谈脚式木牛流马的足与脚设计建议.doc

浅谈一个关于“脚式木牛流马”行走系统专题设计方案的建议木流工作室 木流先生（2016 年 1 月）前言：记说三国时期传奇人物诸葛亮发明木牛流马,之后又成了中国历史上的一大谜团虽无实物传承，但凭二十四史之一《三国志》和四大小说名著之一《三国演义》便让很多人相信木 牛流马曾真实存在过现已无法证实木牛流马与《南齐书•祖冲之传》记载所造的“一器^是否为同一个东西，但这也再次增添了木牛流马的神秘性和传奇色彩一直以来对木牛流马感兴趣的人很多,励志研究复原木牛流马的爱好者也很多，其相关作品更是五 花八门在解读木牛流马之迷过程中，各爱好者的解释分歧很大， 如木牛流马是“一物”还是“两物”，但最大的争议是木牛流马行走 系统的“脚行走”与“轮行走”，甚至更多的其它行走方式那么本 文主要是对木牛流马脚行走系统进行专题分析论述，从动物学和 机械学等多方面来阐述木牛流马仿生脚的可行性设计方案文献资料记载《三国志•诸葛亮传》记载：“（建兴）九年（231 ）,亮复出 祁山，以木牛运，粮尽 退军……十二年春，亮悉大众由斜谷出， 以流马运，据武功五丈原，与司马宣王对于渭南”《三国志•蜀志•本传》裴注引《诸葛亮集》，作木牛流马法：“木牛者：方腹曲头，一脚四足，头入领中，舌著于腹；载多而行 少，宜可大用，不可小使；特行者数十里，群行者二十里也；曲 者为牛头，双者为牛脚，横者为牛领，转者为牛足，覆者为牛背, 方者为牛腹，垂者为牛舌，曲者为牛肋，刻者为牛齿，立者为牛 角,细者为牛鞅,摄者为牛秋轴；牛仰双辕，人行六尺，牛行四步;载一岁粮，日行二十里而人不大劳。

流马尺寸之数：肋长三 尺五寸，广三寸，厚二寸二分，左右同；前轴孔分墨去头四寸, 径中二寸；前脚孔分墨二寸，去前轴孔四寸五分，广一寸；前杠 孔去前脚孔分墨二寸七分，孔长二寸，广一寸；后轴孔去前杠孔 分墨一尺五分，大小与前同；后脚孔分星去后轴孔三寸五分,大 小与前同；后杠孔去后脚孔分墨二寸七分，后载克去后杠孔分墨 四寸五分；前杠长一尺八寸，广二寸，厚一寸五分，后杠与等； 板方囊二枚，厚八分，长二尺七寸，高一尺六寸五分，广一尺六 寸，每枚受米二斛三斗；从上杠孔去肋下七寸，前后同；上杠孔 去下杠孔分墨一尺三寸，孔长一寸五分，广七分，八孔同；前后 四脚,广二寸,厚一寸五分；形制如象,軒长四寸,径面四寸三 分；孔径中三脚杠，长二尺一寸，广一寸五分，厚一寸四分，同《南齐书•祖冲之传》记载：“以诸葛亮有木牛流马，乃造一 器，不因风水，施机自运，不劳人力二、专题资料和结构分析Ui（一）脚与足的专题资料1•木牛法：“一脚四足、双者为牛 脚、转者为牛足 ；2•流马法：“前后四脚，广二寸，厚一寸五 分形制如象，軒长四寸，径面四寸三分孔径中三脚杠，长二 尺一寸，广一寸五分，厚一寸四分，同杠耳"前脚孔分墨二 寸，去前轴孔四寸五分，广一寸；后脚孔分墨去后轴孔三寸五分， 大小与前同。

