连杆机构在仿生类科普展品中的应用

◎文/洪先亮 李瑞敏 方猛 仝文浩 刘卫庄（合肥通用机械研究院有限公司）

机械类展品一直是科技馆中不可或缺的重要组成部分，因具有较高的趣味性和较强的互动性而备受青睐，而连杆机构更是众多机械结构里较为经典的一种。传统的连杆类展品多采用直观演示的方法，虽能展示相关原理，但大多数结构过于简单，演示现象也较为枯燥。研究发现，生物所具备的功能比迄今任何人工制造的机械都优越得多[1]，这些生物的结构和功能在机械设计方面给了人们很多启发，如果能将仿生与连杆机构结合到一起，可以开拓出一种机械类展品的新模式。

自然界中的生物虽种类繁多，但在行为动作方面却有着许多相似之处，如鸟类的飞翔动作就有许多共性。将这些共性动作进行分析总结，选择具有代表性的物种，并运用连杆机构进行动作拟合，可设计出一系列连杆仿生类科普展品。

一、连杆机构的理论基础

平面连杆机构是由若干构件用低副（转动副、移动副）连接组成的平面机构[2]。最简单的平面连杆机构由4个构件组成，称为平面四杆机构，常见类型为曲柄摇杆机构（图 1a）、双曲柄机构（图 1b）、双摇杆机构（图 1c）。平面连杆机构主要用于实现某些特定轨迹、位置或运动规律的运动，实现从动件运动形式及运动特性的改变等。

图1 平面四杆机构

连杆机构具有形状简单易加工、承载能力大、运动轨迹多样等优点[3]，但设计难度较大。连杆机构的设计，首先要根据工作的需要选择功能合适的机构类型，再按照所给定的运动要求和其他附加要求（如传动角的限制等）确定机械运动简图的尺寸参数[4]。连杆机构的设计方法有解析法、几何作图法和实验法，解析法比较精确，作图法比较直观[5]，实验法常需要试凑。

连杆机构的运动轨迹较难控制，实现特定运动要求需保证连杆机构具有确定的相对运动。而机构具有确定相对运动的必要条件为：运动链的自由度必须大于零，主动构件数等于运动链的自由度[6]。若运动链中包括固定构件在内共有N个构件，除去固定构件后，运动链中的运动构件数n=N-1。设运动链中低副（回转副或移动副）数目为PL个，高副（滚滑副）数目为PH个，则自由度F的计算公式为：

计算连杆机构自由度时需注意三个问题：当m（m≥3）个构件在同一轴线上用回转副相联接构成复合铰链[7]时（见图2a），算作m-1个回转副；排除不影响机构中输出与输入关系的局部自由度（见图2b）；排除重复约束的虚约束（见图2c）。

图2 自由度计算特例

二、连杆机构的仿生应用

1.机械鸟

鸟类飞行时翅膀作扇动等动作，机械鸟展品由曲柄摇杆机构衍生而来，并结合球头关节实现鸟类飞行动作的拟合，除去传动机构，该展品的关键结构如图3所示。机械鸟的飞行动作拟合模块主要由曲柄、连杆、摇杆、球头关节等组成，曲柄为主动构件，球头关节的球头端固定于连杆上，连杆在平面内的平移和转动动作带动球头关节，使其空间位姿发生改变，并带动翅膀实现翻转扇动等动作。

图3 机械鸟关键结构

该展品的飞行动作拟合模块的运动构件数目为6个，其中转动副为8个，高副为1个，代入自由度计算公式得该运动链自由度为1。因曲柄为主动构件，故该飞行动作拟合模块具有确定的相对运动（最终效果见图4）。

图4 机械鸟效果图

2.机械马

马的奔跑动作主要特征是四肢交替前踢和后蹬，机械马展品的动作拟合模块由数个曲柄摇杆机构并联而成。由于四肢运动模块均采用相同结构，因此以左前腿为例讲述机械马的工作原理。如图5所示，机械马主要由曲柄转盘、连杆1、摇杆1、联动杆1、连杆2、摇杆2、联动杆2等组成，各连杆构件之间采用转动副联接。曲柄转盘、连杆1、摇杆1组成曲柄摇杆机构1，曲柄转盘、连杆2、摇杆2组成曲柄摇杆机构2。通过联动杆1和联动杆2将这两个曲柄摇杆机构并联起来，以曲柄转盘为主动构件，使两个曲柄摇杆机构作联动运动，实现马的奔跑动作。

机械马的动作拟合模块运动构件数目为7个，转动副为8个，复合铰链处转动副为2个，故转动副数目为10个，高副数目为0个，代入自由度计算公式可得该运动链自由度为1。因曲柄转盘为主动构件，故机械马动作拟合模块具有确定的相对运动（最终效果见图6）。

图5 机械马关键结构

图6 机械马效果图

3.机械花

机械花展品主要模拟莲花的闭合与开放状态。当莲花闭合时，花瓣收拢，花苞呈细长状；当莲花开放时，花瓣张开，层层堆叠。该展品主要通过曲柄滑块机构驱动花瓣实现莲花的张开与闭合动作，各花瓣作同步联动运动。如图7所示，该展品动作拟合模块主要由曲柄、连杆、滑块、花瓣等组成。滑块与花瓣通过销槽副联接，滑块上下往复移动带动花瓣绕机架转动，从而实现花瓣的开合动作。

图7 机械花关键结构

机械花的动作拟合单元运动构件数目为4个，转动副为4个，移动副为1个，销槽副为1个，代入自由度计算公式得运动链自由度为1。因曲柄为主动构件，故该机构具有确定的相对运动（最终效果见图8）。

图8 机械花效果图

三、总结与展望

连杆机构在科普展品中应用较为广泛，将简单的平面连杆机构通过串并联或者联动的方式结合起来，可以得到意想不到的运动轨迹。本文以机械鸟、机械马和机械花为例讲述了连杆机构在仿生类科普展品中的应用，并提供了关键部件的设计方案和计算方法，为将来其他种类的连杆仿生展品研制提供借鉴。

除了连杆机构，还有许多经典机械结构可以考虑“仿生化”，如齿轮传动机构、凸轮传动机构、槽轮传动机构等，也可以将这些经典结构组合，开发出大体量综合型仿生展品。该类展品可以以主题形式组合展示，具有较高的趣味性和吸引力，对提升观众对于机械的学习兴趣有着重要意义。