本書以移動Jacobian 矩陣和轉(zhuǎn)動Jacobian 矩陣為基礎(chǔ)，結(jié)合CAD 變量幾何技術(shù)，對少自由度并聯(lián)機構(gòu)，特別是3、4 自由度并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)、奇異位形和工作空間等進行了介紹。結(jié)合工業(yè)實際，將少自由度并聯(lián)機構(gòu)應(yīng)用于玻璃搬運領(lǐng)域，綜合出新型并聯(lián)玻璃搬運機械手，并介紹樣機研制與調(diào)試。本書對讀者系統(tǒng)掌握少自由度并聯(lián)機構(gòu)的研究方法具有一定的指導(dǎo)意義，同時也為少自由度并聯(lián)機構(gòu)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要思路。本書適合從事機器人特別是并聯(lián)機器人研究與開發(fā)的科研工作者與工程技術(shù)人員使用，也可供高等院校相關(guān)專業(yè)師生參考學(xué)習(xí)使用。
本書系統(tǒng)論述了解耦構(gòu)型綜合的方法，內(nèi)容新穎，系統(tǒng)全面。本書具有以下兩大特色：（1）內(nèi)容新穎：本書以移動Jacobian矩陣和轉(zhuǎn)動Jacobian矩陣為基礎(chǔ)，結(jié)合CAD變量幾何技術(shù)，對少自由度并聯(lián)機構(gòu)，特別是3、4自由度并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)、奇異位形和工作空間等重要性質(zhì)進行介紹，展現(xiàn)了現(xiàn)代機構(gòu)學(xué)在理論研究與應(yīng)用研究方面的新思想、新概念、新技術(shù)與新方法。對從事機構(gòu)學(xué)、機器人學(xué)的教學(xué)及科學(xué)研究具有一定的啟發(fā)與幫助。（2）系統(tǒng)全面：主要包含基于Jacobian和Hessian矩陣的少自由度并聯(lián)機構(gòu)和實驗臺的運動學(xué)分析、少自由度并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析、少自由度并聯(lián)機構(gòu)奇異分析、少自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間分析、少自由度并聯(lián)機構(gòu)的樣機調(diào)試等從理論到實際應(yīng)用的內(nèi)容。
和傳統(tǒng)的6自由度并聯(lián)機構(gòu)相比，少自由度并聯(lián)機構(gòu)具有驅(qū)動件少、控制簡單方便、制造容易、價格低廉等特點。近年來，少自由度并聯(lián)機構(gòu)成為國際機構(gòu)學(xué)和機器人領(lǐng)域的研究熱點，少自由度并聯(lián)機構(gòu)的性質(zhì)研究包括運動學(xué)、奇異位形和工作空間等等。
運動學(xué)是機構(gòu)分析的重要組成部分，Jacobian矩陣在并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析中十分重要。傳統(tǒng)意義上少自由度并聯(lián)機構(gòu)的Jacobian矩陣不是方陣，即機構(gòu)的輸入和輸出之間不滿足一一對應(yīng)關(guān)系。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的本質(zhì)原因是動平臺的各個輸出速度分量并不是獨立的。本書用移動Jacobian矩陣和轉(zhuǎn)動Jacobian矩陣分別表示動平臺的線速度和角速度與機構(gòu)獨立輸出速度矢量之間的關(guān)系。通過移動和轉(zhuǎn)動Jacobian矩陣，得到了n(n<6)自由度并聯(lián)機構(gòu)的nn 型Jacobian方陣并對其速度進行了分析；在移動和轉(zhuǎn)動Jacobian矩陣的基礎(chǔ)上，建立表示動平臺的線加速度和角加速度與機構(gòu)的獨立輸出加速度矢量之間關(guān)系的移動和轉(zhuǎn)動Hessian矩陣，進而對少自由度并聯(lián)機構(gòu)的加速度進行了分析。
少自由度并聯(lián)機構(gòu)總體上具有比6自由度并聯(lián)機構(gòu)更復(fù)雜的運動特性，特別是動平臺的運動受到約束后會表現(xiàn)出很多特殊的性質(zhì)，這使得少自由度并聯(lián)機構(gòu)機型匱乏，與實際應(yīng)用中的廣泛需求相距甚遠。本書綜合出了多種3、4自由度并聯(lián)機構(gòu)，包括含約束分支的并聯(lián)機構(gòu)、驅(qū)動分支數(shù)小于自由度數(shù)的并聯(lián)機構(gòu)，以及含非直線分支的并聯(lián)機構(gòu)等。以移動和轉(zhuǎn)動Jacobian矩陣為基礎(chǔ)，對所綜合出來的機構(gòu)進行了詳細的運動學(xué)分析。
