← Back to materials / 一覧へ Lecture 1 · Four-Bar Linkage · 1 DOF

Four-bar linkage — 4 joints, but only 1 DOF

4節リンク機構 — 関節は4つ、自由度は1

This robot has 4 joints, but only 1 joint is independently movable. When you rotate joint J1, the angles of the other 3 joints are geometrically determined by the closed loop. Drag the colored link — or use the slider — and watch all four joint angles.
このロボットの関節は4つ。しかし独立に動かせるのは1関節だけです。 関節J1を回すと、残りの3関節の角度は閉ループの幾何学的拘束によって自動的に決まります。 色のついたリンクをドラッグ(またはスライダを操作)して、4つの関節角度の変化を観察してください。

J1 J4 J2 J3 drag / ドラッグ

Control / 操作

Joint angles / 関節角度

J1 you choose input / 独立
J2 follows determined / 従属
J3 follows determined / 従属
J4 follows determined / 従属
➡ 1 DOF

Only J1 is free — one number fixes the whole pose.
自由に選べるのはJ1だけ。1つの数値で全姿勢が決まる。

Why is it 1 DOF? / なぜ自由度1?

The four links form a closed loop. Once the angle of J1 is chosen, J2–J4 have no freedom left: the loop can only close in one way (per assembly branch). The entire pose is described by a single number.

4本のリンクが閉ループを構成しています。J1の角度を決めると、ループが閉じるためには J2〜J4の角度は一通りに決まってしまいます(組立姿勢ごとに)。 姿勢全体がたった1つの数値で記述できる=自由度1です。

Count it — Gruebler's equation / 式で確かめる

F = 3(N − 1) − 2J
  = 3 × (4 − 1) − 2 × 4 = 1

N = 4 links (including the fixed ground link), J = 4 revolute joints. Each free link has 3 planar DOF; each pin joint removes 2.

N=リンク数4(固定リンクを含む)、J=回転対偶の数4。 平面内のリンクは1本あたり自由度3を持ち、回転関節1つにつき自由度が2ずつ拘束されます。

The tip follows one curve / 先端は1本の曲線上だけ

The gripper of a 1-DOF mechanism cannot move freely in the plane — it travels along a single fixed curve (dashed line), parameterized by the J1 angle alone.

自由度1の機構の先端は平面内を自由には動けず、ただ1本の決まった曲線(破線)の上しか 動けません。曲線上のどこにいるかは、J1の角度だけで決まります。