研究生空间机构学教学案例建设探析

荣誉 陈芳 曲梦可

摘 要： 阐述了在研究生《机构分析與综合》教学中引入空间机构学机构构型案例库的方法，细化了机构案例设计与实现方法，通过将变胞机构与固定构型机构设计融合提出教学案例库建设思路，对教学案例库中机构构型进行分类实现案例库体系化，通过教学实践验证了上述方法的有效性。

关键词： 教学案例;研究生教学;机构学

研究生的课程教学过程不同于本科生课程，研究生特别是专业学位硕士研究生的课程应该更多地面向工程应用和案例教学模式。传统的纯理论加校内实验的模式已经无法满足当今制造业技术发展的需求。在研究生课程教学过程中，引入工程案例、创新设计案例、新技术验证样机案例等教学案例，可以使研究生更直观、更全面地理解和掌握课程的内容和精髓。而目前我国研究生教学案例方面的建设处于起步阶段，各高校尚未建立统一系统的教学案例库体系。尽快结合各学科特点有针对性地建设研究生教学案例库势在必行。

机械类专业学位硕士研究生的课程体系中，《机构分析与综合》是一门重要的骨干课程，通过建立丰富的教学案例库，在日常理论教学过程中穿插引入案例教学，可以有效提高教学效果。

1 机构分析与综合课程与案例库关系

《机构分析与综合》主要讲述机器人机构学中的基础构型设计方法、构型综合方法、创新结构设计方法方面的知识，属于创新设计类课程，该课程需要理论与实践相结合，尤其是新构型、新思路的设计案例对于启发研究生的机构设计思维非常重要。

本课程与本科阶段的《机械原理》《机械设计》等机构学课程相比较而言，更多的侧重新机构的探索和新构型的设计与创新思维培养。如果还按照本科课程的理论加公式教学模式，必然使本课程成为本科课程的简单重复，从而无法有效培养研究生的机构学构思和创新设计能力。通过案例启发式教学，可以有效解决机构学理论与创新构型思维培养之间的衔接关系，使学生通过新机构的构型、自由度分析、组合与布局案例，了解机构的构型设计与分析过程。

2 面向曲面接触加工任务的机构构型案例库建设方法

机构的具体应用目标和任务工况是机构构型分析与综合的核心问题，如果要建立面向工程领域且具有完整设计任务思路的机构构型教学案例库，定义案例库的设计目标和任务工况是关键因素。而简单的任务工况和执行目标往往只需要少自由度简单机构或者平面机构构型，这样的构型显然无法涵盖机构学里面大多数的机构结构和自由度性质特点。为了使教学案例库的机构构型更加丰富且具有代表性和全面性，本案例库特采用复杂曲面接触加工作为机构的应用目标和任务工况，以此为基础开展案例库建设。

2.1 机构案例设计与实现方法

目前，针对空间机构的构型设计方法主要有：运用数学方法建立位移子群综合法[1]、约束螺旋综合法[2]、单开链机构构型综合法[3]、GF集机构构型综合法[4]。采用基于螺旋理论的约束螺旋法进行机构整体构型综合，然后通过位移子流形对机构进行非瞬时性验证分析。对于机构整体结构的构型综合相对简单，主要需要讨论的是对于各运动链的构型综合问题。

2.2 变胞机构与固定构型机构设计融合建设案例库

自由度数目和类型固定不变的机构只能体现出所有人类已经应用机构的一类特点，而在实际机械机构中，还有大量的自由度数目和类型随机构位置可以实时改变的机构，这样的机构就是变胞机构。将变胞机构引入机构构型教学案例库建设中，可以使教学案例库的构型涵盖更全面、体现机构学理论知识更系统。变胞机构往往是在普通机构基础上增加变胞运动副和变胞构件的方式实现，也存在一些将冗余驱动机构通过对运动副和驱动副的有效组合锁定实现机构构型的变胞，这些都可以充分体现《机构分析与综合》课程的理论知识和体系。

2.3 机构构型案例库分类方法

空间机构根据自由度数目的不同可以分为3自由度、4自由度、5自由度等少自由度机构以及6自由度机构;还可以根据是否冗余驱动分为正常机构和冗余机构;亦可以根据是否变胞分为变胞机构和普通机构。所以，将机构构型案例库中的机构进行充分的分类，可以使学生在学习过程中对机构的认知更加体系化和系统化。机构构型分类本身也是教学重点内容之一，强调分类也可以使学生更容易掌握机构构型设计与分析的技巧。

3 机构构型案例库开发过程案例实践

本文作者通过对2015—2019级机械工程专业学位硕士研究生的教学过程中，逐渐建立了大量的机构构型案例，并按照自由度类型、变胞特性、冗余特性将机构进行分类，结合理论内容在教学实践中取得了较好的效果。

4 结语

通过在研究生教学中引入机构构型案例库，逐步总结并建立一套适应《机构分析与综合》课程的机构案例库体系，实现研究生教学的理论与实践结合。

参考文献：

[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]杨廷力.机器人机构拓扑结构学[M].北京：机械工业出版社，2004：55-223.

[4]高峰，杨加伦，葛巧德.并联机器人型综合的GF集理论[M].北京：科学出版社，2011：9-192.

课题： 河北省研究生专业学位教学案例建设项目：变胞空间机构构型设计与综合（编号：KCJSZ2019088）

作者简介： 荣誉（1981—），男，副教授，主要从事并联机器人理论及应用研究。