机械设计的巧妙可以简化相应的控制系统吗？
这种方法的本质是：将控制功能从外部的电子/软件系统转移到机械结构本身，利用物理规律和巧妙的几何设计来完成原本需要复杂计算和传感器反馈才能实现的控制目标。
下面我将详细阐述这一点，并提供一些例子来支持：
为什么巧妙的机械设计可以简化控制系统？
1. 减少对传感器和反馈的需求：
传统控制: 需要精确的传感器来检测状态（如位置、速度、力、角度等），然后将这些信息传递给控制器（如微处理器），控制器根据预设算法进行计算，并发出指令给执行器（如电机、液压缸）。
机械设计: 巧妙的机械结构可以物理上限制或引导系统的运动，使其只能以特定的方式运行，从而“内在地”满足控制要求，无需外部测量和反馈。
2. 降低对复杂算法和软件的需求：
传统控制: 需要编写和调试复杂的控制算法来处理各种动态变化、非线性和不确定性。
机械设计: 通过精心设计的机械联动、限位、棘轮、凸轮等，将复杂的控制逻辑转化为简单的物理运动关系，“硬编码”到机械结构中。
3. 提高系统的鲁棒性和可靠性：
传统控制: 容易受到传感器故障、电子干扰、软件错误等影响，可靠性可能受限于其电子和软件组件的质量和稳定性。
机械设计: 机械结构的可靠性通常更高，不易受环境因素影响，且故障模式往往更易于预测和诊断。
4. 降低成本和功耗：
传统控制: 传感器、控制器、执行器以及相关的软件开发都需要成本。
机械设计: 通过优化机械结构，可以减少甚至消除这些组件，从而降低整体制造成本和运行时的功耗。
5. 提高响应速度和精度（在某些情况下）：
机械设计: 一些由机械结构直接驱动的动作，由于其路径固定且直接，可以比依赖传感器反馈和控制器计算的系统更快做出响应，并且在特定范围内精度更高。
巧妙机械设计的实现方式和例子：
以下是一些具体的实现方式和在不同领域的例子：
1. 限位和停止：
概念: 利用机械结构在特定位置自动停止或限制运动，无需传感器检测位置并触发停止指令。
例子:
门锁的限位销: 当门关闭到一定程度时，锁舌会卡入门框上的槽口，同时限位销也可能卡住，防止门继续向内或向外转动过多。
机械开关的行程限位: 在工业机械中，凸轮驱动的限位开关，当机器臂运动到一定距离时，凸轮会压下开关触点，停止运动。这比用编码器检测位置再通过PLC停止要简单得多。
缝纫机上的挑线杆限位: 在缝纫机的设计中，挑线杆的运动轨迹由曲柄和连杆机构决定，其行程末端由机架本身限制，无需复杂的电子限位。
2. 机构的自锁和定位：
概念: 利用机械结构的几何特性，使其在特定位置能稳定保持，不易发生意外移动，或者只能在特定方向上进行有限的移动。
例子:
棘轮棘爪机构: 允许一个方向的自由转动，但在反方向则会卡住。这是最简单的“单向控制”。例如，自行车后轮的棘轮。
齿轮系的自锁: 在某些角度下，齿轮会互相咬合锁定，防止反向运动，如某些减速器。
斜面和楔块: 简单的机械结构，利用摩擦和角度实现定位和锁定。例如，一个坡道上的物体，如果没有外力推它，它会停在坡道上。
3. 凸轮机构：
概念: 凸轮的特殊形状决定了从动件的运动规律，将复杂的运动控制“绘制”在凸轮的轮廓上。
例子:
内燃机气门正时: 凸轮轴上的凸轮直接驱动气门打开和关闭，其形状设计决定了气门的升程、持续时间和开启角度，完全无需电子控制。
自动售货机和包装机械: 许多自动化设备使用凸轮来协调多个动作的顺序和时间，例如送入物体、切割、包装等。
复印机中的进纸机构: 通过精巧的凸轮和齿轮组合，实现纸张的逐张进给和定位。
4. 联动机构和连杆机构：
概念: 通过多个杆件的连接和相对运动，实现复杂的运动转换和限制，将输入运动转化为特定的输出运动。
例子:
万向节（卡丹接头）: 允许两个旋转轴在一定角度范围内传递旋转运动，但会导致角度变化时的转速波动，这本身就是一种“受控”的运动。
剪刀和钳子: 简单的杠杆原理，通过一个支点，实现力的放大和运动的转换。
望远镜的升降和俯仰机构: 很多望远镜支架使用复杂的连杆系统，可以通过手动操作实现平稳的升降和角度调整，其运动平滑性在一定程度上依赖于机械设计。
5. 结构体的刚性和惯性：
概念: 利用材料的刚性和结构的惯性来抵抗或缓冲外部干扰，维持稳定。
例子:
大质量的基座: 良好的隔振设计，通过增加结构的质量来抵抗外部振动，减少对主动减振控制系统的需求。
悬挂系统的调校: 汽车悬挂系统中的弹簧和阻尼器，通过机械特性来吸收路面不平带来的冲击，提供平稳的乘坐体验。精良的调校可以显著减少对主动悬挂控制的需求。
6. 弹性体和预紧：
概念: 利用材料的弹性变形或预先施加的应力来自动调整和补偿，实现某些控制功能。
例子:
弹簧加载的阀门: 弹簧的压力可以自动调整阀门的开启程度，以维持恒定的压力或流量。例如，锅炉的安全阀。
弹簧加载的离合器: 利用弹簧的张力来结合和分离动力源。
7. 负反馈的机械实现（如威氏调速器）：
概念: 最经典的例子是詹姆斯·瓦特的“离心式调速器”。它利用离心力随转速增加而增大的原理，通过机械联动，自动调节蒸汽阀的开度，从而稳定发动机的转速。
原理: 飞球（重物）随发动机转速升高而旋转，离心力将其向外甩动，带动连杆机构，该机构与蒸汽阀相连，使得蒸汽阀开度减小，从而降低发动机转速。反之亦然。
简化控制: 这个调速器完全是纯机械的，没有电子元件和复杂的软件，却能实现非常有效的负反馈控制。
如何通过机械设计来简化控制系统？
要实现这一点，工程师需要：
深入理解物理原理： 力学、摩擦学、流体力学、弹性力学等。
掌握各种机械构件的功能和特性： 齿轮、连杆、凸轮、弹簧、阻尼器、棘轮等。
进行精巧的几何设计： 合理布局零件，利用形状和尺寸来控制运动。
考虑材料特性： 刚度、强度、弹性、摩擦系数等。
进行严谨的仿真和分析： 确保设计的机械结构能够可靠地实现期望的控制功能。
权衡和局限性：
当然，通过机械设计简化控制也有其局限性：
灵活性降低： 一旦设计完成，机械结构的控制特性就固定了，不易更改。而电子控制系统可以很容易地通过软件更新来改变行为。
适用范围有限： 某些复杂的、动态的、需要适应多变环境的控制任务，很难完全依赖纯粹的机械设计。例如，精确的机器人末端操作，或者无人驾驶汽车的导航系统。
精度和范围可能受限： 纯机械的控制在某些参数的精确度或可调范围上可能不如电子控制。
设计难度高： 设计出能完全替代复杂控制系统的巧妙机械结构，往往需要极高的创造力和工程经验。
总结：
机械设计的巧妙是实现控制系统简化的强大手段。通过将控制逻辑“内建”到机械结构中，可以显著减少对传感器、执行器和复杂软件的依赖，从而提高系统的可靠性、降低成本、功耗和复杂性。从简单的限位块到复杂的调速器，机械设计在工程领域扮演着至关重要的角色，能够以“优雅”的方式解决许多控制问题。在现代工程中，往往是机械设计与先进控制系统的结合，才能达到最佳的性能和效率。但理解并运用纯粹的机械控制思想，仍然是解决许多工程挑战的关键。
网友意见
正如其他很多朋友回答的那样，机械设计的巧妙可以简化相应的控制系统。
实际上，如果我们回顾机电系统的发展史，在现代电子控制系统出现之前，机械设计工程师们一直都是依靠极其精巧的机械设计来实现功能，他们根本就没有“使用控制系统”这个选项。
如今我们还能看到的很多带有过去时代特色的机械结构，比如高端的机械表、各类专用加工制造设备（比如下面这个制造铁链的生产线），借助凸轮、棘轮、四杆机构等等实现指定的时序、运动范围、力量。
那么机构的巧妙和控制的巧妙哪个更重要一些？或者说机电系统的复杂度到底应该放在机械系统还是控制系统上？
