機構(gòu)性能指標理論與仿真

前言

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，機器人技術(shù)正向著高速度、高精度的方向發(fā)展，這對機構(gòu)的動力學(xué)性能提出了更高的要求，因此如何衡量和優(yōu)化機構(gòu)的動力學(xué)性能成為機器人技術(shù)領(lǐng)域的熱點問題。影響機構(gòu)動力學(xué)性能的因素很多，其中機構(gòu)的二階影響系數(shù)Hessian矩陣是一個關(guān)鍵的因素。以前所提出的衡量機構(gòu)動力學(xué)性能的指標都是基于一階Jacobian矩陣的，沒有考慮二階Itessian矩陣對機構(gòu)動力學(xué)性能的影響。本書系統(tǒng)地闡述了一套同時基于一階Jacobian矩陣和二階IItessian矩陣的機構(gòu)動力學(xué)性能指標體系，并對一系列實際串、并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)性能進行分析，闡述了指標的具體應(yīng)用及其在衡量和優(yōu)化機構(gòu)動力學(xué)性能方面的可行性。本書包含了作者十余年來在機構(gòu)動力學(xué)性能研究方面的成果，共包括四篇17章。其中，第一篇為基礎(chǔ)理論篇，簡要闡述了數(shù)學(xué)、機構(gòu)學(xué)等基礎(chǔ)理論知識，為后續(xù)指標的論述作了鋪墊；第二篇為性能指標篇，系統(tǒng)地闡述了一套機構(gòu)動力學(xué)性能指標，針對并聯(lián)機構(gòu)、串聯(lián)機構(gòu)及平面機構(gòu)提出了相應(yīng)的動力學(xué)性能指標；第三篇和第四篇為應(yīng)用篇，利用上述指標分別對一系列的、典型的串聯(lián)機構(gòu)和并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)性能進行了分析，闡述了指標的具體應(yīng)用，并對機構(gòu)進行了實體動力學(xué)仿真，驗證了指標的可行性。在此深深感謝我的啟蒙導(dǎo)師黃真教授。正是黃老師把我?guī)肓诉@一研究領(lǐng)域，黃老師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度令我終生受益，我今天的進步和取得的成績與黃老師的教導(dǎo)和關(guān)懷是分不開的。借此機會向給予我很多指點和幫助的熊有倫院士、加拿大Ryerson大學(xué)的奚風(fēng)豐教授表示深深地感謝。同時也感謝朱思俊、劉爽、王震春、寧淑榮、張微微、杜熊、彭艷敏、劉金科、耿清甲、高永亮、張強、岳闊明、周凱、樊少帥、楊華興、付燕平等學(xué)生多年來給予我的支持與幫助。最后感謝多年來所有給予我支持和幫助的同行和朋友，衷心地謝謝你們！本書還得到黃真教授河北省高層次特別人才支持計劃項目的資助，在此一并致謝。由于作者水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請專家和讀者批評指正。

內(nèi)容概要

如何衡量機構(gòu)的動力學(xué)性能，優(yōu)化機構(gòu)的設(shè)計，一直是機器人技術(shù)領(lǐng)域的一個熱點問題。本書系統(tǒng)地闡述了一套同時基于一階Jacobian矩陣和二階Hessian矩陣的機構(gòu)動力學(xué)性能指標體系，并通過一系列實際串、并聯(lián)機構(gòu)的動力學(xué)性能分析，闡述了指標的具體應(yīng)用及其在衡量和優(yōu)化機構(gòu)動力學(xué)性能方面的可行性。    本書內(nèi)容系統(tǒng)全面，從最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)知識引出性能指標的推導(dǎo)過程，并結(jié)合大量的實例分析闡述了指標的應(yīng)用方法，對于從事機構(gòu)動力學(xué)研究的人員具有一定的參考價值。

作者簡介

郭希娟，女，博士，教授，燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院博上生導(dǎo)師。1983年畢業(yè)于東北師范大學(xué)數(shù)學(xué)系，2002年獲得燕山大學(xué)機械電子工程博士學(xué)位。研究方向包括：計算機器人學(xué)、計算機圖形學(xué)、訃算機圖像處理等。在國內(nèi)外發(fā)表相關(guān)領(lǐng)域的論文100余篇，出版教材4部。

