【格拉霍夫定理】【四连杆系统】Grashof’s Law for a Planar Four-Bar Linkage

article/2025/9/25 11:52:45

在《Craig, John J - Introduction to Robotics_ Mechanics and Control-Pearson (2013)》一书中提到 “a four-bar linkage has only one degree of freedom” ,即“四连杆机构只有一个自由度”。本文将从零基础开始解释此句的原因。由于自学,恐有疏漏,还望赐教。

1.What is a Planar Four-Bar Linkage? 什么是四连杆机构?

  • The simplest of all closed loop mechanisms 最简单的闭环结构
  • Comprises four bar-shaped links: 3 moving links, 1 fixed link and 4 pin joints 包含4个连杆,其中有3个移动连杆,1个固定连杆和4个枢接
  • The four bar chain has four turning pairs 包含4个转动副

图1.1

图1.1 四连杆机构示意图




2.Terminology 相关术语

  • Crank:A link which can make complete revolution is known as crank. 曲柄:能作完全旋转的连杆称为曲柄。
  • Rocker:Any link which does not revolve is called a rocker.
    摇杆:任何不旋转的链接都称为摇杆。
  • Frame:The fixed link is known as frame.
    框架:固定链接称为框架。
  • Coupler/connecting rod:The opposite link of frame is known as connecting rod.
    耦合器/连杆:框架的相对连杆称为连杆。
  • Crank-rocker mechanism:In a four bar linkage, if the shorter side link revolves and the other one rocks (i.e., oscillates), it is called a crank-rocker mechanism.
    曲柄摇杆机构:在四杆连杆机构中,如果较短的侧连杆旋转而另一侧连杆摇摆(即摆动),则称为曲柄摇杆机构。如图2.1。
  • Double-crank mechanism:In a four bar linkage, if both of the side links revolve, it is called a double-crank mechanism.
    双曲柄机构:在四连杆机构中,如果两个侧连杆都旋转,则称为双曲柄机构。如图2.2。
  • Double-rocker mechanism:In a four bar linkage, if both of the side links rock, it is called a double-rocker mechanism.
    双摇杆机构:在四连杆机构中,如果两个侧连杆都摇动,则称为双摇杆机构。如图2.3。
图2.1 曲柄摇杆机构示意图(s+l < p+q) 图2.2 双曲柄机构示意图(s+l < p+q)
图2.3 双摇杆机构示意图(s+l < p+q)




where s = length of the shortest link;l = length of the largest link;p and q = lengths of the other two links.
其中,s是最短链接的长度,l是最长链接的长度,p 和 q 是 其他两个链接的长度

3.Grashof’s Law 格拉霍夫定理

Grashof’s Law states that for a planar four-bar linkage system, the sum of the shortest and longest link lengths cannot be greater than the sum of the remaining two link lengths if there is to be a continuous relative rotation between two members.

Grashof 定律指出,对于平面四连杆系统,如果两个构件之间存在连续的相对旋转,则最短和最长连杆长度之和不能大于其余两个连杆长度之和。

在数学上表示该定理:假设 s 是最短链接的长度,l 是最长链接的长度,p 和 q 是 其他两个链接的长度,如果两个构件之间存在连续的相对旋转,则有如下公式:

s + l ≤ p + q ( 1 ) s + l \le p + q \quad\quad\quad\quad(1) s+lp+q(1)

Note: if s + l > p + q, then no continuous relative motion is possible; i.e., if the above inequality is NOT satisfied, no link will make a complete revolution relative to another.
需要注意的是,如果s + l > p + q,则不可能有连续的相对运动。

在这里插入图片描述

图3.1 不同情况的四连杆机构示意图




4.The Degree of Freedom – Definition and Calculation Method
自由度定义和计算方法(刚体、二维)

Definition : The number of independent motions that are allowed to the body or, in case of a mechanism made of several bodies, number of possible independent relative motions between the pieces of the mechanism

定义:物体允许的独立运动的数量,或者在由多个物体组成的机构的情况下,机构部件之间可能的独立相对运动的数量

For a simple mechanism, the degree of freedom (F) is given by the Grubler’s criterion: F = 3 (n - 1) - 2j - h, where j = number of revolute joints, n = number of links, h = number of higher pairs

对于简单机构,自由度 (F) 由 Grubler 准则给出:F = 3 (n - 1) - 2j - h 其中,j = 旋转关节的数量,n = 链接的数量,h = 高副的数量

在平面四杆连杆机构中,n = 4, j = 4, h = 0 ,代入公式后,得 F = 1,即自由度为1。

5.扩展连接

  • Chebychev-Grübler-Kutzbach 准则
  • 四连杆系统详细介绍
  • Grashof’s Law for a Planar Four-Bar Linkage [PPT]
  • What is Grashof’s law?

http://chatgpt.dhexx.cn/article/sMIrdU6V.shtml

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