研究生空間機構學教學案例建設探析

榮譽 陳芳 曲夢可

摘 要： 闡述了在研究生《機構分析與綜合》教學中引入空間機構學機構構型案例庫的方法，細化了機構案例設計與實現方法，通過將變胞機構與固定構型機構設計融合提出教學案例庫建設思路，對教學案例庫中機構構型進行分類實現案例庫體系化，通過教學實踐驗證了上述方法的有效性。

關鍵詞： 教學案例;研究生教學;機構學

研究生的課程教學過程不同于本科生課程，研究生特別是專業學位碩士研究生的課程應該更多地面向工程應用和案例教學模式。傳統的純理論加校內實驗的模式已經無法滿足當今制造業技術發展的需求。在研究生課程教學過程中，引入工程案例、創新設計案例、新技術驗證樣機案例等教學案例，可以使研究生更直觀、更全面地理解和掌握課程的內容和精髓。而目前我國研究生教學案例方面的建設處于起步階段，各高校尚未建立統一系統的教學案例庫體系。盡快結合各學科特點有針對性地建設研究生教學案例庫勢在必行。

機械類專業學位碩士研究生的課程體系中，《機構分析與綜合》是一門重要的骨干課程，通過建立豐富的教學案例庫，在日常理論教學過程中穿插引入案例教學，可以有效提高教學效果。

1 機構分析與綜合課程與案例庫關系

《機構分析與綜合》主要講述機器人機構學中的基礎構型設計方法、構型綜合方法、創新結構設計方法方面的知識，屬于創新設計類課程，該課程需要理論與實踐相結合，尤其是新構型、新思路的設計案例對于啟發研究生的機構設計思維非常重要。

本課程與本科階段的《機械原理》《機械設計》等機構學課程相比較而言，更多的側重新機構的探索和新構型的設計與創新思維培養。如果還按照本科課程的理論加公式教學模式，必然使本課程成為本科課程的簡單重復，從而無法有效培養研究生的機構學構思和創新設計能力。通過案例啟發式教學，可以有效解決機構學理論與創新構型思維培養之間的銜接關系，使學生通過新機構的構型、自由度分析、組合與布局案例，了解機構的構型設計與分析過程。

2 面向曲面接觸加工任務的機構構型案例庫建設方法

機構的具體應用目標和任務工況是機構構型分析與綜合的核心問題，如果要建立面向工程領域且具有完整設計任務思路的機構構型教學案例庫，定義案例庫的設計目標和任務工況是關鍵因素。而簡單的任務工況和執行目標往往只需要少自由度簡單機構或者平面機構構型，這樣的構型顯然無法涵蓋機構學里面大多數的機構結構和自由度性質特點。為了使教學案例庫的機構構型更加豐富且具有代表性和全面性，本案例庫特采用復雜曲面接觸加工作為機構的應用目標和任務工況，以此為基礎開展案例庫建設。

2.1 機構案例設計與實現方法

目前，針對空間機構的構型設計方法主要有：運用數學方法建立位移子群綜合法[1]、約束螺旋綜合法[2]、單開鏈機構構型綜合法[3]、GF集機構構型綜合法[4]。采用基于螺旋理論的約束螺旋法進行機構整體構型綜合，然后通過位移子流形對機構進行非瞬時性驗證分析。對于機構整體結構的構型綜合相對簡單，主要需要討論的是對于各運動鏈的構型綜合問題。

2.2 變胞機構與固定構型機構設計融合建設案例庫

自由度數目和類型固定不變的機構只能體現出所有人類已經應用機構的一類特點，而在實際機械機構中，還有大量的自由度數目和類型隨機構位置可以實時改變的機構，這樣的機構就是變胞機構。將變胞機構引入機構構型教學案例庫建設中，可以使教學案例庫的構型涵蓋更全面、體現機構學理論知識更系統。變胞機構往往是在普通機構基礎上增加變胞運動副和變胞構件的方式實現，也存在一些將冗余驅動機構通過對運動副和驅動副的有效組合鎖定實現機構構型的變胞，這些都可以充分體現《機構分析與綜合》課程的理論知識和體系。

2.3 機構構型案例庫分類方法

空間機構根據自由度數目的不同可以分為3自由度、4自由度、5自由度等少自由度機構以及6自由度機構;還可以根據是否冗余驅動分為正常機構和冗余機構;亦可以根據是否變胞分為變胞機構和普通機構。所以，將機構構型案例庫中的機構進行充分的分類，可以使學生在學習過程中對機構的認知更加體系化和系統化。機構構型分類本身也是教學重點內容之一，強調分類也可以使學生更容易掌握機構構型設計與分析的技巧。

3 機構構型案例庫開發過程案例實踐

本文作者通過對2015—2019級機械工程專業學位碩士研究生的教學過程中，逐漸建立了大量的機構構型案例，并按照自由度類型、變胞特性、冗余特性將機構進行分類，結合理論內容在教學實踐中取得了較好的效果。

4 結語

通過在研究生教學中引入機構構型案例庫，逐步總結并建立一套適應《機構分析與綜合》課程的機構案例庫體系，實現研究生教學的理論與實踐結合。

參考文獻：

[1]Hervé J M.The mathematical group structure of the set of displacements[J].Mechanism and Machine Theory，1994，29（1）：73-81.

[2]Huang Z，Li Q C.Type synthesis of symmetrical lower-mobility parallel mechanisms using constraint-synthesis method[J].International Journal of Robotics Research，2003，22（1）：59-79.

[3]楊廷力.機器人機構拓撲結構學[M].北京：機械工業出版社，2004：55-223.

[4]高峰，楊加倫，葛巧德.并聯機器人型綜合的GF集理論[M].北京：科學出版社，2011：9-192.

課題： 河北省研究生專業學位教學案例建設項目：變胞空間機構構型設計與綜合（編號：KCJSZ2019088）

作者簡介： 榮譽（1981—），男，副教授，主要從事并聯機器人理論及應用研究。