並聯機器人：機構學與控製 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

本書主要分三部分：第1、2章介紹機器人學的基礎以及並聯機器人的關鍵知識；第3～5章介紹並聯機器人的機構學理論，包括運動學和動力學；第6、7章介紹並聯機器人的控製，主要是運動控製和力控製。附錄將書中需要的預備知識進行瞭簡要介紹。本書內容全麵，層次結構閤理，具有很強的可讀性，幾乎所有章後都配備瞭適量的習題，對於深入理解書中的內容可提供很大的幫助。本書適閤機器人學相關專業的人士閱讀。

作者簡介

Hamid D. Taghirad，曾任教於K.N.Toosi技術大學和McGill大學，教授研究生機械相關課程。

目錄

目　錄
Parallel Robots: Mechanics and Control

譯者序
前言
第1章　引言1
　1.1　什麼是機器人1
　1.2　機器人部件2
　1.3　機器人的自由度4
　1.4　機器人分類7
　　1.4.1　串聯機器人7
　　1.4.2　並聯機器人10
　　1.4.3　纜綫驅動並聯機器人13
　1.5　本書的目標和範圍16
第2章　運動錶示17
　2.1　空間運動錶示17
　　2.1.1　點的位置17
　　2.1.2　剛體的姿態18
　2.2　剛體的運動30
　2.3　齊次變換31
　　2.3.1　齊次坐標31
　　2.3.2　齊次變換矩陣32
　　2.3.3　螺鏇位移33
　　2.3.4　變換運算34
　習題38
第3章　運動學42
　3.1　簡介42
　3.2　封閉環方法43
　3.3　並聯機器人的運動學分析44
　　3.3.1　機械機構描述44
　　3.3.2　機械臂的幾何結構44
　　3.3.3　逆嚮運動學45
　　3.3.4　正嚮運動學45
　　3.3.5　仿真47
　3.4　肩部機械臂的運動學分析48
　　3.4.1　機械機構描述48
　　3.4.2　機械臂的幾何結構49
　　3.4.3　逆嚮運動學50
　　3.4.4　正嚮運動學51
　　3.4.5　仿真52
　3.5　SGP的運動學分析53
　　3.5.1　機械描述53
　　3.5.2　機械臂的幾何結構54
　　3.5.3　逆嚮運動學54
　　3.5.4　正嚮運動學55
　　3.5.5　仿真61
　習題65
第4章　雅可比矩陣：速度和靜力74
　4.1　簡介74
　4.2　角速度與綫速度74
　　4.2.1　剛體的角速度74
　　4.2.2　點的綫速度76
　　4.2.3　螺鏇坐標係77
　4.3　並聯機械臂雅可比矩陣78
　4.4　速度迴路79
　4.5　並聯機械臂的奇異性分析80
　　4.5.1　逆運動學奇異性80
　　4.5.2　正運動學奇異性80
　　4.5.3　混閤奇異性81
　4.6　平麵機械臂雅可比矩陣分析81
　　4.6.1　速度迴路81
　　4.6.2　奇異性分析83
　　4.6.3　靈敏度分析84
　4.7　肩部機械臂雅可比矩陣分析85
　　4.7.1　速度迴路85
　　4.7.2　奇異性分析87
　4.8　SGP雅可比矩陣分析88
　　4.8.1　速度迴路88
　　4.8.2　奇異性分析89
　4.9　並聯機械臂的靜態力93
　　4.9.1　自由體圖解法93
　　4.9.2　虛功法94
　　4.9.3　平麵機械臂的靜態力95
　　4.9.4　肩部機械臂的靜態力96
　　4.9.5　SGP的靜態力97
　4.10　並聯機械臂的剛度分析98
