Степени свободы жесткого тела в трехмерном пространстве

Введение

Типы движения, возможные для жесткого тела в трёхмерном пространстве

Шесть степеней свободы (6DOF), или иногда шесть степеней движения, описывают шесть механических степеней свободы движения жесткого тела в трёхмерном пространстве. В частности, тело может свободно изменять своё положение посредством поступательного движения вперед/назад (продольное перемещение), вверх/вниз (вертикальное перемещение) и влево/вправо (боковое перемещение) по трём взаимно перпендикулярным осям, в сочетании с изменением ориентации за счёт вращения вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей, которые обычно называют рысканием (вокруг вертикальной оси), тангажом (вокруг поперечной оси) и креном (вокруг продольной оси). Три степени свободы (3DOF), термин, часто используемый в контексте виртуальной реальности, обычно относится к отслеживанию только вращательного движения: тангаж, рыскание и крен.

Робототехника

Системы последовательных и параллельных манипуляторов обычно проектируются для позиционирования рабочего органа с шестью степенями свободы, включающими три степени свободы в поступательном движении и три – в ориентации. Это обеспечивает прямую зависимость между положениями исполнительных механизмов и конфигурацией манипулятора, определяемой его прямой и обратной кинематикой. Роботизированные руки характеризуются своими степенями свободы. Это практичный показатель, в отличие от абстрактного определения степеней свободы, которое измеряет общую способность системы к позиционированию. В 2007 году Дин Камен, изобретатель Segway, представил прототип роботизированной руки с 14 степенями свободы для DARPA. Гуманоидные роботы обычно имеют 30 и более степеней свободы, с шестью степенями свободы на каждую руку, пятью или шестью на каждую ногу и несколькими дополнительными в туловище и шее.

Типы операционных конвертов

Есть три типа оперативного диапазона в шести степенях свободы. Эти типы – прямой, полупрямой (условный) и непрямой, все независимо от времени, оставшегося для выполнения маневра, энергии, необходимой для выполнения маневра, и, наконец, от того, управляется ли движение биологическим объектом (например, человеком), роботизированным объектом (например, компьютером) или обоими. Прямой тип: степень свободы может управляться непосредственно, без каких-либо особых условий, и описывается как нормальная работа. (Элерон на базовом самолете). Полупрямой тип: степень свободы может управляться при выполнении определенных условий. (Реверсивная тяга на самолете). Непрямой тип: степень свободы достигается посредством взаимодействия с окружающей средой и не может быть управляемой напрямую. (Тангаж судна в море).

Переходный тип также существует в некоторых транспортных средствах. Например, когда космический шаттл находился на низкой околоземной орбите, аппарат описывался как обладающий полным прямым управлением по шести степеням свободы, поскольку в вакууме космоса его шесть степеней свободы могли управляться с помощью маховиков и двигателей RCS. Однако, когда космический шаттл спускался в атмосферу Земли для возвращения, полное прямое управление по шести степеням свободы становилось неприменимым, поскольку он планировал в воздухе, используя крылья и рули управления.

Игровые контроллеры

Шесть степеней свободы также относится к управлению движением в видеоиграх. Игры жанра шутер от первого лица (FPS) обычно предоставляют пять степеней свободы: движение вперед/назад, скольжение влево/вправо, вверх/вниз (прыжок/приседание/лёжа), рыскание (поворот влево/вправо) и тангаж (взгляд вверх/вниз). Если игра позволяет управлять наклоном, некоторые считают это шестой степенью свободы; однако, это может быть не совсем точно, поскольку наклон – это ограниченное частичное вращение. Термин 6DOF иногда используется для описания игр, обеспечивающих свободу передвижения, но не обязательно соответствующих полным критериям 6DOF. Например, Dead Space 2, и в меньшей степени Homeworld и Zone Of The Enders, позволяют свободу передвижения. Примеры истинных 6DOF-игр, обеспечивающих независимое управление по всем трем осям движения и трем осям вращения, включают Elite Dangerous, Shattered Horizon, серию Descent, серию Everspace, Retrovirus, Miner Wars, Space Engineers, Forsaken и Overload (от тех же создателей Descent). Космическая MMO Vendetta Online также поддерживает 6 степеней свободы. Для 6DOF-отслеживания головы используются аппаратные устройства отслеживания движения, такие как TrackIR, и программные приложения, такие как Eyeware Beam. Эти устройства часто используются в авиасимуляторах и других симуляторах техники, где требуется оглядываться в кабине пилота для обнаружения врагов или просто для избежания столкновений в игре. Иногда встречается аббревиатура 3DOF, обозначающая движение в трех измерениях без вращения. Razer Hydra, контроллер движения для ПК, отслеживает положение и вращение двух проводных нунчаков, обеспечивая шесть степеней свободы для каждой руки. SpaceOrb 360 – это 6DOF-устройство ввода для компьютера, выпущенное в 1996 году и первоначально производившееся и продававшееся компанией SpaceTec IMC (позже приобретенной Labtec, которая, в свою очередь, была приобретена Logitech). В настоящее время они предлагают линейку 6DOF-контроллеров 3Dconnexion, ориентированную в основном на профессиональную CAD-индустрию. Контроллеры, поставляемые с HTC VIVE, обеспечивают информацию о 6DOF с помощью маяков, использующих технологию Time of Flight (TOF) для определения положения контроллеров.

Six degrees of freedom also refers to movement in video game play. First person shooter (FPS) games generally provide five degrees of freedom: forwards/backwards, slide left/right, up/down (jump/crouch/lie), yaw (turn left/right), and pitch (look up/down). If the game allows leaning control, then some consider it a sixth DOF; however, this may not be completely accurate, as a lean is a limited partial rotation. The term 6DOF has sometimes been used to describe games which allow freedom of movement, but do not necessarily meet the full 6DOF criteria. For example, Dead Space 2, and to a lesser extent, Homeworld and Zone Of The Enders allow freedom of movement. Some examples of true 6DOF games, which allow independent control of all three movement axes and all three rotational axes, include Elite Dangerous, Shattered Horizon, the Descent franchise, the Everspace franchise, Retrovirus, Miner Wars, Space Engineers, Forsaken and Overload (from the same creators of Descent). The space MMO Vendetta Online also features 6 degrees of freedom. Motion tracking hardware devices such as TrackIR and software based apps like Eyeware Beam are used for 6DOF head tracking. This device often finds its places in flight simulators and other vehicle simulators that require looking around the cockpit to locate enemies or simply avoiding accidents in game. The acronym 3DOF, meaning movement in the three dimensions but not rotation, is sometimes encountered. The Razer Hydra, a motion controller for PC, tracks position and rotation of two wired nunchucks, providing six degrees of freedom on each hand. The SpaceOrb 360 is a 6DOF computer input device released in 1996 originally manufactured and sold by the SpaceTec IMC company (first bought by Labtec, which itself was later bought by Logitech). They now offer the 3Dconnexion range of 6DOF controllers, primarily targeting the professional CAD industry. The controllers sold with HTC VIVE provide 6DOF information by the lighthouse, which adopts Time of Flight (TOF) technology to determine the position of controllers.