摘 要：機(jī)械工程是裝備工業(yè)的重要組成部分，也是其主要核心。我們平常使用的機(jī)械工程在日常的生產(chǎn)過(guò)程中起著非常重要的作用，不僅能夠節(jié)約勞動(dòng)力還能夠節(jié)省時(shí)間，壓縮成本等，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)科技的進(jìn)步，現(xiàn)有的機(jī)械工程已不能滿足工作的需要。例如：在建筑行業(yè)都會(huì)使用到的單自由度的挖掘機(jī)，隨著這種挖掘機(jī)的構(gòu)架比較穩(wěn)定，工作效率也比較高，但是，單自由度構(gòu)架下的挖掘機(jī)還是缺乏一定的靈活性。再如液壓式挖掘機(jī)，雖然這種挖掘機(jī)比單自由度挖掘機(jī)更加靈活，但是液壓式挖掘的使用壽命有待延長(zhǎng)，而且其零部件的壽命也相對(duì)較短，在工作中還會(huì)出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。所以，現(xiàn)在急需一種新的可控機(jī)構(gòu)，用來(lái)代替原有的可控機(jī)構(gòu)，多自由度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論很好的解決了這一問(wèn)題。多自由度系統(tǒng)不僅僅能夠整合現(xiàn)有的機(jī)械技術(shù)，而且還可以再利用先進(jìn)的電子技術(shù)對(duì)工程設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，用以滿足使用者的需求，在機(jī)械工程具備的動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)加大多自由度系統(tǒng)的使用，是未來(lái)機(jī)械工程的發(fā)展方向。因此，作為機(jī)械設(shè)計(jì)人員要能夠明白多自由度系統(tǒng)可控機(jī)械的設(shè)計(jì)原理，摸索出完善的設(shè)計(jì)方法。但是，由于不同的工程對(duì)設(shè)備的性能要求方面不同，所以我國(guó)現(xiàn)在所擁有的工程設(shè)備并不能滿足使用者的需求，并且在一定程度上存在著不足之處，作為新興的可控機(jī)構(gòu)，多自由度系統(tǒng)漸漸進(jìn)入了人們的視線。

關(guān)鍵詞：多自由度系統(tǒng)；機(jī)械工程；可控機(jī)構(gòu)；理論與方法

1 可控機(jī)構(gòu)應(yīng)有的自由度

機(jī)構(gòu)的自由度也就是指機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)，所以可控機(jī)構(gòu)的自由度，一定是含有獨(dú)立特性的一種參數(shù)，機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)。一個(gè)機(jī)械能夠?qū)嵤┑淖畲蠓秶莫?dú)立變量是機(jī)構(gòu)所具有的活動(dòng)度，這只是相對(duì)于日常所見(jiàn)的銜接的機(jī)械而言。安設(shè)在機(jī)械設(shè)備上的串聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過(guò)安裝在機(jī)械末端的執(zhí)行器，在相對(duì)于機(jī)械體系內(nèi)所設(shè)置的機(jī)架，通過(guò)計(jì)算所得到的自由度，便是這一機(jī)構(gòu)應(yīng)有的自由度。同樣，安裝在機(jī)械設(shè)備上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這種機(jī)械的自由度就等同于代動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)有自由度。根據(jù)我們已知的螺旋理論，通常把機(jī)械中并聯(lián)機(jī)構(gòu)所具有的自由度，當(dāng)成螺旋系數(shù)的維度，并且這種維度也是螺旋系數(shù)所特有的，而螺旋預(yù)設(shè)的維數(shù)就是指機(jī)械架構(gòu)所具有的活動(dòng)度。在機(jī)械配件所擁有的架構(gòu)內(nèi)也有一定的自由度，其所擁有的自由度帶有局部性的特點(diǎn)，并且不會(huì)影響到機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)的其他配件的功能，這是配件架構(gòu)內(nèi)的消極自由度。在機(jī)械構(gòu)建中還存在著一些帶有典型特性的自由度，一般存在與連接滾子的配件中，當(dāng)然這種狀況一般只會(huì)出現(xiàn)在平面機(jī)構(gòu)中。但是在空間態(tài)勢(shì)下存在的運(yùn)動(dòng)鏈，也會(huì)出現(xiàn)上述所說(shuō)的帶有典型性的自由度。在可控機(jī)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)一些特有的約束，這種特有的冗余約束一般統(tǒng)稱之為虛約束，之所以會(huì)出現(xiàn)這種所謂的虛約束，基本上是同機(jī)構(gòu)常擁有的運(yùn)動(dòng)副有關(guān)，因?yàn)楝F(xiàn)在機(jī)械部件中所擁有的運(yùn)動(dòng)副，都是以前設(shè)計(jì)中已經(jīng)設(shè)好了所需要的幾何關(guān)聯(lián)。所以，在可控機(jī)構(gòu)中存在的一些約束，不會(huì)影響機(jī)構(gòu)體系內(nèi)存在的其他運(yùn)動(dòng)，對(duì)其他機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生其他作用，隨著公共約束的消除，機(jī)構(gòu)中所存在的螺旋數(shù)值，我們可以對(duì)此數(shù)值進(jìn)行衡量，如果此數(shù)值大于機(jī)構(gòu)原有的階數(shù)，那么就說(shuō)明機(jī)構(gòu)中存在著冗余約束，另外所謂的過(guò)約束一般是包含了上述的冗余約束還包括機(jī)械的公共約束。

