机构学及设计原理
推杆推出机构的设计原理
推杆推出机构的设计原理
推杆推出机构的设计原理主要通过推杆的力学原理来实现。
推杆推出机构一般由推杆、导轨、挡块等部件组成。
设计原理如下：
1. 推杆设计：推杆是推出机构的核心部件，设计时需要考虑其材料和形状。
材料应具有足够的强度和硬度，以承受推动力和摩擦力的作用。
形状设计应考虑推动力的传递和转化效率，一般选择圆柱形或方形。
2. 导轨设计：导轨用于引导推杆的运动轨迹，保持推杆的稳定性和方向性。
导轨的设计应满足推杆的移动要求，一般选择直线导轨。
导轨的材料应具有较小的摩擦系数，以减小能量损耗。
3. 挡块设计：挡块用于限制推杆的运动范围，保证推杆推出机构的推动效果。
挡块的设计应考虑其位置和形状，以确保推杆在推动过程中不会受到不必要的干扰或撞击。
4. 摩擦减小设计：推杆推出机构在运动过程中会产生摩擦力，影响推动效果。
为减小摩擦力，可以采取以下设计措施：选择低摩擦材料、增加润滑剂、优化推杆和导轨的配合精度等。
5. 动力传递设计：推杆推出机构的推动力来源于外部动力，如液压、电动等。
在设计时需要考虑动力传递的效率和稳定性，选择合适的动力传递方式和装置。
总之，推杆推出机构的设计原理主要包括推杆设计、导轨设计、挡块设计、摩擦减小设计和动力传递设计。
通过合理的设计和优化，可以实现推杆的稳定、高效地推动机构的推出。
《高等机构学》课件
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。
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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
机械原理平面连杆机构及设计
机械原理平面连杆机构及设计平面连杆机构是一种最为基本的机械结构，由于其结构简单、运动可靠等特点，被广泛应用于各种机械设备中。
本文将对平面连杆机构进行介绍，并探讨其设计原理。
平面连杆机构是由至少一个定点和至少三个连杆组成的机构。
定点为固定参考点，连杆是由铰链连接的刚性杆件。
连杆可以分为连杆和曲柄，连杆连接在定点上，曲柄则旋转。
平面连杆机构的运动由这些连杆的位置和相互连接方式决定。
平面连杆机构的设计原理基于以下几个方面：1.运动分析：在设计平面连杆机构之前，首先需要进行运动分析，确定所需的运动类型。
运动类型可以是旋转、平移、摆动、滑动等。
通过运动分析，可以确定连杆的长度和相互连接的方式。
2.运动性能：平面连杆机构的优点是运动可靠，但运动性能也是需要考虑的重要因素。
例如，设计中需要考虑速度、加速度、力和力矩等参数，以满足机构的运动要求。
3.静力学分析：平面连杆机构在工作过程中可能会受到外力的作用，因此需要进行静力学分析。
静力学分析可以确定机构的力矩和应力，从而确定设计的合理性。
4.运动合成：在进行平面连杆机构的设计过程中，需要进行连杆的运动合成。
运动合成是指通过选择适当的连杆长度和连接方式，实现所需的运动类型。
5.运动分解：运动分解是指将合成的运动分解为各个连杆的运动。
通过运动分解，可以确定每个连杆的运动规律，从而进行设计。
当以上原理得到了充分的了解和运用后，可以进行平面连杆机构的具体设计。
具体的设计包括以下几个步骤：1.确定所需的运动类型：根据机械设备的需求，确定所需的运动类型，例如旋转、平移、摆动等。
2.运动分析：对机构进行运动分析，确定连杆的位置和连接方式。
根据机构的运动要求和外力作用，确定连杆的长度。
3.动力学分析：进行动力学分析，确定机构运动时的力学参数，如速度、加速度、力和力矩等。
4.运动合成与分解：根据所需的运动类型，进行运动合成和分解，确定连杆的运动规律。
5.结构设计：根据上述分析和计算结果，进行结构设计。
机械原理课程教案—平面连杆机构及其分析与设计
机械原理课程教案一平面连杆机构及其分析与设计一、教学目标及基本要求1掌握平面连杆机构的基本类型，掌握其演化方法。
2,掌握平面连杆机构的运动特性，包括具有整转副和存在曲柄的条件、急回运动、机构的行程、极限位置、运动的连续性等；3.掌握平面连杆机构运动分析的方法，学会将复杂的平面连杆机构的运动分析问题转换为可用计算机解决的问题。
4.掌握连杆机构的传力特性，包括压力角和传动角、死点位置、机械增益等；正确理解自锁的概念，掌握确定自锁条件的方法。
5,了解平面连杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件及实际需要，选择合适的机构型式；学会按2~3个刚体位置设计刚体导引机构、按2~3个连架杆对应位置设计函数生成机构及按K值设计四杆机构；对机构分析与设计的现代解析法有清楚的了解。
二、教学内容及学时分配第一节概述（2学时）第二节平面连杆机构的基本特性及运动分析（4.5学时）第三节平面连杆机构的运动学尺寸设计（3.5学时）三、教学内容的重点和难点重点：1.平面四杆机构的基本型式及其演化方法。
2.平面连杆机构的运动特性，包括存在整转副的条件、从动件的急回运动及运动的连续性；平面连杆机构的传力特性，包括压力角、传动角、死点位置、机械增益。
3.平面连杆机构运动分析的瞬心法、相对运动图解法和杆组法。
4.按给定2~3个位置设计刚体导引机构，按给定的2~3个对应位置设计函数生成机构，按K值设计四杆机构。
难点：1.平面连杆机构运动分析的相对运动图解法求机构的加速度。
2.按给定连架杆的2~3个对应位置设计函数生成机构。
四、教学内容的深化与拓宽平面连杆机构的优化设计。
五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学中应注意要求学生对基本概念的掌握，如整转副、摆转副、连杆、连架杆、曲柄、摇杆、滑块、低副运动的可逆性、压力角、传动角、极位夹角、行程速度变化系数、死点、自锁、速度影像、加速度影像、装配模式等；基本理论和方法的应用，如影像法在机构的速度分析和加速度分析中的应用、连杆机构设计的刚化一反转法等。
高等机构学
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
常见机构的原理及应用pdf
常见机构的原理及应用 PDF1. 概述本文档将介绍常见机构的原理及应用，主要包括以下几个方面的内容：1.机构原理的基本概念2.常见机构的分类及特点3.各类机构的工作原理及应用案例2. 机构原理的基本概念机构原理是研究机械装置中各种机构的运动和力学特性的学科。
机构是由多个刚性件通过铰链、滑动副等连接方式组成，并使得其中一个刚性件相对于其他刚性件进行规定运动的装置。
机构原理主要包括以下基本概念：•铰链：即两个刚性件通过一个可以旋转的连接件连接在一起，形成受约束运动的铰链副。
例如，普通的门的开关就是通过门铰链连接实现的。
•滑动副：即两个刚性件通过一个可以相对平行滑动的连接件连接在一起，形成受约束运动的滑动副。
例如，滑动窗的滑动机构就是通过滑动副实现的。
3. 常见机构的分类及特点机构可根据其结构及特点进行分类，常见的机构分类有以下几种：1.点机构：包含平动副和转动副，具有一个以上重要机构点。
2.线机构：包含平行副和逆平行副，具有一个以上重要机构线。
3.平面机构：包含平行副和逆平行副，具有一个以上机构平面。
4.空间机构：具有至少一个运动副在三维空间中运动。
4. 各类机构的工作原理及应用案例4.1 点机构点机构是由至少一个构件固定在一点上，其他构件绕该点作平动或转动运动的机构。
常见的点机构有以下几种工作原理及应用案例：1.公转副：两个构件绕固定点同轴旋转的运动副。
应用案例：手表的指针转动机构。
2.锁紧副：两个构件相对固定的点作平动运动的运动副。
应用案例：车辆的制动系统。
4.2 线机构线机构是由至少一个构件经过固定点作平动运动的机构。
常见的线机构有以下几种工作原理及应用案例：1.直线副：两个构件相对固定点作平动运动的运动副，轨迹为直线。
应用案例：汽车的悬挂系统。
2.摆线副：两个构件相对固定点作平动运动的运动副，轨迹为摆线。
应用案例：齿轮传动装置。
4.3 平面机构平面机构是由至少一个构件固定在平面内，其他构件在该平面内作平动或转动运动的机构。
机械设计常用机构
相互转动来实现运动和 柱齿轮的轮齿在轴线上
动力的传递。
倾斜排列，锥齿圆柱齿
轮的轮齿在一个锥面上
排列。
在圆锥齿轮机构中，两 个圆锥齿轮的轮齿在一 个锥面上排列，通过啮 合实现相交轴之间的运 动和动力传递。
在蜗轮蜗杆机构中，蜗 在平面齿轮机构中，直
杆的轮齿在蜗杆面上呈 齿平面齿轮的轮齿在一
螺旋状排列，蜗轮的轮 个平面上垂直排列，斜
用于传递垂直轴之间的运动和动 力，其传动比大、结构紧凑。
平面齿轮机构
用于传递两个平面之间的运动和 动力，其传动形式包括直齿、斜
齿和曲齿等。
齿轮机构的工作原理
01
02
03
04
05
齿轮机构的工作原理基 在圆柱齿轮机构中，直
于齿轮之间的啮合关系， 齿圆柱齿轮的轮齿在轴
通过一对或多个齿轮的 线上垂直排列，斜齿圆
圆锥凸轮机构
凸轮呈圆锥状，常用于需要较小接触面积的场 合。
凸轮机构的工作原理
01
凸轮机构通过凸轮的转动，使从动件产生预期 的运动规律。
02
凸轮的形状决定了从动件的运动轨迹，从而实 现各种复杂的运动要求。
03
当凸轮转动时，从动件在垂直于凸轮轴线的平 面内作往复运动。
凸轮机构的应用
自动化生产线
用于传递和改变运动轨 迹，实现自动化生产。
棘轮机构的工作原理
01
当主动件顺时针转动时 ，棘爪便随主动件一起 顺时针转动，并推动棘
