高等机构学 01
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《高等机构学》课件
机构组成与分类
机构组成
机构是由若干个构件通过一定的方式联接而成的，构件可以是杆、齿轮、轴承等。
机构组成的基本元素包括输入、输出和传动系统，其中传动系统是实现运动和力传 递的核心部分。
机构的运动形式包括平动、转动和复合运动，这些运动形式是由构件之间的相对运 动关系决定的。
机构分类
根据机构的结构特点，可以将机构分为简单机构和复杂机构，其中简单 机构包括连杆机构、齿轮机构等，复杂机构包括机器人、加工中心等。
旨在寻找满足特定性能要求的机构设计方案。
机构优化设计目标
02
提高机构性能、降低制造成本、优化结构参数等。
机构优化设计流程
03
建立数学模型、选择优化算法、进行优化计算、验证优化结果
。
机构优化设计方法
尺寸优化
通过调整机构中零部件的尺寸参数，以达到 优化性能的目的。
形状优化
改变机构中零部件的形状，以改善机构的运 动性能和受力情况。
随着技术的不断发展，其他新型机构的应 用领域将更加广泛，其结构形式和运动特 性也将不断优化。
THANKS
感谢观看
机构选型
机构选型需要考虑的因素包括工作原理、结构特点、材料、制造成本等。
在实际应用中，需要根据具体的工作要求和条件选择合适的机构类型，以 达到最佳的工作效果和经济性。
机构选型还需要考虑机构的可靠性和维护性，选择可靠性高、维护方便的 机构可以降低使用成本和维护成本。
03
机构运动学
机构运动学基本概念
使用计算机仿真技术，模 拟机构的动态行为。
通过微分几何和线性代数 的知识，分析机构中各点
的速度和加速度。
动态仿真与优化
通过优化算法，改进机构 的结构和参数，提高机构
机构组成
机构是由若干个构件通过一定的方式联接而成的，构件可以是杆、齿轮、轴承等。
机构组成的基本元素包括输入、输出和传动系统，其中传动系统是实现运动和力传 递的核心部分。
机构的运动形式包括平动、转动和复合运动，这些运动形式是由构件之间的相对运 动关系决定的。
机构分类
根据机构的结构特点，可以将机构分为简单机构和复杂机构，其中简单 机构包括连杆机构、齿轮机构等，复杂机构包括机器人、加工中心等。
旨在寻找满足特定性能要求的机构设计方案。
机构优化设计目标
02
提高机构性能、降低制造成本、优化结构参数等。
机构优化设计流程
03
建立数学模型、选择优化算法、进行优化计算、验证优化结果
。
机构优化设计方法
尺寸优化
通过调整机构中零部件的尺寸参数，以达到 优化性能的目的。
形状优化
改变机构中零部件的形状，以改善机构的运 动性能和受力情况。
随着技术的不断发展，其他新型机构的应 用领域将更加广泛，其结构形式和运动特 性也将不断优化。
THANKS
感谢观看
机构选型
机构选型需要考虑的因素包括工作原理、结构特点、材料、制造成本等。
在实际应用中，需要根据具体的工作要求和条件选择合适的机构类型，以 达到最佳的工作效果和经济性。
机构选型还需要考虑机构的可靠性和维护性，选择可靠性高、维护方便的 机构可以降低使用成本和维护成本。
03
机构运动学
机构运动学基本概念
使用计算机仿真技术，模 拟机构的动态行为。
通过微分几何和线性代数 的知识，分析机构中各点
的速度和加速度。
动态仿真与优化
通过优化算法，改进机构 的结构和参数，提高机构
高等机构学 02
• 该机构是由上平台m、下平台B 和3 个SPR 型驱动分支组成。m 和B 均 为正三角形，3 个SPR 分支分别联 接m 和B 端点ai 和Ai (i=1，2，3)， 以B 的中心O为原点建立静坐标系OXYZ{B}，以m中心o为原点建立动坐 标系o-xyz{m}。各坐标轴满足以下几
何关系：X//A1A3， Y⊥A1A3， Z⊥B， x//a1a3，y⊥a1a3, z⊥m。
Pi TPi P
其中，T为上平台的方向余弦矩阵，P为上平台坐标系原点在固定 参考系中的坐标。二者均为已知量。
则6个驱动器杆长矢量Li可以表示为：
Li Pi Bi
3-RPS并联角台机构位置分析
机构由定平台O-A1A2A3，动平台Da1a2a3以及三个对称的RPS分支构成。
机构的所有边长都为M 。(初始位 形下li=M。)
《高等机构学》
基于螺旋理论的自由度分析原理 空间机构的位置分析 运动影响系数原理 基于约束螺旋理论的并联机构型综合 空间机构的奇异分析 机构学的其他问题
空间机构位置分析
➢ 位置正解
已知输入参数求输出参数，即已知驱动器位置求解 动平台的位姿。
➢ 位置反解
已知输出参数求输入参数，即已知动平台位姿求解 驱动器的位置。
➢ 位置解
机构动平台有3个转动自由度， 三个独立参数可以确定机构的位 姿。
在进行反解时，动平台的姿态 是已知的。可用一个姿态矩阵描 述为：
r11 r12 r13
R
r2 1
r2 2
r2
3
(1)
r31 r32 r33
3-CS并联角台机构位置分析
➢ 位置解
三个球面副在动坐标系中的坐标为：
6M3
注意：串联机构位置正解易于处理，逆解相对困难;并 联机构位置正解处理困难，逆解相对容易，但一些 少自由度并联机构的逆解处理也相对困难。
何关系：X//A1A3， Y⊥A1A3， Z⊥B， x//a1a3，y⊥a1a3, z⊥m。
Pi TPi P
其中，T为上平台的方向余弦矩阵，P为上平台坐标系原点在固定 参考系中的坐标。二者均为已知量。
则6个驱动器杆长矢量Li可以表示为：
Li Pi Bi
3-RPS并联角台机构位置分析
