常见机械运动知识（九大机械运动盘点）

1.运动构成

各种“构成”的概念被提了不少，从最初的平面构成、立体构成、色彩构成，到后来的抽象化的新三大构成，即技术构成、文化构成、商业构成。运动构成可以算平面构成的延伸，它让视觉形态以符合机械规律的方式动起来。因为机械机构都要确保实物的运动特征，而不仅仅是纸面或屏幕上的视觉形态变化，所以有不少限制

Anthony Howe 的风力机械雕塑算是运动构成的典范。

这些风力雕塑其实不复杂，就是一系列有相位差的杆系而已。相位差是固定的，以产生视觉上有动态变化的秩序感。

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开花时钟的运动构成比上面的风力雕塑要复杂一些。

下图的空间的空间构成是基于一个动画做出的实物版，由于每根杆都必须是长度可变的，这里用了很多伸缩机构，实际上是相当于缸体了。

上面这种从虚拟世界走入现实世界的设计也不少，还都挺有趣的。十几年前曾让一个学生做了个电脑小游戏的实物版产品，比电脑上好玩多了。

2. 看起来简单实际上也简单的机械

简单的机构可以在产品世界里进行多样化的诠释，形成有趣又有用的创意产品。这个日本大叔的简单机械作品就获赞无数。

简单不代表没有价值。设计师搞机械设计的主要工作就是把简单的机构原理转化成产品的价值，这里设计师必须是主角。

具体怎么做，说到底还是要学会在抽象的机械运动原理和具象的产品功能之间架起桥梁，至少能在一些最基础的原理上无缝转换——看到能动的东西就想起它的机构原理，并下意识地按照机构运动类型对其进行归类，在脑子里对其建档。

3. 看起来复杂实际上也复杂的机械

大部分实用机械产品属于此类，如发动机、汽车变速箱等。照顾一下工业设计师的兴趣，这里给出几个有趣、很酷但没啥重要意义的机械。在这些产品里，欣赏和消费的对象是机械本身，而不是它们的功能。

上图是一个“数字”机械表。数码显示用的不是液晶或数码管，都是机械机构产生的，背后是一批复杂的齿轮传动系统。

布加迪更过分地推出了一款带16 缸发动机的手表，它值200 万：

所以，看起来复杂实际上也复杂的机械，除了功能以外，有时这种复杂性本身就是价值。这种产品设计思路也不在少数。

4. 行走机构：功能的多样化实现

行走机构是一个被研究得很多的机构类型，也是设计师们的兴趣所在，特别是玩具设计师。Theo Jansen 的海滩怪兽只是行走机构的一种类型，此类机构被发明出来很多，它们不一定都看起来像人或动物的腿，只要能带着自己走动就行了。

上面这个跟海滩怪兽是一样的，穿上马甲我们也要能认出它来。

土味发明也一样惊艳，这就是机械的魅力。

其实很多行走机构的原理只是简单地把曲柄摇杆（或其他类型带曲柄的机构）进行了复制、对称或镜像，错开相位，把曲柄变成曲轴，是一种视觉上不那么直观的运动构成。

5. 几种典型的机械臂

完成固定动作的机构一般只有一个自由度，即使非常复杂，如发动机、行走机构、手表（包括上面那些土豪机械表）等。如果需要机构产生一些无法事先定义的复杂轨迹，它的轨迹是在使用中根据用户的输入确定而不是设计师提前设定，这时就需要用到机械臂了。因为动作自由，看起来啥都能做，机械臂经常就直接被叫做“机器人”。

下图的机械臂是比较原始的，最古老的工程图打印机就是这种的，它可以把矢量线拆解成一个个位置点，并将其X 和Y 坐标值分别送到两个正交布置的步进电机中，产生笔端的精确位移。

有个美国作家还发明一个远程给粉丝签名的机械臂，原理跟这个差不多，就是用传感器精确读取笔的位置，然后发送给电机，令其远程复现。现在已经很普及了，小学生专用的抄作业机器人也是这种的。

