第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
产品创新，特别是具有自主知识产权的原创性创新，是企业孜孜追求的发展方向。建设创新型国家是我国发展的重要战略目标，自主创新能力成为体现综合国力和国际竞争地位的主要标志之一，也是国民经济可持续发展的重要基石。机械产品区别于其他产品，具有运动传递性、可变机动性、机械能的互换性等机械特征。随着社会发展对机械产品不断增长的功能需要和日趋严格的性能要求，使得产品结构越来越趋向复杂化。机构作为机械产品的骨架和执行器，是机械产品实现能量转换和运动变换的核心。机构学作为一门独立的学科已有 100 多年的发展历史，为各类机械的结构改善和性能提高发挥了不可替代的作用。机构分析和综合是传统机构学所研究的两个基本问题，机构系统设计是现代机构学的研究内容，也是机器概念设计和机械产品创新设计的需要。通过机构系统设计理论、方法的研究，使机构学与产品创新设计紧密相联，大大巩固了机构学在机械工程中的地位。机构拓扑结构（Topology Structure of Mechanism, TSM）在传统机构学中是指机构中构件和运动副的类型、数目、以及构件和运动副之间的邻接与附随关系，包括结构中所有元素、方位关系、自由度、约束状况等信息。它反映了机构的具体组成、内部关系和可动性特征，可以用多种语言描述，但不存在数值大小的概念，也不能进行算术运算，即具有非数值特点。对机构拓扑结构进行描述和分析是机构结构学的基础，对其进行综合是机械产品创新设计的重要环节[1]。随着传统机构学向现代机构学的发展，机构拓扑结构对应的范畴发生了较大变化。传统机构学将机构中的所有构件看作刚体，以力学为基础对其进行分析。为简化研究，将机构的运动副看作运动副两元素持续稳定接触的无间隙运动副，机构本身不考虑输入构件上所采用驱动元件的种类。而现代机构学则发生了如下显著的变化（1）机构构件广义化。不再将组成机构的构件看作刚体，而是更多地考虑其材料性能、尺度空间等因素，将弹性构件、挠性构件、微型构件等引入机构，相应地产生了弹性机构、柔顺机构、微机构等不同分支。
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1.2 机构拓扑结构国内外研究现状
1.2.1 机构系统稳定拓扑结构研究
1.2.1.1 平面机构拓扑结构研究
对机构系统拓扑结构的研究，源于平面刚性机构的拓扑表达。20 世纪初俄国学者 Accyp 基于机构运动简图符号提出了 Assur 杆组法，这种方法简单、直观，但简图符号不能进行数学运算，在机构综合中的应用也不如在机构分析中的优势明显。不少学者试图对其进行改进，但研究成果主要集中在平面运动链的分析与综合方面。1964 年，Freudenstein 和 Dobrjanskyj 首次将图论引入机构学，用于表示运动链的拓扑结构，建立了机构结构元素和拓扑图元素之间的对应关系，形成了机构学新的基础理论[4]。通过构造与运动链拓扑图对应的邻接矩阵、关联矩阵等，得以实现拓扑图元素的数学运算，使机构结构的图论理论得到进一步发展[5-6]。至今，各国学者仍然广泛采用 Assur 杆组法和图论理论进行平面运动链分析和综合[7-11]。在平面运动链综合中，人们借助图论理论综合出了大量含有各种构件数和运动副数的运动链[12-13]。但是，图论理论只考虑了机构中各个杆件之间的连接与关联，没有将拓扑的描述与组成机构的运动副类型和运动副轴线等几何特征联系起来，致使机构结构与其拓扑描述之间的对应存在多对一的问题。.......