2 裝載機(jī)構(gòu)具有的可控特性

2.1 構(gòu)型的預(yù)設(shè)

在機(jī)械中的裝載機(jī)是連接著已經(jīng)設(shè)計(jì)安裝好的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在這個(gè)機(jī)構(gòu)上一般會(huì)在上下兩個(gè)方位安裝限位塊，這樣的設(shè)計(jì)會(huì)限制機(jī)械動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)的靈活性，無(wú)法使動(dòng)臂去在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)發(fā)揮自有的功能。在此機(jī)構(gòu)中，上方所安裝的限位塊主要功能是用于特定的幾何限位，而下方所安裝的限位塊，主要功能是支撐機(jī)械的動(dòng)臂，使機(jī)械能夠順利的翻轉(zhuǎn)和復(fù)位。除了這兩個(gè)限位塊，在機(jī)構(gòu)的動(dòng)臂中，也設(shè)計(jì)安裝有夾帶著擋塊的轉(zhuǎn)軸，并且把具有一定規(guī)格的槽體安裝在動(dòng)臂的前側(cè)，這樣能夠保證滑塊能夠持續(xù)的滑動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)影響其他機(jī)構(gòu)工作的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)組裝好的動(dòng)臂及滑塊，在經(jīng)過(guò)機(jī)械中的連桿，進(jìn)而與機(jī)械內(nèi)的傳動(dòng)桿，相互連接在一起。在機(jī)械前側(cè)的鏟斗架，一直連接著機(jī)構(gòu)中的動(dòng)臂與鏟斗，并在機(jī)構(gòu)內(nèi)的連動(dòng)桿的作用下進(jìn)行正常的工作。

2.2 常用的變胞途徑

變胞原理就是采用特定方法，使機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以變化，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自由度的變化。把能在瞬時(shí)使某些構(gòu)件發(fā)生合并分離或出現(xiàn)幾何奇異，并使機(jī)構(gòu)有效構(gòu)件數(shù)或自由度數(shù)發(fā)生變化。從而產(chǎn)生新構(gòu)型的機(jī)構(gòu)稱為變胞機(jī)構(gòu)。現(xiàn)在機(jī)構(gòu)中通常用到的變胞途徑，一般只要是有電磁變胞、有力變胞以及組合態(tài)勢(shì)下的變胞組成。但是在現(xiàn)在的機(jī)械工程中，尤其是涵蓋了多自由度系統(tǒng)的機(jī)械工程，出現(xiàn)了幾何變胞這種新形式的變胞途徑。一般而言就是把機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中便制定成具有特殊形狀，用來(lái)滿足機(jī)械的需求，具體而言就是在體系架構(gòu)的上下方位增加限位塊。變胞性能在機(jī)構(gòu)中的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)動(dòng)臂連接著的相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，在所需要的情況下，收到這個(gè)區(qū)域所傳來(lái)的信號(hào)即轉(zhuǎn)動(dòng)限制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3 拓?fù)浼軜?gòu)的細(xì)化

