機械系統(tǒng)多體動力學(xué)分析、控制與仿真

前言

航空、航天、車輛、機器人、精密機械等領(lǐng)域中的大量機械系統(tǒng)可被視為由若干個剛體和柔體組成的多剛體或者剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)。多體系統(tǒng)是由多個彼此之間存在相對運動的物體構(gòu)成的系統(tǒng)。多體系統(tǒng)動力學(xué)主要研究系統(tǒng)中物體的運動規(guī)律及其受力環(huán)境，具有十分廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，機器人的位置控制需要多體系統(tǒng)運動學(xué)提供系統(tǒng)狀態(tài)演化規(guī)律，機器人的力控制需要多體系統(tǒng)動力學(xué)提供可靠的受力特性求解。人們在多體系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)方面開展了大量的卓有成效的研究工作，取得了許多重要的成果，并應(yīng)用于工程實際。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多體系統(tǒng)越來越復(fù)雜，其理論研究和工程實際都對現(xiàn)有多體系統(tǒng)的理論分析方法提出了越來越高的要求。特別是多柔體系統(tǒng)動力學(xué)行為的理論與分析，需要不斷地進行深入研究。本書共分為9章。第1章為緒論，介紹了研究目的和意義以及目前國內(nèi)外在多體系統(tǒng)動力學(xué)及其控制方法領(lǐng)域的相關(guān)研究情況；第2章介紹了多剛體系統(tǒng)的運動學(xué)分析方法；第3章介紹了多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)分析方法；第4章以平面三自由度機械臂為例介紹了機械臂運動學(xué)和動力學(xué)分析實例；第5章介紹了多剛體系統(tǒng)的控制方法，包括PID控制、機械臂手爪的位置控制、基于反饋控制策略的主從機械臂同步控制等；第6章介紹了多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運動的控制方法，對二連桿機構(gòu)的單周期運動、多周期運動、擬周期運動及混沌運動等不同特征的運動進行了討論；第7章介紹了摩擦對多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運動控制的影響，對摩擦的特性和機理進行了分析；第8章對復(fù)雜機械系統(tǒng)進行了多剛體運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析，基于ADAMS對三自由度機械臂進行動力學(xué)可視化仿真，并以復(fù)雜機械系統(tǒng)為例進行詳細分析說明；第9章對多柔體系統(tǒng)動力學(xué)分析與仿真進行了介紹。本書得到了教育部科學(xué)技術(shù)研究重點項目（編號：108037）、機器人學(xué)國家重點實驗室開放基金項目（編號：RL0200808）、國家自然科學(xué)基金項目（編號：50775028、10402008、50535010）、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃，以及“985”工程科技創(chuàng)新平臺建設(shè)項目等多個項目的支持。本書由韓清凱教授、羅忠博士共同編著完成。此外，作者所在課題組李興修、姜丹、趙雪彥等也參加了部分內(nèi)容的編寫和整理，課題組其他成員也對本書的出版給予了大力支持，在此表示感謝。

內(nèi)容概要

本書以機器人機械臂為代表，論述了多剛體和剛?cè)峄旌蠙C械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)及其控制的分析理論、分析方法和仿真；以典型平面三自由度機器人系統(tǒng)為例，對多體系統(tǒng)的運動學(xué)、速度與微運動、速度和加速度，以及多剛體系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立、求解和計算等進行了詳細分析；針對多剛體系統(tǒng)的控制方法，介紹了PID控制的基本思想、機械臂手爪的位置控制和基于反饋控制策略的主從機械臂同步控制等；結(jié)合多剛體系統(tǒng)和剛?cè)峄旌蠙C械系統(tǒng)的DAE分析與仿真，介紹了基于ADAMS的機械臂動力學(xué)可視化仿真方法；最后，討論了多柔體系統(tǒng)的動力學(xué)分析與仿真方法。書中附有必要的計算程序和仿真流程。　　本書可供機械系統(tǒng)動力學(xué)和機器人學(xué)等專業(yè)的科技人員參考，也可供相關(guān)專業(yè)的教師、研究生及高年級本科生閱讀。

