刍议广义机械科学基础逻辑架构重建之九

机械构型模式研究

摘要：

 归纳总结了现代机构中的几种基本构型模式、研究了新发现并命名的两种构型模式和新发明的一种构型模式。特别是提出来梳联连接的概念。梳联是自然界广泛存在和工程界广泛应用的连接方式和构型模式，一直没有被重视和命名。串联、并联和梳联作为三种基本的连接和构型方式，形成三足鼎立之势。构建了基本构型模式集合。把基本构型模式集合推广应用到广义机构学各个层次的构型模式，推广应用到不同层次的部件组合构成的构型模式。模式集合及其对应的构建方法，具有很好的操作性。模式集合可以用于指导构建新的结构，新的系统，具有重要的理论和实用价值。

1.研究对象方法及目的

  1.1研究对象

本文研究机械领域的构型模式和模式集合，构型是广义的，不仅仅是机构的构型，还包括以构件作为基本机构单元，形成定常结构的构型，包括以实体运动副作为基本结构单元形成梳联结构的构型以机构作为基本结构单元的构型。不研究啮合类机构的构型模式，不研究变胞机构的构型模式。

1.2 研究方法 本文采用归纳的方法，系统的方法，分析处理现有的构型模式。应用层次分析方法，组合方法对各种模式进行分类、重组、整合等。本文不涉及数学构型方法，不研究变胞机构的构型方法。  

   1.3 研究目的：归纳总结广义机构学科中，普遍应用的构型范式和作者命名或新发明的构型模式，形成具有普遍意义的构型模式集合，并把构型模式集合应用到各个层次，为指导设计和构型实践提供新方法，新思路，为广义机械理论的逻辑架构提供一个新支撑。

2、模式及其类别和作用

模式一词所指范围比较广泛，它包含了物元，器件，元件，元素或部件之间的某种规律关系，是从不断重复出现的事件或事物中发现或抽象出的规律，是解决某种重复出现的问题的经验的归纳总结。如鲁迅所言，世上本没有路，只是走的人多了，变成了路。

2.1 模式的定义

从不同的视角，在不同领域，观察描述模式可以得到不同的定义。

辞书定义：模式是某种事物的标准样式或让人可以仿效学习的模板。模式是一种结构范式。

计算机领域解释：模式是一种可重复应用的解决方案，可用于解决设计中遇到的常见问题。模式是大家公认且行之有效的某个问题的解决方案。

社会学或经济学认为，模式是解决某一类问题的方法论，是解决某类问题的方法总结。

一般说来，模式是一种成功应用的范例，模式是一种可供参照的方案。应用某种模式有助于高效完成任务，事半功倍。

由于模式的应用范围十分广泛，给模式一个标准的通用的定义比较困难。读者从上述不同角度的描述，应该对模式一词有一个整体的认识。

2.2、模式的类别

模式种类繁多。不同的领域有不同的模式。按照应用领域，有机械工业，有电工电子，液压气动，教育，计算机，建筑，社会，经济、艺术等等领域的模式。模式包括科学实验模式、经济发展模式、企业盈利模式，管理模式等，有建筑模式，有设计模式，有生产模式，有构型模式，交通模式，服装模式等等。

当一个领域逐渐成熟的时候，自然会出现很多模式。例如，机械，液压气动电光电子，等领域都有其自己的构型模式。

  科学领域的范式，库恩在科学革命的结构中提出的科学范式概念，也是一种模式，一种用于描述或构建科学理论的模式。本系列博文 渐次展示的广义机械学科的整体逻辑架构和科学方法，未来或许也成为一种新的科学范式。

  2.3、模式的主要特征和作用

模式具有一般性、稳定性、重复性、简单性、可操作性的特征。同时还具有可改进性。在实际运用中，研究人员会结合实际情况，随时调整要素之间的结构关系，不断改进。所以模式是进化的。

模式实质上提供了一种方法，一条思路，一种选择，一个方向。模式是一种指引，一种遵循。模式为最终生成物描绘了一个基本图像。模式，间接的告诉我们，物与物之间的连接，不是随意的，是有章可循的。

模式是成功的，是可复制的，是可以选择应用的。标准是模式的规范化，在某些领域。标准带有强制性。

2.4模式的产生过程和发展进化

模式发展从0到1，早期多依靠灵感，想象的方法。灵感、想象的方式，是自由奔放的方式，是天马行空，任马由缰，无中生有的过程，这是想象力的天下。灵感想象可以得到一种前所未有的结构方案，最后实验检验。如果可行，则得到一种实用方案。实用方案经过试用，检测，反复迭代，如果得到普遍运用，则会逐渐形成一种模式。

  从0到1，也可以通过仿生的或理论推演和逻辑推导的方式得到。例如，仿生方法发明的飞机。例如应用数学方法，包括螺旋理论、李群等，得到各种并联结构新模式。

  模式是对已有的理论，结构，模型等的一种固化。尽管如此。灵活的巧妙的应用模式及其模式组合，也可以引向新的发明，走向新的模式。模式的创新，进化，还要应用发散思维，想象力和灵感等创新思维，不断推进模式的进化和发展。所以，发散思维，想象力和灵感的方法与理论方法不是截然分开的，是相互促进，共同发展的。

从发展看，从独立的构件，到实体运动副，再到串联机构，是一种结构模式升级，是由简单到复杂的一个跳跃。从串联机构到并联机构，又是模式的一个飞跃。并联机构是以串联机构作为基本的结构和功能单元的。然后从并联机构的闭环回路到带有反馈回路的闭环模式，结构模式又有升级。某些反馈回路，可以形成机器。所以模式是不断发展的，不断进化的，这个过程是无止境的。

