Кіріспе
Механикалық жүйенің күйін анықтау үшін қажетті тәуелсіз параметрлердің саны механикада механикалық жүйенің еркіндік дәрежесі (DOF) – оның конфигурациясын немесе күйін анықтайтын тәуелсіз параметрлердің саны болып табылады. Ол машина жасау, құрылыс, аэроғарыш, робототехника және басқа да салаларда дене жүйелерін талдауда маңызды рөл атқарады. Жолмен қозғалатын бір вагонның (локомотивтің) орны бір еркіндік дәрежесіне ие, себебі вагонның орны жол бойымен өлшенген қашықтықпен анықталады. Локомотивпен шарнирлер арқылы жалғастырылған қатты вагондардан тұратын пойыздың да бір ғана еркіндік дәрежесі болады, өйткені локомотивтің артындағы вагондардың орналасуы жолдың пішінімен шектеледі. Өте қатаң серіппелі автомобильді жазықтықта (жазық, екі өлшемді кеңістікте) қозғалатын қатаң дене ретінде қарастыруға болады. Бұл дененің екі трансляциялық компоненті мен бір бұрылу бұрышынан тұратын үш тәуелсіз еркіндік дәрежесі бар. Сығу немесе дрейф автомобильдің үш тәуелсіз еркіндік дәрежесінің жақсы мысалы болып табылады. Қатаң дененің кеңістіктегі орны мен бағыты үш трансляциялық компонент және үш бұрылу компонентімен анықталады, яғни оның алты еркіндік дәрежесі бар. Нақты шектеулерді қолданатын механикалық жобалау әдісі құрылғыны жеткілікті немесе артық шектеуден сақтап, еркіндік дәрежесін басқаруды қамтамасыз етеді.
mechanics
In physics, the degrees of freedom (DOF) of a mechanical system is the number of independent parameters that define its configuration or state. It is important in the analysis of systems of bodies in mechanical engineering, structural engineering, aerospace engineering, robotics, and other fields. The position of a single railcar (engine) moving along a track has one degree of freedom because the position of the car is defined by the distance along the track. A train of rigid cars connected by hinges to an engine still has only one degree of freedom because the positions of the cars behind the engine are constrained by the shape of the track. An automobile with highly stiff suspension can be considered to be a rigid body traveling on a plane (a flat, two dimensional space). This body has three independent degrees of freedom consisting of two components of translation and one angle of rotation. Skidding or drifting is a good example of an automobile's three independent degrees of freedom. The position and orientation of a rigid body in space is defined by three components of translation and three components of rotation, which means that it has six degrees of freedom. The exact constraint mechanical design method manages the degrees of freedom to neither underconstrain nor overconstrain a device.
Қозғалыстың төмендеуі
Физикалық шектеулер бір қатты дененің еркіндік дәрежесін шектеуі мүмкін. Мысалы, жазық үстелде сырғанап қозғалатын блок 3 DOF 2T1R-ге ие, оның ішінде екі трансляция 2T және бір айналу 1R бар. SCARA сияқты XYZ позициялық роботтың 3 DOF 3T төменгі жылдамдығы бар.
Қозғалыс формуласы
Жылжымалылық формуласы денелерді байланыстыратын буындармен шектелген қатаң денелер жиынтығының конфигурациясын анықтайтын параметрлер санын есептейді. Кеңістікте қозғалатын n қатаң денелер жүйесінің 6n еркіндік дәрежесі бар деп есептейік. Осы жүйенің еркіндік дәрежесін есептеу үшін, денелер санына бекітілген денені қосу қажет, сонда жылжымалылық бекітілген координат жүйесін құрайтын дененің таңдалуына тәуелді болмайды. Содан кейін N = n + 1 шектелмеген жүйенің еркіндік дәрежесі, өйткені бекітілген дененің өзіне қатысты еркіндік дәрежесі нөлге тең. Бұл жүйедегі денелерді байланыстыратын буындар еркіндік дәрежесін азайтады және жылжымалылықты төмендетеді. Атап айтқанда, ілмектер мен сырғанаулар әрқайсысы бес шектеуді енгізеді, демек бес еркіндік дәрежесін жояды. Буынның таңдау еркіндігі f арқылы буынның енгізетін шектеулер саны c-ні анықтау ыңғайлы, мұнда c = 6 − f. Ілмек немесе сырғанау сияқты бір еркіндік дәрежесі бар буындар үшін f = 1 және демек c = 6 − 1 = 5. Нәтижесінде, n қозғалмалы буыннан және әрқайсысының еркіндігі fi, i = 1, …, j болатын j буыннан тұратын жүйенің жылжымалылығы N бекітілген буынды қамтиды. Екі маңызды ерекше жағдай бар: (i) қарапайым ашық тізбек және (ii) қарапайым жабық тізбек. Бір ашық тізбек n қозғалмалы буыннан тұрады, олар n буынмен біріктірілген, ал бір ұшы жерге бекітілген. Осылайша, бұл жағдайда N = j + 1 және тізбектің жылжымалылығы. Ал қарапайым жабық тізбек үшін n қозғалмалы буын n + 1 буынмен біріктірілген, сонда екі ұшы жерге бекітілген буындармен байланысады. Бұл жағдайда N = j және тізбектің жылжымалылығы. Ашық тізбектің мысалы – сериялық робот манипуляторы. Бұл роботтық жүйелер алты бір еркіндік дәрежесімен байланысқан буындардан немесе призмалық буындардан құралған, сондықтан жүйенің алты еркіндік дәрежесі бар. Жабық тізбектің мысалы – RSSR кеңістіктік төрт таяқшалы механизм. Бұл буындардың еркіндіктерінің қосындысы сегіз, сондықтан механизмнің жылжымалылығы екі, мұнда еркіндік дәрежесінің бірі – екі S буынын байланыстыратын сызық бойындағы байланыстырғыштың айналуы.
