【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)類型及組成原理、設(shè)計方法大大豐富了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)的內(nèi)容。在微機(jī)構(gòu)方面，微機(jī)器和微機(jī)器人是 21 世紀(jì)的前沿技術(shù)之一，所有發(fā)達(dá)國 家無一例外地都在大力開展相關(guān)研究。作為系統(tǒng)，已經(jīng)開發(fā)出微加工系統(tǒng)、微裝配系統(tǒng)。日本微機(jī)器計劃開發(fā)出由 5mm 5mm 模塊組成的模塊化微機(jī)器樣機(jī)，用于高密度細(xì)徑管線的表面檢查作業(yè)；作為器件，已經(jīng)開發(fā)出微連桿、微轉(zhuǎn)子、微關(guān)節(jié)、微彈簧、微齒輪、微夾鉗、微驅(qū)動器等，微驅(qū)動器是微機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。醫(yī)用微機(jī)器人的進(jìn)展也很快，它們的任務(wù)是在血管內(nèi)或胃腸道內(nèi)檢查、診斷和最小損傷治療。在仿生機(jī)構(gòu)方面，仿生機(jī)構(gòu)愈來愈嶄露頭角，賦予機(jī)構(gòu)創(chuàng)新廣闊天地。蛇蠕動機(jī)理啟發(fā)了沿人體腸道內(nèi)移動的仿蛇機(jī)器人，模仿魚擺尾和鳥撲翼產(chǎn) 生“半轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)”，被稱為“小東西”的機(jī)器蟹已經(jīng)用于掃雷實(shí)驗(yàn)。擬人機(jī)器人是仿生機(jī)械中最富有挑戰(zhàn)性的項(xiàng)目之一，日本早稻田大學(xué) 在 1973 年試制的 WABOT1揭開了相關(guān)研究的序幕。目前代表作品是本田公司的雙足步行機(jī)器人 ASIMO，它能以變步速和變步幅在平地行走、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯和跨越障礙。在變胞機(jī)構(gòu)方面，變胞機(jī)構(gòu)是空間多自由度多環(huán)機(jī)構(gòu)學(xué)理論的新分支，在衛(wèi)星天線、太陽能陣列接收板、發(fā)射架、折疊臂等，特別是空間運(yùn)載工具載荷艙的受限幾何空間中大有用武之地。 1998 年變胞機(jī)構(gòu)的概念被提出后，已經(jīng)討論了變胞機(jī)構(gòu)的結(jié) 構(gòu)模型、自由度、構(gòu)形變換以及相關(guān)的矩陣運(yùn)算。其研究與分析的數(shù)學(xué)工具主要為拓?fù)鋵W(xué)、圖論、李代數(shù)、矩陣、旋量等。在正交平面機(jī)構(gòu)方面，正交平面機(jī)構(gòu)的構(gòu)件都位于同一平面，但能產(chǎn)生不在同一平面的運(yùn)動，它的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。柔性正交平面機(jī)構(gòu)甚至能制作在同一塊基片上。由于 MEMS 工藝上的特點(diǎn)，微機(jī)構(gòu)經(jīng)常被制作在若干平面層上，因此正交平面微型機(jī)構(gòu)也已經(jīng)問世了，如曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（長 300μ mm，寬 125μ mm，厚 2μ mm）、四連桿機(jī)構(gòu)等。在受控機(jī)構(gòu)方面，受控機(jī)構(gòu)指結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)節(jié)且輸入可控的單自由度機(jī)構(gòu)，以及輸入可由恒速電機(jī)和 伺服電機(jī)驅(qū)動的多自由度機(jī)構(gòu)。隨精確實(shí)現(xiàn)任意給定運(yùn)動和機(jī)構(gòu)智能化的要求，受控機(jī)構(gòu)學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，其研究對象包括可調(diào)機(jī)構(gòu)（ adjustable mechanism）、伺服輸入機(jī)構(gòu)（ variable input mechanism）、混合輸入機(jī)構(gòu)（ hybrid mechanism），研究內(nèi)容除受控連桿機(jī)構(gòu)的分析和綜合外，還涉及控制方法、系統(tǒng)和應(yīng)用。在齒輪連桿機(jī)構(gòu)方面，概括現(xiàn)有文獻(xiàn)中齒輪連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析方法有三種：復(fù)數(shù)矢量法、分組運(yùn)動分析法和一般解析式法。