Шість ступенів вільності

Шість ступенів вільності, або шість ступенів свободи, або шість ступенів руху, стосуються шести механічних ступенів вільності руху твердого тіла в тривимірному просторі. Зокрема, тіло може вільно змінювати своє положення, переміщуючись уперед/назад, вгору/вниз, вліво/вправо уздовж трьох перпендикулярних осей, у поєднанні зі змінами орієнтації обертанням навколо трьох перпендикулярних осей, які іноді називають рисканням (нормальна вісь), тангажем (поперечна вісь) та креном (поздовжня вісь).

Шість ступенів вільності: вперед/назад, вгору/вниз, вліво/вправо, рискання, тангаж, крен

Термін три ступені вільності, який часто використовують у контексті віртуальної реальності, зазвичай стосується відстеження лише обертального руху: тангажу, рискання та крену.^[1][2]

Робототехніка

Послідовні^[en] та паралельні маніпуляторні^[en] системи зазвичай призначені для позиціонування кінцевого ефектора^[en] зі шістьма ступенями вільності: три в поступальному русі та три в орієнтації. Це забезпечує прямий зв'язок між положеннями виконавчих механізмів та конфігурацією маніпулятора, що визначається його прямою^[en] та зворотною кінематикою^[en].

Роботизовані маніпулятори описують ступенями вільності. Це практична метрика, на відміну від абстрактного визначення ступенів вільності, яке вимірює сукупну здатність системи до позиціонування.^[3]

2007 року Дін Кеймен, винахідник сеґвея, представив прототип роботизованої руки^[4] з 14 ступенями вільності для DARPA. Людиноподібні роботи зазвичай мають 30 або більше ступенів вільності: шість ступенів вільності на руку, п'ять або шість на кожну ногу та ще кілька в тулубі та шиї.^[5]

Інженерія

Цей термін важливий у механічних системах, особливо біомеханічних, для аналізу та вимірювання властивостей систем цих типів, пов'язаних зі всіма шістьма ступенями вільності. Вимірювання шести ступенів вільності нині здійснюють за допомогою змінних та постійних магнітних або електромагнітних полів у датчиках, які передають дані про положення та кути до блоку обробки. Дані стають релевантними завдяки програмному забезпеченню, яке інтегрує дані на основі потреб користувачів.

Шість ступенів вільності рухомого об'єкта поділяються на два рухові класи, як описано нижче.

Поступальні обмеження:

1. Рух уперед і назад уздовж осі X
2. Рух уліво та вправо уздовж осі Y
3. Рух угору та вниз уздовж осі Z

Обертальні обмеження:

1. Нахил з боку в бік відносно осі X (крен)
2. Нахил вперед і назад відносно осі Y (тангаж)
3. Поворот ліворуч та праворуч відносно осі Z (рискання)

З точки зору гарнітури, такої як та, що використовується для віртуальної реальності, обертальні конверти також можна розглядати в таких термінах:

Типи операційних обмежень

Існує три типи робочих обмежень у шести ступенях вільності: прямі, напівпрямі (умовні) та непрямі, незалежно від часу, що залишився для виконання маневру, енергії, що залишилася для цього, і, зрештою, чи рух керується біологічною сутністю (наприклад, людиною), роботизованою сутністю (наприклад, комп'ютером), чи обома:

1. Прямий тип: відповідний ступінь керується безпосередньо без додаткових умов і описується як звичайна операція (елерон на звичайному літаку)
2. Напівпрямий тип: відповідний ступінь керується за виконання певних умов (зворотна тяга на літаку)
3. Непрямий тип: не керується, а виявляється внаслідок взаємодії з середовищем (хитавиця судна в морі)

У деяких транспортних засобах також зустрічається перехідний тип. Наприклад, коли космічний шатл працює на низькій навколоземній орбіті, він має шість прямих ступенів вільності, оскільки у космічному вакуумі ними можна керувати за допомогою реакційних коліс^[en] та двигунів РСК. Однак, коли шатл, повертаючись, спускається крізь атмосферу Землі, повністю прямі шість ступенів вільності більше не застосовні, оскільки він планує в повітрі, використовуючи свої крила та керувальні поверхні.

Ігрові контролери

Термін шість ступенів вільності також застосовують щодо руху у відеоіграх.

Шутери від першої особи зазвичай забезпечують п'ять ступенів вільності: рухи вперед/назад, вліво/вправо, вгору/вниз (підстрибнути/присісти/лягти), рискання (поворот вліво/вправо) та тангаж (дивитися вгору/вниз). Якщо гра дає змогу керувати нахилом, це іноді вважають шостим ступенем вільності; однак це може бути не зовсім точно, оскільки нахил — це обмежене обертання.

Термін «6DOF» іноді використовується для опису ігор, які забезпечують свободу рухів, але не обов'язково відповідають повним критеріям шести ступенів вільності. Наприклад, Dead Space 2, і меншою мірою Homeworld та Zone of the Enders^[en] забезпечують свободу рухів.

Прикладами відеоігор із істинними 6 ступенями вільності, які дають змогу незалежно керувати всіма трьома осьовими та трьома обертальними рухами, є: Elite Dangerous, Shattered Horizon^[en], франшиза Descent^[en], франшизу Everspace^[en], Retrovirus, Miner Wars^[en], Space Engineers, Forsaken^[en], Overload^[en] (від творців Descent), космічна MMO Vendetta Online^[en].

Апаратні пристрої для відстеження руху, такі як TrackIR, та застосунки, такі як Eyeware Beam, використовують для відстеження голови з 6 ступенями свободи. Цей пристрій застосовують в авіасимуляторах та інших транспортних симуляторах, які вимагають огляду кабіни пілота для виявлення ворогів або просто уникнення нещасних випадків у грі.

Іноді зустрічається абревіатура 3DOF (три ступені вільності), що означає рух у трьох вимірах без обертання.

Контролер руху для ПК Razer Hydra^[en] відстежує положення та обертання двох дротових нунчаків, забезпечуючи шість ступенів вільності для кожної руки.

SpaceOrb 360^[en] — комп'ютерний пристрій введення з 6 ступенями вільності, випущений 1996 року, який виробляла та продавала компанія SpaceTec IMC (спочатку придбана пLabtec^[en], яку пізніше купила Logitech). Зараз вони пропонують лінійку контролерів 3Dconnexion^[en] зі 6 ступенями вільності, орієнтованих перш за все на професійну індустрію САПР.

Контролери, що продаються разом із HTC Vive^[de], надають маяку інформацію про 6 ступенів вільності, визначаючи положення контролерів за технологією Time of Flight (TOF).

Див. також

• Ступені вільності
• Ейлерові кути
• Хитавиця
• Зв'язана система координат літака