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内容简介

本书主要分三部分：第1、2章介绍机器人学的基础以及并联机器人的关键知识；第3～5章介绍并联机器人的机构学理论，包括运动学和动力学；第6、7章介绍并联机器人的控制，主要是运动控制和力控制。附录将书中需要的预备知识进行了简要介绍。本书内容全面，层次结构合理，具有很强的可读性，几乎所有章后都配备了适量的习题，对于深入理解书中的内容可提供很大的帮助。本书适合机器人学相关专业的人士阅读。

作者简介

Hamid D. Taghirad，曾任教于K.N.Toosi技术大学和McGill大学，教授研究生机械相关课程。

目录

目　录
Parallel Robots: Mechanics and Control

译者序
前言
第1章　引言1
　1.1　什么是机器人1
　1.2　机器人部件2
　1.3　机器人的自由度4
　1.4　机器人分类7
　　1.4.1　串联机器人7
　　1.4.2　并联机器人10
　　1.4.3　缆线驱动并联机器人13
　1.5　本书的目标和范围16
第2章　运动表示17
　2.1　空间运动表示17
　　2.1.1　点的位置17
　　2.1.2　刚体的姿态18
　2.2　刚体的运动30
　2.3　齐次变换31
　　2.3.1　齐次坐标31
　　2.3.2　齐次变换矩阵32
　　2.3.3　螺旋位移33
　　2.3.4　变换运算34
　习题38
第3章　运动学42
　3.1　简介42
　3.2　封闭环方法43
　3.3　并联机器人的运动学分析44
　　3.3.1　机械机构描述44
　　3.3.2　机械臂的几何结构44
　　3.3.3　逆向运动学45
　　3.3.4　正向运动学45
　　3.3.5　仿真47
　3.4　肩部机械臂的运动学分析48
　　3.4.1　机械机构描述48
　　3.4.2　机械臂的几何结构49
　　3.4.3　逆向运动学50
　　3.4.4　正向运动学51
　　3.4.5　仿真52
　3.5　SGP的运动学分析53
　　3.5.1　机械描述53
　　3.5.2　机械臂的几何结构54
　　3.5.3　逆向运动学54
　　3.5.4　正向运动学55
　　3.5.5　仿真61
　习题65
第4章　雅可比矩阵：速度和静力74
　4.1　简介74
　4.2　角速度与线速度74
　　4.2.1　刚体的角速度74
　　4.2.2　点的线速度76
　　4.2.3　螺旋坐标系77
　4.3　并联机械臂雅可比矩阵78
　4.4　速度回路79
　4.5　并联机械臂的奇异性分析80
　　4.5.1　逆运动学奇异性80
　　4.5.2　正运动学奇异性80
　　4.5.3　混合奇异性81
　4.6　平面机械臂雅可比矩阵分析81
　　4.6.1　速度回路81
　　4.6.2　奇异性分析83
　　4.6.3　灵敏度分析84
　4.7　肩部机械臂雅可比矩阵分析85
　　4.7.1　速度回路85
　　4.7.2　奇异性分析87
　4.8　SGP雅可比矩阵分析88
　　4.8.1　速度回路88
　　4.8.2　奇异性分析89
　4.9　并联机械臂的静态力93
　　4.9.1　自由体图解法93
　　4.9.2　虚功法94
　　4.9.3　平面机械臂的静态力95
　　4.9.4　肩部机械臂的静态力96
　　4.9.5　SGP的静态力97
　4.10　并联机械臂的刚度分析98
