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

機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的互動性而備受青睞，而連桿機構(gòu)更是眾多機械結(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)過于簡單，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械都優(yōu)越得多[1]，這些生物的結(jié)構(gòu)和功能在機械設(shè)計方面給了人們很多啟發(fā)，如果能將仿生與連桿機構(gòu)結(jié)合到一起，可以開拓出一種機械類展品的新模式。

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

一、連桿機構(gòu)的理論基礎(chǔ)

平面連桿機構(gòu)是由若干構(gòu)件用低副（轉(zhuǎn)動副、移動副）連接組成的平面機構(gòu)[2]。最簡單的平面連桿機構(gòu)由4個構(gòu)件組成，稱為平面四桿機構(gòu)，常見類型為曲柄搖桿機構(gòu)（圖 1a）、雙曲柄機構(gòu)（圖 1b）、雙搖桿機構(gòu)（圖 1c）。平面連桿機構(gòu)主要用于實現(xiàn)某些特定軌跡、位置或運動規(guī)律的運動，實現(xiàn)從動件運動形式及運動特性的改變等。

圖1 平面四桿機構(gòu)

連桿機構(gòu)具有形狀簡單易加工、承載能力大、運動軌跡多樣等優(yōu)點[3]，但設(shè)計難度較大。連桿機構(gòu)的設(shè)計，首先要根據(jù)工作的需要選擇功能合適的機構(gòu)類型，再按照所給定的運動要求和其他附加要求（如傳動角的限制等）確定機械運動簡圖的尺寸參數(shù)[4]。連桿機構(gòu)的設(shè)計方法有解析法、幾何作圖法和實驗法，解析法比較精確，作圖法比較直觀[5]，實驗法常需要試湊。

連桿機構(gòu)的運動軌跡較難控制，實現(xiàn)特定運動要求需保證連桿機構(gòu)具有確定的相對運動。而機構(gòu)具有確定相對運動的必要條件為：運動鏈的自由度必須大于零，主動構(gòu)件數(shù)等于運動鏈的自由度[6]。若運動鏈中包括固定構(gòu)件在內(nèi)共有N個構(gòu)件，除去固定構(gòu)件后，運動鏈中的運動構(gòu)件數(shù)n=N-1。設(shè)運動鏈中低副（回轉(zhuǎn)副或移動副）數(shù)目為PL個，高副（滾滑副）數(shù)目為PH個，則自由度F的計算公式為：

計算連桿機構(gòu)自由度時需注意三個問題：當m（m≥3）個構(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（見圖2a），算作m-1個回轉(zhuǎn)副；排除不影響機構(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 自由度計算特例

二、連桿機構(gòu)的仿生應(yīng)用

1.機械鳥

鳥類飛行時翅膀作扇動等動作，機械鳥展品由曲柄搖桿機構(gòu)衍生而來，并結(jié)合球頭關(guān)節(jié)實現(xiàn)鳥類飛行動作的擬合，除去傳動機構(gòu)，該展品的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖3所示。機械鳥的飛行動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)動動作帶動球頭關(guān)節(jié)，使其空間位姿發(fā)生改變，并帶動翅膀?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)扇動等動作。

圖3 機械鳥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

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

圖4 機械鳥效果圖

2.機械馬

馬的奔跑動作主要特征是四肢交替前踢和后蹬，機械馬展品的動作擬合模塊由數(shù)個曲柄搖桿機構(gòu)并聯(lián)而成。由于四肢運動模塊均采用相同結(jié)構(gòu)，因此以左前腿為例講述機械馬的工作原理。如圖5所示，機械馬主要由曲柄轉(zhuǎn)盤、連桿1、搖桿1、聯(lián)動桿1、連桿2、搖桿2、聯(lián)動桿2等組成，各連桿構(gòu)件之間采用轉(zhuǎn)動副聯(lián)接。曲柄轉(zhuǎn)盤、連桿1、搖桿1組成曲柄搖桿機構(gòu)1，曲柄轉(zhuǎn)盤、連桿2、搖桿2組成曲柄搖桿機構(gòu)2。通過聯(lián)動桿1和聯(lián)動桿2將這兩個曲柄搖桿機構(gòu)并聯(lián)起來，以曲柄轉(zhuǎn)盤為主動構(gòu)件，使兩個曲柄搖桿機構(gòu)作聯(lián)動運動，實現(xiàn)馬的奔跑動作。

機械馬的動作擬合模塊運動構(gòu)件數(shù)目為7個，轉(zhuǎn)動副為8個，復(fù)合鉸鏈處轉(zhuǎn)動副為2個，故轉(zhuǎn)動副數(shù)目為10個，高副數(shù)目為0個，代入自由度計算公式可得該運動鏈自由度為1。因曲柄轉(zhuǎn)盤為主動構(gòu)件，故機械馬動作擬合模塊具有確定的相對運動（最終效果見圖6）。

圖5 機械馬關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

圖6 機械馬效果圖

3.機械花

機械花展品主要模擬蓮花的閉合與開放狀態(tài)。當蓮花閉合時，花瓣收攏，花苞呈細長狀；當蓮花開放時，花瓣張開，層層堆疊。該展品主要通過曲柄滑塊機構(gòu)驅(qū)動花瓣實現(xiàn)蓮花的張開與閉合動作，各花瓣作同步聯(lián)動運動。如圖7所示，該展品動作擬合模塊主要由曲柄、連桿、滑塊、花瓣等組成?；瑝K與花瓣通過銷槽副聯(lián)接，滑塊上下往復(fù)移動帶動花瓣繞機架轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)花瓣的開合動作。

圖7 機械花關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

機械花的動作擬合單元運動構(gòu)件數(shù)目為4個，轉(zhuǎn)動副為4個，移動副為1個，銷槽副為1個，代入自由度計算公式得運動鏈自由度為1。因曲柄為主動構(gòu)件，故該機構(gòu)具有確定的相對運動（最終效果見圖8）。

圖8 機械花效果圖

三、總結(jié)與展望

連桿機構(gòu)在科普展品中應(yīng)用較為廣泛，將簡單的平面連桿機構(gòu)通過串并聯(lián)或者聯(lián)動的方式結(jié)合起來，可以得到意想不到的運動軌跡。本文以機械鳥、機械馬和機械花為例講述了連桿機構(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)計方案和計算方法，為將來其他種類的連桿仿生展品研制提供借鑒。

除了連桿機構(gòu)，還有許多經(jīng)典機械結(jié)構(gòu)可以考慮“仿生化”，如齒輪傳動機構(gòu)、凸輪傳動機構(gòu)、槽輪傳動機構(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，對提升觀眾對于機械的學(xué)習(xí)興趣有著重要意義。