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。

1.2图书简介1.2.1作者简介张春林，男，1945年8月出生，北京理工大学机械与车辆工程学院教授，博士生导师，机械设计及理论学科学术带头人。

教育部机械基础课程教学指导委员会委员，全国机械原理教学研究会委员，北京机械原理研究会理事长；中国机械工业教育协会高等学校机电类学科教学委员会委员。

长期从事机械设计及理论学科的教学与科研工作，为本科生讲授“机械原理、机械创新设计、机械工程概论”等课程；为硕士研究生讲授“高等机构学、现代设计方法”等课程；为博士研究生讲授“机械学的新进展、运动生物力学”等课程，指导硕士研究生和博士研究生多名。

主编“机械创新设计、机械工程概论、机械原理、高等机构学”等教材。

主持或参加教育部、北京市、北京理工大学的教学改革立项课题多项，并二次获得北京市优秀教学成果二等奖。

主持或参加国防科工委、总装备部以及其它各类科研课题多项，目前，主要从事航天领域中的冲击与振动环境下的人体生物力学研究和机构创新设计及其在军事装备中的应用研究。

此外，在国内外学术刊物或学术会议上发表论文90多篇，多篇被EI收录；并获国家实用新型专利多项。

研究方向：机构学与机器人机械学，机械系统运动学与动力学，生物力学；社会兼职：教育部机械基础课程教学指导委员会委员，机械工业协会机电专业教学指导委员会委员；北京机械原理研究会理事长。

2.全书简介：本书共分为十一个章节，第一章主要介绍机构学的发展现状、动向及高等机构学研究的主要内容；第二章介绍了机构学中的常用数学基础知识；第三章介绍机构的结构原理、空间机构及其开链机构自由度的计算和机构的型综合；第四章介绍了平面机构与空间机构的运动分析方法；第五章为机构综合内容，分别讲述了刚体导引机构、轨迹发生机构和函数发生机构的综合；第六章介绍了平面高副机构的基本理论和基本知识；第七章介绍了机器人机构的基本知识；第八章介绍了仿生机构的基本知识；第九、十、十一章为机构动力学内容。

本次读书报告主要是学习前七章内容。

2.1第一章绪论这种主要介绍了机构学的发展现状与动向、机构学的基本理论与方法在现代科学技术中的应用、高等机构学研究的主要内容，明确高等机构学在机械工程专业研究生培养过程中的重要性。

高等机构学是研究和探讨机构设计理论与设计方法的专门科学，富有创造性和设计性，因而是机械设计及理论学科中的重要支撑学科。

机械设计及理论是研究机械科学中具有共性的基础理论和设计方法的学科，原名为机械学学科。

高等机构学与机械设计及理论的形成与发展密切相关。

机构学的发展主要体现在研究方法和研究内容两大领域。

解析方法及计算机算法语言的结合促进了机构学研究方法的进步，航空、航天、微型机械以及各领域等高新技术的发展促进了机构学研究内容的不断拓展。

机构学的许多理论与方法日渐成熟，如机构结构理论，低副机构综合理论，高副机构理论等机构学的经典内容均已成熟。

机构学的发展促进了相关领域的科学技术的发展，科学技术的飞速发展也促进了机构学的发展，这导致了机构学不断向前发展。

1．机构数学的研究机构学的研究方向由几何法向解析法的转换发展很快，利用图论研究机构的数综合，利用矢量法研究机构的分析与综合，利用矩阵变换进行求解，利用数值积分进行机械盈亏功的计算等大量数学手段进入机构学，机构数学正在飞快发展。

2．机械创新设计的理论与方法的研究3．机构动力学机构动力学的研究范围很宽，机构在高速运转中，由于外力的作用，其运动状态和工作状态会发生很大的变化，如弹性变形、运动副的间隙会影响其运动精度；外载荷的变化会影响原动件的运动规律等。

4．新型机构的研究新机构的诞生对社会的发展有极大的促进作用。

Watt机构、Stephenson机构对机构学的发展有巨大的推动作用。

2.2第二章高等机构学的数学基础机构学的研究方法主要有几何法和解析法，但随着机构学的发展和电子计算机应用的日益广泛，解析法在机构运动分析、动力分析和机构综合领域的解析法变的日益突出，并发挥了巨大作用。