　　4.10.1　刚度和柔度矩阵98
　　4.10.2　变换椭球体99
　　4.10.3　平面机械臂的刚度分析101
　　4.10.4　肩部机械臂的刚度分析102
　　4.10.5　SGP的刚度分析103
　习题105
第5章　动力学111
　5.1　简介111
　5.2　刚体的动力学综述112
　　5.2.1　刚体加速度112
　　5.2.2　质量特性114
　　5.2.3　动量和动能115
　　5.2.4　牛顿欧拉法则116
　　5.2.5　变质量系统117
　5.3　牛顿欧拉方程119
　　5.3.1　平面机械臂的动力学方程：质量恒定处理方式119
　　5.3.2　平面机械臂的动力学方程：变质量处理方式127
　　5.3.3　SGP的动力学方程131
　　5.3.4　封闭式动力学137
　5.4　虚功方程147
　　5.4.1　D’Alembert原理147
　　5.4.2　虚功原理148
　　5.4.3　平面机械臂的动力学方程：质量恒定处理方式150
　　5.4.4　公式验证151
　　5.4.5　平面机械臂的动力学方程：变质量处理方式152
　　5.4.6　SGP动力学方程153
　5.5　拉格朗日公式155
　　5.5.1　广义坐标155
　　5.5.2　拉格朗日等式第二种形式156
　　5.5.3　拉格朗日等式第一种形式157
　　5.5.4　动力学方程性质158
　　5.5.5　平面机械臂的动力学方程163
　　5.5.6　SGP的动力学分析169
　习题174
第6章　运动控制179
　6.1　简介179
　6.2　控制器架构179
　6.3　工作空间运动控制182
　　6.3.1　分散PD控制182
　　6.3.2　前馈控制183
　　6.3.3　逆动力学模型控制184
　　6.3.4　部分线性化IDC186
　6.4　鲁棒和自适应控制188
　　6.4.1　鲁棒的逆动力学模型控制188
　　6.4.2　自适应逆动力学模型控制192
　6.5　关节空间运动控制194
　　6.5.1　关节空间动力学方程194
　　6.5.2　分散PD控制195
　　6.5.3　前馈控制196
　　6.5.4　逆动力学模型控制197
　6.6　运动控制方法总结198
　　6.6.1　动力学模型199
　　6.6.2　分散PD控制199
　　6.6.3　前馈控制199
　　6.6.4　逆动力学模型控制199
　　6.6.5　部分线性化IDC200
　　6.6.6　鲁棒的逆动力学控制200
　　6.6.7　自适应逆动力学控制200
　6.7　冗余分解201
　　6.7.1　简介201
　　6.7.2　问题的提出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　平面机械臂的运动控制209
　　6.8.1　分散PD控制210
　　6.8.2　前馈控制215
　　6.8.3　逆动力学控制218
　　6.8.4　部分线性化IDC222
　　6.8.5　鲁棒IDC控制223
　　6.8.6　自适应IDC控制225
　　6.8.7　关节空间运动控制228
　6.9　SGP运动控制229
　　6.9.1　分散PD控制230
　　6.9.2　前馈控制234
　　6.9.3　逆动力学控制236
　　6.9.4　部分线性化IDC240
　　6.9.5　鲁棒IDC241
　　6.9.6　关节空间中的运动控制243
　习题255