當(dāng)設(shè)計(jì)好變胞構(gòu)架并且制造出來(lái)之后，通過(guò)安裝調(diào)試，使其能夠在機(jī)構(gòu)中正常的工作，在這里提到的新的裝載構(gòu)架是比較現(xiàn)代化的，具有一定的電動(dòng)特性。通過(guò)對(duì)拓?fù)錁?gòu)架的重新設(shè)計(jì)和規(guī)劃，可以在不同情況下用來(lái)代替原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作。例如安裝一臺(tái)帶有驅(qū)動(dòng)功能的電動(dòng)機(jī)，就可以更好的去翻轉(zhuǎn)機(jī)器，并且提高液壓裝載機(jī)的工作效率，更好的卸去原料，使得機(jī)械構(gòu)架工作效率更加顯著。電動(dòng)機(jī)被安裝在機(jī)架以上，而不是安裝在平常使用的鉸鏈處，通過(guò)這樣的處理，不能夠提升機(jī)構(gòu)原有的體系剛性，另一方面也限制了機(jī)械構(gòu)架的慣性。通過(guò)在矩陣的影響下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)便很清晰的被描繪出來(lái)，進(jìn)而可以明在不同時(shí)間段和工作狀態(tài)下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的相互交替。在預(yù)先設(shè)計(jì)好的原理下所產(chǎn)生的機(jī)械架構(gòu)，可以做到逐步代替原有的機(jī)械構(gòu)架。在新的機(jī)械構(gòu)架基礎(chǔ)上，可以更好的明確裝在機(jī)構(gòu)的變胞特性，清晰了變胞生成以及發(fā)展的總過(guò)程，進(jìn)而可以描繪出變胞機(jī)構(gòu)的工作流程。這與生物學(xué)上的進(jìn)化屬性是基本上相同的。新的裝載機(jī)構(gòu)帶有一定的變胞特性，其所使用的銜接特點(diǎn)相對(duì)于其他的裝載機(jī)構(gòu)是比較新穎的。當(dāng)把自由度設(shè)置為零的時(shí)候，可以通過(guò)行對(duì)應(yīng)的公式計(jì)算，得到新的變胞元。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)的范疇內(nèi)建模

3.1 建模原理的本源

機(jī)構(gòu)具有特定的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，主要是描述機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的機(jī)構(gòu)軌跡、設(shè)計(jì)建造時(shí)設(shè)定的加速度、機(jī)構(gòu)特有的運(yùn)動(dòng)速率和位移、機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的角速度、剛性部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)流程。通過(guò)這些機(jī)構(gòu)所具有的特定本源，能夠清晰識(shí)別機(jī)構(gòu)所具有的受力特性、通過(guò)運(yùn)算得出機(jī)構(gòu)存在的誤差、清楚的知道機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中存在的奇異性，能夠更好地在設(shè)計(jì)中預(yù)留出機(jī)構(gòu)部件的工作空間，預(yù)設(shè)好機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)。在有機(jī)態(tài)勢(shì)下將帶有可控性質(zhì)的挖掘機(jī)和裝載機(jī)安裝在一起的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以當(dāng)成是一個(gè)機(jī)構(gòu)的結(jié)合點(diǎn)。通常在平面范疇下的可控機(jī)構(gòu)，基本上會(huì)帶有三個(gè)層面的自由度。為了能夠創(chuàng)造產(chǎn)生機(jī)構(gòu)所特有的運(yùn)動(dòng)模型，需要引入閉環(huán)矢量這一概念，在此基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)好約束方程。機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的特定速率以及通過(guò)計(jì)算得出的機(jī)構(gòu)部件加速度，都是對(duì)一階方程及二階方程產(chǎn)生特定的影響系數(shù)。通過(guò)對(duì)隱函數(shù)的運(yùn)用，可以計(jì)算得出在理論上的時(shí)空邊界，清晰描述出在理論態(tài)勢(shì)下機(jī)構(gòu)所能夠達(dá)到的運(yùn)動(dòng)空間。在現(xiàn)在的機(jī)械理論中常用到的D-H參數(shù)法，可以在二維空間內(nèi)建立相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型，機(jī)構(gòu)的平移運(yùn)算一般都是通過(guò)機(jī)構(gòu)部件的位移得到的，這樣就可以清晰的得到機(jī)構(gòu)的輸出參數(shù)，還可以得到變量與變量之間的特有映射關(guān)系。

3.2 挖掘機(jī)構(gòu)在三自由度架構(gòu)的原理

現(xiàn)在通常將斜角坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系統(tǒng)稱為笛卡爾坐標(biāo)系。平面仿射坐標(biāo)系是由相交于遠(yuǎn)點(diǎn)的兩條數(shù)軸構(gòu)成的。如果這兩條數(shù)軸上所具有的度量單位是相等的，那么這個(gè)仿射坐標(biāo)系便是笛卡爾坐標(biāo)系。首先，在明晰了笛卡爾坐標(biāo)系原理之后，在設(shè)計(jì)建造中就需要設(shè)定一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn)，在水平態(tài)勢(shì)下體現(xiàn)出來(lái)的延展方向就是笛卡爾坐標(biāo)系的橫軸，同樣在豎直態(tài)勢(shì)下所體現(xiàn)的延展方向就是笛卡爾坐標(biāo)系的縱軸。為了更清晰的描繪笛卡爾坐標(biāo)系，可以用A和B這兩個(gè)英文字母代表橫軸上的兩個(gè)端點(diǎn)，在挖掘機(jī)上安裝的鏟斗部件，其所設(shè)定的輸出點(diǎn)，被安裝在鏟斗的根部中點(diǎn)?？梢杂脅E，F(xiàn)，R}來(lái)表示其特有的坐標(biāo)位置，其中，E代表了坐標(biāo)系中的橫軸，F(xiàn)代表了坐標(biāo)系的縱軸，R代表了變徑。因此可以把（a-R1）×2+（b-R1）×2=r×r當(dāng)是五桿機(jī)構(gòu)在笛卡爾坐標(biāo)系中所特有的約束方程式。