3、机械领域的典型构型模式

在广义机构学领域，存在着其学科自身固有的模式。历史发展过程中形成的模式，多种多样。由简单到复杂，经历了漫长而曲折的发展过程。模式的发展历程是一个进化过程。

传统机构是一个丰富的机构宝库，凝聚了一代一代人的智慧结晶，存在众多的机构构型模式。一些典型的机构以发明人的名字命名，并已被模式化。特别是，很多经典模式已经标准化，在一些行业强制应用。例如齿轮机构、槽轮机构等。例如，齿轮机构传动是一个定比传动模式，是一个标准化的模式，齿轮设计有多个国家标准。例如，有渐开线圆柱齿轮标准，有基本齿条齿廓的标准；有渐开线圆柱齿轮模数的标准；有关于齿轮强度，精度校核计算方面的标准等等。

机械原理涉及的内容都是经典中的精华。按照历史发展的过程，构型模式可以粗略的分为经典模式和现代模式。经典机构以连杆机构，啮合机构摩擦轮机构和链带机构或机器等为代表。由于传统机构多是以问题导向的方式产生，故个性化特征明显，模式多样。孟宪源姜琪编著的《机构构型与应用》不仅给出了多种构型方法，还列举的大量的经典构型模式，可资参考。现代机构以各种串联机构、并联机构、混联机构等为代表，多为复杂的机器，包括信息机器等。 

   3.1连接方法简介

机械领域的构型模式是以连接方法为基础的。作者认为，连接能力包括关联能力是所有技术人工物最本质最基本的特性之一，是技术人工物的不可或缺的特性。构型模式以连接为基本手段，生成各种复杂结构。对于模式，构型连接的重要性不言而喻。在各种机械设计手册中，几乎有一半的篇幅与连接有关：涉及连接方法，连接件等等。这从一个侧面说明连接的重要性。但是，很少有教科书或设计手册，明确指出连接的重要性。教科书或者有关设计手册多默认为连接仅仅是一个普通特性。这对连接方法是不公平的。应当对连接方法给予足够的重视，给连接应有的名分和地位。作者认为，无连接，无机械。

  下面简单介绍一些重要的连接方法。

   连接方法繁多。不同的领域，不同的材料，不同的用途，有各自的独特连接方法。例如，有机械连接，卯榫连接，卡箍连接，热熔连接，粘结连接，电气连接，刚性连接，柔性连接，等等，等等。

   按照连接的目的，进行分类。连接方法的类别有构型连接，检测连接，装饰连接，其它连接。模式连接主要涉及构型连接方法。

按照连接后的两个部件是否有相对运动，还有固定连接和活动连接的分类方法。固定连接有螺纹连接，有铆钉连接，有焊接，有销钉连接，等等。活动连接有啮合连接，摩擦连接，柔顺连接，耦合子连接等等。

  连接概念还可以进一步扩展，从含有机械的连接，到没有机械的连接。我们把含有机械连接的称为实连接。没有机械的连接，只有信息连接的称为虚连接。多机器人之间协同工作的连接就是虚连接。虚连接之间的连接，是信号连接，或特殊形式的能量或物质的传递。特殊形式的物质交换传递，或称为关联。实连接的用途之一是构型连接。虚连接不是本文的研究内容。

3.2、连接原则

机械部件连接有两个原则，一个是连接不能影响原部件的主要性能，二是连接必须在可连接部位进行。

例如，一个二自由度实体移动副，有自己的自由度组合（TxRx），移动自由度Tx的运动范围有限制，转动的自由度Rx无限制。任何连接，不论是构型连接或其它连接，都不可以改变这个自由度组合（TxRx），移动自由度的移动范围不能改变，转动的连续整转转动，不能变为摆动。

严格意义上讲，任何一种连接，都会对原部件产生或多或少的影响。如果影响是在工程上可以忽略的范围内，则认为没有影响。

关于在指定区域连接，是指连接不是随意的，连接处是有具体位置的。不同的连接模式，有不同的连接位置。构型连接与检测连接有不同的连接位置和要求，信息显示连接有特殊的要求。

表1是构件的另外几个特殊的连接方式。表中，L表示线，P表示平面，C表示立方体。

按照构件的定义，任何构件都有连接能力，而且，连接能力可以再生。所以一个构件，几乎处处可以作为连接点。一个实体运动副作构型连接，则连接区域必须在两个构件上即输入输出端。耦合子的关联元素是不可以作为构型连接端的。理论上检测连接，在不影响部件功能的前提下，可以在任何可以检测到信号的地方连接。构型连接必须在构型连接端连接。信息显示连接应当在易于观察的部位。

机械连接还有一个潜在的规则。即固体占据的空间具有不可侵犯的特性。气体流体或固体，不能进入固体占据的空间。理论设计中，要考虑固体构件占据的空间，这个空间是不可用的。这是一个显而易见的不言自明的规则；但是在设计中还会发生构件与构件之间的冲突。这种冲突会在装配与调试过程中发现。 

虽然，各个层次的部件的连接都有特殊性。但是就其构型连接来说。他们也有共性，归纳发现，简单的构型连接多在输入和输出端进行。所以，可归纳为，具有一个输入端、一个输出端的模型。即一个部件有两个连接端，输入端是一个连接端，称为首或首部，输出端是一个连接端，称为尾或尾端。这就得到了一个构型连接的基本的部件构型连接模型。按照这个模型，基本的构型连接来可以分成三种：首尾相连（串联），首首连接且尾尾连接（并联），首首相连，尾部自由，称为梳联。这是最基本的连接形式。这几种基本的形式，对应着传统的串联，并联和新发现的梳联等几种基本连接模式。