这个问题我们不妨回到机电设备发展史上来，为什么相比于过去我们如今的设备越来越倚重自动控制系统呢？
当一般人看到一个设计精巧的全机械自动设备的时候，可能会赞叹其巧妙。但只有真正做过机械设计的人，才会意识到在那设计的背后堆积多少人多少灵感与汗水，堆积了多少日日夜夜的苦思冥想、多少张扔掉的草稿纸。
功能的复杂度所引发的机械设计的难度，不是线性的，而是几何级数的。
机械在空间布置上有难题，传动有难题，共振有难题，精度有难题，力/扭矩存在极限。材料就算不发生破坏，也可能在使用一段时间后发生蠕变或者疲劳损坏。有时还可能出现化学腐蚀，或者因为灰尘或碎屑发生堵塞。润滑油、液压油可能会渗漏。焊缝可能在长期多次热胀冷缩下断裂。几乎处处都有难题。
机械设计本身也可以存在bug，而机械系统的debug极其耗时耗力。当你听到敲击音的时候，你并不能知道问题出在哪里，出问题的部位一般完全被其他部件遮挡住了。等到你拆开机械以后，未必能立刻找到原因，而重新装配好以后，由于拆装时零件的相对位置发生了细微的变化，问题可能又消失了。换句话说，很多机械设计的BUG不能够稳定复现，也不能直接观察。
从设计上来说，要完成类似的功能，而且如果彼此确实可以相互替代的话，程序的设计难度要低于电路设计难度（比如实现一个固定增益的PID控制），电路的设计难度又要低于机械的设计难度（比如节速器）。而电路的debug难度一般远远大于程序的debug，而机械的debug难度又远远大于电路的debug。
如果能够完成同样的功能，你当然是希望采用总体上实现难度最低的方案。所以整个业界的发展就是越来越多地用电路上的复杂度来代替机械上的复杂度，又用程序上的复杂度来代替电路上的复杂度。
从另一个角度讲，如果更多地用精巧的机械设计来实现功能要求，一般就需要大量的定制部件。生产周期和成本就十分可观，这些定制件的质量控制也会十分麻烦。
相反，如果主要采用市面上能够直接买到的标准机械零件，辅以精巧的程序设计，那么周期和成本通常都可以得到压缩，机械部件的质量也更有保障。
再者，程序本身可以在线升级，机械系统不可以。一套通用的机械结构可以加载不同的程序而完成不同的功能，灵活性就很高。使用大量通用部件得机械设备在退役的时候，仍然可以拆散以后组装成新的设备，而使用大量定制部件的设备就基本不可能。程序一般不因温度、湿度、压力等因素而发生变化，而机械系统则很难。
所以成本、周期、可靠性也要求对机械设计进行一定的简化。
随着电子和程序算法的发展，越来越多的复杂机械设计可以被简单机械设计所取代。使得自动设备的总设计成本大大下降，能够覆盖更多的细分市场。
因此，一般而言，机电系统的复杂度应该主要放在控制系统上而不是机械系统。
当然，也有一些场合，把复杂度放在机械系统反而能够降低成本或者提高可靠性。总而言之，针对一个需求而设计的机电系统，具体复杂度的分配需要考虑成本、时间、可靠性这三个因素。机械系统和控制系统的设计要综合起来，有时候一方增加一点点复杂度，另一方就能减少一大截。最终的目标总是成本低、（设计/生产）时间短、可靠性高。
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但以上的前提条件都是“控制系统能够实现设计目标”。
在一些场景下，控制系统并不能完成目标，还是必须依靠机械系统来提供基本的控制条件。
比如有很多人提到的高精度控制场景下的静摩擦问题。如果不通过巧妙地机械设计来大大降低甚至消除静摩擦，控制系统常常就无法实现很高的控制精度。
在这种情况下你就没有选择了。
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