第 2 章 基于物－场模型的机构拓扑系统描述
机构拓扑系统包括机构结构中的所有组成元素以及他们之间的相互关系和可动性特征，用不同方法从不同层次、不同角度进行研究，可得出不同的描述。稳定拓扑机构在运动过程中保持拓扑结构不变，只有一种拓扑构态；而变拓扑机构在运动过程中拓扑发生改变，具有多个拓扑构态，是典型的非数值、非定常、变结构、非线性系统。本章将根据这些特征，首先针对机构拓扑结构、不同机构、不同构态等概念提出一系列集合论定义；然后在 TRIZ 理论的物－场分析方法引导下，对机构拓扑系统进行层次分解，建立不同层次的物－场模型和机构物－场模型树；基于公理设计“域”的概念，建立机构元素级物－场的功能域和物理域模型；运用 TRIZ 理论的“理想度”概念和物－场分析标准解对复合铰链和变胞运动副等特殊结构的物－场模型进行详细分析；最后通过示例验证描述方法的可行性和有效性。
机构拓扑结构是指机构中的拓扑约束关系，通常包括构件和运动副的类型、数目、构件和运动副之间的邻接与附随关系，反映机构的具体组成、方位关系、支链类型、自由度、运动约束等构型原理特征，是一个非数值、非线性系统，但目前还没有严密的数学定义。
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物－场分析是发明问题解决理论 TRIZ 中一个重要的理论工具[143][145]，该理论工具将非数值、非线性的复杂技术系统分解为最小的完全的技术系统——物－场分析模型，用以对其进行技术分析和改进，是一种模型化的创新分析方法。物－场分析模型有 3 个要素：2 个“物质”(Substances)S1、S2和 1 个在物质之间产生作用的“场”(Field)F，要素之间存在相互作用，如图 2.2 所示。“物质”与物理上的结构、功能、形状，材质等复杂性无关，可以是被控粒子、材料、物体或过程，也可以是控制另一“物质”的工具或物体，是技术标量或矢量参数的携带者；“场”是“技术场”，用于在两个“物质”之间产生作用的能量、空间、载体、过程或环境。除了物理上所定义的实现物质微粒之间相互作用的场(如电磁场、引力场、温度场、离心力场、声场、机械场、强相互作用场和弱相互作用场)之外，还泛指一个数学或物理空间，在空间里的每一点都对应着一定大小的标量或矢量。“相互作用”是指要素在它们的相互关系中所体现的任何形式的联系。
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3.1 功能独立性公理概述………………………………………………………39
3.2 基于功能独立性公理的复合铰解耦方案…………………………………41
3.3 含复合铰运动链的转化矩阵描述…………………………………………44
3.4 含复合铰运动链的同构识别……………………48
3.5 示例………………………………………49
3.6 本章小结…………………………………………53
第4章 基于多种创新技法的变胞运动副描述与分析………………………54
4.1 基于复杂性理论的运动副物－场“物质”描述……………………………54
4.2 基于组合技法的运动副物－场“场”描述…………………………………59
4.3 运动副的变胞描述…………………………………………………………64
4.4 效应匹配的运动副变胞实现方式…………………………………………67
4.5 本章小结……………………………70
第 6 章 基于裁剪法和设计目录的机构综合专利利用与规避再创新
是 TRIZ 中一种改进系统的方法，该方法是针对已有系统中存在的某些问题，通过裁剪、删除系统或超系统中特定组件，并在剩余组件之间重新分配有用功能，减少或消除部分缺陷，以增加系统的效率、降低其成本、改善系统的功能[173]。经过裁剪删除特定组件后，可能带来新的问题，如该组件原来所提供的功能失去了承担者，这一问题可通过以下方法寻求解决：采用其他新元件或超系统来实现；由受作用元件自己承担；删除此功能；删除原组件的作用元件。对于带来的其他问题，可通过 TRIZ 的各种原理及各类工具寻求解决。裁剪法研究每一个功能是否必需，如果必需则研究系统中的其他元件是否可完成该功能，通过去除不必要的功能及其元件以完善功能模型。裁剪后的系统更为简化，成本更低，而性能保持不变或更好，裁剪使产品或工艺更趋向于理想解。
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结 论
（1）从集合论角度所提出的机构拓扑结构、运动链拓扑结构、变拓扑机构、可重构机构、变胞机构、稳定构态、变拓扑构态和变胞构态等非数值、非线性概念的严密数学表达，明确了机构拓扑结构相关概念的含义、相互联系和区别；基于 TRIZ 理论物－场分析方法所建立的机构级、运动链级、杆组级和元素级拓扑的一般化物－场模型以及超系统模型树，可对不同拓扑结构的机构从不同层次进行描述；运用公理设计理论所建立的元素级运动副功能域和物理域物－场模型，有利于分析复合铰链、变胞运动副物－场模型的理想度、运用 TRIZ 标准解找到的理想化模型转化解决方案为后续各章相关的机构拓扑结构分析打下了基础。
（2）通过实例证明，按照复合铰链理想化模型转化思路、基于功能独立性公理引入 pin 构件对复合铰链进行解耦的方法，不仅可将复合铰运动链转化为单铰运动链，由此所建立的转化邻接矩阵可方便对复合铰运动链进行描述，而且通过运用转化邻接矩阵的阶数、对角线元素向量、矩阵特征值和特征向量等参数可判断运动链拓扑同构关系，从而有效解决复合铰运动链拓扑结构强耦合关系难以描述及
