有關(guān)機械設計中運動(dòng)機構自由度的控制論文
1機械設計的相關(guān)概念
在機械設計領(lǐng)域，力求在各種限定的條件(如材料、加工能力、理論知識和計算手段等)下設計出最好、最合理、最優(yōu)化的機械，是任何一個(gè)從事機械設計的主要目標。要做出好的設計，必須要綜合地考慮各種各樣的要求，一般來(lái)說(shuō)，最優(yōu)化的設計滿(mǎn)足了最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少環(huán)境污染等諸多方面的要求。這些要求之間看似互相矛盾，又存在著(zhù)密不可分的關(guān)聯(lián)，它們在設計的整個(gè)環(huán)節都有著(zhù)舉足輕重的地位。它們之間的相對重要性因機械種類(lèi)和用途的不同而異。一個(gè)優(yōu)秀的設計者，其主要任務(wù)就是按照各種各樣的復雜情況，具體問(wèn)題具體分析，做到縱覽全局，統籌兼顧，在權衡輕重的基礎上，使設計機械的綜合技術(shù)經(jīng)濟效果達到最大化。
2工程機械中的自由度及計算
2.1機構自由度
根據機械原理，機構具有確定運動(dòng)時(shí)所必須給定的獨立運動(dòng)參數的數目(亦即為了使機構的位置得以確定，必須給定獨立的廣義坐標的數目)，稱(chēng)為機構自由度，其數目常以F表示。如果一個(gè)構件組合體的自由度F>0，他就可以成為一個(gè)機構，即表明各構件間可有相對運動(dòng);如果F=0，則它將是一個(gè)結構(structure)，即已退化為一個(gè)構件。機構自由度又有平面機構自由度和空間機構自由度。
(1)平面機構自由度
一個(gè)桿件(剛體)在平面可以由其上任一點(diǎn)A的坐標x和y，以及通過(guò)A點(diǎn)的垂線(xiàn)AB與橫坐標軸的夾角等3個(gè)參數來(lái)決定，因此桿件具有3個(gè)自由度。
(2)空間機構自由度
一個(gè)桿件(剛體)，在空間上完全沒(méi)有約束，那么它可以在3個(gè)正交方向上平動(dòng)，還可以3個(gè)正交方向為軸進(jìn)行轉動(dòng)，那么就有6個(gè)自由度。
在平面中，只有3個(gè)自由度，一者為面旋轉，二者為前后及左右2個(gè)移動(dòng)。
在立體中，有6個(gè)自由度，3個(gè)為前后、上下及左右3個(gè)移動(dòng)和前后、上下及左右3面旋轉。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是沿3個(gè)坐標軸的移動(dòng)和繞3個(gè)坐標軸的轉動(dòng)。把構建相對于參考系具有獨立運動(dòng)參數的數目稱(chēng)為構件的自由度。
2.2自由度的計算
約束增加，自由度就減少，機構的自由度為組成桿件自由度之和減去運動(dòng)副的約束。
3平面機構的自由度
3.1構件的自由度
構件是機構中運動(dòng)的單元體，因此它是組成機構的基本要素。構件的自由度是構件可能出現的獨立運動(dòng)。任何一個(gè)構件在空間自由運動(dòng)時(shí)皆有6個(gè)自由度。它可表達為在直角坐標系內沿著(zhù)3個(gè)坐標軸的移動(dòng)和繞3個(gè)坐標軸的轉動(dòng)。而對于一個(gè)作平面運動(dòng)的構件，則只有3個(gè)自由度，構件AB在xoy平面內可以在任一點(diǎn)m繞z軸轉動(dòng)，也可沿x軸或y軸方向移動(dòng)。
3.2平面機構的自由度
在平面機構中每個(gè)平面低副(轉動(dòng)副、移動(dòng)副等)引入兩個(gè)約束，使構件失去兩個(gè)自由度，保留一個(gè)自由度。而每個(gè)平面高副(齒輪副、凸輪副等)引入一個(gè)約束，使構件失去一個(gè)自由度，保留兩個(gè)自由度。如果一個(gè)平面機構中包含有n個(gè)可動(dòng)構件(機架為參考坐標系，相對固定而不計)，在沒(méi)有用運動(dòng)副聯(lián)接之前，這些可動(dòng)構件的自由度總數應為3n。當各構件用運動(dòng)副連接起來(lái)之后,由于運動(dòng)副引入的約束使構件的自由度減少。若機構中有PL個(gè)低副和PH個(gè)高副。則所有運動(dòng)副引入的約束數為2PL+PH。因此，自由度的計算可用可動(dòng)構件的自由度總數減去約束的總數。
