第1章机构分析与综合绪论

1、 第一章 绪 论一、一、 机构学的发展历史机构学的发展历史 又称机构与机器科学，是机械设计及理论二级学科的重要研究分支，现今已有数千年的历史，主要研主要研究和探讨究和探讨机构的设计理论与设计方法，是一门极具创造创造性和设计性性和设计性的学科。 机构学发展的三个阶段机构学发展的三个阶段： （1）从古世纪18世纪中叶：机构的启蒙和发展机构的启蒙和发展。最早应用的杠杆原理、轮与轮轴、绞盘、螺杆等都是机构的雏形。桔槔桔槔耧车耧车记里鼓车记里鼓车指南车指南车 （2）从18世纪中叶20世纪中叶：机构的快速发机构的快速发展时期。展时期。尤其是18世纪欧洲工业革命后，蒸汽机的发明与应用繁荣了机械工业，也促进了

2、机械工程学科的迅速发展，机构学也由此发展成为一门独立的学科，形成了机构学独立的体系和独特的研究内容（主要包括机构结构学、运动学和动力学）。一些经典的理论和著作也相继诞生，如瑞士数学家欧拉（Euler）提出的平面运动可看成是一点的平动和绕该点的转动的叠加；法国的科里奥利（Coriolis）提出的相对速度和相对加速度概念；英国剑桥大学教授威利斯（Willis）出版的专著Principles of Mechanisms；法国的勒洛（Reuleaux）出版的专著（Kinematics of Machinery）等等。 （3）从20世纪下半叶至今：控制论与信息技术的发展使机构学发展成为现代机构学现代机构

3、学。现代机构学已大大不同于19世纪传统机械的概念，它充分利用计算机信息处理和控制等现代化手段，成为了集机械与计算机为一体的机电一体化系统，包括机构、驱动、控制、传感与信息处理等五个子系统，其中机构只是现代机械骨架与执行器。现代机械的典型机器人。现代机构学的理论体系与研究内容也有新扩展。如：实现机构学与驱动、控制、信息等学科的交叉融合，机构的拓扑结构学、运动学与动力学实现统一建模、创建三者融为一体且考虑到驱动与控制技术的系统理论；机构的创新设计理论与计算机技术相结合，开发机构创新设计的实用软件。 古代机械纪年二、二、 机构学的发展动向机构学的发展动向 机构学的发展动向主要体现在以下8个方面： (

4、1) 机构数学的研究机构数学的研究 机构分析与综合由传统的图解法（几何法） 解析法。机构学的数学工具包括：代数工具（如矢量、坐标变换、矩阵变换、旋转算子、对偶矩阵、四元代数等）；几何工具（如微分几何、李群、李代数、图论等）；其它数学 工 具 （ 如 数 论 、 旋 量 理 论 、 组 合 数 学 等 ） 。 (2) 机构创新设计理论与方法的研究机构创新设计理论与方法的研究 机构创新设计理论与方法是机构学的重要研究内容之一。国内许多高校和科研机构都开展了这方面的深入研究如：北航的张启先院士、北理工、北京科技大学、天津大学、燕山大学、上海交通大学等。 (3) 机构动力学机构动力学 这是机构学中的重

5、点和难点。(包括：动力学方程的建立与求解，外载荷作用引起的构件变形、运动副摩擦、尺寸误差等造成的机构精度问题，外载荷作用引起的原动件运动规律的变化，机构不平衡质量引起的机械运行负面影响等) (4) 边缘科学边缘科学 现代机构学与多学科的交叉、融合。如：机构学与电子学、遗传学、物理学、生物学、医学等的交叉，形成了诸如压电陶瓷驱动的微小机械、利用电磁效应的微位移机构、仿生机械等。 (5) 广义机构广义机构 传统机构主要涉及由刚性构件组成的机构狭义机构。随着机械、材料、电子技术的交叉发展，出现了非刚体构件组成的机构广义机构。如：带传动、链传动机构，液压、气动机构，电磁致伸缩机构、柔性运动副机构等。 (6) 微型机构微型机构 微型机构在航空、航天和生物医学等领域具有广泛的应用前景。如：原子发动机、微型机构用于脑部手术的精确定位等。 (7) 变胞机构变胞机构 机构自由度或构件的运动形态可随工作要求自动变换的一种新型机构，如火星登陆车。 (8) 新型机构新型机构 主要包括并联机构、柔顺机构、冗余度机构、受控机构、仿生机构、微小机构和变胞机构等。三、三、 课程研究内容课程研究内容 1） 机构的结构组成理论机构的结构组成理论 对空间机构进行自由度计算、组成原理分析和机构的型、数综合。 2 2） 机构的运动学分析与综合机构的运动学分