1第1章緒論1.1機構學的現狀與發展1.1.1機構學的概況機構學是以運動幾何學和力學為主要理論基礎，以數學分析為主要手段，對各類機構進行運動和動力分析與綜合的學科。機構學為創造新的機器和進行機械發明與改革提供正確有效的理論和方法，以設計出更經濟合理、更先進的機械設備，來滿足生產發展和人們生活的需求。機構學的發展將直接影響到機械工業各類產品的工作性能以及許多行業生產設備的機械化和自動化程度。機構學作為機械工程技術科學中的一門主要基礎學科，近年來由于機電一體化高技術科學特別是工業機器人與特種機器人的發展對機構學理論和技術上的要求，使機構學學科達到了一個嶄新的階段。在國際學術討論會上，各國科學家一致認為它有如旭日東升，正顯出其無比強大的生命力。機構學一方面由簡單的運動分析與綜合向復雜的運動分析與綜合方面發展，另一方面也由機構運動學向機構動力分析與綜合方向發展，研究機構系統的合理組成的方法及其判據，分析研究機器在傳遞運動、力和做功過程中出現的各種問題。機構精度問題也相應地由靜態分析走向動態分析。機構聯結件的間隙在高速運轉時有不容忽視的影響，因而需要研究機構間間隙、摩擦、潤滑與沖擊引起的機構變形、穩態與非穩態下的動態響應和過渡過程問題。在慣性力作用下，由于機構上剛度薄弱環節的彈性變形，由此研究以振動理論多自由度模態化、線性與非線性、隨機的功率譜與載荷譜等為分析手段和方法而形成的運動彈性動力學問題，以及視整個機構系統為柔性的多柔體系統動力學和逆動力學分析、綜合及控制問題。它是把整個機構看成是由多剛體組成的多剛體動力學、結構動力學及自動控制等學科發展的交叉邊緣學科。由多種、多個構件組成的機構稱為組合機構。組合機構與機構系統組成理論的發展使機構學已成為重型、精密及各種復合機械和智能機械、仿生機械、機器人等高技術科學的設計基礎理論學科。1.1.2機構學的現狀（1）平面與空間連桿機構的結構理論研究研究機構的結構單元及機構拓撲結構特征，如主動副存在準則、活動度類型及其判定、拓撲結構的同構判定、消極子運動鏈判定等。研究滿足拓撲結構要求2的機構結構類型綜合及其自動生成。研究機構創新設計的方法學和結構類型的優選。（2）典型機構的運動分析與綜合研究連桿機構運動分析新方法的研究，如單開鏈法、區間分析法、網絡分析法和吳文俊消元法等。在連桿機構綜合中提出了解析法與優化法相結合的機構尺度綜合法、機構裝配構形與尺度綜合的同倫方法、機構尺度類型及其性能關系的圖譜法等。給出了空間7R機構位移方程式的完美形式(16次方程)。采用數值化圖譜替代傳統的連桿曲線圖譜實現機構綜合。凸輪機構分析與綜合的研究也日益深化。擺動從動件盤形凸輪機構優化設計問題已有較好結果，擺動從動件圓柱凸輪機構凸輪曲面的設計方法也有不少進展。此外，高速分度機構的設計和各種組合機構的設計方法均有不少研究成果。（3）機構動力學問題的研究隨著機器向高速、高精度、高自動化方向發展，機構動力學研究的內容越來越廣泛。凸輪機構動力學深入研究，從動件運動規律選擇、動力學模型建立、動力響應求解和動力綜合方法等研究均有不少成果。平面與空間連桿機構振動力的完全平衡方法和振動力與振動力矩完全平衡方法在理論上已有較好的解決。考慮構件彈性的彈性連桿機構動力分析與綜合的研究已越來越深入，考慮運動副間隙的連桿機構動力分析及運動穩定性研究取得進展，同時考慮構件彈性和運動副間隙甚至彈流狀態的動力分析已有初步研究成果。包含變質量構件機構的動力學也已引起關注并有初步研究。1.1.3機構學的趨勢計算機輔助設計使機構學發展到一個新的階段，它把機構設計理論、方法和參數選取等設計者的智慧與計算機系統所具有的強大邏輯推理、分析判斷、數據處理、運算速度、二維、三維圖形顯示等功能結合起來，可以用人機對話方式，簡便、直觀、快速、最優地完成設計工作，日益成為現代機構設計的主要手段。國外已創立多種平面和空間機構運動學和動力學分析與綜合的通用程序庫和軟件包，例如DRAM（用于平面機構動力分析，可自動構成微分方程，輸出圖像）、IMP、ADAMS、KINSYN、LINKAGES等，其中有些軟件已商品化。