有關機械設計中運動機構自由度的控制論文
有關機械設計中運動機構自由度的控制論文
1機械設計的相關概念
在機械設計領域，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、最最佳化的機械，是任何一個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，一般來說，最最佳化的設計滿足了最好工作效能、最低製造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少環境汙染等諸多方面的要求。這些要求之間看似互相矛盾，又存在著密不可分的關聯，它們在設計的整個環節都有著舉足輕重的地位。它們之間的相對重要性因機械種類和用途的不同而異。一個優秀的設計者，其主要任務就是按照各種各樣的複雜情況，具體問題具體分析，做到縱覽全域性，統籌兼顧，在權衡輕重的基礎上，使設計機械的綜合技術經濟效果達到最大化。
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，機構具有確定運動時所必須給定的獨立運動引數的數目(亦即為了使機構的位置得以確定，必須給定獨立的廣義座標的數目)，稱為機構自由度，其數目常以F表示。如果一個構件組合體的自由度F>0，他就可以成為一個機構，即表明各構件間可有相對運動;如果F=0，則它將是一個結構(structure)，即已退化為一個構件。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
一個杆件(剛體)在平面可以由其上任一點A的座標x和y，以及透過A點的垂線AB與橫座標軸的夾角等3個引數來決定，因此杆件具有3個自由度。
(2)空間機構自由度
一個杆件(剛體)，在空間上完全沒有約束，那麼它可以在3個正交方向上平動，還可以3個正交方向為軸進行轉動，那麼就有6個自由度。
在平面中，只有3個自由度，一者為面旋轉，二者為前後及左右2個移動。
在立體中，有6個自由度，3個為前後、上下及左右3個移動和前後、上下及左右3面旋轉。簡單來說就是沿3個座標軸的移動和繞3個座標軸的轉動。把構建相對於參考系具有獨立運動引數的數目稱為構件的自由度。
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杆件自由度之和減去運動副的約束。
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。任何一個構件在空間自由運動時皆有6個自由度。它可表達為在直角座標系內沿著3個座標軸的移動和繞3個座標軸的轉動。而對於一個作平面運動的構件，則只有3個自由度，構件AB在xoy平面內可以在任一點m繞z軸轉動，也可沿x軸或y軸方向移動。
3.2平面機構的自由度
在平面機構中每個平面低副(轉動副、移動副等)引入兩個約束，使構件失去兩個自由度，保留一個自由度。而每個平面高副(齒輪副、凸輪副等)引入一個約束，使構件失去一個自由度，保留兩個自由度。如果一個平面機構中包含有n個可動構件(機架為參考座標系，相對固定而不計)，在沒有用運動副聯接之前，這些可動構件的自由度總數應為3n。當各構件用運動副連線起來之後,由於運動副引入的約束使構件的自由度減少。若機構中有PL個低副和PH個高副。則所有運動副引入的約束數為2PL+PH。因此，自由度的計算可用可動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複合鉸鏈
兩個以上構件組成兩個或更多個共軸線的轉動副，即為複合鉸鏈。如圖所示構件在A處構成的複合鉸鏈。可知，此三構件共組成兩個共軸線轉動副，當有k個構件在同一處構成複合鉸鏈時，就構成k-1個共線轉動副。在計算機構自由度時，應仔細觀察是否有複合鉸鏈存在，以免算錯運動副的數目。
4.2區域性自由度
與輸出件運動無關的.自由度稱為機構的區域性自由度，在計算機構自由度時，可預先排除。
平面凸輪機構中，為減少高副接觸處的磨損，在從動件2上安裝一個滾子3，使其與凸輪1的輪廓線滾動接觸。顯然，滾子繞其自身軸線的轉動與否並不影響凸輪與從動件間的相對運動，因此滾子繞其自身軸線的轉動為機構的區域性自由度。在計算機構的自由度時應預先將轉動副C和構件3除去不計，設想將滾子3與從動件2固連在一起，作為一個構件來考慮。此時該機構中，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複的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。
平面機構的虛約束常出現於下列情況：
(1)不同構件上兩點間的距離保持恆定。
(2)兩構件構成各個移動副且導路互相平行。
(3)機構中對運動不起限制作用的對稱部分。
(4)被聯接件上點的軌跡與機構上聯接點的軌跡重合。
5六自由度機械手複雜運動的控制
我們主要以六自由度機械手複雜運動的控制為例進行分析。在實際應用中，六自由度機械手的某關節若出現故障，系統就會將該關節鎖定在當前角度。這樣，六自由度機械手就無法正常發揮作用，轉而成為五自由度機械手或稱欠自由度機械手。對於欠自由度機械手，如何透過有效的運動控制和軌跡規劃使其完成預期的任務至關重要。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法再正常投入工作，從而影響該航天飛行器正常任務的完成。這一點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，對於軌跡規劃出來的一系列中間位姿點，可能沒有對應的逆解。對於欠自由度機械手的位置逆解，向量代數、線性變換是實際應用中經常採用的方法。這種因關節故障原因形成的欠自由度機械手，使用具有容錯效能的機械手位置逆解演算法非常實用。如果採用普通的欠自由度機械手的位置逆解演算法，一旦某位姿的位置逆解無解，機械手的軌跡規劃就不可能實現，也就導致相應的任務不能及時完成。因此，研究具有容錯效能的六自由度機械手位置逆解演算法在機械設計和實用方面都有很高的價值。
6結束語
文中研究不僅豐富了機器人逆運動學分析方面的相關理論，而且透過在實際應用當中六自由度機器人在複雜運動控制方面的系統分析，為實現工業生產中各種複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複雜運動控制問題的研究方法。但是，仍然有一些問題尚未解決，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現其複雜運動控制。提高其模擬的易用性、易操作性和可擴充套件性，為工業生產探索出更為完美的控制方式，使複雜控制變為簡單。