不同的技术领域，除具有共同的连接模式外，各个层次的部件都会有各自的独特的连接方式．例如，电工电子的三角形连接Y形连接，桥式整流器连接模式等。机构的不同层次也有类似的情况。

构件是机械部件的基本结构单元。其连接特性至关重要。构件作为一个基本部件，由于构件是一个各个部分之间没有相对运动的部件，构件的基本连接部位，几乎遍及构件的整个表面。 

构件作为一个特殊的层次是所有其他部件的最基本的结构单元，具有一些特殊性。除了具有基本的连接能力（串联并联梳联能力）外，还有其它的连接方式。因为他作为一个整体，各个部分之间没有相对的运动，所以他的连接方式来要灵活一些，要多一些。表一给出了几种连接形式的组合。

按照连接再生原理，随着部件的进化可以产生新的连接方式。例如实运动副，简单的实副，构型连接在构件端。进化到流体液压阀时，其构型输出端是管件，有流体参与。流体构件的管是组合构件，没有管子、流体无法定向流动。液压阀进化到电磁阀，则会引入电路连接。所以构型连接端是变化的 。

构件按照其形状，分为杆形构件，面型构件和三维构件。点连接对应的构件为杆状构件。线连接对应的构件是杆形构件或面型构件。面连接对应的构件是面型构件或三维构件。三维构件有空心式和实心式。

按照连接部位的形状，分为点状连接，线状连接和面状连接或体状连接。 

如前述，两个构件的连接组合包括，1、点连接：首尾连接（串联）。首首连接（梳联），首首连接同时尾尾连接（并联）。这是常用的传统的连接方式。构件的连接方式，除这三种主要连接方式外，构件之间的连接还有几种比较常用的方式。例如点连接或线连接的的T形连接，X形连接，局部重叠的面连接和包围式的连接。

构件的一种部分重叠连接，称为搭接。例如，瓦，古建筑房顶用的瓦，重叠放置连接，用于将房顶的雨水引导房檐。一些螺栓连接也需要搭接。搭接的应用比较普遍。 

包围式连接称为围联，是复杂部件常见的连接模式。两个部件的表面大部分紧密连接。例如，绝缘导线，漆包线，水管、铅笔等等。软轴也是一种围联模式。包围式连接有一种保护或隔离功能。

3.3  构型方法与构型模式

构型模式和构型方法是两个不同的概念，构型方法是完成构型模式的一个过程，是构建某种结构的过程。模式是最后形成一种空间的或时间上的一个结构。

前人创造了许许多多的结构模式，供我们学习参考借鉴。穷尽各种构型模式是不现实的。特别是传统的一些结构模式，以发明人的名字命名的一些结构，就是为后人推崇应用的模式，这儿不加以讨论。只列出若干实例。传统（经典）构型模式 ，包括啮合连接模式，连杆连接模式，快回机构模式，直线机构模式等等。本文把这些个模式，特别的提出来，让大家重视，这是本文的目的之一。

本文的研究重点，是以串联、并联连接和梳联连接为主的构型。为研究方便，我们采用一般化的方法，对连接件做一般化的处理。设被连接件有两个构型连接部位，分别位于部件的两端。所谓构型连接端，是指在构型时连接的部位。连接端可以进行多次连接。多端点连接可以分解为二端点连接。

以元件或部件作为基本的操作单元，通过固定连接或活动连接等连接方式，这些原件部件在空间中形成一个整体。这个整体的空间结构样式，样貌，或者说元部件之间的相互关系，空间的相互关系，就称为构型模式。例如串联模式、并联模式等等。具体说来，圆柱坐标机械臂，极坐标机械臂，关节型机械臂多是串联模式。而6-SPS 并联机器人机构，6-PSS并联机器人机构，DELTA机器人机构，Scara机器人机构，是并联机构模式。建筑物，四足步行机器人是梳联模式（四足着地时是并联模式）。

机械领域的模式，除构型模式外，还有生产工艺模式等等。构型模式就是产生新的产品整体结构的一个模式，生产工艺模式是将图纸上的东西，制造出来出来的一个过程。构型是一个理论的构建过程，生产模式是一个实际的操作过程。

机械领域的经典模式涉及连杆机构、啮合机构和摩擦传动机构和链带传动机构等等。例如曲柄连杆机构是一个典型的直线运动转化为转动的机构模式。齿轮机构是定比传动的典型模式。槽轮机构是间歇传动的典型模式。这些不是本文的研究的重点。传统机构的研究方法有自己的独特思路和逻辑。如果以并联和串联的思维去分析理解连杆机构也会得到以有意义的结论。

构型连接模式是我们造化万物最终可能达到的结构形式，在空间中展现的结构形式或在时空中的结构样貌。

   按照时空连接关系，构型模式有空间连接模式和时序连接模式。例如，一把剥线钳是一个时序连接的构型模式，一个生产线是一个时序连接的构型模式。本文重点研究前者。

3.4 构型模式分类

   构型模式种类繁多。有经典模式有现代模式等等。

   有些经典机构是以问题为导向的，单个产生的。经典机构多是单自由度的，少部分涉及二自由度。例如啮合类机构，连杆机构和组合机构。早期的现代模式多以问题为导向，近期的模式产生多以理论为导向，批量产生的。

