1、初探机械设计中运动机构自由度的控制摘 要：机械制造业属于一个永不过时的行业，在现代化建设过程中发挥着重要作用，特别是科学地进行机械设计尤为重要。因此，机械设计需要引起相关人员的高度重视，本文重点探讨机械设计中运动机构自由度的控制，分别从自由度的计算方法，平面机构自由度方面入手，并且结合六自由度机械手的复杂运动控制状况，为机械设计中运动机构自由度的控制提供可靠、有力的理论基础。 关键词:机械设计；自由度；机械 中图分类号：TU85 文献标识码： A 科学技术的进行带动了各行各业，创新技术在机械行业方面的应用尤为突出，比如机器人技术的上市，整个社会发生了翻天履地的变化，其在工业、军事、日常生活中的
2、积极意义值得肯定。对于机械行业来讲，像机械手可以模仿人手臂 动作功能进行工作，在一定的技术力量支持之下，机械手能够按照固定程序进行抓取、搬运、自动操作相应工具等，从而代替了一部分人工繁重的、危险的劳动程序，真正意义上实现了工业的机械化和自动化，机械手也算是机器人系统中的重要组成部分。目前，尽管在理念研究方面，国内外学者都做出了许多努力，不断构建六自由度机械手运动学模型，但是复杂环境中工作中仍然面临难题，像排爆机械手在工作时，难以提前预知抓取物体的具体位置，导致抓取物体的速度缓慢，甚至不准确。因此，必须对此类机械手运动轨迹进行控制，探讨机械设计中运动机构自由度的控制问题将是当前机械行业研究的难点
3、和重点。 一、机械设计概述 机械行业不同于其他行业，它有自身独特的一面，主要对机械设计领域的内容要求极高，在各种各样有所限定的条件下，机械行业力求设计出最理想的机械，比如：材料加工能力方面的相关知识，不同材料尺寸的相关计算手段等等。换句话说，只要从事机械设计，不管是在哪种类别的机械行业，大家都有一个共同的目标，就是要充分发挥自己的想象力将机械设计工作做得精通，直至天衣无缝，所以，在实际工作中，一定要综合考虑机械行业中存在的各种技术要求。通常来说，最优化的设计占有绝对优势，它大大满足了最好的工作性能、最低成本、最小尺寸，以及最低消耗、最少污染等方面的基本要求，细细观察这些要求，似乎互相矛盾，但是
4、它们之间的关联密不可分，而且在机械设计的整个环节上占有着举足轻重的地位。另外，每种要求都有其重要的一面，都会根据机械种类和用途的不同而存在差异。当然，作为一名优秀的机械设计人员，无论在哪种机械行业中，他们必须明确自己的主要任务，必须进行具体问题具体分析，以各种各样的复杂情况为依据，尽量坚持“纵览全局、统筹兼顾”的原则，工作时要权衡轻重，确保机械设计内容具有综合技术经济效果，并且使之达到最大化。 二、机械行业中的自由度及其计算 2.1 关于机构自由度 机构自由度，指的是依据机械学原理，确定机构具体的运动时，有必要为之提供独立运动参数的数目，也就是说，给定机械独立的广义坐标数目，可以确定使机构的确
5、切位置。其中，给定的数目表示：如果一个构件组合体自由度 F0 时，则它就是一个机构，同时表明各个构件之间可以有的相对运动；如果一个构件组合体自由度 F=0，则它就是一个结构，同时表明它已退化为一个构件。此外，机构自由度还可以细分，主要包括平面机构自由度和空间机构自由度。 2.1.1 平面机构自由度 所谓平面机构的自由度，指的是一个刚体杆件可以由平面上任意一点 A 的坐标（X，Y） ，以及通过 A 点的垂线 AB 与横坐标轴的夹角这三个个参数来决定，即它的杆件拥有 3 个自由度。 2.1.2 空间机构自由度 所谓空间机构的自由度，指的是一个刚体杆件完全不受空间约束，而且在三个正交方向上可以平行移
