1、我国机构学十年来主要 研究成果及发展展望,邹慧君 教授上海交通大学机械与动力工程学院E-mail: ,2007年11月,1. 引言2. 连杆机构的分析与综合理论研究已步步深 入，成果显著3. 凸轮机构的设计方法和动力学的研究成果累累4. 机构系统设计和机械产品概念设计方兴未艾 5. 深入开展机器人机构学及其工业应用研究6. 大力进行可控机构的分析和综合的研究7. 努力开展机构与机械动力学研究8. 机械原理（机构学）课程改革卓有成效9. 机构学发展展望10. 结束语,报告内容：,1. 引言,上世纪70年代到80年代以来，我国机构学经历了一场飞速发展前的酝酿和积聚。那时我国邀请了国外的机构学家来华
2、讲学交流，如美国的B.Roth, A.T.Yang, D.C.Tao, 英国的 P.Duffe，德国的O.Dittrich，日本的小川洁，加藤一郎，牧野洋，澳大利亚的K.H.Hunt等等。同时，我国派出一大批中青年学者去美国、英国、日本、德国等国访问或攻读学位。“请进来，派出去”的方式对我国机构学水平的提升起到了十分重要的作用。上世纪80年代开始，全国许多著名的高等学校开始招收机构学方面的硕士研究生、博士研究生。针对机构学不少前沿课题开展了深入研究，取得了不少可喜的研究成果。粗略的统计来看，从上世纪90年代开始至今，在国内几本重要的机械类期刊（如机械工程学报、中国机械工程、机械设计与研究、机械
3、设计、机械科学与技术等）上发表的有关机构学方面的论文就有逾千篇。在机构学学术讨论会上发表的论文也有500余篇。出版的机构学专著在50本以上。这些论文和专著，不少有独特见解和独创性研究成果。,2、连杆机构的分析与综合理论研究已步步深入，成果显著,在连杆机构的综合与分析的系统理论与方法方面3,4提出了以单开链为单元，以新的拓扑特性（单开链的约束度、机构的耦合度）为基础的一种新的机构组成原理，并揭示了机构特性与运动学方程、动力学方程之间的内在联系，建立了一套统一的数学模型。在平面连杆机构综合方面，提出了综合杆组的概念和平面连杆机构按位置及速度、加速度等各阶运动参数综合的理论和方法5,6。按提出的6种
4、三杆和二杆(包括其变形)组建立统一的综合方程式，可方便地实现48杆机构的综合。提出了基于计算机技术的平面连杆机构综合的新方法，建立传动特性或导引特性的数据库，有利于提高求解精度和设计速度7,8。提出了基于轨迹局部特性的机构轨迹精确实现方法，提高了轨迹机构求解精度和设计速度9。提出了机架杆方向结构误差与从动杆杆长结构误差的概念，采用改进遗传算法进行轨迹机构、函数生成机构的优化综合10,11。,2. 连杆机构的分析与综合理论研究已步步深入，成果显著,在空间连杆机构的分析方面，也取得了不少研究成果1216。采用影响系数法进行空间机构运动分析，采用类复向量进行任意空间连杆机构位移分析。采用等距条件、共
5、面条件建立起整个空间可调机构RSSRRSS刚体导引的优化综合数学模型。应用吴文俊创立的数学机械化方法和计算机符号处理技术符号法进行复杂连杆机构的位置分析。在连杆机构分析与综合方面已有多本专著均有自己的特色1720。文献17阐述了连杆机构的组成分析、创新设计、运动分析、精度分析、力分析等，附有设计实例，便于工程技术人员应用。文献18阐述了空间机构的运动分析、力分析、闭链机构设计、机器人机构设计等。文献19提出了平面杆组型转化的理论，对机构的组成、运动学与动力学提供一个研究体系。文献20对平面连杆机构的综合方法作了深入的介绍。,3凸轮机构的设计方法和动力学的研究成果累累,凸轮机构的设计与制造的研究
