机构的简史和未来发展趋势

机构的简史和未来发展趋势摘要:进入21世纪，机构学的研究也迎来了崭新的一页，本文简单阐述了现代机构学在传统机构学基础上进一步发展的历程和这一过程中所取得的一些阶段性成就，对比国内外在近十几年的研究成果，着重论述在仿生机器人方面所取得的成就，指出现代机构学当前的优异前景。

关键词：机构学，进展，前景，简史1 机构学的发展历史机构学（theory of mechanisms）是机械设计及理论二级学科的重要分支，是研究机构的结构原理、运动学和动力学的一门学科，包括机构的分析与综合两个方面。

作为机械工程学科下的二级学科，机构学是机械设计理论中不可替代的基础研究内容。

人类从石器时代进入青铜时代，再进而到铁器时代，用以吹旺炉火的鼓风器的发展起了重要作用。

有足够强大的鼓风器，才能使冶金炉获得足够高的炉温，才能从矿石中炼得金属。

在中国，公元前1000～前900年就已有了冶铸用的鼓风器，并渐从人力鼓风发展到畜力和水力鼓风。

早在公元前，中国已在指南车上应用复杂的齿轮系统，在被中香炉中应用了能永保水平位置的十字转架等机件。

古希腊已有圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆传动的记载。

但是，关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系和齿形曲线的选择，直到17世纪之后方有理论阐述。

手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱，在各文明古国都有悠久历史，但是曲柄连杆机构的形式、运动和动力的确切分析和综合，则是近代机构学的成就。

18世纪下半叶第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，机构学在原来的机械力学基础上发展成为一门独立的学科，通过对机械的结构学、运动学和动力学的研究形成了机构学独立的体系和独特的研究内容，对于18至19世纪产生的纺织机械、蒸汽机及内燃机等的结构和性能的完善起了很大的推动作用，这样传统机构学就形成了一个完整的体系。

这时的机器的定义是由原动机、传动机和工作机组成。

相应地把机构看作是由刚性构件组成具有确定运动的运动链。

而且一般情况下，除了不考虑构件弹性外，还假定运动副无间隙。

在在输入运动一定时其它构件作确定的相对运动。

这种传统的机构学一直延续到20 世纪60 年代。

20 世纪70 年代日本首先提出了机械电子学新概念。

他们认为机电一体化仍是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统。

与此同时，美国ASME 则认为由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量源等多动力学任务的机械和机电部件相互联系的系统。

由此可见，现代机械的主要特征是计算机协调和控制，现代机械概念的形成是机构学发展的一个新的里程碑，使传统的机构学逐步发展成现代机构学。

2 现代机构学的改变可以说现代机构学的概念大大不同于传统的机构学，已发生了广泛、深刻和质的变化，具体体现在：（1）现代机器的工作机理、结构组成、设计思维方式已大大不同于传统的机器。

这就促使机构学研究机器新的工作原理、结构组成、新型机构以及新的设计理论和方法。

（2）要求对机械系统进行动力学分析、精度分析、效能分析、稳定性分析及健壮性分析，并解决相应的设计方法。

（3）高速的机械更新速度要求更高效快捷的机构概念设计方法及其智能实现技术，以实现机构及其系统设计的智能化、自动化和快速化。

（4）呈现机械技术与微电子学、计算机科学、控制技术、信息科学、生物科学、材料科学、人文科学以及社会科学等多学科的交叉、融汇和综合，促进了机构学许多新分支的出现，例如广义机构学，运动弹性动力学、机器人结构学、微型机构学、仿生机构学等。

（5）现代机构学在广义的机构类型综合及类型优选、执行机构以及机械系统创新和评价等方面研究方面需要做出更多的工作。

1从传统机构学到现代机构学，一方面从简单的运动分析与综合向复杂的运动分析与综合方面发展，另一方面也由机构运动学想机构动力分析与综合方向发展，研究机构系统的合理组成的方法及其判据，分析研究机器在传递运动、力和做功过程中出现的各种问题。

