平行四邊形穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性在機械手設(shè)計中的應(yīng)用

摘要：平行四邊形具有的形狀不穩(wěn)定性常常被用來控制機械連桿機構(gòu)在空間的伸張與收縮，而其對邊平行關(guān)系的不變特性被用來保持連桿機構(gòu)伸張與收縮的變化過程中其末端保持某種姿態(tài)不變。本文將平行四邊形的這兩個特性應(yīng)用到鋁電解陽極更換機械手中的設(shè)計，完美地實現(xiàn)了機構(gòu)按要求收放和機構(gòu)末端的工作裝置始終保持水平姿態(tài)的功能。

關(guān)鍵詞：平行四邊形；穩(wěn)定性；不穩(wěn)定性；姿態(tài)；縮放

1.概述

我們的日常生活中，工業(yè)設(shè)備，目前迅速發(fā)展的智能機械人工業(yè)[1]和尖端的航天領(lǐng)域的設(shè)備[2]都有平行四邊形的身影。平行四邊形盡管很簡單，但其在不同的應(yīng)用場合被應(yīng)用的方法和技巧是千變?nèi)f化的，本文將平行四邊形的穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性巧妙地應(yīng)用在工業(yè)電解鋁陽極更換機械手中，獲得了空間上的縮放功能和機械手末端工作裝置保持水平姿態(tài)的性能。

眾所周知，工業(yè)設(shè)備不僅將人從勞動中解放出來，還要使勞動者遠離危險。如本文設(shè)計的鋁電解陽極更換機械手就是將圖1中右邊所示高溫鋁液上的陽極卸下來的裝置，在車間的行車將陽極勾住后，使本文中設(shè)計的平行四邊形機構(gòu)構(gòu)成的機械手伸展，將安裝在其末端的螺母裝卸裝置送到要求的位置，把固定陽極的螺母拆卸下來，同時能將設(shè)備收縮在一輛小型工程車里。顯然，設(shè)備既要具有收放功能，也要保證螺母裝卸裝置在機械手伸縮過程中始終保持水平姿態(tài)，以確保螺母能進入裝卸裝置的孔內(nèi)，完成螺母的裝卸。螺母裝卸裝置較寬的運動范圍和小型工程車容積有限的矛盾，單一的平行四邊形機構(gòu)難以解決，本文設(shè)備的設(shè)計中采用了巧妙地連接在一起的多級平行四邊形機構(gòu)，完美地解決了上述矛盾。

2.特種機械手的結(jié)構(gòu)及其工作原理

本文設(shè)計的機械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由如下幾個部分組成：

（1）水平主推油缸1和垂直主推油缸2

（2）裝卸裝置及其支架3

（3）由多個平行四邊形組成的連桿機構(gòu)。連桿AE、CG和三角塊EFG的EG邊組成□AECG；連桿AE的BE段，連桿DH，連桿BD以及曲桿EN的EH段構(gòu)成□BEHD；曲桿EN、連桿FM，三角塊EFG的EF和裝卸裝置支架上的MN段組成□EFMN。

機械手的工作是不僅要保證裝卸裝置的軸線XX保持水平的姿態(tài)，而且其位置在水平推缸和垂直推缸的聯(lián)動作用下停留在規(guī)定范圍內(nèi)的任意位置。

由于兩鉸接點A、C的位置都固定在機座上，E、G兩鉸接點連線在□AECG形變過程中始終平行連線AC，連線EG的方位也就固定了，從而保證了三角塊EFG及其邊EF方位的固定性，設(shè)計過程中，只要將EF與EG之間的角度等于連線AC與垂直方向的角度，連線EF便始終保持垂直姿態(tài)，那么□EFMN的MN段因與EF平行，也始終保持垂直狀態(tài)，而使裝卸裝置的軸線XX始終保持水平。

在水平推缸伸縮時，□AECG的AE連桿和CG連桿分別繞AC兩點旋轉(zhuǎn)，控制裝卸裝置的水平位置在一定的范圍內(nèi)變化，而垂直推缸伸縮時，控制水平推缸繞支點O1旋轉(zhuǎn)，水平推缸活塞桿端D便繞鉸接點B旋轉(zhuǎn)，□BEHD變形，EH端繞鉸接點E選轉(zhuǎn)，控制曲桿EN上下擺動，實現(xiàn)裝卸裝置的垂直位置在一定范圍內(nèi)變化。

3.特種機械手的設(shè)計效果

按前述結(jié)構(gòu)和原理設(shè)計的以平行四邊形為主體的連桿機構(gòu)，安裝在如圖2所示的小型工程車中，其中圖2為裝置收縮的狀態(tài)，而圖3為裝置的伸張狀態(tài)。

圖2表明裝置在收縮的狀態(tài)時，所占空間小，便于小型工程車運行工程中其不會受到碰撞。圖3表明裝置在伸展狀態(tài)時，相對裝卸裝置收縮狀態(tài)的水平和垂直方向都有較大的變化范圍，可以使裝置對較大范圍內(nèi)的鋁電解陽極進行更換。當(dāng)控制水平推缸和垂直推缸的聯(lián)動時，則可以控制裝卸裝置在以收縮狀態(tài)和伸張狀態(tài)兩位置為對角點的長方形范圍內(nèi)的任意位置。

圖2和圖3同時表明，不論裝置處于何種位置，裝卸裝置的軸線始終保持水平的姿態(tài)。這充分說明本裝置的原理是科學(xué)的，達到了設(shè)計的目的。

4.結(jié)論

本文設(shè)計的鋁電解陽極更換機械手，利用平行四邊形的不穩(wěn)定特性實現(xiàn)機械手終端位置的變化，完成裝置的收縮和伸張，而利用平行四邊形的穩(wěn)定特性實現(xiàn)了機械手終端姿態(tài)的恒定，完美地實現(xiàn)了設(shè)計的目的。

參考文獻：

[1]葉長龍 楊孔碩 馬國靜等，平行四邊形可變形履帶機器人運動學(xué)分析，沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，vol31，No.2，2014年4月

[2]王榮本 申振榮 陳百超等，正反平行四邊形懸架在月球車上的應(yīng)用，中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第二屆學(xué)術(shù)會議論文集，2005年10月