并聯(lián)機構(gòu)的奇異位形是并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計、分析和應(yīng)用中的一個重要問題。Jacobian代數(shù)法是研究并聯(lián)機構(gòu)奇異位形最通用的方法。本書通過移動和轉(zhuǎn)動Jacobian矩陣，以及由這兩個矩陣所得的nn 型Jacobian方陣，對少自由度并聯(lián)機構(gòu)，特別是具有不同運動形式的3、4自由度并聯(lián)機構(gòu)的奇異位形進行了分析，包括三維移動并聯(lián)機構(gòu)、三維轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(gòu)、具有混合運動的3自由度并聯(lián)機構(gòu)、三移一轉(zhuǎn)4自由度并聯(lián)機構(gòu)、三轉(zhuǎn)一移4自由度并聯(lián)機構(gòu)，以及移動和轉(zhuǎn)動耦合的4自由度并聯(lián)機構(gòu)等。
對于一種新型機構(gòu)，能夠準確、方便地分析其工作空間對于評定該機構(gòu)的實際應(yīng)用價值十分有幫助。本書介紹了求解少自由度并聯(lián)機構(gòu)工作空間的步驟，并以3、4自由度并聯(lián)機構(gòu)為重點，詳細闡述了其工作空間的構(gòu)造過程，定義了描述工作空間的參數(shù)，討論了運動副的布置對少自由度并聯(lián)機構(gòu)特別是3自由度并聯(lián)機構(gòu)工作空間的影響。
在上述研究分析的基礎(chǔ)上，將新型并聯(lián)機構(gòu)引入玻璃搬運機械手設(shè)計過程中，圍繞玻璃上下片的動作過程，設(shè)計了多種少自由度并聯(lián)玻璃搬運機械手，對新型并聯(lián)玻璃搬運機械手的性質(zhì)展開研究，進而改善玻璃搬運機械手的性能，加快少自由度并聯(lián)機械結(jié)構(gòu)在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用進程。
本書共分為7章。第1章綜述了少自由度并聯(lián)機器人的應(yīng)用與少自由度并聯(lián)機構(gòu)的研究現(xiàn)狀；第2章闡述了基于Jacobian和Hessian矩陣的少自由度并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)；第3章對幾種少自由度并聯(lián)機構(gòu)進行運動學(xué)分析；第4章論述了基于Jacobian矩陣的少自由度并聯(lián)機構(gòu)奇異性；第5章論述了少自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間；第6章介紹了少自由度并聯(lián)機構(gòu)的樣機調(diào)試；第7章介紹了少自由度并聯(lián)玻璃搬運機械手的分析與設(shè)計。
本書可供機械、機器人或相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人員與對機器人領(lǐng)域感興趣的讀者閱讀、參考。
鑒于筆者水平有限，一些學(xué)術(shù)觀點與書中文字的欠妥之處，懇請讀者給予批評指正。
石巖
河北水利電力學(xué)院
石巖，機械電子工程專業(yè)博士，第三屆全國水利職教教學(xué)新星，河北省優(yōu)秀教師，河北省三三三人才工程三層次人才。主要研究方向為機器人機構(gòu)學(xué)理論與應(yīng)用，主研、主持完成國家、、省市級項目等9項，包括國家自然科學(xué)基金項目具有被動分支自由度為3和4并聯(lián)機器人機構(gòu)綜合與性質(zhì)研究、博士點基金項目可變式少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)性能的理論研究與實驗綜合、河北省高等學(xué)�？茖W(xué)技術(shù)研究重點項目高可靠性平板玻璃上下片機械手關(guān)鍵技術(shù)研究等�；谘芯抗ぷ靼l(fā)表論文30余篇，其中SCI檢索9篇，中文核心期刊12篇；編寫教材5部；獲國家實用新型專利授權(quán)17項。主研完成的項目獲2015年度河北省自然科學(xué)三等獎。
第1章緒論001
1.1并聯(lián)機器人的起源和發(fā)展002
1.2少自由度并聯(lián)機器人的應(yīng)用006
1.2.1三維移動并聯(lián)機器人的應(yīng)用006
1.2.2三維轉(zhuǎn)動并聯(lián)機器人的應(yīng)用008
1.2.3具有混合運動少自由度并聯(lián)機器人的應(yīng)用009
1.2.4專用機械手對少自由度并聯(lián)機構(gòu)的應(yīng)用需求011
1.3少自由度并聯(lián)機構(gòu)的研究現(xiàn)狀013
1.3.1幾種特殊構(gòu)型的少自由度并聯(lián)機構(gòu)研究概述013
1.3.2少自由度并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)研究現(xiàn)狀016
