ในทางวิศวกรรมกลไกคืออุปกรณ์ ที่แปลงแรงและการเคลื่อนที่ขาเข้า ให้เป็นชุดแรงและการเคลื่อนที่ขาออกที่ต้องการ โดยทั่วไปกลไกประกอบด้วยส่วนประกอบที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งอาจรวมถึงเฟืองและชุดเฟืองสายพานและโซ่ขับลูกเบี้ยวและตัวตามข้อต่ออุปกรณ์เสียดทาน เช่นเบรกหรือคลัตช์ส่วนประกอบโครงสร้าง เช่น โครง ตัวยึด ตลับลูกปืน สปริง หรือสารหล่อลื่น และองค์ประกอบเครื่องจักรต่างๆเช่นสไปลน์ หมุด หรือลิ่ม^{[ 1 ]}

นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันFranz Reuleaux ^{[ 2 ]}นิยามเครื่องจักรว่า "การรวมกันของวัตถุที่ต้านทานซึ่งจัดเรียงไว้เพื่อให้แรงทางกลของธรรมชาติสามารถถูกบังคับให้ทำงานพร้อมกับการเคลื่อนที่ที่แน่นอน" ^{[ 3 ]} ในบริบทนี้ การใช้ เครื่องจักรของเขาโดยทั่วไปตีความว่าหมายถึง กลไก

การรวมกันของแรงและการเคลื่อนไหวเป็นสิ่งที่กำหนดคำว่ากำลังและกลไกจะจัดการกำลังเพื่อให้ได้แรงและการเคลื่อนไหวตามที่ต้องการ

โดยทั่วไปแล้ว กลไกคือส่วนหนึ่งของกระบวนการที่ใหญ่กว่า ซึ่งเรียกว่าระบบเชิงกลหรือเครื่องจักรบางครั้งเครื่องจักรทั้งเครื่องอาจถูกเรียกว่ากลไก เช่นกลไกพวงมาลัยในรถยนต์หรือกลไกไขลานของนาฬิกาข้อมืออย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้ว ชุดของกลไกหลายๆ ชิ้นจะถูกเรียกว่าเครื่องจักร

ตั้งแต่สมัยอาร์คิมิดีสจนถึงยุคเรเนส ซอง ส์ กลไกต่างๆ ถูกมองว่าสร้างขึ้นจากเครื่องจักรอย่างง่ายเช่นคาน รอกสกรูล้อและเพลาลิ่มและระนาบเอียงส่วนเรอโลซ์นั้นเน้นไปที่ตัววัตถุที่เรียกว่า" ข้อต่อ " และการเชื่อมต่อระหว่างตัววัตถุเหล่านี้ที่เรียกว่า " คู่จลศาสตร์"หรือ"จุดเชื่อมต่อ"

ในการใช้เรขาคณิตเพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของกลไกนั้น ชิ้นส่วนต่างๆ ของกลไกจะถูกจำลองเป็นวัตถุแข็งเกร็งซึ่งหมายความว่าระยะห่างระหว่างจุดต่างๆ ในชิ้นส่วนนั้นจะถือว่าไม่เปลี่ยนแปลงขณะที่กลไกเคลื่อนที่ กล่าวคือ ชิ้นส่วนนั้นจะไม่โค้งงอ ดังนั้น การเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างจุดต่างๆ ในชิ้นส่วนสองชิ้นที่เชื่อมต่อกันจึงถือว่าเกิดจากคู่จลนศาสตร์ที่เชื่อมต่อชิ้นส่วนเหล่านั้นเข้าด้วยกัน

ข้อต่อเชิงจลศาสตร์ หรือจุดเชื่อมต่อ ถือเป็นข้อจำกัดที่เหมาะสมที่สุดระหว่างชิ้นส่วนสองชิ้น เช่น ข้อจำกัดของจุดเดียวสำหรับการหมุนอย่างสมบูรณ์ หรือข้อจำกัดของเส้นตรงสำหรับการเลื่อนอย่างสมบูรณ์ รวมถึงการกลิ้งอย่างสมบูรณ์โดยไม่ลื่นไถล และการสัมผัสแบบจุดโดยมีการลื่นไถล กลไกจะถูกจำลองเป็นชุดของชิ้นส่วนแข็งและข้อต่อเชิงจลศาสตร์