6、动，甚至可以在三个正交方向上以轴为中心而进行转动，即它的杆件就拥有 6 个自由度。 由此可见，在平面上，杆件只存在 3 个自由度，一个自由度表现为面的旋转，另两个自由度表现为前后、左右 2 个角度进行移动；在立体空间中存在 6 个自由度，三个自由度表现为前后、上下、左右三个角度进行移动，另三个自由度表现为前后、上下、左右三个面进行旋转。简言之，就是沿着三个坐标轴移动，以及绕三个坐标轴转动，构建相对的独立运动参数数目称作构件自由度。 2.2 自由度的计算法 一般来说，对于自由度进行计算，主要表现为：一旦增加约束时，自由度就会减少，而且机构自由度等于组合而成的杆件自由度之和减掉运动副的约束。 三、
7、平面机构自由度的分析 3.1 分析构件的自由度 在平面机构运动过程中，作为一个单元体，构件属于组成机械设计中运动机构自由度的控制。作为机构的基本要素之一，构件自由度是构件在机械运动过程中可能会发生的一项独立运动。与此同时，对于任意一个构件来说，它在空间进行自由运动时，都会存在 6 个自由度，它具体地表现为：在直角坐标系内，沿着三个坐标轴进行移动，或者绕三个坐标轴进行转动;对于一个在平面上进行运动的构件来说，仅有 3 个自由度，即构件 AB 在 XOY 平面内,不但可以在任一点 M 处 绕着 Z 轴进行转动，而且还可以沿着 X 轴、Y 轴方向进行移动。 3.2 分析平面机构的自由度 在平面机构中
8、，每个平面都有低副，即转动副和移动副，并且都需要引入 2 个约束数，使构件同时失去 2 个自由度，然后只保留其中 1 个自由度；每个平面都有高副，即齿轮副和凸轮副，并且都需要引入的约束数为 1 个，让构件失去 1 个自由度，只留下 2 个自由度。不难发现，在某个平面机构中，假如含有 N 个可动构件，即机架仅作为参考坐标，相对进行固定，未用运动副联接前，这些可以运动的构件自由度总数应当是 3N；当各个构件用运动副连接后，运动副引入约束而减少构件自由度；如果机构中存在 PL 个低副 PH 个高副，那么所有运动副引入约束数可以表示为 2PL 加上 PH。因此，自由度的计算公式也可以表现为：可移动构件
9、自由度的总数减去所引入约束的总数来计算平面机构。 四、关于六自由度机械手复杂运动的控制 为了探讨机械设计中运动机构自由度的控制，本文主要针对六自由度机械手复杂运动的控制进行分析，为了挖掘其内在规律和有效对策。大体地说，在实际应用过程中，如果六自由度机械手的某些关节发生故障，机械系统将会锁定该关节在当前角度，直接导致六自由度机械手无法顺利工作，严重阻碍了六自由度机械手作用的正常发挥，往往呈现五自由度机械手，即欠自由度机械手等不良现象。 毫无疑问，针对欠自由度机械手问题来说，有效的运动控制和轨迹规划尤为重要，只有这样，才能保证其完成预期任务。比如：在航空航天工业领域内，要是某航天飞行器所载的六自由
10、度机械手的一个关节发生故障，从而变为欠自由度机械手，极易导致此机械手无法再正常工作，即影响飞行任务，这种现象在其它方面亦如此。 此外，在工作空间中，欠自由度机械手只能达到全部或部分定位，而对于轨迹规划的中间位姿点没有对应的逆解。在实际应用中，机械设计师经常采用向量代数线性变换法，而由关节故障形成的欠自由度机械手可用容错性能的机械手位置进行逆解，而且算法实用。因此，容错性能的机械手位置逆解法在探究机械设计中运动机构自由度的控制方面具有很高的研究价值。 结束语： 总之，通过对机械设计中运动机构自由度的控制进行探讨，在一定程度上丰富了机器人运动学的相关理论，经过分析六自由度机器人在复杂运动中的控制问题，对目前机械行业中各种复杂轨迹的设计工作提供了有价值的技术支持。展望未来，更多结构六自由度机器人的应用将越来越广泛，不同方式下的复杂运动控制值得深入研究，需不断优化和拓展其仿真易用性，努力实现更加理想的自由度控制方式，将复杂控制简单化。 参考文献： 1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， （4）. 2宋海鹰，杨勇，祁伟，叶斌.基于光电定位的六自由度机械手J.制造业自动化.2013， （2）. 3刘海清. 创新设计理论在机械设计中的应用J.企业研究.2011， （12）.