前言/序言

前　言Parallel Robots: Mechanics and Control进入21世纪后，机器人使人类的生活发生了很大的变化。在工业自动化中使用机器人增加生产线的灵活性是保证产品数量和质量的关键。工业机器人通常由一系列通过关节相互连接的连杆组成，具有大的工作空间。每个连杆通过独立的执行器操纵，以实现机器人的运动控制。这种串联结构使得机器人具有大的工作空间和灵活性的特点，但也使操作端的精度难以保证。
对于要求高精度和低适应性的应用或者必须具有相对高的荷载自重比的场合，机器人的并联结构是必需的替代方案。并联机器人具有固有的闭环运动学结构，其运动平台通过几个独立的运动链连接到基座。许多工业应用中机器人的设计都采用并联结构，但目前介绍并联机器人的运动学、动力学和控制方面的教材极少。本书的目的是给工业界越来越多的对并联机器人感兴趣的工程师和研究人员提供一些这类机器人的分析和设计方法。本书将介绍分析并联机器人的运动学、动力学和控制的系统方法。
为确定这种机器人的运动特性，需要表示机器人运动平台相对于固定坐标系的三维运动。这依赖于物体在空间的位置、姿态和定位的系统表示方法。第2章介绍了这些方法，重点是螺旋坐标，这种坐标使机器人的一般运动更容易表示。值得注意的是，构造位置和姿态的表示思路是构造线速度和角速度以及线加速度和角加速度表示的基础，并且也是构造作用在机器人操作臂上的力和力矩表示的基础。
运动学分析是研究机器人运动的几何形式，没有考虑引起运动的力和力矩。其中，导出和分析了机械臂几何参数与运动平台的最终运动之间的关系。第3章给出了运动学分析的完整过程，并提供了三个并联机器人的详细案例研究，其中一个是缆线驱动的平面并联机器人。由于缆线驱动的并联机器人的并联结构提供了一个非常大的工作空间，是新一代大有前途的机器人，本书重点讨论这类机器人的分析。
第4章进一步考察扩展到静态定位以外的机械臂运动学分析。微分运动学分析在机械臂的无奇异性设计方面起了至关重要的作用。雅可比分析不但揭示了关节变量的速度与运动平台线速度和角速度之间的关系，而且构建了用于计算从任务空间中作用于运动平台的力和力矩到执行器驱动力的变换。第4章给出了并联机器人雅可比分析的系统方法，并通过第3章的相同案例研究进行了研究。
由于闭环结构和运动学约束，并联机器人的动力学分析具有固有的复杂性。然而，因为并联机器人主要应用于需精确定位的场合，且在高负载的情况下具有合适的动态性能是并联机器人的基本要求，所以动力学建模对于并联机器人的控制非常重要。尽管关于并联机器人运动学已有大量的研究，但对于并联机器人的动力学和控制的研究工作相对较少，且几乎没有专著详细讨论这些问题。本书第5章通过三种方法进行了并联机器人的动力学分析，即牛顿欧拉法、虚功法和拉格朗日法。进一步，第5章介绍了一种方法来构建闭环形式的并联机器人动态方程，使动态矩阵更容易处理，并能够进行动力学模型的验证。
本书最后两章阐述了并联机器人的控制，包括运动控制和力控制方案。第6章介绍了不同的无模型控制器和基于模型的控制器，以及鲁棒和自适应的控制策略。这些控制方案应用到了两个案例研究，即缆线驱动的冗余并联机械臂和全并联机械臂。最后，第7章详细介绍了并联机器人的力控制。阐述了刚度控制、直接力控制和阻抗控制方案，并将这些方案在同一个案例上进行了实施研究。
计算机仿真是验证控制器性能和分析的关键方法之一。本书所有章节的案例研究均有计算机仿真。仿真一般在商业软件包（如MATLAB）上进行，这种软件包为模拟机器人的运动学和动力学特性以及验证控制系统的性能提供了方便。
我要感谢在这本书的写作过程中在技术上和精神上支持我的人。由于本书涉及很多学科的知识，很多人为本书做出了贡献，在此一并感谢。我将这本书献给已故的G.Zames教授和P.R.Bélanger教授，他们不但教给我很多控制理论方面的知识，而且深刻地影响了我的思想和行为。我还要感谢J.Angeles教授和C.Gosselin教授，他们鼓励我完成了这项工作。本书中的很多结果都来自J.Angeles、C.Gosselin、J.-P.Merlet、L-W.Tsai和本领域许多其他著名学者的贡献。我很高兴能够组织并进一步阐述这些贡献。
我感谢与M.Nallon和I.Bonev教授的愉快合作，他们在两个关键的时间段给我提供了访问机会并允许我暂时避开紧张的日程安排以便重点完成本书，对此深表感谢。在McGill大学和K.N.Toosi技术大学学习相关研究生课程的许多同学检查了本书的内容，他们的意见和建议提高了本书的质量。其中，感谢H.Sadjadian博士花了大量的时间修正书稿的错误，R.Oftadeh审校了并联机械臂的动力学公式。当然，本书的当前版本难免存在错误，感谢所有读者的任何意见和建议。感谢为本书提供图形素材和插图的所有个人和机构。
没有我妻子Azam和我女儿Matineh的支持和鼓励，我不能完成这个工作。在此我对她们的无限支持和耐心表示真挚的感谢。
Hamid D.Taghirad
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