高等机构学 01 螺旋理论基础

第一篇 螺旋理论应用螺旋理论做空间机构的某些分析是比较方便的，它是诸种常用的数学方法中较好的一种。

螺旋也称旋量。

一个旋量可以表示空间的一组对偶矢量，从而可以用来同时表示矢量的方向和位置，同时表示运动学中的角速度和线速度，以及同时表示刚体力学中的力和力矩。

这样一个含六个标量的旋量概念，就易于应用于空间机构的运动和动力分析。

它也易于与其他方法如矢量法、矩阵法和运动影响系数法之间的相互转化。

它具有几何概念清楚、物理意义明确、表达形式简单、代数运算方便、理论上的难度也不是很高等优点，因而得到广泛的应用。

对目前机构学上的许多前沿性的研究问题，螺旋理论也做出了贡献。

螺旋理论形成于19世纪。

首先Poinsot 在19世纪初通过对刚体上力系的简化，得到具有旋量概念的力矢与共线的力偶矢，这是一组对偶矢量。

Pl ücker [1]确定了空间直线的方向位置的六个坐标，这就称为Pl ücker 线坐标。

1900年，Ball 写出经典的著作《螺旋理论》[2]，书中以螺旋讨论了在复合约束下刚体的运动学和动力学。

在20世纪的前半叶，螺旋理论几乎无人问津。

直到1950年Dimentberg 在分析空间机构时，首次应用了螺旋理论[3, 4]，引起了人们的关注。

接着Freudenstein 、Yang 等[5]应用对偶四元素、螺旋微分于空间机构的位移和动力分析。

Phillips [6]应用螺旋理论分析三物体的相互运动。

1978年Hunt 的《运动几何学》是螺旋理论的现代发展[7]。

Waldron [8], Sugimoto 和Duffy [9]等在螺旋理论及其应用上都做出了贡献。

Duffy [10]在1984年首先将螺旋理论应用到并联机器人上，其后黄真[11]于1985年用螺旋理论分析并联机器人的瞬时螺旋运动。

这些是早期的在并联机器人上的研究。

本篇主要的内容选自1983年Duffy 在佛罗里达大学的课堂讲义[12]，这里谨向已去世的Duffy 教授表示诚挚的敬意。

螺旋论基本知识《关键词：螺旋、宇宙、星球、物体、活体、自然现象、旋合》前言螺旋论是唯物的理论，该理论以客观存在的物质为对象，以旋合及旋接是物质聚集的基本形式的论点，运用螺旋特性对星球、物体、活体的形成以及自然现象成因进行诠释的理论。

螺旋现象广泛存在于宇宙及自然界中：遥远的螺旋星系、壮观的漩涡、疯狂的龙卷风、奇妙的花瓣…以及显微镜下的DNA构造，都是螺旋的表现形式。

螺旋论的研究领域几乎涵盖了所有的学科，螺旋论的论点，肯定会在学术界引起广泛、激烈地争论，也必将在不断地争论中得以完善，辟出一条新路推动科学的发展。

正文科学技术的发展，使人类的视野显微技术的出现，使人类进入了微观世界。

通过显微镜，科学家在广泛的物质中均发现了微小的螺旋构造。

针对广泛物体中存在螺旋体，而且一物体中任何部位的螺旋体基本要素均相同，物体与物体之间的螺旋体基本要素又都不同的事实，结合螺旋及螺旋体的特性，笔者认为已经基本可以揭示初宇宙的状态以及星球、物体、活体的形成和一些自然现象的成因了。

为了对螺旋及螺旋体有所认知，笔者抛砖引玉将粗浅心得进行了整理，介绍如下：螺旋词义及螺旋要素螺旋词义：物质做旋转扩展（收缩）运动（盘、卷、缠、绕）时，所形成的形态。

如螺旋星系、漩涡、龙卷风、盘起的绳索、卷起的纸张、两物体间的缠绕等形状。

螺旋本质：螺旋表象的本质是物质在进行旋转收缩（或旋转扩展）的运动螺旋要素1、旋向：物质做旋转扩展（收缩）运动时，旋转的方向。

分为：右旋：物质绕点或中心线顺时针方向旋转，被习惯称为右螺旋；左旋：物质绕点或中心线逆时针方向旋转，被习惯称为左螺旋。

2、旋距：（亦称臂距、螺距）：物质做旋转扩展（收缩）运动，旋转一周（360°度）时，扩展（收缩）的直线距离。

旋距S 分为：等旋距：每旋转一周时的扩展距离均相等；变旋距：每旋转一周时的扩展距离不相等。

3、旋比（或称旋度）：物质做旋转扩展或收缩运动时，旋转长度与扩展（收缩）长度的比值；反映螺旋的旋转扩展（收缩）程度。

三螺旋理论-详解三螺旋理论(Triple Helix Theory)目录• 1 三螺旋理论的概述[1]• 2 三螺旋理论的影响• 3 三螺旋理论的核心观点[2]• 4 参考文献三螺旋理论的概述[1]美国遗传学家里查德·列万廷最先使用三螺旋来模式化基因、组织和环境之间的关系, 在《三螺旋: 基因、生物体和环境》中, 总结了他的生物哲学思想。