1.3.3少自由度并聯(lián)機構(gòu)奇異位形研究現(xiàn)狀017
1.3.4少自由度并聯(lián)機構(gòu)工作空間研究現(xiàn)狀018
1.4本書意義及內(nèi)容020
第2章少自由度并聯(lián)機構(gòu)移/轉(zhuǎn)動Jacobian 和Hessian 矩陣023
2.1概述024
2.2基于移/轉(zhuǎn)動Jacobian 和Hessian 矩陣的少自由度并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)分析025
2.2.1少自由度并聯(lián)機構(gòu)模型簡介025
2.2.2少自由度并聯(lián)機構(gòu)位置分析025
2.2.3移/轉(zhuǎn)動Jacobian 矩陣及速度分析028
2.2.4移/轉(zhuǎn)動Hessian 矩陣及加速度分析031
2.32SPS＋SPR＋SP 實驗臺的運動學(xué)分析033
2.3.12SPS＋SPR＋SP 機構(gòu)描述及自由度計算033
2.3.22SPS＋SPR＋SP 機構(gòu)的位置分析035
2.3.32SPS＋SPR＋SP 機構(gòu)的速度分析039
2.3.42SPS＋SPR＋SP 機構(gòu)的加速度分析040
2.3.5數(shù)值算例041
2.3.62SPS＋SPR＋X 機構(gòu)的約束分支綜合051
2.4本章小結(jié)052
第3章幾種少自由度并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析054
3.1概述055
3.2坐標(biāo)系的建立與通用公式055
3.3一種平面對稱3-SPR 并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析056
3.3.1平面對稱3-SPR 機構(gòu)描述及自由度計算056
3.3.2平面對稱3-SPR 機構(gòu)的位置分析057
3.3.3平面對稱3-SPR 機構(gòu)的速度和加速度分析060
3.4一種2SPR＋UPU 并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析065
3.4.12SPR＋UPU 機構(gòu)描述及自由度計算065
3.4.22SPR＋UPU 機構(gòu)的位置分析066
3.4.32SPR＋UPU 機構(gòu)的速度和加速度分析068
3.5一種4 自由度過約束并聯(lián)機構(gòu)的運動學(xué)分析073
3.5.12UPU＋RRPU 機構(gòu)描述及自由度計算073
3.5.22UPU＋RRPU 機構(gòu)的位置分析074
3.5.32UPU＋RRPU 機構(gòu)的速度和加速度分析077
3.6一種含非直線分支的4 自由度并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)分析082
3.6.12SPS＋RPRR 機構(gòu)描述及自由度計算082
3.6.22SPS＋RPRR 機構(gòu)的位置分析083
3.6.32SPS＋RPRR 機構(gòu)的速度和加速度分析085
3.7本章小結(jié)095
第4章基于移/轉(zhuǎn)動Jacobian 矩陣的少自由度并聯(lián)機構(gòu)奇異分析096
4.1概述097
4.23 自由度并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析098
4.2.13 自由度并聯(lián)機構(gòu)的分類及Jacobian 矩陣098
4.2.2三維移動并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析099
4.2.3三維轉(zhuǎn)動并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析100
4.2.4具有混合運動3 自由度并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析106
4.34 自由度并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析120
4.3.14 自由度并聯(lián)機構(gòu)的分類及Jacobian 矩陣120
4.3.23T1R 4 自由度并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析122
4.3.33R1T 4 自由度并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析125
4.3.4移動和轉(zhuǎn)動耦合的4 自由度并聯(lián)機構(gòu)的奇異分析128
4.4本章小結(jié)133
第5章少自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間分析135
