刘小建
浙江工业大学
========目录=========
1. 从工业设计角度看机械功能
2. 输出中的机构运动组合
3.简单的输入，丰富的输出
4.复杂的输入输出关系
总结
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1. 从工业设计角度看机械功能
机器的功能是什么？
定义或解释机器的功能有很多种方式，这里我们从工业设计的角度对机器的功能给出更务实的理解——输入与输出。
让我们看一下以下对产品机械功能的一般描述，这可能是设计师客户最常用的语言：
- 插入一张卡，机器就会打印时间（时钟）；
——按下快门时，镜头会曝光0.125秒（相机）；
——当装上电池后，时针、分针、秒针将按规定的速度运转（时钟）；
——向左或者向右转动方向盘，汽车前进（儿童车）；
——每当太阳移动的时候，它就会像向日葵一样转动，使得伞下的人永远不会被太阳（遮阳伞）晒到；
——如果你不断摇晃它，它就会产生电能（充电机制）；
——往下按，啤酒瓶盖就会被撬开（开瓶器）；
——当风吹来或推来的时候，它的腿就开始行走（海滩怪物）；
——桌子翻转，桌面可拆卸、重新组装，面积加倍（扩大桌子）；
…
这些产品的功能是用“条件-行为”模式来描述的：给定一个条件，就会触发一个行为。用工程上更常见的模式来描述，就是“输入-输出”：给（产品）一个输入，也就是上面描述的前半部分；它会给你一个输出，也就是后半部分。
对于我们关心的机械，输出通常是某种形式的运动或运动的组合，而输入则是多种多样的，可以是运动、能量输入，甚至是光线的变化。但对于机械系统来说，各种输入最终都必须变成某种形式的运动，才能进入我们的研究范围。比如，遮阳伞会随着太阳移动，阳光的变化只会触发电机的启动。这个光电系统并不是我们关心的，机械设计的任务是从电机轴的运动开始的。因此，我们可以将输入和输出都定义为“运动”。
使机械机构运动的“输入”可以是以下几种：
1）人力驱动：利用人的手、脚直接对机器中的构件进行推、拉、压、扭等动作，使构件运动；
2）电机传动：电机轴带动某一部件旋转；
3）自然资源驱动：风、水、热、化学反应等驱动部件运动；
4）其他：重力、弹力、磁力、惯性等驱动元件运动。
这些输入的影响最终体现在机械机构中某个部件的运动上，这个部件是整个机构中第一个运动的部件，被称为“原动机”。
机械机构的输出一般是一个（或某些）零部件的运动，以及运动的结果，包括：
1）运动本身：构件的速度（移动或旋转）和方向，构件上某点的运动轨迹等。
2）力：构件运动产生的力，例如各种夹具上的夹紧机构；
3）组件的方向：组件在移动前后的方向（旋转）和位置（移动）；
4）相互关系：零部件的运动、力、方位等要素之间的组合关系。
机械机构的输出并不能直接描述为其“功能”，因为输出是对机械机构运动的客观描述，可以通过一些参数来准确表达，而功能是面向用户的（涉及到用户的角色），因此可以粗略地将功能理解为机械机构的一种可供性（参见“影子产品（12）：可供性”）。
我们先来了解一下槽轮机构的作用。
此槽轮机构的输入很简单，就是右边转盘的连续旋转，由电机驱动或者手动；输出则是左边六角槽轮的间歇旋转。此机构的作用是产生间歇运动（动一次停一次），其中一个部件（槽轮）的运动输出就是这个作用。
让我们看一下更复杂的机制的功能。
自动开门机构设计巧妙，可能是为了防止牲畜在农场内乱跑，同时又不妨碍无人值守时汽车的自由进出。
该机构由轿厢的重力驱动，将中间的“桥”向下推（输入：组件向下移动），带动两边的绳索将两扇门向上拉开（输出：组件转动），让轿厢进入。轿厢离开后，门又因重力作用回到原来的位置。
这个机构的功能是“开门”，通过左右门的部件旋转来实现。“开门”是一个比较抽象的描述，只要把车厢通道上的物体移走，就实现了这个功能。对于这个功能，机构的输出包括几个部件的运动，包括车厢通道上的部件，一共8个（6个横杆，2个竖杆），这些部件必须从车厢通道上移走，它们的运动共同构成了这个机械机构的“功能”。
