机械原理与设计-现代机器的认知、分析与设计 课件 ch3-常用机构及其功能简介 + ch7 机构的表达与组成原理；ch5-机器的创新设计与开发

“设计与制造II”课程

（D&MII，ME3220）第三/七章机构的表达与组成原理、常用机构简介设计与制造II目录第三章机构自由度与常用机构机构的组成与机构运动简图kinematicdiagram机构自由度dof计算（KGC公式）常用机构习题Kutzbach-Grubler-Chebyshevformula构件

_组成机构的每一个独立运动单元体称为构件。link构件：单一零件，或由多个零件刚性联接而成。【构件的结构：往往由多个零件固结而成】构件是运动单元，而零件是制造单元。机构的组成及运动简图构件link构件运动副运动链机构Links:individualpartsofmechanism.Theyareconsideredrigidbodiesandareconnectedwithotherlinkstotransmitmotionandforces.机构的组成及运动简图构件link抽象抽象具体机构的组成及运动简图构件的表示方法构件linkkinematicdiagramstructuraldiagrammonarylink:linkwith1jointbinarylink:linkwith2joints(simplelink)ternarylink:linkwith3joints(complexlink)quaternarylink:linkwith4jointspolinarylink:linkwithmorethan2joints机构的组成及运动简图发展动向构件link构件：运动基本单元—机架、原动件、从动件、执行构件（刚性、挠性/柔性、弹性、软体、流体…）构件运动副运动链机构秦军弓弩复制品秦陵博物院Fast射电望远镜，500m口径，贵州黔南机构的组成及运动简图运动副运动副/关节/铰链－两构件直接接触而又能产生一定型式的相对运动的连接，可动连接。Theconnectionsbetweenlinksthatpermitconstrainedrelativemotion运动副元素－两构件构成运动副的接触表面：低副lowerpair、高副higherpair构件运动副运动链机构作用类型Akinematicpair/jointisamovableconnectionbetweentwoormorelinks(attheirnodes),whichallowssomemotions,orpotentialmotionsbetweentheconnectedlinks.平面低副－转动副revolute/pin/hinge

joints自由度jointconnectivity自由度数约束条件I级运动副(I级副,提供一个约束条件)、II、III、IV、V级副Rxyθ运动副机构的组成及运动简图平面运动副Kinematicdiagram平面低副－移动副prismatic/piston/slidingjointsP运动副机构的组成及运动简图机构的组成及运动简图运动副螺旋副helix/helicaljoint球面副spherepairballjoint球销副圆柱副cylindricalpair空间低副spatiallowerpairsHCSS’机构的组成及运动简图运动副空间低副spatiallowerpairs万象支架：西汉末（公元1世纪）巧工丁缓制作的“被中香炉”是世界上已知最早的常平支架。构造精巧，无论球体香炉如何滚动，其中心位置的半球形炉体都始终保持水平状态。镂空球内有两个环互相垂直可灵活转动，炉体可绕三个互相垂直的轴线转动。原理与现代陀螺仪中的万向支架相同。高副higher-order/halfjointscamjoint/pair机构的组成及运动简图运动副高副gearpair机构的组成及运动简图运动副机构的组成及运动简图运动副kinematicpair/joint构件和运动副的表示方法binarylinkternarylink机构的组成及运动简图运动副构件和运动副的表示方法机构的组成及运动简图运动副常用运动副的分类及其代表符号U42IV万向联轴节universal/Hookejoint机构的组成及运动简图运动副常用运动副的分类及其代表符号SymbolsusedinkinematicdiagramKinematicpairs运动副PrismaticRevoluteCylindric

SphericalHelicalPlanar(E)DOF112313LowerPairs铰链副移动副螺旋副柱销副球铰副平面副HigherPairs-1HigherPairs-2Thekinematicdiagram

Symbolsusedinkinematicdiagram机构的组成及运动简图运动副构件运动副运动链机构仿生设计：自然界的运动副、灵感运动副：构件连接关系（定心/向->变心/向、简单/复合、间隙、退化）发展动向构件运动副运动链机构运动链：两个以上的构件通过运动副的连接而构成的相对可动的系统。开链：运动链各构件构成首尾不封闭的系统。open-loopkinematicchain闭链：运动链各构件构成首尾封闭的系统。closed-loopkinematicchain机构的组成及运动简图运动链kinematicchain/linkageKinematicChain（运动链）:

anassemblyoflinksandjoints.(Interconnectedinawaytoprovideacontrolledoutputmotioninresponsetoasuppliedinputmotion.)?构件运动副运动链机构机构：运动链中如果将一个构件固定为支架，给定一个或几个构件的运动规律，其余各构件均能按预期的规律运动，这个运动链就形成机构。固定构件支架frame,fixedlink输入构件原动件(主动件)active/inputlink,drivercrank其余构件从动件follower其中：输出构件-执行构件outputlink机构的组成及运动简图机构mechanismMechanism（机构）:akinematicchaininwhichatleaseonelinkhasbeen“grounded”,orattached,totheframeofreference(whichitselfmaybeinmotion);thelinksinthekinematicchainmoveuponeachotherwithdefiniterelativemotion.机构运动简图－撇开构件的复杂外形和运动副的具体构造，用简单的线条和规定的符号代表构件和运动副，并按比例定出各运动副的相对位置。这种能准确表达机构运动情况的简化图形称为机构运动简图。机构示意图－若图形不按精确的比例绘制，仅仅为了表达机械的拓扑结构特征，这种简图称为机构运动示意图（机构示意图）。机构的组成及运动简图平面机构运动简图kinematicdiagram机构的组成及运动简图平面机构运动简图动画绘制平面机构运动简图的步骤：1)找构件；2)找运动副；

5)按适当比例画，成机构运动简图Back机构的组成及运动简图平面机构运动简图kinematicdiagram3)画运动副；4)画构件；目录第三章机构自由度与常用机构机构的组成与机构运动简图kinematicdiagram机构自由度dof计算（KGC公式）常用机构习题Kutzbach-Grubler-Chebyshevformula机构的自由度dof/mobility特例：平面机构的自由度机构具有确定运动的条件计算平面机构自由度时应注意的事项double/triplepin,passivedof,overconstraint

