机器人机构创新设计

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高等院校教师

内容简介

本书既注重与机械原理设计等基础课程的衔接，也注意与实际工程的联系，内容上既涵盖了机器人机构学领域的经典理论，也融入了有限-瞬时旋量及机构分析设计等最新研究成果。

本书包含9章内容。第1章绪论介绍机器人的基本组成、分类、发展历程和应用，以及机器人机构创新设计的研究内容。第2、3章介绍机器人学研究涉及的数学基础，并根据机器人机构创新设计的流程重点介绍有限-瞬时旋量数学框架。第4～8章涵盖串联、并联机器人机构设计的全部环节，包括机构构型综合、运动学建模、静力学建模、动力学建模以及多目标多参数优化设计方法。第9章以两个典型的应用场景为例。阐述利用前述章节的理论方法开展并联机器人机构创新设计的流程。

本书既注重与机械原理设计等基础课程的衔接，也注意与实际工程的联系，内容上既涵盖了机器人机构学领域的经典理论，也融入了有限-瞬时旋量及机构分析设计等最新研究成果。本书可作为智能制造、机械工程或机器人相关专业的本科高年级学生以及研究生的教材，也可作为相关科研人员与工程技术人员的参考书。

前言

第1章绪论1

11引言1

12机器人机构学2

121机器人的问世与发展2

122机构学与数学、力学3

123机器人机构学的研究内容5

13机器人机构的分类5

131串联机构6

132并联机构7

133混联机构12

14机器人机构的创新设计13

141构型创新13

142运动学分析与设计14

143动力学优化15

15全书架构与章节安排15

习题16

参考文献16

第2章常用数学工具及比较18

21引言18

22机器人机构的有限运动和瞬时运动18

221李群与李代数理论19

222Chasles定理和Mozzi定理20

223机构的有限运动李群SE(3)20

224机构的瞬时运动李代数se(3)21

23矩阵李群和李代数22

231矩阵李群及矩阵乘法23

232矩阵李代数及矩阵李括号24

233矩阵李群与李代数间的映射25

24对偶四元数和纯对偶四元数26

241对偶四元数及四元数乘法26

242纯对偶四元数及四元数李括号28

243对偶四元数与纯对偶四元数间的

映射28

25有限旋量和瞬时旋量29

251有限旋量及旋量三角29

252瞬时旋量及旋量叉积31

253有限旋量与瞬时旋量间的映射32

26数学工具比较32

261数学工具之间的代数关联与

转换32

262对偶四元数乘法与旋量三角33

263代数结构与李群表示论35

27本章小结42

习题42

参考文献43

第3章有限瞬时旋量理论45

31引言45

32有限瞬时旋量微分映射45

321单自由度旋量微分映射46

322解耦多自由度旋量微分映射46

323非解耦多自由度旋量微分映射47

324基于旋量微分的机器人机构

建模49

33机器人机构有限运动的旋量模型51

331关节有限运动建模52

332串联机构有限运动建模54

333并联机构有限运动建模54

34机器人机构瞬时运动的旋量模型55

341关节瞬时运动建模55

342串联机构瞬时运动建模61

343并联机构瞬时运动建模63

35机器人机构力的旋量模型65

351关节力建模68

352串联机构力建模71

353并联机构力建模72

36机器人机构的拓扑与性能建模75

361经典串联、并联机构建模算例75

362构型与性能创新设计87

37本章小结88

习题89

参考文献90

第4章机器人机构的构型综合92

41引言92

42构型综合的有限旋量方法93

421构型综合的通用流程93

422运动模式的解析表征95

423支链运动的等效变换108

424支链的几何装配条件116

43转动轴线固定类机构的构型综合117

431具有一个固定轴线的nT1R

机构118

432平面运动G群机构算例119

433具有两个固定轴线的nT2R

机构121

434双熊夫利运动XX流形机构

算例123

44转动轴线变化类机构的构型综合130

441具有一个可变轴线的nT1R

机构130

4421R1T双链并联机构与3T1R并联

机构算例131

443具有一个可变轴线的nT2R

机构135

4443T2R串联机构与1T2R类Exechon

并联机构算例137

445具有两个可变轴线的nT2R

机构142

4462R双链并联机构与1T2R类Z3

并联机构算例143

45曲面/曲线平动机构的构型综合145

451具有二次曲面平动的2TnR

机构145

452环面与螺旋面并联机构算例148

453具有空间曲线平动的1TnR

机构155

454圆锥曲线双链并联机构算例155

46本章小结159

习题159

参考文献160

第5章运动学建模与分析162

51引言162

52位移建模与分析162

521串联机构位移建模的有限旋量

方法162

522串联机构位移建模的DH参数

方法167

523并联机构位移建模的有限旋量

方法170

524并联机构位移建模的闭环向量

方程179

53速度建模与分析180

531串联机构速度建模180

532并联机构速度建模181

533奇异性分析186

54工作空间分析189

541姿态工作空间190

542位置工作空间191

543边界搜索法192

55本章小结195

习题196

参考文献198

第6章静力学建模与分析200

61引言200

62静刚度矩阵与柔度矩阵200

621m自由度虚弹簧201

622刚/柔度矩阵的坐标变换205

63静力与变形映射关系208

631串联机构静力与变形映射208

632并联机构静力与变形映射210

64静刚度建模与分析212

641串联机构静刚度建模212

642并联机构静刚度建模214

65本章小结225

习题225

参考文献227

第7章动力学建模与分析228

71引言228

72刚体的惯性228

721质量与质心228

722惯性矩阵与转动惯量229

73构件质心的速度232

731关节速度232

732串联机构构件质心的速度236

733并联机构构件质心的速度239

74构件质心的加速度242

741关节加速度242

742串联机构构件质心的加速度244

743并联机构构件质心的加速度247

75动力学建模与分析248

751串联机构动力学建模249

752并联机构动力学建模252

76本章小结257

习题257

参考文献259

第8章机器人机构性能优化设计261

81引言261

82性能评价指标261

821运动学性能评价指标261

822静力学性能评价指标268

823动力学性能评价指标273

83多目标优化275

831参数定义276

832性能合作均衡优选277

833多目标优化一般流程278

84性能优化设计实例280

8416PUS并联机器人优化设计280

842变轴线1T2R并联机器人优化

设计282

85本章小结286

习题286

参考文献287

第9章机器人机构创新设计实例289

91引言289

92机器人机构创新设计一般流程289

93实例一：二转动自由度并联机器人291

931应用场景291

932构型综合292

933性能建模294

934优化设计301

94实例二：五自由度并联机器人305

941应用场景305

942构型综合306

943性能建模307

944优化设计311

95本章小结314

习题315

参考文献315