只有通過綜合才能設(shè)計出滿足要求的機(jī)構(gòu)。但是組成原理方面的研究尚 比較薄弱，還未能提出系統(tǒng)的理論，這在一定程度上影響到齒輪連桿機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。在冗余度機(jī)構(gòu)方面，冗余度機(jī)構(gòu)或者超冗余度機(jī)構(gòu)在機(jī)器人學(xué)中有廣泛的用途，目前有人在如何通過局部優(yōu)化或全局優(yōu)化解決冗余ee 9 度運(yùn)動逆解問題、冗余度機(jī)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則、由于偽逆控制導(dǎo)致非保守解以及非保守解漂移的幾何性態(tài)問題等方面取得進(jìn)展 [1,36,13, 5256]。 （ 2）國外發(fā)展趨勢。機(jī)構(gòu)的類型由傳統(tǒng)的純剛性構(gòu)件擴(kuò)展為包含多種類型元件的廣義機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)學(xué)的新概念、新理論與新方法日趨體系化，與系統(tǒng)整體特性和新機(jī)構(gòu)發(fā)明相關(guān)的新理論體系正在逐步完善。貫 穿理論體系的基本思想之一是機(jī)械系統(tǒng)不同層次結(jié)構(gòu)單元、單元間的約束特性、單元所組成的系統(tǒng)的整體特性之間具有內(nèi)在的聯(lián)系和規(guī)律性。這樣就促使了機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)相互融合一體，柔性機(jī)構(gòu)學(xué)、微機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人機(jī)械學(xué)以及廣義機(jī)構(gòu)學(xué)更顯著地體現(xiàn)這個基本發(fā)展趨勢。用于信息處理和控制的計算機(jī)演化為機(jī)械系統(tǒng)的一個組成部分。機(jī)電集成和融合成為新一帶機(jī)器的重要標(biāo)志。如數(shù)字凸輪，就是機(jī)構(gòu)與計算機(jī)的結(jié)合。在機(jī)構(gòu)和機(jī)器的設(shè)計方面更加系統(tǒng)化和智能化。計算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)及專家系統(tǒng)成為現(xiàn)代化機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析的主要手段。機(jī)構(gòu)學(xué)概念、知識 、理論、方法和專家經(jīng)驗(yàn)與計算機(jī)系統(tǒng)的邏輯推理、分析判斷、數(shù)優(yōu)處理、圖形顯示等功能密切結(jié)合，以簡單、直觀、快速、最優(yōu)的形式完成設(shè)計任務(wù)，逐步生成用于產(chǎn)品設(shè)計的通用程序庫和軟件包。在這一背景下，一些用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)分析的功能強(qiáng)大的軟件相繼問世，如數(shù)學(xué)處理軟件 Matlab、 Mathematica、 Mathcad，非線性復(fù)雜分析與設(shè)計的專用軟件 UG、 ADAMS、 ANSYS，機(jī)器人分析和仿真軟件 ROBCAD、 IGRIP、CimStation 等。計算機(jī)技術(shù)改變了機(jī)構(gòu)學(xué)傳統(tǒng)的研究方法，并與現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù)緊密結(jié)合。使原來不可能 求解的機(jī)構(gòu)變?yōu)榭赡?，?shù)學(xué)也成為機(jī)構(gòu)學(xué)理論不斷完善的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)更注重考慮多因素的動態(tài)設(shè)計和動態(tài)分析，力求提高機(jī)器的實(shí)際工作效能。在機(jī)構(gòu)性能試驗(yàn)、測試方法及裝置上注重機(jī)構(gòu)學(xué)理論研究與試驗(yàn)研究相結(jié)合，促進(jìn)理論課題與改進(jìn)產(chǎn)品性能的結(jié)合 [1 ,13]。 （ 3）國內(nèi)研究現(xiàn)狀。