[科普中国]-直线运动机构

直线运动机构是使构件上某点作准确或近似直线运动的机构。17世纪晚期，在人类能造出精确滑杆和导槽之前出现了一种机械设计思想，目的是用制造简便的刚片，连杆和铰的组合完成直线形的导槽和滑杆的功能，使构件上某点作准确或近似直线运动。由于现在加工高精度滑杆和导槽已无困难，这种机构已不多见，仅在仪表和某些机械上还有应用。但这种设计思想对于现代的仿生学机械设计有着重要的启发作用。直线运动机构分为近似直线运动和准确直线运动的两类，它们有着各自的特点，被应用在不同的场合。

设计思想直线运动机构分为精确直线运动机构和近似直线运动机构两类。其中精确直线运动机构的设计思想主要有两种：一种是利用几何中的反演变换，把连杆末端的圆弧路径反演为直线，用机械反演器可以完成这一功能；另一种则是通过两个不平行的连杆结构，把路径限制在两个平面的交线。近似直线运动机构则是通过多个杆件实现自由度为1的连接，调整杆件的长度使得一点的运动轨迹中包含一段近似直的线段。1

运动特点1、结构简单，制造容易，工作可靠，传动距离较远，传递载荷较大，可实现急回运动规律，但不易获得匀速运动或其他任意运动规律，传动不平稳，冲击与振动较大。

2、结构紧凑，工作可靠，调整方便，可获得任意运动规律，但动载荷较大，传动效率较低。

3、传动平稳无噪声，减速比大；可实现转动与直线移动，传动平稳无噪声，互换；滑动螺旋可做成自锁螺旋机构；工作速度一般很低，只适用于小功率传动。

4、载荷和速度的许用范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高；制造和安装精度要求较高，精度低时传动噪声较大，无过载保护作用；斜齿圆柱齿轮机构运动平稳，承载能力强，但在传动中会产生轴向力，在使用时必须安装推力轴承或角接触轴承。

5、轴间距离较大，工作平稳无噪声，能缓冲吸振，摩擦式带传动有过载保护作用；结构简单，安装要求不高，外廓尺寸较大；摩擦式带传动有弹性滑动，不能用于分度系统；摩擦易起电，不宜用于易燃易爆的场合；轴和轴承受力较大，传动带寿命较短。

6、轴向距离较大，平均传动比为常数，链条元件间形成的油膜有吸振能力，对恶劣环境有较强的适应能力，工作可靠，轴上载荷较小；瞬时运转速度不均匀，高速时不如带传动平稳；链条工作时因磨损伸长后容易引起共振，一般需增设张紧和减振装置。1

分类精确直线机构可以代替导槽和滑杆，由于在运动过程中唯一的损耗来源是铰结处的转动摩擦，而且摩擦的长度很短，所以相比导槽和滑杆，摩擦损耗要小很多。经典的精确机械结构有两种，一种是波塞利耶-利普金直线运动机构，一种是萨鲁斯直线运动机构。

近似直线运动机构尽管精确直线机构可以替代滑杆和导槽，但在应用中，有需要一段是直线，另一段是曲线的结构。例如用脚行走的机械在着地时要沿着直线，返回时抬脚又需要走曲线。这样的机械很难让直线段严格为直线。但可以做成近似程度非常高的直线。2

波塞利耶-利普金直线运动机构波塞利耶-利普金直线运动机构(Peaucellier–Lipkin linkage)(又称为波舍利直线运动机构)由法国军官查理·尼古拉·波赛利耶(Charles-Nicolas Peaucellier(1832–1913))和约姆·托伍·李普曼·利普金(Yom Tov Lipman Lipkin(1846–1876))于1864年发明。这种机械的设计思想是基于机械反演器把圆弧反演为直线。

机械反演器由两组杆组成，一组由4条长度相同的短杆构成形状可以变化的菱形，另一组由两条等长的长杆，一端连在反演中心处，另一端连在菱形的对角上。可以用几何方法说明它的工作原理。设点O为反演中心，RPSQ四点构成菱形。