書籍目錄

前言    第一篇  基礎(chǔ)理論第l章  數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論    1.1  不等式的概念及性質(zhì)    1.2  矩陣的概念及性質(zhì)    1.3  李代數(shù)的基本概念    1.4  集合的基本概念及性質(zhì)    1.5  變分法的基本概念及性質(zhì)    參考文獻第2章  運動影響系數(shù)的理論及機構(gòu)運動分析    2.1  運動影響系數(shù)的概念    2.2  串聯(lián)開鏈機構(gòu)的運動影響系數(shù)及運動分析    2.3  并聯(lián)機構(gòu)影響系數(shù)以及運動分析    2.4  建立機構(gòu)運動分析的其他方法    2.5  少自由度并聯(lián)機構(gòu)的影響系數(shù)的直接法    2.6  具有冗余自由度的并聯(lián)機構(gòu)分析    2.7  具有螺旋副的機構(gòu)運動分析    2.8  機構(gòu)連桿參數(shù)及連桿坐標系的建立    2.9  本章小結(jié)    參考文獻    第二篇  機構(gòu)的性能指標理論體系第3章  串聯(lián)開鏈機構(gòu)性能指標體系    3.1  引言    3.2  串聯(lián)機構(gòu)速度性能指標    3.3  串聯(lián)機構(gòu)線速度和角速度性能指標    3.4  串聯(lián)機構(gòu)加速度性能指標    3.5  串聯(lián)機構(gòu)線加速度和角加速度性能指標    3.6  串聯(lián)機構(gòu)全域性能指標    3.7  串聯(lián)機構(gòu)全域性能波動指標    3.8  串聯(lián)機構(gòu)綜合性能指標    3.9  本章小結(jié)    參考文獻第4章6  自由度并聯(lián)機構(gòu)性能指標理論    4.1  引言    4.2  6自由度并聯(lián)機構(gòu)加速度的相對偏差    4.3  6自由度并聯(lián)機構(gòu)線加速度和角加速度相對偏差    4.4  6自由度并聯(lián)機構(gòu)加速度的全域性能指標    4.5  6自由度并聯(lián)機構(gòu)線加速度和角加速度全域性能指標    4.6  并聯(lián)機構(gòu)慣性力的全域性能指標    4.7  本章小結(jié)    參考文獻第5章  虛設(shè)機構(gòu)法的論證    5.1  引言    5.2  少自由度并聯(lián)機構(gòu)建立影響系數(shù)矩陣的虛設(shè)機構(gòu)法    5.3  少自由度并聯(lián)機構(gòu)速度求解的虛擬影響系數(shù)法    5.4  少自由度并聯(lián)機構(gòu)加速度分析虛擬影響系數(shù)法的論證    5.5  本章小結(jié)    參考文獻第6章  少自由度并聯(lián)機構(gòu)性能指標理論    6.1  引言    6.2  少自由度并聯(lián)機構(gòu)運動分析    6.3  少自由度并聯(lián)機構(gòu)運動的全域性能指標    6.4  少自由度并聯(lián)機構(gòu)力與力矩的指標分析    6.5  本章小結(jié)    參考文獻第7章  平面機構(gòu)性能指標體系    7.1  單閉環(huán)平面機構(gòu)性能指標    7.2  平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)性能指標    7.3  平面3RRR并聯(lián)機構(gòu)仿真    參考文獻    第三篇  串聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)性能實例分析與仿真第8章  Stanford機構(gòu)性能指標分析與仿真    8.1  引言    8.2  空間位置分析    8.3  影響系數(shù)矩陣    8.4  影響系數(shù)矩陣正確性驗證    8.5  機構(gòu)性能指標分析    8.6  Stanford機構(gòu)性能仿真分析    8.7  仿真程序流程    8.8  本章小結(jié)    參考文獻第9章  Motoman機器人性能指標分析與仿真    9.1  引言    9.2  空間位置分析    9.3  影響系數(shù)矩陣    9.4  影響系數(shù)矩陣正確性驗證    9.5  機構(gòu)性能指標分析    9.6  機構(gòu)仿真分析    9.7  本章小結(jié)    參考文獻第10章  PUMA260串聯(lián)機構(gòu)的性能分析    10.1  引言    10.2  機構(gòu)連桿坐標系建立及連桿參數(shù)分析    10.3  影響系數(shù)法正確性驗證    10.4  機構(gòu)性能分析    10.5  本章小結(jié)    參考文獻第11章  LR-Mate機器人性能指標分析與仿真    11.1  引言    11.2  機構(gòu)位形分析    11.3  影響系數(shù)矩陣    11.4  影響系數(shù)矩陣正確性驗證    11.5  機構(gòu)性能指標分析    