第1章機(jī)構(gòu)分析與綜合緒論

1、 第一章 緒 論一、一、 機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展歷史機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展歷史 又稱機(jī)構(gòu)與機(jī)器科學(xué)，是機(jī)械設(shè)計(jì)及理論二級學(xué)科的重要研究分支，現(xiàn)今已有數(shù)千年的歷史，主要研主要研究和探討究和探討機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法，是一門極具創(chuàng)造創(chuàng)造性和設(shè)計(jì)性性和設(shè)計(jì)性的學(xué)科。 機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展的三個階段機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展的三個階段： （1）從古世紀(jì)18世紀(jì)中葉：機(jī)構(gòu)的啟蒙和發(fā)展機(jī)構(gòu)的啟蒙和發(fā)展。最早應(yīng)用的杠桿原理、輪與輪軸、絞盤、螺桿等都是機(jī)構(gòu)的雛形。桔槔桔槔耬車耬車記里鼓車記里鼓車指南車指南車 （2）從18世紀(jì)中葉20世紀(jì)中葉：機(jī)構(gòu)的快速發(fā)機(jī)構(gòu)的快速發(fā)展時期。展時期。尤其是18世紀(jì)歐洲工業(yè)革命后，蒸汽機(jī)的發(fā)明與應(yīng)用繁榮了機(jī)械工業(yè)，也促進(jìn)了

2、機(jī)械工程學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)也由此發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，形成了機(jī)構(gòu)學(xué)獨(dú)立的體系和獨(dú)特的研究內(nèi)容（主要包括機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)）。一些經(jīng)典的理論和著作也相繼誕生，如瑞士數(shù)學(xué)家歐拉（Euler）提出的平面運(yùn)動可看成是一點(diǎn)的平動和繞該點(diǎn)的轉(zhuǎn)動的疊加；法國的科里奧利（Coriolis）提出的相對速度和相對加速度概念；英國劍橋大學(xué)教授威利斯（Willis）出版的專著Principles of Mechanisms；法國的勒洛（Reuleaux）出版的專著（Kinematics of Machinery）等等。 （3）從20世紀(jì)下半葉至今：控制論與信息技術(shù)的發(fā)展使機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)展成為現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)現(xiàn)代機(jī)構(gòu)

3、學(xué)?，F(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)已大大不同于19世紀(jì)傳統(tǒng)機(jī)械的概念，它充分利用計(jì)算機(jī)信息處理和控制等現(xiàn)代化手段，成為了集機(jī)械與計(jì)算機(jī)為一體的機(jī)電一體化系統(tǒng)，包括機(jī)構(gòu)、驅(qū)動、控制、傳感與信息處理等五個子系統(tǒng)，其中機(jī)構(gòu)只是現(xiàn)代機(jī)械骨架與執(zhí)行器?，F(xiàn)代機(jī)械的典型機(jī)器人?，F(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)的理論體系與研究內(nèi)容也有新擴(kuò)展。如：實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)學(xué)與驅(qū)動、控制、信息等學(xué)科的交叉融合，機(jī)構(gòu)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模、創(chuàng)建三者融為一體且考慮到驅(qū)動與控制技術(shù)的系統(tǒng)理論；機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)用軟件。 古代機(jī)械紀(jì)年二、二、 機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展動向機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展動向 機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展動向主要體現(xiàn)在以下8個方面： (

4、1) 機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)的研究機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)的研究 機(jī)構(gòu)分析與綜合由傳統(tǒng)的圖解法（幾何法） 解析法。機(jī)構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)工具包括：代數(shù)工具（如矢量、坐標(biāo)變換、矩陣變換、旋轉(zhuǎn)算子、對偶矩陣、四元代數(shù)等）；幾何工具（如微分幾何、李群、李代數(shù)、圖論等）；其它數(shù)學(xué) 工 具 （ 如 數(shù) 論 、 旋 量 理 論 、 組 合 數(shù) 學(xué) 等 ） 。 (2) 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與方法的研究機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與方法的研究 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與方法是機(jī)構(gòu)學(xué)的重要研究內(nèi)容之一。國內(nèi)許多高校和科研機(jī)構(gòu)都開展了這方面的深入研究如：北航的張啟先院士、北理工、北京科技大學(xué)、天津大學(xué)、燕山大學(xué)、上海交通大學(xué)等。 (3) 機(jī)構(gòu)動力學(xué)機(jī)構(gòu)動力學(xué) 這是機(jī)構(gòu)學(xué)中的重

5、點(diǎn)和難點(diǎn)。(包括：動力學(xué)方程的建立與求解，外載荷作用引起的構(gòu)件變形、運(yùn)動副摩擦、尺寸誤差等造成的機(jī)構(gòu)精度問題，外載荷作用引起的原動件運(yùn)動規(guī)律的變化，機(jī)構(gòu)不平衡質(zhì)量引起的機(jī)械運(yùn)行負(fù)面影響等) (4) 邊緣科學(xué)邊緣科學(xué) 現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與多學(xué)科的交叉、融合。如：機(jī)構(gòu)學(xué)與電子學(xué)、遺傳學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等的交叉，形成了諸如壓電陶瓷驅(qū)動的微小機(jī)械、利用電磁效應(yīng)的微位移機(jī)構(gòu)、仿生機(jī)械等。 (5) 廣義機(jī)構(gòu)廣義機(jī)構(gòu) 傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)主要涉及由剛性構(gòu)件組成的機(jī)構(gòu)狹義機(jī)構(gòu)。隨著機(jī)械、材料、電子技術(shù)的交叉發(fā)展，出現(xiàn)了非剛體構(gòu)件組成的機(jī)構(gòu)廣義機(jī)構(gòu)。如：帶傳動、鏈傳動機(jī)構(gòu)，液壓、氣動機(jī)構(gòu)，電磁致伸縮機(jī)構(gòu)、柔性運(yùn)動副機(jī)構(gòu)等。 (6) 微型機(jī)構(gòu)微型機(jī)構(gòu) 微型機(jī)構(gòu)在航空、航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。如：原子發(fā)動機(jī)、微型機(jī)構(gòu)用于腦部手術(shù)的精確定位等。 (7) 變胞機(jī)構(gòu)變胞機(jī)構(gòu) 機(jī)構(gòu)自由度或構(gòu)件的運(yùn)動形態(tài)可隨工作要求自動變換的一種新型機(jī)構(gòu)，如火星登陸車。 (8) 新型機(jī)構(gòu)新型機(jī)構(gòu) 主要包括并聯(lián)機(jī)構(gòu)、柔順機(jī)構(gòu)、冗余度機(jī)構(gòu)、受控機(jī)構(gòu)、仿生機(jī)構(gòu)、微小機(jī)構(gòu)和變胞機(jī)構(gòu)等。三、三、 課程研究內(nèi)容課程研究內(nèi)容 1） 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成理論機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成理論 對空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度計(jì)算、組成原理分析和機(jī)構(gòu)的型、數(shù)綜合。 2 2） 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析與綜合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分