轮逆时针转动。
02
当主动件逆时针转动时 ，棘爪便被压下，无法 与棘轮齿啮合，因此棘
轮不会转动。
03
棘轮机构的运动方向取 决于主动件的转动方向
。
棘轮机构的应用
机械原理第9章凸轮机构及其设计
第二十一页，编辑于星期日：十四点 分。
②等减速推程段：
当δ =δ0/2 时，s = h /2，h/2 = C0＋C1δ0/2＋C2δ02/4 当δ = δ0 时，s = h ，v = 0，h = C0＋C1δ0＋C2δ02
0 = ωC1＋2ωC2δ ，C1=－2 C2δ0 C0=－h，C1= 4h/δ0, C2=－2h/δ02
如图所示，选取Oxy坐标系，B0 点为凸轮廓线起始点。当凸轮转过δ 角度时，推杆位移为s。此时滚子中 心B点的坐标为
x (s0 s) sin e cos
y
(s0
s) cos
A7
C8 A6 C7
w
A8
-w
A9
C9 B8 B9 B7 r0
C10
B12100 ° B0
O
B1 a B2
C1 L C2φ1φ0
A10 A0
φ
Φ
o
2
1
2 3 456
180º
7 8 9 10
60º 120º
δ
(1)作出角位移线图；
(2)作初始位置；
A5
C6
B6 B1580°B4
C4
C5
φ3
φC23
A1
↓对心直动平底推杆盘形凸 轮机构
↑偏置直动尖端推杆盘形凸轮机 构
第十一页，编辑于星期日：十四点 分。
↑尖端摆动凸轮机构
↓平底摆动凸轮机构
↑滚子摆动凸轮机构
第十二页，编辑于星期日：十四点 分。
(4)按凸轮与从动件保持接触的方式分
力封闭型凸轮机构
利用推杆的重力、弹簧力或其他外力使推杆与凸轮保持接
触的
此外，还要考虑机构的冲击性能。
《五自由度并联调姿平台机构学研究》范文
《五自由度并联调姿平台机构学研究》篇一一、引言随着现代工业技术的快速发展，五自由度并联调姿平台在航空航天、精密制造、医疗设备等领域得到了广泛应用。
五自由度并联调姿平台具有高精度、高效率、高灵活性的特点，因此其机构学研究显得尤为重要。
本文旨在深入探讨五自由度并联调姿平台的机构学原理、设计方法、运动控制等方面，为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、五自由度并联调姿平台的机构学原理五自由度并联调姿平台主要由动平台、定平台、驱动装置和连接杆等部分组成。
其机构学原理是通过驱动装置驱动连接杆，使动平台在空间中实现五个方向的姿态调整。
这五个方向包括三个线性移动和两个旋转运动，可满足各种复杂工况的需求。
三、五自由度并联调姿平台的设计方法五自由度并联调姿平台的设计过程需要综合考虑多个因素，包括机构的拓扑结构、驱动方式、负载能力、运动范围等。
首先，要确定机构的拓扑结构，即确定动平台、定平台和连接杆的布局。
其次，根据实际需求选择合适的驱动方式，如液压驱动、电动驱动等。
然后，要合理设计机构的尺寸参数，以确保机构的负载能力和运动范围满足要求。
最后，要进行机构的动力学分析和仿真验证，以确保机构的稳定性和可靠性。
四、五自由度并联调姿平台的运动控制五自由度并联调姿平台的运动控制是实现机构高精度、高效率运行的关键。
运动控制包括姿态控制、轨迹规划和实时监测等部分。
姿态控制是通过传感器实时监测动平台的姿态信息，并根据预设的姿态参数进行调节。
轨迹规划是根据任务需求规划出最佳的动平台运动轨迹。
实时监测则是通过传感器实时监测机构的运行状态，一旦发现异常情况及时进行处理。
五、实验与分析为了验证五自由度并联调姿平台的性能和设计方法的正确性，我们进行了多组实验。
实验结果表明，该平台具有较高的负载能力和运动范围，可实现高精度的姿态调整。
同时，该平台的运动控制算法具有较好的稳定性和响应速度，可满足各种复杂工况的需求。
此外，我们还对不同结构参数对机构性能的影响进行了分析，为后续的优化设计提供了依据。
摆动机构设计原理
摆动机构是一种用来产生复杂轨迹运动的机构，由于其广泛应用于各种机械领域，因此在机械设计中占有重要的地位。
摆动机构的设计原理主要包括以下几个方面：
1.摆动机构的基本构成要素
摆动机构主要由摆杆、固定件、传动件等构成。
其中摆杆是实现复杂运动的关键部件，而固定件则是摆杆的支撑点。
传动件则是传递力量的部件，通常采用减速机、电机等。
2.摆动机构的工作原理
摆动机构的工作原理基于牛顿运动定律和动力学原理。
摆杆作为一个物体，在重力的作用下，会受到一定的力和力矩，从而产生摆动运动。
摆动机构的工作原理就是利用这种运动原理来实现特定的工作要求。
3.摆动机构的设计方法
摆动机构的设计方法主要分为静态设计和动态设计。
静态设计是指在不考虑运动影响的情况下对摆动机构进行设计，包括结构设计、材料选择、计算机辅助设计等。
动态设计则是指考虑摆动运动对机构的影响，包括运动轨迹、速度、加速度、力矩等的计算与分析。
4.摆动机构的应用
摆动机构广泛应用于机械工程、自动化、航空航天、汽车工业等领域。
例如，在汽车工业中，摆动机构主要用于发动机的气门控制系统；在自动化领域，摆动机构主要用于机器人的运动控制。
总之，摆动机构的设计原理涉及到多个方面，需要综合考虑结构设计、动力学原理等因素。
同时，在实际应用中还需要注意机构的精度、寿命等问题，以确保机构的稳定性和可靠性。
机械原理课程设计凸轮机构设计说明书
全面探究凸轮机构设计原理及方法凸轮机构是一种常用的机械传动装置，通过凸轮和摆杆的配合组成，具有可逆性、可编程性和高精度的特点。
本文将从设计原理、设计方法和优化策略三个方面探究凸轮机构设计的要点。
一、设计原理
凸轮机构的设计原理是在摆杆与凸轮配合时，摆杆可以沿凸轮轮廓实现规定的运动规律，如直线运动、往返运动和旋转运动等。
凸轮可以根据运动轨迹、运动频率和运动速度等要求，通过凸轮轮廓的设计来完成。
凸轮轮廓的设计包括了初步设计、动力学分析、运动规划等步骤。
二、设计方法
凸轮机构的设计方法包括手工绘图及设计软件辅助。
手工绘图是传统的凸轮轮廓设计方法，适用于简单的凸轮机构，如往复式转动机构、转动转动机构等；而对于复杂的凸轮机构，可以利用计算机辅助设计软件，如ProEngineer、CATIA、AutoCAD等，进行三维建模、运动模拟和优化设计。
此外，对于凸轮机构的设计还需要考虑到强度计算、可靠性分析等相关问题。
三、优化策略
凸轮机构的设计优化策略主要包括凸轮轮廓的形状优化、摆杆的长度优化和机构传动效率的优化等。
凸轮轮廓的形状优化通常是通过
Cycloid、Involute、Bezier等曲线的拟合来实现；摆杆的长度优化可以通过数学模型来建立，利用遗传算法、粒子群算法等优化算法进行
求解；传动效率的优化可以通过轮廓优化、材料优化、润滑优化等途
径来进行。
凸轮机构的设计是机械工业中非常重要的一环，它涉及到运动学、动力学、力学等多个学科的知识，需要学习者在多方面进行深入研究
和实践。
通过对凸轮机构的深入探究，我们可以更好地理解机械原理
的精髓，提高机械设计的水平和能力。
机构设计(2.3—2.5).09年PDF
加压执行机构功能形态学矩阵
满足精锻机功能要求的六种基本功能结构
精锻机的四种方案
机构系统运动方案的组成 根据机构形态 学矩阵，组合成能 完成系统总功能的 不同机构系统运动 方案
解
功能分析设计步骤
机构设计实例
例1 精锻机主机构的选型 总功能：加压机构上、下运动时，能锻出精度较高的毛坯。 要求：驱动轴水平放置，加压构件竖直方向运动。 执行机构应具有的分功能： ⑴ 运动形式变换功能 ⑵ 运动轴线变向功能 ⑶ 运动位移或速度缩小功能 根据以上分析，可以得出加压机构总体功能的形态学矩阵。
工艺动作分解与运动方案选择有着密切关系。实现同一机器功能 时，应尽可能采用动作简单、工序少的动作过程。 例 加工内孔
车床
镗床
钻床
拉床
例
加工平面
牛头刨床－刀具往复运动
龙门刨床－工件往复运动
功能元Ui的解 ——机构系统搜索法 将有关的功能元，按一定的分类排列原则，用矩阵表列 出，形成解法目录。 机构动作功能分解与组合原理的表达形式——形态学矩阵
§ 2.3 基于功能分析的机构设计
使用要求 功能原理 工艺要求 功能原理多样性 执行构件运动 设计工艺动作
为实现同一预定的功能目标，可以选择不同的功能原理来实现， 选用不同的技术原理来完成。 例 糖果包装机设计
扭结式
折式
接缝式
例 自动输送板料的装置
机械推拉
平板摩擦
摩擦轮
顶部气吸
底部气吸
功能分析法
将总功能分解为若干简单的功能元（即分功能）， 通过对功能元求解，然后组合，可得到方案的多种解。
如何分解功能元 如何求解功能元
复杂机构 （总功能）
组 合
复杂运动
变速器换挡机构的原理与设计要点
变速器换挡机构的原理与设计要点一、引言在现代汽车中，变速器扮演着重要的角色，它能够在车辆行驶中改变驱动力的传递比，使得驾驶者能够根据行驶条件和需求选择合适的档位。
而变速器的换挡机构则是实现档位切换的核心部件。
本文将介绍变速器换挡机构的原理与设计要点。
二、换挡机构的原理1. 换挡原理换挡机构的核心原理是通过控制齿轮的相对位置和连接状态来实现档位的切换。
在变速器中，通常会采用齿轮对齿轮的咬合方式来传递驱动力。
当需要进行换挡时，换挡机构会采用不同的方式来切换齿轮的连接状态，从而实现不同的传递比。
2. 换挡方式根据不同的变速器结构和设计，换挡机构的方式也会有所不同。
常见的换挡方式包括手动换挡和自动换挡。
手动换挡通常通过操纵换挡杆或拨片来实现，驾驶者可以根据需求手动选择合适的档位。
而自动换挡则通过电子系统和液压控制来实现，系统会根据车速和发动机负荷等参数智能选择合适的档位。