机构由定平台O-A1A2A3，动平台Da1a2a3以及三个对称的RPS分支构成。
机构的所有边长都为M 。(初始位 形下li=M。)
《高等机构学》
基于螺旋理论的自由度分析原理 空间机构的位置分析 运动影响系数原理 基于约束螺旋理论的并联机构型综合 空间机构的奇异分析 机构学的其他问题
空间机构位置分析
➢ 位置正解
已知输入参数求输出参数，即已知驱动器位置求解 动平台的位姿。
➢ 位置反解
已知输出参数求输入参数，即已知动平台位姿求解 驱动器的位置。
➢ 位置解
机构动平台有3个转动自由度， 三个独立参数可以确定机构的位 姿。
在进行反解时，动平台的姿态 是已知的。可用一个姿态矩阵描 述为：
r11 r12 r13
R
r2 1
r2 2
r2
3
(1)
r31 r32 r33
3-CS并联角台机构位置分析
➢ 位置解
三个球面副在动坐标系中的坐标为：
6M3
注意：串联机构位置正解易于处理，逆解相对困难;并 联机构位置正解处理困难，逆解相对容易，但一些 少自由度并联机构的逆解处理也相对困难。
(00212727)高等机构学
研究生课程教学大纲课程编号：00212727课程名称：高等机构学英文名称：Advanced Kinematics and Dynamics of Mechanisms学时：40学分：2.5适用学科：机械设计及理论课程性质：选修课（作为必修课条件不成熟）先修课程：机械原理一、课程的性质及教学目标课程的性质：高等机构学是机械设计及理论学科研究生的主要学位课程之一，是在机械原理的基础上发展起来的，是机械原理课程内容的发展与深化。
其研究内容仍然是围绕机构的组成与结构、机构的运动分析与综合以及机械系统动力学等内容。
但在机构种类方面，已从平面低副机构扩展到空间低副机构，高副机构的基本理论远远超过机械原理内容。
教学目标：培养学生在机械原理课程的基础上继续深入研究机构结构、机构运动分析和机构综合。
通过学习，使学生能从平面机构的分析与综合扩展到空间机构的分析与综合；从转子惯性力的平衡扩展到机构惯性力的平衡；从刚性构件扩展到弹性构件；从单自由度机构扩展到多自由度机构；从简单的高副机构扩展到瞬心线高副机构和共轭曲线高副机构等。
学会以计算机为工具，以高等数学中的坐标变换与矩阵运算为主的解析法的研究问题方法。
二、课程的教学内容及基本要求机构的结构理论是高等机构学中的重要组成部分，也是对机构学的基础理论进行深入研究的内容。
主要掌握空间闭链机构和开链机构的组成原理，机构的自由度计算，图论的基本知识，机构的型综合和数综合。
该部分内容也是机构创新设计的重要途径。
机构的运动分析是研究机构工作性能的主要依据之一。
求解机构运动构件的运动轨迹，位移、速度、加速度是运动分析的目的。
掌握用坐标变换原理和矩阵方程为数学工具，把平面机构和空间机构运动分析的数学方法统一起来，节省建模时间。
低副机构的综合是机构学中主体部分。
掌握刚体导引机构的综合，轨迹发生机构的综合，函数发生机构的综合构成了连杆机构综合的三大内容。
按运动轨迹综合连杆机构是当代机构综合中发展较快的内容。
高等机构学 01 螺旋理论基础
S1(L1,M 1,N1) , S01(P 1,Q 1,R1) S2(L2,M 2,N2) , S02(P 2,Q 2,R2) 互矩还可以写成代数式
M m S 1S 0 2S 2S 0 1 L 1P 2M 1 Q 2N 1R 2P 1L 2 Q 1 M 2R 1N 2
互矩的几种表达形式 M ma 1a 2 1 2S 2S 1
A、B两点是两直线间公垂线的两个垂足
两直线的互矩
直线S2对S1线上垂足A 点的线矩 与 直线S1的点积，称为直线S2关于S1 的矩
a1a 212S2S1
同样，直线S1对直线S2上垂足B点的 线矩与直线S2的点积，称为直线S1 关于S2的矩
a1a 221S1S2 显然此两点积是相等的
a 1 a 1 2 2 S 2 S 1 a 1 a 2 2 1 S 1 S 2
这种满足正交条件的齐次坐标(S ; S0) 表示了直线在 空间的位置及方向，(S ; S0)称为直线的 Plücker 坐标。
直线的Plücker坐标
直线的 Plücker坐标(S ; S0)中的两个矢量S 和S0 都可以 用直角坐标系的三个分量表示，这样Plücker坐标的标量形式
即为 (L, M, N ; P, Q, R )，L、M、N是有向线段S的方向数，P、 Q、R是该线段S对原点的线矩在X、Y、Z 三轴的分量。
这六个量L、M、N、P、Q、R 之间存在关系式
L P M Q N R 0 （ S S 0 0 ） 所以六个分量中只有五个是独立的，在三维空间中就有 ∞5 条不同方向、位置和长度的有向线段。
直线的Plücker坐标
两个矢量S和S0决定了一条直线在 空间的方向和位置（对偶矢量）
空间的一条直线与一组对偶矢量 (S ; S0)有着一一对应的关系
M m S 1S 0 2S 2S 0 1 L 1P 2M 1 Q 2N 1R 2P 1L 2 Q 1 M 2R 1N 2
互矩的几种表达形式 M ma 1a 2 1 2S 2S 1
A、B两点是两直线间公垂线的两个垂足
两直线的互矩
直线S2对S1线上垂足A 点的线矩 与 直线S1的点积，称为直线S2关于S1 的矩
a1a 212S2S1
同样，直线S1对直线S2上垂足B点的 线矩与直线S2的点积，称为直线S1 关于S2的矩
a1a 221S1S2 显然此两点积是相等的
a 1 a 1 2 2 S 2 S 1 a 1 a 2 2 1 S 1 S 2
