Czym są stopnie swobody? To niezależne zmienne położenia konieczne do opisania stanu układu fizycznego. Służą do jednoznacznego zdefiniowania go w przestrzeni. W mechanice zależą od charakteru nałożonych więzów (każdy rodzaj ograniczenia wpływającego na ruch ciała) oraz liczby części tworzących układ. W przypadku mechanizmu składającego się z kilku korpusów stopnie swobody oznaczają ilość możliwych do wykonania niezależnych ruchów względnych między poszczególnymi elementami urządzenia. Wyznaczanie zmiennych jest szczególnie istotnym etapem w analizie układów ciał w inżynierii mechanicznej, strukturalnej i lotniczej, a także robotyce.
Stopnie swobody a funkcje ramienia robota
Aby całkowicie zdefiniować położenie obiektów w przestrzeni, należy zdefiniować co najmniej sześć stopni swobody, współrzędne kartezjańskie lub położenie X, Y, Z oraz orientację, czyli przechylenie, pochylenie i odchylenie, czyli R, P, Y (z angielskiego: roll, pitch, yaw).
W odniesieniu do ramion robota stopień swobody (DoF) oznacza niezależny staw, który zapewnia bezkolizyjny ruch manipulatorowi – zarówno w sensie translacyjnym (liniowym), jak i rotacyjnym. Każda oś geometryczna, wokół której może się on obracać lub rozciągać, jest liczona jako pojedynczy stopień swobody. Pozwala określić zdolność do operowania końcówką ramienia. Zmienna ta definiowana jest również w kontekście obszaru roboczego robota oraz przestrzeni konfiguracyjnej i zadań.
Większość ramion robotów składa się z przegubów zapewniających jeden stopień swobody (obrotowy i pryzmatyczny). Szeregowe i równoległe systemy manipulatorów zwykle zaprojektowane są do pozycjonowania efektora końcowego o sześciu stopniach swobody – trzy w orientacji i trzy przesuwane.
Określenie stopni swobody (wraz z innymi kluczowymi parametrami) pozwala na modelowanie systemu robotycznego, a także implementację algorytmów sztucznej inteligencji (AI) do autonomicznego sterowania ramieniem manipulatora. Robot z trzema ruchomymi przegubami będzie miał trzy osie i trzy stopnie swobody, czteroosiowy – cztery ruchome przeguby i cztery osie, i tak dalej.
- Jedna oś – może przesunąć przedmiot po linii prostej
- Dwie osie – mogą unosić przedmiot (podnosić go), przesuwać w poziomie i pionie, a także odstawiać na jednej płaszczyźnie, bez zmiany orientacji obiektu.
- Trzy osie – mogą podnieść przedmiot, przesunąć go w poziomie i pionie oraz postawić w dowolnym miejscu w przestrzeni, bez zmiany orientacji obiektu.
- Cztery osie – mogą podnieść obiekt, przesunąć go w poziomie i postawić, zmieniając orientację obiektu wzdłuż jednej osi.
- Pięć osi – może podnieść obiekt, przesunąć go poziomo i położyć, zmieniając orientację obiektu wzdłuż dwóch osi.
- Sześć osi – może podnieść obiekt, przesunąć go w poziomie i położyć, zmieniając orientację obiektu w trzech osiach.
- Siedem osi — łączy wszystkie funkcje robota sześcioosiowego z możliwością fizycznego przemieszczania przedmiotu (narzędzia) z pełnym zachowaniem jego orientacji w ruchu liniowym (linii prostej) z jednego miejsca na drugie.