三、换挡机构的设计要点1. 结构设计换挡机构的结构设计应考虑紧凑、坚固和易于操控。
在设计过程中需要充分了解齿轮传递的力学特性，并选择合适的轴承和连接件。
同时，在设计中应注意杠杆原理，通过合理的杠杆比例来减小操纵力。
2. 换挡力矩控制换挡时需要克服一定的换挡力矩，而过大或过小的力矩都会影响换挡的舒适性和可靠性。
因此，在设计中需要准确计算换挡力矩，并选择合适的换挡机构传递力矩的方式，如使用弹簧、摩擦片等。
3. 换挡路径设计换挡路径设计要考虑换挡的顺畅性和快速性。
合理设计换挡机构的路径和动作，可以减少换挡时间和换挡过程中的冲击和噪音。
同时，注意相邻档位之间的间隔，使得换挡过程中能够准确地进入目标档位。
4. 换挡机构的可靠性换挡机构的可靠性是设计的一个重要指标。
在设计过程中，需要使用合适的材料和加工工艺，确保换挡机构能够承受长时间和高强度的工作。
同时，需进行可靠性验证和测试，以确保换挡机构的正常工作和寿命。
四、总结变速器换挡机构是实现档位切换的重要部件，其原理和设计要点直接影响着变速器的性能和可靠性。
连杆机构及设计
连杆机构的稳定性分析
01
连杆机构的稳定性是指在一定条件下，机构能够保持其平衡状 态的能力。
02
稳定性分析是连杆机构设计中的重要环节，可以通过静态分析
和动态分析进行评估。
连杆机构的稳定性受到多种因素的影响，如驱动力、阻力和机
03
构参数等。
05 连杆机构的实例分析
实例一：汽车发动机的连杆机构分析
连杆机构组成
连杆机构的传力分析
连杆机构的传力路径
01
分析连杆机构中力的传递路径和方式，了解其传力特性和效率。
连杆机构的传力性能
02
通过计算和分析连杆机构的传力性能，了解其传力效果和优化
方向。
连杆机构的传力损失
03
研究连杆机构在传力过程中的能量损失和效率问题，提出优化
措施。
03 连杆机构的设计
连杆机构的设计原则
工作原理
通过连杆机构的运动，将主轴的旋转运动转化为工作台的往复直线 运动或旋转运动，完成工件的切削、磨削、铣削等加工过程。
特点
传动精度高，刚性好，能够承受较大的切削力和转矩。
06 总结与展望
总结
01
02
03
04
连杆机构在机械工程中具有广 泛应用，如内燃机、压缩机、
印刷机等。
连杆机构设计需要综合考虑运 动学、动力学、强度和刚度等
，力求实现经济效益最大化。
连杆机构的设计流程
1. 明确设计要求
根据实际需求，明确连杆机构的设计任务和目标，包括运 动轨迹、传动效率、可靠性等方面的要求。
2. 选择合适的连杆机构类型
根据设计要求，选择合适的连杆机构类型，如曲柄摇杆机 构、双曲柄机构、双摇杆机构等。
3. 设计连杆机构
机械原理课程教案—凸轮机构及其设计
机械原理课程教案—凸轮机构及其设计一、教学目标1. 使学生了解凸轮机构的分类、工作原理和应用。
2. 培养学生掌握凸轮机构的设计方法和步骤。
3. 提高学生分析问题和解决问题的能力。
二、教学内容1. 凸轮机构的分类及工作原理凸轮机构的分类凸轮的工作原理凸轮机构的应用2. 凸轮的轮廓曲线设计凸轮轮廓曲线的基本原理常用凸轮轮廓曲线的特点及应用凸轮轮廓曲线的设计方法3. 凸轮的压力角和基圆半径的选择压力角的定义及作用基圆半径的计算方法压力角和基圆半径的选择原则4. 凸轮机构的设计步骤确定凸轮的类型和参数选择合适的轮廓曲线计算压力角和基圆半径校核凸轮的强度和运动性能5. 凸轮机构的设计实例实例分析设计过程演示结果讨论和评价三、教学方法1. 采用讲授法，讲解凸轮机构的基本概念、设计方法和步骤。
2. 利用多媒体演示凸轮机构的工作原理和设计过程。
3. 引导学生进行实例分析，培养学生的实际设计能力。
4. 开展课堂讨论，提高学生的思考和表达能力。
四、教学环境1. 教室环境：宽敞、明亮，配备多媒体教学设备。
2. 教学材料：教案、PPT、参考书籍、设计实例。
五、教学评价1. 课堂参与度：观察学生在课堂上的发言和讨论情况，评价学生的积极性。
2. 作业完成情况：检查学生提交的凸轮机构设计作业，评价学生的理解和应用能力。
3. 期末考试：设置有关凸轮机构设计的题目，评价学生对课程知识的掌握程度。
六、教学活动1. 课堂讲解：讲解凸轮机构的基本概念、分类、工作原理和应用。
2. PPT演示：通过PPT展示凸轮机构的工作原理和设计过程。
3. 实例分析：分析典型凸轮机构设计实例，引导学生掌握设计方法和步骤。
4. 小组讨论：分组讨论凸轮机构设计中的问题，培养学生的团队协作能力。
5. 作业布置：布置凸轮机构设计相关作业，巩固所学知识。
七、教学资源1. PPT：制作精美的凸轮机构教学PPT，展示图片、图表和实例。
2. 参考书籍：提供有关凸轮机构设计和应用的参考书籍，方便学生查阅。
凸轮机构设计与动力学分析
凸轮机构设计与动力学分析凸轮机构是一种重要的机械传动系统，用于将旋转运动转换成直线运动。
它是许多机械设备和工业生产线的核心部件之一，广泛应用于汽车、机器人、纺织、食品加工等领域。
本文旨在介绍凸轮机构的设计原理和动力学分析方法，为读者提供一些有关凸轮机构的基本知识和实用技巧。
一、凸轮机构的工作原理凸轮机构是由凸轮轴、凸轮和摆杆等部件组成的，其中凸轮是一个形状奇特的零件，通常由一圆柱形或锥形轴与一个凸起相连接而成。
凸轮轴和摆杆的运动轨迹是由凸轮轴的几何形状和参数决定的。
当凸轮轴旋转时，凸轮与摆杆发生相对运动，从而使摆动杆产生直线运动或允许摆动杆在取向不变的情况下旋转。
杆件的运动轨迹可以显式地表示为位置、速度和加速度方程式，这为凸轮机构的性能分析和优化提供了扎实的理论基础。
二、凸轮机构的设计方法在设计凸轮机构时，我们需要考虑以下几个因素：1. 运动要求：根据设备的需求，确定凸轮机构所需的运动类型和要求。
2. 摆杆结构：选择摆杆的长度、截面和形状，以及凸轮轴和摆动杆的垂直距离。
3. 凸轮形状：根据摆杆的运动要求和限制，选择最合适的凸轮形状。
4. 传动方式：根据凸轮机构的运动类型和要求，选择最合适的传动方式，如凸轮与摆动杆的直接接触或传动链条。
在实际设计中，我们可以采用以下方法来优化凸轮机构的性能：1. 确定凸轮形状：根据运动要求和制造成本，选择最合适的凸轮形状。
通常情况下，我们可以使用标准凸轮形状，如圆形、椭圆形和抛物线形等。
2. 调整凸轮轴位置：根据凸轮轴的位置和方向，调整凸轮的运动轨迹，以满足摆动杆的运动要求和限制。
3. 优化摆杆参数：根据摆动杆的长度、截面和形状，优化摆动杆的质量和稳定性，最大限度地提高运动精度和工作效率。
三、凸轮机构的动力学分析凸轮机构的动力学分析是评价凸轮机构运动性能的重要方法，可以预测和控制凸轮机构的位置、速度、加速度和力学性能等方面的变化。
常用的动力学分析方法包括：1. 几何法：利用几何原理和运动学方程，计算凸轮机构的位置、速度和加速度等参数。
z形连杆机构原理
z形连杆机构原理
Z形连杆机构是一种机械结构，由多个连杆组成，呈Z形状。
这种机构常用于工程和机械设计中，具有一些特定的原理和特点：连杆布局：Z形连杆机构由若干个连杆组成，这些连杆通过关节相连接，形成一个Z形状的结构。
每个连杆在机构中都扮演特定的角色。
运动传递：Z形连杆机构的设计使得其中的某些连杆能够通过运动传递使其他部分运动。
这种传递运动的方式能够将输入的运动转化为机构中其他部分的运动。
运动轨迹：Z形连杆机构的各个连杆之间的关系和相对运动，决定了机构上各点的运动轨迹。
这种结构在运动过程中可以形成独特的轨迹。
应用：Z形连杆机构广泛用于工程、机械设计和机械运动系统中。
常见的应用包括转动机构、工业机械臂、摆杆等。
分析方法：分析Z形连杆机构通常涉及运动学和动力学的原理。
通过使用几何和数学方法，可以分析各个连杆的相对运动、速度和加速度等参数。
总体而言，Z形连杆机构是一种灵活、可控的机械结构，具有特定的运动传递和运动轨迹。
在设计和分析这种机构时，工程师通常会考虑机构的性能、稳定性和功用。
轴向快速锁紧机构设计
例如，在电子产品生产线中，轴向快 速锁紧机构可以用于锁定电子元件、 线路板和外壳等部件，确保产品的一 致性和可靠性。
06
轴向快速锁紧机构的未来发 展与挑战
技术创新与突破
1 2
应用案例二：航空航天器的安全锁定
01
航空航天器对于安全性的要求极 高，轴向快速锁紧机构能够为航 空航天器的关键部位提供快速、 可靠的锁定，确保飞行安全。
02
例如，在飞机起落架的收放机构 中，轴向快速锁紧机构可以用于 锁定起落架，确保其在飞行过程 中的稳定性和安全性。
应用案例三：自动化生产线上的快速装配
实验验证
根据优化结果制作样机，进行实验测 试，对比仿真分析与实验结果，验证 优化效果。
优化结果与讨论
优化结果
经过多目标遗传算法优化后，轴向快速锁紧机构的锁紧速度提高了25%，锁紧力波动降低了30%，能耗 降低了10%。
讨论
优化结果表明，通过多目标遗传算法对轴向快速锁紧机构进行优化，可以有效提高机构的性能指标。 同时，实验结果与仿真分析结果基本一致，证明了优化方法的可行性和有效性。未来可以进一步研究 其他优化算法在轴向快速锁紧机构设计中的应用，以提高机构的性能和可靠性。
04
轴向快速锁紧机构的优化设 计
优化目标与方法
优化目标
提高轴向快速锁紧机构的锁紧速度、减小锁紧力波动、降低 能耗。
优化方法
采用多目标遗传算法对机构参数进行优化，通过仿真分析验 证析
利用三维建模软件建立轴向快速锁紧 机构模型，进行动力学仿真分析，评 估锁紧速度、锁紧力波动和能耗等性 能指标。
机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计_王颜
