关于如何控制机械设计中运动机构自由度的探讨

关于如何控制机械设计中运动机构自由度的探讨

陈斌

（黎越智能技术研究(广州)有限公司广东广州510000）

摘要：在科学技术急速发展的今天，机械自动化应用水平日渐提高，并且已经广泛应用于人们的生活和工作当中。本文将对机械设计中运动机构自由度进行探讨论述，相信会对这一问题的解决有所帮助。

关键词：机械设计；运动机构自由度；六自由度；研究讨论

引言

当代机械自动化的高水平发展推动了人们生活和工作水平的提高，但是由于人们生活和工作的连续性、时效性等一些特殊因素，导致机械自动化不能完美的应用于人们的生活和工作中，如何提高机械自动化水平，如何解决机械设计中运动机构自由度产生的问题，是本文着重论述的要点。本文以运动机构自由度为基点出发，以六自由度为事例，论述了提升机械设计自动化的手段，提出了机械设计自动化完美应用于人们生活的可能性。

1机械设计中的运动机构自由度定义

在确定机械设计中的运动自由度定义之前，我们需要清楚这一定义是以机械原理为基础提出的。通过深入研究机械原理我们发现，机械设计中的运动自由度是在某一机械确定运动后，根据这一确定的运动所能够给定的独立运动参数数目。换一句话说就是，为了确定这一机械的运动位置，必须将这一机械独立的广义坐标（x、y、z）一一确定后才能够进行运动机械位置的确定。这一独立运动参数的数目由“F”表示[1]。

同时，我们需要注意的是，如果一个组合构件的F大于零(F＞0)，那这个组合构件在内部就可以进行相对运动，通过这样的一种相对运动，这种组合构件就可以被称为一种独立的机构。相反的是，如果F是小于或者等于零(F≤0)的话，那么这一组合构件内部就不存在构件与构件之间的相对运动，即这种组合构件不能被称为独立的机构，可能只是一种刚性桁架。

另外，需要特别引起注意的有两点：1、一个独立的机构只能提供一个唯一的参数，这一独立唯一的参数与其他任何机构所提供的参数均都不相同；2、当系统的自由度大于0，原动件数等于机构自由度时，机构具有确定的运动条件。

2机械设计中运动机构自由度的分类

根据机械原理这一基础原理，我们不难分析出，机械设计中的运动机构主要分为两种，一种是平面运动机构，一种是空间运动机构。之所以能将上述两种分类情况称之为机构，其自由度，也就是F值自然大于零，平面运动机构的自由度为3，空间运动机构的自由度则为6。根据两者自由度的不同，可将机械设计中运动机构自由度分为平面运动机构的自由度和空间运动机构的自由度。

2.1平面运动机构的自由度

平面运动机构的定义为，在任意平面上找一点A，确定这一点横纵坐标（x,y），过A点做一垂线AB，以及其余横坐标坐标轴形成的夹角构成一个机械设计中的平面运动机构。

根据上述平面运动机构的定义我们不难发现，平面运动机构的自由度由三种因素决定，即F=3，其中影响自由度发生变化的因素有：形成相对运动的组合构件数、低副约束数和高副约束数，这三种因素共同构成平面运动机构自由度F的计算公式[2]。

另外，在进行平面运动机构自由度的确定过程中，需要注意组合构件的局部自由度对整体机构自由度的影响。局部自由度通常是通过高副磨损或者构件本身的滑动摩擦产生的，因此，这种局部自由度仅仅局限于平面运动构件的本身，不影响其他构件的正常运动，但如果将单独构件产生的局部自由度算入整体机构的自由度中，就会影响整体自由度的运算。

2.2空间运动机构的自由度

空间运动机构的定义为一个组成构件的刚体，在一个机械设计过程中的任意空间里，既可以在三个正交方向上进行平动，也可以在以同样的三个正交方向为轴进行转动。

根据空间运动机构的定义我们可以发现空间运动机构的自由度由六个因素构成，因此空间运动机构自由度F=6。也就是说，在一个机械设计的过程中，选取其中任意一个空间，进行空间机构自由度的计算，我们可以发现，选取的机械设计过程中的刚体即可以进行三个正方向的平动，也可以根据这三个正方向进行轴转动[3]。

机械设计中运动机构自由度主要由来两个方面构成，一个是平面运动机构的自由度，另一个是空间运动机构的自由度。这两类共同构成机械设计中的运动机构自由度，其中，本文主要论述的为空间运动机构的自由度，也既是F=6运动机构的自由度。

3空间运动机构自由度及其实例的详细论述

在机械设计高度发达的今天，我们仍然不能够通过简便的方式计算出空间运动机构的自由度。现阶段，机械设计研究人员通常采用群论、李代数、微分几何的方式来进行空间运动机构自由度计算。通过这些科学的计算方法和公式来构建机构的运动分析学方程式，通过这一方程式拆分出机构中的所有闭链，通过拆分出来的闭链进行空间机构自由度的分析。这是目前广泛使用的空间运动机构自由度的分析方法和手段。下面通过一个六自由度的机械手运动控制的实例进行空间运动机构自由度的详细论述。

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，如图1所示。

图1六自由度机械臂机械结构

六自由度机械臂机械结构的主体是由一个基座构成，同时有六个会绕轴进行多角度旋转，这样的机构造型使得这一六自由度机械臂可以最大程度的节省工作空间，减少工作过程中的空间冗余，同时因为其可以多角度旋转的构造，使得它的可移动性和可操作性大大提高[4]，正是这些优势，使得六自由度机械臂机械结构广泛应用于航空航天，机械制造业中。

但是这种六自由度机械臂机械机构在应用的过程中，当机械臂的某一关节会发生故障，故障会导致机械臂的关节被机械系统锁定，使这一关节不能进行多角度的转动和平移，使得本来六自由度机械臂机械结构的优势不能得到完全发挥[5]。

如果某一关节发生故障，导致这一关节不能够正常进行工作，那么六自由度机械臂就会变成欠自由度机械臂，或者是五自由度机械臂，这种故障在航空飞行器中出现的较为频繁，如果站在航空飞行器飞行的过程中，组成整个飞行器的构件突然发生关节故障，导致六自由度机械臂不能够发挥正常的工作功能，变成欠自由度机械臂，就会影响正常飞行任务的进行[6]。而当故障发生在制造行业的码垛系统中，错误的动作不但会导致抓取物料的损坏，设备撞机损毁，甚至更严重会导致人员伤亡。因此，加强对于六自由度机械臂的研究能够间接影响我国各大机械制造业的发展。

4结束语

根据本文的论述，在机械设计的过程中，运动机构的自由度主要可以分为平面运动机构自由度和空间运动机构自由度，机械设备的位置控制需要依靠空间运动机构自由度的精确计算。在科学技术高度发达的今天，通过一整套完善的体系制造出能为人类所用的高自动化、高人性化的机械设备，是解决我国机械制造业现阶段面临到的主要发展问题。机械制造业升级改造之路，任重而道远。

参考文献：

[1]张澄.关于如何控制机械设计中运动机构自由度的探讨[J].电子制作,2016(14):16.

[2]罗伟彬.关于如何控制机械设计中运动机构自由度的探讨[J].科技与创新,2015(13):116+120.

[3]潘宇晨.多自由度可控机构式新型工程机械设计理论与方法研究[D].广西大学,2013.

[4]王永亮.移动连杆机构的类型及其模块化设计的研究[D].北京交通大学,2011.