6、仍然处于比较活跃的状态。主要集中在凸轮的CAD/CAM和动力学的研究上。对于凸轮机构CAD/CAM的研究比较广泛。文献2123提出了各类凸轮机构通用的解析公式。文献24-29提出了对凸轮廓面采用共轭曲面自适应方法进行分析和综合的解析原理，为凸轮机构的CAD/CAM提供了理论基础。为了解决精确加工空间曲面提出了采用等距曲面的双包络加工原理，并在实际加工中加以应用。为了适应高速分度凸轮机构设计与制造的需要，还开展了圆柱分度凸轮机构等的动力学理论和实验研究3035，建立了动力学模型，进行了动力特性分析，这些研究有利于提高凸轮机构的运行速度和改善凸轮机构的动态性能。,3凸轮机构的设计方法和动力学的研究
7、成果累累,凸轮机构已有多本著作3639，对推动凸轮机构设计起着重要的作用。文献36全面阐述凸轮机构的新理论与新方法以及有关材料、制造技术问题。从满足实际需要还附有一些实用的图、表和设计实例。文献37在建立较为通用的解析公式和应用各种计算机辅助设计系统均有一定的新意。文献38提出了高速凸轮机构动态响应的区段（推程段或回程段）谐波分析法，得到更为准确的结果，并介绍了凸轮机构检测和反求。文献39较为简明地介绍了高速凸轮机构的基本概念和设计方法。此外，为进行凸轮廓线设计，不少论文用复数矢量法导出几种常用平面凸轮机构的轮廓参数计算式。用平面曲线啮合原理导出了适用于各类平面凸轮机构的凸轮轮廓参数通用计算公
8、式。凸轮机构的应用也引起了大家重视，除了在多工位自动机械中应用弧面凸轮分度机构和平面共轭凸轮机构，还在加工中心换刀机械手、凸轮式机械手等中得到应用。,4机构系统设计和机械产品概念设计方兴未艾,要进行机械产品的创新设计，仅仅依靠执行机构的类型综合和尺寸综合理论和方法是很难完成的。十多年来根据机械产品概念设计需要，大力开展了机构系统设计理论和方法的研究。开展了机械系统运动方案设计、概念设计的研究。根据机电一体化产品设计需要，开展了机电一体化系统的概念设计理论和方法研究。同时在计算机辅助概念设计方面取得了一定的进展。为机构学开辟了一个新的研究领域，也为机构学与机械产品创新设计紧密结合发挥重要作用奠定
9、一定的基础4048。文献41论述了机械产品概念设计的内涵和基本特性、概念设计的内容以及智能化概念设计的研究内容和研究方法。文献42阐明了机电一体化系统的内涵和特性，提出了以执行功能为核心的机电一体化系统的三个组成部分，以及机电一体化系统概念设计的框架、设计内容和方法。为机电一体化系统概念设计提供了初步的理论基础。,4机构系统设计和机械产品概念设计方兴未艾,为了实现计算机辅助机械运动方案设计，文献4346提出建立机械运动系统概念设计智能化平台的相关问题的解决方法。文献47提出了机械运动方案设计的状态空间方法, 为方案设计的知识表达提供了一种新方法。文献48提出了一种机械产品概念设计的基于设计规则
10、的自动化方法，该方法能自动获得概念设计的符号方案，是计算机自动生成创新方案的基础。有关机构系统概念设计和机构创新设计的专著也已有不少4956。文献4953论述了机构系统概念设计的基本原理和方法，对机械运动方案的创新设计有较大的指导意义。文献54论述了机构创新设计的方法学。文献55系统地介绍了机械创新设计的基础知识、基本原理和方法。文献56论述了机构创新的规律、途径和实用方法。,5. 深入开展机器人机构学及其工业应用研究,十多年来，机器人机构学的研究集中在并联机器人机构学、灵巧手操作过程、步行机器人以及并联机器人的工业应用等方面。上个世纪90年代，美国、俄罗斯等国学者将Stewart平台机构用于
11、虚轴机床上，开创了并联机器人研究的新局面。并联机器人机构的研究已成为机构学的研究热点之一。我国学者在这段时间也发表了不少研究论文和一本专著5768。文献57系统地阐述了6自由度并联机器人机构的结构分析、位置分析、运动动力分析、机构的运动性能以及并联机器人控制的研究进展，是目前最为深入、系统的并联机器人机构学的专著。文献5868论述了并联机器人机构的位置正解，提出了主螺旋分析，进行了操作空间分析和动力学研究，新型并联机器人机构的研究。同时还对少自由度机构的理论和新机型的研究有突破性进展。,5. 深入开展机器人机构学及其工业应用研究,文献6972提出了柔性机器人的正逆动力学模型，柔性冗余度机器人运
