第一章第一章 绪论绪论Hexa Glide并联机床并联机床 自然机械和人造机械自然机械和人造机械如何如何认识认识和和设计设计这些机械？这些机械？“上上帝帝”创创造造生生灵灵人类创造机械人类创造机械机构学n机构学又称机构和机器科学机构学又称机构和机器科学n机构学就是要揭示自然和人造机械的组成机构学就是要揭示自然和人造机械的组成原理原理n创造新机构创造新机构n为现代机电系统的设计服务为现代机电系统的设计服务 第一节第一节 机构学的研究对象及机构学的研究对象及 其研究的基本问题其研究的基本问题一、机械设计制造过程中学科分类一、机械设计制造过程中学科分类 1. 1. 设计设计 人们将头脑中的构人们将头脑中的构思转化成实体形式或系统，思转化成实体形式或系统，这一过程叫做设计这一过程叫做设计 目的性、系统性、目的性、系统性、创造性、开放性、创造性、开放性、多样性多样性 n一、机械设计制造过程中学科分类一、机械设计制造过程中学科分类 2.2.机械工程学科分类机械工程学科分类1 1）机械学（设计阶段：用于准备信息）机械学（设计阶段：用于准备信息）机构学、机械结构强度学、摩擦学、设计方法学、机构学、机械结构强度学、摩擦学、设计方法学、振动学振动学 。
2 2）机械制造工程学（制造阶段：用于处理信息）机械制造工程学（制造阶段：用于处理信息） 金属工艺学金属工艺学 、制造工艺学、制造工艺学 、机械加工设备、机械加工设备( (刀具、刀具、机床、夹具机床、夹具) ) n二、机构学研究对象二、机构学研究对象 1. 1. 机构的定义机构的定义 狭义（狭义（ReulauxReulaux定义）：机构是闭链定义）：机构是闭链 ，不，不动构件为机架动构件为机架 ，可以，可以传递、转换运动传递、转换运动 广义：机构是由构件和运动副组成而且能广义：机构是由构件和运动副组成而且能完成确定运动的完成确定运动的机械系统机械系统 一般来说，机构学研究对象为刚体构件组成的多体约束一般来说，机构学研究对象为刚体构件组成的多体约束机械系统平面连杆机构机械系统平面连杆机构组合机构组合机构空间机构）空间机构）现代机构学的研究对象不断扩展现代机构学的研究对象不断扩展n2.2.研究对象研究对象n3.3.机构学理论基础和研究手段机构学理论基础和研究手段1 1） 理论基础理论基础 数学和力学数学和力学2 2）研究手段）研究手段 计算机技术、实验和仿真、计算机技术、实验和仿真、MatlabMatlab、AdamsAdamsn4.4.机构学研究的目的机构学研究的目的1) 1) 发明创造新机械发明创造新机械 （机构型综合）（机构型综合）2)2)改进现有机械改进现有机械（先分析后综合）（先分析后综合） 机构创新是机械创机构创新是机械创新的重要组成部分新的重要组成部分n三、机构学的研究内容三、机构学的研究内容结构学（分析和综合）结构学（分析和综合）运动学（分析和综合）运动学（分析和综合）动力学（分析和综合）动力学（分析和综合） n三、机构学的研究内容三、机构学的研究内容1.1.结构学（拓扑结构学）结构学（拓扑结构学） 根据机构所要实现的运动传递或转换要求确定根据机构所要实现的运动传递或转换要求确定机构类型和组成原理，包括结构分析和结构综合。
机构类型和组成原理，包括结构分析和结构综合 1 1）结构分析：给定机构，了）结构分析：给定机构，了解构件和运动副的数量，计解构件和运动副的数量，计算自由度，确定自由度类型算自由度，确定自由度类型（平动，转动）平动，转动） n三、机构学的研究内容三、机构学的研究内容2 2）结构综合：根据功能要求，确定机构类型，即确）结构综合：根据功能要求，确定机构类型，即确定构件和运动副的数量及连接方式其中结构综合定构件和运动副的数量及连接方式其中结构综合又包括了数综合和型综合又包括了数综合和型综合n数综合：给定自由度数综合：给定自由度F F，确定构件数，确定构件数n n和运动副数和运动副数P Pn型型综综合合：给给定定构构件件数数n n和和运运动动副副数数P P，确确定定连连接接方方式式和和结结构类型n三、机构学的研究内容三、机构学的研究内容2.2.