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在空間的伸張與收縮，而其對邊平行關系的不變特性被用來保持連桿機構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用到鋁電解陽極更換機械手中的設計，完美地實現(xiàn)了機構按要求收放和機構末端的工作裝置始終保持水平姿態(tài)的功能。

關鍵詞：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]和尖端的航天領域的設備[2]都有平行四邊形的身影。平行四邊形盡管很簡單，但其在不同的應用場合被應用的方法和技巧是千變萬化的，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，使本文中設計的平行四邊形機構構成的機械手伸展，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，同時能將設備收縮在一輛小型工程車里。顯然，設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，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難以解決，本文設備的設計中采用了巧妙地連接在一起的多級平行四邊形機構，完美地解決了上述矛盾。

2.特種機械手的結構及其工作原理

本文設計的機械手的結構如圖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。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，控制裝卸裝置的水平位置在一定的范圍內變化，而垂直推缸伸縮時，控制水平推缸繞支點O1旋轉，水平推缸活塞桿端D便繞鉸接點B旋轉，□BEHD變形，EH端繞鉸接點E選轉，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變化。

3.特種機械手的設計效果

按前述結構和原理設計的以平行四邊形為主體的連桿機構，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的鋁電解陽極進行更換。當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的，達到了設計的目的。

4.結論

本文設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分析，沈陽航空航天大學學報，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用，中國宇航學會深空探測技術專業(yè)委員會第二屆學術會議論文集，2005年10月