5.1概述136
5.2基本概念和方法136
5.2.1一般并聯(lián)機構(gòu)及其工作空間136
5.2.2位置空間的通用求解方法137
5.2.3姿態(tài)角的描述及求解方法140
5.33 自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間141
5.3.13 自由度并聯(lián)機構(gòu)工作空間的描述141
5.3.2一種平面對稱3-SPR 并聯(lián)機構(gòu)的工作空間142
5.44 自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間144
5.4.1線性驅(qū)動的4 自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間145
5.4.2包含轉(zhuǎn)動驅(qū)動的4 自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間Ⅰ 148
5.4.3包含轉(zhuǎn)動驅(qū)動的4 自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間Ⅱ 150
5.55 自由度并聯(lián)機構(gòu)的工作空間152
5.5.12SPS＋RRPRR 機構(gòu)及其模擬機構(gòu)152
5.5.22SPS＋RRPRR 機構(gòu)的可達工作空間153
5.6運動副布置對并聯(lián)機構(gòu)工作空間的影響分析155
5.6.1運動副布置及其對工作空間的影響155
5.6.2運動副布置對2SPS＋SPR＋SP 實驗臺工作空間的影響分析156
5.6.3運動副布置對3-SPR 并聯(lián)機構(gòu)工作空間的影響分析158
5.6.4運動副布置對2SPR＋UPU 并聯(lián)機構(gòu)工作空間的影響分析161
5.7本章小結(jié)164
第6章3 種少自由度并聯(lián)機構(gòu)的樣機調(diào)試165
6.1概述166
6.2平面對稱3-SPR 并聯(lián)機構(gòu)樣機調(diào)試167
6.2.1可調(diào)式3-SPS 型并聯(lián)機構(gòu)實驗平臺167
6.2.2平面對稱3-SPR 并聯(lián)機構(gòu)樣機調(diào)試過程167
6.32SPS＋SPR＋SP 并聯(lián)機構(gòu)樣機調(diào)試169
6.3.1可調(diào)式具有被動約束分支3 自由度并聯(lián)機構(gòu)簡介169
6.3.22SPS＋SPR＋SP 并聯(lián)機構(gòu)樣機調(diào)試過程170
6.42UPU＋RRPU 并聯(lián)機構(gòu)樣機調(diào)試171
6.5本章小結(jié)172
第7章幾種少自由度并聯(lián)玻璃搬運機械手的設(shè)計173
7.1概述174
7.2一種抑制振動的玻璃上下片機械手的設(shè)計與分析174
7.2.1機械手機構(gòu)簡介174
7.2.2機械手模型制作175
7.2.3機械手動力學(xué)仿真分析178
7.3平板玻璃上下片機械手執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計及動力學(xué)分析180
7.3.1總體布局結(jié)構(gòu)設(shè)計180
7.3.2執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計181
7.3.3基于SolidWorks Motion 的執(zhí)行機構(gòu)動力學(xué)分析181
7.4一種減振平板玻璃上下片機械手的設(shè)計185
7.4.1上下片機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計185
7.4.2有益效果187
7.5一種高度可調(diào)節(jié)的平板玻璃轉(zhuǎn)運機械手的設(shè)計188
7.5.1轉(zhuǎn)運機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計188
7.5.2有益效果190
7.6基于西門子PLC 的平板玻璃上下片機械手控制系統(tǒng)設(shè)計191
7.6.1平板玻璃上下片機械手機構(gòu)簡介191
7.6.2機械手控制的基本要求192
7.6.3機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計193
7.6.4機械手PLC 程序設(shè)計194
7.7一種部分解耦并聯(lián)玻璃搬運機械手樣機研制196
7.7.1部分解耦并聯(lián)玻璃搬運機械手機構(gòu)簡介196
7.7.2樣機加工制作198
7.8本章小結(jié)198
參考文獻200
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