这种满足正交条件的齐次坐标(S ; S0) 表示了直线在 空间的位置及方向，(S ; S0)称为直线的 Plücker 坐标。
直线的Plücker坐标
直线的 Plücker坐标(S ; S0)中的两个矢量S 和S0 都可以 用直角坐标系的三个分量表示，这样Plücker坐标的标量形式
即为 (L, M, N ; P, Q, R )，L、M、N是有向线段S的方向数，P、 Q、R是该线段S对原点的线矩在X、Y、Z 三轴的分量。
这六个量L、M、N、P、Q、R 之间存在关系式
L P M Q N R 0 （ S S 0 0 ） 所以六个分量中只有五个是独立的，在三维空间中就有 ∞5 条不同方向、位置和长度的有向线段。
直线的Plücker坐标
两个矢量S和S0决定了一条直线在 空间的方向和位置（对偶矢量）
空间的一条直线与一组对偶矢量 (S ; S0)有着一一对应的关系
高等机构学-文档资料
平面五杆平行四边形机构自由度计算
AD分支的运动螺旋系：
$1 0 0 1; 0 0 0
$2 0 0 1; a2 b2 0 y
分支的约束螺旋系为：
x
$1r 0 0 0; 1 0 0
$2r 0 0 0; 0 1 0
$3r 0 0 1; 0 0 0
基于螺旋理论的自由度分析原理 ➢ 螺旋的基本概念 ➢ 螺旋表示运动和受力 ➢ 运动副的螺旋表示 ➢ 螺旋的相关性 ➢ 螺旋的相逆性 ➢ 基于螺旋理论的自由度计算
基本概念
直线的plücker坐标:
z
方向向量 S
位置向量 r
线矩S0= r×S
O
直线表示为(S; S0)，满足S·S0=0。
S
r
y
x
一般，对偶矢量中 S·S0≠0，(S; S0)表示一个一般的螺旋
$1 1 0 0; 0 0 0
$2 0 1 0; 0 0 0 $3 0 0 0; d3 0 f3
$4 0 1 0; d4 0 f4
$5 1 0 0; 0 e5 0
分支的约束螺旋系为：
$i5 $i 4
zi $i3 xi $i1
yi $i2
$ 1 r 000 ;001
为垂直于U副十字平面的约束力偶。
与已知螺旋系相逆的反螺旋
当螺旋系同时含有若干线矢量和偶量
1 与此螺旋系相逆的线矢量，必须与所有偶量相垂直且与所有线矢量相交
2
与此螺旋系相逆的偶量必须与螺旋系的所有线矢量垂直
基于螺旋理论的自由度分析原理 ➢ 螺旋的基本概念 ➢ 螺旋表示运动和受力 ➢ 运动副的螺旋表示 ➢ 螺旋的相关性 ➢ 螺旋的相逆性 ➢ 基于螺旋理论的自由度计算
$2 0;s2
第1讲 高等机构学的数学基础
1 n 2 残量均方根收敛准则 ： er f i xk n i 1
五、常微分方程组的数值解法
见《CAD课件》
坐标平移变换
坐标旋转变换 ⑴ 绕坐标轴的旋转变换 绕z轴的旋转变换 ri=[Rij]zrj
cos sin 0 sin cos 0 0 0 1
0 0 1 0 0 x j 0 y j 0 z j 1 1
u
2 u u u u u
2D空间： Pu 1 0 W u Pu 2 Pu Pu
0 1
0 uz u y u Pu u z 0 u x 3D空间： u y ux 0 2 ux 1 2 u x u y 2 u z u z u x u z 2 u y u y 2 2 2 u u 2 u u z W u x y uy 1 u y u z u x u x z 2 u x u z 2 u y u y u y u z 2 u x u x uz 1 2
u
Pu Pu cos Pu sin Qu
0 uz u y Pu u z 0 u x u y ux 0
2 u x u xu y u xu z Qu u x u y u 2 u y u z y 2 u x u z u y u z u z
螺旋运动：
③是一种螺旋运动。螺旋运动是描述刚体
运动的最简单的运动方式。
有限螺旋位移矩阵 若把刚体E扩大，使之与螺旋轴su 相交，交点为p1，表示刚体E1的标 线为p1q1。把螺旋轴仍记为u轴。
高等机构学第六章 高副机构的理论基础
第六章 高副机构的理论基础
§6-1 概述 高副机构分为两大类 ： 1、共轭曲线高副机构：靠接触点处的法向力传
递运动和动力，两高副之间运动是滚动兼滑 动。 2、瞬心线高副机构:靠接触点处的摩擦力传递 运动和动力，两高副之间运动是纯滚动。
瞬心线高副机构 （纯滚动）
共轭曲线高副机构 （滚动兼滑动）
共轭曲线高副机构可以进行高副低代
在满足向径周期变化变换的条件下，还必须满
足下列条件：
若主动瞬心线转动一周的时间为 T1 ，传动比
i12 变化一次的时间为T ,则二者之比必为整数
T1 T
n1
n1 为整数，为主动瞬心线封闭的条件。
若从动瞬心线转动一周的时间为 T2
传动比 i12 变化一次的时间仍为T
则二者之比也必须为整数。
T2 T
n2
n2 为整数，为从动瞬心线的封闭条件。
一对瞬心线都封闭的条件总结为： （1）主、从动瞬心线的周期之比为整数
T1 T2 T n1 n2
（2）传动比 i12 为周期函数
如果已知封闭瞬心线 s1
求解另一封闭瞬心线 s2 的过程如下：
主动瞬心线 s1 转过角度 2 / n1
s 从动瞬心线
相对机架4描绘的运动轨迹称为定瞬心线 s24
瞬心 p24 相对运动构件2描绘的运动轨迹称为
s 动瞬心线，如曲线 42
s s 瞬心线 24 42 构成了瞬心线机构，二者之间
作纯滚动运动 t
n P24
t
P’24
S42
S24
nC 2
B
3
1
A
4
D
二、瞬心线机构及其性质