机构：把一个或几个构件的运动，变换成其他构件确定/期望运动的构件系统自由度：机构构成法则（运动-约束、输入-输出）构件运动副运动链机构第三章机构自由度与常用机构机构的自由度degreeoffreedom发展情况Dai(2014)Dai(2014)机构自由度_是指机构中各构件相对于机架

具有确定的位置所需指定的独立运动参数的数目。Thenumberofdegreesoffreedomofalinkage(the(mobilityofthelinkage)

isthenumberofparameters

independentwemustspecifytodeterminethepositionofeverylinkrelativetotheframeorfixedlink.设某一机构，共有N个构件，用Pi个i自由度的运动副连接起来。机构的自由度：(Kutzbach-Grubler-Chebyshevformula,KGC公式)

F＝q(N-1)-∑

(q-i)Pi

+ν-ξ

=q(N-∑Pi-1)+∑iPi

=q(N-∑Pi-1)+∑fi

N：构件总数（其中1个固定构件—机架）

q：机构的阶数(q维空间：平面机构3，空间机构6)q=6-λ(公共约束数)

i：运动副的自由度数

Pi：自由度为i的运动副的数目自由度计算及机构运动确定条件机构的自由度degreeoffreedom机构自由度=总自由度

--独立约束总数=∑fi-q(∑Pi-N+1)

+ν-ξ自由度计算及机构运动确定条件机构的自由度Stewart平台SSP自由度计算及机构运动确定条件机构的自由度SRP平面机构的自由度计算问题：设某平面机构，共有n个活动构件，含PL个低副、PH个高副。自由构件：3个自由度低副：2个约束条件高副：1个约束条件机构的自由度为

F＝3n

-2PL-PH机构的自由度与组成机构的构件的数目、运动副的类型及数目有关。自由度计算及机构运动确定条件平面机构的自由度F＝q(N-1)-∑

(q-i)Pi

自由度计算及机构运动确定条件平面机构的自由度F=3n-2PL-PH高副数目低副数目活动构件数目自由度数目Kutzbach-Grubler-Chebyshev公式自由度计算及机构运动确定条件平面机构的自由度F=3n-2PL-PH机构自由度=总自由度

--独立约束总数F＝q(N-1)一∑

(q-i)Pi

自由度计算及机构运动确定条件计算平面机构自由度时应注意的事项Coincidentjoint(Overlapping/multiplejoints,compoundhinges)计算平面机构自由度时应注意的事项自由度计算及机构运动确定条件自由度计算及机构运动确定条件计算平面机构自由度时应注意的事项自由度计算及机构运动确定条件计算平面机构自由度时应注意的事项

F=3n-2PL-Ph=33-23-1=2

F=3n-2PL-Ph=3

2-22-1=1滚子：回转体Idledof(PassiveDOF)自由度计算及机构运动确定条件计算平面机构自由度时应注意的事项Stewart平台S-CS-SPassiveDOFInternalDOFTorsionalrotation自由度计算及机构运动确定条件计算平面机构自由度时应注意的事项两点：轨迹重合(R)/距离恒定(R-R)3.虚约束RedundantConstraints3计算平面机构自由度时应注意的事项自由度计算及机构运动确定条件两构件：转动副轴线重合RedundantConstraints3计算平面机构自由度时应注意的事项自由度计算及机构运动确定条件两构件：移动副导路平行RedundantConstraints3计算平面机构自由度时应注意的事项自由度计算及机构运动确定条件盘形槽凸轮机构两构件：平面高副多点接触公法线重合等宽凸轮机构RedundantConstraints3自由度计算及机构运动确定条件计算平面机构自由度时应注意的事项存在：重复约束作用的对称部分计算平面机构自由度时应注意的事项自由度计算及机构运动确定条件复合铰链局部自由度虚约束两构件上两点距离不变/轨迹重合两构件最多只能形成1个平面低副两构件最多只能形成1个异侧平面高副、2个同侧平面高副起重复约束作用的对称部分F=3n-2PL-PH机构自由度计算的特殊情况F＜=0时，机构蜕变为刚性桁架，构件之间没有相对运动。（F=0：structure；F<0：preloadedstructure）自由度计算及机构运动确定条件机构具有确定运动的条件F＞0时，原动件数<机构的自由度，各构件没有确定的相对运动机构自由度：机构中各构件相对于机架所具有的独立运动参数。自由度计算及机构运动确定条件F＞0时，原动件数大于机构的自由度，则在机构的薄弱处遭到破坏。

机构具有确定运动的条件是：机构的原动件的数目=机构的自由度的数目机构具有确定运动的条件所有独立运动参数的值都被给定。机构结构分析和组成原理平面机构的结构分析平面机构的组成原理物理层面：机构=构件+运动副属性层面：机构自由度=f

(杆件数，副类型，副数目，环路)功能层面：机器的机构系统=(功能模块i)

Assur杆组法：机构=机架+原动件+其余构件(从动件)机构的结构分析（机构组成）机构结构分析和组成原理机构=机架+原动件+其余构件(从动件)平面机构的结构分析机构结构分析和组成原理机构的原动件数=机构的自由度数

其余构件（从动件）：自由度为零的构件组基本杆组：不能再拆、最简单、自由度为零的构件组Assurgroup阿苏尔杆组Assur杆组法

平面机构组成原理：任何机构都可以看作是由若干个基本杆组依次连接到原动件和机架上所组成平面机构的组成原理机构结构分析和组成原理

II级组：最简单的组合（n＝2，PL＝3）

II级组有5种不同的类型（转动副和移动副）机构结构分析和组成原理讨论：全部由低副构成的基本杆组

n个构件和PL个低副，自由度公式F=3n-2PL＝0PL=3n/2n＝2，PL＝3；n＝4，PL＝6；…Assurgroup阿苏尔杆组机构结构分析和组成原理

III级组：n＝4，PL＝6

IV级组：n＝4，PL＝6Assurgroup阿苏尔杆组讨论：讨论：含高副的基本杆组有哪些情况？II级机构：由最高级别为II级组构成

III级机构：由最高级别为III级组构成

I级机构：只由机架和原动件而构成的机构平面机构的级别取决于所包含的基本杆组的最高级别机构结构分析步骤：1）计算机构自由度，确定原动件（将产生虚约束和局部自由度的构件和运动副去掉）

