第一章绪论
1.1正确认识现代机械和机器
现代机械和机器种类繁多、形态各异，遍布生产生活、海陆空天、生命生态等几乎所有领域，涵盖了仪器仪表、设施设备、装置装备、日常家用、健康养生、文化娱乐等各种门类。现代机器与装备（以下简称现代机器或现代机械）发展日新月异，以机器人、机电一体化系统、自动化装备、智能机器、智能装备等为代表的现代机械在人类生活、国民经济和国家安全领域中越来越广泛地得到应用，越来越成为一个国家和地区高科技发展水平的重要标志和国际竞争力的战略支点。特别是作为现代机械最典型代表的机器人，其技术进步直接推动了现代机构学的发展和深化，被广泛应用于航空航天、工程领域、医疗领域、农林畜牧、轻工业等不同领域的任务需求。
由于时代的飞速发展，现代机械与机器更多是被计算机局部或全面控制的现代机械系统，机械运动和/或机械承载是其核心功能实现的手段，机电一体化是其基本特征，网络化、智能化、云端化是其发展新阶段，集群化、群体化、社群化、社会化是其发展新趋势。对于典型的现代机器来说，机构及其系统（以下简称机构）是其机械运动和机械能生成、转换和传递的功能载体，它决定了机器的工作能力；信息处理与控制系统是机械运动规划设计和实施的功能载体，它是机器的指挥中枢，决定了机器执行任务时的工作性能；传感与检测系统是为信息处理与控制系统提供机器自身及环境的状态信息的功能载体，为机械运行过程中的信息处理与控制提供依据。因此，现代机器与装备的创新研发是一个以多目标融合、多学科交叉为特点的创造性设计开发过程。从机械运动生成、转换和传递的角度来看，如何根据任务和需求科学、理性地规划现代机器与装备的机械运动形式、发明和设计相应的机构是极其重要的事情，事关一个国家/地区、企业高端机械装备的国内外市场竞争能力。
现代机器与装备是典型的机电一体化系统。从方案设计和功能构成的视角来观察，现代机械与机器可以划分为运动执行和控制两大功能模块，即“干活”和“指挥干活”这两部分。其中，运动执行功能模块一般包含驱动、传动与执行三个单元，构成广义执行子系统；运动控制功能模块进一步可以划分为信息处理与控制、传感与检测两个子系统。运动执行功能模块或者说广义执行子系统的载体是作为执行单元的执行机构或系统、作为传动单元的传动机构或系统以及作为驱动单元的电机等原动机；运动控制功能模块的载体是控制计算机、控制板卡、控制器、驱动器、传感器，以及用于万物互联进行信息传递或感知的有线或无线网络、云系统等。现代机械与机器是通过控制与执行功能模块间的相互配合、相互协调、相互协作来共同实施机器和装备的机械运动，完成作业过程，实现机器和装备的功能和性能。因此，从机械运动功能组成的角度看，现代机械与机器可以认为是由广义执行、信息处理与控制、传感与检测三个功能子系统构成的，即现代机械与机器的“三子系统论”［13］。形象地说，对于现代机械与机器，机构是其执行机械运动的“骨骼系统”，是机器与装备的骨架和运动生成器，决定了系统功能与性能的“基因”；信息处理与控制、传感与检测两个子系统分别是机器的“大脑和神经中枢”“感官和神经末梢”，通过相互配合，起到感知机器自身和外部状态、指挥机构去高质量实施机械运动的作用。
对于现代机器与装备的方案创新设计来说，根据任务需求对机械运动功能进行构思和设计是其*具有创造力的环节，也是现代机器与装备研发获取核心知识产权的关键途径。从设计理论和方法来说，如何根据任务需求进行机械运动功能的构思和设计、获得合适的机构方案是需要解决的*要问题，这也是现代机构与机器人学的一个核心研究议题，即现代机器与装备机构的型综合问题（亦称构型综合、构型创新设计、拓扑综合、拓扑设计）。
