关于如何控制机械设计中运动机构自由度的探讨

张 澄 马应龙药业集团股份有限公司



关于如何控制机械设计中运动机构自由度的探讨

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【文章摘要】

【关键词】

机械设计；运动机构

1.概况及现状

在现代工业化中，机械化的生产过程已经逐渐替代了人工化，机械自动化更是成为了现代生产方式的突出主题。虽然机械化、自动化已经逐渐替代了低下的人工化，但是由于加工、装配等生产是不连续的，还有大量的搬运、装配等作业，尚未能被机械化替代，有待于进一步实现机械化，因为在机械设计中，运动机构自由度极大的限制了机械自动化的生产，所以拟人机器的运动机构自由度的出现，为这些只能用人工作业的机械化奠定了基础。

运动机构自由度一直都是限制机械设计突破的掣肘，如今虽然有众多的学者博士在自由度理论方面投入很多精力研究，但现实是构建的众多六自由度机械手运动模型在实际使用中无法做到精准抓取、操作速度快速等问题。因此，探讨关于如何控制机械设计中运动机构自由度的问题还是任重道远的。

2.机械设计中的运功机构自由度

根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定的独立运动参数的数目，称为机构自由度。例如机械运动机构的精准位置，需要给定机械独立运动的一个广义的坐标数目。机械的独立运动是给定的一个广义的坐标数目，普遍是用f来代表数目，假设这个构件组合的f值是零，那么就表明他是一个结构，但是也说明了它退化成为一个构件。因此，f值小于零时，这个数目代表的就是一个机构，还表明了相对运动是存在于各个构件之间的。

3.自由度定义

机械设计中，运动机构自由度是被划分为两种，机械原理因为物体在一个平面内最多的自由度是3而不是6，因此有着平面机构和空间机构。

3.1平面机构定义

平面机构，在机械设计中，是不可忽视的一个重要因素，是指平面上，一个杆件由某点坐标（a，b），通过a点的垂线ab形成与横坐标轴的夹角开决定，其中平面机构是拥有3个自由度的，所以，其造成包括构件的自由度、运动副及其分类、低副、转动副、移动副。

3.2空间机构定义

空间机构，其在机械设计中是设想不受空间约束的一个刚体杆件，这个杆件既能再正交的三个方向进行平行移动，更是可以以轴为中心，在正交的三个方向上进行移动，所以，空间机构的杆件是拥有6个自由度。因此，在立体空间中，机械设计的运动机构是能有6个自由度，其中三个沿着坐标轴的移动跟其他三个围绕坐标轴转动，从而构建出一个独立的机构自由度，即为空间机构自由度。

4.构件的自由度

无论是平面机构还是空间机构，构件都是其重要的组成部分，构件自由度，其运动组成是机构在运动过程中而产生的，他不但是基本机构的要素之一。构件作为单元体，在机构设计中，是属于平面机构运动组成机械设计中运动机构自由度的控制一种。因此，无论任何构件，只要在空间中进行自由运动时，都会有6个自由度表现出来：比如在坐标系中，围绕坐标轴进行移动或者是围绕坐标轴转动。在机械设计中，运动机构在平面运动时，其构件是只有三个自由度，构件在平面内，既可以在任意某点围绕轴进行移动，还可以沿着轴方向而进行移动。

5.平面机构的自由度

低副高副，是存在每个平面的，转动副和移动副组成低副，其中，在机械设计中，每个平面都存在的高副、低副都是需要把两个约束数引进来计算，从而得出设计。比如使构件在平面内的机构子自由度失去两个，只保留其中一个，将高副引入一个约束数，这样就有了失去一个自由度的构件，但还保有两个自由度，这样就会让设计者容易发现规律。用来计算平面机构时，把作为参考坐标的机架用作相对固定，假设这个机构是N个能动构件，那么这个机构的构件自由度总数为3N，当运动副连接各个构件时，运动副会引入约束减少自由度；再假设机构中存在N个高副和N+1个低副，那当所有引入约束数的移动副是可以得出2N加上2N+2。因此，自由度公式是计算平面机构等于可移动构件自由度减去引入约束数。

6.对六自由度机械手运动控制的实际应用探讨

六自由度串联机械手是由六个关节组成，机械手安装在工作台上，这种结构使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于普通的移动机器人和传统的机械手。一般在实际应用过程中，若是六自由度机械手的某个或者某些关节发生故障，该关节在当前的角度就会被机械系统锁定住，这就直接影响了六自由度机械手的工作的进行情况，会导致六自由度机械手本来的作用不能得以正确发挥，继而就会有五自由度机械手，又称“欠自由度机械手”问题的出现。此类情况在现代航空航天制造领域中也同样适用，航天飞行器一般都装有六自由度机械手臂，如果某个飞行器上的六自由度机械手发生故障，某个关节功能失常，导致其成为欠自由度机械手，这一个小环节的故障就很容易致使这整个机械手臂都无法正常进行工作，整个飞行任务将受到耽误。不但在高端行业中出现特殊情况，而且在实际机械手的使用中，机械设计中，往往对机械手的执行器的某个姿态不加限制，使用非六自由度的机械手，因此这种具有容错性能的六自由度机械手位置逆解法应用在普通的非六自由度机械手的位置反解问题上。因此，机械手位置逆解算法在探索如何控制机械设计中运动机构自由度方面是行业内的研究主流方向。

7.结语

通过探讨，使六自由度机器人在复杂运动控制方面实现工业生产中各种复杂轨迹的设计及利用方面做了进一步的研究，不仅丰富了机器人逆运动学分析方面的相关理论，也增加了在六自由度机器人复杂运动控制问题的研究方法。为六自由度机器人位置逆解问题的深入研究和处理其他机构学问题奠定了一定的基础。因此，分析更多结构的六自由度机器人，研究其在不同的方式下实现其复杂运动控制。为工业生产探索出更为完美的控制方式，是复杂控制变为简单。对更多种类的六自由度机器人位置逆解算法进行仿真验证。提高仿真的易用性，易操作性和可扩展性，为研究者和使用者提供一个良好的软件平台。

【参考文献】

赵军华，袁世先.机械设计中运动机构自由度的控制［J］.煤炭技术，2013，

随着科技的发展，生产方式已经在全面向着机械自动化转换，机械制造业已经成为现代主要的生产方式，因此，科学地进行拟人化的机械设计已经成为机械设计中的主要方向，所以本文主要进行机械设计中运动机构自由度的探讨。