打开主菜单
六個運動的自由度:前後、上下、左右、俯仰(pitch)、偏擺(yaw)、翻滾(roll)

六自由度是指剛體三維空間中運動的自由度。特別是指剛體可以在前後、上下、左右三個互相垂直坐標軸平移,也可以在三個垂直軸上旋轉方向,三種旋轉方向稱為俯仰(pitch)、偏擺(yaw)及翻滾(Roll)。

目录

機器人编辑

串行英语serial manipulator平行機器手臂英语parallel manipulator系統一般會設定可以以六個自由度的方式幫物體定位,其中包括三個平移自由度以及三個旋轉自由度。因此在機器手臂的組態以及致動器的位置之間會有對應關係,此關係是由正運動學英语forward kinematics逆运动学所定義的。

机器人自由度是其重要的性能指標。其數字一般是指其單臂上旋轉關節的數量,其自由度越高,表示其到達特定位置的靈活度就越高。這個是實務上的度量方式,和表示系統整體定位能力的絶對自由度不同[1]

2007年時,賽格威的發明者狄恩·卡门國防高等研究計劃署(DARPA)提出了一個機器手臂的原型[2],共有14個自由度。類人型機器人的自由度至少會有30個,每一個手臂會有六個自由度,每一隻腳有五到六個自由度,而軀幹也有更多的自由度[3]

工程编辑

力學系統中的自由度很重要,特別在生物力学中會需要分析及量測,以確認其是否有六個自由度。六個自由度的量測是透過感測器以及交流或是直流的磁場(或電磁場),感測器會送出位移及旋轉信號給處理器。會透過使用者的需求以及規範,透過軟體得到這些資料。

Ascension Technology Corporation已經開發了小到可以放在活檢針頭內的6DoF設備,可以讓醫生可以進行較好的研究。新的感測器接收發射器(cubic transmitter或flat transmitter)產生的脈衝直流磁場,醫療產品代工生产商可以以此資料進行整合[4]

像船隻在海上的行動就是一個六自由度的例子。可以描述如下[5]

平移:

  1. 沿X軸前後移動
  2. 沿Y軸左右移動
  3. 沿Z軸上下移動

旋轉:

  1. 繞X軸旋轉(翻滾、roll)。
  2. 繞Y軸前後旋轉(俯仰、pitch)
  3. 繞Z軸左右旋轉(偏擺、yaw)。

依運作範圍分類编辑

六自由度系統依運作範圍可以分為三類:分別是直接型(Direct)、半直接型(Semi-direct,或稱為條件型)、以及非直接型(Non-direct),這三類都和機械運作需要的時間、執行運作需要的能量、運作是由人或是電腦下達指令無關。

  1. 直接型(Direct type):在正常運作下,可以針對某一自由度直接進行控制,不需要特殊的的條件(例如飛機上的副翼)。
  2. 半直接型(Semi-direct):在特殊條件成立,才可以針對某一自由度直接進行控制(例如飛機上的推力反向器)。
  3. 非直接型(Non-direct):自由度的調整是透過和環境的交互作用來達成,不能直接控制(例如海上船隻的俯仰運動)。

有些系統也會出現過渡型的情形。例如航天飞机在太空中飛行時,因為可以直接控制六個自由度,六自由度都是直接型。但在返回地面,進入大氣層的過程中,因為許多技術限制,無法進行六自由度的直接型控制。

游戏编辑

在電腦遊戲中,也會用自由度來說明遊戲中允許活動的程度。

第一人称射击游戏(FPS)一般會有五個自由度:前進/後退、往左/往右移動、上/下(跳躍/蹲伏/躺下)、左轉/右轉及往上看/往下看。若遊戲允許讓主角往左/右傾斜身體,則有六個自由度,不過這個不太容易準確的進行控制。

六自由度(6DoF)有時也用來描述允許自由移動的遊戲,可能不一定有六個自由度,例如死亡空间2、甚至萬艦齊發终极地带系列都允計自由移動。

也有一些真正有六自由度的遊戲,包括在三軸的平移以及在三軸的旋轉,例如Shattered Horizon英语Shattered Horizon天旋地轉Retrovirus英语Retrovirus (PC game)Miner Wars英语Miner WarsSpace Engineers英语Space Engineers等。

TrackIR英语TrackIR之類的運動跟踪設備也會用在六自由度的頭部追蹤。像飛行模擬器及其他車輛模擬器中會用到,在戲遊戲中需要環顧驾驶舱找到敌人,或者只是避免在遊戲中發生意外。

有時也會出現三自由度(3DoF),這表示允許在三個軸平移,但不允許旋轉。

PC運動控制器Razer Hydra英语Razer Hydra利用二個nunchuck的Wii遙控器來追踨位置及轉動,每一隻手都有六個自由度。

相關條目编辑

參考資料编辑

  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]. 
  3. ^ Craig, John J., Introduction to Robotics: Mechanics and Control, Addison-Wesley, 1986.
  4. ^ Medical News Today. Ascension Develops World's Smallest Six Degrees-of-Freedom Sensor For Emerging Medical Procedures. 25 Aug 2008
  5. ^ Summary of ship movement 互联网档案馆存檔,存档日期November 25, 2011,.