现代机器与装备机构的构型创新设计是一个典型的从设计任务/复杂运动功能需求出发，自上而下、正向进行机构构型创新设计的问题。对于真实的现代机器与装备的开发任务来说，任务和需求往往十分复杂，需要综合考虑多方面要求，并受到诸多条件约束，如执行任务时作为输出的构件可能会发生变化、转动特征轴线可能会发生交错、运动特征要求不同且在工作过程中动态变换等。与此同时，机械运动功能的机构解也不一定局限于单一的机构，而可能是复杂的机构系统。此外，型综合属于概念设计阶段，目前的构型综合过程多涉及较复杂的数学工具的有效运用，与概念设计阶段设计师习惯于依靠形象思维和逻辑推演来进行方案设计的基本特点有距离，建立的型综合方法目前仍更多地局限于大学等科研机构的研究人员使用，实用化和应用推广受到制约。
本书从机械运动功能入手，以现代机器与装备的创新研发和任务功能需求为导向，提出一套便于逻辑推演的特征溯源规则，并加以严格数学证明，构建成一套适合现代机器与装备复杂机构创新构思和设计的特征溯源型综合理论方法。本书建立的方法适合以形象思维、定性推理和逻辑演绎为基本特点的概念设计阶段使用，且不限于简单任务、简单特征、单一机构的设计任务，将构型方法从单一机构的型综合拓展到了现代机器与装备及其系统的型综合，既具有学科理论意义，又具有实际应用价值，易于工程应用与推广，特色鲜明。本书提出的型综合方法抓住了现代机器与装备概念设计的思维特点，为现代机械与机器的原始创新设计提供了思维方法和基本工具，有利于推动机构学在机器与装备的原始性创新研发中得到基础性应用。
1.2机构发展历史及其应用
机构是机械运动的载体，是机械和机器的“骨骼系统”与运动生成器，是满足运动功能需求的决定性因素和决定机械产品功能与性能的“基因”。机械的发展推动了人类文明的进步，可以说人类文明的进步史伴随着一部机械的发展史，而机械的发展史几乎就是一部新机构的发明史和应用机构发明新机械的文明史。从远古的简单机械、宋元时期的浑天仪到文艺复兴时期的计时装置和天文观测器； 从达 芬奇的军事机械到工业革命时期的蒸汽机；从百年前莱特兄弟的飞机、奔驰的汽车到半个世纪前的模拟计算机和数控机床；从20世纪60年代的登月飞船到现代的空间站和星球探测器，再到信息时代的数据存储设备、消费电子设备和服务机器人，无一不说明了新机器的发明是社会发展的助推器、人类进步的动力源，即使在信息革命的今天，机械与机器的进步仍然是人类社会发展不可或缺的重要推动力。
机构类型众多、特性各异，有平面机构、空间机构之分，有低副机构、高副机构之分，有开链机构、闭链机构之分，有恰约束机构、过约束机构之分，有串联机构、并联机构、混联机构之分，有单自由度、多自由度机构之分，有简单机构、组合机构、机构组合之分，有单一机构、商联机构之分，也有一般机构、机器人机构、可重构机构之分。此外，也有根据构件数进行分类（如四杆机构、五杆机构、八杆机构）、根据运动副类型进行分类［如平面铰链机构、*柄滑块机构、3RPS（R代表转动关节revolute joint， P代表移动关节prismatic joint）并联机构、6SPS（S代表spherical joint）并联机构］、根据驱动系统类型进行分类（如电机驱动、液压驱动、气动、压电陶瓷驱动）、根据驱动运动可编程性进行分类（如固定不可编程的普通电机驱动、可编程的步进电机/伺服电机驱动、可编程的伺服液压驱动）、根据机构杆长等参数变化与否进行分类（如常参数机构、变参数机构、可调参数机构）、根据材料刚度特性进行分类（如刚性机构、柔索机构、柔顺机构、软体机构）等。本书仅讨论刚性机构。
自机器人诞生以来，机器人机构学加速发展，现在已经成为机构学研究的主要方向和*为活跃的分支，极大地推动了现代机构学的发展，为此也常常将两者合在一起，并称为机构与机器人学（mechanisms and robotics）。与此相应，国内外相关学术组织、期刊等也出现将二者并称的现象，如ASME Mechanisms and Robotics Committee、 Transactions of ASMEJournal of Mechanisms and Robotics，中国国家自然科学基金委员会的学科资助方向为“机构学与机器人”（截至2019年）、“机器人与机构学”（2020年至今）。