Reuleaux เรียกการเชื่อมต่อที่เหมาะสมระหว่างลิงก์ว่าคู่จลนพลศาสตร์เขาแยกแยะระหว่างคู่ระดับสูงซึ่งมีการสัมผัสแบบเส้นระหว่างลิงก์ทั้งสอง และคู่ระดับต่ำซึ่งมีการสัมผัสแบบพื้นที่ระหว่างลิงก์ J. Phillips ^{[ 4 ]}แสดงให้เห็นว่ามีหลายวิธีในการสร้างคู่ที่ไม่ตรงกับแบบจำลองง่ายๆ นี้

ข้อต่อล่าง:ข้อต่อล่างเป็นข้อต่อในอุดมคติที่มีการสัมผัสกันของพื้นผิวระหว่างชิ้นส่วนทั้งสอง ดังเช่นในกรณีต่อไปนี้:

• ข้อต่อแบบหมุน หรือข้อต่อแบบบานพับ กำหนดให้เส้นในตัวที่เคลื่อนที่ต้องอยู่บนแนวเดียวกันกับเส้นในตัวที่อยู่กับที่ และระนาบที่ตั้งฉากกับเส้นนี้ในตัวที่เคลื่อนที่ต้องสัมผัสกับระนาบที่ตั้งฉากกันในลักษณะเดียวกันในตัวที่อยู่กับที่ เงื่อนไขนี้กำหนดข้อจำกัดห้าประการต่อการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของชิ้นส่วนต่างๆ ดังนั้นจึงทำให้ข้อต่อนี้มีอิสระในการเคลื่อนที่หนึ่งองศา
• ข้อต่อแบบปริซึมหรือตัวเลื่อน ต้องการให้เส้นในตัวที่เคลื่อนที่ต้องอยู่บนแนวเดียวกันกับเส้นในตัวที่อยู่กับที่ และระนาบที่ขนานกับเส้นนี้ในตัวที่เคลื่อนที่ต้องสัมผัสกับระนาบขนานที่คล้ายกันในตัวที่อยู่กับที่ ซึ่งกำหนดข้อจำกัดห้าประการต่อการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของชิ้นส่วนต่างๆ จึงทำให้ชิ้นส่วนทั้งสองมีอิสระในการเคลื่อนที่หนึ่งองศา
• ข้อต่อทรงกระบอกกำหนดให้เส้นในตัวที่เคลื่อนที่ต้องอยู่บนแนวเดียวกันกับเส้นในตัวที่อยู่กับที่ ข้อต่อชนิดนี้เป็นการผสมผสานระหว่างข้อต่อแบบหมุนและข้อต่อแบบเลื่อน ข้อต่อนี้มีองศาอิสระสององศา
• ข้อต่อทรงกลม หรือข้อต่อลูกบอล คือข้อต่อที่กำหนดให้จุดหนึ่งบนตัววัตถุที่เคลื่อนที่ต้องสัมผัสกับจุดหนึ่งบนตัววัตถุที่อยู่กับที่ ข้อต่อชนิดนี้มีองศาอิสระสามองศา
• ข้อต่อระนาบกำหนดให้ระนาบในตัววัตถุที่เคลื่อนที่ต้องสัมผัสกับระนาบในตัววัตถุที่อยู่กับที่ ข้อต่อชนิดนี้มีองศาอิสระสามองศา
• ข้อต่อแบบเกลียว หรือข้อต่อแบบเฮลิกซ์ มีองศาอิสระเพียงหนึ่งเดียว เนื่องจากลักษณะการเลื่อนและการหมุนมีความสัมพันธ์กันโดยมุมเกลียวของเกลียว

คู่ระดับสูง:โดยทั่วไป คู่ระดับสูงคือข้อจำกัดที่ต้องการการสัมผัสแบบเส้นหรือจุดระหว่างพื้นผิวของชิ้นส่วนย่อย ตัวอย่างเช่น การสัมผัสระหว่างลูกเบี้ยวและตัวตามลูกเบี้ยวเป็นคู่ระดับสูงที่เรียกว่าข้อต่อลูกเบี้ยว ในทำนองเดียวกันการสัมผัสระหว่างเส้นโค้งอินโวลูตที่ประกอบเป็นฟันเฟืองของเกียร์สองตัวก็เป็นข้อต่อลูกเบี้ยวเช่นกัน

แผนภาพจลนพลศาสตร์จะลดส่วนประกอบของเครื่องจักรให้เหลือเพียงแผนภาพโครงร่างที่เน้นข้อต่อและลดการเชื่อมโยงให้เหลือเพียงองค์ประกอบทางเรขาคณิตที่เรียบง่าย แผนภาพนี้ยังสามารถกำหนดเป็นกราฟ ได้ ด้วยการแสดงการเชื่อมโยงของกลไกเป็นขอบและข้อต่อเป็นจุดยอดของกราฟแผนภาพจลนพลศาสตร์ ในรูปแบบนี้ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการระบุโครงสร้างจลนพลศาสตร์ในกระบวนการออกแบบเครื่องจักร^{[ 5 ]}

