前言

中国古代发展刺簧锁已有2000多年的历史，随着中国古代设计和制造技术的发展，锁具的安全性也越来越好。

拼图锁需要特定的步骤才能打开，根据开启过程的难易程度，传统的拼图锁可以分为两种，即普通拼图锁和复杂拼图锁。由于拼图锁的结构在开启过程中会发生变化，因此拼图锁属于可重构机构。

在本文中，给出了一种拓扑矩阵的方法来分析复杂拼图锁在系统运行过程中的结构。

介绍

锁在中国古代使用已有两千多年的历史，是一种巧夺天工的机械装置。然而，它们是由身份卑微的锁匠制作的，他们几乎默默无闻。因此，文献中缺乏对古锁的记载。

此外，锁具有特殊的设计，用不同的思路加强内部结构和外观设计，复杂的拼图锁开发出来，开启难度极高，安全性优于普通锁。

这些复杂的拼图锁甚至是古代文人墨客、文人墨客、达官贵人玩乐炫耀的益智玩具。

近代，许多专家、学者和研究单位都致力于古锁的研究。李约瑟简明扼要地介绍了锁具在中国和西方的发展，讨论了它们的相互影响，描述了一些具有代表性的锁具的内部结构，感叹中国锁具演变的文献不足，需要更多的关注和研究，并提到忽视锁匠的行为是不可原谅的。

此外，梳理考古文献发现，最早完整的倒钩弹簧锁出自距今2200 多年8的秦皇陵遗址。

以古代锁具为例，介绍弹簧锁的历史沿革和特点。

下图显示了一个简单的倒钩弹簧锁。由于从表壳上可以直接看到钥匙孔，所以也可以称为开锁孔锁，这是中国古代常见的一种锁具。

它由外壳、带有卸扣和杆的螺栓、倒钩弹簧（简称弹簧）和钥匙组成。外壳有一个钥匙孔，用于插入钥匙并引导螺栓移动。螺栓有一个用于悬挂锁的卸扣和一个用于铆接弹簧的杆23. 钥匙是根据钥匙孔的位置和形状以及弹簧的配置来设计的。

锁定时，由于弹力的作用，弹簧卡在外壳的内壁上。开锁时，钥匙头挤压弹簧，将弹簧推出内壁，然后通过钥匙移动锁舌，使锁舌与外壳分离，完成解锁。

中国的拼图锁被赋予了文化内涵和工艺，显示了古代工匠在机械设计方面的创造力和巧思。这项工作的目的是分析中国传统复杂拼图锁的结构，简要说明拼图锁的类型和特点。

一般拼图锁的种类及特点

世界其他地区的古锁大多只需要将钥匙插入锁孔，旋转或滑动钥匙即可开锁。然而，对于传统的中式拼图锁，人们往往把正确的钥匙握在手中，却需要动脑筋甚至绞尽脑汁地思考如何将钥匙插入锁孔。

一些拼图锁需要使用不同的钥匙或经过几个特定的?步骤才能完成解锁程序，这对于不同的锁类型来说是非常有特色的。根据设计方法和开启步骤的不同，一般的拼图锁可以分为四种类型：附加障碍锁、迷宫锁、二段锁和暗锁孔锁，下面分别介绍。

额外的障碍物锁

上图显示了一个额外的障碍物锁。钥匙孔位于外壳底部。箱子里有一个额外的障碍物，没有任何痕迹，可以防止钥匙进入箱子。

如果不清除障碍物，钥匙就不能插入锁孔开锁。这些构件包括外壳、螺栓、弹簧、障碍物和钥匙。打开时，必须先沿正x轴下图1拉出障碍物。然后将钥匙插入锁孔，压缩弹簧，取下插销即可完成解锁下图2。

下面这张图则呈现了迷宫锁，也称为定向锁。

在解锁过程中，钥匙头的特定部分必须以特定的方向与钥匙孔的特定位置接触，才能以特定的动作插入钥匙。由于开锁过程如同走迷宫，故以迷宫锁命名。打开时，将钥匙头旋转三下插入钥匙孔。钥匙头相对于外壳绕正 z 轴、正 x 轴和正 z 轴旋转。

然后，键沿正 x 轴平移以压缩弹簧并卸下螺栓。

接下来这张图展示了一把两把钥匙和两个钥匙孔的两段式锁，分为上下钥匙孔。

其构件包括外壳、插销、长弹簧、短弹簧、钥匙1、钥匙2。开启时，钥匙1插入钥匙孔1，长弹簧被压缩，可取下部分螺栓，键 1 被抽出。接着将钥匙2的齿销向上插入钥匙孔2，压下短弹簧，将整个锁舌取下，完成解锁。