2）高副：高副低代

3）拆掉原动件，从远离原动件的地方开始拆杆组：先试拆II级组，当不可能时再试拆III级组（注意：每拆出一个杆组后，剩下的部分仍组成自由度为零的杆组，直至全部杆组拆出）

4）确定机构的级别机构结构分析和组成原理平面机构的结构分析机构的级别平面低副机构（运动分析和动力分析）所有平面机构

高副低代：低副代替高副-条件和方法机构运动保持不变，高副低代条件：1)自由度必须完全相同2)瞬时速度和瞬时加速度必须完全相同机构结构分析和组成原理平面机构的结构分析高副低代机构结构分析和组成原理机构结构分析步骤：1）计算机构自由度，确定原动件（将产生虚约束和局部自由度的构件和运动副去掉）

2）高副：高副低代

3）拆掉原动件，从远离原动件的地方开始拆杆组：先试拆II级组，当不可能时再试拆III级组（注意：每拆出一个扦组后，剩下的部分仍组成杆组）

4）确定机构的级别平面机构的结构分析机构的级别-例子1机构结构分析和组成原理机构结构分析步骤：1）计算机构自由度，确定原动件（将产生虚约束和局部自由度的构件和运动副去掉）

2）高副：高副低代

3）拆掉杆组，从远离原动件的地方开始拆杆组：先试拆II级组，当不可能时再试拆III级组（注意：每拆出一个扦组后，剩下的部分仍组成杆组）

4）确定机构的级别平面机构的结构分析机构的级别-例子2机构类型综合运动链的基本型式单闭环机构的类型综合型综合：研究一定数量的构件和运动副可以组成多少种机构型式的综合过程运动链的基本型式机构类型综合讨论：N个构件、PL个低副

N＝2，PL＝1，

L=0； N＝4，PL＝4，

L=1； N＝6，PL＝7，

L=2； N＝8，PL＝10，L=3；…F=3(N-1)-2PL＝1PL=3N/2-2附加的一个闭链：Pi-Ni=1

多闭环运动链：环数L=

P-N+1单闭环运动链：P0=N0

P0-N0=0Watt型Stephenson型Euler环路公式F’=3N-2PL＝4单闭环机构的类型综合机构类型综合F=3(N-1)-2PL-PH单闭环：N=P=PL+PH【

≥

3（N：构件数，包括固定、活动）】PL+2PH=4N＝3，P

＝3PL=2；PH=1若F=1PL+2PH=F+3目录第三章机构自由度与常用机构机构的组成与机构运动简图kinematicdiagram机构自由度dof计算（KGC公式）常用机构习题Kutzbach-Grubler-ChebyshevformulaDesignCatalogueofMECHANISMS常用机构第三章常用机构及其工作原理连杆机构（含工业机器人机构、并联机器人机构）凸轮机构齿轮机构间歇运动机构（棘轮、槽轮、凸轮式、不完全齿轮、）螺旋传动机构（传力、传导、调整）摩擦传动机构挠性传动机构（带、链、绳、软轴、丝、）…（广义机构）常用机构机构：机器的“骨骼”系统，起到支承、运动产生与变换、载荷传递与转换的功用。DesignCatalogueofMECHANISMS连杆机构第三章常用机构及其工作原理连杆机构：低副机构平面连杆机构、空间连杆机构

四杆机构、五杆机构抽油机雷达跟踪八缸发动机第三章常用机构及其工作原理DesignCatalogueofMECHANISMS凸轮机构移动凸轮盘形凸轮圆柱凸轮尖底滚子平底电阻压帽机卷棉机凸轮机构：高副机构平面凸轮机构、空间凸轮机构第三章常用机构及其工作原理DesignCatalogueofMECHANISMS齿轮机构齿轮机构应用广泛1）适用速度、功率范围广2）效率较高3）传动比稳定4）寿命较长、工作可靠5）任意相近的轴之间传动外啮合直齿圆柱齿轮内啮合直齿圆柱齿轮齿轮齿条机构斜齿圆柱齿轮机构人字齿轮机构锥齿轮机构交错轴斜齿轮机构蜗轮蜗杆机构第三章常用机构及其工作原理DesignCatalogueofMECHANISMS间歇运动机构棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮式间歇机构第三章常用机构及其工作原理DesignCatalogueofMECHANISMS螺旋传动机构第三章常用机构及其工作原理DesignCatalogueofMECHANISMS摩擦传动机构第三章常用机构及其工作原理DesignCatalogueofMECHANISMS挠性传动机构挠性传动机构带传动链传动绳传动（绳、丝、线、腱、）软轴传动DesignCatalogueofMECHANISMS常用机构功能第三章常用机构及其工作原理实现基本运动功能的机构目录常用机构功能：机构选型手册孟宪源主编，现代机构手册·选例·构型·设计，机械工业出版社，1994.6目录第三章机构自由度与常用机构机构的组成与机构运动简图kinematicdiagram机构自由度dof计算（KGC公式）常用机构习题Kutzbach-Grubler-Chebyshevformula第三章机构自由度与常用机构简介2-1什么是机构？2-2构件与零件的区别是什么？2-3什么是运动副？2-4什么是运动链？2-5什么是机构自由度？2-6机构具有确定运动的条件是什么？产品设计时是否一定需要确定的运动？2-7计算机构自由度应注意哪些注意事项？2-8什么是机构运动简图？与机构示意图有什么区别？思考题习题n=4PL=5PH=1F=3n-2PL-PH