下图是挖掘机的简化版。
虽然简单，但是这台挖掘机却是一个完整的机械产品。在这种情况下，我们忽略挖掘机底盘的转动，将其视为一个平面机构。这个机构的功能可以概括为“挖土”，由两对“输入-输出”完成。
第一对“输入-输出”是孩子左手推动操纵杆（输入），使挖掘机臂旋转（输出），将铲斗送到要挖掘的位置；第二对“输入-输出”是孩子右手推动另一根操纵杆（输入），使铲斗产生挖掘动作（输出）。
其实，这个简单的机构还包含另外两对“输入输出”动作，也就是与前面两对动作相反的“卸载”，一个是左手产生一个举升动作，把铲斗和里面的土都举到空中，然后右手产生一个卸载动作，把铲斗翻倒，把土卸下来。
所以我们可以看出，从机器的功能到机器的运动的关系是一个逐渐分解的关系：“挖掘”功能分解为“挖”和“卸”两个子功能；每个子功能又包含两对“输入-输出”关系。
机械设计需要这样一个从抽象到具体的分解过程。“具体端”更接近机械工程师的工作范围，而“抽象端”更接近工业设计师的工作范围。但整个流程工业设计师应该掌握。在机械机构的设计在原理层面完成后，机械工程师就要进入该领域，包括详细的功能参数设计、力学分析、结构设计、可靠性验证、实验测试、加工生产等。而在这之前，应该是工业设计师的主场。
组织的输出有时包含复杂的多功能目标，例如下面的剪刀。
普通剪刀只需要一个铰链，但这把剪刀却有四个铰链，为何这么复杂？
如果把下方的手柄看作框架，剪刀的输入就可以看作是手按下上方的手柄并向下移动——相当于四连杆机构的中间连杆（如下图所示），它的运动既有转动，又有移动，是比较复杂的复合运动。
一般来说，四连杆机构的中间连杆很少充当原动机（即最先运动的部件，外界“输入”的直接对象），因为它的运动特性太复杂，连接动力源比较麻烦，不像其他两杆那样只是绕着固定点转动，可以很方便地用电动机带动。当用手作为动力源时，比用电动机灵活得多，因为手有更多的自由度，可以随时调整自身的“机构”形状，以适应部件的运动，所以这里就用中间连杆作为原动机。
剪刀的输出很容易理解，就是两个刀片咬合在一起，剪断中间的物体（比如花草树木的树枝和树叶）。但是，这个机构的设计非常复杂，一定还有其他的考虑，也就是其他的功能目标。
我猜它的另一个功能目标就是在使用过程中让两个手柄保持平行，这样就可以单手使用剪刀，而且由于两个手柄平行，也方便发挥手部的握持力。如果两个手柄相距太远（角度太大），像家用剪刀，在剪较大物体时手部就发不出力量，握持效率低，所以只能剪薄纸。
这个功能目标对应着上面提到的第三个输出，即部件的朝向，要求中间连杆与框架保持近似平行的关系。
如果机械机构有多个输出，那么设计上就会有挑战，因为它们会互相阻碍。这对设计师来说是一个考验。所以这个剪刀设计能获奖。
2. 输出中的机构运动组合
产品设计对于机械的需求是多种多样的，尤其对于创意设计而言，有时仅仅让某个零部件动起来是不够的，不同零部件之间复杂的运动组合关系也可能成为设计目标。
下面是一个艺术装置。
了解了传动系统之后，我们很容易推断出，这个作品的背后是一台电机和一条树形的齿轮传动链（等效杆系或者8字带传动链也行）。它的输入很简单，就是电机带动原动机精确旋转某个角度。如果让我来做，我会把电机放在中间那个方块的后面，这样传动链就短了，最多两级传动。
机构输出是什么，取决于这个机构的用途，也就是我刚才说的，它和人有关，并不只是把运动传递到运动链的末端部件。这个机构要完成一个图形的精确变形，需要各个运动部件的位置配合。所以它的输出是和各个部件相关的。在本例中，输出有 8 个，它们的运动速度（相邻块的转动速度相等，方向相反）之间存在稳定的数学关系。
机构的输入非常单调，即原动机的运动。原动机通常只有一个，有些情况下有两个，例如双人自行车（两人蹬踏）、指南针车（两轮驱动）等。输出可能与系统的每个部件相关，包括它们的运动、方位以及相互之间的关系，具体取决于功能的设定。例如，在下图所示的机械爪中，左右爪的反向运动输出组合构成了它的抓取功能。