利用图论研究机构的数综合，利用矢量法研究机构的分析与综合，利用矩阵变换进行求解，利用数值积分进行机械盈亏功的计算等大量数学手段进入机构学，机构数学正在飞快发展。

解析法的根本内容是建立数学模型并求解的过程。

现代机构学的内容从头到尾都贯穿着数学。

在机构学领域常用到的数学内容有：(1) 在机构结构的综合内容中，经常用到图论的基本知识和排列组合的基本概念。

(2) 在机构的运动分析、受力分析、机构综合内容中，经常涉及到矢量运算，矩阵运算，坐标变换等内容。

或者说，矩阵变换与运算贯穿在机构学的全部过程中，因此，矩阵是机构数学中最基本、最重要的运算工具，经常用到的包括刚体位移矩阵、旋转矩阵。

(3) 在机构运动分析和机构综合过程中，经常遇到非线性方程组，如运动分析中机构的位移方程、机构综合过程中联立求解位移矩阵和定杆长约束方程的表达式。

求解非线形方程组的方法按求解过程和结果分类有：准确解法、数值迭代法、消元解法、渐进解法。

(4) 在研究机构的动力学内容时，数值积分，常微分方程的数值求解法也是最基本的数学工具。

当然，在进行数学建模和求解过程中，还经常用到偏微分、积分、求导数、解析几何等常规数学运算。

2.2.1 矢量与其运算机构学中的位置、位移、速度、加速度、力和力矩等物理量，都可以用矢量表示，而矢量又与矩阵拥有相同的表达效果，故二者可以相互表示。

如：设矢量A=，，，B=，，则矢量A与矢量B的点积为A B=axbx+ayby+azbz矢量A和B也可以分别用矩阵表示A=，，B=，，两矢量的点积可用矩阵运算来表达，如：A B= ，同时有A A=矢量还可以做叉积，如A B=，其结果仍然是一个矢量。

矢量的常用运算如下：①A B=0 说明矢量A垂直B矢量②A B=0说明矢量A平行B矢量③矢量还可以求微分：设有一矢量R，R=r，r为矢量R的模，为单位矢量。

=，为矢量R的方向变化率。

矢量经常用复数表示，如，其中r为矢量R的模，为幅角，表示矢量的方向。

2.2.2常用坐标变换在二维空间中，可用x，y两个分量表示一个点的位置，在三维空间中，可用x，y，z三个分量表示一个点的位置。

当用n+1个分量表示n维空间的点的位置时，称为齐次坐标表示法。

齐次坐标在研究连杆曲线方法中有很多应用，它的变换主要分为平移变换和旋转变换。

①坐标平移变换设刚体在图1-1所示坐标系Oxyz中，由位置P1移动到位置P，则其变换矩阵如下。

P=写成分量形式=、、为沿坐标轴的移动量。

在二维空间的平移矩阵D可写为：D=，它是矩阵的左乘形式。

②坐标旋转变换旋转变换包括绕各坐标轴的旋转和绕任意轴的旋转。

i、绕坐标轴的旋转变化（以z轴为例）。

坐标系Oxiyizi绕zi轴逆时针转过角，到达Oxjyjzj位置，如下图所示。

ri==式中ri及rj为同一点p在坐标系Oxiyizi和新坐标系Oxjyjzj中的坐标列阵。

ii、绕空间任意轴u的旋转变换。

图1-3中，设u轴上单位向量为u，在x，y，z三个轴上的投影ux、uy、uz为三个方向余弦。

绕u轴转过角的过程可按下述变换来实现：a、u轴绕y轴顺时针转过-β，到达u’位置。

b、u’轴绕x轴逆时针转过γ角，到达u’’位置，u’’与z重合。

c、u’’轴绕z轴逆时针转过φ角。

d、u’’轴绕x轴顺时针转过-γ角，返回u’位置。

e、u’轴绕y轴逆时针转回β角，返回u原位。

坐标系旋转变换一个周期，完成了绕u 轴的转动。

旋转矩阵的变换过程可写成如下矩阵形式：式中 为绕y 轴转过-β角的旋转矩阵；为绕x 轴转过γ角的旋转矩阵； 为绕z 轴转过φ角的旋转矩阵； 为绕x 轴转过-γ角的旋转矩阵； 为绕γ轴转过β角的旋转矩阵； 为绕u 轴转过φ角的旋转矩阵。

③空间不共原点的坐标变换它是指坐标系的移动和旋转变换的合成结果。

设坐标系σi 原点为Oi ，σj 的原点为Oj ，p 点在σi 中向量为ri ，在σj 中向量rj ，坐标变换如下：r i =2.2.3常用矩阵运算①平面刚体位移矩阵平面刚体位移矩阵的左上角为旋转矩阵，右上角分别为沿x 轴和y 轴的位移。

可写成[]⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡∆∆=100y cos sin x sin -cos θθθθD如果刚体位移矩阵式3x3阶矩阵，为方便起见还可简化为[][][]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=100p -p 1θθR R D ②空间刚体位移矩阵[][][]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1000p -p 1u u ϕϕϕR R D写成齐次坐标为[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡111u Q D Q ϕ ③角速度矩阵[W][][]u x y x zy z p u u u u u u W ∙∙=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡---=ϕϕ000 2.3 第三章 机构的结构理论这部分主要介绍机构的组成理论，空间开链与空间闭链机构的自由度计算方法，平面机构的结构分析，以及运动链的类型综合等机构是表示及其组成情况和运动特征的数学模型。