=1n=6PL=7PH=3F=3n-2PL-PH

=1m=3m=3n=3PL=3PH=2F=3n-2PL-PH

=1n=5PL=7PH=0F=3n-2PL-PH

=1n=5PL=7PH=0F=3n-2PL-PH

=1n=5PL=7PH=0F=3n-2PL-PH

=1n=7PL=10PH=0F=3n-2PL-PH

=1n=7PL=9PH=1F=3n-2PL-PH

=22P2R2P1Rn=2PL=2PH=1F=3n-2PL-PH

=1n=3PL=3PH=2F=3n-2PL-PH

=1Backn=8PL=11PH=1F=3n-2PL-PH

=1n=6PL=8PH=1F=3n-2PL-PH

=1n=5PL=7PH=0F=3n-2PL-PH

=14-UPU并联机构(3-SPS)-S混联机构Back“设计与制造II”课程

（D&MII，ME3220）谢 谢！第三章常用机构及工作原理“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）设计与制造ⅡDesignandManufacturingⅡ(ME3220/原ME209)项目设计与制作指导项目设计主要步骤机电产品系统构成与开发流程（项目开展流程）项目设计与制作指导调研与立题（产品与技术：市场、科研）方案产生（头脑风暴：概念设计）虚拟样机（数字仿真优化与实验）详细设计（机构与结构设计）虚拟样机（数字仿真优化与实验）实物样机（制作、装配、控制与实验）项目展示1-34-99-1213-1718项目进程项目设计与制作指导项目设计与制作流程“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）现代机电产品的开发过程（Project实施流程）调研与立题机电产品方案设计机构设计结构设计电机+控制原型制作与展示需求分析/产品规划选题调研和预测可行性论证确定设计任务市场需求功能要求概念方案详细方案市场销售机器组装组部件装配零件/器件采购/制造设计过程制造过程广义机构+控制逻辑/要求机械结构+控制系统机器调试机械结构+控制硬件现代机械产品开发过程机器结构+控制软件？市场调研产品规划项目设计与制作流程T1：分组、调研、立题项目设计与制作指导“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）项目设计评分采用等级制，加权转成分值，包括每周进展、节点答辩、综合答辩、演示情况、项目报告、组内组间互评等（占课程成绩50%）根据整体完成质量及成员个人贡献、工作量大小、平时投入程度、提交文档质量，并考虑各小组间作品的相对完成质量评定成绩。采用小组总体评分、小组成员浮动调整的方式，以鼓励团队合作以及个人贡献，调动每个人的积极性。最终的项目评审答辩+项目展示，需要小组成员合作完成一份word报告、汇报ppt、原型展示，答辩时所有成员均需介绍自己的工作。每组提交原型制作作品1套、纸质报告1份、电子文档1份。电子文档包括下面5部分内容及其他相关材料：计算程序（分析设计程序源代码、可执行程序）图纸文件（3D、装配图、零件图）视频文件（包含：仿真动画[淡色背景]、原型制作过程、样机演示）设计说明书（pdf+doc，每组1份，不少于A4纸30页，小四宋体，含个人photo、分工情况）答辩讲稿ppt（每组1份，合作完成，含个人photo、分工情况）成绩评定规则项目设计与制作指导一、设计任务书（含调研+立题论证）…………page二、方案构思与概念设计…………page三、结构布局与详细设计…………page四、驱动系统设计与选型…………page五、控制系统设计与选型（含传感方案设计与传感器选型）…page六、原型制作、装配与调试………page七、个人体会………page八、参考文献………page附录、计算程序源代码、程序使用说明、图纸、选购件一览表等设计说明书参考格式－说明书参考目录（或参考设计指导书格式）项目设计与制作指导设计工具编程计算：VC,VC++【目前，计算机语言达9000种，其中只有50种编程语言较流行】

C#，VB，Java，Python，。。。MatLab，Mathematics，Maple等结构设计+运动仿真： SolidWorks

UG

Pro/E

AutoCAD+3DMax Adams，Ansys，Nastran Matlab/Simulink，等文档：

Word ->.Doc，.docxLaTeX->.latexAcrobatDistiller->.pdfPowerPoint

->.ppt，.pptx，等项目设计与制作指导随时记录、随时整理、做好笔记计算机目前九种编程语言大对比,2019.9.23/p/83811737设计工具项目设计与制作指导项目要求：立题方式：自主立题

+

挑战赛命题

+

企业难题榜课程网址：/bkjx/me3220/需求调研：相关市场、产品实地：市场、用户、展览会、媒体：报纸、电视、广告、网络：Baidu、Sogou、Google、（电脑+手机）调研途径：技术调研：科研现状实地：大学、研究所、公司数据库：中国知网(中国期刊网,CNKI)EiVillage2(EiCompendexWeb)SCI:WOS-WebofScience(SCIE,SSCI,A&HCI,ISIProceedings)。。。T1：分组、调研、立题调研与立题立题需求调研：相关市场、产品实地：市场、用户、展览会、媒体：报纸、电视、广告、网络：Baidu、Sogou、Yahoo、Google（电脑+手机）调研途径：技术调研：科研现状实地：大学、研究所、公司数据库：中国知网(中国期刊网,CNKI)EiVillage2(EiCompendexWeb)SCI:WOS-WebofScience(SCIE,SSCI,A&HCI,ISIProceedings)。。。T1：分组、调研、立题调研与立题立题要求：具有机电一体化特征：机械运动：含2个或以上机构含驱动器、控制器、传感器设计任务书：立题依据（调研分析、需求目标）技术要求（功能、性能等要求）【测试原理与技术：杜正春

老师（携手指导项目）】T1：分组、调研、立题调研与立题具有机电一体化特征：机械运动：含2个或以上机构含驱动器、传感器、控制器设计任务书：立题依据（调研分析、需求目标）技术要求（功能、性能等要求）【测试原理与技术：杜正春

老师（携手指导项目）】评分依据：以机械设计创新性、分析计算科学性、方案表达规范性—设计图纸+制作+答辩+样机demo为主；工作量：以机械为主/不低于80%，以控制和算法为辅/不高于20%。立题要求：设计题目各类大赛：全国大学生机械创新设计大赛挑战杯（大挑、小挑）上海市机械创新设计大赛ASME赛（M&R、Design）、IEEE赛、Robocup、生活需求：衣食住行医疗康复（养生保健、助老助残）生活便利精神娱乐生产需求：生产工具能源动力（节能减排）探索世界：天上、星际、外星地面、野外地下、水下宏观、微观课程挑战赛企业难题榜设计题目设计题目：全国大学生机械创新设计大赛现状调查产品和研究，了解具体技术现状分析与总结

