现代机构学概况与展望

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：现代机构学，进展，前景

1 机构学与现代机构学

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。

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。

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。

3 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。

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。

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。

我国近年来，在机构学理论研究、产品机构系统分析方面取得了较快的发展。在机构型综合及其计算机自动生成方法、机构运动弹性动力学、机构多刚体系统动力学、机构平衡、机构运动分析、受力分析方法及通用程序、机器人机构学诸方面的理论分析已接近国际水平，特别是机构运动弹性动力学和多刚体系统动力学方面已达到世界先进水平。但我们也存在着很多的缺点，在结合产品进行机构系统运动学与动力学分析、优化和计算机仿真方面，则与国际先进水平有明显的差距。

4 机器人为代表的仿生机构学

仿生学是近期发展起来的一门新生学科，仿生学的发展促进了与之密切相关的仿生机构学的诞生与发展。机器人机构在仿生机构领域中发展最快，也是应用最广泛的仿生机构。

仿生学的研究内容十分广泛，主要包括电子仿生、控制仿生、机械仿生、化学仿生和医学仿生等。

仿生学与机械学相互交叉、渗透就构成了仿生机械学。仿生机械是通过研究和探讨生物机制，仿照生物外形、结构或者功能而设计改进的机械，是设计制造功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械的学科。由于能制造出在结构、功能、材料、控制和能耗等诸方面相对更加合理的机械系统，仿生机械学越来越受到重视。在仿生抓取机械中起代表作用的是仿人形机械手，其复杂自由度不但能精确定位还能做出复杂精细的动作，它们可以分为工业机器人用机械手、科研智能机器人用机械手和医疗用机械手。除了以上几个领域的应用外，仿生机械手还可用于化学实验、生物合成等高精度的任务中去，还有一些如在安全领域，利用安装有灵巧手的机器人从事排爆、扫雷等排险、反恐作业。

无论是机械手高达27的高精度复杂自由度的特性，还是随之而来的控制驱动的高难度，都给机构学留下了很多的课题去研究，需要我们做的还有很多。

除了仿生抓取机械之外，还有仿生移动机械，例如常规地形移动机构，松软地面移动机构，墙面移动机构，狭小空间移动机构。可以看得出来，仿生移动机械有很强的应用针对性，在各种复杂极端恶劣的环境中都有极强的适应性。

另外，仿生机械中还有仿生飞行机械，应用最多的是微型飞行器方面，例如微型扑翼飞行器等。仿生游动机械中的主要代表是水下无人潜器，在海洋生物研究、地形勘测、海洋军事等方面的应用日益广泛，拥有广阔的应用价值和开发潜质。

5 结束语

随着机器人产业的兴起和航天事业的进步，对高等机构学的理论研究和实践应用方面的要求必然越来越高，而且当前国家在实体经济中的重视和高投入都将带来高等机构学的一次再次进步，将来也会有更多的成果陆续涌现。作为机械专业的我们更有义务在本专业的领域付出努力和汗水做出自己的成绩。

6 参考文献

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机构学