在高副机构中，如果两曲线在其接触点处 的绝对速度处处相等，或者说两曲线的接触点 永远是两曲线构件的速度瞬心，称此类高副机 构为瞬心线机构。瞬心线机构在其接触点的运 动状态永远是纯滚动。
§6-1 概述 高副机构分为两大类 ： 1、共轭曲线高副机构：靠接触点处的法向力传
递运动和动力，两高副之间运动是滚动兼滑 动。 2、瞬心线高副机构:靠接触点处的摩擦力传递 运动和动力，两高副之间运动是纯滚动。
瞬心线高副机构 （纯滚动）
共轭曲线高副机构 （滚动兼滑动）
共轭曲线高副机构可以进行高副低代
在满足向径周期变化变换的条件下，还必须满
足下列条件：
若主动瞬心线转动一周的时间为 T1 ，传动比
i12 变化一次的时间为T ,则二者之比必为整数
T1 T
n1
n1 为整数，为主动瞬心线封闭的条件。
若从动瞬心线转动一周的时间为 T2
传动比 i12 变化一次的时间仍为T
则二者之比也必须为整数。
T2 T
n2
n2 为整数，为从动瞬心线的封闭条件。
一对瞬心线都封闭的条件总结为： （1）主、从动瞬心线的周期之比为整数
T1 T2 T n1 n2
（2）传动比 i12 为周期函数
如果已知封闭瞬心线 s1
求解另一封闭瞬心线 s2 的过程如下：
主动瞬心线 s1 转过角度 2 / n1
s 从动瞬心线
相对机架4描绘的运动轨迹称为定瞬心线 s24
瞬心 p24 相对运动构件2描绘的运动轨迹称为
s 动瞬心线，如曲线 42
s s 瞬心线 24 42 构成了瞬心线机构，二者之间
作纯滚动运动 t
n P24
t
P’24
S42
S24
nC 2
B
3
1
A
4
D
二、瞬心线机构及其性质
在高副机构中，如果两曲线在其接触点处 的绝对速度处处相等，或者说两曲线的接触点 永远是两曲线构件的速度瞬心，称此类高副机 构为瞬心线机构。瞬心线机构在其接触点的运 动状态永远是纯滚动。
高等机构学
读书报告阅读书目：高等机构学姓名：学号：指导老师：二〇一一年十一月高等机构学读书报告1.学科及图书概况1.1学科概述机构学是随着蒸气机的使用而形成和逐步发展起来的一门学科，已有一百多年的发展历史。
在当前世界性新技术革命的形势下，这一学科焕发了青春活力，发展极为迅速。
主要体现在以下一些方面：(1)由于新技术领域（如机器人、仿生机械）的发展，促使机构学迅速发展，并使机构学与其它学科融合而形成了一些新的分支。
(2)由于机械、仪器不断向高速、高精度，小型化发展，对其动力性能提出了愈来愈高的要求，因而研究机构的动力性能时，需要考虑机构中构件的变形、制造误差，运动间隙等的影响，促使机构的弹性动力学、振动、噪声和平街理论，机构的动力分析和综合等方面有了很大的发展。
(3)由于工业生产不断向机械化和自动化方向发展以及人们在日常生活中机械的应用也日渐广泛，要求提供适当的机构，以实现某些复杂，精巧的运动，因而推动机构综合方法的发展。
(4)由于电子计算机和一些新的数学工具的应用，使机构学的分析与设计方法大为改观。
当前机构的分析与综合方法其考虑问题的深度、复杂性，全面性和方法的有效性，在六十年代以前是难以想象的。
(5)由于机构学在生产和科学技术上的重要性，许多国家都很重视这一学科的发展，已经形成了较强的科研力量和一些研究中心。
迄今，已建立起世界性的机构学学术机构并创办了学术刊物。
在改革开放之后，我国机构学的研究恢复和发展较快。
当前每年有一次全国性的机构学学术会议，交流这一领域的研究成果。
此外，近年来我国不少从事机构学研究的同志在国内外发表了不少引人注目的研究成果。
在这样的形势下，机构学每年都有大量的论文、报告、专著发表。
从事机械设计，机械制造工作的工程技术人员以及从事教学和科研共作的广大科技工作者，为了能创造性地进行工作，都应该善于利用这些科研成果，使之转化为生产力，或者启迪自己的思维，在生产、教学和科研工作中进一步发展和创新。
高等机构学
构学是研 究机构、组织和 系统的科学
研究内容包括机 构设计、机构运 动、机构动力学 等
在机械、电子、 航空航天等领域 有广泛应用
对提高产品质量、 降低生产成本、 提高生产效率具 有重要作用
高等机构学的发展历程
起源与发展
起源：19世纪末 由德国学者提出
发展：20世纪初 逐渐形成体系
机构组成与分类
机构组成： 由多个构件 通过运动副 连接而成
运动副：连 接两个构件 允许相对运 动的部分
机构分类： 根据运动副 的类型和数 量进行分类
机构类型： 如铰链机构、 滑块机构、 齿轮机构等
机构特点： 每个机构都 有其独特的 运动特性和 功能
机构运动与动力
机构运动：机 构在运动过程 中各构件之间 的相对运动关
优化目标：提高机构性能降低成本提高生产效率 优化工具：包括计算机辅助设计（CD）、有限元分析（FE）、仿真 软件等
高等机构学的应用领域
机械工程领域
机械设计：利用 高等机构学原理 进行机械结构设 计
机械制造：利用 高等机构学原理 进行机械制造工 艺优化
机械控制：利用 高等机构学原理 进行机械控制系 统设计
生物力学与仿生学：研究如何将生物力学和仿生学应用于高等机构学以提高机构的生物 相容性和仿生性能。
纳米技术与微纳制造：研究如何将纳米技术与微纳制造应用于高等机构学以提高机构的 微型化和精密化。
绿色设计与可持续发展：研究如何将绿色设计与可持续发展应用于高等机构学以提高机 构的环保性和可持续性。
高等机构学的基本原理
查 尔 斯 ·达 尔 文 ： 提 出 了 “ 进 化 论”改变了人类对生物进化的 认识