对作品的功能、结构、工艺制作、性能价格比、先进性、创新性等多方面进行综合评价。在实现功能相同的条件下，机械结构越简单越好第十届

自然

•

和谐

仿生机械、生态修复机械《设计与制造Ⅱ》项目立题：选题建议设计题目：全国大学生机械创新设计大赛第十一届全国大学生机械创新设计大赛

2024.07主题：机械创新推进农业现代化、自然和谐迈向仿生新高度内容：设计与制作1）用于生产国产杂粮和10种蔬菜的播种、管理和收获的小型专用机械（简称：兴农机械）2）以提高仿生机械运动性能为目标的‘仿生青蛙’和‘仿生蝴蝶’（简称：高性能仿生机械）地点：华中科技大学设计题目挑战杯是“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛的简称，是由共青团中央、中国科协、教育部和全国学联共同主办的全国性的大学生课外学术实践竞赛。“挑战杯”竞赛在中国共有两个并列项目，全国竞赛交叉轮流开展，每个项目每两年举办一届。“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛（小挑）“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（大挑）竞赛方式高等学校在校学生申报自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作三类作品参赛；聘请专家评定出具有较高学术理论水平、实际应用价值和创新意义的优秀作品，给予奖励；组织学术交流和科技成果的展览、转让活动。参赛资格凡在举办竞赛终审决赛的当年7月1日以前正式注册的全日制非成人教育的各类高等院校的在校专科生、本科生、硕士研究生和博士研究生（均不含在职研究生）都可申报作品参赛。作品申报申报参赛的作品必须是距竞赛终审决赛当年7月1日前两年内完成的学生课外学术科技或社会实践活动成果，可分为个人作品和集体作品。各组设计题目：“挑战杯”江泽民题写杯名设计题目第一届，1989，清华大学第二届，1991，浙江大学第三届，1993，上海交通大学第四届，1995，武汉大学第五届，1997，南京理工大学第六届，1999，重庆大学第七届，2001，西安交通大学第八届，2003，华南理工大学第九届，2005，复旦大学第十届，2007，南开大学第十一届，2009，北京航空航天大学第十二届，2011，大连理工大学第十三届，2013，苏州大学第十四届，2015，广东工业大学、香港科技大学共同承办第十五届，2017，上海大学第十六届，2019，北京航空航天大学第十七届，2021，四川大学第十八届，2023，贵州大学各组设计题目：“挑战杯”江泽民题写杯名“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛（大挑）/设计题目第一届，1999，清华大学第二届，2000，上海交通大学第三届，2002，浙江大学第四届，2004，厦门大学第五届，2006，山东大学第六届，2008，四川大学第七届，2010，吉林大学第八届，2012，同济大学第九届，2014，华中科技大学第十届，2016，四川大学第十一届，2018，浙江大学第十二届，2020，东北林业大学第十三届，2022，北京理工大学第十四届，2024，西安交通大学“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛（小挑）竞赛采取学校、省（自治区、直辖市）和全国三级赛制，分预赛、复赛、决赛三个赛段进行创业计划竞赛是20世纪80年代在美国高校兴起的以推动成果转化为目标的活动。它借助风险投资运作模式，要求参赛者组成学科交叉、优势互补的竞赛团队，就一项具有市场前景的技术产品或服务，以获得风险资本的投资为目的，完成一份完整的创业计划书。各组设计题目：“挑战杯”2014年改称“创青春”全国大学生创业大赛设计题目现状调查-产品和研究，了解具体技术数据

-现状分析与总结、寻找问题观察自然，体验生活勤于思考，发现问题T1：分组、调研、立题调研与立题蓝海战略（新需求）产品策略用户功能性能营销策略红海调研与立题挑战赛1——仿生青蛙调研与立题挑战赛2——仿生蝴蝶调研与立题挑战赛——仿生青蛙、仿生蝴蝶赞助企业：临汾市鑫锐机械设备有限公司赞助项目：①仿生青蛙；②仿生蝴蝶（2024年机创国赛题目）项目要求及规则：参考“参赛须知”及“详细介绍”赞助费用及要求：赞助优秀项目奖金：两组挑战赛各设置一等奖1-2组，二等奖2-4组，三等奖3-10组（具体组数根据报名总组数确定），一等奖1600元，二等奖1200元，三等奖800元（奖金金额略高于非挑战赛项目组别）赞助后续参加市赛及国赛的项目持续改进所需相关费用赞助项目相关专利申请费用受赞助项目提供全套课程项目设计文档调研与立题企业难题榜1——兴农机械~国产杂粮荞麦荞麦收获机调研与立题企业难题榜2——兴农机械~10种蔬菜调研与立题课程项目展历届情况报道（1）交大机械动力学院本科生160项好设计亮相成果展——项目式教学打造高素质工程实践人才，为中国“智”造积蓄力量，2016-01-18，/bkjx/tg_news/510.html【多课合展】（2）机械与动力工程学院“设计制造”系列课程项目总结汇报与课程建设研讨会顺利举行，2016-12-02，/bkjx/tg_news/490.html【经验总结会】（3）机械与动力工程学院“由工导思