机构精度问题也相应地由静态分析走向动态分析。

机构连接件的间隙在高速运转时有不容忽视的影响，因而需要1邹慧君,田永利,郭为忠.现代机构学的形成、基本内容和应用前景研究机构间间隙、摩擦、润滑与冲击引起的机构变形、稳态与非稳态下的动态响应和过渡过程问题。

在惯性力作用下，由于机构上刚度薄弱环节的弹性变形，由此研究以振动理论为分析手段和方法而形成的运动弹性动力学问题，以及视整个机构系统为柔体的多柔体系统动力学和逆动力学分析、综合及控制问题。

23 国内外机构学进展近年来，随着电子计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计在机构学发展也产生了非常重要的影响，各国机构学专家通过计算机辅助设计把机构设计理论、方法和参数选取等设计者的智慧融入到计算机系统所具有的强大逻辑推理、分析判断、数据处理、运算速度、二维、三维图形显示等功能中去，形成了一种全新的现代机构设计理念和手段。

国外已创立多种平面和空间机构运动学和动力学分析与综合的通用程序库和软件包，例如：DRAM（可用于平面机构动力分析，可自动构成微分方程，输出图象）、IMP、ADAMS、KINSYN、LINKAGES等，其中有些软件已经商品化，有的软件包已达到十分完备的程度，包括了运动学分析、动力学分析、弹性变形计算、动力学性能评价及模型化仿真等程序。

现如今，计算机图象显示技术早已实用化，让我们能更加简便直观快速最优地完成设计工作。

机构研究的主要几个方向：1、在机构结构理论方面,主要是机构的类型综合、杆数综合和机2陆凤仪,徐格宁.机构学研究现状与展望构自由度的计算。

对平面机构来说,虽然机构结构的分析与综合研究得比较成熟,但仍有一些新的发展。

例如将关联矩阵、图论、拓扑学、网络理论等引入对结构的研究; 用拆副、拆杆、甚至拆运动链的方法将复杂杆组转化为简单杆组,以简化机构的运动分析和力分析;仿照机构组成原理对机构功能原理的研究;关于机构中虚约束的研究及无虚约束机制的综合;以及组合机构的类型综合等。

近年来对空间机构结构分析与综合的研究也有不少的进展,特别是在机器人机构学方面取得了较多成就。

2、在机构运动分析和力分析方面,主要是大力发展了计算机辅助分析方法的研究,并且已经研制了一些应用软件。

对于高级别平面机构的运动分析及力分析问题,可以采用型转化法或选不同的构件为机架以降低机构级别的方法进行,也可以采用分解合成的分析方法。

对空间机构的运动分析及力分析则多采用按杆组分析的方法。

另外,为了便于利用计算机进行分析,建立机构运动分析及力分析的逻辑体系,并期望将机构的结构分析、运动分析、动力分析构成一个整体的系统。

3、在机器动力学方面,大力发展了机构弹性动力学的研究,包括低副机构和高副机构。

在某些高速重载的高副机构中还考虑了热变形的问题，还开展了对机械中的摩擦、机械效率以及功率传递等问题的研究；发展了对运动副间隙引起的冲击、动载荷、振动、噪声及疲劳失效等问题的研究；对机构运动精度及误差的研究。