สิ่งสำคัญประการหนึ่งในกระบวนการออกแบบนี้คือระดับความเป็นอิสระของระบบข้อต่อและส่วนเชื่อมต่อ ซึ่งกำหนดโดยใช้เกณฑ์ Chebychev–Grübler– Kutzbach

แม้ว่ากลไกทั้งหมดในระบบกลไกจะเป็นสามมิติ แต่ก็สามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้เรขาคณิตระนาบหากการเคลื่อนที่ของส่วนประกอบแต่ละส่วนถูกจำกัดไว้เพื่อให้วิถีการเคลื่อนที่ของจุดทั้งหมดขนานหรือเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับระนาบ ในกรณีนี้ ระบบจะเรียกว่ากลไกระนาบการวิเคราะห์จลนศาสตร์ของกลไกระนาบใช้เซตย่อยของกลุ่มยุคลิดพิเศษSEซึ่งประกอบด้วยการหมุนและการแปลระนาบ ซึ่งแสดงด้วย SE ^{[ 6 ]}

กลุ่ม SE เป็นแบบสามมิติ ซึ่งหมายความว่าตำแหน่งทุกตำแหน่งของวัตถุในระนาบจะถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์สามตัว พารามิเตอร์เหล่านั้นมักจะเป็น พิกัด xและyของจุดกำเนิดของระบบพิกัดในMซึ่งวัดจากจุดกำเนิดของระบบพิกัดในFและมุมที่วัดจาก แกน xในFไปยัง แกน xในMโดยทั่วไปจะอธิบายได้ว่าวัตถุในระนาบมีอิสระในการเคลื่อนที่สาม ระดับ

การหมุนอย่างอิสระของบานพับและการเคลื่อนที่เชิงเส้นของตัวเลื่อนสามารถระบุได้ด้วยกลุ่มย่อยของ SE และกำหนดข้อต่อทั้งสองเป็นข้อต่อหนึ่งองศาอิสระของกลไกแบบระนาบ ข้อต่อลูกเบี้ยวที่เกิดจากพื้นผิวสองพื้นผิวที่สัมผัสกันแบบเลื่อนและหมุนเป็นข้อต่อสององศาอิสระ

สามารถสร้างกลไกที่วิถีการเคลื่อนที่ของจุดในส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ในเปลือกทรงกลมศูนย์กลางร่วมกันรอบจุดคงที่ได้ ตัวอย่างเช่นไจโรสโคปแบบกิมบอล อุปกรณ์เหล่านี้เรียกว่ากลไกทรง กลม ^{[ 6 ]}กลไกทรงกลมสร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อลิงก์ด้วยข้อต่อแบบบานพับ โดยที่แกนของบานพับแต่ละอันผ่านจุดเดียวกัน จุดนี้จะกลายเป็นศูนย์กลางของเปลือกทรงกลมศูนย์กลางร่วมกัน การเคลื่อนที่ของกลไกเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะด้วยกลุ่ม SO(3) ของการหมุนในพื้นที่สามมิติ ตัวอย่างอื่นๆ ของกลไกทรงกลม ได้แก่เฟืองท้ายรถยนต์และข้อมือหุ่นยนต์

กลุ่มการหมุน SO(3)เป็นแบบสามมิติ ตัวอย่างของพารามิเตอร์สามตัวที่ระบุการหมุนเชิงพื้นที่ ได้แก่ มุมม้วน มุมเงย และมุมหันเห ที่ใช้ในการกำหนดทิศทางของเครื่องบิน

กลไกที่ทำให้วัตถุเคลื่อนที่ไปตามการเคลื่อนที่ในอวกาศโดยทั่วไป เรียกว่ากลไกเชิงพื้นที่ตัวอย่างเช่น กลไก RSSR ซึ่งสามารถมองได้ว่าเป็นกลไกสี่ข้อต่อ โดยที่ข้อต่อแบบบานพับของข้อต่อตัวเชื่อมถูกแทนที่ด้วยปลายก้านหรือที่เรียกว่าข้อต่อทรงกลมหรือข้อต่อลูกบอลปลายก้านช่วยให้ข้อเหวี่ยงขาเข้าและขาออกของกลไก RSSR สามารถเยื้องศูนย์ได้จนถึงจุดที่พวกมันอยู่บนระนาบที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้ข้อต่อตัวเชื่อมเคลื่อนที่ไปตามการเคลื่อนที่ในอวกาศโดยทั่วไปแขนหุ่นยนต์แพลตฟอร์มStewartและระบบหุ่นยนต์ฮิวมานอย ด์ ก็เป็นตัวอย่างของกลไกเชิงพื้นที่เช่นกัน