第37卷第4期2015年7月机器人ROBOT V ol.37,No.4Jul.,2015DOI：10.13973/ki.robot.2015.0506机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计王颜，房立金（东北大学，辽宁沈阳110819）摘要：随着物理性人机交互的增加，人机安全性等问题引起关注．应用于机器人关节中的机械式仿骨骼肌变刚度机构因其能够模仿骨骼肌的变刚度特性，故可以解决人机安全性和未知环境适应性等问题．通过对国外机器人变刚度关节结构设计的研究，总结了机械式仿骨骼肌变刚度机构的非线性变刚度原理，将其结构设计实现方法分为5类，并分析了这5类结构设计实现的优缺点，为设计安全性高、适应性强的机器人提供参考和依据．关键词：仿骨骼肌机构；机器人关节；变刚度特性；非线性中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1002-0446(2015)-04-0506-07Principle and Design of Mechanically Musculoskeletal Variable-Stiffness MechanismWANG Yan，FANG Lijin(Northeastern University,Shenyang110819,China)Abstract:With the growth of physical human-robot interface,the security of human-robot interface has attracted attention recently.Mechanically musculoskeletal variable-stiffness mechanisms applied to robot joints can solve the problems about human-robot security and unknown environmental adaptability by imitating the variable stiffness property of skeletal muscle.Many mechanism designs of variable stiffness joints of overseas robots are studied.The nonlinear variable stiffness principle of mechanically musculoskeletal variable-stiffness mechanisms is summarized.Mechanism design methods are classified intofive categories,and their advantages and disadvantages are analyzed.The analysis results might provide references for designs of highly-safe and well-adapted robots.Keywords:mechanically musculoskeletal mechanism;robotic joint;variable stiffness property;nonlinearity1引言（Introduction）近年来，机器人技术日益成熟，穿戴式机器人、康复机器人、假肢、行走机器人等以人为中心的机器人应用领域越来越多，使用者与机器人本体接触的物理性人机交互也随之增加[1]．传统机器人能够实现精确定位及轨迹跟踪，但也受到固定的工作空间和工作模式的限制，并且其高刚度特性可能会使使用者受到伤害，人机安全性和环境适应性已经受到了广泛关注．从运动生物力学角度看，肌肉是人体运动系统的动力来源，通过肌肉收缩产生的力量来维持或完成动作．骨骼肌有两种收缩形式，收缩过程中肌肉张力不变，长度改变，引起关节活动，即等张收缩；相对的，在收缩过程中肌肉长度不变，不产生关节运动，但肌肉的张力增加，即等长收缩．以人体手臂为例，解剖示意图如图1所示，肱二头肌和肱三头肌是一对既拮抗又协调的屈肌和伸肌[2]，当肘关节作屈肘运动时，肱二头肌收缩，肱三头肌放松；当关节位置不变时，肌肉张力增加，即关节的刚度增加，且刚度具有非线性特性．通过模仿骨骼肌的功能，机器人关节在控制位置的同时，具有良好的柔顺变刚度特性，这样能够满足人机安全性和环境适应性的要求．㛡Ҽ 㚼㛡й 㚼㛡僘 僘ẑ僘图1人体手臂解剖示意图Fig.1Anatomical diagram of a human arm基金项目：辽宁省高等学校创新团队项目（LT2014006）．通信作者：房立金，ljfang@收稿／录用／修回：2014-12-31/2015-04-27/2015-04-28第37卷第4期王颜，等：机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计507目前，已经有许多仿骨骼肌实现方式．电致聚合物类人工肌肉在仿制生物肌肉时表现出高韧性、高传动应变和内在减震能力，但价格昂贵，输出力较小，无法广泛应用；形状记忆合金与骨骼肌力学行为极为相似，却有形变较小、力／质量比较小、响应速度不够快等缺点；气动人工肌肉结构简单、价格低廉、重量轻，但其行程较小，精确控制困难[3]．除了以上3种人工肌肉，机械式变刚度机构也常被应用在仿生关节中，因其输出力大、结构多样、设计灵活、易于制造等优点而被许多学者关注．应用于机器人关节中的机械式仿骨骼肌变刚度机构通常使用弹性元件来实现刚度变化，这种关节能够实现刚度与平衡位置的独立控制．根据刚度和位置的控制方式，机器人关节可分为串联结构和并联结构[4]．在串联结构中，使用两个电机分别独立地控制关节位置和刚度，该结构的功能明确，设计思维简便，缺点是最大转矩受最小电机限制．并联结构采用类似骨骼肌的拮抗式驱动方式，关节输出是由2个电机共同协作完成，关节转矩是2个电机转矩的代数和，输出转矩大，缺点是控制算法相对复杂[4-5]．本文着重介绍机械式仿骨骼肌变刚度机构，从变刚度原理、实现方式及应用方面回顾这类机器人仿生关节的研究工作及进展．2变刚度机构（Variable stiffness mecha-nisms）2.1变刚度机构原理变刚度机构是仿生关节的关键组成部分，是区别于传统刚性驱动器的重要部件，能够直接影响关节的变刚度性能．变刚度机构与生物系统中骨骼肌的功能相近，对肌肉的功能仿生研究为变刚度机构的设计提供了一定的理论参考依据，变刚度机构应该具有类似肌肉的非线性变刚度特性．根据胡克定律，线性弹簧的刚度是固定的，不随长度变化，其数学定义如下[1]：k=F∆x=常数(1)式中：F表示作用在弹性元件上的外力，∆x表示弹性元件相对于平衡位置的变化量．然而变刚度机构的刚度不是常数，随着位置的变化而变化，力－位移关系为非线性的，数学表达如下：k(x)=d Fd x=常数(2)由式(2)可以推导出变刚度机构受到外力矩τ作用，产生偏角θ的情况下的刚度表达式：k(x)=dτdθ=常数(3)如何产生非线性变刚度特性成为变刚度机构的设计重点．我们知道非线性弹簧自身就具有变刚度特性，例如图2所示的几种变刚度螺旋弹簧，通过变节距、变中径、变簧丝直径中的一个或几个参数来实现变刚度特性[6]，但这种弹簧受到工艺、设计等方面的限制，应用范围并不广泛．图2几种变刚度螺旋弹簧Fig.2Several variable-stiffness coil springs与非线性变刚度弹簧相比，等刚度弹簧的制造更简单，价格低廉，品种多，规格齐全，因此研究人员更多地选用了等刚度弹簧，也有些人选用具有相同优点的板簧．等刚度弹簧与机构配合产生非线性变刚度特性，这就是变刚度机构．变刚度机构产生非线性变刚度特性的基本原理主要就是基于几何学关系，即，变刚度机构使线性弹簧变形方向与所受外力的方向形成一定角度，并且该角度随着力的改变而改变，根据三角函数，可以形成非线性的特性．2.2变刚度机构原理的实现方法2.2.1三角形结构变刚度机构日本东京大学的Osada等人为线驱动肌肉骨骼仿人机器人Kojiro研制了非线性弹性拉力部件NST （nonlinear spring tension unit）[7]，变刚度原理如图3(a)所示，2个定滑轮中间是1个动滑轮，通过绳子连接构成了等腰三角形，绳长的改变使动滑轮移动，此时弹簧的拉伸方向和绳的拉力方向形成了三角形．应用于肘关节时，采用并联结构，相同的2个电机各控制1个变刚度单元，当电机等速同向旋转时，关节转动，刚度不变，当电机等速反向旋转时，关节位置不变，刚度改变．该关节具有以下3个优点：较好地适应目标，吸收外部冲击以及快速释放弹簧能量．为了缩小体积，对NST进行改进，设计出使用压缩弹簧的附加非线性弹性部件（add-on nonlinear spring unit）[7]和使用乳胶弹簧的紧凑式非线性弹性部件（compact nonlinear spring unit using natural rubber latex）[8]．弹性对抗弹簧机构FAS（flexible antagonistic spring）[9]的工508机器人2015年7月作原理图如图3(b)所示，与弹簧相连的弹簧滑轮总是绕着定滑轮转动，并在绳的拉力作用下拉伸弹簧，弹簧力与绳拉力之间不再像图3(a)那样一直保持等腰三角形的几何形状，而是随着拉力变化而改变三角形的形状．