在平面與空間連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)研究方面，我國在世界上占有一席之地，借助軟件，在分析和設(shè)計平面連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動鏈以及自動生成結(jié)構(gòu)類型方面取得頗豐的成果，如機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)單元及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征研究、主動副存在的準(zhǔn)則、活動度類型及其判定、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同構(gòu)判定、消極子運(yùn) 動鏈判定等。在滿足拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合及其自動生成、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)、結(jié)構(gòu)類型優(yōu)選等方面也有建樹。在連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)理論研究方面，我國已居世界前列，我國提出的新方法有：解析法與優(yōu)化法結(jié)合的機(jī)構(gòu)尺度綜合法、機(jī)構(gòu)裝配構(gòu)形與尺度綜合的同倫法、圖譜法、以及采用數(shù)值化圖譜替代傳統(tǒng)的連桿曲線圖譜實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)綜合等等。在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析方面提出單開鏈法、區(qū)間分析法、網(wǎng)絡(luò)分析法和吳文俊消元法等新方法?？臻g 7R 機(jī)構(gòu)位移方程式的ee 10 完美形式也是我國學(xué)者提出的。在高速凸輪從動件運(yùn)動規(guī)律的選定、基于模糊數(shù)學(xué)設(shè)計凸輪機(jī)構(gòu)的方法、擺 動從動件盤形凸輪機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等方面我國學(xué)者取得好的結(jié)果，擺動從動件圓柱凸輪機(jī)構(gòu)凸輪曲面的設(shè)計方法也有明顯的進(jìn)展。此外，高速分度機(jī)構(gòu)的設(shè)計和各種組合機(jī)構(gòu)（凸輪 — 連桿、齒輪 — 連桿、齒輪 — 凸輪）的設(shè)計方法均取得了一些高水平的研究成果。在機(jī)構(gòu)動力學(xué)方面，我國在凸輪機(jī)構(gòu)動力學(xué)、從動件運(yùn)動規(guī)律選擇、動力學(xué)建模、動力響應(yīng)求解和動力綜合方法方面取得的進(jìn)展。平面與空間連桿機(jī)構(gòu)振動力的完全平衡法和振動力與振動力矩完全平衡法在理論上得到較圓滿的解決，彈性連桿機(jī)構(gòu)動力分析和運(yùn)動穩(wěn)定性研究也取得進(jìn)展，同時考慮彈性和運(yùn)動副間隙甚至彈流 狀態(tài)的動力分析已有初步成果。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)方面，我國的機(jī)器人學(xué)研究早期是從機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)即多剛體運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和仿真起步的，我國機(jī)器人學(xué)的研究始終關(guān)注和跟蹤世界潮流的進(jìn)展。 20 世紀(jì) 80年代末期進(jìn)行了焊接、噴涂、裝配機(jī)器人以及諧波減速器、十字交叉滾子軸承、伺服電機(jī)與驅(qū)動器等的技術(shù)攻關(guān)。 20 世紀(jì) 90 年代機(jī)器人研發(fā)擴(kuò)展到特種機(jī)器人、步行機(jī)器人、微機(jī)器人、柔性手爪、變位機(jī)、多機(jī)器人系統(tǒng)等等。工業(yè)機(jī)器人設(shè)計軟件包和機(jī)器人應(yīng)用工程取得了一些可喜的成績。在并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究方法上建樹頗多，如運(yùn)動影響系數(shù)法、少自由度并聯(lián)機(jī) 器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動的螺旋法、主螺旋的識別和表示問題、一般線性奇異的研究等。我國幾乎與國外同時發(fā)表了一般 6— 6 型平臺并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)輸入輸出位移方程為 20次形式的結(jié)論， 1997 年我國第一臺大型鏜銑類虛擬軸機(jī)床的原型樣機(jī)問世。