具體事例而言，有一種軌跡可以被當(dāng)成機(jī)械輸出態(tài)勢(shì)下所形成的軌跡，這種軌跡就是機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的折線軌跡。在一般的機(jī)構(gòu)體系中，通過(guò)設(shè)置三根特定的主動(dòng)桿，使之與橫軸形成設(shè)計(jì)好的夾角，可以涵蓋130°的原始角度。機(jī)構(gòu)中主動(dòng)桿在工作中所產(chǎn)生的角位移，會(huì)有一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生，可以通過(guò)計(jì)算得出，并可更替。

3.3 逆解方式的運(yùn)用

在挖掘機(jī)中使用的可控機(jī)構(gòu)是建立在三自由度的構(gòu)架下，可以把銜接鏟斗的機(jī)器構(gòu)架當(dāng)是一種在動(dòng)靜態(tài)勢(shì)下所產(chǎn)生的平臺(tái)。為了更好更明晰的去解釋這種難度，可以把平臺(tái)上所設(shè)定的三個(gè)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)便使其形成三角形的形狀，當(dāng)然在動(dòng)平臺(tái)上連接的這三個(gè)點(diǎn)也可以設(shè)計(jì)成三角形，這樣就可以問(wèn)題變得簡(jiǎn)單化。在機(jī)構(gòu)中通過(guò)鏟斗與機(jī)架的銜接，可以預(yù)先設(shè)定出幾何中心，進(jìn)而明確其所在的坐標(biāo)系，當(dāng)明確了機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系之后，就可以妥善的安裝鏟斗與機(jī)構(gòu)的連接。一般情況下，機(jī)構(gòu)中連桿所處的末端，就是建立坐標(biāo)系的所在位置，通過(guò)連桿在工作中產(chǎn)生的關(guān)節(jié)軸線，是連桿在相對(duì)態(tài)勢(shì)下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軸線，就是坐標(biāo)系的縱軸。而軸線夾帶產(chǎn)生的距離其實(shí)就是機(jī)構(gòu)連桿的長(zhǎng)度。軸線在相對(duì)勢(shì)態(tài)下的轉(zhuǎn)角其實(shí)也就是連桿在工作中產(chǎn)生的特有轉(zhuǎn)角。根據(jù)右手定則的原理，在相對(duì)態(tài)勢(shì)下的機(jī)械連桿產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角，就是機(jī)械關(guān)節(jié)部位特有的轉(zhuǎn)角，通過(guò)計(jì)算得出的連桿偏距，清晰的明確了軸線特定的焦點(diǎn)，包含了機(jī)械的有向距離。在預(yù)先設(shè)定規(guī)劃好機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系后，可以當(dāng)是零的編號(hào)。在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，支鏈所特有的笛卡爾坐標(biāo)系，就是未能能夠是機(jī)械構(gòu)架中存在的動(dòng)臂去替換原有存在的支鏈。在完成這一工作之后，通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，就可以得出現(xiàn)有就夠支鏈的D-H參數(shù)。可控機(jī)構(gòu)在多自由度系統(tǒng)下的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，就是把機(jī)構(gòu)中存在的支鏈以及運(yùn)動(dòng)副當(dāng)成是機(jī)構(gòu)體系中最重要的主動(dòng)關(guān)節(jié)，并且所得出的D-H參數(shù)是為了以后能夠更好的對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)臂的調(diào)節(jié)。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代機(jī)械構(gòu)架在多自由度系統(tǒng)理論的參與下，不僅僅涉及到原有的動(dòng)力學(xué)說(shuō)，并且還涉及到了電子領(lǐng)域以及其他的先進(jìn)制造機(jī)理。使得在多自由度系統(tǒng)構(gòu)架下的機(jī)械設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)充滿著各種各樣的疑難問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō)，機(jī)械構(gòu)建在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)、部件與部件之間的尺度參數(shù)，這些都是設(shè)計(jì)師首先考慮的問(wèn)題，做到最優(yōu)化，使得機(jī)械原有的部件的受力特性得到充分的提升，并且不破壞機(jī)械本身具有的性能，所以在設(shè)計(jì)時(shí)不僅僅要考慮到機(jī)械實(shí)物的輸入和輸出特性，也要考慮到機(jī)械在工作中的真實(shí)狀態(tài)，使設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品更加完美，確保使用著的需求得到滿足。

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作者簡(jiǎn)介：郭興改（1966，7-），女，河南省鄭州市人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械工程。