下图显示了一个带有用于隐藏钥匙孔的底板的隐藏式钥匙孔锁。

这些构件有外壳、螺栓、长弹簧、短弹簧、底板和钥匙。开锁时，底板必须先沿x轴正方向移动，找到钥匙孔。然后，沿着正 y 轴插入键并绕负 y 轴旋转以压缩长弹簧，并移除一部分螺栓。

然后，钥匙绕y轴正向旋转，压缩短弹簧，从而卸下整个插销，完成解锁。

结构分析

复杂的拼图锁通过滑板、转盘、压簧等不同设计，巧妙地将钥匙孔隐藏起来。在开锁过程中，必须先找到钥匙孔的位置，才能插入钥匙。对于这种特殊的设计，如何找到钥匙孔的位置是一个挑战。

找到钥匙孔后，如何将钥匙头插入钥匙孔，需要一定的技巧。此外，即使您可以将钥匙插入钥匙孔，您也必须知道如何转动钥匙。此外，表壳上还增加了装饰纽扣或宝剑。

除了增加艺术美感，它也可以作为解锁它的第一条线索。复杂的拼图锁可分为滑动端板锁、压簧锁、旋转饰物锁和撬底板锁四种。

滑动端板锁

复杂拼图锁的一个常见设计是使用滑板作为开锁的第一步，然后通过添加其他构件，生成复杂的开锁方式。根据板在外壳上的位置，可分为滑动底板、内端板、端板和前按钮四种类型。滑动端板锁是解锁过程的一个例子，如上图所示。

锁具左右有端板，一个端板可以移动，另一个端板是固定的，前面有一把剑，分为把手和刀片。钥匙孔位于剑身后方，由于剑身紧贴活动端板而无法移动，钥匙孔被巧妙地隐藏起来。

这种锁的特点是弹簧的固定端直接连接在表壳底部，而不是锁芯，弹簧的开口端会卡住插销，形成锁定状态。构件包括外壳、螺栓、端板、手柄、刀片、弹簧和钥匙。

压缩弹簧锁

倒钩弹簧锁是中国古代最具代表性的锁。利用表壳内部弹簧的变化设计出不同的锁定形式。此外，还有压簧锁，通过壳外的装饰按钮和壳内的弹簧，兼具美感和开锁提示。

压簧锁大多设计有尾钮，结合长弹簧，如下图，这是向上推结束按钮锁。

这种锁的右端板可以转动，左端板有一个活动按钮，直接与内部的长弹簧相连。底部有活动底板，活动底板的凸点刚好插入活动端板形成相互固定状态，隐藏两个锁孔。锁杆上装有长、中、短弹簧。长弹簧与内壁接触形成锁紧状态。其构件包括外壳、插销、端板、底板、带长弹簧的活动按钮、中弹簧、短弹簧、键1、键2。

旋转饰品锁

在表壳上加上装饰物，不仅增加了整体的美感，展现了锁匠的技艺，同时也是开锁的第一线索。

装饰品由八片花瓣组成，每片花瓣上都有一个小圆点。钥匙孔位于端面上，由端板盖住，端板被锁扣端部扣住，使端板不能转动，从而将钥匙孔紧紧隐藏。有五个长弹簧和四个短弹簧；长弹簧位于阀杆下方，四个短弹簧分布在阀杆左右两侧，底部的可旋转饰物盖住一个小孔，小孔后面的长弹簧抵住阀杆内壁锁定，使螺栓无法移出，形成锁定状态。

构件包括外壳、螺栓、长弹簧、短弹簧、端板、可旋转装饰件、钥匙 1 和钥匙 2。

撬底板锁

下图显示了一个用手指打开底板的锁。表壳设有精美固定的装饰扣。有两组弹簧。长弹簧支撑着表壳内壁产生锁紧作用。两个锁孔分别被底板和端板隐藏。构件包括外壳、螺栓、底板、端板、长弹簧、短弹簧、键 1 和键 2。

底板的一侧内部有一个凸块，刚好夹入一个小锁紧时在外壳下方开孔，使底板无法移动，钥匙孔被隐藏。

结论

锁虽然是一种简单的机械装置，但它被广泛用于保护人们的安全和隐私，关系到人们的生死存亡。通过不断的研究和探索，古代工匠们研制出各种类型的复杂拼图锁，属于可重构机构。

它们的机械结构和设计原理非常巧妙，是古代工匠在锁具的反复设计和制造中积累工作经验和创意的结果。

本文提出了拓扑矩阵表示法来分析复杂拼图锁的结构，它是了解每个步骤的操作以及链接和关节之间的邻接和附着关系的有用工具。

参考文献：

【1】中国古代锁具：形状、形式和文化内涵

【2】论中国古代锁具的特点

【3】中国古代锁具之美

【4】中国古代挂锁弹簧机构的设计考虑

【5】关于中国古代锁的弹簧配置

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