对于机器人机构来说，既有串联（开环、开链）、并联（闭环、闭链）、混联、商联等连接方式，也有低副、高副等连接关系，既有一般（普通、常规）输入输出、多输入少输出、少输入多输出、冗余输入（过输入）、欠输入，甚至多输入单输出、单输入多输出等输入输出关系，也有单机作业、多机协作、集群作业、流水线作业、商联运动等协作形式。
串联机构或含有局部闭链的串联机构是工业机器人的主流机构型式，也广泛应用于各类工业装备中，如生产线、机床、SCARA(selective compliance assembly robot arm)机器人等。串联机构属于开放的运动链拓扑结构，其特点在于： ① 工作空间大；② 运动学建模/分析简易；③ 每个关节均为驱动副（主动副），可以*立控制；④ 一般而言，仅有一个电机安装在机架处，其余电机并非安装于机架处（往往安装于关节处），转动惯量较大。
并联机构被定义为动平台与机架间由至少两条独立运动支链连接的闭环机构，是封闭的运动链拓扑结构，与串联机构在应用上构成对偶互补关系，其特点在于： ① 驱动副可安装于机架或接近机架位置，有利于减轻参与运动的质量和惯量，易于实现高速运动和良好的动态性能；② 因各支链间无误差累积效应，仅在支链内有误差累积效应，且支链间误差可相互部分抵消，并联机构末端位置运动精度相对较高；③ 结构紧凑、承载能力强、刚度高；④ 易于实现对称结构形式，工作空间性能分布较易实现各向同性；⑤ 工作空间相对较小。随着控制技术和计算工具的发展，并联机构成为国际学术界和工业界关注的一个热点。因相较于串联机构在刚度、承载、结构、精度等方面具有的优越特性［4］，并联机构在工业加工、导航定位、医药、食品抓取、3D打印等领域逐步得到应用。与此同时，由于并联机构具有结构类型多样、运动多维耦合、工作空间性能分布迥异等特点，其设计与分析比串联机构更为复杂，对设计人员的数理力学等基础要求较高，且面向客户需求的任务驱动型机构设计方法还不完善。
早在 1931 年，Gwinnett［5］发明了一种基于球面并联机构（当时还没有并联机构的概念）的娱乐装置，其转动平台可以在任意方向倾斜以配合银幕的画面动作；1940年，Pollard［6］提出了一种空间并联机构用于汽车的喷漆；1962年，Gough和Whitehall［7］发明了一种基于六自由度并联机构的轮胎检测装置；1965年，Stewart［8］为飞行模拟器提出Stewart机构并对其进行了分析；1978年，Hunt［9］将包括Stewart并联机构在内的一类机构称为并联机器人操作器，标志着并联机器人的正式诞生。近年来，出现了一大批应用或可以等效为并联机构的机械产品，例如： 用于隧道挖掘的盾构［10］、用于巨型重载操作的操作机［11］、模拟空间对接碰撞运动过程的多自由度运动模拟器［12］、实现精密加工的并联机床［1315］、用于微操作的微动切割设备［16］、微操作机器人［1719］、医疗远心并联机器人［2023］、高速轻载的Delta并联机器人、步行机器人［2429］、移动式并联机器人［3034］、六维力传感器［3537］、可移动式着陆器［3842］。针对不同的应用场合，机构构型会不同，为获得符合要求的机构构型解，离不开面向任务需求的机构构型创新设计方法。
混联机构兼具串联、并联的结构优势，经合理设计后可获得良好的工作空间性能分布，实现运动范围大、速度快、刚度高等机构性能，已大量应用于工程实际中。
