运动副和关节本质上是一样的概念,通常包含旋转运动的运动副称之为关节,如常见的铰链和球面副。
一个机构我们可以通过运动简图描述其工作原理,以图1所示的平面运动机构为例,图1(a)中,A,B,C和D处都各有1个旋转自由度,M关节相对复杂一些,有3个自由度,分别是杆1与杆2的相对滑动,杆3与杆4的相对滑动,杆2与杆3的相对转动。 图1 运动简图(图片来源于网络)
本篇文字将讲述绘制运动副和关节的自由度简图,通过自由度简图,描述并了解运动副和关节的自由度数目,以及运动方向。
空间中的一个自由连杆有6个自由度,分别是沿X、Y、Z轴的滑动,和绕X、Y、Z轴的转动,可以用图2所示的简图表示,默认情况下,平面图中坐标系的Z轴正向为垂直纸面向外,X轴正向为水平向右,Y轴正向为竖直向上。
图2 空间连杆6自由度简图
其中:
可以看出,通过上述的自由度简图表示法,就可以将关节和运动副(此实例中代表连杆)的空间运动情况,在平面上以图示的方式描述出来。
根据上述方法,将图1(a)M关节的自由度用简图表示,如图3所示,其中蓝色的点为关节原点,两条实线为原点沿与实线方向重合的连杆进行滑动。 图3 M关节自由度简图
接下来,使用上述方法,绘制人体手臂各个关节处的自由度情况,图4所示为人体手臂骨骼关节结构图,以图4最左侧的标准人体位进行分析,其中: 肩关节相当于一个球面副(绕X、Y和Z轴旋转),有3个自由度; 肘关节相当于一个旋转副(绕X轴旋转),1个自由度; 腕关节有两个方向的旋转(绕X和Z轴旋转),2个自由度; 连接腕关节与肘关节的尺骨和挠骨,两者间有一个交叉旋转运动(绕Y轴旋转),1个自由度。
图4 人体手臂骨骼关节结构图(图片来源于网络)
根据上面的分析,我们将各个关节处的自由度简图绘制在其关节上,如图5所示。
图5 人体手臂骨骼关节自由度简图
下一篇将使用本篇讲到的自由度简图方法,讲解ug运动仿真中所涉及的运动副的自由度,并用简图表示该运动副的自由度。
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