对于平面机构平衡问题的研究,得出了一般n杆机构可以用 n/2 个配重达到平衡的结论。

对空间机构平衡问题的研究,也得到了不少的成果。

此外,还研究了具有变质量构件和在运动过程中结构有变化的机构的平衡问题,机构在非稳定状态及瞬变过程中的时间、位移、速度和加速度等的动力响应的计算问题等。

4、在机构学方面,对平面连杆机构的研究仍在继续深入,并转而注重于多杆多自由度平面连杆机构的研究,提出了这类机构的分析和综合的一些方法。

研究了提高机构动力性能为目标的综合方法,多精确点的四杆机构的综合方法(如点位缩减法)等。

由于电子计算机的普遍应用,连杆机构的优化设计得到了迅速发展,包括多目标优化。

并且编制了一些表征机构主要尺度参数与其运动、动力性能之间关系的数表及图谱,编制了大量适用范围广、节省机时、使用方便的机构分析与综合的软件。

5、在凸轮机构方面,高速凸轮的弹性动力学是一个受到普遍重视的研究课题,并且已研究得比较深入。

推杆运动规律的选择和拟合,凸轮机构尺度参数的优化设计,凸轮机构工作过程中的振动、减振和稳定性的研究,也都受到重视,并已取得不少研究成果。

6、在齿轮机构方面,首先是齿轮啮合原理的研究,再如新型齿廓的选用(如圆弧、抛物线等非渐开线齿廓),轮齿的修正和修形等课题的研究,也都取得不少的新成就。

7、在轮系方面,一些新型齿轮机构( 如内齿行星轮传动、活齿齿轮传动、行星摩擦传动、非圆齿轮周转轮系、锥齿轮谐波传动、摩擦式谐波传动等)的研制，周转轮系效率的研究，考虑摩擦时的功率流及考虑轮齿弹性变形时的功率流的计算问题的研究，周转轮系均载装置的研究等，都已取得一些研究成果。

此外，应用图论、网络理论和其他一些新的数学工具和计算技术来研究轮系的类型综合及运动分析和力分析问题也得到大力开展，并取得一些成绩。

除上述连杆、凸轮和齿轮三大常用的基本机构以外，组合机构的研究近年来也发展得十分迅速。

对齿轮—连杆、凸轮—连杆等类型的组合机构的分析和综合，已有较详细的研究。

在理论方面各国机构学专家们也取得了很多可喜的成就，拿空间机构的研究来说，在这方面涌现出很多种新型的研究方法，如矢量法、张量法、旋量法、方向余弦矩阵法、球面三角法等，各种方法自成体系，又互相渗透补充。

在这之外，还有很多令人眼前一亮的探索，有的学者对空间机构进行平面模拟；有的学者在有限位置的机构综合方面把位移矩阵与几何约束条件相结合；有的学者在运动几何学的基础上，把经典的布氏理论推广应用于空间机构，解决了某些机械手的分析与设计问题。

空间机构中的杆件机构是比较基础且很重要的部分，在对于含有闭链的开式空间连杆机构的动力学模型参数方面做出了成功研究，虽然动力学方程都是非线性的，但在改进的Newton-Euler 方程中杆件参数是线性的，可以使计算量减少到最低程度。

当考虑到多杆件系统的柔性时，机构学的研究主要有以下几个方面：（1）创建简明的分析方法（2）机构结构几何和材料非线性问题（3）机构间隙、碰撞、伸展及收缩的动力学及其控制（4）弹性体模态的分析与综合，动力学参数识别与测量（5）动力学逆问题，结构控制、系统控制及其稳定性问题研究（6）柔性、晃动、姿态、运动轨道多因素相互耦合的问题（7）柔性多体系统动力学大型通用程序研究，计算机模拟、仿真和专家系统。

目前国际上的研究工作多为考虑公差、间隙及关节饲服定位误差对连杆机构的随机特征，提出满足运动精度的结构参数最佳极限偏差的随机模型。

3在机器人方面主要解决了下述问题：对已知结构尺寸的机器人，确定其运动自由度及其可动空间范围；根据各关节处的位移确定位置和姿态；从驱动源及各关节的传感器中测得的力矩数值来判断手部或腕部的负荷。

在多足步行机器人方面，国际上着力于根据机器人高速、负重、节能、机动等方面的要求，进行静动态稳定裕度，动态中换步步态，最优力分布和最优运动范围及运动弹性动力学研究。