(a)(b)(c)图3三角形结构变刚度机构Fig.3Triangular variable stiffness mechanisms除了使用滑轮－绳索机构构建三角形结构外，Ham等人采用杆－绳索机构设计出机械式可调柔顺性及可控平衡位置驱动器MACCEPA（mechanically adjustable compliance and controllable equilibrium po-sition actuator）[10]，工作原理如图3(c)所示，为串联结构，参考体、杠杆臂和旋转体绕轴旋转，参考体可视为固定不动，杠杆臂的另一端和旋转体上的固定点间用绳连接弹簧，绳的另一端连接着用来调节弹簧预紧力的刚度电机，关节电机调整杠杆臂来改变旋转体的位置，也就是控制杠杆臂和参考体之间的夹角α，而杠杆臂和旋转体的夹角θ为0时，关节处于平衡位置，θ不为0时，弹簧拉伸，就会产生使关节恢复平衡的力矩．2.2.2四杆结构变刚度机构Huang等人设计的连续状态耦合弹性驱动器CCEA（continuous-state coupled elastic actuator）[11]的变刚度原理如图4(a)所示，采用四杆结构，外力F挤压滑块，使弹簧拉伸．CCEA使用一对这样的四杆变刚度机构，刚度电机通过双螺纹螺杆同时调整滑块的位置来改变刚度．CCEA应用在肘部康复骨骼服，可以实现近零机械刚度，并且，提出的最短距离控制可以简单控制变刚度机构．Yeo等人设计的绳驱动机械手CDM（cable-driven manipulator）中的变刚度装置VSD（variable stiffness device）[12]使用了扭簧，原理如图4(b)所示，拉伸两端绳子，扭簧绕其轴旋转，刚度改变．(a)(b)图4四杆结构变刚度机构Fig.4Four-bar variable stiffness mechanisms2.2.3杠杆结构变刚度机构杠杆也是一种应用广泛的结构，原理如图5(a)～(c)所示，分别通过移动弹簧位置、外力作用位置、杠杆支点位置来调节刚度．可调刚度驱动器AwAS（actuator with adjustable stiffness）[13]的变刚度原理如图5(a)所示，杠杆支点位置和外力作用点位置不变，两个弹簧对抗地连接在杠杆两侧，并沿着杠杆向着或远离支点位置移动，从而改变杠杆有效力臂长度，弹簧距离支点越远，有效力臂越长，刚度越高，相反，有效力臂越短，刚度越低，根据式(3)，AwAS的刚度表达式如下：k=dτdθ=2k s R2cos(2θ)(4)式中：τ为外力F的等效外力矩，θ为杠杆受外力产生的偏角，R为有效力臂，即弹簧与支点的距离，k s为弹簧的弹性系数．由于改变刚度的位移垂直于弹簧力，所以这种设计减小了调节刚度的能量．(a)(b)(c)(d)图5杠杆结构变刚度机构Fig.5Lever structural variable stiffness mechanisms第37卷第4期王颜，等：机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计509Kim等人在混合变刚度驱动器HVSA（hybridvariable stiffness actuator）[14]中设计的可调力臂机构，原理如图5(d)所示，是对图5(a)杠杆变刚度方法的变形．HVSA使用了相对旋转中心对称的一对弹簧，2个弹簧滑块分别与齿条相连，而2个齿条又分别与行星齿轮系中的2个行星齿轮构成了2组齿轮齿条机构，行星架连接到关节框架，一个电机控制齿圈，另一个电机控制行星架．当行星架不转动，只齿圈转动时，行星齿轮自转，齿条移动，弹簧滑块移动，只有杠杆力臂改变，从而改变刚度；当行星架和齿圈同方向同角度转动时，滑块位置不变，关节转动，刚度不变．Carloni等人设计的一种节能型变刚度驱动器（energy-efficient variable stiffness actuator）[15]采用了图5(b)的变刚度原理，支点和弹簧固定不动，并且只用一个弹簧，不使用对抗弹簧，通过移动外力作用点位置来改变杠杆有效力臂，外力作用点距离支点越近，刚度越大，相反则刚度越小，刚度表达式如下：k=dτdθ=(LR)2k s(5)式中：R为有效力臂，即外力作用点与支点的距离；L为弹簧与支点的距离．紧凑型变刚度驱动器CompAct-VSA （CompAct-variable stiffness actuator）[16]、UT-Ⅱ型变刚度驱动器vsaUT-Ⅱ（variable stiffness actu-ator UT-Ⅱ）[17]、小型变刚度驱动器mVSA-UT （miniaturized variable stiffness actuator-UT）[18]和AwAS-Ⅱ[19]都是采用图5(c)所示的变刚度原理，2个弹簧对抗固定在杠杆一端，外力作用点在另一端，并且位置不变，通过移动支点位置来改变杠杆力臂的比值，当支点向弹簧一端移动时刚度变小，而向外力方向移动时刚度变大．AwAS-Ⅱ的刚度表达式如下：k=dτdθ=2k sα2(R1+R2)cosθ(6)式中：R1为支点到弹簧的距离，R2为支点到外力作用点的距离，α为杠杆力臂的比值，即α=R1/R2．相比于AwAS，AwAS-Ⅱ的力臂更短，结构更紧凑，调节刚度所需的时间也就更短，刚度范围更大，性能优于AwAS．特殊地，板簧作为常用的弹性元件由于其自身特性，无法像线性螺旋弹簧那样通过几何结构来实现非线性变刚度特性，但是能够通过改变其有效工作长度来实现变刚度的目的，常用的变刚度原理如图6所示，与图5(c)原理相似，通过移动支点位置来改变板簧的有效长度L．根据悬臂梁的挠曲线方程，刚度表达式如下：k=3EIL3(7)由上式可以看出，有效长度L越小，刚度越大．图6(a)为主动变刚度弹性驱动器A VSEA（active vari-able stiffness elastic actuator）[20]的变刚度原理示意图，板簧不受外力的一端固定，仅通过刚度电机移动作为支点的滚子来调节刚度．Choi等人设计的变刚度关节VSJ（variable stiffness joint）[21]的变刚度原理如图6(b)所示，板簧连接到中心轴上，相同的电机1、2通过曲柄滑块机构共同控制力臂长度L，整个关节使用4组图中的机构平均分布在中心轴周围，当电机控制的曲柄以相同速度同向旋转时，刚度不变，关节旋转，当曲柄反向旋转时，移动支点在板簧上移动，刚度改变．(b)图6使用板簧的变刚度机构Fig.6Variable stiffness mechanisms with leaf springs2.2.4具有特殊曲面／斜面零件的变刚度机构利用凸轮等零件的弧形曲面可以产生非线性变刚度特性，Migliore等人设计的非线性弹性驱动器（nonlinear elastic actuator）[22]采用并联结构，其非线性弹簧装置原理如图7(a)所示，两个滚子之间连接着弹簧，施加外力时，绳子向相反方向拉动外框架和滚子导轨，滚子沿着非线性轮廓移动，弹簧被拉伸，拉力F与弹簧力F s的比值为tanϕ．这种对抗二次弹簧设计方法能够模仿动物的关节结构，提高机器人运动性能．在MACCEPA2.0[23]中，使用心形轮廓圆盘的弧形曲面来产生非线性变刚度特性，如图7(b)所示，弹簧置于旋转体上，其工作原理与MACCEPA相似，但是2.0版的转矩和刚度范围更大．510机器人2015年7月同样，利用具有一定斜率的斜面零件也可以获得非线性特性．Song等人提出的并联变刚度驱动器PVSA（parallel-type variable stiffness actuator）[24]中的双凸轮－滚子机构如图7(c)所示，弹簧位于输出杆中间，一端固定，另一端连着滚子，利用两个凸轮的斜面共同挤压滚子来压缩弹簧，产生非线性变刚度特性．当两个凸轮反向旋转相同角度时，滚子移动，只改变刚度，而输出杆不动；当两个凸轮同向旋转相同角度时，滚子不受挤压，刚度不变，输出杆转动．(a)(b)䖞2(c)图7具有特殊曲面／斜面零件的变刚度机构Fig.7Variable stiffness mechanisms with special curved orinclined surfaces2.2.5S型旋转结构变刚度机构日本东京大学的Osada等人又为仿人机器人Kenzoh设计出一种旋转式非线性弹性部件（rotarynonlinear spring unit）[25]，原理如图8所示，部件分为上下两层，绳子缠绕在上层圆筒的轴上，呈S型，拉动绳子使上层圆筒转动，从而压缩下层的弹簧，绳拉直时的刚度为绳自身材料的最大刚度．旋转结构缩小了体积，并能够适应更大的冲击，产生的力大概是NST的7倍，且使用的旋转电位计价格更低．图8S型旋转结构变刚度机构Fig.8S-type rotary variable stiffness mechanism2.3变刚度机构的位置布局基于驱动方式、变刚度机构的结构等因素，变刚度机构一般分布于机器人关节的关节处或关节两侧．变刚度机构位于关节位置，即机构与关节集成在一起的位置布局，优点是机构的结构紧凑，集成性高，安装简便，缺点是关节体积较大，多数的串联结构会选择这种布局，比如AwAS，但是PVSA、VSJ这些采用并联结构的关节也会集成在关节处．变刚度机构位于关节两侧，即机构与关节分离的布局，变刚度机构往往可以独立用作一个变刚度驱动部件，通常采用滑轮－绳驱动方式连接变刚度机构与关节轮，优点是关节的结构简化，体积减小，总体布局的灵活性高，缺点是集成性低，安装时需要考虑变刚度机构的位置安排，并联结构常采用这种布局，比如Kojiro的肘关节．