　　4.10.1　剛度和柔度矩陣98
　　4.10.2　變換橢球體99
　　4.10.3　平麵機械臂的剛度分析101
　　4.10.4　肩部機械臂的剛度分析102
　　4.10.5　SGP的剛度分析103
　習題105
第5章　動力學111
　5.1　簡介111
　5.2　剛體的動力學綜述112
　　5.2.1　剛體加速度112
　　5.2.2　質量特性114
　　5.2.3　動量和動能115
　　5.2.4　牛頓歐拉法則116
　　5.2.5　變質量係統117
　5.3　牛頓歐拉方程119
　　5.3.1　平麵機械臂的動力學方程：質量恒定處理方式119
　　5.3.2　平麵機械臂的動力學方程：變質量處理方式127
　　5.3.3　SGP的動力學方程131
　　5.3.4　封閉式動力學137
　5.4　虛功方程147
　　5.4.1　D’Alembert原理147
　　5.4.2　虛功原理148
　　5.4.3　平麵機械臂的動力學方程：質量恒定處理方式150
　　5.4.4　公式驗證151
　　5.4.5　平麵機械臂的動力學方程：變質量處理方式152
　　5.4.6　SGP動力學方程153
　5.5　拉格朗日公式155
　　5.5.1　廣義坐標155
　　5.5.2　拉格朗日等式第二種形式156
　　5.5.3　拉格朗日等式第一種形式157
　　5.5.4　動力學方程性質158
　　5.5.5　平麵機械臂的動力學方程163
　　5.5.6　SGP的動力學分析169
　習題174
第6章　運動控製179
　6.1　簡介179
　6.2　控製器架構179
　6.3　工作空間運動控製182
　　6.3.1　分散PD控製182
　　6.3.2　前饋控製183
　　6.3.3　逆動力學模型控製184
　　6.3.4　部分綫性化IDC186
　6.4　魯棒和自適應控製188
　　6.4.1　魯棒的逆動力學模型控製188
　　6.4.2　自適應逆動力學模型控製192
　6.5　關節空間運動控製194
　　6.5.1　關節空間動力學方程194
　　6.5.2　分散PD控製195
　　6.5.3　前饋控製196
　　6.5.4　逆動力學模型控製197
　6.6　運動控製方法總結198
　　6.6.1　動力學模型199
　　6.6.2　分散PD控製199
　　6.6.3　前饋控製199
　　6.6.4　逆動力學模型控製199
　　6.6.5　部分綫性化IDC200
　　6.6.6　魯棒的逆動力學控製200
　　6.6.7　自適應逆動力學控製200
　6.7　冗餘分解201
　　6.7.1　簡介201
　　6.7.2　問題的提齣202
　　6.7.3　拉格朗日和Karush-Kuhn-Tucker乘子204
　　6.7.4　迭代求解206
　6.8　平麵機械臂的運動控製209
　　6.8.1　分散PD控製210
　　6.8.2　前饋控製215
　　6.8.3　逆動力學控製218
　　6.8.4　部分綫性化IDC222
　　6.8.5　魯棒IDC控製223
　　6.8.6　自適應IDC控製225
　　6.8.7　關節空間運動控製228
　6.9　SGP運動控製229
　　6.9.1　分散PD控製230
　　6.9.2　前饋控製234
　　6.9.3　逆動力學控製236
　　6.9.4　部分綫性化IDC240
　　6.9.5　魯棒IDC241
　　6.9.6　關節空間中的運動控製243
　習題255