托 马 斯 ·爱 迪 生 ： 发 明 了 电 灯 、 电话等众多发明推动了科技进 步
研究内容包括机 构设计、机构运 动、机构动力学 等
在机械、电子、 航空航天等领域 有广泛应用
对提高产品质量、 降低生产成本、 提高生产效率具 有重要作用
高等机构学的发展历程
起源与发展
起源：19世纪末 由德国学者提出
发展：20世纪初 逐渐形成体系
机构组成与分类
机构组成： 由多个构件 通过运动副 连接而成
运动副：连 接两个构件 允许相对运 动的部分
机构分类： 根据运动副 的类型和数 量进行分类
机构类型： 如铰链机构、 滑块机构、 齿轮机构等
机构特点： 每个机构都 有其独特的 运动特性和 功能
机构运动与动力
机构运动：机 构在运动过程 中各构件之间 的相对运动关
优化目标：提高机构性能降低成本提高生产效率 优化工具：包括计算机辅助设计（CD）、有限元分析（FE）、仿真 软件等
高等机构学的应用领域
机械工程领域
机械设计：利用 高等机构学原理 进行机械结构设 计
机械制造：利用 高等机构学原理 进行机械制造工 艺优化
机械控制：利用 高等机构学原理 进行机械控制系 统设计
生物力学与仿生学：研究如何将生物力学和仿生学应用于高等机构学以提高机构的生物 相容性和仿生性能。
纳米技术与微纳制造：研究如何将纳米技术与微纳制造应用于高等机构学以提高机构的 微型化和精密化。
绿色设计与可持续发展：研究如何将绿色设计与可持续发展应用于高等机构学以提高机 构的环保性和可持续性。
高等机构学的基本原理
查 尔 斯 ·达 尔 文 ： 提 出 了 “ 进 化 论”改变了人类对生物进化的 认识
托 马 斯 ·爱 迪 生 ： 发 明 了 电 灯 、 电话等众多发明推动了科技进 步
高等机构学第九章-机械平衡课件.ppt
写出四杆机构的封闭环方程及投影方程(坐标系 xA0 y )
L1 L2 L3 L4 0
l1 cos1 l2 cos2 l3 cos3 l4 cos4 0
l1 sin1 l2 sin2 l3 sin3 l4 sin4 0
若更改坐标系，使 x 轴通过 A0 A,相当于坐标系
xA0 y 转过 1 角，则上述投影方程为
M z
dH0 dt
d [ dt
mi (xsi ysi ysi xsi Ki2i )]
惯性力矩的平衡条件为 M Z 0
二、铰链四杆机构的惯性力矩
3
H0 mi (xsi ysi ysi xsi Ki2i )
i1
各构件质心处坐标分别为( A0 与坐标原点重合）
x1 r1 cos(1 1)
m1r1ei1
m10r10ei10
m1*r1*ei
* 1
m3r3ei 3
m30r30ei30
m3*r3*ei
* 3
代入到求解机构惯性力的平衡方程中：
整理后：
mi*ri*
(mi ri
)2
(mi0ri0 )2
2mi ri mi 0 ri 0
cos(i
i
0
)
tan i*
miri sin i miri cosi
r3 3 3
r4
S4
A
D
r1
r ei(11)
1
r2
l1ei1
r ei(2 2 ) 2
x
r3
l4ei4
r ei(3 3 ) 3
r2ei2 l2 r2 ' ei2 '
将其代入方程 MRs m j R j
MRs (m1r1ei1 m2l2 )ei1 m2r2ei2 ei2
《高等机构学》课件
课堂参与 小组项目 个人报告 期末考试
20% 30% 30% 20%
结语
通过学习《高等机构学》课程，你将掌握机构的运作和组织原则，为未来的职业发展打下坚实的基础。
学习资源
教科书
指定教科书提供了详细的机构学知识和案例研 究，帮助学生深入学习和理解。
学术期刊
通过阅读学术期刊，学生可以了解最新的机构 学研究和实践。
在线学习平台
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课程评估
《高等机构学》PPT课件
敬爱的同学们，欢迎大家参与今天的《高等机构学》PPT课件。在本课程中， 我们将深入探讨机构的运作和组织原则。
课程简介
通过本课程，学生将理解机构的定义、类型和重要性，以及机构对社会和组织的影响。
课程目标
1 学习机构理论
理解机构的核心理论和概 念，包括组织结构、权力 关系和组织文化。
2 分析机构中的问题
掌握分析机构中常见问题 的方法，如决策制定、冲 突解决和变革管理。
3 提升组织效能
学习提高机构效能的策略， 如领导力发展、团队建设 和绩效管理。
课程内容
组织结构
研究不同类型的组织结构，如功 能性、分工和矩阵结构，并了解 其特点和适用性。
团队合作
分析团队合作的关键要素，如协 作、沟通和有效决策，以提高组 织的协同效应。
组织绩效
探讨组织绩效的评估方法，包括 关键绩效指标的设定和绩效管理 的实施。
教学方法
1
讲座和案例分析
通过讲座和案例分析，让学生理解机构理论，并应用于实际场景中。
2
高等机构学第五章-3机构综合课件.ppt
设计一函数发生机构,
其中,0 x1.2
输入角度-90º 0º ，输出角度0º 90º 精确点n=4，输入构件转动副中心坐标为（0，0，1.5) 输出构件转动副中心坐标为（1，2.0，0). 选用RSSR机构实现。
A
Ua0（0，0，1.5)
z
o
y
x
Ub0（1，2，0)
B
B0
A0
解:
A
Ua0（0，0，1.5)
为四杆机构两个位置，
为机架。
将 刚化后，绕 转过 到达
使 与 重合， 原机构则演化为 为机架， 和 为 连杆的机构综合问题。
0
B
B
j
Aj
y
x
B0
A’j
A0
Bj
A1
B1
