有關(guān)機械設(shè)計中運動機構(gòu)自由度的控制論文
1機械設(shè)計的相關(guān)概念
在機械設(shè)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(shè)計出最好、最合理、最優(yōu)化的機械，是任何一個從事機械設(shè)計的主要目標。要做出好的設(shè)計，必須要綜合地考慮各種各樣的要求，一般來說，最優(yōu)化的設(shè)計滿足了最好工作性能、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，又存在著密不可分的關(guān)聯(lián)，它們在設(shè)計的整個環(huán)節(jié)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(yōu)秀的設(shè)計者，其主要任務(wù)就是按照各種各樣的復(fù)雜情況，具體問題具體分析，做到縱覽全局，統(tǒng)籌兼顧，在權(quán)衡輕重的基礎(chǔ)上，使設(shè)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(gòu)自由度
根據(jù)機械原理，機構(gòu)具有確定運動時所必須給定的獨立運動參數(shù)的數(shù)目(亦即為了使機構(gòu)的位置得以確定，必須給定獨立的廣義坐標的數(shù)目)，稱為機構(gòu)自由度，其數(shù)目常以F表示。如果一個構(gòu)件組合體的自由度F>0，他就可以成為一個機構(gòu)，即表明各構(gòu)件間可有相對運動;如果F=0，則它將是一個結(jié)構(gòu)(structure)，即已退化為一個構(gòu)件。機構(gòu)自由度又有平面機構(gòu)自由度和空間機構(gòu)自由度。
(1)平面機構(gòu)自由度
一個桿件(剛體)在平面可以由其上任一點A的坐標x和y，以及通過A點的垂線AB與橫坐標軸的夾角等3個參數(shù)來決定，因此桿件具有3個自由度。
(2)空間機構(gòu)自由度
一個桿件(剛體)，在空間上完全沒有約束，那么它可以在3個正交方向上平動，還可以3個正交方向為軸進行轉(zhuǎn)動，那么就有6個自由度。
在平面中，只有3個自由度，一者為面旋轉(zhuǎn)，二者為前后及左右2個移動。
在立體中，有6個自由度，3個為前后、上下及左右3個移動和前后、上下及左右3面旋轉(zhuǎn)。簡單來說就是沿3個坐標軸的移動和繞3個坐標軸的轉(zhuǎn)動。把構(gòu)建相對于參考系具有獨立運動參數(shù)的數(shù)目稱為構(gòu)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(gòu)的自由度為組成桿件自由度之和減去運動副的約束。
3平面機構(gòu)的自由度
3.1構(gòu)件的自由度
構(gòu)件是機構(gòu)中運動的單元體，因此它是組成機構(gòu)的基本要素。構(gòu)件的自由度是構(gòu)件可能出現(xiàn)的獨立運動。任何一個構(gòu)件在空間自由運動時皆有6個自由度。它可表達為在直角坐標系內(nèi)沿著3個坐標軸的移動和繞3個坐標軸的轉(zhuǎn)動。而對于一個作平面運動的構(gòu)件，則只有3個自由度，構(gòu)件AB在xoy平面內(nèi)可以在任一點m繞z軸轉(zhuǎn)動，也可沿x軸或y軸方向移動。
3.2平面機構(gòu)的自由度
在平面機構(gòu)中每個平面低副(轉(zhuǎn)動副、移動副等)引入兩個約束，使構(gòu)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(gòu)件失去一個自由度，保留兩個自由度。如果一個平面機構(gòu)中包含有n個可動構(gòu)件(機架為參考坐標系，相對固定而不計)，在沒有用運動副聯(lián)接之前，這些可動構(gòu)件的自由度總數(shù)應(yīng)為3n。當各構(gòu)件用運動副連接起來之后,由于運動副引入的約束使構(gòu)件的自由度減少。若機構(gòu)中有PL個低副和PH個高副。則所有運動副引入的約束數(shù)為2PL+PH。因此，自由度的計算可用可動構(gòu)件的自由度總數(shù)減去約束的總數(shù)。
4計算平面機構(gòu)的自由度應(yīng)注意的事項
4.1復(fù)合鉸鏈
兩個以上構(gòu)件組成兩個或更多個共軸線的轉(zhuǎn)動副，即為復(fù)合鉸鏈。如圖所示構(gòu)件在A處構(gòu)成的復(fù)合鉸鏈。可知，此三構(gòu)件共組成兩個共軸線轉(zhuǎn)動副，當有k個構(gòu)件在同一處構(gòu)成復(fù)合鉸鏈時，就構(gòu)成k-1個共線轉(zhuǎn)動副。在計算機構(gòu)自由度時，應(yīng)仔細觀察是否有復(fù)合鉸鏈存在，以免算錯運動副的數(shù)目。
4.2局部自由度
與輸出件運動無關(guān)的.自由度稱為機構(gòu)的局部自由度，在計算機構(gòu)自由度時，可預(yù)先排除。
平面凸輪機構(gòu)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(zhuǎn)動與否并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(zhuǎn)動為機構(gòu)的局部自由度。在計算機構(gòu)的自由度時應(yīng)預(yù)先將轉(zhuǎn)動副C和構(gòu)件3除去不計，設(shè)想將滾子3與從動件2固連在一起，作為一個構(gòu)件來考慮。此時該機構(gòu)中，n=2，PL=2，PH=l。其機構(gòu)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(fù)的，這種不起獨立限制作用的約束稱為虛約束。
平面機構(gòu)的虛約束常出現(xiàn)于下列情況：
(1)不同構(gòu)件上兩點間的距離保持恒定。
(2)兩構(gòu)件構(gòu)成各個移動副且導(dǎo)路互相平行。
(3)機構(gòu)中對運動不起限制作用的對稱部分。
(4)被聯(lián)接件上點的軌跡與機構(gòu)上聯(lián)接點的軌跡重合。
5六自由度機械手復(fù)雜運動的控制
我們主要以六自由度機械手復(fù)雜運動的控制為例進行分析。在實際應(yīng)用中，六自由度機械手的某關(guān)節(jié)若出現(xiàn)故障，系統(tǒng)就會將該關(guān)節(jié)鎖定在當前角度。這樣，六自由度機械手就無法正常發(fā)揮作用，轉(zhuǎn)而成為五自由度機械手或稱欠自由度機械手。對于欠自由度機械手，如何通過有效的運動控制和軌跡規(guī)劃使其完成預(yù)期的任務(wù)至關(guān)重要。例如，在航空航天方面的應(yīng)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(jié)出現(xiàn)故障，使其成為欠自由度機械手，就很容易導(dǎo)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(wù)的完成。這一點在其他方面的應(yīng)用中也是如此。
在工作空間內(nèi)，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(guī)劃出來的一系列中間位姿點，可能沒有對應(yīng)的逆解。對于欠自由度機械手的位置逆解，向量代數(shù)、線性變換是實際應(yīng)用中經(jīng)常采用的方法。這種因關(guān)節(jié)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解，機械手的軌跡規(guī)劃就不可能實現(xiàn)，也就導(dǎo)致相應(yīng)的任務(wù)不能及時完成。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(shè)計和實用方面都有很高的價值。
6結(jié)束語
文中研究不僅豐富了機器人逆運動學(xué)分析方面的相關(guān)理論，而且通過在實際應(yīng)用當中六自由度機器人在復(fù)雜運動控制方面的系統(tǒng)分析，為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中各種復(fù)雜軌跡的設(shè)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(fù)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(jié)構(gòu)的六自由度機器人，研究其在不同的方式下實現(xiàn)其復(fù)雜運動控制。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(fù)雜控制變?yōu)楹唵巍?/p>
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