機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)理論與仿真

前言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，機(jī)器人技術(shù)正向著高速度、高精度的方向發(fā)展，這對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能提出了更高的要求，因此如何衡量和優(yōu)化機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。影響機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的因素很多，其中機(jī)構(gòu)的二階影響系數(shù)Hessian矩陣是一個(gè)關(guān)鍵的因素。以前所提出的衡量機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的指標(biāo)都是基于一階Jacobian矩陣的，沒有考慮二階Itessian矩陣對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的影響。本書系統(tǒng)地闡述了一套同時(shí)基于一階Jacobian矩陣和二階IItessian矩陣的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)體系，并對(duì)一系列實(shí)際串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析，闡述了指標(biāo)的具體應(yīng)用及其在衡量和優(yōu)化機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能方面的可行性。本書包含了作者十余年來在機(jī)構(gòu)動(dòng)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(jiǎn)要闡述了數(shù)學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)等基礎(chǔ)理論知識(shí)，為后續(xù)指標(biāo)的論述作了鋪墊；第二篇為性能指標(biāo)篇，系統(tǒng)地闡述了一套機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)，針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)、串聯(lián)機(jī)構(gòu)及平面機(jī)構(gòu)提出了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)；第三篇和第四篇為應(yīng)用篇，利用上述指標(biāo)分別對(duì)一系列的、典型的串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了分析，闡述了指標(biāo)的具體應(yīng)用，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)體動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了指標(biāo)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(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度令我終生受益，我今天的進(jìn)步和取得的成績(jī)與黃老師的教導(dǎo)和關(guān)懷是分不開的。借此機(jī)會(huì)向給予我很多指點(diǎn)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(shí)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(qiáng)、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(jì)劃項(xiàng)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(qǐng)專家和讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

如何衡量機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能，優(yōu)化機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一直是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。本書系統(tǒng)地闡述了一套同時(shí)基于一階Jacobian矩陣和二階Hessian矩陣的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)體系，并通過一系列實(shí)際串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能分析，闡述了指標(biāo)的具體應(yīng)用及其在衡量和優(yōu)化機(jī)構(gòu)動(dòng)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(shí)引出性能指標(biāo)的推導(dǎo)過程，并結(jié)合大量的實(shí)例分析闡述了指標(biāo)的應(yīng)用方法，對(duì)于從事機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究的人員具有一定的參考價(jià)值。