3结论（Conclusion）3.1对比为了能够直观地对比变刚度机构的性能，将前文提到的部分变刚度机构的性能参数分别列于表1、表2中（部分参数未在参考文献中提及）．表1中的变刚度机构集成度高，可直接作为仿生关节使用．表2中的变刚度机构作为人工肌肉部件，通过绳索安装于关节两侧，构成拮抗式驱动系统，应用范围广泛且灵活，可用于旋转关节．在分析研究各种变刚度机构的结构后，对上述5类变刚度机构在设计实现过程中存在的优缺点进行总结：(1)三角形结构和四杆结构的原理相对容易理解，设计实现也较容易，通常采用预紧弹簧的方式调整刚度，位于平衡位置时，也需要能量来调整刚度，而且受到物理结构的限制，刚度范围会受影响；(2)杠杆结构不需要预紧弹簧来改变刚度，即，平衡位置时不需要能量来改变刚度，刚度变化只与力臂长度有关，调整力臂的方法很多，实现形式多样，但是通常采用一对弹簧，且机构设计会略显复杂；(3)具有特殊曲面／斜面的零件需要实现二次弹簧的功能，因此对零件轮廓的设计要求较高，而且刚度也受到轮廓的物理长度的限制；(4)S型的旋转机制能够有效减小摩擦力，缩小体积，但是设计实现复杂．5类变刚度机构的结构实现各有优缺点，设计时应根据实际应用需求，选择合适的结构类型，扬长避短地进行机构设计．第37卷第4期王颜，等：机械式仿骨骼肌变刚度机构原理及设计511表1变刚度关节的性能参数概览Tab.1An overview of some parameters of several variable stiffness joints名称变刚度机构类型示意图序号及文献编号刚度范围/(N·m/rad)运动范围/(◦)最大力矩/(N·m)质量/kg弹簧数量应用MACCEPA三角形结构图3(c)，[10]28.65～42.970～12070 2.41肘、膝关节AwAS杠杆结构图5(a)，[13]30～1500±12080 1.82膝关节HVSA杠杆结构图5(d)，[14] 4.01～126.050～1208.5 1.82肘关节CompAct-VSA杠杆结构图5(c)，[16]0～∞/11722旋转关节vsaUT-Ⅱ杠杆结构图5(c)，[17]0.7～948±28.660 2.52旋转关节AwAS-Ⅱ杠杆结构图5(c)，[19]0～∞±15080 1.12膝关节A VSEA杠杆结构图6(a)，[20] 4.87～∞±15029 2.22肘关节VSJ杠杆结构图6(b)，[21]252～3648/30 4.954旋转关节非线性特性驱动器具有特殊曲面零件图7(a)，[22]630～46237±900.050.112旋转关节MACCEPA2.0具有特殊曲面零件图7(b)，[23]0～114.590～120600.71膝关节PVSA具有斜面零件图7(c)，[24]0～51.57/90.984旋转关节表2变刚度人工肌肉部件的性能参数概览Tab.2An overview of some parameters of several variable-stiffness artificial muscular units名称变刚度机构类型示意图序号及文献编号刚度范围/(N/m)伸长量/m最大拉力/N长度/m弹簧数量应用NST三角形结构图3(a)，[7]0～∞0∼0.025300.061旋转关节紧凑式非线性弹性部件三角形结构图3(a)，[8]1×103～∞0∼0.0251500.032旋转关节VSD四杆结构图4(b)，[12]100～4×1040∼0.02800.032旋转关节旋转式非线性弹性部件S型结构图8，[25]0～∞0∼0.0252000.051旋转关节由于各仿生变刚度机构的体积、材料、弹性元件刚度系数等设计参数选择不一，因此变刚度机构的总体性能参数也存在较大差异．虽然这些不同用途的变刚度机构能够模拟肌肉的非线性变刚度特性，但是与人体关节性能相比，仍存在一定差距．人体关节的部分性能参数范围如表3所示[26-29]，将列举的变刚度机构与人体关节参数对比，可得出以下结论：表3人体关节部分参数Tab.3Some parameters of human joints关节运动范围/(◦)最大力矩范围/(N·m)刚度范围/(N·m/rad)肘关节0～14650.03±8.161～300膝关节0～140180.14±40.2225～300(1)变刚度机构应用于肘关节时，大多数情况下可以满足1项人体肘关节参数，个别可以满足2项，但是尚不能同时满足3项人体肘关节参数；(2)变刚度机构应用于膝关节时，多数能够满足人体膝关节的运动范围和刚度范围，但是所有变刚度关节的最大力矩都远低于人体膝关节；(3)变刚度人工肌肉部件的刚度范围极大，但最大拉力偏小．应用于肘或膝关节时，容易实现人体关节的运动范围．但是，当仿生关节的尺寸与人体关节相当时，仿生关节力矩与人体关节力矩相比则存在明显差距．3.2结论本文对应用于机器人关节中的机械式仿骨骼肌变刚度机构的非线性变刚度原理及其设计实现方法进行总结分类，重点介绍了三角形结构、四杆结构、杠杆结构、具有特殊曲面／斜面零件及S型结构这5类变刚度机构的结构实现方法，总结了几种仿生关节的变刚度机构性能参数，最后，总结出了5类变刚度机构在设计实现过程中存在的优缺点，以及与人体关节性能的对比结果．机械式仿骨骼肌变刚度机构能够满足人机安全性和未知动态环境适应性的要求，并在人机交互中得到越来越多的应用．虽然目前已经有许多驱动器的设计，但为了获得具有较大可调刚度范围、结构紧凑、质量轻、能量效率高和易于控制等优点的变刚度机构还应该继续探索，笔者希望本文的分析整理结果能够为研究者在未来的设计中提供参考．参考文献（References）[1]van Ham R,Sugar T G,Vanderborght B,et pliant actu-ator designs:Review of actuators with passive adjustable com-512机器人2015年7月pliance/controllable stiffness for robotic applications[J].IEEE Robotics and Automation Magazine,2009,16(3):81-94. [2]余慧杰．具有生理学特性的高精度人体肌肉疲劳建模及其在手臂屈伸运动中的应用研究[D]．上海：复旦大学，2008.Yu H J.Development of a high-fidelity human muscle fatigue model with physiological characteristics for use in the model-ing of the elbowflexor-extensor motion[D].Shanghai:Fudan University,2008.[3]臧克江．编织型气动人工肌肉工作机理及设计理论研究[D]．哈尔滨：东北林业大学，2012.Zang K J.Mechanism and design theory research of braided type pneumatic artificial muscle[D].Harbin:Northeast Forestry University,2012.[4]Tagliamonte N L,Sergi F,Accoto D,et al.Double actuationarchitectures for rendering variable impedance in compliant robots:A review[J].Mechatronics,2012,22(8):1187-1203. [5]Vanderborght B,Albu-Schaeffer A,Bicchi A,et al.Variableimpedance actuators:A review[J].Robotics and Autonomous Systems,2013,61(12):1601-1614.[6]祁宏钟，雷雨成，冯晋祥．变刚度螺旋弹簧的设计方法和精确建模初探[J]．中国机械工程，2002，13(13)：1100-1102.Qi H Z,Lei Y C,Feng J X.Preliminary study on design method of nonlinear spring and precise modeling[J].China Mechanical Engineering,2002,13(13):1100-1102.[7]Osada M,Ito N,Nakanishi Y,et al.Realization offlexible mo-tion by musculoskeletal humanoid“Kojiro”with add-on non-linear spring units[C]//IEEE/RAS International Conference on Humanoid Robots.Piscataway,USA:IEEE,2010:174-179. [8]Nakanishi Y,Ito N,Shirai T,et al.Design of powerful andflex-ible musculoskeletal arm by using nonlinear spring unit and electromagnetic clutch opening mechanism[C]//IEEE/RAS In-ternational Conference on Humanoid Robots.Piscataway,USA: IEEE,2011:377-382.