以智造物”2016年秋季学期课程项目成果展举行，2017-01-16，/bkjx/tg_news/466.html【多课合展】（4）机械与动力工程学院举行2017年秋季学期课程项目成果展，2018-01-17，/bkjx/tg_news/435.html【多课合展】（5）机械与动力工程学院举行2018年秋季学期设计与制造Ⅱ课程项目成果展，2019-01-15，/bkjx/tg_news/392.html【单独设展】（6）机械与动力工程学院举行2019年度设计与制造Ⅱ课程项目展，2020-01-15，/bkjx/tg_news/312.html【单独设展】（7）机械与动力工程学院举办2020年《设计与制造Ⅱ》课程项目展，2021-01-13，/bkjx/tg_news/1957.html【单独设展】第1届第2届第3届第4届第5届第6届（8）机械与动力工程学院举办2021秋季学期《设计与制造Ⅱ》课程项目展，2022-01-19，/news/71901.html【单独设展】第7届（9）机械工程专业设计类课程建设在线研讨会暨“设计与制造Ⅱ”课程项目展成功举办，2023-01-08，/news/73906.html【单独设展】第8届调研与立题自搬运AGV（项目展一等奖，专利2）基于越障的可变形车轮（专利1）全方位水下拍摄机器人仿行星系统的变形灯（项目展三等奖，专利1）2015-2016年度秋季学期（学生作品部分题目）：多功能面食机（专利1）爬梯子机器人多功能水母机器人辅助行走及锻炼一体机第1届项目展2016.01多足智能玩具肩关节辅助康复训练臂无人机自适应平稳下落支脚旋转木马音乐盒自升降电动窗帘轮履复合式越障避障机器人高空电缆除冰机器人爬楼机器人设计AssistiveWheelchairMechanicalFootforBootTesting2016-2017年度秋季学期（学生作品部分题目）：便携式皮影机器箱自动化水面污染物收集装置叠衣、卷衣一体化的衣服整理系统AutomaticPancakeFlipperAninterestingsweepingrobot优秀项目一等奖优秀项目二等奖优秀项目三等奖电动助步器吸尘鞋可拆卸自行车电动装置个人智能小助手手指康复训练器雨伞自动装袋器写字机械臂自动剥蛋器智能清洁机器人基于RFID的智能图书分拣装置设计Bionics-flappingSeagullAircraft机械手掌设计及其握力研究多模式肘关节康复仪老年人电动代步工具最具创意奖智能中药取药装置自动摆放书籍机器人高空摘果器可爬楼梯的扫地机器人自动网球捡球机自动水果削皮机自动叠衣机最具创意奖可拆自行车电动装置巧克力先生肩关节康复训练臂自动叠衣板最受学生欢迎奖400名学生约100个题目调研与立题第2届项目展2017.012017-2018年度秋季学期（学生作品部分题目）：调研与立题第3届项目展2018.012018-2019年度秋季学期（学生作品部分题目）：调研与立题第4届项目展2019.012019-2020年度秋季学期（学生作品部分题目）：调研与立题第5届项目展2020.012020年1月11日，机械与动力工程学院举行设计与制造Ⅱ课程项目展，13个教学班的88个项目参与展示，其中34个小组参与了陈述报告环节，首次实现了全部课程项目参加现场展示。本次项目展最终评选出一等奖2项、二等奖4项、三等奖14项、最佳人气奖10项、优胜奖10项。2020-2021年度秋季学期（学生作品部分题目）：调研与立题第6届项目展2021.012021年1月9日，机械与动力工程学院举办2020年《设计与制造Ⅱ》课程项目展，12个教学班88个项目全部参展，28个推优项目进行了项目汇报。本次项目展采用线上直播与线下同步的方式。本次项目展最终评选出一等奖2项、二等奖5项、三等奖8项、最佳人气奖10项、优胜奖13项。2021-2022年度秋季学期（学生作品部分题目）：调研与立题第7届项目展2022.012021年1月15日，机械与动力工程学院举办2021年度秋季学期《设计与制造II》课程项目展，13个教学班87个项目全部参展，29个班级推优项目和19个进入复赛的挑战组项目进行了项目汇报，活动采用会场直播与线下同步的方式。本次项目展增设了爬楼梯和越障挑战赛环节。活动最终评选出一等奖3项、二等奖8项、三等奖13项、最佳人气奖10项、优胜奖24项，以及挑战组单项奖5项。单项奖调研与立题第7届项目展2022.01工程学导论(设计与制造0)设计与制造I设计与制造Ⅱ毕业设计(设计与制造Ⅲ)设计与制造课程群：促进多学科知识综合运用，逐级进阶培养系统思维上海市重点课程国家一流课程上海市+国家一流课程起落架实验作动系统实验滑行实验概念设计制作演示调研立题项目式教学：创新产品开发——复杂工程问题解决过程目标：服务国防反潜载具需求！G5-海熊猫无人空潜飞翼2021-2022秋季学期《设计制造II》课程项目展一等奖，最佳人气奖详细设计流体力学、机构学……固体力学、工程材料、FEM……制造工艺、测控……现代机器与装备：创新开发过程【工程问题解决过程】学院顶层设计：设计与制造系列课程2022-2023年度秋季学期（学生全部作品~线上线下混合项目展~全网直播）：调研与立题第8届项目展2023.01/bkjx/me3220/Projects2023.html课程网址：/bkjx/me3220/Back“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）谢 谢！项目设计与制作指导“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）设计与制造ⅡDesignandManufacturingII(ME3220)项目设计与制作指导项目设计与制作指导项目设计与制作流程“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）现代机电产品的开发过程（Project实施流程）产品方案设计目标分析创新构思方案拟定方案评价与决策概念设计方案设计机构与结构驱动与控制传感与检测方案筛选机电产品运动方案开发过程(产品方案设计)项目设计与制作指导现代机器的骨架/运动系统（三子系统论，核心组成）通讯信息处理与控制广义执行机构传感检测子系统机械系统(机械结构)现代机电产品的物理构造（Project实施对象）机电产品运动方案开发过程(产品方案设计)机械运动方案设计过程（Project实施子流程）机械设计师/主导+电控设计师/配合项目设计与制作指导信息处理与控制传感检测广义执行机构1信息处理与控制广义执行机构m广义执行机构n传感检测子系统…通讯信息处理与控制……执行单元1执行单元m执行单元n机械运动电子控制现代机器的逻辑结构（系统层次）现代机器的骨架/运动系统（三子系统论，核心组成）？市场调研产品规划市场需求功能要求概念方案详细方案市场销售机器组装组部件装配零件制造设计过程制造过程广义机构+控制逻辑机械结构+控制系统机器调试机械结构+控制硬件现代机械产品开发过程机器结构+控制软件？概念设计运动设计工作机理->动作过程->运动方案Step1Step2概念设计：机理+运动方案(功能载体：机构+控制)任务T2：方案设计-概念方案项目设计与制作指导项目设计与制作流程2023.10.09（Mon）“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）机电产品运动方案开发过程(产品方案设计)时序逻辑控制动态过程控制机械运动方案设计过程（Project实施子流程）机械设计师/主导+电控设计师/配合项目设计与制作指导工作机理输入端/驱动端动力输出端/执行端动作机构/传动运动现代机电产品的物理构造（Project实施对象）广义执行机构机械系统(机械结构)传动系统（带/链/螺旋、减速器、联轴器、离合器、制动器）驱动系统（原动机：电机、发动机、液压泵、畜力、人力、）执行系统（连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间歇运动机构、）现代机器的骨架/运动系统（三子系统论，核心组成）项目设计与制作指导机电产品运动方案开发过程(产品方案设计)功能视角看机械系统组成项目设计与制作流程概念设计-casestudy项目设计与制作指导曹睿贾睿胡杨机器螃蟹(2007)1.确定设计任务1）调研分析调研：螃蟹活体结构、实际爬行运动、图片、录像、已有机器螃蟹等，理解了螃蟹的生物种类、生活习性、运动特点、已有机器螃蟹结构等。分析：螃蟹共有五对足，其中一对螯主要用于捕食和防御（翕张运动)，最后一对步足演化为水中划行的划行足，中间三对步足起主要爬行作用。2）确定设计任务设计小组展开“头脑风暴”，集体研讨，确定设计一只六足的机器螃蟹。设计任务：设计一只六足的机器螃蟹，能模拟螃蟹横行和转弯。要求结构简单，运动灵活，与螃蟹外形及主运动相似度高。由一只电机驱动，可实现横向爬行、行进中左右转向及原地转向功能。蟹项目设计与制作流程概念设计-casestudy项目设计与制作指导2.方案构思与设计过程1）爬行过程分析与构思（工艺动作过程）爬行动作：爬行步态（3-3步态：中间三对步足的运动之间存在相位差，交替触地与离地，保证身体在前进方向的平衡）爬行过程：机械运动循环示意图（单只步足）功能分解：横向爬行、转向曹睿贾睿胡杨机器螃蟹(2007)蟹螃蟹爬行步态爬行运动循环图步足编号优点：利用“死点”特性

