[发明专利]一种基于约束法线的机构自由度的计算方法

权利要求书

1.一种基于约束法线的机构自由度的计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）将机构中各个运动副均等效成若干个约束点，将约束点处的法线定义为约束法线，所述约束法线分为静法线、动法线、冗余法线，将各个运动副的静法线、动法线标示出来，所述静法线为两构件之间瞬时相对速度为零的法线，所述动法线为与静法线垂直的法线，所述冗余法线为重复约束某自由度的静法线；

（2）将机构中的构件分为同根构件和母体构件，所述母体构件是可与机构中的几个构件形成运动副的构件，所述几个构件即为一组同根构件；

（3）根据构件各约束点静法线的数量及其几何关系建立判断构件过约束的几何方法，以判断构件是否受到过约束，同时通过该几何方法得出冗余法线的计算方法，如果构件不过约束则该构件不存在虚约束，如果该构件存在过约束的情况，则根据该构件各约束点的动法线的速度是否时刻匹配，进而判断构件受到约束的类别，所述约束的类别分为实约束、瞬时虚约束和虚约束；

其中a：非同根构件判断过约束的方法：机构中的一组同根构件同时约束甲构件，且甲构件各约束点处同交于一点的有效法线数量或相互平行的有效法线数量nh大于法线所在空间的维度d时，则甲构件过约束且冗余法线的数量为nh-d；同理，机构中有h组同根构件同时约束甲构件，且各组构件对甲构件同交于一点的有效法线数量或各组相互平行的有效法线数量nh大于d+h-1时，则甲构件过约束且冗余法线的数量为nh-h-d+1；

b：同根构件判断过约束的方法：机构中有一组同根构件两两相互约束或一组同根构件两两直接约束其它多个构件时，若某同根构件有效法线数量nh在空间内大于6、平面内大于3时，则该构件过约束，且该构件的冗余法线数量在空间内为nh-6，在平面内为nh-3，机构中冗余法线的总数量为各构件冗余法线数量之和；

其中判断过约束构件各约束点的动法线的速度匹配的方法为：A：当过约束构件各约束点处的静法线交于一点时，若各约束点能够保证角速度相等则速度匹配；B：若过约束构件各约束点处的静法线相互平行时，若各约束点线速度方向相同大小相等则速度匹配；

（4）当判断构件形成虚约束后，根据机构中总的构件数目、各运动副法线数量之和、冗余法线数量得出机构自由度计算方法。

2.根据权利要求1所述的一种基于约束法线的机构自由度的计算方法，其特征在于，所述过约束构件各约束点的动法线的速度是否时刻匹配判断构件受到约束的类别的方法为：过约束构件只能在某一瞬间满足A、B两个条件，机构中各构件的位置改变后，即不能满足A、B两个条件，则该构件为瞬时虚约束；过约束构件时刻能满足A、B两个条件，则该构件为虚约束；过约束构件任何时刻都不能满足A、B两个条件，则该构件为实约束。

3.根据权利要求1所述的一种基于约束法线的机构自由度的计算方法，其特征在于，所述步骤（4）中机构自由度的具体计算方法为：设平面机构中有n个构件，当各构件相互之间都无约束时，各构件自由度总数量为3n，当运动副约束各构件时，机构中各运动副的法线之和为ny条，机构中冗余法线nr条，因此去掉冗余法线后对各构件有约束作用的法线为ny-nr条，由于一条法线限制一个自由度，因此机构自由度的数量为：F=3n-ny+nr。