กลไกเชื่อมโยงของเบนเน็ตต์เป็นตัวอย่างของกลไกที่มีข้อจำกัด เชิงพื้นที่มากเกินไป ซึ่งสร้างขึ้นจากข้อต่อแบบบานพับสี่จุด

กลุ่มSE(3)เป็นแบบหกมิติ ซึ่งหมายความว่าตำแหน่งของวัตถุในอวกาศถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์หกตัว พารามิเตอร์สามตัวกำหนดจุดกำเนิดของกรอบอ้างอิงเคลื่อนที่เทียบกับกรอบคงที่ พารามิเตอร์อีกสามตัวกำหนดทิศทางของกรอบเคลื่อนที่เทียบกับกรอบคงที่

กลไกเชื่อมโยงคือ กลุ่มของชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อกันด้วยข้อต่อ โดยทั่วไปแล้ว ชิ้นส่วนเหล่านั้นจะเป็นองค์ประกอบโครงสร้าง และข้อต่อจะช่วยให้เกิดการเคลื่อนไหว ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดที่สุดอาจจะเป็นกลไกเชื่อมโยงสี่แท่ง ในระนาบ อย่างไรก็ตาม ยังมีกลไกเชื่อมโยงชนิดพิเศษอีกมากมาย:

• กลไกของวัตต์เป็นกลไกสี่ข้อต่อที่สร้างเส้นตรงโดยประมาณ กลไกนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานของเครื่องยนต์ไอน้ำที่เขาออกแบบ นอกจากนี้ กลไกนี้ยังปรากฏในระบบกันสะเทือนของยานยนต์เพื่อป้องกันการเคลื่อนที่ไปมาด้านข้างของตัวถังเมื่อเทียบกับล้อ
• ความสำเร็จของกลไกของวัตต์นำไปสู่การออกแบบกลไกเส้นตรงโดยประมาณที่คล้ายคลึงกัน เช่นกลไกของโฮเคนและกลไกของเชบิเชฟ
• กลไกเชื่อมต่อแบบ Peaucellierสร้างเอาต์พุตเป็นเส้นตรงที่แท้จริงจากอินพุตแบบหมุน
• กลไกSarrusเป็นกลไกเชิงพื้นที่ที่สร้างการเคลื่อนที่เชิงเส้นตรงจากแรงหมุน
• กลไกคลานน์และกลไกแจนเซนเป็นสิ่งประดิษฐ์ใหม่ล่าสุดที่ให้การเคลื่อนไหวในการเดินที่น่าสนใจ โดยกลไกคลานน์เป็น กลไก แบบหกข้อต่อและกลไกแบบแปดข้อต่อ ตามลำดับ

กลไกที่ยืดหยุ่นได้คือชุดของวัตถุแข็งที่เชื่อมต่อกันด้วยองค์ประกอบที่ยืดหยุ่นได้ กลไกเหล่านี้มีข้อดีหลายประการ ได้แก่ จำนวนชิ้นส่วนที่ลดลง ความหลวมระหว่างข้อต่อที่ลดลง (ไม่มีการเคลื่อนไหวที่ไม่พึงประสงค์เนื่องจากช่องว่างระหว่างชิ้นส่วน^{[ 7 ]} ) การเก็บพลังงาน การบำรุงรักษาต่ำ (ไม่จำเป็นต้องใช้สารหล่อลื่นและมีการสึกหรอทางกลต่ำ) และความง่ายในการผลิต^{[ 8 ]}

แบริ่งแบบยืดหยุ่น (หรือที่รู้จักกันในชื่อข้อต่อแบบยืดหยุ่น ) เป็นกลุ่มย่อยของกลไกที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งสร้างการเคลื่อนที่ (การหมุน) ที่กำหนดไว้ทางเรขาคณิตอย่างชัดเจนเมื่อมีการใช้แรงกระทำ