11.6  機構(gòu)仿真分析    11.7  LR-Mate機器人一種同構(gòu)構(gòu)形的性能與仿真分析    11.8  本章小結(jié)    參考文獻第12章  FANUC M420iA機器人性能分析    12.1  引言    12.2  空間位置分析    12.3  運動學(xué)正問題    12.4  運動學(xué)逆問題    12.5  機構(gòu)的影響系數(shù)    12.6  機構(gòu)的運動學(xué)性能分析    12.7  FANUC M420iA機器人仿真系統(tǒng)    12.8  本章小結(jié)    參考文獻    第四篇  并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)性能分析與仿真第13章  空間雙回路RSSR-SC機構(gòu)    13.1  引言    13.2  機構(gòu)位形分析    13.3  影響系數(shù)矩陣    13.4  運動學(xué)性能分析    13.5  空間雙回路RSSR-SC機構(gòu)的動力學(xué)仿真    13.6  機構(gòu)的速度、加速度性能分析    13.7  本章小結(jié)    參考文獻第14章  3-PRC并聯(lián)機器人仿真分析    14.1  引言    14.2  3-PRC并聯(lián)機器人機構(gòu)模型    14.3  3-PRC并聯(lián)機器人基礎(chǔ)分析    14.4  3-PRC并聯(lián)機器人運動學(xué)性能分析    14.5  3-PRC并聯(lián)機器人運動學(xué)仿真    14.6  3-PRC并聯(lián)機器人實體仿真    14.7  本章小結(jié)    參考文獻第15章  3-RR（RR）R并聯(lián)機器人仿真分析    15.1  引言    15.2  3-RR（RR）R并聯(lián)機器人分析    15.3  3-RR（RR）R并聯(lián)機器人運動學(xué)性能分析    15.4  3-RR（RR）R并聯(lián)機器人運動學(xué)仿真    15.5  3-RR（RR）R并聯(lián)機器人實體仿真    15.6  本章小結(jié)    參考文獻第16章  2-RUUS機構(gòu)動力學(xué)性能分析與仿真    16.1  引言    16.2  機構(gòu)位形分析    16.3  機構(gòu)的影響系數(shù)矩陣分析    16.4  機構(gòu)慣性張量分析    16.5  機構(gòu)動力學(xué)性能指標分析    16.6  2-RUUS機構(gòu)OpenGL仿真    16.7  本章小結(jié)    參考文獻第17章  4-RR（RR）R并聯(lián)機構(gòu)的性能指標分析    17.1  引言    17.2  空間位置分析    17.3  一階影響系數(shù)矩陣的建立    17.4  二階影響系數(shù)矩陣的建立    17.5  機構(gòu)的運動學(xué)性能指標分析    17.6  機構(gòu)的慣性力性能指標分析    17.7  4-RR（RR）R機構(gòu)的動力學(xué)仿真    17.8  本章小結(jié)    參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：2.5少自由度并聯(lián)機構(gòu)的影響系數(shù)的直接法少自由度并聯(lián)機構(gòu)是指自由度為2～5的并聯(lián)機構(gòu)。多數(shù)少自由度并聯(lián)機構(gòu)分支中含有較多的運動副，因此其運動分析是比較困難的，且難以建立起對應(yīng)的Jacobian矩陣。為解決這個問題，黃真提出過虛擬機構(gòu)法，并且應(yīng)用到了許多機構(gòu)的分析上。虛擬機構(gòu)法的基本思想是在并聯(lián)機構(gòu)的每一個分支上增加虛擬的運動副，使所有分支的單自由度運動副數(shù)目均達到6個（機構(gòu)中多自由度運動副要用單自由度運動副代替）。這樣虛擬機構(gòu)就是一個6自由度機構(gòu)，因而可以直接應(yīng)用6自由度機構(gòu)的影響系數(shù)法去分析。為了保證虛擬機構(gòu)的運動學(xué)分析結(jié)果與原機構(gòu)完全相同，所有虛擬的輸入副的主動輸入速度及主動輸入加速度都必須是零。利用這種方法求解運動學(xué)的精確性是毋庸置疑的，而且可以廣泛應(yīng)用于各種少自由度機構(gòu)，特別是當機構(gòu)越復(fù)雜、構(gòu)件數(shù)目越多就越顯出這個方法的優(yōu)越。但是，由此建立的6自由度虛擬機構(gòu)的Jacobian矩陣中包含了虛擬運動副，使Jacokfian矩陣的秩增加，增加了計算量。此后，黃真又提出一種新的基于影響系數(shù)并適合少自由度并聯(lián)機構(gòu)的直接法，具有較低的秩和較高的計算效率。

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《機構(gòu)性能指標理論與仿真》是由科學(xué)出版社出版的。

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