按各个元素的相对位置是否对称分类，有对称和非对称模式。桥梁多是对称的。许多日用品也是对称的。对称模式有精准对称与模糊对称。电风扇的叶片是对称布置的。北京的鸟巢体育馆是模糊对称的。对称性包括平移对称、反射对称、旋转对称和自相似对称等等。

依据元部件连接后构成的连线形状分类，有开环、闭环、半闭环等。有串联、并联、梳连等模式。

各个层次的元部件都有相似的连接模式和构型模式，同时又有其特殊性。有自身的特殊的连接模式和构型模式。 

  本文主要研究以串联并联梳联为主要结构形式的连接模式，以及各种对称形式的结构模式。以下几种，主要是与现代机构有关的机构模式。主要以空间连接构成的模式，不包括含有时序连接的模式。

传统机构中的连杆机构，用串联并联的思维方式去分析，也可以得到恰当的结论。传统的连杆机构在串联机构并联机构广泛应用之前，已经得到充分的研究，而且多数是单自由度，少数是两个自由度。

   3.5 主要的构型模式

选取某一个层次的机械部件，例如构件，机构，运动副。按照某种确定的结构模式，进行连接，得到一个新的结构。这个结构是按照模式标准化的方式得到的。其他的非标准的模式也可以得到一些新结构，所以，标准化模式并不是唯一的构建机构或者是结构的方式，只是一种可能的方式。例如斯特林发动机。看上去是并连结构。实际上，不完全是并联机构，只是一种闭环，也是一种标准模式的一种，是闭环的，只是不能用完全并联串联和梳联来表达。

  本文研究的已有的几种模式及其组合。包括以下几种模式。

模式1 串联模式。串联模式是连接各个基本部件的基本方式之一。串联是无分叉的路线。开环或闭环都可以。机械领域的串联是开环，电路的串联主是闭环，也会有开环。液压回路是闭环或开环。液压串联有其特殊的不变量。电流是电路串联的不变量。力流是机械串联的不变量，流体流量是液压气动串联的不变量。

模式2 并联模式。并联模式是连接各个元器件的另一种方式。是含有分叉分支路线，同时必有合并路线的。机械领域的并联的特征是有分支，有合并。并联模式分为：纯并联模式，带反馈的并联模式两种。

机械领域的并联分为纯并联和含反馈的并联。纯并联和含反馈的并联都可以生成机器，例如，四冲程活塞发动机。纯并联也可以生成机器，例如，一种斯特林发动机是单自由度并联机构。机械的并联，局部看，含有闭环。从整体看，从输入输出看又是开环。这一点与电路的并联不同。电路的并联，局部看，含有闭环。从整体看，也是闭环。不论是电路并联还是机械并联，它们的共同特点是，有分支有合拢，分和合的量是相同的。电路，分支之前的电流，与合龙之后的电流是相等的，这是一个不变量。机械并联，有几个分支分开，就有几个分支合龙。也有一个不变量。 

纯并联模式还可以分为少支链闭环并联机构，冗余支链闭环并联机构和恰支链闭环并联机构和其它并联机构。少支链闭环并联机构的自由度数大于支链数，至少有一个支链上有两个主动副。冗余支链闭环并联机构的自由度数小于支链数，至少有一个支链上没有主动副。恰支链闭环并联机构的自由度数等于支链数，每一个支链上都有一个主动副。其它类型的并联机构，有多种样式。例如一个5支链并联机构，有一个没有实体主动副的支链，有一个支链有两个实体主动副。这是一个结构特殊的并联机构。这样的并联机构比较少见。

电工电子连接模式，除串联并联外，还有 三角形连接模式，Y型连接模式，三极管连接模式，桥式连接。三极管是三端点连接，桥式整流是四端点连接。

模式3 混联模式  混联模式是以串联和并联结构为基本结构单元构成的模式。包括两个类型。一个是串联结构与并联结构的串联连接，另一个是并联结构与并联结构的串联连接。例如，两个串联起来的并联结构是混联结构。混联模式，整体上看还是串联连接。

模式4 网联模式（缩展模式），网联模式是构成网状结构的结构模式。是依据可变形机构归纳得出的一类结构。该类结构，在大多数情况下，能够在收拢状态与展开状态之间转换。例如雨伞。空间站太阳能板展开机构。某些网联结构可以看作是串联结构或并联结构的组合。

常见的缩展模式有线性缩展，面型缩展，三维缩展。线性缩展有盘绕杆，柔性板，伸缩管，机构型等。面型缩展机构是由各种机构构成的结构。

  并联与串联，不仅仅是机构层次的连接，其它层次也可以。例如构件层次，也有并联和串联，称为串联结构，并联结构。

工艺模式是以时序为主的模式，不是本文的研究重点。

模式是可以进行进一步组合的。模式的组合需要创新创造，组合样式多种多样，无穷无尽。生成物的用途，功能需要创新创造。模式自身也可以不断改进，从而有新的模式诞生。

新构件，新部件的产生，可以产生新的生成物。新的生成物可以产生新的模式。产品迭代，可以促进模式发展，进化。

4、两种新的构型模式及其应用

上述几种模式，是广泛应用的模式。实际上，还有一些潜在的应用模式，没有发掘出来。有些也是广泛应用的结构模式，没有被重视，没有被命名，有些是新发明新形成的模式。作者认为，有两种新的构型模式，比较重要。这是作者发现并新命名的模式，包括梳联模式（实体运动副层面），和并联机构的0间距梳联模式。