随着对高端装备需求的不断升级，传统的平面简单机构正向现代的空间复杂机构演进，机构特性由定拓扑向变拓扑、单环路向多环路、单层向多层、弱耦合向强耦合发展，新特性机构不断涌现，导致陆续出现一些新的机构学问题需要解决，特别是面向具体的产品开发任务，如何获得相应的机构构型满意解还需要从
目录
前言
第一章绪论1
1.1正确认识现代机械和机器1
1.2机构发展历史及其应用3
1.3机器与机构的构型综合方法5
1.4本书内容11
参考文献13第二章现代机器的功能结构与开发过程
21
2.1引言21
2.2现代机器的功能结构21
2.2.1物理结构21
2.2.2功能逻辑结构23
2.2.3复杂机器的功能逻辑结构24
2.3现代机器的产品开发过程24
2.3.1机械产品开发一般过程24
2.3.2机器运动方案设计27
2.3.3机器运动方案设计过程与功能逻辑结构27
2.3.4本书研究的目的29
参考文献30
第三章基于任务需求的运动特征定义、提取、表达与分类31
3.1引言31
3.2运动特征的定义31
3.3机构的拓扑结构表达34
3.3.1运动副类型的描述35
3.3.2相邻运动副间的方位描述36
3.3.3开链机构的拓扑结构表达36
3.3.4闭链机构的拓扑结构表达37
3.3.5拓扑结构说明38
3.4基于任务需求的特征提取与特征表达39
3.5运动特征分类44
3.6运动特征的简易表达46
3.7本章小结52
参考文献53
第四章运动特征的运算法则与完备性证明54
4.1引言54
4.2运动特征的等效条件54
4.3运动特征的衍生法则55
4.3.1特征线平行二维串联R特征56
4.3.2特征线平行三维串联R特征59
4.3.3平行四边形Pa副： ｛R（B1， ω）R（M1， ω）｝∩｛R（B2， ω）R（M2， ω）｝，（B1M1 B2M2）62
4.3.4特征线平行的串联U特征63
4.3.5串联S特征64
4.3.6平行四边形U∧副：｛U（B1， u， v）U（M1， u， v）｝∩｛U（B2， u， v）U（M2， u， v）｝，（B1M1 B2M2）65
4.3.7U 副：｛U（B1， u， v）U（M1， u， v）｝∩｛U（B2， u， v）U（M2， u， v）｝∩｛U（B3， u， v）U（M3， u， v）｝，（B1M1 B2M2 B3M3）66
4.4运动特征的迁移法则68
4.4.1T特征68
4.4.2R特征69
4.5运动特征的交换法则72
4.6运动特征的分组法则73
4.7运动特征的基代换法则75
4.8运动特征的复制与增广法则77
4.9运动特征的融合法则80
4.10运算法则的简易表达80
4.11本章小结87
参考文献87
第五章机构末端至支链末端的特征溯源设计88
5.1引言88
5.2运动特征求交法则88
5.3机构末端至支链末端的特征溯源流程90
5.4求交法则的图形化简易表达96
5.5本章小结100
参考文献100第六章支链末端至关节的特征溯源设计101
6.1引言101
6.2运动特征求并法则101
6.3支链末端至关节的特征溯源流程104
6.4求并法则的图形化简易表达107
6.5本章小结114第七章关节特征的拓扑构造115
7.1引言115
7.2简单关节拓扑构造115
7.3复合关节拓扑构造117
7.4变构态的关节拓扑构造122
7.5特种关节125
7.6本章小结127
参考文献127
第八章运动特征集聚方法与定性评价指标129
8.1引言129
8.2特征集聚定性分析129
8.3运动特征集聚与纯度分析131
8.4驱动副的选取方法135
8.5定性评价指标135
8.6本章小结140
参考文献140
第九章面向复杂任务需求的特征溯源流程141
9.1引言141
9.2特征溯源型综合方法的流程141
