近十余年，少自由度并聯(lián)機器人機構成為了國際機構學界研究的熱點，受到了各行各業(yè)的廣泛關注。由于少自由度并聯(lián)機器人與六自由度并聯(lián)機器人相比，具有機械結構簡單，制造成本低和容易控制等優(yōu)點，在工業(yè)、生活中具有廣泛的應用前景。少自由度并聯(lián)機器人的動力學研究是其高精度控制和應用的前提與基礎。本書的主要內容包括:機構學的基礎知識、少自由度剛性并聯(lián)機器人機構的運動學和動力學，以及柔性并聯(lián)機器人機構的動力學建模與分析等八章內容。同時，為了方便讀者閱讀本書和進行機器人機構學的相關研究，還特別在本書附錄中編入了與機器人機構學有關的數(shù)學基礎知識、微分方程求解以及物體轉動慣量等內容。本書可以作為在機械工程、自動化、機器人技術、智能控制等行業(yè)從事機構學或機器人研究和應用開發(fā)的科研工作者、工程技術人員和高等院校師生的學習、科研參考書。
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目錄
序言
第1章 緒論 1
1.1 機器人 1
1.2 并聯(lián)機器人 1
1.3 柔性機器人 8
1.4 機構學的發(fā)展階段與機器人機構學的研究內容 8
1.4.1 機構學的發(fā)展階段 8
1.4.2 機器人機構學的研究內容 9
1.4.3 機器人機構動力學 9
1.5 本書主要內容 12
第2章 機構學的基礎知識 14
2.1 機構學與機器入學的基礎知識 14
2.1.1 構件及其自由度 14
2.1.2 運動副及其分類 14
2.1.3 運動鏈與機構 17
2.1.4 機構的活動度 20
2.1.5 機器人機構的分類 20
2.2 機械動力學的研究內容與方法 27
2.2.1 機械系統(tǒng)中常見的動力學問題 27
2.2.2 機械動力學分析的一般過程 28
2.2.3 機械系統(tǒng)中的元件組成 28
2.2.4 建立動力學模型的原理與方法 30
2.3 位姿描述與坐標變換 39
2.3.1 位姿描述 39
2.3.2 點的映射 42
2.3.3 齊次坐標與齊次變換 44
2.3.4 運動算子 46
2.3.5 變換矩陣的運算 48
2.3.6 變換方程 50
2.3.7 歐拉角與RPY角 52
2.3.8 旋轉變換通式 57
2.4 機器人機構的構件位姿描述 62
2.4.1 構件參數(shù)和運動副變量 62
2.4.2 構件位姿描述 63
2.5 速度、加速度的變換 64
2.5.1 速度變換 64
2.5.2 機器人機構的構件速度描述 67
2.5.3 雅可比 68
2.5.4 加速度變換 71
2.5.5 機器人機構的構件加速度描述 72
2.6 機器人機構中的靜力分析 72
2.6.1 構件的受力與平衡方程 73
2.6.2 等效關節(jié)力與力雅可比矩陣 74
2.7 速度與靜力的笛卡兒變換 75
第3章 少自由度并聯(lián)機器人機構的運動學和動力學 77
3.1 平面五桿機構的運動學與動力學分析 78
3.1.1 平面五桿機構的運動學分析 78
3.1.2 平面五桿機構的動力學分析 80
3.1.3 算例分析 82
3.2 3-RRR并聯(lián)機構的運動學與動力學分析 85
3.2.1 3-RRR并聯(lián)機構的運動學分析 85
3.2.2 3-RRR并聯(lián)機構的動力學分析 88
3.2.3 算例分析 91
3.3 3-RRS并聯(lián)機構的運動學與動力學分析 93
3.3.1 3-RRS并聯(lián)機構的位姿分析 93
3.3.2 3-RRS并聯(lián)機構的運動學分析 96
3.3.3 3-RRS并聯(lián)機構的動力學分析 101
3.3.4 算例分析 104
3.4 3-RRC并聯(lián)機構的運動學與動力學分析 106
3.4.1 3-RRC并聯(lián)機構的運動學分析 106
3.4.2 3-RRC并聯(lián)機構的動力學分析 110
3.4.3 算例分析 113
第4章 柔性并聯(lián)機器人機構的動力學建模與求解 117
4.1 引言 117
4.2 柔性機器人動力學分析方法 118
4.3 3-RRR柔性并聯(lián)機器人機構的動力學建模 120
4.3.1 基于相對坐標法的支鏈運動微分方程 121
4.3.2 基于絕對坐標法的支鏈運動微分方程 127
4.3.3 運動學約束條件 134
4.3.4 動力學約束條件 138
4.3.5 系統(tǒng)的動力學方程 138
4.3.6 基于剛柔耦合的有限元法模型 140
4.3.7 算例分析 147
4.3.8 模型分析 151
4.4 3-RRS柔性并聯(lián)機器人機構的動力學建模 152
4.4.1 系統(tǒng)單元劃分 152
4.4.2 柔性構件的單元模型 152
4.4.3 單元位移型函數(shù) 153
4.4.4 單元動能 155
4.4.5 單元變形能 155
4.4.6 單元動力學方程 156
4.4.7 支鏈動力學方程 156
4.4.8 運動學約束 161
4.4.9 動力學約束 164
4.4.1 0系統(tǒng)動力學方程 166