梳联模式在定常结构层次和机器人机构层次早已存在。只是没有被指明和命名。例如梳子，是构件层次的梳联，早已存在。0间距梳联、0间距并联在机构层面的应用是作者新发明的构型模式，是实体运动副层面和机构层面的梳联模式。

有些部件或发明自产生以后，很快就会形成一种模式，有些则会经过漫长的过程。虽然，获得广泛的应用，但是没有作为一种模式被提出来，其中的原因比较复杂。建筑物的结构梳联模式，一直处于沉默状态，就是这种情况。

   4.1、0间距并联模式

并联的模式，比较常见。常见的并联模式有电路的并联，机构的并联，液压气动回路中也有并联。

电路的并联与机构的并联是有不同的。机构的并联没有形成大的回路。而电路的并联，形成一个大的回路，它们的共同之处就是有分叉有合龙，分叉与合龙是对称的。至少存在一种量，是分出去多少回来多少，就是说存在一个不变量。这是，并联的共同特征。电路形成的并联最后形成一个闭环。并联机构从结构看是闭环。并联机构从输出输入端看，是开环。电路的输入输出端可以是多个。并联机构的输出端多是一个。电路的串联与机构的串联，也有类似的情况。机构的串联是开环，电路的串联是闭环。但是，它们有共同的特征和相似的不变量。

并联机构作为基本的结构单元，还可以并联连接。参与并联的两个并联机构或并联结构，二者之间的距离，在传统的并联当中，这个距离是不为0的。一般来说这个距离要大于其自身的结构当中的某一个尺度。小于这个尺度他们会形成干涉。干涉则会影响各自的运动。 

  两个并联结构，组合构成一个整体。该整体的自由度可能会发生变化。但是，自由度数不会增加 。自由度小于等于较少自由度数的并联机构的自由度。如果布局不合理不适当，即使两个六自由度的并联机构，组合后的自由度也可能为0.例如，两个6-SPS并联机构，一个并联机构的六个实体移动副处于最长状态，另一个并联机构的六个实体移动副处于最短状态，这时，基础平台固定连接在一起，运动平台固定连接在一起，则得到一个结构。所以并联机构的组合，必须找到合理的相互关系。

并联样式，也包括其它层次的并联。如构件层次的并联结构。

   4.2  梳联模式

4.2.1 梳联模式的发现和命名。

梳联连接模式和0间距梳联模式，是作者发现、挖掘并加以发展出来的一种新的构型模式，梳联是在对建筑的层次划分时发现并命名的，0间距梳联是在发明非仿生步行机器人的过程中应用拓展的。实际的过程是，发明非仿生步行机器人在先，发现并命名梳联模式在后。 机构的0间距梳联方式，作者早在2010年发明的非仿生步行机器人时，就有应用。梳子是构件层次的梳联。仿生步行机器人是机构层次的梳联结构，非0 间距的梳联结构。非仿生步行机器人就是梳联结构，是0间距梳联结构，只有双足站立时才是并联结构。但是当时没有想到梳联，当时没有梳联的概念，更没有0间距梳联的概念。所有一直作并联机构的并联研究，对待。显然，这种处理是不全面的。由此看来，对事物的正确认识，是需要一个漫长的过程的。

  建筑物中梳联模式，是实体移动副层面的梳联，是非0间距的梳联。联想到本人的发明，由非0 间距的梳

联模式增加了0间距梳联模式。梳联模式是一种新的连接模式。这种连接模式的发现和命名，对于理论和实践都具有重要的意义。

   实际上，梳联模式在构件层面和机构（包括元机构和机构群）层面早有应用。例如，梳子和步行机器人。但在实体运动副层面，没有指明，没有命名。主要原因是这个层次，在此之前，即提出实体运动副层次之前，是没有定义的。

在引入实体运动副后，以实体运动副的视角看建筑，我们观察到了建筑物的梳联模式。建筑物的连接方式与机构的连接完全不同。

   梳联模式，我们把它从建筑物中提炼出来，放在不同领域，放在各个不同层次进行研究。发现了梳联模式在其它各个层次的应用，探讨了梳联模式更为广泛的应用。

4.2.2 梳联结构的组成

   梳联结构由两个部分组成：分支和脊柱。分支有两个或两个以上。分支可以是构件，定常结构，实体运动副，元机构或基本机构群中的某一个或几个部件，每一个分支可以相同，也可以不同。脊柱由构件或机构组成。构件作为脊柱，相邻分支之间是固定连接，机构作为脊柱，相邻分支之间是活动连接。活动连接的各个分支之间的距离或角度是变化的。机构作为脊柱时，多应用简单机构。

对梳联做一般化的研究。梳联结构基本特征是，两个或多个分支部件，通过一个脊柱，在一端连接，即首首相连，而另一个端是活动的、是自由的。不论是楼房、还是各种柜子，梳子，四足步行机器人都是如此。不论是构件，实体移动副或机构构成的梳联，各个分支都是可以独立运动的。我们称这种连接模式为梳连模式。楼房称为梳连结构。柜子也称为梳联结构。构件层次的梳联结构是定常结构。例如一个构筑物。实体运动副层次的梳联结构是介于定常结构与机构之间的一种结构。机构层次的梳联结构被视为复杂机构。例如多足步行机器人。