12、动规划的冗余位形以及两柔性机器人协调操作的动力学模型和逆动力学分析。文献7377研究了机器人手指机构抓持接触力、操作力和灵巧性等问题的分析，提出了一些算法。文献7881进行了四足、六足步行机器人机构类型、运动、灵活性、稳定性等分析。目前对有广泛应用前景的并联机器人的结构形式、运动学、动力学有了较深入的研究成果，随着人类社会的不断进步，人们对机器人和步行机的需求更加广泛，如各种农业机器人、深海作业机器人等，这些机器人商品化过程中所面临的各种问题将会推动机器人机构学的进一步深入研究。例如：各种类型的机器人机构、运动学、动态稳定性、考虑构件弹性和运动间隙的机器人机构动力学问题以及机器人控制等技术问题
13、均会更加深入的研究。,6. 大力进行可控机构的分析和综合的研究,广义来说，可控机构包括了可调机构、变输入机构和混合驱动机构。可调机构是调节杆长来实现给定的运动。变输入机构又可称为可编程输入机构，可以实现一定程度的柔性化输出。混合驱动机构是对多自由度机构中某一输入构件的电机进行伺服控制，其余输入构件的电机是常速电机而实现的柔性化轨迹输出或运动输出。文献8285研究了可调机构的设计方法、实验方法和应用。文献8687研究了凸轮机构和连杆机构的主动控制方法，通过控制伺服马达的驱动速度来改变机构的输出，使机构输出实现柔性化。文献8896研究了平面两自由度的混合驱动五杆机构和七杆机构的可动性、工作空间和奇
14、异性等，进行了运动规划和实验研究等，为平面两自由度混合驱动五杆机构和七杆机构的进一步研究奠定了理论基础。文献9798研究了混合驱动机构的创新设计方法，提出混合驱动机构的多种类型和对混合驱动机械系统建模理论进行探讨。,6. 大力进行可控机构的分析和综合的研究,可调机构的研究始于60年代初。长期以来，可调机构的研究大量集中于机构运动学方面的研究，即可调机构的轨迹综合、运动综合和函数综合，其运动综合方法已比较完善。但是对于可调机构的调节范围、可调的结构对机构的运动性能和动力性能的影响的研究有待进一步完善。变输入机构（即伺服输入机构）的研究近几年比较活跃。主要研究内容为通过计算机控制的伺服电机替代常速
15、电机驱动主动件以改善从动件运动特性。但伺服输入机构的系统设计方法以及伺服机构系统的机电耦合模型还有待深入。混合驱动机构的研究从90年代初兴起，以混合驱动两自由度的五杆机构、七杆机构为研究对象的居多。需要进一步研究的内容主要有：混合输入机构的型分类、柔性空间分析、运动学与动力学分析、机电耦合的模型、实现精确的轨迹、函数和运动的综合。总之，可控机构作为现代机构学的一个重要分支能很好地满足现代机械的可控、可调的要求。目前对可调机构、可编程控制机构、混合驱动的二自由度以及多自由度的可控机构的类型和设计方法研究日益受到机构学界的重视。而且不少研究成果已经用到各种各样的工作机械的设计中去，使工作机械达到性
16、能优良、输出柔性、机电融合的先进水平。可控机构的深入研究将会大大推动机械产品的输出柔性化和提高机械产品的工作性能，开辟了一条机械产品创新的新途径。,7. 努力开展机构与机械动力学研究,现代机械向高速、精密、轻型、重载、低噪声等方向发展，为了提高机械产品的动态性能、工作品质必须重视机构与机械动力学研究。这段时间内集中在弹性机构动力学、机构动力平衡、含间隙机构动力学和机器人机构动力学等方面的研究。文献99108就平面及空间弹性连杆机构的KED（Kineto-Elastic Dynamics）设计进行了研究，采用了优化方法和特性最优方法。对影响KED设计的关键因素及特性进行探索。提出了精度更高的动力
