跳转到内容

六自由度

维基百科,自由的百科全书
六个运动的自由度:前后、上下、左右、俯仰(pitch)、偏摆(yaw)、翻滚(roll)

六自由度(Six degrees of freedom)是指刚体三维空间中运动的六个自由度,即在纵轴(前—后)、横轴(左—右)和 垂轴(上—下)三个互相垂直坐标轴上进行的平移旋转。这三个轴通常以刚体所面向或行进的方向参照,比如航空器三主轴

平移是指与某一参照轴平行位置变化,三个轴上的平移分别是:

  • 纵轴——前进和后退;
  • 横轴——左移和右移;
  • 垂轴——上升和下降。

旋转是指围绕某一参照轴的姿态变化,三个轴上的旋转分别是:

  • 纵轴——翻滚(roll),分逆时针翻(左翻)和顺时针翻(右翻);
  • 横轴——俯仰(pitch),分上仰和下俯;
  • 垂轴——偏摆(yaw),分左摆和右摆。

机器人

串行英语serial manipulator并联机器手臂系统一般会设定可以以六个自由度的方式帮物体定位,其中包括三个平移自由度以及三个旋转自由度。因此在机器手臂的组态以及致动器的位置之间会有对应关系,此关系是由正运动学英语forward kinematics逆运动学所定义的。

机器人自由度是其重要的性能指标。其数字一般是指其单臂上旋转关节的数量,其自由度越高,表示其到达特定位置的灵活度就越高。这个是实务上的度量方式,和表示系统整体定位能力的绝对自由度不同[1]

2007年时,赛格威的发明者狄恩·卡门国防高等研究计划署(DARPA)提出了一个机器手臂的原型[2],共有14个自由度。类人型机器人的自由度至少会有30个,每一个手臂会有六个自由度,每一只脚有五到六个自由度,而躯干也有更多的自由度[3]

工程

力学系统中的自由度很重要,特别在生物力学中会需要分析及量测,以确认其是否有六个自由度。六个自由度的量测是透过感测器以及交流或是直流的磁场(或电磁场),感测器会送出位移及旋转信号给处理器。会透过使用者的需求以及规范,透过软体得到这些资料。

Ascension Technology Corporation已经开发了小到可以放在活检针头内的6DoF设备,可以让医生可以进行较好的研究。新的感测器接收发射器(cubic transmitter或flat transmitter)产生的脉冲直流磁场,医疗产品代工生产商可以以此资料进行整合[4]

像船只在海上的行动就是一个六自由度的例子。可以描述如下[5]

平移:

  1. 沿X轴前后移动
  2. 沿Y轴左右移动
  3. 沿Z轴上下移动

旋转:

  1. 绕X轴旋转(翻滚、roll)。
  2. 绕Y轴前后旋转(俯仰、pitch)
  3. 绕Z轴左右旋转(偏摆、yaw)。

依运作范围分类

六自由度系统依运作范围可以分为三类:分别是直接型(Direct)、半直接型(Semi-direct,或称为条件型)、以及非直接型(Non-direct),这三类都和机械运作需要的时间、执行运作需要的能量、运作是由人或是电脑下达指令无关。

  1. 直接型(Direct type):在正常运作下,可以针对某一自由度直接进行控制,不需要特殊的的条件(例如飞机上的副翼)。
  2. 半直接型(Semi-direct):在特殊条件成立,才可以针对某一自由度直接进行控制(例如飞机上的推力反向器)。
  3. 非直接型(Non-direct):自由度的调整是透过和环境的交互作用来达成,不能直接控制(例如海上船只的俯仰运动)。

有些系统也会出现过渡型的情形。例如航天飞机在太空中飞行时,因为可以直接控制六个自由度,六自由度都是直接型。但在返回地面,进入大气层的过程中,因为许多技术限制,无法进行六自由度的直接型控制。

游戏

在电脑游戏中,也会用自由度来说明游戏中允许活动的程度。

第一人称射击游戏(FPS)一般会有五个自由度:前进/后退、往左/往右移动、上/下(跳跃/蹲伏/躺下)、左转/右转及往上看/往下看。若游戏允许让主角往左/右倾斜身体,则有六个自由度,不过这个不太容易准确的进行控制。

六自由度(6DoF)有时也用来描述允许自由移动的游戏,可能不一定有六个自由度,例如死亡空间2、甚至万舰齐发终极地带系列都允计自由移动。

也有一些真正有六自由度的游戏,包括在三轴的平移以及在三轴的旋转,例如Shattered Horizon英语Shattered Horizon天旋地转Retrovirus英语Retrovirus (PC game)Miner Wars英语Miner WarsSpace Engineers英语Space Engineers等。

TrackIR英语TrackIR之类的运动跟踪设备也会用在六自由度的头部追踪。像飞行模拟器及其他车辆模拟器中会用到,在游戏中需要环顾驾驶舱找到敌人,或者只是避免在游戏中发生意外。

有时也会出现三自由度(3DoF),这表示允许在三个轴平移,但不允许旋转。

PC运动控制器Razer Hydra英语Razer Hydra利用二个nunchuck的Wii遥控器来追踨位置及转动,每一只手都有六个自由度。

相关条目

参考资料

  1. ^ Paul, Richard P., Robot Manipulators: Mathematics, Programming, and Control, MIT Press, 1981.
  2. ^ Luke, a new prosthetic arm for soldiers. ted.com. 2007-03-01 [2017-02-26]. (原始内容存档于2014-02-18). 
  3. ^ Craig, John J., Introduction to Robotics: Mechanics and Control, Addison-Wesley, 1986.
  4. ^ Medical News Today.页面存档备份,存于互联网档案馆) Ascension Develops World's Smallest Six Degrees-of-Freedom Sensor For Emerging Medical Procedures. 25 Aug 2008
  5. ^ Summary of ship movement (PDF). [2017-03-11]. (原始内容存档 (PDF)于2011-11-25).