刚体自由度:

位形(Configuration):A specification of the position of all points of a robot.-指明了机器人身上所有点的位置。

位形空间也成为C-空间表示所有位形的空间,它的维度就是机器人自由度,也是表达位形所需最少的实数个数。

例如一个两个自由度的机器人:

两个旋转关节
大圆圈表示关节1,小圆圈表示关节2

两个圆圈上的任意一点表示关节的角度。那么对于关节1的任意一个角度均有一个关节2的所有角度与其对应。用图来表示就是:

当将这些所有的连接起来:

该圆环面上的每个点对应着机器人的唯一一个位形

这个圆环面就是该两关节的机器人的C-空间。

由于机器人是有刚体组成的,所以其自由度=刚体的自由度。

该怎么计算一个三维空间刚体的自由度呢?

任意选一点A,它拥有(x、y、z)三个自由度。再选择一点B,此时它可以用x、y、z表示,但它增加了一个约束: [公式] ,其只剩下2个自由度,

再增加一个点C,它可以用x、y、z表示,但其增加了两个约束 [公式]  [公式] ,其只剩下1个自由度

此后在选择任意点D,其均被 [公式]  [公式]  [公式] 三个约束限制,自由度为零。

同理可推出一个四维空间刚体有10个自由度。

做个关于C-空间的维数(自由度)的总结:

系统自由度=点的自由度之和-独立约束的个数。

对于有刚体组成的机器人:其自由度=刚体自由度之和-作用于刚体上的独立约束个数

机器人自由度:

自由度=刚体自由度之和-作用于刚体上的独立约束个数

运动所受到的约束往往来源于关节:

一个自由度:旋转关节,移动关节,螺旋关节;两个自由度:圆柱关节与万向节关节;三个自由度:球关节

使用Grubler公式对机构的自由度进行计算时:

一定要注意所有关节都是独立的情况(即非虚约束等)下才行!否则只能计算机器人自由度的下限值!

N为包含基座的构件个数,J为关节数,m为自由度数
c为关节提供的独立的约束个数

 [公式] ( [公式] 为每个关节的自由度数)带入上式有: