原作者:邹慧君 蓝兆辉 王石刚 郭为忠 出处:
【论文摘要】分析了机构学领域的研究现状，总结了机构学领域的发展趋势。在此基础上，讨论了机构学的应用前景，并提出现代机构学的新认识。
0 前言
机构学在广义上又称机构和机器理论(简称机械原理)。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，通过对机构的结构学、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18～19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。
现代机械已大大不同于19世纪机械的概念，其特征是具有计算机信息处理和控制的手段，从而促使机构学发生广泛、深刻的变化。
值得注意的是，近年来机构学不时被认为是“夕阳”学科，其地位、作用甚至存在的必要性都受到怀疑。不可否认，机构学与其他老学科一样，一些不适应科技发展需要的内容将被逐步淘汰，但现代科学技术的发展更是为机构学提出了新的研究课题，提供了新的研究手段，开辟了新的研究领域。我们确信，在整个工程技术体系中，机构学对提高产品开发能力起着关键作用。一门适应现代机器设计需要、满足现代科技发展要求的新机构学已经呼之欲出。老学科开出的新花将会更加鲜艳。机构学学者任重道远，前途光明。
1 机构学的研究现状
近年来机构学研究进展很快，成果累累，现将主要研究情况综述如下。
1.1 平面与空间连杆机构的结构理论研究
研究机构的结构单元及机构拓扑结构特征，如主动副存在准则、活动度类型及其判定、拓扑结构的同构判定、消极子运动链判定等。研究满足拓扑结构要求的机构结构类型综合及其自动生成。研究机构创新设计的方法学和结构类型的优选。
1.2 典型机构的运动分析与综合研究
连杆机构运动分析新方法的研究，如单开链法、区间分析法、网络分析法和吴文俊消元法等。在连杆机构综合中提出了解析法与优化法相结合的机构尺度综合法、机构装配构形与尺度综合的同伦方法、机构尺度类型及其性能关系的图谱法等。给出了空间7R机构位移方程式的完美形式(16次方程)。采用数值化图谱替代传统的连杆曲线图谱实现机构综合。
凸轮机构分析与综合的研究也日益深化。摆动从动件盘形凸轮机构优化设计问题已有较好结果，摆动从动件圆柱凸轮机构凸轮曲面的设计方法也有不少进展。
此外，高速分度机构的设计和各种组合机构(凸轮—连杆、齿轮—连杆和齿轮—凸轮等)的设计方法均有不少研究成果。
典型机构的深入研究有利于改善现有机器的性能，也有利于机器创新设计的深化。
1.3 机构动力学问题的研究
随着机器向高速、高精度、高自动化方向发展，机构动力学研究的内容越来越广泛。
凸轮机构动力学深入研究，从动件运动规律选择、动力学模型建立、动力响应求解和动力综合方法等研究均有不少成果。
平面与空间连杆机构振动力的完全平衡方法和振动力与振动力矩完全平衡方法在理论上已有较好的解决。
考虑构件弹性的弹性连杆机构动力分析与综合的研究已越来越深入，考虑运动副间隙的连杆机构动力分析及运动稳定性研究取得进展，同时考虑构件弹性和运动副间隙甚至弹流状态的动力分析已有初步研究成果。包含变质量构件机构的动力学也已引起关注并有初步研究。
1.4 机器人机构和步行机机构的研究
对机器人机构学的深入研究有助于设计出性能优良的机器人。如对并联机器人运动学与动力学研究、冗余度机器人的逆运动学研究、关节轨迹规划及考虑关节弹性的多机器人协调操作的研究、变几何桁架机器人机构增大工作空间和提高灵巧性研究。虚拟轴机床是应用并联机器人机构的新型数控加工装备，1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings＆Lewis公司和英国Geodetic公司首次展出了称为VARIAX和Hexapods的虚拟轴机床，此后欧洲各国和日本也竞相研制。我国第一台大型镗铣类虚拟轴机床原型样机VAMT1Y已由清华大学和天津大学联合开发成功，于1997年12月通过鉴定。研究虚拟轴机床中并联空间机构的类型、运动学和动力学、工作空间分析与综合问题，将有利于提高和完善虚拟轴机床的工作性能。
对步行机机构学的深入研究有利于步行机实现在特定地面的行走需要。步行机主要有两足步行机、四足步行机、六足步行机和八足步行机。目前主要研究其行走机理、机械结构和控制技术等。管道机器人是特殊场合下的行走机构，对其类型、行走步态规划和控制技术已有较深研究。
1.5 新型机构的研究
柔性机构(Compliantmechanism)、微型机构(Micromechanism)、带式凸轮机构(Bandmechanism)、动定机构及仿生机构等各种新型机构不断涌现并得到研究，突破了机构学的一些传统观念，在某些特殊领域得到应用或具备应用前景。
机构学近20年来的研究成果，大大地推动了机构学的发展，为机构学的现代化打下了坚实的基础。
2 机构学的发展趋势
随着科学技术和工业生产的飞跃发展，机构学在以下几个方面引起机构学界的重视并开展了有益的探讨。
2.1 机械产品概念设计促进机构及其系统的设计理论和方法的研究
面对21世纪产品竞争日益加剧的挑战，开展机械产品概念设计研究，对于进行产品创新和提高产品自主开发能力，越来越显得重要。在概念设计中，要加强机构类型、机构创新设计方法研究，进行机构系统设计理论与方法研究，建立功能结构表示库、执行机构库，研究机构系统设计推理方法和评价方法，建立机构系统设计专家系统，逐步实现机构系统设计的智能化、自动化和快速化。
2.2 机电一体化技术的发展促进机电系统方案设计的研究
机电一体化技术的发展，使具有液压、电气、气动、磁性和光电等元件的机构广泛应用，这种机构称为广义机构。广义机构类型及结构组成原理和设计方法需要大力开展研究，使各种技术取长补短，探索更加灵巧、完善的执行机构。目前已有文献报道开展混合机器(Hybridmachine)研究,这是一种具有柔性输出的机构，它采用多自由度机构及某一输入构件的伺服控制来实现可变的运动规律和运动轨迹，使机械设备具有必要的柔性和较高的效能，其类型、运动学和运动学是值得开展研究的课题。
机电系统的方案设计理论和方法，目前研究得还不充分，广义机构系统的执行机构库、推理方法和评价方法还有待研究。
2.3 机器人技术的发展推动机器人机构深入研究
机器人技术对于实现生产和作业的自动化有举足轻重的作用。智能机器人是863高技术计划自动化领域的主题之一。机器人技术的发展要求机器人机构学和控制技术继续深入研究，针对机器人机构的类型、工作空间分析、尺度综合以及工作稳定性等问题，探讨更加有效的设计理论和方法，同时继续进行考虑关节弹性、冗余度和冗余机器人机构问题研究，提高机器人机构实用效果，扩大其应用范围，使虚拟轴机床有进一步发展。
2.4 机械动态设计的发展推动机构及其系统的动态分析与设计
随着机械向高速、高精度、高性能方向的发展，机构及其系统的动力学问题更加突出。应根据工程需要，探索考虑构件弹性和运动副间隙的机构动力综合计算方法、机构系统的动力学建模技术和动力学综合方法、机构系统的振动主动控制等问题。
为了确保机械工作可靠，机械系统的状态监测和故障诊断的专家系统已成为新的研究热点。
2.5 加速多种学科与机构学交叉、融汇，形成多种机构学新分支
机构学与多种学科交叉、融汇形成新的学科分支，将使机构学更加充满活力，可以大大推动科学技术和工业生产的发展。机构学与微电子学、材料科学、计算机技术和控制技术等学科交叉形成了微机械学；机构学与生物学结合形成了仿生机械学等。研究特殊条件下的机构设计问题已显得十分迫切，例如失重状态下的机构、深海作业的机构和航空航天的机构等。各种新型机构的研究将为扩大和推进机构学的研究内容产生深远的影响。
2.6 对传统的典型机构深入研究，完善其设计方法，提高现有机器的性能
传统的典型机构至今仍然在各种各样机器中广泛应用。推进和完善它们的机构综合方法、建立基于功能需要的机构设计新方法和设计专家系统，都将大大有利于典型机构的广泛应用。例如实现轨迹的连杆机构、摆动从动件的盘状凸轮机构和圆柱凸轮机构、组合机构、周转轮系等的类型和设计方法等等，仍是值得研究的课题。
3 机构学的应用前景和新认识
上述机构学发展趋势表明，机构学的应用前景十分广阔。研究机构学的理论和方法，可望在以下方面取得应用成果。
(1)进行机械产品创新设计，推进产品设计的智能化、自动化和快速化，提高机械产品自主开发能力。 (2)开展机电一体化系统的方案设计，使机械设备的输出运动具有柔性。改变机械设计传统的观念，一批新颖的执行机构将会应运而生。 (3)设计和研制各种性能优良、稳定高效的机器人和虚拟轴机床，实现工业生产和各种作业的柔性化、自动化。 (4)创造出适合各种特殊场合及工作条件的新颖机械，例如在血管中爬行的机械、在沼泽地行走的机械等。
机构学的新发展，使我们对它有了新的认识。我们认为，现代机构学与传统机构学在以下几点有明显的区别：
(1)在机构的类型方面，已由传统纯刚性构件的机构扩展为包含多种类型元件的广义机构。 (2)在机器的构成方面，已增加了用于信息处理和控制的计算机，机电集成和融合成为新一代机器的重要标志。 (3)在机构和机器设计方面更具系统性，日趋智能化。 (4)现代机构学更注重考虑多种因素的动态分析和动态设计，力求提高机器的实际工作性能。
因此可以说，机构学已经由单纯研究机构的结构学、运动学、动力学的理论和方法，发展成为一门研究各种机构的功能、工作原理、类型、设计方法，研究机器的运行状态和特性、控制方式及系统设计方法的技术基础学科。机构学是一门应用性很强的学科，必将有力地促进机电产品的创新设计和开发，并在高科技发展进程中发挥重要作用。
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