A’0
1j
1j
利用刚体导引设计方程去求解机构结构参数，即达到求解目的。求解时遇到的主要问题是，构件 运动到 时刚体位移矩阵的求法。
设函数 ，x的变化范围为x０≤x≤xn+1， y的变化范围为 y０≤y≤yn+1。而对应输入、输出构件之间的转角变化范围为
输入构件的转角 应对应函数的自变量x,输出构件转角ψ对应函数的因变量y。 与x ψ与y之间分别成比例关系。
j
i=1,2,…… n
i=1,2,……n
对应输入、输出构件之间的转角变化范围为:
可根据设计条件选定。
与 ， 与 的对应关系如下。
n为精确点总数，对铰链四杆机构，n≤5。
精确点的配置与数目
合理选择精确点数目与配置，有利于减少结构误差，一般采用chebychev spacing来确定精确点的数目与配置，chebychev误差多项式为：
其中,0 x1.2
输入角度-90º 0º ，输出角度0º 90º 精确点n=4，输入构件转动副中心坐标为（0，0，1.5) 输出构件转动副中心坐标为（1，2.0，0). 选用RSSR机构实现。
A
Ua0（0，0，1.5)
z
o
y
x
Ub0（1，2，0)
B
B0
A0
解:
A
Ua0（0，0，1.5)
为四杆机构两个位置，
为机架。
将 刚化后，绕 转过 到达
使 与 重合， 原机构则演化为 为机架， 和 为 连杆的机构综合问题。
0
B
B
j
Aj
y
x
B0
A’j
A0
Bj
A1
B1
A’0
1j
1j
利用刚体导引设计方程去求解机构结构参数，即达到求解目的。求解时遇到的主要问题是，构件 运动到 时刚体位移矩阵的求法。
设函数 ，x的变化范围为x０≤x≤xn+1， y的变化范围为 y０≤y≤yn+1。而对应输入、输出构件之间的转角变化范围为
输入构件的转角 应对应函数的自变量x,输出构件转角ψ对应函数的因变量y。 与x ψ与y之间分别成比例关系。
j
i=1,2,…… n
i=1,2,……n
对应输入、输出构件之间的转角变化范围为:
可根据设计条件选定。
与 ， 与 的对应关系如下。
n为精确点总数，对铰链四杆机构，n≤5。
精确点的配置与数目
合理选择精确点数目与配置，有利于减少结构误差，一般采用chebychev spacing来确定精确点的数目与配置，chebychev误差多项式为：
高等机构学第八章-仿生机构学课件.ppt
二 、飞行仿生机构 1、通常采用闭环机构而不是开环机构 2、仿生变异机构：飞机机翼的仿生
三、 爬行仿生机构
四 抓取仿生机构 抓取机构的仿生对象通常为人体上肢和人手。 1、 人体上肢的机构模型
gong
人体上肢的机构模型
2 、拟人手指的机构模型
由平面六杆机构组成 R1、R2、R3分别 表示了手指的第一、 二、三指节 R1为主动杆。
1．电子仿生： 模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细
胞内和细胞间通信、动物间通信等 研制人工神经元电子模型和神经网络、高
级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及 模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等。
2．控制仿生： 模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向 与导航等; 研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、 蜜蜂等生物的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动 物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等。
前腿
前
腿
与
后腿后腿弯曲差别
头
人类模仿四足走行
臂
腿
手
脚
人类模仿四足走行动作，臂和腿的弯曲角度 与动物正好相反
3 、多足走行动作的运动机理与分析 4足步行动作的运动机理与分析 猫科、犬科、食草类等大量动物都是4足动物
6 足步行动作的运动机理与分析 蚂蚁、蟑螂、蝗虫等昆虫为6足步行生物 8 足步行动作的运动机理与分析 螃蟹、蜘蛛等 多足步行动作的运动机理与分析 蜈蚣、菜青虫等
4、把动物肌体机构化 5、从动物的运动状态分析其能产生特定运动 的条件，为设计新机构服务。 6、在满足运动特征的同时，注意强度与刚度 问题
完
3 仿生机械手的机构模型 仿生机械手为具有类似人类手的机能
五指夹持
三指夹持
四指夹持
高等教育机构组织架构
高等教育机构组织架构一、引言高等教育机构作为培养人才和推动社会发展的重要组成部分，其组织架构的设计和运行方式对于机构的发展和运作具有至关重要的作用。
本文将探讨高等教育机构的组织架构，以及该架构的关键要素和运作机制。
二、高等教育机构组织架构的基本要素1. 高层领导层高等教育机构的组织架构中，高层领导层是最核心的部分。
他们负责决策制定、战略规划和机构发展的整体方向。
高层领导层包括董事会、董事长和校长等。
他们的职责是确保机构的目标、使命和价值观得以实现，并为机构提供明确的指导。
2. 组织部门高等教育机构的组织部门是机构中的关键要素之一。
这些部门负责具体的日常运营和管理。
常见的组织部门包括行政部门、教务部门、财务部门、人力资源和招生部门等。
每个部门都有自己的职责和权责范围，共同协作以确保机构的正常运行。
3. 学院/学部学院/学部是高等教育机构的基本单位。