because the fixed body has zero degrees of freedom relative to itself. Joints that connect bodies in this system remove degrees of freedom and reduce mobility. Specifically, hinges and sliders each impose five constraints and therefore remove five degrees of freedom. It is convenient to define the number of constraints c that a joint imposes in terms of the joint's freedom f, where c = 6 − f. In the case of a hinge or slider, which are one degree of freedom joints, have f = 1 and therefore c = 6 − 1 = 5. The result is that the mobility of a system formed from n moving links and j joints each with freedom fi, i = 1, , j, is given by
Recall that N includes the fixed link. There are two important special cases: (i) a simple open chain, and (ii) a simple closed chain. A single open chain consists of n moving links connected end to end by n joints, with one end connected to a ground link. Thus, in this case N = j + 1 and the mobility of the chain is
For a simple closed chain, n moving links are connected end to end by n + 1 joints such that the two ends are connected to the ground link forming a loop. In this case, we have N = j and the mobility of the chain is
An example of a simple open chain is a serial robot manipulator. These robotic systems are constructed from a series of links connected by six one degree of freedom revolute or prismatic joints, so the system has six degrees of freedom. An example of a simple closed chain is the RSSR spatial four bar linkage. The sum of the freedom of these joints is eight, so the mobility of the linkage is two, where one of the degrees of freedom is the rotation of the coupler around the line joining the two S joints.
Дене жүйелері
Бірнеше дененің бар жүйесіндегі DOF-тың (еркіндік дәрежесінің) жиынтығы, денелердің DOF-тарының қосындысынан, олардың салыстырмалы қозғалысына қатысты ішкі шектеулерінің санын алып тастағандағы мәніне тең болады. Бірнеше байланысқан қатты денелерден тұратын механизм немесе тізбек, жалғыз қатты дененің DOF-ынан артық DOF-қа ие болуы мүмкін. Мұндағы "еркіндік дәрежесі" термині, тізбектің кеңістіктегі орнын анықтау үшін қажетті параметрлер санын сипаттау үшін қолданылады. Ол сондай-ақ роботтың конфигурациялық кеңістігі, орындалатын тапсырмалар кеңістігі және жұмыс кеңістігі контекстінде де анықталады. Тізбектің ерекше түрі – ашық кинематикалық тізбек, онда бірнеше қатты буындар буындар арқылы байланысқан. Буын бір DOF-ты (ілмек/сырғанау) немесе екі DOF-ты (цилиндрлік) қамтамасыз ете алады. Мұндай тізбектер робототехникада, биомеханикада, спутниктерде және басқа да ғарыш құрылымдарында кеңінен қолданылады. Адам қолы жеті DOF-қа ие деп есептеледі. Иық иілу, бұрылу және айналу қозғалыстарын, ал шынтақ иілу қозғалысын, ал білек иілу, бұрылу және айналу қозғалыстарын жасай алады. Қолды кеңістіктегі кез келген нүктеге жылжыту үшін осы қозғалыстардың тек үшi жеткілікті, бірақ адамдар әртүрлі бұрыштардан немесе бағыттардан заттарды ұстау мүмкіндігінен айырылады. Барлық алты физикалық DOF-ты басқаруға қабілетті роботты (немесе объектіні) голономдық деп атайды. Жалпы DOF-тан аз бақыланатын DOF-қа ие объект – голономдық емес, ал жалпы DOF-тан көп бақыланатын DOF-қа ие объект (мысалы, адам қолы) – артық деп есептеледі. Алайда, адам қолындағы екі DOF – білек пен иықтың айналу қозғалысы бір-бірін толықтыратынын және 360 градусқа толық айналу мүмкіндігін қамтамасыз ететінін ескеру қажет, сондықтан олар артық емес. Еркіндік дәрежесі – жасала алатын әртүрлі қозғалыстар сияқты. Мобильді роботта, көлік сияқты робот 2D кеңістікте кез келген орынға және бағытқа жете алады, сондықтан оның орнын сипаттау үшін 3 DOF қажет. Бірақ кез келген уақытта оны тек алға жылжыту және руль бұру арқылы жылжытуға болады. Демек, оның екі басқару DOF және үш бейнелеу DOF бар, яғни ол голономдық емес. 3D кеңістікте 3-4 басқару DOF-қа (алға жылжу, айналу, көлденең және шектеулі шамада бұрылу) ие тұрақты қанатты ұшақ та голономдық емес, өйткені ол тікелей жоғары/төмен немесе солға/оңға қозғала алмайды. Механикалық жүйелердегі еркіндік дәрежесін есептеуге арналған формулалар мен әдістер жиынтығын Пеннестри, Кавачече және Вита ұсынды.
Электр техникасы
Электр техникасында еркіндік дәрежесі фазалық массив антеннасының сәулелер немесе нөлдер құруға болатын бағыттар санын сипаттау үшін жиі қолданылады. Ол массивтегі элементтер санынан бірге кем, себебі бір элемент басқа антенна элементтерінің әрқайсысын пайдаланып, конструктивті немесе деструктивті интерференция қолданылатын салыстыру нүктесі ретінде қолданылады. Радар және байланыс салаларында жиі қолданылады, мұнда радар қолданбалары үшін сәулені басқару жиірек кездеседі, ал байланыс желілеріндегі кедергілерді басу үшін нөлді басқару жиірек қолданылады.