，其中平面機(jī)構(gòu)是擁有3個(gè)自由度的，所以，其造成包括構(gòu)件的自由度、運(yùn)動(dòng)副及其分類、低副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副。

3.2空間機(jī)構(gòu)定義

空間機(jī)構(gòu)，其在機(jī)械設(shè)計(jì)中是設(shè)想不受空間約束的一個(gè)剛體桿件，這個(gè)桿件既能再正交的三個(gè)方向進(jìn)行平行移動(dòng)，更是可以以軸為中心，在正交的三個(gè)方向上進(jìn)行移動(dòng)，所以，空間機(jī)構(gòu)的桿件是擁有6個(gè)自由度。因此，在立體空間中，機(jī)械設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是能有6個(gè)自由度，其中三個(gè)沿著坐標(biāo)軸的移動(dòng)跟其他三個(gè)圍繞坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而構(gòu)建出一個(gè)獨(dú)立的機(jī)構(gòu)自由度，即為空間機(jī)構(gòu)自由度。

4.構(gòu)件的自由度

無論是平面機(jī)構(gòu)還是空間機(jī)構(gòu)，構(gòu)件都是其重要的組成部分，構(gòu)件自由度，其運(yùn)動(dòng)組成是機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中而產(chǎn)生的，他不但是基本機(jī)構(gòu)的要素之一。構(gòu)件作為單元體，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是屬于平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)組成機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制一種。因此，無論任何構(gòu)件，只要在空間中進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，都會(huì)有6個(gè)自由度表現(xiàn)出來：比如在坐標(biāo)系中，圍繞坐標(biāo)軸進(jìn)行移動(dòng)或者是圍繞坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，其構(gòu)件是只有三個(gè)自由度，構(gòu)件在平面內(nèi)，既可以在任意某點(diǎn)圍繞軸進(jìn)行移動(dòng)，還可以沿著軸方向而進(jìn)行移動(dòng)。

5.平面機(jī)構(gòu)的自由度

低副高副，是存在每個(gè)平面的，轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副組成低副，其中，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，每個(gè)平面都存在的高副、低副都是需要把兩個(gè)約束數(shù)引進(jìn)來計(jì)算，從而得出設(shè)計(jì)。比如使構(gòu)件在平面內(nèi)的機(jī)構(gòu)子自由度失去兩個(gè)，只保留其中一個(gè)，將高副引入一個(gè)約束數(shù)，這樣就有了失去一個(gè)自由度的構(gòu)件，但還保有兩個(gè)自由度，這樣就會(huì)讓設(shè)計(jì)者容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律。用來計(jì)算平面機(jī)構(gòu)時(shí)，把作為參考坐標(biāo)的機(jī)架用作相對(duì)固定，假設(shè)這個(gè)機(jī)構(gòu)是N個(gè)能動(dòng)構(gòu)件，那么這個(gè)機(jī)構(gòu)的構(gòu)件自由度總數(shù)為3N，當(dāng)運(yùn)動(dòng)副連接各個(gè)構(gòu)件時(shí)，運(yùn)動(dòng)副會(huì)引入約束減少自由度；再假設(shè)機(jī)構(gòu)中存在N個(gè)高副和N+1個(gè)低副，那當(dāng)所有引入約束數(shù)的移動(dòng)副是可以得出2N加上2N+2。因此，自由度公式是計(jì)算平面機(jī)構(gòu)等于可移動(dòng)構(gòu)件自由度減去引入約束數(shù)。

6.對(duì)六自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)際應(yīng)用探討

六自由度串聯(lián)機(jī)械手是由六個(gè)關(guān)節(jié)組成，機(jī)械手安裝在工作臺(tái)上，這種結(jié)構(gòu)使機(jī)械手擁有幾乎無限大的工作空間和高度的運(yùn)動(dòng)冗余性，并同時(shí)具有移動(dòng)和操作功能，這使它優(yōu)于普通的移動(dòng)機(jī)器人和傳統(tǒng)的機(jī)械手。一般在實(shí)際應(yīng)用過程中，若是六自由度機(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)械手的工作的進(jìn)行情況，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)。此類情況在現(xiàn)代航空航天制造領(lǐng)域中也同樣適用，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，這一個(gè)小環(huán)節(jié)的故障就很容易致使這整個(gè)機(jī)械手臂都無法正常進(jìn)行工作，整個(gè)飛行任務(wù)將受到耽誤。不但在高端行業(yè)中出現(xiàn)特殊情況，而且在實(shí)際機(jī)械手的使用中，機(jī)械設(shè)計(jì)中，往往對(duì)機(jī)械手的執(zhí)行器的某個(gè)姿態(tài)不加限制，使用非六自由度的機(jī)械手，因此這種具有容錯(cuò)性能的六自由度機(jī)械手位置逆解法應(yīng)用在普通的非六自由度機(jī)械手的位置反解問題上。因此，機(jī)械手位置逆解算法在探索如何控制機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度方面是行業(yè)內(nèi)的研究主流方向。

7.結(jié)語

通過探討，使六自由度機(jī)器人在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制方面實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中各種復(fù)雜軌跡的設(shè)計(jì)及利用方面做了進(jìn)一步的研究，不僅豐富了機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面的相關(guān)理論，也增加了在六自由度機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制問題的研究方法。為六自由度機(jī)器人位置逆解問題的深入研究和處理其他機(jī)構(gòu)學(xué)問題奠定了一定的基礎(chǔ)。因此，分析更多結(jié)構(gòu)的六自由度機(jī)器人，研究其在不同的方式下實(shí)現(xiàn)其復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制。為工業(yè)生產(chǎn)探索出更為完美的控制方式，是復(fù)雜控制變?yōu)楹唵?。?duì)更多種類的六自由度機(jī)器人位置逆解算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。提高仿真的易用性，易操作性和可擴(kuò)展性，為研究者和使用者提供一個(gè)良好的軟件平臺(tái)。

【參考文獻(xiàn)】

趙軍華，袁世先.機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的控制［J］.煤炭技術(shù)，2013，

隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)方式已經(jīng)在全面向著機(jī)械自動(dòng)化轉(zhuǎn)換，機(jī)械制造業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代主要的生產(chǎn)方式，因此，科學(xué)地進(jìn)行擬人化的機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)中的主要方向，所以本文主要進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度的探討。