[9]Friedl W,Chalon M,Reinecke J,et,al.FAS aflexible antag-onistic spring element for a high performance over actuated hand[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Piscataway,USA:IEEE,2011:1366-1372.[10]van Ham R,Vanderborght B,van Damme M,et al.MACCEPA,the mechanically adjustable compliance and controllable equi-librium position actuator:Design and implementation in a biped robot[J].Robotics and Autonomous Systems,2007,55(10): 761-768.[11]Huang T H,Huang H P,Kuan J Y.Mechanism and control ofcontinuous-state coupled elastic actuation[J].Journal of Intelli-gent and Robotic Systems,2014,74(3/4):571-587.[12]Yeo S H,Yang G,Lim W B.Design and analysis of cable-driven manipulators with variable stiffness[J].Mechanism and Machine Theory,2013,69:230-244.[13]Jafari A,Tsagarakis N G,Caldwell D G.A novel intrinsical-ly energy efficient actuator with adjustable stiffness(AwAS)[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2013,18(1):355-365.[14]Kim B S,Song J B.Design and control of a variable stiffnessactuator based on adjustable moment arm[J].IEEE Transactions on Robotics,2012,28(5):1145-1151.[15]Visser L C,Carloni R,Stramigioli S.Energy-efficient variablestiffness actuators[J].IEEE Transactions on Robotics,2011, 27(5):865-875.[16]Tsagarakis N G,Sardellitti I,Caldwell D G.A new vari-able stiffness actuator(CompAct-VSA):Design and mod-elling[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligen-t Robots and Systems.Piscataway,USA:IEEE,2011:378-383.[17]Groothuis S S,Rusticelli G,Zucchelli A,et al.The variablestiffness actuator vsaUT-II:Mechanical design,modeling,and identification[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2014,19(2):589-597.[18]Fumagalli M,Barrett E,Stramigioli S,et al.The mVSA-UT:Aminiaturized differential mechanism for a continuous rotational variable stiffness actuator[C]//IEEE RAS/EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics.Pis-cataway,USA:IEEE,2012:1943-1948.[19]Jafari A,Tsagarakis N G,Sardellitti I,et al.A new actuator withadjustable stiffness based on a variable ratio lever mechanism [J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2014,19(1): 55-63.[20]Wang R J,Huang H P.Active variable stiffness elastic actua-tor:Design and application for safe physical human-robot in-teraction[C]//IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Piscataway,USA:IEEE,2010:1417-1422. [21]Choi J,Hong S,Lee W,et al.A robot joint with variablestiffness using leaf springs[J].IEEE Transactions on Robotics, 2011,27(2):229-238.[22]Migliore S A,Brown E A,DeWeerth S P.Novel nonlinearelastic actuators for passively controlling robotic joint compli-ance[J].Journal of Mechanical Design,2007,129(4):406-412.[23]Vanderborght B,Tsagarakis N G,Ham R V,et al.MACCEPA2.0:Compliant actuator used for energy efficient hopping robotChobino1D[J].Autonomous Robots,2011,31(1):55-65. [24]Nam K H,Kim B S,Song J pliant actuation of parallel-type variable stiffness actuator based on antagonistic actua-tion[J].Journal of Mechanical Science and Technology,2010, 24(11):2315-2321.[25]Osada M,Ito N,Nakanishi Y,et al.Stiffness readout inmusculo-skeletal humanoid robot by using rotary potentiome-ter[C]//IEEE Sensors Conference.Piscataway,USA:IEEE, 2010:2329-2333.[26]Nordin M,Frankel V H.Basic biomechanics of the muscu-loskeletal system[M].Philadelphia,USA:Lippincott Williams &Wilkins,2011.[27]徐红旗，张欣，冉令华，等．应用等张模式测定人体单关节肌群功率发展与保持能力的方法学研究[J]．人类工效学，2011，17(4)：13-18.Xu H Q,Zhang X,Ran L H,et al.Methodology research on evaluating the developmental and retentive capacity level of hu-man single-joint muscular power in mode of isotonic test[J].Chinese Journal of Ergonomics,2011,17(4):13-18.[28]Abul-Haj C,Hogan N.An emulator system for developingimproved elbow-prosthesis designs[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1987,34(9):724-737.[29]Zhang L Q,Nuber G,Butler J,et al.In vivo human knee jointdynamic properties as functions of muscle contraction and joint position[J].Journal of Biomechanics,1998,31(1):71-76.作者简介：王颜（1986–），女，博士生．研究领域：仿生结构设计．房立金（1965–），男，博士，教授．研究领域：机器人及自动化控制系统．。
