◎文/洪先亮 李瑞敏 方猛 仝文浩 劉衛(wèi)莊（合肥通用機(jī)械研究院有限公司）

機(jī)械類展品一直是科技館中不可或缺的重要組成部分，因具有較高的趣味性和較強(qiáng)的互動(dòng)性而備受青睞，而連桿機(jī)構(gòu)更是眾多機(jī)械結(jié)構(gòu)里較為經(jīng)典的一種。傳統(tǒng)的連桿類展品多采用直觀演示的方法，雖能展示相關(guān)原理，但大多數(shù)結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單，演示現(xiàn)象也較為枯燥。研究發(fā)現(xiàn)，生物所具備的功能比迄今任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越得多[1]，這些生物的結(jié)構(gòu)和功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了人們很多啟發(fā)，如果能將仿生與連桿機(jī)構(gòu)結(jié)合到一起，可以開拓出一種機(jī)械類展品的新模式。

自然界中的生物雖種類繁多，但在行為動(dòng)作方面卻有著許多相似之處，如鳥類的飛翔動(dòng)作就有許多共性。將這些共性動(dòng)作進(jìn)行分析總結(jié)，選擇具有代表性的物種，并運(yùn)用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作擬合，可設(shè)計(jì)出一系列連桿仿生類科普展品。

一、連桿機(jī)構(gòu)的理論基礎(chǔ)

平面連桿機(jī)構(gòu)是由若干構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副）連接組成的平面機(jī)構(gòu)[2]。最簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)由4個(gè)構(gòu)件組成，稱為平面四桿機(jī)構(gòu)，常見類型為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（圖 1a）、雙曲柄機(jī)構(gòu)（圖 1b）、雙搖桿機(jī)構(gòu)（圖 1c）。平面連桿機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)某些特定軌跡、位置或運(yùn)動(dòng)規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)形式及運(yùn)動(dòng)特性的改變等。

圖1 平面四桿機(jī)構(gòu)

連桿機(jī)構(gòu)具有形狀簡(jiǎn)單易加工、承載能力大、運(yùn)動(dòng)軌跡多樣等優(yōu)點(diǎn)[3]，但設(shè)計(jì)難度較大。連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)工作的需要選擇功能合適的機(jī)構(gòu)類型，再按照所給定的運(yùn)動(dòng)要求和其他附加要求（如傳動(dòng)角的限制等）確定機(jī)械運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的尺寸參數(shù)[4]。連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法有解析法、幾何作圖法和實(shí)驗(yàn)法，解析法比較精確，作圖法比較直觀[5]，實(shí)驗(yàn)法常需要試湊。

連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡較難控制，實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)要求需保證連桿機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而機(jī)構(gòu)具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的必要條件為：運(yùn)動(dòng)鏈的自由度必須大于零，主動(dòng)構(gòu)件數(shù)等于運(yùn)動(dòng)鏈的自由度[6]。若運(yùn)動(dòng)鏈中包括固定構(gòu)件在內(nèi)共有N個(gè)構(gòu)件，除去固定構(gòu)件后，運(yùn)動(dòng)鏈中的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)n=N-1。設(shè)運(yùn)動(dòng)鏈中低副（回轉(zhuǎn)副或移動(dòng)副）數(shù)目為PL個(gè)，高副（滾滑副）數(shù)目為PH個(gè)，則自由度F的計(jì)算公式為：

計(jì)算連桿機(jī)構(gòu)自由度時(shí)需注意三個(gè)問(wèn)題：當(dāng)m（m≥3）個(gè)構(gòu)件在同一軸線上用回轉(zhuǎn)副相聯(lián)接構(gòu)成復(fù)合鉸鏈[7]時(shí)（見圖2a），算作m-1個(gè)回轉(zhuǎn)副；排除不影響機(jī)構(gòu)中輸出與輸入關(guān)系的局部自由度（見圖2b）；排除重復(fù)約束的虛約束（見圖2c）。

圖2 自由度計(jì)算特例

二、連桿機(jī)構(gòu)的仿生應(yīng)用

1.機(jī)械鳥

鳥類飛行時(shí)翅膀作扇動(dòng)等動(dòng)作，機(jī)械鳥展品由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)衍生而來(lái)，并結(jié)合球頭關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)鳥類飛行動(dòng)作的擬合，除去傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該展品的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)械鳥的飛行動(dòng)作擬合模塊主要由曲柄、連桿、搖桿、球頭關(guān)節(jié)等組成，曲柄為主動(dòng)構(gòu)件，球頭關(guān)節(jié)的球頭端固定于連桿上，連桿在平面內(nèi)的平移和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作帶動(dòng)球頭關(guān)節(jié)，使其空間位姿發(fā)生改變，并帶動(dòng)翅膀?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)扇動(dòng)等動(dòng)作。