运动学运动学1 1）运动学分析：研究给定机构各构件）运动学分析：研究给定机构各构件（或各构件上的点）之间位置、速度（或各构件上的点）之间位置、速度和加速度的关系及其变化规律和加速度的关系及其变化规律2 2）运动学综合：根据机构各构件的运）运动学综合：根据机构各构件的运动变化规律来确定机构的几何参数动变化规律来确定机构的几何参数（运动学参数优化）。
运动学参数优化）n三、机构学的研究内容三、机构学的研究内容3.3.动力学动力学1 1）动力学分析：研究给定机构的运动（位置、速度和）动力学分析：研究给定机构的运动（位置、速度和加速度）与作用在各构件上的力或力矩之间的关系加速度）与作用在各构件上的力或力矩之间的关系 2 2）动力学综合：根据动力学性能要求，确定动力学参）动力学综合：根据动力学性能要求，确定动力学参数4 4、机构学研究的基本问题、机构学研究的基本问题机构分析机构分析 机构综合机构综合n四、机构的分类四、机构的分类 1. 1. 按构件的结构形式按构件的结构形式连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、棘轮机构、槽轮机构棘轮机构、槽轮机构n四、机构的分类四、机构的分类 2. 2. 按构件的运动范围按构件的运动范围 分为平面机构、空间机构分为平面机构、空间机构n四、机构的分类四、机构的分类 3. 3. 按运动链形式按运动链形式 分为开链机构、闭链机分为开链机构、闭链机构（单闭链和多闭链）构（单闭链和多闭链）4. 4. 按机器人机构运动链形式按机器人机构运动链形式 分为串联机构、并联机构、分为串联机构、并联机构、混联机构（串并联）混联机构（串并联）第二节第二节 机构系统创新设计机构系统创新设计的过程的过程n一、机构系统创新设计的层次一、机构系统创新设计的层次1.1.基本原理基本原理 涉及机构学研究的不同方面和层次的基本原涉及机构学研究的不同方面和层次的基本原理和方法的创新理和方法的创新2.2.拓扑结构拓扑结构3.3.驱动方式驱动方式4.4.运动学设计运动学设计5.5.动力学设计动力学设计6.6.控制系统控制系统 二、机构系统（机电系统）设计过程二、机构系统（机电系统）设计过程三、机构发展展望三、机构发展展望1.1.机构类型的广义化机构类型的广义化2.2.机构创新设计的理论和方法的系统化、深入化机构创新设计的理论和方法的系统化、深入化4.4.微机构和微动机构的理论与应用微机构和微动机构的理论与应用3.3.机构设计过程的计算机辅助设计（智能化）机构设计过程的计算机辅助设计（智能化）6.6.高速和高精度机械（机构）的研究高速和高精度机械（机构）的研究5.5.仿生机构的理论与应用仿生机构的理论与应用7.7.传统典型机构研究的深入传统典型机构研究的深入n四、机械发展史简介四、机械发展史简介技术萌芽技术萌芽简单机械简单机械n四、机械发展史简介四、机械发展史简介n四、机械发展史简介四、机械发展史简介n四、机械发展史简介四、机械发展史简介n四、机械发展史简介四、机械发展史简介n四、机械发展史简介四、机械发展史简介n四、机械发展史简介四、机械发展史简介参考书目：参考书目：n1. 邹慧君，高峰邹慧君，高峰. 现代机构学进展现代机构学进展. 高等教育出版社，高等教育出版社，2007n2. 熊有伦熊有伦. 机器人学机器人学. 机械工业出版社，机械工业出版社，1993n3. 黄真等黄真等. 高等空间机构学高等空间机构学. 高等教育出版社，高等教育出版社，2006n4. 黄真黄真. 并联机器人机构学理论及控制并联机器人机构学理论及控制. 机械工业出版社，机械工业出版社，1997n5. 张策张策. 机械原理和机械设计机械原理和机械设计. 机械工业出版社，机械工业出版社，2011n6. 邹慧君邹慧君. 机械系统设计原理机械系统设计原理. 科学出版社，科学出版社，2003第二章第二章 连杆机构的结构学连杆机构的结构学 一、研究对象一、研究对象 具体地说：研究机构的组成原理，机构的分类，机构的具体地说：研究机构的组成原理，机构的分类，机构的结构情况以及机构在什么样的条件下才能有确定的运动。
