多年来，机器人机构与仿生机构的研究受到很大 的重视，世界许多国家积极开展对人的手指、手腕和 手臂的结构、动作原理和运动范围的分析研究，已研 制出各种多自由度的生物电控或声控的机械假手和各 种类型的步行机器人，造福于人类。人们为了通过松 软地面和跨越较大障碍还努力研究六足步行机、四足 步行机等的行走机理和步行机构学。通过研究骆驼足 底构造和行走机理提高步行机沙漠行走的效率；通过 研制蛇行机构来探测煤气管道的故障；通过鱼游机构 研制来解决深水中的探测问题。机器人机构与仿生机 构仍是当前研究的热点，所以在机构学中形成了专题 研究。
在工程实际中，人们常根据实现各种运动形式的构 件及主要零件外形特点定义机构的名称。例如，图0.1
中的齿轮4' 和7，图0.2中的锥齿轮8和9，其构件形状
的特点是具有轮齿，其主要运动特点是把高速转动变为 低速转动或反之，人们称其为齿轮机构；图0.1中的凸 轮6和顶杆5，其主要构件是具有特定轮廓曲线的凸轮， 利用其轮廓曲线使顶杆按指定规律作周期性的往复移动， 被称其为凸轮机构；图0.1中的活塞2、连杆3和曲轴4，
(5) 机械系统动力学设计。为了设计出动力性能良 好的机械，在本课程中分析和研究机械在外力作用下的 真实运动规律和速度波动问题，以及如何合理地设计调 速装置来降低速度波动的不良影响；分析和研究机械运 转时惯性力和惯性力矩的平衡问题；分析和研究影响机 械效率的主要因素和机械效率的计算方法，以及在设计 机械时如何合理地选择机构的尺寸参数以提高机械效率。
以及与两圆柱齿轮分别固连的滚筒的转动，将带状料或 棒状料送入冲压模具中进行冲压。送料长度的调节是靠
调整曲柄1' 的长度来实现的。送料与冲压过程靠机械
来实现，从而代替人完成有用的机械功。
(a) 外形图
(b) 简图
图0.2 自动送料冲压机
图0.3所示为一电动机，它是由一个转子(电枢)1和一个 定子2所组成。当定子中有电流输入时，转子便能作回转运 动，使电能转换为机械能。
图0.1所示为一单缸内燃机，它是由汽缸体1、活塞
2、连杆3、曲轴4、进气阀顶杆5、凸轮6、齿轮6'、齿 轮4'、齿轮7、凸轮7' 和排气阀顶杆8等组成。燃气推
动活塞作往复移动，经连杆转变为曲轴的连续转动。凸 轮和顶杆是用来启闭进气阀和排气阀的。当燃气推动活 塞运动时，各构件协调地动作，进、排气阀有规律地启 闭，加上汽化、点火等装置的配合，就把热能转换为曲 轴回转的机械能。
● 0.4 机械原理学科的发展趋势简介
机械原理学科是机械学学科及现代科学技术发展的重要基础。 当前，机械学学科和电子、信息、计算机、生物、管理等学科 相互渗透，相互结合，正焕发出新的生机与活力。它的研究领 域已由一般机械工程扩展到航空航天、深海作业、生物工程、 微观世界、机械电子等领域。它的研究课题层出不穷，研究成 果不断涌现，研究方法日新月异。现仅将机械原理学科的发展 趋势予以简要介绍。
5. 机械系统设计
机械系统设计是根据新机器的功能要求和工作过 程要求，应用机构学知识和系统设计原理及方法来进 行的。目前已有不少学者研究机械系统设计的推理方 法，机械系统设计的评价体系和评价方法，以及智能 化机械系统设计方法。
6. 机械系统动力学
随着机械装置向高速、精密和重载方向发展，对 于机械的精度和可靠性要求也日益提高，按动力性能 要求进行机构的分析与综合越来越受到重视。机械系 统动力学有关研究面比较广泛，如转子动力学、振动 与噪声、机器与机构动力学、非线性振动与冲击等专 题。对于运动弹性动力综合的研究、对非线性和自激 振动系统的研究、对大型复杂机械设备的故障诊断和 在线监测、振动与噪声主动控制等问题亦引起人们的 关注和有待深入研究。
绪论
● 0.1 机械原理课程的研究对象 ●0.1.1 机器 ●0.1.2 机构
● 0.2 机械原理课程的研究内容 ● 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用 ● 0.4 机械原理学科的发展趋势简介 ● 本章小结
● 0.1 机械原理课程的研究对象
本课程名为“机械原理”，其研究的对象就是机械，而机 械又是机器与机构的总称，所以“机械原理”是一门以机器与 机构为研究对象的学科。
1. 机构的结构理论
在机构的结构理论研究中，近年来采用了图论、 网络分析、线性几何学、螺旋坐标等各种工程数学方 法。为了创造和设计出更好的机构，开展机械运动简 图设计理论和方法、机构类型知识库建立、机构创新 方法的研究日益受到重视。开展包括液压、气动、电 磁、电子、光电等非机械传动元件的广义机构设计方 法的研究已日益迫切。
空间连杆机构的分析与综合常采用矢量、张量、 矩阵、对偶数、四元数、旋量计算等数学工具进行研 究。对于单自由度闭环的空间四杆机构和空间五杆机 构已研究得比较成熟，对于单自由度闭环的空间六杆 与七杆机构的研究已取得了不少成果。对于空间连杆 机构的最优化设计问题也开始进行研究。
3. 机器人机构与仿生机构