在冗余度機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)、關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃，以及考慮關(guān)節(jié)彈性的多機(jī)器人協(xié)調(diào)操作、變幾何桁架機(jī)器人工作空間和靈巧性的理論和應(yīng)用等方面我國學(xué)者的成績也相當(dāng)引人注目。在新機(jī)構(gòu)的研究方面，特種機(jī)器人為機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新提供了廣闊的天地，我國有關(guān)單位正在研究開發(fā)水下自主機(jī)器人、步行機(jī)器人、壁面爬行機(jī)器人、主從遙控移動作 業(yè)機(jī)械手、管道機(jī)器人、伐樹根機(jī)器人、外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)等。航空航天事業(yè)對變胞機(jī)構(gòu)提出需要，大型衛(wèi)星天線的研究在我國由來已久，桁架結(jié)構(gòu)的研究也有基礎(chǔ)。折疊式伸縮臂、冗余度變幾何桁架機(jī)器人也引起我國學(xué)者的興趣。 （ 4）國內(nèi)存在的差距。我國在該領(lǐng)域的多個方面與國際先進(jìn)水平比較還存在差距，特別是在應(yīng)用層面上有較大差距。具體體現(xiàn)在：機(jī)構(gòu)設(shè)計方法學(xué)的研究不夠系統(tǒng)，從總體上影響了對機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計；我國尚無體現(xiàn)設(shè)計方法學(xué)的、自有知識產(chǎn)權(quán)的大型商用軟件棉世。在標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化設(shè)計方面的工作進(jìn)展也較為緩慢。缺乏必要的樣機(jī) 或原型以驗(yàn)證理論的正確性、可靠性。即便有樣機(jī)，研究的連續(xù)性也不夠，急于求成，淺嘗輒止。如步行機(jī)機(jī)構(gòu)學(xué)的研究，由于 20 世紀(jì) 90 年代中期階段性停頓，目前與日本、ee 11 美國相比有一定的差距。復(fù)雜機(jī)構(gòu)研究的成功還受到傳感器、控制等系統(tǒng)集成技術(shù)的制約。例如多指多關(guān)節(jié)靈巧手、雙足步行機(jī)器人的研究，關(guān)鍵在傳感器及其融合技術(shù)。發(fā)表的論文所提出的理論難以得到精心設(shè)計的實(shí)驗(yàn)和令人信服的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有力支持，更多的驗(yàn)證手段僅是依賴仿真?？傮w上基礎(chǔ)工業(yè)薄弱，單元開發(fā)的技術(shù)支持軟弱，樣機(jī)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化進(jìn)程緩慢。新穎機(jī)構(gòu)的發(fā)明創(chuàng)新不多，原始創(chuàng)新 成果較少 [1]。 國內(nèi)、外減速器的研究現(xiàn)狀 減速器是機(jī)械系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響機(jī)械系統(tǒng)的性能。齒輪減速器是把機(jī)械傳動中的原動機(jī)和工作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)接起來，通過不同齒形和齒數(shù)的齒輪以不同級數(shù)傳動，實(shí)現(xiàn)定傳動比減速（或增速）和起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩的作用，減速時稱減速器（增速時稱為增速器）。齒輪減速器由齒輪、軸、軸承及箱體等零部件組成 。 由于計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，改變了制造業(yè)的傳統(tǒng)觀念和生產(chǎn)組織方式。一些先進(jìn)的齒輪生產(chǎn)廠家已經(jīng)采用精益生產(chǎn)、敏捷制造、智能制造等先進(jìn)技術(shù)，形成 了高精度、高效率的智能化齒輪生產(chǎn)線和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理，使得齒輪減速器技術(shù)的發(fā)展將不斷躍上新的臺階 [7， 10]。 當(dāng)前齒輪減速器普遍存在著體積大、重量大，或者傳動比大而機(jī)械效率過低的問題 。