下图的机械臂原理差不多，但是比较节省空间。

这个机械臂不需要两条垂直布置的导轨，所以很迷你紧凑。它是用另一种稍复杂一些的算法根据笔端的位置计算两个电机的转动角度和速度。

下图这种机械臂在工业生产中用得比较多，不光是平面画图写字了，可以任意摆弄三维空间中的物体。

它玩魔方也是一把好手。

一般来说，机械臂有几个驱动电机就有几个自由度。前两个写字机器人都是2 自由度的，因为笔只在二维平面上玩儿。后面这个玩魔方的机器人有几个自由度自己数数吧——不是三个，不要想当然。它的两臂分属两个机构，自由度分别计算。电机封装起来看不到，数数它有几个可以自由转动的关节。

6. 运动的组合

产品设计中，经常会需要像上面的机器人玩魔方一个样摆弄一个物体，让它产生复杂的运动。在设计的时候，需要把这个复杂运动分解成几个简单运动的组合。下面两个削苹果机是很好的例子。

上图削苹果机的设计中，苹果需要同时做自转和公转（绕两个不同的转轴转动）才能让苹果上的每一点都经过固定的刀片。这个机构是通过一个差动轮系实现的。

上面这个削苹果机跟前一个不太一样，它也是需要两个转动，不过这个方案不是让两个转动都出现在苹果上。苹果只绕一根固定轴转动，另一个转动由刀具来实现，让刀绕着苹果表面转（前一个案例刀具是固定的）。

运动是相对的，要么你动要么它动，这是基本的设计思路。开过机床的人就很能理解这点，要加工一个零件，要么零件动，要么刀具动，各类基础机床（车铣刨钻镗）差不多都是根据零件和刀具的相对运动特征来分类的。总之要确保相对运动的存在才能产生切削动作，切金属和削苹果道理差不多。

7. 铰链的简单应用

铰链是最简单的运动单元，用好了也能做出不错的产品。好的机械创意不一定都要很复杂。

8. 木机械

市面上有很多木制的机械玩具，有车辆等大型装备，也有相机、钟表、锁等复杂机构的木制版，五脏俱全，运动灵活，十分精巧。下面这类玩具在网上可以买到。

木制机械产品的主要特征并不仅仅是换了一种材料。跟金属、塑料的产品相比，木制机械的主要问题是由材料变形导致的精度误差。不论产品生产时的加工精度有多高，产品时间久了材料老化或遇到阴天下雨吸水膨胀，当初再高的精度也灰飞烟灭了。

所以木制机械普遍无法做得太复杂，传动链不能太长，否则功率消耗大，驱动困难，稍用点力零件就碎了。上述UGEARS 的产品早期用的是牙签做轴，产品中附了一小块蜡，是给牙签润滑用的。也有些产品用金属棒做轴，回避了木与木之间的摩擦阻力问题。更有用轴承等标准件来制作关键运动单元的。这些都是替代性方案，并没有解决木制运动构件的本质问题。

对木制机械的这个问题，以金属加工为基础的制造体系很难提供解决经验，这是设计师的机遇——设计师必须通过设计手段来解决精度问题。这也可以成为一项有趣的脑力激荡游戏。

9. 纸机械

用纸制作机械产品是一个有趣的挑战。因为机械给人的传统印象都是刚体，也就“硬家伙”，用刚度很低的纸做机械需要额外动脑子，这点格外诱人。

立体书和儿童玩具是纸机械的主要品类。

也有不少实用性的纸机械产品，如下图的纸盒子。

还有些很体现智力的纸机械设计。功能上无聊的东西往往在别的什么地方有些奇奇怪怪的过人之处。

纸经过折叠后，折痕就变成了一个铰链，而且阻力非常小。这个天然特征让纸特别适于制作一些以铰链为主的复杂机构，如第一期里见过的抓握机构：

折纸机器人近几年比较流行：

浙江大学的折纸机器人课程作业：

纸机械几乎都是多自由度的，但是跟机械臂的多自由度不一样，很多纸机械哪怕只有一个动力源，自由度也是大于1 的。这种多自由度让纸机械获得了灵活性和适应性，比如上面那个抓握机构。纸机械的自由度来自于折叠，每次折叠会产生一个铰链，运动构件的数量会加1 ，自由度至少加1 （空间机构的自由度增加还要多）。但是同时折叠也给纸带来了运动所需的刚度，基于柔性机构的一些原理，冗余的自由度与刚度之间会形成奇妙的配合效果。这是纸机械的一个魅力来源。

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