学院通常按照学科领域进行划分，如工学院、文学院等。
每个学院/学部都有自己的院长和教职员工，并负责教学和学术研究的组织和管理。
学院/学部在高等教育机构中发挥着重要的作用，是教学和学术工作的主要场所。
4. 专业/课程高等教育机构的组织架构还包括专业/课程层面的设置。
每个学院/学部下面通常会设立不同的专业或课程，以满足学生的学习需求和市场需求。
专业/课程的组织和管理是高等教育机构教学工作的关键环节。
三、高等教育机构组织架构的运作机制1. 决策与沟通高等教育机构组织架构中的各个部门和层级之间需要进行高效的决策和沟通。
例如，高层领导层与行政部门之间需要保持紧密联系，以确保决策顺利实施。
各个学院/学部之间也需要进行沟通和协作，以促进教学和学术工作的发展。
2. 协调与合作高等教育机构的组织架构需要各个部门和层级之间的协调和合作。
例如，教务部门需要与各个学院/学部合作，确保课程设置、教学质量等方面的协调一致。
各个部门之间需要相互配合，共同推动机构的发展和进步。
3. 监督与评估高等教育机构组织架构中的各个层级需要相互监督和评估。
《高等机构学》PPT课件
U1x
A
CS1x DS1y E B 2 A
CS1y DS1x F
U1y
A
CS1y DS1x F B 2 A
CS1x DS1y E
U1x 3.182;U1y 4.436
u U1x2 U1y2 (3.182)2 (4.436)2 5.46
arcsin U1y arcsin 4..436 125.7
高等机构学
学号： 主讲：
2、挡风玻璃刮水器
自由度的计算
•
M 3(L 1) 2J1 J2 L6 J1 7 M 3 (6 1) 2 7 1
（e） 折叠椅
L=4; J1=2; M=3(4-1)-2*4=1
折叠椅的结构简图
折叠椅的实物图
（m）可折叠的汽车收音机天线
L=4; J1=3; M=3(4-1)-2*3=3 可折叠的汽车收音机天线的结构简图 可折叠的汽车收音机天线的实
3
d3
dt
d 23
dt 2
故可得
AP
A Pt
A
n P
0 AP *3 je j(331o ) L222 je j2 AP *32 je j(331o )
AP *3[-sin(3 31o ) jcos(3 31o )]
L222[cos2 jsin2 ] AP *32[cos(3 31o ) jsin(3 31o )]
感谢下 载
W1x
A
CZ1x DZ1y E B 2 A
CZ1y DZ1x F
W1y
A
CZ1y DZ1x F B 2 A
CZ1x DZ1y E
W1x 1.468;W1y 3.362
w W1x2 W1y2 (1.468)2 (3.362)2 3.67
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螺旋相逆性
约束螺旋为约束力线矢
$2 s2 ; r2 s2
对于分支中的转动副， $1是一个线矢量，即
$1 s1 ; s10 s1 ; r1 s1
螺旋相逆性
约束螺旋为约束力线矢
根据前面的互易积公式，有
$1 $2 s1 r2 s2 s2 r1 s1 r2 r1 s2 s1 d12 sin 12 0
即力偶大小与自由矢量之积。
力螺旋可看作力线矢与共线的力偶的合成
基于螺旋理论的自由度分析原理
螺旋的基本概念 螺旋表示运动和受力 运动副的螺旋表示 螺旋的相关性
螺旋的相逆性
基于螺旋理论的自由度计算
运动副的螺旋表示
转动副 移动副 球副
$1 1 0 0 ; 0 0 0
机构的阶 + 公共约束数 = 6
3-RPS机构自由度计算
3-RPS机构自由度计算
$5
分支的运动螺旋系：
$4
0
$3
e
f
$r $2
z O
$1 1 $2 0 $3 1 $4 0 $ 0 5
r
0 0; 0 0 0 0 0; 0 e 0 0; 0 1 0; f f f e 0 0
U
$i 5 $i 4
分支的约束螺旋系为：
$1r 0 0 0; 0 1 0
$i 3 zi $i1 yi $i 2 xi
为沿y轴方向的约束力偶。
U oi
4-URU机构自由度计算
4个共面不平行约束力偶，没有公共约束,且只有两 个独立，因此存在两个冗余约束。由修正的G-K公式计算 可得
YSU
《高等空间机构学》
李永泉
燕山大学机械工程学院 2015年11月
本门课程的主要学习内容
基于螺旋理论的自由度分析原理 空间机构的位置分析 运动影响系数原理
基于约束螺旋理论的并联机构型综合
空间机构的奇异分析
机构学的其他问题
基于螺旋理论的自由度分析原理
螺旋的基本概念 螺旋表示运动和受力 运动副的螺旋表示 螺旋的相关性
此式子成立的条件是
12 =90
可知：约束力偶（反螺旋）与转动副 垂直
螺旋相逆性
约束螺旋为约束力偶
对于分支中的移动副， $1是一个偶量，即
$1 0; s1
根据前面的互易积公式，有
$1 $2 0 s2 0 s1 0
可知：约束力偶（反螺旋）与移动副轴线 始终互逆。
线矢和偶量在不同几何条件下的最大线性无关数
序号 1 2 几何特点 共轴 共面平行 图示 线矢h=0 1 2 偶量h=∞ 1 1
3
平面汇交
2
2
4
空间平行
3
1
5
共面
3
2
序号
6
几何特点
空间共点
图示
线矢h=0
3
偶量h=∞
3
7
单页双曲面上不相交的直线
3
-
8
（a）有公共交线，交角为直角； （b）有公共交线，且交角为一定； （c）有一条公共交线； （d）有两条公共交线； （e）有三条公共交线； 平行平面，且无公垂线