当脊柱为构件时，脊柱与各个分支融为一体，构件或分支为T型或I型构件，分支构件之间直接连接即可以构成梳联结构。

4.2.3 梳联结构的分类

4.2.3.1按照梳联脊背的形状，梳联有线性梳联、面型梳联和体性梳联、线性梳连，各个分支固定在一个线性构件上。如一个梳子。梳子的脊背是一个线性构件。面形梳联的脊背是一个平面或曲面体。面梳连各个分支固定在一个面性构件上，例如一个梅花针，治疗斑秃的梅花针。柱体梳连，如旋耕机，如圆盘耙这都是梳连，这都是二维的连接方式。各个分支也可以连接在一个三维物体上，如刚性物体或弹性物体等。

读者或许有如下疑问：一把梳子，本来就是一个整体，是一个构件，为什么还要把他分解为两个部分，一个脊背，一个分支。似乎多此一举。我们认为，研究的目的，分析的目的，就是要找到最基本的结构单元。就像寻找物质的原子一样。这便于理解物质的结构。对梳子的分解也是这样。梳子是平移对称的梳联，如果梳齿的长度不同，则是自相似对称。如此对梳子结构的理解就比较深入了。

 梳联结构，还可以分为定常梳联结构和非定常梳联结构。梳子是定常梳联结构，建筑物是非定常梳联结构。

 梳联结构，按照分支的多少，还可以分为二分支梳联 三分支梳联和多分支梳联。

4.2.3.2按照层次分类，有构件层次的梳联，定常结构的梳联和实体移动副层次的梳联，元机构（机器）的梳联层次，和基本结构群的梳联，还有交叉层次的梳联。

4.2.3.3按照相邻分支之间的距离，梳联结构分为三种，非0间距梳联、紧密梳联和0 间距梳联。非0间距梳联是相邻的两个分支之间的距离不为0，即两个分支之间有间隙。例如梳子。紧密梳联是相邻的两个分支之间的距离为0，即两个分支之间无间隙，但是，两个分支无交叉，无相互包容，例如，取形器的相邻分支是紧密接触的，可以相对滑动，这是一个移动副的梳联模式。毛笔是一个无间距梳联。

0间距梳联的分支有两个或多个。两个分支是最常见的梳联模式之一。两个分支通常称为A分支和 B分支。0 间距梳联是相邻的两个分支中心之间的距离为0或小于某一个数值，两个分支之间有交叉，或有重叠，或相互包容。非仿生步行机器人就是这种结构模式。两个分支的梳联结构，按照两个分支之间的相对距离，又可以分为一大一小包容式，同样大小相互包容式和交叉式三种。一大一小包容式结构，较大的部件必为空心，较小的部件可以是空心或实心。同样大小的相互包容式和交叉式，两个部件都必为空心。

两个分支的0间距梳联结构，参与梳连的两个元部件分支，包括构件，运动副，机构（串联机构或并联机构），参与梳连的构件或运动副，如果作为梳连的外围部件，则应当是空心的。通常，分支之间不要干涉。有干涉则需要控制。

4.2.3.4按照参于梳联的分支之间的距离是否可以变化，梳联结构分为可变间距梳联结构和不可变梳联结构。

4.2.3.5按照相连分支之间的连接，是活动连接还是固定连接，梳联结构又分为，固定连接梳联结构和活动连接梳联结构。折扇是活动连接的梳联。铃铛也可以看作是活动梳联。

4.2.3.6 按照各个分支所处的层次，分为，同层次梳联和不同层次梳联。

参与梳联的两个部件A和B包括五种层次的类型：1，构件，2，实副，3，串联机构4，并联机构。构件，定常结构，实副，串联机构和并联机构等分别组合，得到五类25种组合结构。A、B两个元素的组合，每一种元素中，取一个或多个，可以在一个层次或不同层次选取。

第一类组合构型：构件层次的元素与1，构件，2，定常结构，3，实副，4，串联机构，5，并联机构等分别组合，其组合类型包括五种组合结构。

第二类组合构型：外部部件定常结构的元素与内部部件（空心或实心），包括与1，构件，2，定常结构，3，实副，4，串联机构，5，并联机构等分别组合，得到五种组合结构。

第三类组合构型：外部部件实副与内部部件（空心或实心），包括与

1，构件，2，定常结构，3，实副，4，串联机构，5，并联机构等分别组合，得到五种组合结构。

第四类组合构型：外部部件串联机构的元素与内部部件（空心或实心），包括与构件，2，定常结构，3，实副，4，串联机构，5，并联机构等分别组合，得到五种组合结构。

第五类组合构型：外部部件并联机构与内部部件（空心或实心），包括与1，构件，2，定常结构，3，实副，4，串联机构，5，并联机构等分别组合，得到五种组合结构。

以上五种情况，共25种组合结构，每一种都对应多种构型实例。

生物界，存在众多的梳联结构。多足动物的腿机构是梳联关系，玉米粒与玉米芯是梳联关系，紧密梳联关系。蒲公英的种子是梳联关系，树的分支是梳联关系。树林中的树木是梳联关系。一颗枣树根生生出的一片枣树林是梳联关系，枣树之间由树根关联。各个枣树之间是平移对称关系。大树与小树之间是自相似对称关系。

  梳联在工程界也存在各个层次的应用。只是没得到重视。梳联概念的提出，与串联并联形成三足鼎立之势。

4.3 新构型模式的应用之一：非仿生步行机器人

非仿生步行机器人是一种结构独特的步行机构。它既不同于现有的工程上所有的仿生步行机器人，也不同于现在的动物界所有的步行动物。

通俗的讲，非仿生步行机器人是一个没有前后左右腿的步行机器人。它是一个左腿可以放到右腿里面的机器人，或者反过来说，右腿可以放在左腿里面的步行机器人。这在动物界和工程界是绝对没有的。 