结构情况以及机构在什么样的条件下才能有确定的运动第一节第一节 概述概述平面连杆机构和空间连杆机构平面连杆机构和空间连杆机构 二、研究问题二、研究问题 结构分析和结构综合结构分析和结构综合 自由度自由度F F的计算 机构的数综合，即给定自由度机构的数综合，即给定自由度F F，求机构构件的数量，求机构构件的数量n n和运和运动副数动副数p p 机构的型综合，即给定自由度机构的型综合，即给定自由度F F、构件数、构件数n n和运动副和运动副p p，求出，求出机构的机构的“型型” n三、机构的组成三、机构的组成1 1、构件、构件构件是具有确定运动的独立单元构件是具有确定运动的独立单元一个构件可以是一个零件，也可以是一个构件可以是一个零件，也可以是多个零件的组成多个零件的组成构件是一般是刚性的构件是一般是刚性的构件还可具体分为：机架、原动件和构件还可具体分为：机架、原动件和从动件 机构由构件、运动副组成机构由构件、运动副组成n三、机构的组成三、机构的组成2 2、运动副、运动副运动副是构件间的活动连接运动副是构件间的活动连接运动副限制了构件间的相对运动而保留了另一部分运动运动副限制了构件间的相对运动而保留了另一部分运动。
单自由度运动副：单自由度运动副：回转副回转副R R移动副移动副P P螺旋副螺旋副H Hn三、机构的组成三、机构的组成1 1、运动副、运动副球面副球面副S S三自由度运动副：三自由度运动副：虎克铰虎克铰U U或或T T二自由度运动副：二自由度运动副：圆柱副圆柱副C Cn三、机构的组成三、机构的组成3 3、运动链、运动链两个或两个以上的构件由运动副连接起来形成运动链两个或两个以上的构件由运动副连接起来形成运动链可以把某些运动链看作是复合运动副可以把某些运动链看作是复合运动副运动链可以分为开式链和闭式链，其中闭式链又可分为单运动链可以分为开式链和闭式链，其中闭式链又可分为单闭链和多闭链闭链和多闭链将运动链的某个构件固定成为机构将运动链的某个构件固定成为机构第二节第二节 机构的自由度机构的自由度 构件（物体）的自由度：构件（物体）的自由度： 描述其运动的独立坐标数目（描述其运动的独立坐标数目（1 1物体自由度不大于物体自由度不大于6 6） 机构的自由度：机构的自由度： 机构中各构件有确定运动，描述其运动所需的独立坐机构中各构件有确定运动，描述其运动所需的独立坐标数目n平面机构的自由度平面机构的自由度n空间机构的自由度空间机构的自由度1919世纪法国学者世纪法国学者KutzbachKutzbach给出的自由度计算公式给出的自由度计算公式一一. .单开链机构的自由度计算（串联机构）单开链机构的自由度计算（串联机构）nF机构的自由度机构的自由度nf i 第第i个运动副的自由度个运动副的自由度nn运动副数运动副数末端构件自由度末端构件自由度66，而，而F F 可能大于可能大于6 6 ，一般，一般F F =,=,F F时时 该机构具有冗余度自由度，可提高机构运动的灵巧性。
该机构具有冗余度自由度，可提高机构运动的灵巧性 二二. .单闭链机构的自由度计算单闭链机构的自由度计算 若存在虚约束或局部自由度，则若存在虚约束或局部自由度，则上式失效上式失效 1. Kutzbonch1. Kutzbonch准则准则公共约束数：机构的所有构件都受到相同性质和数量的约束公共约束数：机构的所有构件都受到相同性质和数量的约束 2. 2. 断开机架法断开机架法二二. .单闭链机构的自由度计算单闭链机构的自由度计算 约束条件数，且约束条件数，且。