此式子成立的条件是
d12 0 或 12 =0
可知：约束力与转动副轴线 共面（相交或平行）
螺旋相逆性
约束螺旋为约束力线矢
对于分支中的移动副， $1是一个偶量，即
$1 0; s1
根据前面的互易积公式，有
$1 $2 s1 s2 cos 12 0
此式子成立的条件是
$ir1 0 0 0; 0 1 0 $ir2 0 0 0; 0 0 1 (i 1,2,3)
3-RRC机构自由度计算 考虑公共约束
可以看出三个分支有相同的（竖直方向）力偶 r $ 分量 i 2，即机构存在一个公共约束。共面不汇交 的三个约束力偶 $ir1又对应一个并联冗余约束。
0 1; e 0 0
$1
y
约束螺旋系为：
x
$ 1 0 0; 0
f
-e
3-RPS机构自由度计算
$1r
r $3 r $2
对于这个 3-RPS 整体机构， 3 个相同分支 有3个类似的约束力，都过各自分支球副 中心并与第一个转动副平行。作用于上 平台的 3 个约束力就约束了平台的 3 个自 由度，限制了包括动平面内的两个移动 和绕动平面法线的相对转动。没有公共 约束
v t k
4-URU机构自由度计算
URU分支的运动螺旋系：
$1 0 0 1 0 0 0 $3 1 0 0; 0 e3 $4 1 0 0; 0 e4 $5 0 0 1; d5 $2 1 0 0; 0 0 0 f3 f4
X1 Z1 Y1
0 0
R
$ir1
$ S ; S0 hS S S0 hS ; h h
基于螺旋理论的自由度分析原理
螺旋的基本概念 螺旋表示运动和受力 运动副的螺旋表示 螺旋的相关性
螺旋的相逆性
基于螺旋理论的自由度计算
螺旋表示运动
•用角速度的线矢量表示转动: 与转轴重合的单位线矢量 $=(S;S0) O 转动运动的plücker坐标为 w$= w( S;S0) = (w;v0)
由修正的G-K公式计算可得：
M d n g 1 fi v 5 8 9 1 12 1 3
i 1
g
冗余约束
对于许多复杂的多环并联机构,除了需要考虑构成公共约 束的过约束外,还有一些过约束是在多个分支构成多环并联 时候发生的,这里称之为”冗余约束”。 求法：当除去公共约束后，其余的 t 个约束构成一个 k 系 螺旋，如果 k t 则存在冗余约束，冗余约束
机构的公共约束
机构的公共约束：
与机构中的每个运动螺旋都相逆的约束螺旋称为 机构的公共约束。存在公共约束则意味着机构中任何 一个构件都不能发生这个运动。
并联机构的公共约束：
各分支都能提供同样的约束（约束力应共轴，约 束力偶应同向）。
机构的阶
机构的阶：
机构运动螺旋系的阶
两线矢相逆的充要条件是它们共面
两个偶量必相逆
线矢与偶量仅当垂直时才相逆
线矢和偶量皆自逆
与已知螺旋系相逆的反螺旋
当螺旋系同时含有若干线矢量和偶量
1 2
与此螺旋系相逆的线矢量，必须与所有偶量相垂直且与所有线矢量相交 与此螺旋系相逆的偶量必须与螺旋系的所有线矢量垂直
基于螺旋理论的自由度分析原理
$1 0 1 0 ; 0 0 0
$5 0 0 0 ;10 0
$2 0 1 0 ; 0 0 0 $3 0 0 1 ; 0 0 0
基于螺旋理论的自由度分析原理
螺旋的基本概念 螺旋表示运动和受力 运动副的螺旋表示 螺旋的相关性
螺旋的相逆性
4 4 5 4 3 5
-
9
10
无公共交线，空间交错
5
-
序号
11
几何特点
三维空间任意情况
图示
线矢h=0
6
偶量h=∞
3
12
两平行线矢和一法向偶量
2
13
平面3线矢和一法向偶量
3
14
空间平行3线矢及一个 相垂直的偶量
3
基于螺旋理论的自由度分析原理
螺旋的基本概念 螺旋表示运动和受力 运动副的螺旋表示 螺旋的相关性
螺旋的相逆性
基于螺旋理论的自由度计算
基于螺旋理论的自由度分析原理
螺旋的基本概念 螺旋表示运动和受力 运动副的螺旋表示 螺旋的相关性
螺旋的相逆性
基于螺旋理论的自由度计算
基本概念
直线的plücker坐标:
方向向量 S 位置向量 r 线矩S0= r×S
z r O x
螺旋的相逆性
基于螺旋理论的自由度计算
螺旋相逆性
分支中的某个运动螺旋$1和分支的约束螺旋$2互逆， 其互易积为零
$1 $2 s1 ; s s2 ; s
0 1
0 2
s s
1
0 2
s2 s 0
0 1
物理意义：互易积为零的两个螺旋，一个表示物体运动，一 个表示物体受到的约束力，则互易积就是力螺旋对运动螺旋 所作的瞬时功，如两个螺旋的互易积为零，则表示约束螺旋 在运动螺旋方向上没有瞬时功。
即角速度的大小与一个表示转轴作用线的单位线 矢之积。
z
y
w S
x
螺旋表示运动
•用偶量表示移动 刚体移动可以看作是绕距原点无限远处轴 线的瞬时转动，转轴可用一个偶量表示为 z $=(0;S) 移动运动的plücker坐标： v v$= v( 0;S) = (0;v) O
y
S
即线速度的大小与偶量$之积。 x 移动运动的方向矢量空间任意平移，并不改变刚体 的运动状态，( 0;S)为一个自由矢量。
$4 0 0 0; 1 0 0
分支的约束螺旋系为：
$1r 0 0 0; 0 1 0
r $2 0 0 0; 0 0 1
为分别沿y和z轴方向的两个约束力偶。
3-RRC机构自由度计算 考虑公共约束
建立同样的分支坐标系分析可知，三个分 支的约束螺旋系均为分别沿y和z轴方向的两个 约束力偶。
S ; S 0 S ; (S 0 hS ) hS
0 S S 0 0 S ( S hS ) S S SS 0 SS
•令S0=S0-hS于是一般螺旋可以表示为