根据对称性可以得到，点O，点P和点Q三点共线，都在∠ROS的角平分线上。根据勾股定理，可以得到：

两式相减，可以得到

由此得出，P点和Q点关于O点反演，反演半径为 。根据过反演中心的圆的反演是一条直线，可以得到，当P在过点O的圆的一段圆弧上运动时，Q点的轨迹是直线。

这种机械结构的优点是可以实现严格的线段约束，并实现直线运动和圆弧运动的正切转换。缺点是占空比较大，活动范围受到杆长的限制而比较小，需要的连杆和铰结构比较多(一共有7条连杆和6个铰结)，因而结构比较复杂，引起可靠性不足。另外，如果有使连杆离开所活动的平面的力，将会使机械结构成为瞬变体系，导致结构强度不符合要求。2

萨鲁斯直线运动机构萨鲁斯直线运动机构(Sarrus linkage)由法国斯特拉斯堡大学教授比埃尔·费雷德里克·萨鲁斯(Pierre Frédéric Sarrus(1798.3.10-1861.11.20))于1853年发明。这种机械的设计思想是，让两组垂直的连杆结构互相约束，使得连杆的共公末端在一平面内活动。

这种机械结构的优点是可以承受任意方向的干扰力而不至于结构受到破坏，因而非常坚固。还可以通过增加连杆结构提高强度，节约空间，活动范围大。缺点是耗费材料比较多，因为每个刚件都是一个需要承受扭曲的面。

需要指出的是，如果想把这种直线运动机构中的刚件改为连杆，每个正方形刚件应该变为一个由12条棱组成的八面体，其中每条棱都不是多余约束。

除了这两种有名的直线运动机构，著名的直线运动机构还有分别以契贝谢夫、罗伯茨命名的直线运动机构和以哈特、肯普、斯科特－拉塞尔命名的精确直线运动机构等。

J.瓦特近似直线运动机构19世纪初，为了代替当时笨重的齿扇链条机构，J.瓦特利用并行运动原理制成一种近似直线运动机构(图1)。这种机构处于中间位置时，有几何关系：AD⊥AB，AB∥CD，AE:DE=CD:AB，E点轨迹有一段近似直线，其长度至少等于AD。

这种直线运动机构的优点是比较简单，但误差比较大，而且在垂直于这个平面的方向也是瞬变体系。因而在应用中必须避免与它垂直的力。另外，由于不能保证非直线运动的部分向直线运动部分的单面凸，因而无法用这种机构构造用脚走路的机械。3

霍肯直线机构霍肯直线机构(Hoeckens Linkage)由卡尔·霍肯(Karl Hoecken(1874-1962))发明，是一种由四条连杆构成的机械结构。连杆的末端在半个周期内走直线，另外半个周期走特殊的弧线。其中与轴一同固定的点距离轴为半径的两倍，短连杆长度为半径的2.5倍，长杆的长度为半径的5倍，并在中点处与短连杆连接。实验表明，这种直线机械的误差在其工作范围内小于千分之一。

这是一种非常适用于设计用脚走路的运载工具的机械结构。相比轮子，用脚走路对地面的要求很低，而且脚的末端可以设置较大的面积的垫子以减小对地面的压强，平衡路面的高低不平。可以猜测古代的木牛流马用了类似的直线机械，或许以后的仿生学设计中，这种结构将会投入应用。

仿生学应用价值在动物千百年的进化中，可以看到连杆和关节是骨骼的基本结构，而导槽和滑杆几乎看不到。这是因为减少体内的摩擦有利于节约体能损耗和骨骼摩损，从而更有利于生存。而在人类的机械设计中，圆周运动和往复运动的转换是一种非常重要的基本结构。无论是古代传说中的木牛流马和木鸢，还是现代高端科技产品机器骡，机器鱼和扑翼机，都离不开这种转换。相信在不远的将来，直线运动机构将会在这些领域发挥更重要的作用。1

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学