符合实际蟹腿的运动

更加可靠、合理

改进后的蟹腿项目设计与制作流程概念设计-casestudy项目设计与制作指导2.方案构思与设计过程2）运动功能求解（机构综合、运动时序设计）爬行功能：蟹腿机构的构思与设计（足端轨迹：构型+尺度）曹睿贾睿胡杨机器螃蟹(2007)蟹初始机构方案传动部分过于复杂

足端轨迹轨迹生成问题四杆机构-1dof五杆机构-2dof项目设计与制作流程概念设计-casestudy项目设计与制作指导2.方案构思与设计过程2）运动功能求解（机构综合、运动时序设计）爬行功能：蟹腿机构的构思与设计（足端轨迹）转向功能：转向机构的构思与设计（构型+尺度）曹睿贾睿胡杨机器螃蟹(2007)蟹螃蟹的转向是一个很复杂的过程，如果用腿部动作来实现，时序十分复杂，而且转向过程中机械螃蟹身体很不稳定。联想到现实中某种重型起重机的前向爬行机构我们把螃蟹身体分为上下两层机架，两层可作相对转动六条腿分成两组，分别固定在两层机架上转向机构仿真机器螃蟹转向运动仿真转向机构上下两层相对转角：10

O项目设计与制作流程概念设计-casestudy项目设计与制作指导2.方案构思与设计过程2）运动功能求解（机构综合、运动时序设计）爬行功能：蟹腿机构的构思与设计（足端轨迹）转向功能：转向机构的构思与设计协调功能：运动时序的设计与优化机器螃蟹(2007)蟹单腿爬行运动循环示意图单腿爬行运动循环图六足爬行时序项目设计与制作流程概念设计-casestudy项目设计与制作指导2.方案构思与设计过程3）驱动与传动设计（原动机+传动系统）驱动方案：原动机选型（如：电机~转速、转矩、功率、工作状态）传动方案：传动机构（构型+尺度：齿轮、带、链、索、连杆...）曹睿贾睿胡杨机器螃蟹(2007)蟹WZY—131型玩具电机电压空载负载制动力矩(克·厘米)电压范围(伏)测试电压(伏)转速(转/分)电流（安)转速(转/分)电流(安)力矩(克·厘米)功率(瓦)1.5-3.01.576000.2752000.716.50.320.61.5-3.03100000.3475001100.9632.5品牌XXX产品类型有刷直流电动机型号WZY-131额定功率0.02（kW）额定电压1.2（V）额定转速10000（rpm）外形尺寸19.5*12*9.5（mm）厂家产品手册槽轮+齿轮电机-中心主轴传动比：

转/秒主轴转速：

转/秒下机架蟹腿传动链上机架蟹腿传动链蟹腿机构传动链项目设计与制作流程概念设计-casestudy项目设计与制作指导3.最终设计方案：机构+时序形态比较逼真：机构布局步态比较相似：3-3步态、足端轨迹协调功能：运动时序的设计与优化曹睿贾睿胡杨机器螃蟹(2007)蟹项目设计与制作流程T2：1stME3220case1名称：自搬运AGV机械臂能力空间项目设计与制作流程T2：方案设计-case2项目设计与制作指导马骏张嘉梁余春华沈文亮机器螃蟹(2007)方案Ⅰ—连杆行走机构运动循环图凸轮轮廓设计x=(rb+s)*sin(Ф)+cos(Ф)*(ds/dФ)y=(rb+s)*cos(Ф)-sin(Ф)*(ds/dФ)取s=3*sin(n/2)*cos(n/4)方案Ⅲ—凸轮-连杆机构方案Ⅱ—凸轮行走机构项目设计与制作流程T2：1stME3220case3名称：爬梯子机器人项目设计与制作流程T2：方案设计-case4基于变形轮的自稳式爬楼机器人爬楼机构三角轮式纯足式悬挂轮式组合式变形三角轮式自稳机构设计变形轮机构设计(2014)项目设计与制作流程T2：1stME3220case5名称：基于越障的可变形车轮项目设计与制作流程T2：方案设计-case6摇摆波浪床.发明人：姚文卿;倪维增;孟再强;郭为忠.发明专利授权号：ZL200910308293.9申请日：2009.10.15；授权日：2012.1.4(2008-2009秋季)