两个并联机构采用0间距梳联模式连接，可以构成一个梳联步行机器人，即非仿生步行机器人。并联机构的下平台是一个框架式平台，下平台形状是准三角形的。准三角形的一个顶点安装两个铰链，形成三组铰链，构成三个足。下平台可以为环形的或Y形或T型，平台框架是凸形结构，称为足弓。框架较高，三组铰链处于最低位置。三足与足弓构成一只脚，三足鼎立，构成一条腿。两个并列机构，一个并联机构较大，较大的并联机构的下平台是环形结构，另一个并列机构较小。较小的并联机构的下平台是Y形结构。较小的并联结构安装在较大的并联机构内部。两个并联机构可独立运动。配合适当的自由度组合，二腿配合，可以完成步行和转向，上下坡等步行运动。这是一个包容式梳联结构。

非仿生步行机器人在结构层面继承了所有步行动物和工程界步行机器人步行方式的优点，并在某些方面超越了现有的步行方式，形成自己的独特优势。非仿生步行机器人具有7自由度到24自由度的108种基本结构。不同的结构可以适应各种实际应用场景的需求。

  目前，国内已有多所大学的机械学院或人工智能学院研究非仿生步行机器人，并得到当地政府的资助每年都有多名研究生毕业。这是一个新的研究方向，一爿没有开垦的处女地。

充分说明这个专利，需要较长的篇幅，为不冲淡主题，只简要介绍。关于这类机器人可检索发明专利。中国专利号是201010292424.1和 201680043393.1，美国专利号US155767657。日本专利号JP2018-513710。

  4.4 新构型模式梳联结构的应用之二：对称群机器人

对称群机器人是一组梳连机构构成的机器人。每个机器人结构相同，其中一个是生成元。在每一个并联机构的基础平台，有传动构件连接。当驱动一个并联机构运动时，其它并联机构也作相同规律的运动。这个机构群机器人，是一个系列，有很多不同的结构。关于这类机器人可检索发明专利，专利号是 201510275161.6 。

5、模式集合及其模式组合和应用拓展

以上归纳列举了已有的典型的构型模式，并发现命名了两种新的连接模式，连同作者发明的一种梳联新模式，三者合并，形成了一个比较全面的模式集合。这个模式集合包括串联、并联、梳联、混联和杂联等模式。其中的并联模式，新增加了一个0间距并联模式，丰富了并联模式的内涵和外延。 

得到系统化的模式集合之后，全面的系统的考虑模式的应用。把两种模式放在放在一起统一研究，研究他们的共性。以下从两个方面的研究推进。

第一个是将各个层次的模式放在一个逻辑框架性下进行研究。探讨各种模式的共性。现代机构的组合，多体现在同一个层次的组合，例如，串联机构与并联机构的组形成混联机构，是机构层次的组合，是同一个层次的组合。定常结构是构件层次的组合，也是同一个层次部件的组合。目前，学界对于不同层次部件之间的组合，缺失统一的系统的研究。 

传统的构型模式在机构层次上应用比较普遍，在其它层次上应用很少，或虽然有应用，但是很少或没有作为一种模式提出。传统的模式主要体现在机构层面的构型。而在其他层次领域，多没有体现或很少提及或没有得到应有的重视，没有作为一个专门的课题去研究。模式集合可以推广应用到广义机械学科的各个层次。不仅可以构建各类机构，还可以构建各类定常结构，梳联结构和各类机构群，机器群等等。

第二个推进，是将系统化的模式应用到各个层次的部件的交叉组合上。在各个层次之间的交叉组合应用统一的构型模式，构建更复杂的系统。

模式集合丰富了机械学科的设计方法，构型方法。模式集合的交叉应用拓展，为产生更多的新机构、新机器提供了新的方法。模式集合及其拓展具有重要的理论意义和实用价值。

5.1 模式集合的推广（1）：同层次的元素之间的构型模式，参见表2。 

前面分析了两大类机构的构型模式，一类是已有的构型模式。另一类是由作者命名的和作者发明的构型模式，包括梳联模式，零间距梳联模式，零间距并联模式等。 

传统的构型，或者说是机构综合多限制在机构综合层面。对机构层次的划分，经典理论的层次划分不甚明确，或可粗略的分为三个层次，构件，机构和机器。经典理论很少论述构件的构型和机构的构型。而实际上，每一个层次的部件，都存在构型和综合的问题。所以作者把构型推广到新逻辑架构下的各个层次。找到各个层次的共性，探讨其构型的一般规律。把串联模式、并联模式、梳联模式等模式集合推广由于到构件层次，实体运动副层次，元机构元机器层次和简单机构群（含机器群）层次，给出它们共同遵守的规则。然后分析其各自的特殊性，特殊的构型规律。

同层次部件的构型模式：分为1、构件层次的构型模式，2、定常结构层次的构型模式，3、运动副层次的构型模式，4，元机构元机器层次的构型模式，5、基本机器群层次的构型模式。

表2给出了五种同一层次的元素构成的五种构型组合。 表2中的每一个方格对应一大类结构组合。例如D3-A3B3对应的表格，是指，任取A3中的一个元素或多个与B3中的一个或多个元素，进组合，组合的方式是D3对于的组合方式。例如，在实体移动副A3中，取一个容积式简单实体移动副与B3中的一个容积式简单实体移动副，二者做梳联固定连接，则构成一个两个房间的组合房屋。

上述A元素与B元素的组合，有两种方式。一个连接是固定连接的，一个是活动连接的。还有，两种方式都可能涉及反馈， 构成反馈回路。

5.2 推广应用到不同层次的元素之间的组合构型（表3，表4）.