作者簡介

韓清凱，1969年3月生，博士。東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，機械設(shè)計及理論研究所所長。曾在美國阿克倫大學(xué)做訪問學(xué)者（2009年），在英國謝菲爾德大學(xué)（2007年）和德國慕尼黑理工大學(xué)（2001年）進行短期合作研究。近年來，先后承擔(dān)973項目、863項目、國家自然科學(xué)基金項目等多項，發(fā)表論文80余篇，獲得專利2項。入選教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃.獲教育部科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎、遼寧省科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎和二等獎、霍英東教育基金會第十屆高等院校青年教師獎、遼寧省青年科技獎等。主要研究方向：非線性振動與機械動態(tài)設(shè)計、機械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等。羅忠，1978年4月生，博士。東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院講師，機械電子工程研究所黨支部書記、副所長。近年來.先后負責(zé)或參與973項目、國家自然科學(xué)基金項目、遼寧省博士科研啟動基金資助項目等多項，發(fā)表論文30余篇，參編教材和著作5部。獲東北大學(xué)五四青年獎?wù)拢ㄇ嗄陯徫荒苁郑?、東北大學(xué)第五屆教師教學(xué)基本功大賽一等獎等。主要研究方向：機械動力學(xué)與機器人技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理等。

書籍目錄

前言 第1章　緒論 　1.1　目的和意義 　1.2　機械系統(tǒng)多體動力學(xué)研究現(xiàn)狀 　1.3　機械系統(tǒng)多體動力學(xué)的主要研究內(nèi)容 　1.4　本書主要內(nèi)容 　參考文獻 第2章　多剛體系統(tǒng)的運動學(xué)分析 　2.1　多剛體系統(tǒng)的運動描述方法 　　2.1.1　機構(gòu)空間坐標的齊次變換 　　2.1.2　機構(gòu)參數(shù)的D—H定義方法及機構(gòu)桿系的坐標變換 　2.2　機械臂的正運動學(xué) 　2.3　機械臂運動分析的逆問題 　　2.3.1　機械臂逆運動分析的解析方法 　　2.3.2　機械臂逆運動分析的數(shù)值方法 　2.4　模塊化三自由度串聯(lián)機器人的運動學(xué)分析 　　2.4.1　模塊化三自由度串聯(lián)機器人的D—H參數(shù)定義 　　2.4.2　三自由度模塊化機器人正運動學(xué)分析 　　2.4.3　模塊化機器人的運動學(xué)逆問題分析 　2.5　多體系統(tǒng)的速度與微運動分析 　　2.5.1　機器人的雅可比矩陣 　　2.5.2　雅可比矩陣在靜力學(xué)中的應(yīng)用 　參考文獻 第3章　多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)分析 　3.1　剛體運動的速度描述方法 　3.2　機械臂的速度與各關(guān)節(jié)速度的關(guān)系 　　3.2.1　雅可比矩陣的描述 　　3.2.2　雅可比矩陣的求解 　3.3　機械臂的速度和加速度分析 　　3.3.1　速度分析 　　3.3.2　加速度分析 　　3.3.3　機械臂的路徑描述與運動軌跡規(guī)劃 　3.4　機械結(jié)構(gòu)的動力學(xué)方程：牛頓—歐拉動力學(xué)方程 　3.5　多剛體系的動力學(xué)方程：拉格朗日動力學(xué)方程 　參考文獻 第4章　機械臂運動學(xué)和動力學(xué)分析實例 　4.1　平面三自由度機械臂動力學(xué)分析 　　4.1.1　三自由度模塊化機器人正向運動學(xué)分析 　　4.1.2　三自由度模塊化機器人逆向運動學(xué)分析 　　4.1.3　機械臂機構(gòu)系統(tǒng)的靜力學(xué)分析 　　4.1.4　模塊化三自由度機械臂的動力學(xué)分析 　　4.1.5　機器人動力學(xué)模型的物理特征 　4.2　點焊機器人動力學(xué)分析 　　4.2.1　點焊機器人機構(gòu)運動學(xué)分析 　　4.2.2　確定桿系的慣性參數(shù) 　　4.2.3　機器人動力學(xué)方程的建立及其求解 　　4.2.4　動力學(xué)計算 　參考文獻 第5章　多剛體系統(tǒng)的控制方法 　5.1　PID控制的基本思想 　5.2　機械手的位置控制 　　5.2.1　利用逆運動學(xué)和關(guān)節(jié)力矩的控制方法 　　5.2.2　基于靜力學(xué)關(guān)系式的控制方法 　5.3　機械手的動態(tài)控制 　5.4　基于反饋控制策略的主從機械臂同步控制 　　5.4.1　主從機械臂同步控制的動力學(xué)方程 　　5.4.2　主從式平面三自由度機械臂的動力學(xué)方程 　　5.4.3　機械臂同步控制的仿真分析 　參考文獻 第6章　多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運動的控制方法 　6.1　二連桿機構(gòu)控制系統(tǒng)模型的建立 　　6.1.1　OPCL控制器模型和穩(wěn)定性分析 　　6.1.2　二連桿機構(gòu)的動力學(xué)模型 　6.2　二連桿機構(gòu)不同運動形式的仿真 　　6.2.1　仿真條件及仿真步驟 　　6.2.2　單周期運動 　　6.2.3　多周期運動 　　6.2.4　擬周期運動 　　6.2.5　混沌運動 　6.3　非線性參數(shù)估計 　參考文獻 第7章　摩擦對多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運動控制的影響 第8章　多剛體系統(tǒng)的ADAMS分析與仿真 第9章　多柔體系統(tǒng)動力學(xué)分析與仿真 附錄　機構(gòu)的慣性參數(shù)計算