17、学模型。讨论了弹性机构的共振现象和稳定性。研究了机构的弹性振动及其控制问题。应该说这些工作为推动弹性机构动力学的发展做出了贡献。,7. 努力开展机构与机械动力学研究,文献109118研究了平面机构和空间机构震动力(Shaking Force)和震动力矩(Shaking Moment)完全和部分平衡理论和方法，最优平衡的方法等。还较为系统地研究了弹性机构的动力平衡问题，使机构动力平衡研究达到新的水平。文献119120建立了平面和空间机构含间隙运动副的动力学分析模型，提出了含间隙平面连杆机构运动副元素分离准则，讨论了考虑间隙的平面四杆机构稳定性分析。文献121126建立了考虑杆件和关节柔性的平面及
18、空间柔性机械臂动力学模型，研究柔性机器人的运动规划，用冗余特性解决柔性机器人的弹性振动问题。机械动力分析与综合是一个十分复杂的研究课题，必须更有针对性地联系实际对象，开展研究，解决实际问题。,8. 机械原理（机构学）课程改革卓有成效,机构学的不断发展，机械产品创新设计要求日益提高。对机械原理（机构学）课程的内容、体系、实践环节和教学方法都提出了更高要求。机械原理（机构学）的课程改革已在各高校取得显著成绩。表现在编写出面向21世纪的新教材，深入做好以机械运动方案创新设计为中心的机械原理课程设计，积极开出机构创新和综合试验的新实验项目。同时通过学生第二课堂开展机械创新设计竞赛，提高了学生的学习兴趣
19、和创新能力。文献127,128是全国统编教材，在稳定教学秩序，提高教学质量方面发挥了重要的作用。这两本书已分别出了第5版、第7版，使用范围很广。,8. 机械原理（机构学）课程改革卓有成效,文献129135是近年来编著的面向21世纪的新教材，其主要特色是加强机构设计、机构系统（机械运动方案）设计和机械动力学内容，介绍了一些新颖的机构，使学生开阔了视野，培养了创新思维和创新能力，掌握新的设计方法。文献51, 136138是具有明显特色的，有利于培养机械创新设计能力的课程设计手册和电算程序集，对提高学生实践能力作用显著。各校还编写了机械原理实验指导书，充实和更新实验设备，提高学生的实验能力。文献13
20、9142是研究生教材。目前各校招收的机构学方面的硕士生和博士生200多人，这些教材对提高研究生教学的质量起了十分重要的作用。,9. 机构学发展展望,(1) 现代机构的类型综合和设计方法将会不 断展开，逐步深入(2) 机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会得到深入研究(3) 微型机构和微动机构的开发和应用(4) 仿生机械的开发和应用(5) 机器人和步行机的研究和开发(6) 机械系统的动力特性及动态稳定性的提高 发展展望,(1) 现代机构的类型综合和设计方法将会不断展开，逐步深入 ：,将机构扩大为驱动元件与机构的集合体将会大大有利于机构的创新和机构运动控制的研究和应用。对驱动元件进行可编
21、程控制即可实现复杂多变的输出运动，使原来“刚性化”的输出发展成“柔性化”输出，从而使机构有了质的变化，有利于设计现代机械。现代机构已经在实际中得到应用，但对它的类型综合、运动学、动力学的研究才刚刚起步，有待深入。可以预期：现代机构学的深入研究和广泛应用，将会大大推动现代机器的创造和发明，促进机械工业的快速发展；,(2) 机电一体化系统概念设计理论和方法及计算机实现将会得到深入研究,可控机构等现代机构是机电一体化系统的核心组成部分，现代机构的研究将有助于机电一体化系统的概念设计达到一个新的高度，特别是机电一体化系统的创新方案的产生、创新方案的规范化表达及计算机识别、创新方案的自动化实现等概念设计