4.5 方程求解 168
4.6 3-RRC與3-RSR柔性并聯(lián)機器人機構的建模簡介 170
4.7 算例分析 173
第5章 柔性并聯(lián)機器人機構的動力分析 177
5.1 引言 177
5.2 機構動態(tài)力分析 177
t.3 構件動應力分析 181
5.4 算例分析 183
第6章 柔性并聯(lián)機器人機構的虛擬樣機仿真 188
6.1 引言 188
6.2 SAMCEF軟件簡介 188
6.3 SAh1CEF軟件仿真流程 190
6.4 柔性并聯(lián)機器人機構的動態(tài)仿真 191
6.4.1 3-RRR柔性并聯(lián)機器人仿真 191
6.4.2 3-RRS柔性并聯(lián)機器人仿真 193
6.4.3 3-RSR柔性并聯(lián)機器人仿真 209
6.4.4 3-RRC柔性并聯(lián)機器人仿真 217
第7章 柔性并聯(lián)機器人機構的動態(tài)特性分析與優(yōu)化設計 221
7.1 引言 221
7.2 頻率特性分析 221
7.2.1 特性分析 221
7.2.2 算例分析 223
7.3 阻尼振動特性分析 226
7.3.1 特性分析 226
7.3.2 算例分析 227
7.4 構件截面參數(shù)的優(yōu)化設計 228
7.4.1 截面參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學模型 229
7.4.2 算例分析 230
第8章 柔性并聯(lián)機器人機構的運動規(guī)劃與動力規(guī)劃 234
8.1 引言 234
8.2 初始位形優(yōu)化 235
8.2.1 插值函數(shù)分析 236
8.2.2 算例分析 239
8.3 輸入運動規(guī)劃 240
8.3.1 輸入運動規(guī)劃分析 240
8.3.2 算例分析 241
8.4 動力規(guī)劃 244
8.4.1 動力規(guī)劃分析 244
8.4.2 算例分析 244
主要參考文獻 247
附錄A 數(shù)學基礎知識 257
A.1 代數(shù) 257
A.1.1 冪與對數(shù) 257
A.1.2 排列與組合 258
A.1.3 矩陣與行列式 259
A.1.4 代數(shù)方程 263
A.1.5 常見函數(shù)的級數(shù)展開 264
A.2 三角函數(shù)與雙曲函數(shù) 265
A.2.1 三角函數(shù)公式 265
A.2.2 三角函數(shù)方程的求解 265
A.2.3 平面三角形 266
A.2.4 廈三角函數(shù) 266
A.2.5 雙曲函數(shù) 266
A.2.6 三角函數(shù)與指數(shù)函數(shù)及雙曲函數(shù)的關系 267
A.3 導數(shù)與微分 267
A.3.1 一般公式 267
A.3.2 基本公式 268
A.4 積分 269
A.4.1 不定積分 269
A.4.2 定積分 273
A.5 矢量及其運算 275
A.5.1 矢量代數(shù) 275
A.6 平面與直線 278
A.6.1 平面及其方程 278
A.6.2 直線及其方程 279
附錄B 物體的轉動慣量 281
B.1 物體轉動慣量的一般理論 281
B.1.1 轉動慣量的定義 281
B.1.2 慣性半徑 281
B.1.3 轉動慣量的定理 282
B.1.4 慣量積 282
B.1.5 慣量橢圓體 283
B.2 面積慣性矩的一般理論 283
B.2.1 面積慣性矩的定義 283
B.2.2 面積慣性矩的定理 284
B.2.3 慣性橢圓 284
B.3 簡單形狀物體的轉動慣量計算 285
B.4 轉動慣量的測定 286
附錄C 角坐標系表示法的24種等價旋轉矩陣 290
C.1 12種歐拉角表示法的旋轉矩陣 290
C.2 12種繞固定軸旋轉的旋轉矩陣 291
附錄D 機構運動微分方程的求解 293
D.1 直接積分法 294
D.1.1 中心差分法 294
D.1.2 Houbo1t法 296
D.1.3 線性加速度法 298
D.1.4 Wi1soii *法 299
D.1.5 Newmark法 301
D.2 實振型疊加法 303
D.2.1 振型的廣義位移 303
D.2.2 忽略阻尼的分析 305
D.2.3 有阻尼的分析 306
D.3 復振型疊加法 307
D.3.1 阻尼系統(tǒng)特征值問題 307
D.3.2 阻尼系統(tǒng)振型的正交性 309
D.3.3 響應的求解 310
附錄E 平面柔性并聯(lián)機器人機構動力學方程的相關矩陣 312
附錄F 空間柔性并聯(lián)機器人機構動力學方程的相關矩陣 319
F.1 單元質量矩陣Me 319
F.2 單元剛度矩陣Ke 320
F.3 支鏈BiCiPi只的系統(tǒng)廣義坐標與單元構件BiGi的系統(tǒng)廣義坐標之間的轉換關系 321
F.4 支鏈BiCiPi只的系統(tǒng)廣義坐標與單元構件CiPi的系統(tǒng)廣義坐標之間的轉換關系 322
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