(4) 操纵和控制系统是为了使动力系统、传动系统、 执行系统彼此协调工作，并准确、可靠地完成整机功能 的装置。
动力系统
操纵和控制系统 传动系统
执行系统
图0.5 机器的组成
● 0.1.2 机构
机器的概念已如上所述，那么什么是机构？为了说明 这个问题，需要进一步分析上述几个实例。
在图0.1所示的单缸内燃机中，活塞、连杆、曲轴和汽 缸体组合起来，可将活塞的往复移动变成曲轴的连续转动； 凸轮、顶杆和汽缸体的另一组合，可将凸轮的连续转动变 成顶杆按某种预期运动规律的往复移动；而三个齿轮与汽 缸体组合在一起后，又可将转动变快或变慢，甚至改变转 向。这些具有各自运动特点且均含有一个机架(这里是汽缸 体)的组合体才是基本的。将能实现预期的机械运动的各构 件(包括机架)的基本组合体称为机构。
(2) 机构运动分析和力分析。机构的运动分析是在已知原动 件运动规律，不考虑引起机构运动的外力影响时，仅从几何的 观点来研究机构各点的轨迹、位移、速度和加速度等运动参数； 机构力分析是在外力已知条件下，研究确定机构运动副的反力 及机构上需加的平衡力或平衡力矩，机构的运动分析和力分析 为机构设计和机械系统的方案设计打下必要的运动学和动力学 基础。
2. 常用机构和组合机构的设计与研究
平面连杆机构由于计算机的广泛应用，其机构的 分析和综合的运算及最优化综合已研究得比较透彻， 并已开发出较为成熟的商业软件。对于用多自由度、 多闭环、多杆的平面连杆机构的连杆曲线来再现各种 工作机械中工艺要求的轨迹已引起注意并已有一定的 研究成果。另外，近年来开展了具有可变长结构、可 变运动学和动力学参数的连杆机构的研究。
(3) 常用机构及其设计。机器种类繁多，然而构成 各种机器的机构类型却是有限的，常用的机构主要有连 杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构等。本课 程介绍满足预期运动规律和工作要求的各种常用机构的 运动设计理论与方法。
(4) 机械系统运动方案设计。在本课程中介绍机构的 选型、组合方式、运动循环图拟定等方面的基本知识和 机械系统运动方案设计的基本过程及机械系统运动方案 的评价准则。这部分内容的重点是机械执行系统的原理 方案设计。
图0.2中的杆件1、2、3、1' 和5，其构件的基本形状是
杆状或块状，其运动特点是能实现转动、摆动、移动等 运动形式的相互转换，被称其为连杆机构。
● 0.2 机械原理课程的研究内容
机械原理又称机构学与机器理论，它的主要研究内容可分为 以下5个方面：
(1) 机构的组成原理与结构分析。为建立机构性能分析方法 及机械系统运动方案创新设计奠定理论基础。
在我们的日常生活和工作中，见到或接触过许多机器：从 家庭用的缝纫机、洗衣机到工业部门使用的各种机床；从汽车、 火车、轮船、飞机到宇宙飞船；从推土机、挖掘机、压路机、 起重机到机器人等。机器的种类繁多，构造、用途和性能也各 不相同。一部机器究竟是怎样组成的？它有哪些特征？为了说 明这些问题，先看看下面几个具体实例。
(a) 模
(b) 简图
图0.1 单缸内燃机
图0.2所示为一自动送料冲压机，它是由冲压机和 送料传动装置两大部分组成。其工作原理为：机座4是 整个装置的支撑，电动机通过带传动和齿轮传动(图中 未标出)减速后，把运动和动力传递给冲压机的曲轴1， 曲轴带动连杆2，由连杆2传给冲头3(即滑块)，使冲头
作上下往复运动。送料传动装置的曲柄1' 与冲压机的 曲轴1固连在同一轴上，由曲柄1' 经连杆5、齿条5'、 齿轮6、单向离合器7、锥齿轮8与9、圆柱齿轮9' 与10，
● 0.3 机械原理课程在教学中的地位、任务和作用
机械原理是机械类各专业的一门主干技术基础课程。它在培 养学生的机械设计能力和创新能力所需的知识、能力和素质结 构中，占有十分重要的地位。它的任务是使学生掌握机构学和 机器动力学的基本理论、基本知识和基本技能，学会常用机构 的分析和综合方法，并具有进行机械系统设计的初步能力。它 是以高等数学、普通物理、机械制图及理论力学等课程为基础， 同时又为以后学习机械设计和有关专业课程以及掌握新的科学 技术打好工程技术的理论基础，并能使学生受到一些必要的、 严格的基本技能和创造思维的训练。机械原理课程在培养高级 机械工程技术人才的全局中，为学生从事机械方面的设计、制 造、研究和开发奠定重要的基础，并具有增强学生适应机械技 术工作能力的作用。
工程中大多是工作机和原动机互相配合应用，有时再 加上独立的传动装置(如齿轮减速器等)，则称为机组。
随着近代科学技术的飞速发展，如计算机技术、信息 处理技术、检测传感技术、伺服驱动技术、自动控制技 术、纳米技术及精密机械技术等，使传统机械在产品结 构和生产系统结构等方面发生了质的变化。特别是电子 计算机的出现和不断完善，在减轻人类的脑力劳动方面 有显著的成效。这类机器除具有使其内部各机构正常动 作的先进控制系统外，还包含有信息采集、处理和传递 系统等。
(a) 外型图
(b) 简图
图0.3 电动机