22、理论和方法将会有系统而深入的研究；机械系统的概念设计理论和方法虽然得到一定程度上的深入研究，但对机械系统自动化的设计的理论和方法及其辅助软件还有待进一步的研究和开发。,(3)微型机构和微动机构的开发和应用,纳米技术的深入研究和广泛应用将会引发一场新的科技革命，微机械技术的研究和开发是它的其中一个核心的内容。现代机构学为设计微机构开辟了有效的途径。微型机械的开发离不开各种各样微型机构及微动机构的应用及其设计理论和方法的深入研究。微机构的工作机理和受力分析已与传统的机构有了根本的区别，值得我们进一步探索。,(4) 仿生机械的开发和应用,仿生学是自然对人类的启示。生物的各种形态、特性、动作、能量变换
23、等都是值得人类去仿效、去研究的。仿生机构类型的深入研究，将会创造出形形色色的仿生机械，使现代机构学的应用更加广泛、更加有效。,(5) 机器人和步行机的研究和开发,机器人和步行机的研究和开发中相关的机构类型、工作空间、动力特性、动刚度以及控制技术和可控机构的匹配都是需要应用现代机构学的理论和方法去解决的。,(6) 机械系统的动力特性及动态稳定性的提高,现代机械向高速、高精度、高可控性方向发展，机械系统的动力学建模及其解法的研究、动力分析与综合的研究可以大大提高现代机械的设计水平和工作性能。,发展展望,现代机构学的形成及发展也得到了全世界机构学学者的共识。最近IFToMM公布的第三版名词术语中出现
24、机电一体化（Mechatronic）、微机电系统（MEMS）、仿生机构等等的名词都充分体现出现代机构学的发展势头。同时IFToMM的名称由International Federation For Theory of Mechanism and Machine改为International Federation For Promotion of Mechanism and Machine Science。这种改动，体现了机构学由原来的“理论”和“方法”发展为“科学”，是机构学的一种“深化”。提升了机构学的学术地位。也就大大激发了我国机构学学者的责任感和积极性。我们深信现代机构学在本世纪内一定会得
25、到迅速发展并逐步形成一个新的理论体系。,10. 结束语,十多年来我国机构学研究所取得的成绩是十分显著的。难怪不少国外机构学学者认为我国机构学理论研究水平已达到国际先进水平。同时他们也指出我国机构学在应用研究上与国际水平还有差距。我想这些比较客观的评价将会鞭策我们继续努力。为了使我国制造业从“制造大国”变成“制造强国”，只有加强技术创新才能加速完成这一进程，而现代机构学正是进行技术创新的重要的理论和方法，应该在高校和企业中提倡和重视现代机构学的研究。现在我国每两年一次的全国机构学学术研讨会在规模上、在水平上日益发展，并逐步走向国际化，相信我国的研究水平会愈来愈高。我国机构学的国际地位将得到进一步
26、的提高。,致谢,本文的撰写限于作者的水平，肯定会有不少疏漏，观点也不一定正确，但可起抛砖引玉的作用。为了撰写本文，国内不少教授提供了宝贵的资料和初步分析的意见。作者谨向陕西科技大学曹巨江教授、北京工业大学余跃庆教授、大连理工大学王德伦教授、重庆大学黄茂林教授、北京航空航天大学张玉茹教授等表示最衷心的感谢。如果本文有一定参考价值的话，他们是功不可没。,参考文献,邹慧君, 蓝兆辉, 王石刚等. 机构学研究现状、发展趋势和应用前景. 机械工程学报, 1999（5）:1-4.张启先, 张玉茹. 我国机械学研究的新进展与展望. 机械工程学报, 1996, 34（4）: 1-4.杨廷力. 机构学理论研究进
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