有的軟件包已達到十分完備的程度，包括了運動李分析、動力學分析、彈性變形計算、動力學性能評價及模型化仿真等程序，并對三種驅動方式(電、液、氣)的機構系3統均可通用。有的軟件包在進行開式鏈工業機器人運動學及動力學研究時，應用矩陣的齊次變換自動建立符號形式的運動方程，大大減少了計算時間。進入八十年代后，計算機圖象顯示技術已實用化，如聯邦德國、美國等已能將所設計的局部機構三向視圖數據輸入計算機后，顯示出它在整個運動循環中各個側面，以觀察機構各構件在實際運行中空間動作情況，對機構設計進行直觀形象的判斷。在機構型綜合方面，利用圖論原理，把機構轉化為矩陣符號標志，利用計算機識別方法，進行機構分類與選型。利用機構結構的鍵圖方法，確定機構自由度和冗余度。研究空間機構的拓撲特性、結構分析和運動鏈的自動生成，由計算機自動進行機構運動學和動力學的分析與綜合，進行結構優化。近二十年來，由于電子計算機的應用，空間機構在工程中的實際應用正在逐漸推廣(如衣業機械、縫紉機、機器人、自動行走機仿生機械、擺盤式發動機、飛機起落架等)。空間機構的研究是世界各國機構學專家們極感興趣的課題，涌現出多種研究方法，如矢量法、張量法、旋量法、方向余弦矩陣法、球面三角法等，各種方法自成體系，又互相滲透補充。到八十年代空間機構的運動分析基本上已成熟，但是主要局限于研究只含有轉動副、移動副、圓柱副和球面副的機構，對包括螺旋副及其它類型空間副的機構還較少涉及。復數法僅用作空間鉸鏈四桿機構的運動分析，但用一般空間機構尚不多見。近年來有學者對空間機構探索進行平面模擬，以合理利用運動副結構。對于空間機構位移函數的多值性與分支問題，以及空間機構的奇異位形問題等還需深入研究。在有限位置的機構綜合方面，把位移矩陣與幾何約束條件相結合，可使剛體導引、函數再現與軌跡再現等設計問題已能用統一方法來處理。在運動兒何學的基礎上，把經典的布氏理論推廣應用于空間機構，解決了某些機械手的分析與設計問題。近年來，若干學者已開始研究空間機構的優化綜合。空間連桿曲線及包絡曲線的微分幾何特性還需要作進一步深入分析。空間機構動力學方面，機構的力分析和機構的平衡研究近年來發展很快，漸趨成熟。由于智能機械的發展，在機構學基本理論上近年來逐漸擴展到多自由度系統，如多自由度、多環路機構的組成原理和型、數綜合，多自由度運動鏈與運動圖型間的運動幾何學、多自由度機構中線包絡的瞬時運動學、多剛體機械系統動力學、多柔體機械系統動力學及逆動力學高精度控制，多自由度機構運動學、4動力學精度分析與綜合等。為設計滿足任意工藝要求的、任意復雜高級組空間機構（如：機器人、操作器、經濟型工業機器人），己做出多種高級組空間機構組合模塊綜合的軟件，這種銀據工廠企業的訂貨工藝要求進行專用機器人或裝備機構設計，是當今多自由度空間機構的幣要發展趨勢。并聯多桿式機器人操作器具有高定位精度、高承載能力和較高剛度的優點。其平臺若與開式鏈操作器相連，則又會具有運動靈活的優點。近年來，對并聯多環多自由度系統的運動學和動力學、精度分析和綜合的研究也形成一門熱門課題。多自由度空間機構桿件參數（質量、質量中心和慣量）識別對動態、精密、實時控制桿件是很重要的。近年來，對含有閉鏈的開式空間連桿機構的動力學模型參數作了成功的研究雖然動力學方程均是非線性的，在改進的NewtonEuler方程中桿件參數出現為線性的，使計算量減少到最低程度。多柔性體機械系統動力學研究主要有以下幾個方面：(a)創造簡明的分析方法(運動量精確而簡明的表達方式，動力學控制方程與簡化)；(b)機構結構幾何和材料非線性問題；(c)機構間隙、碰撞、伸展及收縮的動力學及其控制；(d)彈性體模態的分析與綜合，動力學參數識別與測量；(e)動力學逆問題，結構控制、系統控制及其穩定性問題研究；(f)柔性、晃動、姿態、運動軌道多因素相互禍合的問題；(g)柔性多體系統動力學大型通用程序研究，計算機模擬、仿真和專家系統。由于機電一體化的發展，智能機構、生物醫學工程、仿生機械、航天機械等各方面都向多體機構精度綜合與分析提出了迫切的高要求。通過誤差分析，可以在設計階段對設計技術條件等進行檢驗，并進行多方案的比較，或為合理使用機構提供必要的依據。誤差綜合，即精度設計或分