กลไกแคมและตัวตามเกิดจากการสัมผัสโดยตรงของชิ้นส่วนรูปทรงพิเศษสองชิ้น ชิ้นส่วนขับเคลื่อนเรียกว่าแคม และชิ้นส่วนที่ถูกขับเคลื่อนผ่านการสัมผัสโดยตรงของพื้นผิวเรียกว่าตัวตาม รูปทรงของพื้นผิวสัมผัสของแคมและตัวตามจะเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของกลไก โดยทั่วไป พลังงานของกลไกแคมและตัวตามจะถูกถ่ายโอนจากแคมไปยังตัวตาม เพลาแคมจะหมุน และตามจะเคลื่อนที่ขึ้นและลงตามรูปทรงของแคม ปัจจุบัน มีแคมและตัวตามแบบเยื้องศูนย์ที่แตกต่างกันเล็กน้อย ซึ่งพลังงานจะถูกถ่ายโอนจากตัวตามไปยังแคม ข้อดีหลักของกลไกแคมและตัวตามประเภทนี้คือ ตัวตามจะเคลื่อนที่เพียงเล็กน้อยและช่วยหมุนแคมได้มากกว่าเดิมถึงหกเท่าด้วยแรงเพียง 70%

การส่งกำลังการหมุนระหว่างล้อเฟืองที่สัมผัสกันนั้นสามารถสืบย้อนไปได้ถึงกลไกแอนติคิเธราของกรีซและรถม้าชี้ทิศใต้ของจีน ภาพประกอบโดยนักวิทยาศาสตร์ยุคเรเนสซองส์ จอร์จิอุส อะกริโคลาแสดงให้เห็นชุดเฟืองที่มีฟันทรงกระบอก การนำฟันแบบอินโว ลูตมา ใช้ทำให้เกิดการออกแบบเฟืองมาตรฐานที่ให้อัตราส่วนความเร็วคงที่ คุณสมบัติที่สำคัญบางประการของเฟืองและชุดเฟืองมีดังนี้:

• อัตราส่วนของวงกลมพิตช์ของเฟืองที่ประกบกันจะเป็นตัวกำหนดอัตราส่วนความเร็วและข้อได้เปรียบเชิงกลของชุดเฟือง
• ชุดเฟืองดาวเคราะห์ให้การลดอัตราทดเกียร์สูงในขนาดกะทัดรัด
• เป็นไปได้ที่จะออกแบบฟันเฟืองสำหรับเฟืองที่ไม่เป็นทรงกลมแต่ยังคงส่งแรงบิดได้อย่างราบรื่น
• อัตราส่วนความเร็วของ ระบบขับเคลื่อน ด้วยโซ่และสายพานคำนวณในลักษณะเดียวกับอัตราส่วนเกียร์

การออกแบบกลไกเพื่อให้ได้การเคลื่อนไหวและการส่งกำลังที่เฉพาะเจาะจงเรียกว่าการสังเคราะห์กลไกเชิงจลนศาสตร์ [ ^{9 ] นี่} คือชุดของเทคนิคทางเรขาคณิตที่ให้ขนาดของข้อต่อ กลไกแคมและตัวตาม และเฟืองและชุดเฟืองเพื่อทำการเคลื่อนไหวเชิงกลและการส่งกำลังที่ต้องการ^{[ 10 ]}

• ชุดเกียร์
• กลไกโฮเบอร์แมน
• การเชื่อมต่อ (เชิงกล)
• เครื่องจักร (เชิงกล)
• ระบบกลไก
• นาฬิกาเชิงกล
• ชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว
• โครงร่างของเครื่องจักร
• งานเสมือนจริง

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับกลไก (ทางวิศวกรรม )

• กลไกบานพับ-คันโยกแบบสมดุล
• วิกิเครื่องจักรและกลไก
• คลังข้อมูลดิจิทัลแบบจำลองจลศาสตร์เพื่อการออกแบบ (KMODDL)รวบรวมภาพยนตร์และภาพถ่ายของแบบจำลองกลไกหลายร้อยแบบ
• กลไกเชื่อมโยงเส้นตรงหกข้อต่อในคอลเลกชันโมเดล Reuleaux ที่มหาวิทยาลัยคอร์เนลล์
• ภาพเคลื่อนไหวแสดงกลไกต่างๆ
• ตัวอย่างวงจรสร้างฟังก์ชันแบบหกแท่งที่คำนวณมุมสำหรับช่วงที่กำหนด
• แอนิเมชั่นการเชื่อมโยงหลากหลายรูปแบบ
• การออกแบบกลไกหกข้อต่อแบบต่างๆ
• ภาพเคลื่อนไหวของกลไกทรงกลมที่สามารถกางออกได้