章節(jié)摘錄

插圖：機械工業(yè)是當前國民經(jīng)濟中的支柱產(chǎn)業(yè)，機械科學(xué)的理論與工程技術(shù)的進步，對機械工業(yè)以及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，起著重要的支撐和推動作用。機械一般符合下面三個特征：它是物體的組合，即便力加到其各個部分也難以使其變形；它必須實現(xiàn)相互的、單一的、規(guī)定的運動；它把施加的能量轉(zhuǎn)化為最有用的形式或轉(zhuǎn)化為有效的機械功。因此，在很大程度上，機械是利用力學(xué)原理而組成的各種裝置，機械工程的理論基礎(chǔ)是力學(xué)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是在微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的帶動下，機械和電子有機結(jié)合，機電一體化得到迅速發(fā)展。機械工程在不斷深化和發(fā)展的基礎(chǔ)上，與系統(tǒng)論、信息論、電子學(xué)、計算機科學(xué)、人工智能等多個學(xué)科進行交叉與融合，呈現(xiàn)出全新的局面。例如，機器人技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。所謂機器人，其實質(zhì)就是可編程的、能執(zhí)行操作作業(yè)或移動動作的自動控制機械系統(tǒng)。對于以機器人為代表的現(xiàn)代機械，機械動力學(xué)的有關(guān)理論與方法占有重要的地位。由于自動調(diào)節(jié)和控制裝置已經(jīng)成為機械不可缺少的組成部分，機械動力學(xué)也相應(yīng)地擴展到包括不同特性的動力機構(gòu)和控制調(diào)節(jié)裝置在內(nèi)的整個機械系統(tǒng)，控制理論也已深入到機械動力學(xué)的研究領(lǐng)域之中。各種模擬理論和方法以及運動和動力參數(shù)的測試方法，日益成為機械動力學(xué)研究的重要手段。以機器人為代表的機械系統(tǒng)，在進行機械動力學(xué)分析時，其主要目的是在已知外力作用下如何確定其真實運動規(guī)律、如何正確分析機械運動過程中各構(gòu)件之間的相互作用、如何進行機械振動分析、如何進行構(gòu)件和機構(gòu)的平衡以及如何進行機構(gòu)分析和綜合等。由此可見，多體動力學(xué)的理論與方法起著十分重要的作用。當前，多體動力學(xué)也是一般力學(xué)研究中最為活躍的領(lǐng)域之一，甚至有些專家和學(xué)者認為，多體系統(tǒng)是對一般機械系統(tǒng)和機電系統(tǒng)的高度概括和總結(jié)。多體動力學(xué)主要是研究多剛體和多柔體系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)特性。以機器人的機械臂為代表的機械系統(tǒng)，進行多體動力學(xué)分析是其重要的研究內(nèi)容，也是進行合理設(shè)計和正確使用的基礎(chǔ)。

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《機械系統(tǒng)多體動力學(xué)分析、控制與仿真》是由科學(xué)出版社出版的。《機械系統(tǒng)多體動力學(xué)分析、控制與仿真》可供機械系統(tǒng)動力學(xué)和機器人學(xué)等專業(yè)的科技人員參考，也可供相關(guān)專業(yè)的教師、研究生及高年級本科生閱讀。

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