他指出, 并不存在一个既定的“生态空间”等待生物体去适应。

环境离开了生物体是不存在的, 生物体不仅适应环境, 而且选择、创造和改变它们的生存环境, 这种能力写入了基因。

因此, 基因、生物体和环境的关系, 是一种“辨证的关系”, 这三者就像三条螺旋缠绕在一起, 都同时是因和果。

基因和环境都是生物体的因, 而生物体又是环境的因, 因此基因以生物体为中介, 又成了环境的因(方卫华, 2003) 。

通过引入生物学中的三螺旋概念, 亨瑞·埃茨科瓦茨(Henry Etzkowitz) (1995) 首次提出使用三螺旋模型来分析政府、产业和大学之间关系的动力学, 并用以解释政府、企业和大学三者间在知识经济时代的新关系。

自此, 三螺旋理论被认为是一种创新结构理论。

勒特·雷德斯道夫(LoetLeydesdorff) (1995) 对此概念进行了发展, 并提出了该模型的理论系统, 如下图所示。

三螺旋模型由三个部门组成: 大学和其他一些知识生产机构; 产业部门包括高科技创业公司、大型企业集团和跨国公司; 政府部门包括地方性的、区域性的、国家层面的以及跨国层面等不同层次。

这三个部门在履行传统的知识创造、财富生产和政策协调职能外, 各部门之间的互动还衍生出一系列新的职能, 最终孕育了以知识为基础的创新型社会。

三螺旋模型理论认为, 政府、企业和大学的“交迭”才是创新系统的核心单元, 其三方联系是推动知识生产和传播的重要因素。

在将知识转化为生产力的过程中,各参与者互相作用, 从而推动创新螺旋上升。

高等教育学 基础知识1 英国1963年前，高教只指传统大学2 我国现代高教始于1898年京师大学堂，对高等教育的研究始于清末。

3 高等教育学是研究特殊教育活动——高等教育的一门综合学科，它研究的是高等教育现象及其一般规律。

4 高等教育包括普通高等教育、成人高等教育、高等职业教育3种类型。

5 高教活动主体是大学教师和大学生。

6 高校教师的教学具有学术性、专业性的特点。

7 对大学教师更重要的是教学内容思想性、科学性、学术性水平是否关注学科发展8 大学教师的教学活动与科研活动是一体的、互动的。

9 高校教学与社会联系比中小学密切10教会学生做事的同时，更要让学生学会做人、理解、思考，为学生的未来生活打好基础。

11 大学生情绪体验表现两极性特征12 青年亚文化具有反主流文化的特征13 1922年，中华教育改进社在济南召开第一次年会，这是中国高等教育史上最早的高等教育研讨会。

14 1978年5月我国第一个专门的高教研究机构——厦门大学高等教育科学研究室成立，标志高教在我国成为一个专门的研究领域。

15 1984年潘懋元主编《高等教育学》正式出版，是我国第一部高等教育学专著，标志我国高等教育学学科体系确立16 衡量一门学问是不是学科的标准有三条：特殊的研究对象，完整的理论体系，公认的专门术语和方法论体系。

