本书为满足设计模块综合实践教学的需要而编写，围绕机器人机构创新设计这一主线，系统介绍机械运动方案设计的内容、方法、步骤与要求，并结合现代建模、仿真与优化手段，构建了理论、案例与实践相结合的知识框架。在强调课程指导意义的同时，本书所提供的方法与案例亦具有广泛的通用性，可为其他机械设计与创新提供参考。
全书共4章：第1章揭示课程设计的基本意义及作用；第2章从方法论层面展开，对运动方案设计的一般过程与原则进行系统说明，涵盖步骤与方法、执行机构型综合、机构尺度设计、机构的运动学分析、机构的建模和仿真分析等；第3章作为设计资料，以执行构件运动形式与机构运动特性两种分类方式为线索，系统介绍典型机构；第4章则通过机器人机构创新的实践案例，展示设计方法在前沿应用中的具体落地，所选成果均发表于国内外高水平期刊，具有突出的参考价值。
本书既可作为高等院校机械类专业课程设计及相关实践内容的教学用书，也可作为机械相关的专业人员从事产品开发与创新设计的参考用书。

机器人学作为一门深度融合机械、电子、计算机等多学科技术的前沿学科，已广泛应用于农业、工业、服务业、医疗健康、国防军事等诸多领域。当前，我国正迈入智能制造与数字化转型的关键阶段，随着人工智能+行动的全面实施，机器人作为赋能千行百业的核心载体，被明确列为推进智能制造、实现产业升级的重要抓手。我国提出以创新为驱动，着力突破关键核心技术，推动机器人向智能化、网络化与集成化方向不断演进。在科技持续进步与专项技术不断突破的背景下，机器人正加速融入社会生产与日常生活的方方面面，日益成为推动行业变革、提升经济社会高质量发展的重要力量。
机构学是机器人实现多样化运动的物理基础，核心在于针对任务功能或运动需求开展构型、尺度与轨迹的正向创成设计，同时涵盖了构件结构、关节特征、传动方式、驱动布局等关键设计环节。面向高端装备或机器人系统的设计任务往往具有高度复杂性，需在多维度约束条件下开展系统优化，例如，在设计过程中不仅需要输出构件的动态自适应重构，且在工作过程中需实现不同运动模式之间的动态切换与平滑过渡，对总成系统的响应能力与控制精度提出进一步的设计要求。面对上述多领域耦合挑战，必须坚持以机构创新为本源，将驱动、感知与控制等系统深度融合，通过跨层级协同设计实现整体性能的最终平衡。
本书详细地介绍了以机器人机构创新设计为主线的机械运动方案设计方法与案例，并结合现代建模、仿真与优化技术构建了完整的知识框架，是一部融合理论、案例与实践的机械原理课程设计教材。全书共分为4章：第1章讨论了课程设计意义及作用；第2章阐述了方案设计的一般过程与原则，主要包括步骤与方法、执行机构型综合、机构尺度设计等；第3章涉及典型机构资料，主要包括执行构件运动形式与机构运动特性两种分类；第4章基于机器人实际创新案例，介绍了上述设计流程在前沿应用中的具体落地。
本书涉及的研究成果是在北京交通大学教学建设与改革项目（SQ20250075）、国家自然科学基金面上项目（52575002）和青年基金项目（52205007）、北京交通大学基本科研业务费重点项目（2024JBZY005）、机械工程一流重点专业建设项目等支持下完成的，编者在此表示衷心感谢。同时，感谢刘洪、杨辉、赵萌、周俊灼等博士和硕士研究生对本书成果做出的贡献。
限于编者水平，本书难免存在不妥之处，诚盼读者不吝批评指正。

武建昫
于北京交通大学
2025年10月

无

第1章 绪论 001
1.1设计模块综合实践的目的和意义001
1.1.1设计模块综合实践的目的001
1.1.2设计模块综合实践的意义002
1.2设计模块综合实践的内容和要求003
1.3机器人机构创新设计说明书003
1.3.1设计说明书的主要内容003
1.3.2编写设计说明书的注意事项004
1.4设计任务书的确定004
1.4.1选题范围004
1.4.2任务与目标004
1.4.3背景调研005
1.4.4任务分工及计划进度006

第2章 机械运动方案设计 008
2.1机械运动方案的设计步骤与方法008
2.1.1机械产品设计的基本概念和一般过程008
2.1.2机械运动方案的设计理论和方法009
2.1.3机械运动方案设计的一般过程010
2.2执行机构型综合012
2.2.1型综合方法012
2.2.2基本原则014
2.2.3运动方案评价015
2.2.4机构运动示意图的绘制方法016
2.3机构尺度设计019
2.3.1连杆机构的尺度设计019
2.3.2凸轮机构的尺度设计021
2.3.3齿轮机构的尺度设计021
2.4机构的运动学分析022
2.4.1位移分析022
2.4.2速度分析023
2.4.3加速度分析024
2.4.4计算机辅助设计024
2.5机构的建模和仿真分析033
2.5.1SolidWorks模型建立033
2.5.2Adams仿真分析034
2.5.3结果分析与总结038
2.6基于仿真结果的改进039

第3章 典型机构 040
3.1基础运动生成：按执行构件运动形式分040
3.1.1旋转运动041
3.1.2直线运动050
3.1.3按照预定轨迹运动054
3.2运动特性导向：按机构运动特性分061
3.2.1行程增大机构061
3.2.2增力机构063
3.2.3急回机构063

第4章 典型案例 066
4.1闭链多足机器人高平顺补偿与自适应重构设计066
4.1.1机器人选题与需求分析066
4.1.2功能原理设计068
4.1.3运动规律设计070
4.1.4执行机构型综合071
4.1.5机构尺度设计075
4.1.6建模与仿真099
4.2两段式空间扑翼飞行器的扑翼机构设计与气动仿真分析110
4.2.1机器人选题与需求分析110
4.2.2功能原理设计112
4.2.3运动规律设计113
4.2.4执行机构型综合114
4.2.5设计目标分析116
4.2.6运动学分析117
4.2.7翅翼设计118
4.2.8传动系统设计121
4.2.9建模、仿真与实验122

参考文献141