機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)分析、控制與仿真

前言

航空、航天、車輛、機(jī)器人、精密機(jī)械等領(lǐng)域中的大量機(jī)械系統(tǒng)可被視為由若干個(gè)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(gè)彼此之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體構(gòu)成的系統(tǒng)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)主要研究系統(tǒng)中物體的運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的位置控制需要多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)提供系統(tǒng)狀態(tài)演化規(guī)律，機(jī)器人的力控制需要多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)提供可靠的受力特性求解。人們?cè)诙囿w系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面開(kāi)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(shí)際。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多體系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，其理論研究和工程實(shí)際都對(duì)現(xiàn)有多體系統(tǒng)的理論分析方法提出了越來(lái)越高的要求。特別是多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的理論與分析，需要不斷地進(jìn)行深入研究。本書(shū)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(guó)內(nèi)外在多體系統(tǒng)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法；第3章介紹了多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析方法；第4章以平面三自由度機(jī)械臂為例介紹了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析實(shí)例；第5章介紹了多剛體系統(tǒng)的控制方法，包括PID控制、機(jī)械臂手爪的位置控制、基于反饋控制策略的主從機(jī)械臂同步控制等；第6章介紹了多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制方法，對(duì)二連桿機(jī)構(gòu)的單周期運(yùn)動(dòng)、多周期運(yùn)動(dòng)、擬周期運(yùn)動(dòng)及混沌運(yùn)動(dòng)等不同特征的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了討論；第7章介紹了摩擦對(duì)多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制的影響，對(duì)摩擦的特性和機(jī)理進(jìn)行了分析；第8章對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析，基于ADAMS對(duì)三自由度機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)可視化仿真，并以復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)為例進(jìn)行詳細(xì)分析說(shuō)明；第9章對(duì)多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與仿真進(jìn)行了介紹。本書(shū)得到了教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號(hào)：108037）、機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（編號(hào)：RL0200808）、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：50775028、10402008、50535010）、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃，以及“985”工程科技創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目等多個(gè)項(xiàng)目的支持。本書(shū)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(xiě)和整理，課題組其他成員也對(duì)本書(shū)的出版給予了大力支持，在此表示感謝。

內(nèi)容概要

本書(shū)以機(jī)器人機(jī)械臂為代表，論述了多剛體和剛?cè)峄旌蠙C(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(jī)器人系統(tǒng)為例，對(duì)多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、速度與微運(yùn)動(dòng)、速度和加速度，以及多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的建立、求解和計(jì)算等進(jìn)行了詳細(xì)分析；針對(duì)多剛體系統(tǒng)的控制方法，介紹了PID控制的基本思想、機(jī)械臂手爪的位置控制和基于反饋控制策略的主從機(jī)械臂同步控制等；結(jié)合多剛體系統(tǒng)和剛?cè)峄旌蠙C(jī)械系統(tǒng)的DAE分析與仿真，介紹了基于ADAMS的機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)可視化仿真方法；最后，討論了多柔體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析與仿真方法。書(shū)中附有必要的計(jì)算程序和仿真流程?！　”緯?shū)可供機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和機(jī)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(jí)本科生閱讀。

作者簡(jiǎn)介

韓清凱，1969年3月生，博士。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究所所長(zhǎng)。曾在美國(guó)阿克倫大學(xué)做訪問(wèn)學(xué)者（2009年），在英國(guó)謝菲爾德大學(xué)（2007年）和德國(guó)慕尼黑理工大學(xué)（2001年）進(jìn)行短期合作研究。近年來(lái)，先后承擔(dān)973項(xiàng)目、863項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等多項(xiàng)，發(fā)表論文80余篇，獲得專利2項(xiàng)。入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃.獲教育部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、遼寧省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)、霍英東教育基金會(huì)第十屆高等院校青年教師獎(jiǎng)、遼寧省青年科技獎(jiǎng)等。主要研究方向：非線性振動(dòng)與機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷等。羅忠，1978年4月生，博士。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院講師，機(jī)械電子工程研究所黨支部書(shū)記、副所長(zhǎng)。近年來(lái).先后負(fù)責(zé)或參與973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、遼寧省博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目等多項(xiàng)，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(jiǎng)?wù)拢ㄇ嗄陯徫荒苁郑|北大學(xué)第五屆教師教學(xué)基本功大賽一等獎(jiǎng)等。主要研究方向：機(jī)械動(dòng)力學(xué)與機(jī)器人技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)處理等。