9.3运动特征分组方法143
9.4本章小结144
参考文献144
第十章运动特征集聚与设计的案例分析145
10.1引言145
10.2末端特征分析案例H4机构145
10.3可移动式着陆器的运动特征设计148
10.3.1可移动式着陆器的运动特征提取与融合148
10.3.2机器人的运动特征分组152
10.4本章小结154
参考文献154
第十一章固定式着陆器特征溯源设计155
11.1引言155
11.2具有｛R（A， u）｝｛S（N）｝着陆腿的固定式着陆器特征溯源设计155
11.2.1RMC确定以及数综合155
11.2.2RMCLMC的溯源： ｛R（N， u）｝157
11.2.3LMCJMC的溯源与关节拓扑构造162
11.2.4着陆腿结构的确定与优选164
11.2.5固定式着陆器构型167
11.3具有姿态调整功能的固定式着陆器特征溯源设计167
11.3.1运动特征提取167
11.3.2RMC确定以及数综合168
11.3.3RMCLMC的溯源169
11.3.4着陆器的腿构型设计170
11.3.5LMCJMC的溯源与关节拓扑构造170
11.3.6具有姿态调整能力的着陆器构型171
11.4总结172
参考文献172
第十二章可移动式着陆器特征溯源设计173
12.1引言173
12.2具有三支链移位腿的可移动式着陆器特征溯源173
12.2.1RMC确定以及数综合173
12.2.2RMCLMC的溯源174
12.2.3LMCJMC的溯源与关节拓扑构造177
12.2.4移位腿机构的确定与优选177
12.2.5具有三支链移位腿的可移动式着陆器182
12.3机构桁架功能融合的可移动式着陆器的特征溯源设计183
12.3.1腿的机构桁架功能融合方法183
12.3.2功能融合腿末端特征的确定与数综合184
12.3.3支链末端特征的确定184
12.3.4支链的设计194
12.3.5具有被动支链的功能融合腿的构型与优选194
12.3.6功能融合腿的着陆巡视机器人197
12.4具有桁架与机构转化的可移动式着陆器设计198
12.4.1总体设计思想与流程198
12.4.2拓扑结构设计200
12.4.3运动特征添加至桁架的规则202
12.4.4着陆器的桁架设计 203
12.4.5功能融合腿的着陆巡视机器人217
12.5具有着陆地形适应能力的可移动式着陆器设计217
12.6总结220
参考文献221
第十三章大型仿生恐龙机器人特征溯源设计222
13.1引言222
13.2大型仿生恐龙机器人运动特征设计222
13.2.1运动特征需求222
13.2.2机器人的特征分组225
13.3头部｛S（N）｝设计226
13.3.1RMC确定以及数综合226
13.3.2RMCLMC的溯源227
13.3.3LMCJMC的溯源与关节拓扑构造229
13.3.4驱动副选取229
13.3.5尾部构型229
13.4尾部n ｛（N， u）R（N， v）｝运动特征设计231
13.4.1RMC确定以及数综合231
13.4.2RMCLMC的溯源231
13.4.3LMCJMC的溯源与关节拓扑构造234
13.4.4驱动副选取234
13.4.5尾部构型234
13.5腿部｛U（N， u， v）R（B， u）｝运动特征溯源236
13.5.1RMC确定以及数综合236
13.5.2RMCLMC的溯源236
13.5.3LMCJMC的溯源与关节拓扑构造237
13.5.4驱动副选取237
13.5.5机械腿构型238
13.6大型仿生恐龙239
13.7本章小结239
参考文献239
附录一符号与标记240
附录二运动特征溯源法则244
附录三支链类型256
附录四数学工具263
参考文献274