17从事高教研究首先要有问题意识18确定研究问题要坚持三个原则：价值性、创新型、可行性。

19教学工作既是一门科学，又是一门艺术，作为高校教师要把自己的知识、技能有效地传授给学生，要懂得教学规律、教学原则和教学方法。

20现代意义上的大学起源于欧洲，到19世纪末20世纪初，美国高教在世界高等教育体系中拥有举足轻重地位。

21现代大学最早于12世纪意大利法国221088，世界上最早的大学是意大利博洛尼亚大学，属于学生型大学。

巴黎大学则是典型的教师型大学。

23欧洲中世纪最早的大学有：意大利博洛尼亚大学（法学）、法国巴黎大学（神学）、意大利萨勒诺大学（医学）。

教师招聘考点——布鲁纳理论第一节概念的获得与编码系统的形成一、概念的定义：概念是人脑对客观事物本质特征的认识，它代表着事物，用词来标志。

所谓事物的本质特征，是一事物之所以为该事物以及区别于其他任何事物所固有的根本属性或特征，它决定事物的性质。

非本质特征是对事物不具有决定意义的特征。

概念都包括内涵和外延两个方面。

二、概念的获得及其策略（一）概念的获得布鲁纳首先对概念形成与概念获得作了区分。

他指出，概念形成是指学生知道某些东西属于这一类别，其他东西不属于这一类别；概念获得则是指学生能够发现可用来区别某一类别的事物与非同一类别的事物的各种属性。

分3种：合取概念（毛笔）、析取概念（罪犯）、关系概念（左右）。

（二）概念获得的策略1．聚焦策略也叫整体性策略，是指以首个正确例子的全部特征作为切入点，建立假设，然后经过检验逐渐删除无关的特征。

聚焦策略又分为保守性聚焦策略和冒险性聚焦策略。

（1）保守性聚焦策略是指选择首个正确例子的全部特征作为中心，建立假设，然后进行一系列选择，每次只对一个特征进行检验。

（2）冒险性聚焦策略是指每次同时对两个或两个以上的特征进行检验，试图冒险一举成功，达到目标。

2．扫描策略也叫部分性策略，它是指将首个正确例子的部分特征作为初始假设，然后进行检验的策略。

扫描策略可分为同时性扫描策略和继时性扫描策略。

聚焦策略具有不会遗漏有关特征的优点，所以效果好些。

保守性聚焦策略更具逻辑性，在概念获得中既可以提高速度，也可以保证最终形成概念，是效率最高的一种策略。

（三）概念获得与教学在教学过程中，为了促进学生对这类概念的掌握应注意以下几点：1.运用直观教学手段，提供丰富的概念原型。

2. 利用变式，排除概念非本质特征的干扰所谓变式，就是概念的正例在非本质特征方面的变化。

3.正例和反例的比较，突出概念的本质特征正例有利于概括，反例有利于辨别。

4. 及时给予正确的反馈，促进概念的获得。

5．在运用概念中巩固概念。

基于螺旋理论的空间机构自由度分析陈振宇S12080202010 机电3班(燕山大学机械工程学院河北秦皇岛)摘要：本文系统总结和陈述了基于约束螺旋理论的机构自由度分析的原理和方法，经过实践证明，这种方法切实有效，可以解决几乎所有空间自由度问题，相对别的方法而言更具有一般性。

此外，这个方法对自由度瞬时性和连续性的判定也非常方便。

相对而言，它成为当今有效分析自由度的一般方法，具有重要的科学价值和实用意义。

关键词：螺旋理论机构自由度连续性瞬时性Degree of Freedom Analysis of Spatial Mechanisms Based on the ScrewTheoryChen Zhenyu S12080202010(Mechanical Engineering Academy of Yanshan University Qinhuangdao of Hebei Province)Abstract：This paper state and summarize in system the method and theory of degree of freedom analysis of spatial mechanisms based on the screw theory, it proved to be true that the effort is correct and merely solute all the problem of degree of freedom of spatial mechanisms, it is an universal method compared to others. In addition, the method is more effective to judge the instantaneity and the continuity of the degree of freedom. Relatively speaking, it becomes a normal and effective method to analyze freedom. The value of science and the practical meaning of it is important.Key words：The screw theory degree of freedom of spatial mechanisms continuity instantaneity1 前言对机构最基本的认识是要知道它的自由度。

研究生课程教学大纲课程编号：00212727课程名称：高等机构学英文名称：Advanced Kinematics and Dynamics of Mechanisms学时：40学分：2.5适用学科：机械设计及理论课程性质：选修课（作为必修课条件不成熟）先修课程：机械原理一、课程的性质及教学目标课程的性质：高等机构学是机械设计及理论学科研究生的主要学位课程之一，是在机械原理的基础上发展起来的，是机械原理课程内容的发展与深化。

其研究内容仍然是围绕机构的组成与结构、机构的运动分析与综合以及机械系统动力学等内容。

但在机构种类方面，已从平面低副机构扩展到空间低副机构，高副机构的基本理论远远超过机械原理内容。

教学目标：培养学生在机械原理课程的基础上继续深入研究机构结构、机构运动分析和机构综合。

通过学习，使学生能从平面机构的分析与综合扩展到空间机构的分析与综合；从转子惯性力的平衡扩展到机构惯性力的平衡；从刚性构件扩展到弹性构件；从单自由度机构扩展到多自由度机构；从简单的高副机构扩展到瞬心线高副机构和共轭曲线高副机构等。

学会以计算机为工具，以高等数学中的坐标变换与矩阵运算为主的解析法的研究问题方法。

二、课程的教学内容及基本要求机构的结构理论是高等机构学中的重要组成部分，也是对机构学的基础理论进行深入研究的内容。

主要掌握空间闭链机构和开链机构的组成原理，机构的自由度计算，图论的基本知识，机构的型综合和数综合。

该部分内容也是机构创新设计的重要途径。

机构的运动分析是研究机构工作性能的主要依据之一。

求解机构运动构件的运动轨迹，位移、速度、加速度是运动分析的目的。

掌握用坐标变换原理和矩阵方程为数学工具，把平面机构和空间机构运动分析的数学方法统一起来，节省建模时间。

低副机构的综合是机构学中主体部分。

掌握刚体导引机构的综合，轨迹发生机构的综合，函数发生机构的综合构成了连杆机构综合的三大内容。

按运动轨迹综合连杆机构是当代机构综合中发展较快的内容。