下图是一个玩具，它的输出也是零部件之间的运动和位置的精确组合。
因此，将机械产品抽象的“功能”分解为零部件输出的具体组合是设计的第一步，即准确地定义机械的运动关系。
3.简单的输入，丰富的输出
从上面的例子我们可以看出，机构的输入比较简单，依靠电动机、手动、单风或水流等外界动力源，使原动机产生简单的运动，一般是旋转或直线运动。而输出则千姿百态、形式多样，比原动机的运动丰富得多，会有一些复杂的组合，比如上面的艺术装置。
输入简单是有原因的。
风能、水能等自然资源是不可控的，我们无能为力。人力虽然可控，但能力有限。几千年来，产品世界发生了翻天覆地的变化，但人的基本功能却没有太大变化，所以我们只能做以人为本、围绕人而生的产品。
电机作为机械机构的重要输入源，其选择其实非常有限。
举个最简单的例子，玩具车上的电机运转速度非常快，因此需要减速系统将其减速，以使车子以正常速度行驶。那么，电机能不能跑慢一点呢？可以，但是电机会非常大。因为车子以一定的速度行驶，要克服地面的摩擦力，所需要的功率大致不变，所以电机的输出功率也大致不变。电机的功率等于转速乘以扭矩。转速低，扭矩就要大；扭矩大，电机输出轴的强度就要高；强度高，轴就要做得粗一些。轴粗了没关系，整个电机的体积也要成倍增加，可能大到装不进玩具里。
如果用减速机就不一样了，小手指大小的减速机就能把电机转速降低到零点几，在节省空间方面比低速电机要好得多。
下图是一支铅笔粗细的马达，是我去年做模型时买的，输出轴上有一个行星减速器，这个机构太小了，我根本看不到，所以只好用微距相机拍下来。
这种小型电动机可用作许多玩具的驱动源，并且比电池占用的空间更小。
下图是串联起来的行星减速机，可以看到它的超大减速比。
左边是一台高速钻头，经过这个巴掌大小的减速器四级减速之后，右端的输出轴已经变得如钟表指针般缓慢。
去年王先生用木头做了一个行星减速机，类似上面的那种，见“三级行星减速机旋转储物架”。
4.复杂的输入输出关系
也有一些输入输出关系稍微复杂一些，比如前面提到的Theo Jansen的Strandbeest。
怪物可以利用风、手或放置在斜坡上以利用重力驱动。
它的机制原理后面会详细分析，这里就从输入输出的角度简单说一下。一般怪兽的主体（中间的横梁）是作为框架的，当风吹或者手推框架的时候，原动力其实就是接触地面的那只脚，推动框架就会使地面和这只脚产生摩擦力，就好比推动桌子移动一样，因为桌子也是有脚的。这只脚移动之后就离开地面；然后另一只脚着地，依靠运动的惯性，充当新的原动力。
不接触地面的脚部的运动可以看作是该机构的输出，每只脚轮流充当原动机，带动中间的曲轴不断旋转，曲轴再带动其他不接触地面的脚部运动。所有这些脚部的运动组合成一个“行走”的概念，这就是这台机构的功能。
Stranded Monsters还有另外一个版本，结构类似，但是输入输出关系发生了改变。
上图是 Stranded Monsters 的一款衍生玩具产品，可能是觉得搭个帆骑行太没效率了，所以用风车来代替。风车和帆的功能是截然不同的，当风车吹起来的时候，动力通过齿轮减速传动系统传到中间的曲轴上，然后曲轴带动所有的腿同时开始移动。
原版怪兽（风吹或手推）都是被动地靠脚带动曲轴转动，这两个机构的运动传递过程正好相反，其输入输出关系也正好相反，因此原版怪兽有点像斯特林发动机（第一期热咖啡驱动的小机构），而玩具版怪兽则类似于普通的电机驱动机构，将风车换成电机，一模一样。
下图显示了这个怪物的曲轴的样子，一个人正在手动转动曲轴。
总结
明确机构的功能与输入输出的关系其实是设计过程的开始，这一步可以在比较抽象的层次上处理，如果把机构的输出关系当做功能的次要目标，有时候达到这个目标的设计已经是推动机构设计向前发展的关键一步，因为后续的工作，从输入到输出的黑箱解决方案在很多资料里都能找到，不行的话可以向工程师求助。
这有点像解方程，你必须先给出方程，这样别人才能帮助你（或指导别人）解方程。