二）脚部结构分析一是脚部是多部件结构的运动装置 作木牛流马法中有关脚（足）的记载如：一脚四足、双者为牛脚、 转者为牛足、前脚孔、后脚孔、前后四脚、孔径中三脚杠等，这 说明脚（足）应该是一个有多个部件组成的运动系统的总称木 牛流马属于运动型木制品，脚部的驱动必定要考杠杆原理，三脚杠就是连接脚部的传动杆这就与静止型桌椅的脚（足）区别很 大，不是简单的木头棍棍，应该理解成较为复杂的结构，就是真 牛和马的脚也是细分为多个部分的二是軒和三脚杠都是与脚部 相关联的部件流马法中“前后四脚，广二寸，厚一寸五分形制 如象，軒长四寸，径面四寸三分孔径中三脚杠，长二尺一寸, 广一寸五分，厚一寸四分，同杠耳前一句描述脚的主要尺寸, 而最后一句所说的三脚杠也必定跟脚有关那么軒在这两句中 间，也应该是与脚有关联的部件三是结合木牛法和流马法确定 各部件功能我们通常所说动物具有行走功能的脚是由多个部分 组成，例如人的下肢主要分为大腿、小腿、脚掌等部分木牛法 和流马法多次提到的脚与足怎么来确定呢？首先我们的确定脚 是木牛流马行走和支持系统的主部件，而足和三脚杠相应为辅 件，足应该是支持地面的部分（可解释为趾、爪、蹄），三脚杠 应该属于动力传输部分（可解释为腿部肌肉L1.一脚四足：整体 解释为脚掌部分；“一脚，，从部件数量来说应该解释为脚掌部分的 主件为1件（注：部件数量为1只脚部组成的数量，在整个木牛 流马中的数量应该为4倍，下述同），从设计描述角度解释为1 号脚（注：如下图片12-B图所示，标注为瀾「）； “四足，，可表示 为趾（爪或蹄）部件为4件，同时可标注为“足2.双者为牛脚: 解释为大腿和小腿部分，表示部件数量为2件，可标注为“脚2、 脚3； 3•三脚杠：动力传输部分（腿部肌肉），实为连接“脚2”（小 腿）的杠杆，部件数量为1件、标记为“脚杠”（三脚杠为什么不是 3件，其实“三脚”是指如下图片12-B图中标注为“脚1、脚2、脚 3”的3根活动脚的主部件，比如“大腿骨、小腿骨、脚掌骨b 4.軒：一脚四足的总称（可解释为脚掌部分“四足”的张合弧度），其 主要功能为防滑防陷。

5•轴孔：为圆孔，是活动脚与主体活动连 接部位：脚1、脚2、脚3”就是“活动脚”部件，同时这几个部件之在自然界中，动物行走 的方式非常多，木牛流马主 要仿生对象为牛和马，记载 中同时也出现了象的踪迹背部大腿咽唯间也是活动连接，所以才有峙由「转”等活动关节组成部件6•脚孔: 为方孔，是脚与主体固定连接的部位(比如坐骨、肩胛骨处)， 所以应该还有一个固定的脚部件，可标注为“脚4”，另外，可起到 杠杆支撑点的作用三、四肢动物脚分析这三种动物为参考分析对參角所以本文主要也牛、马、象象图片1・马的部位名称(—)外观部位分析如图片1所示，图中所标注的是马外观部位名称，可以看出马 的四肢是由很多部位和关节组成的，并且前后脚各部位的名称也 有所区别，例如后肢“腿”和前肢“臂”的区别，所以在木牛流马法 中多处出现“脚”的描述就不奇怪了，也间接说明木牛流马法中多 个行走部分的主件都统称为“脚”但是木牛流马法中怎么又出现 “足，啲描述呢？ “脚”与“足，，又有什么区别呢？从图中标注和字面 分析，可以看出带有“足^字旁的部位，如“蹄S “趾”等是与地面 接触或是接近的部位，这部位在木牛流马法中统称为“足；而带有“月”字旁的部位，如“股”、“腿S “肩二 噌谱是与身体更接近 的部位，那么在木牛流马法中把“足”与“身”的相连部分统称为 “脚，，是比较得当的。

在木牛流马法中“脚，，与“足，，的另外一个区别 是“脚，，为主件，“足”为辅件二）内部骨骼分析如图片2、图片3所示，前肢主要承担运动骨骼由肱骨、橈骨、 掌骨组成；后肢主要承担运动骨骼由股骨、胫骨、跪骨组成；其它骨头也有相应的重要功能如尺骨、腓骨、趾骨、蹄骨、眉胛骨、 坐骨等上述主要骨骼在木牛流马 法中是能找到相应位置的，所以在 木牛流马设计中，如“脚”不能只用 一根木头杠杠就完全代表一只脚， 要充分考虑“脚，，的各段骨骼的功 能同时只有骨骼的功能是不能完 全运动的，所以还要考虑肌肉的功 能，可以考虑用杠杆来代替，才能 设计出可移动仿生脚那么木牛流马的关节的功能可以用轴或圆销连接代替女口图片4、图片5、图片6所示，蹄类动物脚的骨骼似乎要 比掌类动物脚的骨骼要多一节 从抬脚运动功能来说，“脚”有一 个活动关节和两节骨头就可以完 成所以在木牛流马关节设计中 要参考各段骨骼关节的功能外，还要考虑符合机械腿与动物腿的区别三）四肢运动分析通过对前面骨骼的分析， 在对照图片7中的示意点和线 条，可以看出前肢的腕关节是 向前弯曲，而后肢膝关节是向 后弯曲，其它骨骼关节也有类 似相反方向情况，所以在木牛 流马关节设计中，要参考各段骨骼关节的弯曲情况。