書(shū)籍目錄

前言 第1章　緒論 　1.1　目的和意義 　1.2　機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀 　1.3　機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容 　1.4　本書(shū)主要內(nèi)容 　參考文獻(xiàn) 第2章　多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 　2.1　多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)描述方法 　　2.1.1　機(jī)構(gòu)空間坐標(biāo)的齊次變換 　　2.1.2　機(jī)構(gòu)參數(shù)的D—H定義方法及機(jī)構(gòu)桿系的坐標(biāo)變換 　2.2　機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué) 　2.3　機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析的逆問(wèn)題 　　2.3.1　機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)分析的解析方法 　　2.3.2　機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)分析的數(shù)值方法 　2.4　模塊化三自由度串聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 　　2.4.1　模塊化三自由度串聯(lián)機(jī)器人的D—H參數(shù)定義 　　2.4.2　三自由度模塊化機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 　　2.4.3　模塊化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問(wèn)題分析 　2.5　多體系統(tǒng)的速度與微運(yùn)動(dòng)分析 　　2.5.1　機(jī)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(xiàn) 第3章　多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析 　3.1　剛體運(yùn)動(dòng)的速度描述方法 　3.2　機(jī)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(jī)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(jī)械臂的路徑描述與運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃 　3.4　機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程：牛頓—?dú)W拉動(dòng)力學(xué)方程 　3.5　多剛體系的動(dòng)力學(xué)方程：拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程 　參考文獻(xiàn) 第4章　機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析實(shí)例 　4.1　平面三自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)分析 　　4.1.1　三自由度模塊化機(jī)器人正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 　　4.1.2　三自由度模塊化機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 　　4.1.3　機(jī)械臂機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的靜力學(xué)分析 　　4.1.4　模塊化三自由度機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)分析 　　4.1.5　機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的物理特征 　4.2　點(diǎn)焊機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 　　4.2.1　點(diǎn)焊機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 　　4.2.2　確定桿系的慣性參數(shù) 　　4.2.3　機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的建立及其求解 　　4.2.4　動(dòng)力學(xué)計(jì)算 　參考文獻(xiàn) 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(jī)械手的位置控制 　　5.2.1　利用逆運(yùn)動(dòng)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(jī)械手的動(dòng)態(tài)控制 　5.4　基于反饋控制策略的主從機(jī)械臂同步控制 　　5.4.1　主從機(jī)械臂同步控制的動(dòng)力學(xué)方程 　　5.4.2　主從式平面三自由度機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程 　　5.4.3　機(jī)械臂同步控制的仿真分析 　參考文獻(xiàn) 第6章　多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的控制方法 　6.1　二連桿機(jī)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(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型 　6.2　二連桿機(jī)構(gòu)不同運(yùn)動(dòng)形式的仿真 　　6.2.1　仿真條件及仿真步驟 　　6.2.2　單周期運(yùn)動(dòng) 　　6.2.3　多周期運(yùn)動(dòng) 　　6.2.4　擬周期運(yùn)動(dòng) 　　6.2.5　混沌運(yùn)動(dòng) 　6.3　非線性參數(shù)估計(jì) 　參考文獻(xiàn) 第7章　摩擦對(duì)多剛體系統(tǒng)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)分析與仿真 附錄　機(jī)構(gòu)的慣性參數(shù)計(jì)算

章節(jié)摘錄

插圖：機(jī)械工業(yè)是當(dāng)前國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的支柱產(chǎn)業(yè)，機(jī)械科學(xué)的理論與工程技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)機(jī)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(dòng)作用。機(jī)械一般符合下面三個(gè)特征：它是物體的組合，即便力加到其各個(gè)部分也難以使其變形；它必須實(shí)現(xiàn)相互的、單一的、規(guī)定的運(yùn)動(dòng)；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(jī)械功。因此，在很大程度上，機(jī)械是利用力學(xué)原理而組成的各種裝置，機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的帶動(dòng)下，機(jī)械和電子有機(jī)結(jié)合，機(jī)電一體化得到迅速發(fā)展。機(jī)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(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等多個(gè)學(xué)科進(jìn)行交叉與融合，呈現(xiàn)出全新的局面。例如，機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。所謂機(jī)器人，其實(shí)質(zhì)就是可編程的、能執(zhí)行操作作業(yè)或移動(dòng)動(dòng)作的自動(dòng)控制機(jī)械系統(tǒng)。對(duì)于以機(jī)器人為代表的現(xiàn)代機(jī)械，機(jī)械動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論與方法占有重要的地位。由于自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制裝置已經(jīng)成為機(jī)械不可缺少的組成部分，機(jī)械動(dòng)力學(xué)也相應(yīng)地?cái)U(kuò)展到包括不同特性的動(dòng)力機(jī)構(gòu)和控制調(diào)節(jié)裝置在內(nèi)的整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，控制理論也已深入到機(jī)械動(dòng)力學(xué)的研究領(lǐng)域之中。各種模擬理論和方法以及運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的測(cè)試方法，日益成為機(jī)械動(dòng)力學(xué)研究的重要手段。以機(jī)器人為代表的機(jī)械系統(tǒng)，在進(jìn)行機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，其主要目的是在已知外力作用下如何確定其真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、如何正確分析機(jī)械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各構(gòu)件之間的相互作用、如何進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)分析、如何進(jìn)行構(gòu)件和機(jī)構(gòu)的平衡以及如何進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析和綜合等。由此可見(jiàn)，多體動(dòng)力學(xué)的理論與方法起著十分重要的作用。當(dāng)前，多體動(dòng)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(rèn)為，多體系統(tǒng)是對(duì)一般機(jī)械系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)的高度概括和總結(jié)。多體動(dòng)力學(xué)主要是研究多剛體和多柔體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。以機(jī)器人的機(jī)械臂為代表的機(jī)械系統(tǒng)，進(jìn)行多體動(dòng)力學(xué)分析是其重要的研究?jī)?nèi)容，也是進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和正確使用的基礎(chǔ)。

編輯推薦

《機(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)分析、控制與仿真》是由科學(xué)出版社出版的?！稒C(jī)械系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)分析、控制與仿真》可供機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和機(jī)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(jí)本科生閱讀。

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