前言/序言

前　言Parallel Robots: Mechanics and Control進入21世紀後，機器人使人類的生活發生瞭很大的變化。在工業自動化中使用機器人增加生産綫的靈活性是保證産品數量和質量的關鍵。工業機器人通常由一係列通過關節相互連接的連杆組成，具有大的工作空間。每個連杆通過獨立的執行器操縱，以實現機器人的運動控製。這種串聯結構使得機器人具有大的工作空間和靈活性的特點，但也使操作端的精度難以保證。
對於要求高精度和低適應性的應用或者必須具有相對高的荷載自重比的場閤，機器人的並聯結構是必需的替代方案。並聯機器人具有固有的閉環運動學結構，其運動平颱通過幾個獨立的運動鏈連接到基座。許多工業應用中機器人的設計都采用並聯結構，但目前介紹並聯機器人的運動學、動力學和控製方麵的教材極少。本書的目的是給工業界越來越多的對並聯機器人感興趣的工程師和研究人員提供一些這類機器人的分析和設計方法。本書將介紹分析並聯機器人的運動學、動力學和控製的係統方法。
為確定這種機器人的運動特性，需要錶示機器人運動平颱相對於固定坐標係的三維運動。這依賴於物體在空間的位置、姿態和定位的係統錶示方法。第2章介紹瞭這些方法，重點是螺鏇坐標，這種坐標使機器人的一般運動更容易錶示。值得注意的是，構造位置和姿態的錶示思路是構造綫速度和角速度以及綫加速度和角加速度錶示的基礎，並且也是構造作用在機器人操作臂上的力和力矩錶示的基礎。
運動學分析是研究機器人運動的幾何形式，沒有考慮引起運動的力和力矩。其中，導齣和分析瞭機械臂幾何參數與運動平颱的最終運動之間的關係。第3章給齣瞭運動學分析的完整過程，並提供瞭三個並聯機器人的詳細案例研究，其中一個是纜綫驅動的平麵並聯機器人。由於纜綫驅動的並聯機器人的並聯結構提供瞭一個非常大的工作空間，是新一代大有前途的機器人，本書重點討論這類機器人的分析。
第4章進一步考察擴展到靜態定位以外的機械臂運動學分析。微分運動學分析在機械臂的無奇異性設計方麵起瞭至關重要的作用。雅可比分析不但揭示瞭關節變量的速度與運動平颱綫速度和角速度之間的關係，而且構建瞭用於計算從任務空間中作用於運動平颱的力和力矩到執行器驅動力的變換。第4章給齣瞭並聯機器人雅可比分析的係統方法，並通過第3章的相同案例研究進行瞭研究。
由於閉環結構和運動學約束，並聯機器人的動力學分析具有固有的復雜性。然而，因為並聯機器人主要應用於需精確定位的場閤，且在高負載的情況下具有閤適的動態性能是並聯機器人的基本要求，所以動力學建模對於並聯機器人的控製非常重要。盡管關於並聯機器人運動學已有大量的研究，但對於並聯機器人的動力學和控製的研究工作相對較少，且幾乎沒有專著詳細討論這些問題。本書第5章通過三種方法進行瞭並聯機器人的動力學分析，即牛頓歐拉法、虛功法和拉格朗日法。進一步，第5章介紹瞭一種方法來構建閉環形式的並聯機器人動態方程，使動態矩陣更容易處理，並能夠進行動力學模型的驗證。
本書最後兩章闡述瞭並聯機器人的控製，包括運動控製和力控製方案。第6章介紹瞭不同的無模型控製器和基於模型的控製器，以及魯棒和自適應的控製策略。這些控製方案應用到瞭兩個案例研究，即纜綫驅動的冗餘並聯機械臂和全並聯機械臂。最後，第7章詳細介紹瞭並聯機器人的力控製。闡述瞭剛度控製、直接力控製和阻抗控製方案，並將這些方案在同一個案例上進行瞭實施研究。
計算機仿真是驗證控製器性能和分析的關鍵方法之一。本書所有章節的案例研究均有計算機仿真。仿真一般在商業軟件包（如MATLAB）上進行，這種軟件包為模擬機器人的運動學和動力學特性以及驗證控製係統的性能提供瞭方便。
我要感謝在這本書的寫作過程中在技術上和精神上支持我的人。由於本書涉及很多學科的知識，很多人為本書做齣瞭貢獻，在此一並感謝。我將這本書獻給已故的G.Zames教授和P.R.Bélanger教授，他們不但教給我很多控製理論方麵的知識，而且深刻地影響瞭我的思想和行為。我還要感謝J.Angeles教授和C.Gosselin教授，他們鼓勵我完成瞭這項工作。本書中的很多結果都來自J.Angeles、C.Gosselin、J.-P.Merlet、L-W.Tsai和本領域許多其他著名學者的貢獻。我很高興能夠組織並進一步闡述這些貢獻。
我感謝與M.Nallon和I.Bonev教授的愉快閤作，他們在兩個關鍵的時間段給我提供瞭訪問機會並允許我暫時避開緊張的日程安排以便重點完成本書，對此深錶感謝。在McGill大學和K.N.Toosi技術大學學習相關研究生課程的許多同學檢查瞭本書的內容，他們的意見和建議提高瞭本書的質量。其中，感謝H.Sadjadian博士花瞭大量的時間修正書稿的錯誤，R.Oftadeh審校瞭並聯機械臂的動力學公式。當然，本書的當前版本難免存在錯誤，感謝所有讀者的任何意見和建議。感謝為本書提供圖形素材和插圖的所有個人和機構。
沒有我妻子Azam和我女兒Matineh的支持和鼓勵，我不能完成這個工作。在此我對她們的無限支持和耐心錶示真摯的感謝。
Hamid D.Taghirad
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