圖3 機(jī)械鳥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

該展品的飛行動(dòng)作擬合模塊的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)目為6個(gè)，其中轉(zhuǎn)動(dòng)副為8個(gè)，高副為1個(gè)，代入自由度計(jì)算公式得該運(yùn)動(dòng)鏈自由度為1。因曲柄為主動(dòng)構(gòu)件，故該飛行動(dòng)作擬合模塊具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（最終效果見圖4）。

圖4 機(jī)械鳥效果圖

2.機(jī)械馬

馬的奔跑動(dòng)作主要特征是四肢交替前踢和后蹬，機(jī)械馬展品的動(dòng)作擬合模塊由數(shù)個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)并聯(lián)而成。由于四肢運(yùn)動(dòng)模塊均采用相同結(jié)構(gòu)，因此以左前腿為例講述機(jī)械馬的工作原理。如圖5所示，機(jī)械馬主要由曲柄轉(zhuǎn)盤、連桿1、搖桿1、聯(lián)動(dòng)桿1、連桿2、搖桿2、聯(lián)動(dòng)桿2等組成，各連桿構(gòu)件之間采用轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接。曲柄轉(zhuǎn)盤、連桿1、搖桿1組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)1，曲柄轉(zhuǎn)盤、連桿2、搖桿2組成曲柄搖桿機(jī)構(gòu)2。通過(guò)聯(lián)動(dòng)桿1和聯(lián)動(dòng)桿2將這兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)并聯(lián)起來(lái)，以曲柄轉(zhuǎn)盤為主動(dòng)構(gòu)件，使兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)馬的奔跑動(dòng)作。

機(jī)械馬的動(dòng)作擬合模塊運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)目為7個(gè)，轉(zhuǎn)動(dòng)副為8個(gè)，復(fù)合鉸鏈處轉(zhuǎn)動(dòng)副為2個(gè)，故轉(zhuǎn)動(dòng)副數(shù)目為10個(gè)，高副數(shù)目為0個(gè)，代入自由度計(jì)算公式可得該運(yùn)動(dòng)鏈自由度為1。因曲柄轉(zhuǎn)盤為主動(dòng)構(gòu)件，故機(jī)械馬動(dòng)作擬合模塊具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（最終效果見圖6）。

圖5 機(jī)械馬關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

圖6 機(jī)械馬效果圖

3.機(jī)械花

機(jī)械花展品主要模擬蓮花的閉合與開放狀態(tài)。當(dāng)蓮花閉合時(shí)，花瓣收攏，花苞呈細(xì)長(zhǎng)狀；當(dāng)蓮花開放時(shí)，花瓣張開，層層堆疊。該展品主要通過(guò)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)花瓣實(shí)現(xiàn)蓮花的張開與閉合動(dòng)作，各花瓣作同步聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如圖7所示，該展品動(dòng)作擬合模塊主要由曲柄、連桿、滑塊、花瓣等組成?；瑝K與花瓣通過(guò)銷槽副聯(lián)接，滑塊上下往復(fù)移動(dòng)帶動(dòng)花瓣繞機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)花瓣的開合動(dòng)作。

圖7 機(jī)械花關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

機(jī)械花的動(dòng)作擬合單元運(yùn)動(dòng)構(gòu)件數(shù)目為4個(gè)，轉(zhuǎn)動(dòng)副為4個(gè)，移動(dòng)副為1個(gè)，銷槽副為1個(gè)，代入自由度計(jì)算公式得運(yùn)動(dòng)鏈自由度為1。因曲柄為主動(dòng)構(gòu)件，故該機(jī)構(gòu)具有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（最終效果見圖8）。

圖8 機(jī)械花效果圖

三、總結(jié)與展望

連桿機(jī)構(gòu)在科普展品中應(yīng)用較為廣泛，將簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)串并聯(lián)或者聯(lián)動(dòng)的方式結(jié)合起來(lái)，可以得到意想不到的運(yùn)動(dòng)軌跡。本文以機(jī)械鳥、機(jī)械馬和機(jī)械花為例講述了連桿機(jī)構(gòu)在仿生類科普展品中的應(yīng)用，并提供了關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方案和計(jì)算方法，為將來(lái)其他種類的連桿仿生展品研制提供借鑒。

除了連桿機(jī)構(gòu)，還有許多經(jīng)典機(jī)械結(jié)構(gòu)可以考慮“仿生化”，如齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、槽輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，也可以將這些經(jīng)典結(jié)構(gòu)組合，開發(fā)出大體量綜合型仿生展品。該類展品可以以主題形式組合展示，具有較高的趣味性和吸引力，對(duì)提升觀眾對(duì)于機(jī)械的學(xué)習(xí)興趣有著重要意義。