四）足的选择分析足”是与路面接触的部分，那么在木牛流马设计中，对足形的 选择很重要根据三国时木牛流马可能要面临路面有栈道、石板路、砂石路、土路等状况，其存在的问题是栈道有缝隙、石板路 不平并有缝隙、砂石路有小石块、土路容易下陷等等如图8、图9、图10、图11所示， 要同时解决防滑、防陷或一些小障碍， 马蹄和牛蹄是不能完全满足上述那些困 难的当然还可以参考图11“鸡爪子”防滑 功能设计，但是防陷功能欠缺另外，在木牛流马法中出现了“形制如象”描述，这说明当时诸葛亮对木 牛流马“足”的选择时并没有采用“马蹄：“牛蹄”或是“鸡爪”的设计方案，而是采用像掌”来替换“马蹄”和“牛蹄丫注：大象在三国时 期应该也是知晓率很高的动物之一，蜀国南边就有亚洲象，还有 曹冲称象的故事相互印证，所以他没有用河马和犀牛来描述 所以在木牛流马法中才特意的提出来描述「軒”就是指象掌合拢UiUi时为“四寸”，最大张开时为“四寸三分：然而“一脚四足”也是指“象 掌”部分，“四足”特指四个“象趾”，特称“牛足”和“马足；所以木牛流 马法中没有用“蹄:“趾:“爪”等名称，而是用“足”来表示更妥当那 “转者为牛足”就应该是指“象趾（牛足y绕轴（圆销）转动一定弧 度的情况，这样也符合机械脚设计的范畴。

四、行走机械脚分析木牛流马毕竟是人造机械，所以不可能完全是仿生腿构造,最终还是属于机械脚的范畴机械脚的类型也很多，在本文中就 介绍一款简单的机械脚原理，这种活动关节机械脚可以最大程度的应用于木牛流马行走系统的设计图A,简单机械脚及杠杆原理图B.木牛流马仿生机械脚图12简单机械脚示意图如图片12中所示，图A为简单机械脚结构，其包含一个主体、 一根杠杆、两根活动脚组成图B为木牛流马仿生机械脚设计方 案，结合木牛流马法记载进行改进设计，每个脚肢由主梁、3根 活动脚、1根固定脚、1根脚杠、4个足部件组成，活动关节处用 轴（或圆销）链接，轴和轴孔相对应；固定脚与脚孔相对应图B相对图A多出的部件的主要作用，1 •固定脚：除了起到与主体 连接和支撑脚杠的作用外，还可以调节脚杠与主体的高度距离2 • —脚四足：起到支撑木牛流马整体并保持整体平衡的作用，也起到在行走道路上防滑防陷的作用五、专题设计方案13•轴孔与脚孔：可参考流马法中尺寸设计，在主体部件中,只标注轴孔和脚孔设计的相应位置（注：前轴孔分墨去头四 寸,径中二寸；前脚孔分墨二寸，去前轴孔四寸五分，广一寸； 后脚孔分墨去后轴孔三寸五分，大小与前同。

2.2 I前轴孔注：前轴孔分墨去头四寸，径中二寸；前脚孔分墨二寸，去前轴孔四寸五分，广一寸；后脚孔分墨去后轴孔三寸五分，大小与前同图13轴孔与脚孔14•固定脚（脚4 ）：固定脚是与图13中脚孔相连，与图15中脚杠相连，可参考流马法尺寸和连接部件尺寸进行设计注：前后四脚，广二寸，厚一寸五分12脚杠连接轴孔注：前后四脚，广二寸，厚一寸五分； 前脚孔分墨二寸，广一寸图14.固定脚（脚4）15•脚杠（三脚杠）：脚杠是与图14固定脚、图15活动脚和主体其它部件三处相连接，参考流马法和杠杆原理进 行设计：同杠耳”表明“三脚杠”虽然与脚相关，但其功能应该 与杠相同，所以卿杠”功能主要以杠杆为主注：孔径中三脚杠，长二尺一寸，广一寸五分，厚一寸四分，同杠耳211.4注：孔径中三脚杠.长二尺一寸"广一寸五分"厚一寸四分.同杠耳图25・脚杠（三脚杠）16•双活动脚（脚2、脚3 ）：活动脚3是与图13中轴 孔和脚2有活动关节连接，脚2与图15脚杠连接，与脚3、 脚1都有活动关节连接主要承担木牛流马跨步行走作用， 可参考木牛法、流马法及关节机械脚进行设计注：双者 为。