4計算平面機構的自由度應注意的事項
4.1復合鉸鏈
兩個(gè)以上構件組成兩個(gè)或更多個(gè)共軸線(xiàn)的轉動(dòng)副，即為復合鉸鏈。如圖所示構件在A(yíng)處構成的復合鉸鏈。可知，此三構件共組成兩個(gè)共軸線(xiàn)轉動(dòng)副，當有k個(gè)構件在同一處構成復合鉸鏈時(shí)，就構成k-1個(gè)共線(xiàn)轉動(dòng)副。在計算機構自由度時(shí)，應仔細觀(guān)察是否有復合鉸鏈存在，以免算錯運動(dòng)副的數目。
4.2局部自由度
與輸出件運動(dòng)無(wú)關(guān)的.自由度稱(chēng)為機構的局部自由度，在計算機構自由度時(shí)，可預先排除。
平面凸輪機構中，為減少高副接觸處的磨損，在從動(dòng)件2上安裝一個(gè)滾子3，使其與凸輪1的輪廓線(xiàn)滾動(dòng)接觸。顯然，滾子繞其自身軸線(xiàn)的轉動(dòng)與否并不影響凸輪與從動(dòng)件間的相對運動(dòng)，因此滾子繞其自身軸線(xiàn)的轉動(dòng)為機構的局部自由度。在計算機構的自由度時(shí)應預先將轉動(dòng)副C和構件3除去不計，設想將滾子3與從動(dòng)件2固連在一起，作為一個(gè)構件來(lái)考慮。此時(shí)該機構中，n=2，PL=2，PH=l。其機構自由度為F=3n-2PL-PH=3×2-2×2-1=1。
4.3虛約束
在特殊的幾何條件下，有些約束所起的限制作用是重復的，這種不起獨立限制作用的約束稱(chēng)為虛約束。
平面機構的虛約束常出現于下列情況：
(1)不同構件上兩點(diǎn)間的距離保持恒定。
(2)兩構件構成各個(gè)移動(dòng)副且導路互相平行。
(3)機構中對運動(dòng)不起限制作用的對稱(chēng)部分。
(4)被聯(lián)接件上點(diǎn)的軌跡與機構上聯(lián)接點(diǎn)的軌跡重合。
5六自由度機械手復雜運動(dòng)的控制
我們主要以六自由度機械手復雜運動(dòng)的控制為例進(jìn)行分析。在實(shí)際應用中，六自由度機械手的某關(guān)節若出現故障，系統就會(huì )將該關(guān)節鎖定在當前角度。這樣，六自由度機械手就無(wú)法正常發(fā)揮作用，轉而成為五自由度機械手或稱(chēng)欠自由度機械手。對于欠自由度機械手，如何通過(guò)有效的運動(dòng)控制和軌跡規劃使其完成預期的任務(wù)至關(guān)重要。例如，在航空航天方面的應用中，如果某航天飛行器所載的六自由度機械手的某關(guān)節出現故障，使其成為欠自由度機械手，就很容易導致該機械手無(wú)法再正常投入工作，從而影響該航天飛行器正常任務(wù)的完成。這一點(diǎn)在其他方面的應用中也是如此。
在工作空間內，欠自由度機械手往往只能達到全部定位和部分定向，對于軌跡規劃出來(lái)的一系列中間位姿點(diǎn)，可能沒(méi)有對應的逆解。對于欠自由度機械手的位置逆解，向量代數、線(xiàn)性變換是實(shí)際應用中經(jīng)常采用的方法。這種因關(guān)節故障原因形成的欠自由度機械手，使用具有容錯性能的機械手位置逆解算法非常實(shí)用。如果采用普通的欠自由度機械手的位置逆解算法，一旦某位姿的位置逆解無(wú)解，機械手的軌跡規劃就不可能實(shí)現，也就導致相應的任務(wù)不能及時(shí)完成。因此，研究具有容錯性能的六自由度機械手位置逆解算法在機械設計和實(shí)用方面都有很高的價(jià)值。
6結束語(yǔ)
文中研究不僅豐富了機器人逆運動(dòng)學(xué)分析方面的相關(guān)理論，而且通過(guò)在實(shí)際應用當中六自由度機器人在復雜運動(dòng)控制方面的系統分析，為實(shí)現工業(yè)生產(chǎn)中各種復雜軌跡的設計及利用方面做出了一些有益的探討，也增加了在六自由度機器人復雜運動(dòng)控制問(wèn)題的研究方法。但是，仍然有一些問(wèn)題尚未解決，我們還有必要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(shí)現其復雜運動(dòng)控制。提高其仿真的易用性、易操作性和可擴展性，為工業(yè)生產(chǎn)探索出更為完美的控制方式，使復雜控制變?yōu)楹?jiǎn)單。
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