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Type Double-crank; drag-link Crank-rocker Double-rocker Change point Triple-rocker
本節是在解釋一些基本名詞的定義，使同學了解機構設計的內涵。
何謂Machine(機器)
• A system of elements arranged to transmit motion and energy in a predetermined fashion.
Energy Structure Work
(1883)
F 3( N 1) 2 J1 J 2
• where, N: number of links J1: number of pairs with f=1 J2: number of pairs with f=2
Example
N=4
J1=4
J2=0
F=3(4-1)-2X4 =1
Planar mechanism with P-pairs
l=2
N=3 J=3 F=2(3-1-3)+(1+1+1) =1
Spherical mechanism
平面連杆機構
• 在平面連杆機構中廣泛應用
四杆機構.
• 最基本的四杆機構是有四個轉動副的鉸鏈四杆機構 • 四杆機構中分為機架(固定的),連架杆(連杆搖杆),曲柄(能相對機架 作運動的構件) • 鉸鏈四杆機構中,與機架相連的構件能否成為曲柄的條件是:
致動器 (Actuator)
Joints(接頭), Kinematic pairs(運動副)
• Degree of freedom f=1(自由度 1)
f=2
f=3
f=4
f=5
f=5
• . Grubler’s criteria . • For planar mechanisms, • 平面機構的自由度分析
• Where, l: mobility(可動度)of mechanism N: number of links J: number of joints fk: d.o.f. of each joint L: number of independent loops
Example
l=3 N=5 J=6
連杆的類型
• 二連杆: • 三連杆:
四連杆:
Isolated Link: Singular Link:
Mechanical Member(機件)
• 機架 (Frame) 連桿(Link) 滑塊(Slider) 滾子(Roller) 齒輪(Gear) ...
• 凸輪(Cam) 彈簧(Spring) 滑輪(Pulley) 皮帶(Belt)
何謂Analysis(分析)
• Analysis means to decompose, to take apart, to resolve into its constituent parts. 在機構設計中，常用的分析方法有： Graphical method (圖解法) Analytical method (解析法) Numerical method (數值法) Computer-aided approach (電腦輔助分析法)
Design Process
(J.E.Shigley)
Recognition Definition of Problem Synthesis
Analysis & Optimization
Iteration
Evaluation
Presentation
本課程之定位
本課程是屬於碩士班一年級的課程，其先修課程是大學部的機動學和機器 動力學，其中機動學主要是探討平面機構的運動分析；而機器動力學則是 平面機器的動力分析。本課程則主要探討平面機構的合成，至於空間機構 的分析和合成則屬於高等機構設計之範疇。
Example
N=5 J1=5 J2=0
F=3(5-1)-2X5 =2
Example
N=5
J1=5
J2=1
F=3(5-1)-2X5-1 =1
Example
N=6
J1=7
J2=0
F=3(6-1)-2X7 =1
Example
N=3 J1=3 J2=0
F=3(3-1)-2X3 =0 This is a rigid chain.
Example
N=6 pP=2 pR=1
pS=4 =3 cP=5
S P S S R S P
cR=5
cS=3
F=6(6-1)-2X5-1X5-4X3
Spatial Mechanism
Freudenstein & Woo (1974)
F l(N 1 J ) fk lL f k
Hints: Two elements of a lower pair have surface contact(面接觸) with each other, whereas the two elements of a higher pair have only line or point(點或線接觸) contact. (Reuleaux) 低副是可逆的,高副是不 可逆的)
平面機構 分析 合成
Kimematics Dynamics 機動學 機器動力學
空間機構
高等機構設計 機構設計
1-2 機構的組成
• 機構乃是由各種機件和接頭依特定的方式組合 而成，並且機件中有一個固定機架，用以支托 其它運動件，藉著其中一個或數個機件的驅動 ，迫使其它機件產生確定的拘束運動。
Mechanism Structure
Grashof type
• Class I: Grashof type (s + L p + q) Class II: non-Grashof type (s + L > p +q)
Case
S+L ? p+q
Shortest bar Frame Side link Coupler Any Any
Hood Mechanism
Window Mechanism
Web cutter
日內瓦輪(Geneva wheel)
何謂Kinematics(運動學)
• The study of motion without regard forces. Kinematics of machines is a study of the relative motion of machine parts. Displacement, velocity, and acceleration are considered.
何謂Synthesis(合成)
• Synthesis means putting together. 在機構設計中，合成包含： Type synthesis (類型合成) Number synthesis (數目合成) Dimensional synthesis (尺寸合成)
分析、反分析和合成之差異性
1-1 名詞定義
本節將對「機構設計」的涵意做一清楚的定義，讓各 位了解何謂機構，又何謂設計。其中在設計中，所使用的 合成和分析又有何不同。
定義:
Machine(機器) and Mechanism(機構) Kinematics (運動學)and Kinetics(動力學) Analysis（分析） and Synthesis（合成） Design（設計） and Design Process（設計流程）
Kutzbach’s Criteria (1933)
• For Spatial mechanisms, (空間自由度)
F 6( N 1) pi ci
where N: number of links pi: number of pairs of type i ci (=6-fi): degrees of constraint at a pair of type i
方法 已知條件 輸入、法則、系統 輸出、法則、系統 輸入、輸出、法則 輸入、輸出、系統 待求 輸出 輸入 系統 法則
法則 輸入
分析
系統
輸出
反分析 合成 歸納
何謂Design(設計)
• Machine design is the application of science and technology to devise new or improved products for the purpose for satisfying human needs. (A. Esposito, Machine Design)
• 1.最短杆長度+最長杆長度≦其他兩杆長長之和;
• 2. 機架長度-被考察 的機架杆長度≧連杆長
度-另一連架杆長度
Classes of 4-bar linkages
• Grashof’s theorem states that a 4bar mechanism has at least one revoluting link if s+L p+q where s: length of the shortest bar L: length of the longest bar p,q: lengths of intermediate bars
何謂Kinetics(動力學)
• The study of forces on systems in motion. Dynamics of machines treats with the forces acting on the parts of a machine and the motions resulting from these forces.