孟再强5060209270机械工程及自动化机构选型及组合

机构力学特性分析文字材料倪维增5060209271机械工程及自动化方案原理设计机构简图绘制零件尺寸计算姚文卿5060209275机械工程及自动化完整三维建模机构运动动画制作机构传动分析摇摆波浪床Group9孟再强5060209270倪维增5060209271姚文卿5060209275(2008)项目设计与制作流程T2：方案设计-case7机械防盗锁设计杨漪李夏雨武悦(2008)普通弹子锁结构分析弹子锁开锁过程撞匙开锁法通过锁定槽与锁定珠来实现防盗的功能钥匙插到底时正好将细杆顶到正确位置项目设计与制作流程T2：方案设计-case8魔方式展示柜陈奥林陈渠罗盛林赖梦琪(2014)项目设计与制作流程T2：1stME3220case9名称：仿行星系统的变形灯项目设计与制作流程T2：方案设计-case10支撑杆式越障车轮发明人：袁斯辰，陈宇，汪晓蔓，郭为忠发明专利授权号：ZL201110110300.1申请日：2011.04.29；授权日：2012.09.19(2010-2011秋季)全自动奶茶一体机发明人：余德汝，石柱，何腾，韩小鹏,茅翌君发明专利授权号：ZL201110217600.X申请日：2011.7.29；授权日：2013.06.12(2010-2011秋季)项目设计与制作流程T2：方案设计-case11作业本自动拾取机构发明人：杨晓东,顾鹏,陈山林,傅双枝,张座通,郭为忠发明专利授权号：ZL201310642335.9申请日：2013-12-03；授权日：2015-05-11(2012-2013春季)康复用助步器发明人：毛佳炜,王铎源,赵午阳,郭为忠发明专利授权号：ZL201310533562.8申请日：2013-10-31；授权日：2015-08-21(2012-2013春季)项目设计与制作流程T2：方案设计-case12三模式变形轮，赵齐屾，潘登，莫喜先，刘光远，李正安，郭为忠，申请号：201510271693.2,申请日：2015.05.25

(2013-2014春季)同轴旋转滑移运动变耦合输出装置，张树桉,郭为忠，申请号：201310431845.1,申请日：2013-09-22

(2012-2013春季)双层螺旋桨式多自由度四轴飞行器，胡懿伦,金光现,郭为忠，申请号：201410187335.9,申请日：2014.5.6(2013-2014春季)绳牵引远距离操作平台，张树桉,吴林立梓,李沁驰,潘登,郭为忠，申请号：201410778110.0,申请日：2014-12-15(2013-2014春季)自动烧烤架，万良晨，冯太锐，刘柯，张书圣,郭为忠，申请号：201410714074.1,申请日：2014-11-28(2013-2014春季)魔方式展示柜，陈奥林,赖梦琪,罗盛林,陈渠,郭为忠，申请号：201510261163.X,申请日：20150521(2013-2014春季)项目设计与制作流程2019-2020-1钱班题目G6-模块化会议室市赛一等奖G4-外管道检测机器人G5-绘画助教市赛一等/国赛二等G3-人脸识别外卖自提机项目展最佳人气奖G1-多孔板自动加样机项目展优胜奖G2-欠驱动自适应机械手项目展二等奖G7-模式切换的欠驱动机械手项目展一等奖，发明专利1TA：赵辰尧项目设计与制作流程2020-2021-1钱班题目G4-智能贴膜机项目展人气奖、优胜奖G2-早餐分拣系统G5-自动调节支架G6-3Q球形机器人项目展三等奖G3-智能跟随式制冷装置项目展最佳人气奖G1-管道清理机器人项目展三等奖TA：徐浩项目设计与制作流程2021-2022-1钱班题目G6-浅滩作业的水陆两用海蟹仿生机器人项目展二等奖，最佳人气奖，砺志杯，市赛一等奖、国赛一等奖G4-一种基于水翼法推进的仿生海龟项目展二等奖，发明专利1、市赛一等奖G5-“海熊猫“潜航飞翼项目展一等奖，最佳人气奖G3-雨伞干燥收叠一体机发明专利1G1-轮足跳跃机器人G2-模块化全地形移动作业机器人项目展三等奖，最佳人气奖，爬楼梯速度最快奖-亚军TA：朱高晗y“设计与制造Ⅱ”课程

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（D&MⅡ，ME3220）设计与制造ⅡDesignandManufacturingII(ME3220)项目设计与制作指导郭为忠博士教授机械与动力工程学院上海交通大学项目设计与制作指导项目设计与制作流程“设计与制造Ⅱ”课程

（D&MⅡ，ME3220）现代机电产品的开发过程（Project实施流程）产品详细设计结构方案拟定造型与结构设计选材与性能设计设计图绘制控制软硬件选型机电产品详细设计结构设计电控设计选型设计算法设计性能设计与优化机电产品结构方案开发过程(产品详细设计)项目设计与制作指导现代机器的骨架/运动系统（三子系统论，核心组成）通讯信息处理与控制广义执行机构传感检测子系统机械系统(机械结构)现代机电产品的物理构造（Project实施对象）市场需求功能要求概念方案详细方案市场销售机器组装组部件装配零件制造设计过程制造过程广义机构+控制逻辑-过程/控制要求-品质机械结构+控制系统-软硬件/算法-程序or代码(过程-动作+运动)机器调试机械结构+控制硬件现代机械产品开发过程机器结构+控制软件？机械设计电控设计万向联轴器（universal/hookejoint）结构硬件机构控制动作运动市场需求功能要求概念方案详细方案市场销售机器组装组部件装配零件制造设计过程制造过程广义机构+控制逻辑机械结构+控制系统工艺动作时序＋工艺动作工艺动作序列工艺动作过程构思机理创新头脑风暴机械运动循环示意图＋驱动系统方案广义机构构型机械运动方案示意图尺度综合时序优化传动系统方案驱动传动选型设计末端特征时序＋末端特征末端特征序列