  实际应用中，不仅在同一个层次有组合应用，在交叉的层次上也有组合应用，形成交叉组合模式。例如，构件与实体移动副层次串联连接模式，机构层次与构件层次的部件组合给出的梳联连接模式等等。

把这种模式应用到各个层次部件的交叉组合，可以产生众多的结构。先前的研究主要是体现在同一个层次的部件的模式，对不同层次构件组合构成的模式，没有做过系统的研究。不同层次零部件的串联，梳联模式，提及较少。但实际上是有应用的。

前面分析了不同层次的部件之间的梳联连接构成的构型模式。梳联模式在各个层次的交叉应用。这种交叉应用可以推广应用到其它模式集合。即推广应用到串联、并联、梳联，混连、网连，围联，杂联等等。

参与构型连接的元部件，包括构件、定常结构、实体运动副，元机构（串联机构或并联机构），基本机构群机器群，可以与同层次的部件组合，也可以不同层次的部件交叉组合。同样有25种组合方式。

表4中，A1不仅可以与BI组合，构成一类结构模式，A1还可以与其它层次的元素组合。即有以下的组合：A1与B2，A1与B3，A1与B4，A1与B5等五种组合。

将构型模式的概念推广应用到各个层次，串联并联等概念也扩展到结构，形成串联结构，并联结构，网联结构。特别是，由各种并联机构，经过固化运动副后得到众多的并联结构。

表3-1、3-2.3-3、3-4、3-4给出了25种构型组合模式，其中5种是相同层次的部件的组合模式，其余20种是不同层次的部件组而成的结构构型模式。

以一个方格为例，说明表格的用法。表3-2种的1a-A3B2。表示一个或多个实体移动副与一个或多个定常结构的固定连接构成的组合。例如，实体移动副取拉杆天线，定常结构是一个网状矩形平板，固定连接，拉杆天线与板面在一个平面内则构成一个苍蝇拍，长度可变。如果定常结构是一个由多个钩子构成的耙子，且耙子的钩子与实体移动副的轴线垂直，则构成一个长度可变的耙子。

上述两个实例，至少可以看出两点，1，两个元素个选取不同的元素（包括不同的元素数量合不同的元素结构）会得到不同的结构，得到不同的产品；2，虽然两个或多个元素确定了连接方式，但是由于连接方位的多样性，还是需要人为的选择，最终确定连接的方位，不同的连接方位，可能会得到不同的产品。就是说，一种组合，不能保证得到一个确定的产品。

表4-1,4-2,4-3,4-4,4-5给出了各个层次元素的组合，形成的混连网联梳联等复杂组合。是比表3 更复杂的结构。以表4-4的方格（11a-A4B4）为例，取元素A4中的两个串联机构的组合，得到组合A，取元素B的两个元素并联机构的组合,得到组合B，组合A与组合B的组合方式按照第一行的连接方式混连连接，得到一个混连机构。

作者相信，表2，表3，表4给出的所有组合中，每一个方格都能至少找到一种实际对应的产品。只是作者限于知识储备，不能收集到全部的例证。即使如此，作者还相信，实际应用的产品模式也不能包括所有的组合模式，还有众多的模式没有被开发应用。 

 表3-1是构件层次的元素与五个层次中的元素的组合。其组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

   表3-2是定常结构层次的元素与五个层次中的元素的组合。其组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

表3-3是实体运动副层次的元素与五个层次中的元素的组合。组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。 

表3-4是元机构或元机器层次的元素与五个层次中的元素的组合。其组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

表3-5是基本机构群包括基本机器群层次的元素与五个层次中的元素的组合。其组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

表4-1是构件层次的元素及其组合与五个层次中的元素的组合。组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

表4-2是定常结构层次的元素及其组合与五个层次中的元素的组合。组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

表4-3是构件层次的元素及其组合与五个层次中的元素的组合。组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

表4-4是构件层次的元素及其组合与五个层次中的元素的组合。组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

表4-5是构件层次的元素及其组合与五个层次中的元素的组合。组合方式是第一行和第三行指定的连接方式。

对现代机构的分析也提示我们以串联并联的思维去分析传统的经典的机构，包括分析，连杆机构包括四连杆机构、六连杆机构，八连杆机构等结构，分析啮合机构，摩擦轮机构等等，也会得到很多有益的结论。

必须指出，模式具有多样性和成长性。特别是传统的机械构型模式，规律性较少，模式多种多样。现代构型模式，表现出较大的规律性。模式集合的研究主要是针对现代机构的构型提出的。这个关于模式集合的研究，只是一个开端。还要很多研究工作需要探索。本文或许能够起到抛砖引玉的作用。

6、结论

   研究了已有的几种基本构型模式在机构层次的应用和新发现并命名了两种构型模式，构建了基本构型模式集合。把基本构型模式集合推广应用到各个层次的构型模式，推广应用到不同层次的部件组合构成的构型模式。模式集合可以用于指导构建新的结构。构型模式集合在广义机构学中具有重要的地位。在有了清晰的层次划分后，在建立了基本的逻辑生成关系后，在具有了基本连接能力和连接原则后，配合全面的清晰的可操作的构型模式，为构建复杂系统找到了新的方向，新的方法，为广义机械基础逻辑架构提供了新的支撑。