杠杆与连杆机构
通过杠杆原理和连杆连接将旋转运动或摇摆运动转换为线性运动（或反之）的机械系统，是乐高机械设计中最基础也最丰富的运动转换方式之一。
杠杆基础
杠杆是最简单的机械机构，由一根刚性杆和一个支点组成，通过改变力的大小和方向来完成工作。
基本组成
- 支点（Fulcrum）：杠杆绕其转动的固定点
- 力臂（Effort Arm）：从支点到施力点的距离
- 阻力臂（Load Arm）：从支点到阻力作用点的距离
机械优势计算
机械优势（Mechanical Advantage, MA）表示杠杆放大力的倍数：
MA = 力臂长度 / 阻力臂长度
当 MA 大于 1 时省力但增加移动距离，当 MA 小于 1 时省距离但需要更大的力。在乐高搭建中，合理选择支点位置可以优化机构的力传递效率。
三类杠杆
根据支点、施力点和负载三者的相对位置关系，杠杆分为三类：
- 第一类杠杆：支点位于施力点和负载之间。常见实例：跷跷板、撬棍、天平
- 第二类杠杆：负载位于支点和施力点之间，机械优势始终大于1，可以省力。常见实例：独轮车、开瓶器
- 第三类杠杆：施力点位于支点和负载之间，虽然费力但可以获得更大的移动距离和速度。常见实例：镊子、钓鱼竿、人体肘关节
各类连杆
连杆机构通过多个刚性杆件铰接在一起，将一种形式的输入运动转换为特定形式的输出运动。
切比雪夫连杆（Chebyshev Linkage）
由三个连杆和四个铰接头组成，能将旋转运动转换为近似直线运动。其直线段的精度足以满足大多数乐高应用场景，是行走机构中最常用的连杆形式之一。
胡肯连杆（Hoeken Linkage）
一种四杆连杆机构，在直线行程与直线度之间取得了优秀的平衡，比切比雪夫连杆能产生更长的直线行程，同时保持良好的运动对称性。
缩放仪（Pantograph）
由四个杆件组成平行四边形结构，能够在一点跟踪运动轨迹的同时，在另一点按固定比例放大或缩小相同轨迹。常用于乐高中的签名绘图机或远程操作机构。
波塞利耶-利普金连杆（Peaucellier-Lipkin Linkage）
历史上第一个能产生精确直线运动的平面连杆机构，由八个杆件组成。结构较为复杂，但在需要绝对直线运动的精密机构中具有不可替代的价值。
萨鲁斯连杆（Sarrus Linkage）
一种空间连杆机构，由两组互相垂直的移动副连接，能将旋转运动转换为纯直线运动。结构简洁，特别适合垂直方向的伸缩应用。
斯科特-拉塞尔连杆（Scott-Russell Linkage）
通过一个滑动副与连杆组合产生精确的直线运动，结构相对简单，适合行程较短但精度要求高的场景。
剪式连杆（Scissor Linkage）
由多个交叉连杆依次铰接组成，通过改变夹角实现线性伸缩运动。可以用较小的输入行程获得较大的输出行程，广泛用于升降平台、展开机构等场景。
瓦特连杆（Watt Linkage）
六杆连杆机构，中心连杆中点能产生近似直线运动。由詹姆斯-瓦特为蒸汽机发明，在需要引导连杆沿直线运动的场合仍有广泛应用。
乐高中可用的铰链零件
连杆机构的搭建质量很大程度上取决于铰链零件的选择。乐高提供了多种类型的铰链零件，适用于不同的连杆机构：
- 摩擦销（Friction Pin）：提供适中的旋转阻力，适合需要保持在某一位置的连杆
- 无摩擦销（Smooth Pin）：允许自由旋转，适合需要灵活运动的连杆
- 转向臂（Steering Arm）：一端为销孔、另一端为轴孔，常用于连接不同类型的连杆
- ** Technic 铰链砖（Hinge Brick）**：提供精确的 90 度连接，适合框架类连杆
- 凸点铰链（Pin with Towball）：允许球面运动，适合需要多自由度的连杆机构
在选择铰链时，需要考虑连杆的负载大小、运动速度以及对精度的要求。高扭矩场景应使用摩擦销以减少晃动，高速运动场景则应使用无摩擦销以降低摩擦损耗。
应用场景
行走机构
连杆机构是乐高行走机器人的核心。切比雪夫连杆和胡肯连杆常用于产生自然的足部轨迹，使机器人行走更加平稳流畅。多足机器人通常需要多组连杆机构协调运动，通过齿轮比和相位差的设计实现各种步态。
直线运动
在需要直线运动的场合，直线连杆机构可以替代导轨和滑块，减少摩擦和零件使用。常见的应用包括升降平台、伸缩臂、伸缩式悬挂机构等。
机械臂
多自由度机械臂由多个连杆串联组合而成，配合电机驱动实现精确控制。乐高中常见的机械臂包括挖掘机工作臂、起重机吊臂和机器人手臂等。
相关图片
