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機(jī)械裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì)

包郵 機(jī)械裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì)

出版社：科學(xué)出版社出版時(shí)間：2021-08-01
開本： B5 頁(yè)數(shù)： 384
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機(jī)械裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì) 版權(quán)信息

機(jī)械裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì) 內(nèi)容簡(jiǎn)介

    構(gòu)型是機(jī)械裝置及裝備創(chuàng)新的原始基礎(chǔ)。受傳統(tǒng)圖譜法在平面機(jī)構(gòu)及并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)綜合中成功應(yīng)用的啟發(fā)，建立了一套適用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)及裝備的圖譜化構(gòu)型設(shè)計(jì)方法。通過(guò)將抽象設(shè)計(jì)與形象設(shè)計(jì)相結(jié)合，期望為工程師提供一種簡(jiǎn)單實(shí)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)手段。全書共8章，第1章為緒論。第2章為圖譜法的萌芽，為機(jī)械裝置的圖譜化表達(dá)提供了基本素材和手段。第3章將Blanding法則納入到線幾何的理論框架下。第4章主要討論如何利用廣義Blanding法則實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題。第5章是對(duì)第3章理論基礎(chǔ)的深入擴(kuò)展，為圖譜法提供了強(qiáng)有力的理論支撐。第6章則枚舉性地給出了一些典型機(jī)械裝置（包括經(jīng)典機(jī)構(gòu)等）的自由度&約束線圖。第7章以當(dāng)前熱門的二維轉(zhuǎn)臺(tái)及五維聯(lián)動(dòng)混聯(lián)裝置為例，對(duì)并/混聯(lián)裝置的圖譜法創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了討論。第8章則對(duì)更為熱門的柔性機(jī)構(gòu)的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了闡述。

機(jī)械裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì) 目錄

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 1
1.2 基本概念 5
1.2.1 機(jī)械裝置的基本組成元素：構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副 5
1.2.2 運(yùn)動(dòng)鏈、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu) 9
1.2.3 機(jī)械裝置的簡(jiǎn)化表達(dá) 10
1.2.4 自由度與約束 11
1.2.5 結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)綜合 11
1.3 典型的機(jī)械裝置 12
1.4 幾種常用創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的比較 16
1.5 本書內(nèi)容 20
參考文獻(xiàn) 21
第2章 圖譜法的雛形——精確約束設(shè)計(jì)原理 24
2.1 自由度線與約束線 24
2.1.1 自由度線 25
2.1.2 約束線 25
2.1.3 自由度（或約束）線圖 27
2.2 自由度（約束）的等效線 28
2.3 冗余線 35
2.4 自由度線圖與約束線圖之間的對(duì)偶關(guān)系——圖譜法的萌芽 39
2.5 基于圖譜法的瞬時(shí)自由度分析 46
2.5.1 自由度計(jì)算的基本公式 46
2.5.2 自由度分析的圖譜法 47
2.5.3 實(shí)例分析 49
2.6 本章小結(jié) 53
參考文獻(xiàn) 54
第3章 線圖分析法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 55
3.1 自由度線與約束線的數(shù)學(xué)描述 55
3.1.1 直線與Plucker坐標(biāo) 55
3.1.2 偶量與Plucker坐標(biāo) 57
3.1.3 直線與偶量的物理意義 58
3.2 自由度線與約束線之間對(duì)偶關(guān)系的數(shù)學(xué)描述 60
3.2.1 兩直線的互易積 60
3.2.2 直線與偶量的互易積 61
3.2.3 兩偶量的互易積 61
3.3 自由度（約束）線圖的數(shù)學(xué)描述 62
3.3.1 線集、線簇及分類 62
3.3.2 不同幾何條件下的線集相關(guān)性判別 64
3.3.3 線空間 72
3.3.4 偶量空間 77
3.3.5 自由度（或約束）等效線的數(shù)學(xué)解釋 79
3.3.6 子空間 83
3.4 自由度線圖與其對(duì)偶約束線圖之間幾何關(guān)系的數(shù)學(xué)描述 84
3.4.1 線簇及偶量集的互易積 84
3.4.2 Blanding法則的廣義化 85
3.4.3 對(duì)偶線（子）空間的求解 86
3.5 自由度與對(duì)偶約束圖譜 89
3.5.1 自由度＆約束線空間圖譜（只含直線及偶量）的繪制 89
3.5.2 實(shí)例分析 100
3.6 本章小結(jié) 103
參考文獻(xiàn) 103
第4章 圖譜法創(chuàng)新設(shè)計(jì)初探 105
4.1 兩個(gè)簡(jiǎn)單的構(gòu)型設(shè)計(jì)實(shí)倒 106
4.2 同維子空間 111
4.3 常見運(yùn)動(dòng)副的自由度＆約束線圖 117
4.3.1 簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)副的自由度＆約束線圖 117
4.3.2 運(yùn)動(dòng)子鏈的自由度＆約束線圖 119
4.3.3 復(fù)雜鉸鏈的自由度＆約束線圖 122
4.4 圖譜法構(gòu)造運(yùn)動(dòng)鏈 126
4.4.1 特定約束作用下的運(yùn)動(dòng)副空間 126
4.4.2 利用約束＆自由度線圖構(gòu)造運(yùn)動(dòng)鏈 130
4.4.3 不同自由度＆約束線圖下所對(duì)應(yīng)的常用運(yùn)動(dòng)鏈 132
4.5 運(yùn)動(dòng)副（或約束）空間的分解 145
4.6 一個(gè)稍復(fù)雜的設(shè)計(jì)實(shí)例 147
4.7 本章小結(jié) 149
參考文獻(xiàn) 150
第5章 圖譜設(shè)計(jì)的旋量解析 151
5.1 旋量及其互易性 152
5.1.1 旋量 152
5.1.2 運(yùn)動(dòng)旋量和力旋量 154
5.1.3 旋量的互易積 157
5.1.4 特殊幾何條件下的H易旋量對(duì) 159
5.2 旋量系及其互易性 163
5.2.1 旋量系的定義 163
5.2.2 旋量系維數(shù)（或旋量集的相關(guān)性）的一般判別方法 166
5.2.3 特殊幾何條件下旋量系（旋量集）的維數(shù)——特殊旋量系 168
5.2.4 旋量系的分類及其線圖表達(dá) 172
5.3 互易旋量系——自由度空間與約束空間 187
5.3.1 互易旋量系 187
5.3.2 旋量系與其互易旋量系之間的幾何關(guān)系 188
5.3.3 互易旋量空間線圖表達(dá)及圖譜繪制 189
5.3.4 自由度空間與約束空間 190
5.4 旋量空間中包含同維線子空間的條件 192
5.4.1 理論基礎(chǔ) 192
5.4.2 設(shè)計(jì)實(shí)例 194
5.5 本章小結(jié) 196
參考文獻(xiàn) 196
第6章 典型機(jī)械裝置的自由度&約束線圖 199
6.1 機(jī)構(gòu)自由度分析中的困難與困惑 199
6.2 經(jīng)典機(jī)構(gòu)及其自由度＆約束線圖 208
6.3 可提供剛性約束的可拆連接 218
6.4 一些典型的單自由度機(jī)械約束裝置 221
6.5 位移子群＆子流形與自由度＆約束線圖之間的映射 223
6.6 本章小結(jié) 231
參考文獻(xiàn) 232
第7章 并/混聯(lián)機(jī)械裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì) 235
7.1 并/混聯(lián)機(jī)器及其應(yīng)用 235
7.2 并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的旋量系及旋量空間 239
7.3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)的圖譜化構(gòu)型綜合 244
7.3.1 實(shí)用型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型分布特征 244
7.3.2 一般綜合過(guò)程 246
7.3.3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)副的選取 248
7.3.4 構(gòu)型綜合實(shí)例 250
7.4 混聯(lián)裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì) 275
7.4.1 五軸混聯(lián)機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 276
7.4.2 一種高靈活性五軸混聯(lián)機(jī)床的構(gòu)型綜合實(shí)例 280
7.5 本章小結(jié) 285
參考文獻(xiàn) 285
第8章 柔性設(shè)計(jì) 288
8.1 柔性機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用 288
8.2 與柔性有關(guān)的基本術(shù)語(yǔ)及主要性能指標(biāo) 290
8.3 材料選擇 292
8.4 加工方法概述 293
8.5 基本柔性單元及其等效自由度（或約束）模型 295
8.5.1 基本柔性單元 295
8.5.2 基本柔性單元（對(duì)稱結(jié)構(gòu)）的等效自由度或約束模型 295
8.6 常見柔性鉸鏈及柔性機(jī)構(gòu)的分類 299
8.6.1 柔性鉸鏈的分類與枚舉 299
8.6.2 常用柔性模塊（機(jī)構(gòu)）的分類 305
8.7 柔性機(jī)構(gòu)自由度分析的圖譜法和解析法 308
8.7.1 柔性機(jī)構(gòu)自由度分析的圖譜法 309
8.7.2 柔性機(jī)構(gòu)自由度分析的解析法 310
8.8 柔性機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合的圖譜法 314
8.8.1 構(gòu)型綜合的基本思路 315
8.8.2 并聯(lián)式柔性機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合 320
8.8.3 串/混聯(lián)式柔性機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合 328
8.9 并/混聯(lián)柔性機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)的深層考慮 329
8.9.1 簡(jiǎn)單全并聯(lián)的實(shí)現(xiàn)條件 329
8.9.2 柔性機(jī)構(gòu)的混聯(lián)實(shí)現(xiàn) 335
8.9.3 柔性機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)空間 341
8.9.4 大行程柔性精微機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合 345
8.10 柔性裝置圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例 348
8.10.1 一種模塊化、可重構(gòu)柔性教具的設(shè)計(jì)與使用 348
8.10.2 柔性重力梯度敏感機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì) 353
8.11 柔性機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的幾種主要方法概述 355
8.11.1 與圖譜法相火的幾種設(shè)計(jì)方法 355
8.11.2 其他幾種構(gòu)型設(shè)計(jì)方法 358
8.12 本章小結(jié) 361
參考文獻(xiàn) 361
附錄A 柔度矩陣的建模與坐標(biāo)變換 367
A.1 柔度的坐標(biāo)變換 367
A.2 空間柔度矩陣的建模 369
A.3 實(shí)例 372
參考文獻(xiàn) 374
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機(jī)械裝置的圖譜化創(chuàng)新設(shè)計(jì) 節(jié)選

第1章 緒論 增強(qiáng)自主創(chuàng)新特別是原始創(chuàng)新能力是21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略基點(diǎn)。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中*能體現(xiàn)原始創(chuàng)新能力的階段要屬概念設(shè)計(jì)階段，原始創(chuàng)新往往出現(xiàn)于此。當(dāng)前，以機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床為代表的現(xiàn)代機(jī)械裝置與裝備正在向高速、高加速、高精度、智能化、可重構(gòu)等功能特異型方向發(fā)展。現(xiàn)在制造業(yè)的飛速發(fā)展同時(shí)也為機(jī)械裝置的原始創(chuàng)新提供了空前的機(jī)遇。為滿足機(jī)械裝備或產(chǎn)品向“重大精尖”和“微小精密”等方向發(fā)展的需求，機(jī)械裝置更是不斷地推陳出新，具有并聯(lián)、柔性、變胞等特征的各類新型機(jī)構(gòu)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。 創(chuàng)新設(shè)計(jì)(creative design)決定了機(jī)械產(chǎn)品的生命力。如果設(shè)計(jì)有缺陷，則制造出的將會(huì)是有先天不足的產(chǎn)品或“有殘疾的機(jī)械”。對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新而言，機(jī)械裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有原創(chuàng)的特征性質(zhì)，是機(jī)械發(fā)明中*具有挑戰(zhàn)性和發(fā)明性的核心內(nèi)容。而創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的豐富與完善則大大提高機(jī)構(gòu)構(gòu)型的種類與品質(zhì)。因此，有關(guān)機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究對(duì)提高機(jī)械產(chǎn)品的自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新有著十分重要的意義。 1.1 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 談起“設(shè)計(jì)”，人們并不陌生。因?yàn)樵诟餍懈鳂I(yè)甚至日常生活中，人們總是和設(shè)計(jì)打交道。哪怕是孩提時(shí)在草紙上的涂鴉也能體現(xiàn)出某種設(shè)計(jì)思想。一方面，我們驚嘆自然設(shè)計(jì)的偉大（圖1-1）；另一方面，我們醉意于蒙娜麗莎等人工設(shè)計(jì)的奇思妙想；而在工程領(lǐng)域，源于工程師的設(shè)計(jì)同樣十分重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)結(jié)果往往產(chǎn)生各種物化的生產(chǎn)力、新產(chǎn)品等，直接造福于人類（圖1-2）。 圖1-1 自然設(shè)計(jì)與黃金分割率 圖1-2 人工設(shè)計(jì)實(shí)例 機(jī)械工程是工程的一個(gè)重要領(lǐng)域，機(jī)械設(shè)計(jì)(mechanical design)在其中的作用不可或缺。它的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)與機(jī)械相關(guān)的裝置、產(chǎn)品與系統(tǒng)等。機(jī)械是機(jī)器與機(jī)構(gòu)的總稱。其中，機(jī)器(machines)是一種根據(jù)某種任務(wù)要求而設(shè)計(jì)的通過(guò)部件變換來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)、能量、物料及信息的裝置，如我們所熟悉的汽車、機(jī)器人等都屬于典型的機(jī)器。盡管機(jī)器的表現(xiàn)形式多種多樣、千差萬(wàn)別，但就其功能實(shí)現(xiàn)而言，都是通過(guò)“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)各物理量的傳遞和變換，而這種能實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動(dòng)傳遞與變換的子系統(tǒng)就是機(jī)構(gòu)(mechanisms)。常見的機(jī)構(gòu)包括齒輪（系）機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等，其組成元素是構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副。圖1-3以單缸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，示意了機(jī)器與機(jī)構(gòu)的差別。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(mechanism design)的主要任務(wù)是確定機(jī)構(gòu)的類型和自由度、決定構(gòu)件及運(yùn)動(dòng)副的數(shù)日和種類、確定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以產(chǎn)生所期望的運(yùn)動(dòng)。因此，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要組成部分，位于設(shè)計(jì)過(guò)程的前端，屬于概念設(shè)計(jì)(conceptual design)階段。何為概念設(shè)計(jì)？概念設(shè)計(jì)是指在確定任務(wù)之后，通過(guò)抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當(dāng)?shù)淖饔迷砑捌浣M合，確定出基本求解途徑，得出求解方案。概念設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)創(chuàng)造過(guò)程，同時(shí)也是*具難度的環(huán)節(jié)。 圖1-3 機(jī)器與機(jī)構(gòu) 機(jī)械裝置的概念設(shè)計(jì)過(guò)程一般包括前期階段的功能設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，以及后期階段的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)（如有必要）兩個(gè)設(shè)計(jì)階段（一般設(shè)計(jì)流程如圖1-4所示）。前期設(shè)計(jì)階段偏重于形象思維，*具創(chuàng)造性，設(shè)計(jì)難度也*大，相當(dāng)部分的設(shè)計(jì)工作是非數(shù)據(jù)性、非計(jì)算性的，必須依靠知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的積累和創(chuàng)新思維方法，創(chuàng)新的火花往往產(chǎn)生于這一階段；后期設(shè)計(jì)階段偏重于邏輯思維，著重改善機(jī)械的運(yùn)動(dòng)性能與動(dòng)力性能。 縱觀整個(gè)人類文明史，可以看到機(jī)械概念設(shè)計(jì)經(jīng)歷了以下四個(gè)階段： (1) 直覺設(shè)計(jì)階段：人類祖先為了生存或更加有效地保護(hù)自己，學(xué)會(huì)了制作弓箭、杠桿、轆轤、風(fēng)車以及水利機(jī)械等。那時(shí)人們或是從自然現(xiàn)象中得到啟示或是憑直覺設(shè)計(jì)機(jī)械，但并不知其所以然，從而驅(qū)使人們?nèi)シ治鲅芯窟@些機(jī)械的工作原理，并將其與數(shù)學(xué)結(jié)合起來(lái)，逐漸產(chǎn)生了力學(xué)與機(jī)構(gòu)學(xué)雛形。 圖1-4 機(jī)械裝置概念設(shè)計(jì)（即機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)）的一般流程 (2) 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段：自17世紀(jì)數(shù)學(xué)與力學(xué)結(jié)合后，人們開始應(yīng)用數(shù)學(xué)及力學(xué)公式來(lái)解決機(jī)械設(shè)計(jì)中的一些問(wèn)題。18世紀(jì)工業(yè)革命后，有關(guān)機(jī)械的創(chuàng)造發(fā)明如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。19世紀(jì)成為科技發(fā)展史上一個(gè)重要時(shí)期，但這個(gè)時(shí)期的人們還不能提出更多的設(shè)計(jì)理論與方法指導(dǎo)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 (3) 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段：進(jìn)入20世紀(jì)的前半個(gè)世紀(jì)，圖紙和圖譜設(shè)計(jì)大大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，同時(shí)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論和各種專業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)理的研究也逐漸加強(qiáng)。通過(guò)建立百科全書式的機(jī)構(gòu)圖冊(cè)、圖譜，為設(shè)計(jì)者提供了大量的信息。至今這種設(shè)計(jì)方法仍然廣泛采用，但其靜態(tài)性、經(jīng)驗(yàn)性及手工式的特點(diǎn)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段沒有本質(zhì)的區(qū)別。 (4) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段：隨著系統(tǒng)論、信息論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)入了現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段。其特點(diǎn)體現(xiàn)在：突出設(shè)計(jì)的程式化、自動(dòng)化與創(chuàng)造性，注重設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)性與先進(jìn)設(shè)計(jì)工具的使用。 需要指出的是，機(jī)構(gòu)創(chuàng)新與新裝置發(fā)明是機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中永恒的研究主題。在人類改造環(huán)境、解放自我的不斷需求中，源源不斷地設(shè)計(jì)出各種新穎、合理、實(shí)用的機(jī)械，同時(shí)也有效地促進(jìn)了機(jī)械科學(xué)向前發(fā)展。18世紀(jì)瓦特時(shí)代對(duì)于直線機(jī)構(gòu)等的強(qiáng)烈需求開啟了對(duì)平面連桿、凸輪、齒輪等“傳統(tǒng)”機(jī)械設(shè)計(jì)及應(yīng)用的研究，到19世紀(jì)勒洛(Reuleaux)時(shí)代逐漸架構(gòu)起了機(jī)構(gòu)符號(hào)表達(dá)與構(gòu)型綜合的理論框架，20世紀(jì)則掀起了空間機(jī)構(gòu)及機(jī)器人的研究熱潮。 鑒于機(jī)構(gòu)構(gòu)型創(chuàng)新具有原創(chuàng)的特質(zhì)，同時(shí)也是機(jī)械發(fā)明中*具有挑戰(zhàn)性和發(fā)明性的核心內(nèi)容，因此有關(guān)構(gòu)型設(shè)計(jì)的研究對(duì)提高機(jī)械產(chǎn)品的自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新有著十分重要的意義。而有關(guān)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的豐富與完善則會(huì)大大提高機(jī)構(gòu)構(gòu)型的種類與品質(zhì)，因此一直以來(lái)都是學(xué)者和工程師關(guān)注與研究的熱點(diǎn)。 具有普適意義的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法主要包括以下幾種：基于直覺和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法；組合創(chuàng)新法（模塊化設(shè)計(jì)）；變異創(chuàng)新法；原始創(chuàng)新法等。 組合創(chuàng)新法是指將若干基本機(jī)構(gòu)按照一定的原則和規(guī)律組合成一個(gè)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，往往可以實(shí)現(xiàn)某些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)功能。從目前的研究來(lái)看，這是一類可應(yīng)用各類機(jī)械裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)的普適方法，有著極為廣泛的應(yīng)用。 變異創(chuàng)新法是指以某種機(jī)構(gòu)為原始機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)原始機(jī)構(gòu)的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行某種性質(zhì)的改變或變換，演變發(fā)展出新機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。常用的變異創(chuàng)新法有機(jī)構(gòu)倒置與擴(kuò)展、等效運(yùn)動(dòng)置換、改變局部結(jié)構(gòu)等。 原始創(chuàng)新法是指通過(guò)引入先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具、力學(xué)及生物學(xué)原理等設(shè)計(jì)理念，有效實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的原始創(chuàng)新。 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本條件，而具有普適意義的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方法研究無(wú)疑是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新走向工程化的基本保障。未來(lái)機(jī)械產(chǎn)品亟須蘊(yùn)含更高的技術(shù)附加值以及更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此，研究機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法不僅具有重要的理論學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，較之只針對(duì)某種特異機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，建立普適性的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理及理論體系更為困難。 傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法集中體現(xiàn)在構(gòu)型研究上。勒洛是*早進(jìn)行機(jī)構(gòu)構(gòu)型研究的學(xué)者，其*大貢獻(xiàn)莫過(guò)于提出了機(jī)構(gòu)的符導(dǎo)表達(dá)。俄國(guó)阿蘇爾(Assur)提出的平面機(jī)構(gòu)構(gòu)型“桿組法”則是早期構(gòu)型理論研究方面*重要的發(fā)現(xiàn)。但人類對(duì)復(fù)雜平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合取得重大突破是在20世紀(jì)60年代以后。其中的代表人物是美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的弗洛丹斯坦(Freudenstein)教授，他提出了結(jié)構(gòu)與功能分離的原則并采用圖論來(lái)研究平面機(jī)構(gòu)的拓?fù)渚C合。縱觀20世紀(jì)60年代以來(lái)平面機(jī)構(gòu)學(xué)的研究進(jìn)展，衍生了很多行之有效的平面機(jī)構(gòu)綜合方法，具有代表性的方法有：圖論法、阿蘇爾桿組法、對(duì)偶數(shù)法等。運(yùn)用這些方法，系統(tǒng)地綜合出了許多新型的平面機(jī)構(gòu)，相繼解決了復(fù)雜的十桿以上平面機(jī)構(gòu)的拓?fù)渚C合及同構(gòu)問(wèn)題。運(yùn)用這些平面機(jī)構(gòu)的綜合方法，已經(jīng)建立起平面機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合較為完善的方法體系。一個(gè)重要標(biāo)志是創(chuàng)立了完整的平面機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖譜，為平面機(jī)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的選型提供了強(qiáng)有力的保障。隨著桿數(shù)的增多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的同構(gòu)問(wèn)題越發(fā)復(fù)雜，對(duì)數(shù)學(xué)工具及方法的依賴性也越大，但可以為與其他學(xué)科交叉建立理論基礎(chǔ)。 同樣，從20世紀(jì)60年代開始，有關(guān)機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)理論初露端倪。隨著產(chǎn)業(yè)機(jī)械及其他各類機(jī)械產(chǎn)品的功能需求日益增強(qiáng)，基于元機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)顯現(xiàn)出越來(lái)越多的優(yōu)勢(shì)，相關(guān)的設(shè)計(jì)技法也成為學(xué)界的研究熱點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)進(jìn)行機(jī)構(gòu)計(jì)算綜合(computational synthesis)成為當(dāng)時(shí)機(jī)構(gòu)學(xué)頗具代表性的研究方向。