作者簡(jiǎn)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(jī)械電子工程博士學(xué)位。研究方向包括：計(jì)算機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、訃算機(jī)圖像處理等。在國(guó)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(xiàn)第2章  運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)的理論及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析    2.1  運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)的概念    2.2  串聯(lián)開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)影響系數(shù)及運(yùn)動(dòng)分析    2.3  并聯(lián)機(jī)構(gòu)影響系數(shù)以及運(yùn)動(dòng)分析    2.4  建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的其他方法    2.5  少自由度并聯(lián)機(jī)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(jī)構(gòu)分析    2.7  具有螺旋副的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析    2.8  機(jī)構(gòu)連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系的建立    2.9  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)    第二篇  機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)理論體系第3章  串聯(lián)開鏈機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)體系    3.1  引言    3.2  串聯(lián)機(jī)構(gòu)速度性能指標(biāo)    3.3  串聯(lián)機(jī)構(gòu)線速度和角速度性能指標(biāo)    3.4  串聯(lián)機(jī)構(gòu)加速度性能指標(biāo)    3.5  串聯(lián)機(jī)構(gòu)線加速度和角加速度性能指標(biāo)    3.6  串聯(lián)機(jī)構(gòu)全域性能指標(biāo)    3.7  串聯(lián)機(jī)構(gòu)全域性能波動(dòng)指標(biāo)    3.8  串聯(lián)機(jī)構(gòu)綜合性能指標(biāo)    3.9  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第4章6  自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)理論    4.1  引言    4.2  6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)加速度的相對(duì)偏差    4.3  6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)線加速度和角加速度相對(duì)偏差    4.4  6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)加速度的全域性能指標(biāo)    4.5  6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)線加速度和角加速度全域性能指標(biāo)    4.6  并聯(lián)機(jī)構(gòu)慣性力的全域性能指標(biāo)    4.7  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第5章  虛設(shè)機(jī)構(gòu)法的論證    5.1  引言    5.2  少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)建立影響系數(shù)矩陣的虛設(shè)機(jī)構(gòu)法    5.3  少自由度并聯(lián)機(jī)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(jī)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(xiàn)第6章  少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)理論    6.1  引言    6.2  少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析    6.3  少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的全域性能指標(biāo)    6.4  少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)力與力矩的指標(biāo)分析    6.5  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第7章  平面機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)體系    7.1  單閉環(huán)平面機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)    7.2  平面3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)    7.3  平面3RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿真    參考文獻(xiàn)    第三篇  串聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能實(shí)例分析與仿真第8章  Stanford機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)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(yàn)證    8.5  機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)分析    8.6  Stanford機(jī)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(xiàn)第9章  Motoman機(jī)器人性能指標(biāo)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(yàn)證    9.5  機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)分析    9.6  機(jī)構(gòu)仿真分析    9.7  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第10章  PUMA260串聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能分析    10.1  引言    10.2  機(jī)構(gòu)連桿坐標(biāo)系建立及連桿參數(shù)分析    10.3  影響系數(shù)法正確性驗(yàn)證    10.4  機(jī)構(gòu)性能分析    10.5  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第11章  LR-Mate機(jī)器人性能指標(biāo)分析與仿真    11.1  引言    11.2  機(jī)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(yàn)證    11.5  機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)分析    11.6  機(jī)構(gòu)仿真分析    11.7  LR-Mate機(jī)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(xiàn)第12章  FANUC M420iA機(jī)器人性能分析    12.1  引言    12.2  空間位置分析    12.3  運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題    12.4  運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題    12.5  機(jī)構(gòu)的影響系數(shù)    12.6  機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析    12.7  FANUC M420iA機(jī)器人仿真系統(tǒng)    12.8  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)    第四篇  并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能分析與仿真第13章  空間雙回路RSSR-SC機(jī)構(gòu)    13.1  引言    13.2  機(jī)構(gòu)位形分析    13.3  影響系數(shù)矩陣    13.4  運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析    13.5  空間雙回路RSSR-SC機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真    13.6  機(jī)構(gòu)的速度、加速度性能分析    13.7  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第14章  3-PRC并聯(lián)機(jī)器人仿真分析    14.1  引言    14.2  3-PRC并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型    14.3  3-PRC并聯(lián)機(jī)器人基礎(chǔ)分析    14.4  3-PRC并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析    14.5  3-PRC并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真    14.6  3-PRC并聯(lián)機(jī)器人實(shí)體仿真    14.7  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第15章  3-RR（RR）R并聯(lián)機(jī)器人仿真分析    15.1  引言    15.2  3-RR（RR）R并聯(lián)機(jī)器人分析    15.3  3-RR（RR）R并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析    15.4  3-RR（RR）R并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真    15.5  3-RR（RR）R并聯(lián)機(jī)器人實(shí)體仿真    15.6  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第16章  2-RUUS機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能分析與仿真    16.1  引言    16.2  機(jī)構(gòu)位形分析    16.3  機(jī)構(gòu)的影響系數(shù)矩陣分析    16.4  機(jī)構(gòu)慣性張量分析    16.5  機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)分析    16.6  2-RUUS機(jī)構(gòu)OpenGL仿真    16.7  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)第17章  4-RR（RR）R并聯(lián)機(jī)構(gòu)的性能指標(biāo)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)分析    17.6  機(jī)構(gòu)的慣性力性能指標(biāo)分析    17.7  4-RR（RR）R機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真    17.8  本章小結(jié)    參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：2.5少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的影響系數(shù)的直接法少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是指自由度為2～5的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。多數(shù)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)分支中含有較多的運(yùn)動(dòng)副，因此其運(yùn)動(dòng)分析是比較困難的，且難以建立起對(duì)應(yīng)的Jacobian矩陣。為解決這個(gè)問題，黃真提出過虛擬機(jī)構(gòu)法，并且應(yīng)用到了許多機(jī)構(gòu)的分析上。虛擬機(jī)構(gòu)法的基本思想是在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的每一個(gè)分支上增加虛擬的運(yùn)動(dòng)副，使所有分支的單自由度運(yùn)動(dòng)副數(shù)目均達(dá)到6個(gè)（機(jī)構(gòu)中多自由度運(yùn)動(dòng)副要用單自由度運(yùn)動(dòng)副代替）。這樣虛擬機(jī)構(gòu)就是一個(gè)6自由度機(jī)構(gòu)，因而可以直接應(yīng)用6自由度機(jī)構(gòu)的影響系數(shù)法去分析。為了保證虛擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果與原機(jī)構(gòu)完全相同，所有虛擬的輸入副的主動(dòng)輸入速度及主動(dòng)輸入加速度都必須是零。利用這種方法求解運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)，特別是當(dāng)機(jī)構(gòu)越復(fù)雜、構(gòu)件數(shù)目越多就越顯出這個(gè)方法的優(yōu)越。但是，由此建立的6自由度虛擬機(jī)構(gòu)的Jacobian矩陣中包含了虛擬運(yùn)動(dòng)副，使Jacokfian矩陣的秩增加，增加了計(jì)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(jī)構(gòu)的直接法，具有較低的秩和較高的計(jì)算效率。

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《機(jī)構(gòu)性能指標(biāo)理論與仿真》是由科學(xué)出版社出版的。

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