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文献综述

作者：李典

导师：郭盛

机械与电子控制工程学院

2014．9

机构学研究现状与展望

摘要：本文综述了机构学的结构理论，常用机构，组合机构，生物机构学，

机械动力学，机构精度分析与综合的研究现状，并简述了机构学领域的发展趋势。

随着科学技术和现代产业革命的发展，机构学领域的研究已从传统机构发展到广

义机构，这将推动现代机构学的快速发展，使机构学在二十一世纪的科技发展中

充满活力。

关键词：机构学；研究现状；趋势；展望

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)。机构学研究的对象目

前仍以多刚体机械系统为主，但柔性机构学的雏型已开始提出，机电等多学科相

结合的广义机构学的研究已引起人们的关注。机构是组成机器的基本单元。如凸

轮机构、齿轮机构和连杆机构等。从儿童玩具到产业机器人，从海洋开发的海底

作业机械到登月行走机械都要用到各种机构。机构学是以运动学和力学为主要理

论基础，以数学分析手段，研究各类机构基本规律以及运动和动力分析与综合方

法的学科，是机械设计所依据的重要基础理论学科之一。它来源于机械设计及制

造的实践总结，同时机构学的研究，又为发展创造新的机械和改进现有机械的性

能提供正确有效的理论和方法。随着宇航技术、核技术、海洋开发、医疗器械、

工业机器人及微技术等高新科学技术的兴起和计算机的普遍应用，极大的促进了

机构学的发展，创立了不少新理论和新方法，开拓了一些新的研究领域。图1

表示了机构学研究对象的某些层次关系。

图1机构学研究对象的层次关系

1课题国内外研究现状

1.1机构研究史概述

机械的研究和应用具有悠久的历史，它伴随甚至推动了人类社会和人类文明

的发展。古希腊大哲学家亚里士多德(公元前384～322年)的著作《Problemsof

Machines》是现存最早的研究机械力学原理的文献。阿基米德(约公元前287～212

年)用古典几何学方法提出了严格的杠杆原理和螺旋的运动学理论，建立了简单

机械研究体系。古埃及的Heron(约公元10～75年)建立了五个基本的机械零

件：轮与轮轴、杠杆、绞盘、楔子和螺杆。

古代中国的墨子(约公元前480年)在机构方面有很多惊人的成就，他制造的

舟、车、飞鸢以及根据力学原理为古代车子所创造的“车辖”(即今之车闸)和为

“备城门”所研制的“堑悬梁”都体现了机构的设计原理。墨子对“力”的定义，

也与近代物理学上的“力”的概念完全相同。墨子说：“力，刑之所以奋也”(《墨

经》，21节)。意思是说，力是物体发生运动的原因。墨子给“力”的定义是牛顿

第二定律的雏形。

意大利著名绘画大师达芬奇(1452～1519)的作品TheMadCodex和The

AtlanticCodex中，列出了用于机器制造的22种基本部件。瑞士数学家欧拉

(1707～1783)提出了一个平面运动是一点的平动和绕该点的转动的叠加理论，奠

定了机构运动学分析的基础。法国的科里奥利1831年提出了相对速度和相对加

速度的概念，研究了机构的运动分析原理。英国的瓦特(1736～1819年)研究了机

构综合运动学，探讨连杆机构跟踪直线轨迹问题。剑桥大学教授R．Willis出版

著作《机构原理》(PrinciplesofMechanisms，1841)，形成了机构学理论体系。

近代德国的机构学研究取得了许多重要的成就。Reuleaux的专著《Kinematics

ofMachine》阐述了机构的符号表示法和构型综合。Burmester(1840～1927)提出

了几何方法，应用于机构的位移、速度和加速度分析。Gruebler(1851～1935年)

发现了连杆组的自由度判据，这标志着向机构的数综合(Numbersynthesis)迈出了

重要一步。Burmester和Freudenstein用几何方法研究了连杆机构尺寸综合，形成

了系统的机构设计几何学理论。

1.2机构结构理论

在机构结构理论方面，主要是机构的类型综合、杆数综合和机构自由度的介

绍。利用拆