這種創(chuàng)新方法也是機(jī)構(gòu)學(xué)界近40年來(lái)的研究熱點(diǎn)，并取得了一定的研究成果。計(jì)算綜合中比較典型的方法有：圖論法、矩陣法、旋量理論、再生運(yùn)動(dòng)鏈法等。這種基于已知機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行組合的設(shè)計(jì)方法，其共同特點(diǎn)在于：具有存儲(chǔ)大量知識(shí)的成熟的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方案知識(shí)庫(kù)，且為開放式的。設(shè)計(jì)人員無(wú)須掌握太多的相關(guān)學(xué)科的背景知識(shí)就可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)可根據(jù)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)行為或功能需求，枚舉機(jī)構(gòu)的所有類型，識(shí)別滿足結(jié)構(gòu)要求的圖形，繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)閣，甚至還可進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。研究人員利用這種技法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種實(shí)用機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如長(zhǎng)間歇機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、機(jī)車懸掛機(jī)構(gòu)、窗檻鎖緊機(jī)構(gòu)等。然而，這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法目前仍處于發(fā)展階段，與實(shí)用化還有一定的距離。 1.2 基本概念 1.2.1 機(jī)械裝置的基本組成元素：構(gòu)件與運(yùn)動(dòng)副 構(gòu)件(link)：機(jī)械裝置中能夠進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的單元體。構(gòu)件可以是常見的剛體，如桿、齒輪、凸輪等；也可以是撓性體（如帶、繩、鏈）或彈性體（如彈簧），甚至還可以是流體（如油、氣體等）。圖1-5列舉出了一些常用的構(gòu)件及其結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖。機(jī)器人中的構(gòu)件多為剛性連桿。但在某些特定應(yīng)用中，構(gòu)件的彈性或柔性不可忽視，或者本身即為彈性構(gòu)件或柔性構(gòu)件。 運(yùn)動(dòng)副（kinematic pair，簡(jiǎn)稱關(guān)節(jié)或鉸鏈）：是指兩構(gòu)件既保持接觸又有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)連接。 下面給出運(yùn)動(dòng)副的幾種不同分類形式： 圖1-5 常用構(gòu)件功能及結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖 (1) 低副/高副：兩構(gòu)件為面接觸/兩構(gòu)件為點(diǎn)、線接觸。 (2) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)副引入的約束數(shù)目不同，可分為V級(jí)副、Ⅳ級(jí)副、Ⅲ級(jí)副、Ⅱ級(jí)副、Ⅰ級(jí)副等；還有一種特殊的約束——?jiǎng)傂约s束，可完全約束兩個(gè)剛體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從機(jī)械連接角度來(lái)看，是種固定連接，如焊接、鉚接、螺紋連接等。 (3) 根據(jù)低副所具有的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，可細(xì)分為轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、螺旋副、球銷副、圓柱副、球副、平面副等。 19世紀(jì)末期，勒洛發(fā)現(xiàn)并描述了6種可能的低副（表1.1，不含虎克鉸）。這些運(yùn)動(dòng)副能夠在保持表面接觸的同時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，他把這些當(dāng)作機(jī)械關(guān)節(jié)中*基本的理想運(yùn)動(dòng)副。在機(jī)械工程中，通常又稱運(yùn)動(dòng)副為關(guān)節(jié)或者鉸鏈。其中轉(zhuǎn)動(dòng)副與移動(dòng)副是機(jī)械裝置中*常用的兩種運(yùn)動(dòng)副類型。 表1-1 常見運(yùn)動(dòng)副的類型及其代表符號(hào)

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