當(dāng)今世界各國齒輪和齒輪減速器向著高承載能力、高齒面硬度、高轉(zhuǎn)速、高精度、高可靠性、高效率、低成本、低噪聲、標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化方向發(fā)展，即六高、二低、二化發(fā)展的總趨勢。減速器和齒輪的設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展，在一定程度上標(biāo)志著一個國家的工業(yè)水平 [21]。 國外的減速器，以德國、丹麥和日本處于領(lǐng)先地位，特別在材料和制造工藝方面占據(jù)優(yōu)勢， 減速器工作可靠性好，使用壽命長。但其傳動形式仍以定軸齒輪傳動為主，體積和重量問題，也未解決好。日本住友重工研制的 FA型高精度減速器，美國 AlanNewton公司研制的 XY式減速器，在傳動原理和結(jié)構(gòu)上與 連桿凸輪減速器 類似或相近，都為目前先進(jìn)的減速器。 當(dāng)今國外的減速器是向著大功率、大傳動比、小體積、高機(jī)械效率以及使用壽命長的方向發(fā)展。因此，除了不斷改進(jìn)材料品質(zhì)、提高工藝水平外，還在傳動原理和傳動結(jié)構(gòu)上深入探討和創(chuàng)新。減速器與電動機(jī)的連體結(jié)構(gòu)，也是大力開拓的形式，并已生產(chǎn)多種結(jié)構(gòu)形式和多種功率型號的產(chǎn)品。 但 目前超小型的減速器的研究成果尚不明顯 ，僅 在醫(yī)療、生物工程、機(jī)器人等領(lǐng)域中，微型發(fā)動機(jī)基本研制成功，美國和荷蘭近期研制的分子發(fā)動機(jī)的尺寸在納米級范圍，如能輔以納米級的減速器，則應(yīng)用前景遠(yuǎn)大 [5]。 ee 12 自 20 世紀(jì) 60年代以來，我國先后制訂了《 JB113070圓柱齒輪減速器》等一批通用減速器標(biāo)準(zhǔn)，除主機(jī)廠自制配套使用外，還形成了一批減速器生產(chǎn)廠家。我國現(xiàn)有齒輪生產(chǎn)企業(yè) 613 家（其中國有與集體所有的大中型企業(yè) 110家，國有、集體所有的小企業(yè) 435 家，私有企業(yè) 48 家，三資企業(yè) 25家）。生產(chǎn)減速器的廠家有數(shù)百家，年產(chǎn)通 用減速器近百萬臺，年生產(chǎn)總值約 300億元，這些企業(yè)和廠家對發(fā)展我國的機(jī)械產(chǎn)品作出了貢獻(xiàn) [13]。但我國在這方面和世界先進(jìn)水平還有一定的差距，主要表現(xiàn)在以下三方面：首先， 20 世紀(jì) 60年代的減速器大多數(shù)是參照蘇聯(lián) 20 世紀(jì) 40～ 50 年代的技術(shù)制造的，后來雖有所發(fā)展，但限于對當(dāng)時的設(shè)計、工藝及裝備條件，其總體水平與國際水平有較大差距；其次， 國內(nèi)的減速器 ， 多以齒輪傳動、蝸桿傳動為主，但普遍存在著功率與重量比小，或者傳動比大而機(jī)械效率過低的問題 ；第三 ， 我國 材料品質(zhì)和工藝水平上還有許多弱點(diǎn)，特別是大型的減速器問題更突出， 使用壽命不長。 因此我國總體水平與國際水平有較大差距 [21]。 改革開放以來，我國引進(jìn)了一批先進(jìn)的加工裝備。通過不斷引進(jìn)、消化和吸收國外先進(jìn)技術(shù)以及科研攻關(guān)，開始掌握了各種高速和低速重載齒輪裝置的設(shè)計制造技術(shù)。材料和熱處理質(zhì)量及齒輪加工精度都有較大的提高，通用圓柱齒輪的制造精度可從JB17960 的 8～ 9級提高到 GB1009588 的 6級，高速齒輪的制造精度可穩(wěn)定在 4～ 5 級。部分減速器采用硬齒面后，體積和重量明顯減小，承載能力、使用壽命、傳動效率有了大幅度的提高，對節(jié)能和提高主機(jī)的總體水平起到明顯的作用。 國 內(nèi)使用的大型減速器（ 500kw 以上），多從國外（如丹麥、德國等）進(jìn)口，花去不少的外匯。 20 世紀(jì) 60年代開始生產(chǎn)的少齒差傳動、擺線針輪傳動、諧波傳動等減速器具有傳動比大，體積小、機(jī)械效率高等優(yōu)點(diǎn)。但受其傳動的理論的限制，不能傳遞過大的功率，功率一般都要小于 40KW。由于在傳動的理論上、工藝水平和材料品質(zhì)方面沒有突破，因此，沒能從根本上解決傳遞功率大、傳動比大、體積小、重量輕、機(jī)械效率高等這些基本要求。 90 年代初期，國內(nèi)出現(xiàn)的三環(huán)（齒輪）減速器，是一種外平動齒輪傳動的減速器，它可實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，傳遞載荷的能力 也大。它的體積和重量都比定軸齒輪減速器輕，結(jié)構(gòu)簡單，效率亦高。由于該減速器的三軸平行結(jié)構(gòu)，故使功率 /體積（或重量）比值仍小。且其輸入軸與輸出軸不在同一