少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)
近十余年，少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)成為了國(guó)際機(jī)構(gòu)學(xué)界研究的熱點(diǎn)，受到了各行各業(yè)的廣泛關(guān)注。由于少自由度并聯(lián)機(jī)器人與六自由度并聯(lián)機(jī)器人相比，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低和容易控制等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、生活中具有廣泛的應(yīng)用前景。少自由度并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)研究是其高精度控制和應(yīng)用的前提與基礎(chǔ)。本書(shū)的主要內(nèi)容包括:機(jī)構(gòu)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、少自由度剛性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，以及柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模與分析等八章內(nèi)容。同時(shí)，為了方便讀者閱讀本書(shū)和進(jìn)行機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的相關(guān)研究，還特別在本書(shū)附錄中編入了與機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)有關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、微分方程求解以及物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等內(nèi)容。本書(shū)可以作為在機(jī)械工程、自動(dòng)化、機(jī)器人技術(shù)、智能控制等行業(yè)從事機(jī)構(gòu)學(xué)或機(jī)器人研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的科研工作者、工程技術(shù)人員和高等院校師生的學(xué)習(xí)、科研參考書(shū)。
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目錄
序言
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人 1
1.2 并聯(lián)機(jī)器人 1
1.3 柔性機(jī)器人 8
1.4 機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展階段與機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的研究?jī)?nèi)容 8
1.4.1 機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展階段 8
1.4.2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的研究?jī)?nèi)容 9
1.4.3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué) 9
1.5 本書(shū)主要內(nèi)容 12
第2章 機(jī)構(gòu)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 14
2.1 機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器入學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí) 14
2.1.1 構(gòu)件及其自由度 14
2.1.2 運(yùn)動(dòng)副及其分類(lèi) 14
2.1.3 運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)構(gòu) 17
2.1.4 機(jī)構(gòu)的活動(dòng)度 20
2.1.5 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分類(lèi) 20
2.2 機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容與方法 27
2.2.1 機(jī)械系統(tǒng)中常見(jiàn)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 27
2.2.2 機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析的一般過(guò)程 28
2.2.3 機(jī)械系統(tǒng)中的元件組成 28
2.2.4 建立動(dòng)力學(xué)模型的原理與方法 30
2.3 位姿描述與坐標(biāo)變換 39
2.3.1 位姿描述 39
2.3.2 點(diǎn)的映射 42
2.3.3 齊次坐標(biāo)與齊次變換 44
2.3.4 運(yùn)動(dòng)算子 46
2.3.5 變換矩陣的運(yùn)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(zhuǎn)變換通式 57
2.4 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)件位姿描述 62
2.4.1 構(gòu)件參數(shù)和運(yùn)動(dòng)副變量 62
2.4.2 構(gòu)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(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)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(jī)器人機(jī)構(gòu)的構(gòu)件加速度描述 72
2.6 機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的靜力分析 72
2.6.1 構(gòu)件的受力與平衡方程 73
2.6.2 等效關(guān)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(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 77
3.1 平面五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 78
3.1.1 平面五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 78
3.1.2 平面五桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析 80
3.1.3 算例分析 82
3.2 3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 85
3.2.1 3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 85
3.2.2 3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析 88
3.2.3 算例分析 91
3.3 3-RRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 93
3.3.1 3-RRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位姿分析 93
3.3.2 3-RRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 96
3.3.3 3-RRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析 101
3.3.4 算例分析 104
3.4 3-RRC并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 106
3.4.1 3-RRC并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 106
3.4.2 3-RRC并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析 110
3.4.3 算例分析 113
第4章 柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模與求解 117
4.1 引言 117
4.2 柔性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析方法 118
4.3 3-RRR柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模 120
4.3.1 基于相對(duì)坐標(biāo)法的支鏈運(yùn)動(dòng)微分方程 121
4.3.2 基于絕對(duì)坐標(biāo)法的支鏈運(yùn)動(dòng)微分方程 127
4.3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)約束條件 134
4.3.4 動(dòng)力學(xué)約束條件 138
4.3.5 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程 138
4.3.6 基于剛?cè)狁詈系挠邢拊Ｐ?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(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模 152
4.4.1 系統(tǒng)單元?jiǎng)澐?152
4.4.2 柔性構(gòu)件的單元模型 152
4.4.3 單元位移型函數(shù) 153
4.4.4 單元?jiǎng)幽?155
4.4.5 單元變形能 155
4.4.6 單元?jiǎng)恿W(xué)方程 156
4.4.7 支鏈動(dòng)力學(xué)方程 156
4.4.8 運(yùn)動(dòng)學(xué)約束 161
4.4.9 動(dòng)力學(xué)約束 164
4.4.1 0系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程 166
4.5 方程求解 168
4.6 3-RRC與3-RSR柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的建模簡(jiǎn)介 170
4.7 算例分析 173
第5章 柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析 177
5.1 引言 177
5.2 機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)力分析 177
t.3 構(gòu)件動(dòng)應(yīng)力分析 181
5.4 算例分析 183
第6章 柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)仿真 188
6.1 引言 188
6.2 SAMCEF軟件簡(jiǎn)介 188
6.3 SAh1CEF軟件仿真流程 190
6.4 柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真 191
6.4.1 3-RRR柔性并聯(lián)機(jī)器人仿真 191
6.4.2 3-RRS柔性并聯(lián)機(jī)器人仿真 193
6.4.3 3-RSR柔性并聯(lián)機(jī)器人仿真 209
6.4.4 3-RRC柔性并聯(lián)機(jī)器人仿真 217
第7章 柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(dòng)特性分析 226
7.3.1 特性分析 226
7.3.2 算例分析 227
7.4 構(gòu)件截面參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 228
7.4.1 截面參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型 229
7.4.2 算例分析 230
第8章 柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃 240
8.3.1 輸入運(yùn)動(dòng)規(guī)劃分析 240
8.3.2 算例分析 241
8.4 動(dòng)力規(guī)劃 244
8.4.1 動(dòng)力規(guī)劃分析 244
8.4.2 算例分析 244
主要參考文獻(xiàn) 247
附錄A 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 257
A.1 代數(shù) 257
A.1.1 冪與對(duì)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(jiàn)函數(shù)的級(jí)數(shù)展開(kāi) 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(guān)系 267
A.3 導(dǎo)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(yùn)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(zhuǎn)動(dòng)慣量 281
B.1 物體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的一般理論 281
B.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的定義 281
B.1.2 慣性半徑 281
B.1.3 轉(zhuǎn)動(dòng)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(jiǎn)單形狀物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 285
B.4 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定 286
附錄C 角坐標(biāo)系表示法的24種等價(jià)旋轉(zhuǎn)矩陣 290
C.1 12種歐拉角表示法的旋轉(zhuǎn)矩陣 290
C.2 12種繞固定軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣 291
附錄D 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(shí)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(fù)振型疊加法 307
D.3.1 阻尼系統(tǒng)特征值問(wèn)題 307
D.3.2 阻尼系統(tǒng)振型的正交性 309
D.3.3 響應(yīng)的求解 310
附錄E 平面柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)矩陣 312
附錄F 空間柔性并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的相關(guān)矩陣 319
F.1 單元質(zhì)量矩陣Me 319
F.2 單元?jiǎng)偠染仃嘖e 320
F.3 支鏈BiCiPi只的系統(tǒng)廣義坐標(biāo)與單元構(gòu)件BiGi的系統(tǒng)廣義坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 321
F.4 支鏈BiCiPi只的系統(tǒng)廣義坐標(biāo)與單元構(gòu)件CiPi的系統(tǒng)廣義坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 322
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