定 價(jià):98 元
叢書名:“十三五”國家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目 現(xiàn)代機(jī)械工程系列精品教材
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- 作者:劉辛軍 于靖軍 [英]孔憲文
- 出版時(shí)間:2021/8/1
- ISBN:9787111679912
- 出 版 社:機(jī)械工業(yè)出版社
- 中圖法分類:TP24
- 頁碼:490
- 紙張:
- 版次:
- 開本:16開
本書以經(jīng)典串、并、混聯(lián)機(jī)器人為主要對象,以“設(shè)計(jì)”為主線,沿襲傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)研究的三個(gè)主題——結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué),展開相關(guān)“型”“性”“度”分析及設(shè)計(jì)方面的系統(tǒng)討論。
全書共14章。第1章為緒論。第2章介紹與本書內(nèi)容密切相關(guān)的數(shù)學(xué)知識,包括回顧線性代數(shù)的主要知識點(diǎn),以及闡述線幾何與旋量理論基礎(chǔ)等新內(nèi)容,為后續(xù)各章提供數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。第3章介紹位形空間與剛體運(yùn)動,為后續(xù)各章提供物理基礎(chǔ)。第4章介紹常用機(jī)器人機(jī)構(gòu),為后續(xù)各章提供研究對象。第5、6章主要講述機(jī)器人機(jī)構(gòu)的自由度與運(yùn)動模式分析以及構(gòu)型綜合,屬于機(jī)器人結(jié)構(gòu)學(xué)的研究范疇。第7~10章的內(nèi)容屬于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的研究范疇。第7章是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ),主要介紹常用串、并聯(lián)機(jī)器人位移的正、反解求解方法。第8、9章分別從速度雅可比和運(yùn)動/力交互特性兩個(gè)角度對機(jī)器人的運(yùn)動性能進(jìn)行評價(jià)。第10章簡單介紹了一些有關(guān)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)尺度綜合及優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容。第11、12章分別簡單介紹了機(jī)器人靜力學(xué)(含靜剛度)和動力學(xué)的基礎(chǔ)知識。第13章主要涉及柔性機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的基本內(nèi)容,是對剛體機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)研究內(nèi)容的補(bǔ)充。第14章給出了兩個(gè)綜合設(shè)計(jì)實(shí)例,反映對前述理論方法的應(yīng)用。
本書可作為機(jī)器人相關(guān)專業(yè)的本科高年級學(xué)生及研究生的教材,也可作為相關(guān)科研人員與工程技術(shù)人員的參考用書。
前言
符號表
第1章 緒論…………………………………… 1
1-1 機(jī)器人的起源與發(fā)展 …………………… 1
1-2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的誕生 …………………… 3
1-3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的主要研究內(nèi)容 ………… 5
1-4 章節(jié)安排與內(nèi)容導(dǎo)讀 …………………… 6
習(xí)題……………………………………………… 8
第2章 數(shù)學(xué)基礎(chǔ) …………………………… 9
2-1 坐標(biāo)系與三維向量的運(yùn)算 ……………… 9
2-1-1 坐標(biāo)系與點(diǎn)的坐標(biāo)表示 …………… 9
2-1-2 三維向量及其運(yùn)算………………… 10
2-2 矩陣與線性空間………………………… 12
2-2-1 矩陣及其運(yùn)算……………………… 12
2-2-2 線性空間與線性變換……………… 14
2-2-3 雅可比的概念……………………… 14
2-3 線幾何…………………………………… 15
2-3-1 歐幾里得幾何、射影幾何與齊次坐標(biāo)………15
2-3-2 線矢量……………………………… 16
2-3-3 格拉斯曼線幾何…………………… 18
2-4 旋量與旋量系…………………………… 19
2-4-1 旋量、線矢量與偶量……………… 19
2-4-2 旋量的基本運(yùn)算…………………… 20
2-4-3 旋量系……………………………… 21
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn) ………………………………… 23
習(xí)題 …………………………………………… 24
第3章 位形空間與剛體運(yùn)動 …………… 25
3-1 位形空間………………………………… 25
3-2 剛體位姿的描述………………………… 28
3-3 剛體運(yùn)動與剛體變換…………………… 32
3-3-1 坐標(biāo) (系)映射…………………… 32
3-3-2 典型的剛體運(yùn)動與剛體變換……… 36
3-3-3 復(fù)合變換…………………………… 42
3-3-4 自由矢量的變換…………………… 45
3-4 剛體姿態(tài)的其他描述方法……………… 46
3-41 歐拉角 (Eulerangle) ……………46
3-4-2。要玻歇玻俳 …………………………… 50
3-4-3 等效軸角 ………………………… 52
3-4-4 單位四元數(shù)………………………… 56
3-4-5 不同姿態(tài)描述之間的對比及映射關(guān)系總結(jié)………60
3-5 運(yùn)動旋量與剛體運(yùn)動…………………… 61
3-5-1 基于等效軸角表示的齊次變換推導(dǎo)…………………… 61
3-5-2 螺旋運(yùn)動與螺旋變換……………… 66
3-6 剛體速度………………………………… 70
3-6-1 線速度、角速度的描述及物理意義……………………… 70
3-6-2 剛體速度的描述與速度旋量……… 72
3-7 力旋量…………………………………… 75
3-7-1 力旋量的定義……………………… 75
3-7-2 約束力旋量………………………… 77
3-8 本章小結(jié)………………………………… 79
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn) ………………………………… 80
習(xí)題 …………………………………………… 80
第4章 常用機(jī)器人機(jī)構(gòu) ………………… 84
4-1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的基本組成………………… 84
4-1-1 機(jī)構(gòu)的基本組成元素:構(gòu)件與運(yùn)動副……… 84
4-1-2 運(yùn)動鏈、機(jī)構(gòu)與機(jī)器人…………… 87
4-1-3 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的表示………………… 88
42 機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分類……………………… 90
。椽保场〈(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)………………………… 91
431 手臂機(jī)構(gòu)…………………………… 92
。椽保唱保病∈滞髾C(jī)構(gòu)…………………………… 94
。椽保唱保场C(jī)器人手爪………………………… 97
。椽保础〔ⅲ炻(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu) …………………… 99
45 移動機(jī)器人機(jī)構(gòu) ……………………… 104
Ⅵ 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)
。椽保氮保薄≥喪揭苿訖C(jī)器人機(jī)構(gòu) …………… 105
。椽保氮保病∽闶揭苿訖C(jī)器人機(jī)構(gòu) …………… 107
。椽保丁◎(qū)動、傳動機(jī)構(gòu) ……………………… 110
。椽保丢保薄〕S玫尿(qū)動器 …………………… 110
。椽保丢保病鲃訖C(jī)構(gòu)與機(jī)器人用減速器 …… 111
。椽保贰∨c機(jī)器人機(jī)構(gòu)相關(guān)的性能描述 ……… 114
。椽保浮”菊滦〗Y(jié) ……………………………… 117
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 117
習(xí)題…………………………………………… 118
第5章 自由度與運(yùn)動模式分析 ……… 123
51 與自由度相關(guān)的基本概念 …………… 123
。氮保病∽杂啥扔(jì)算公式 ……………………… 126
53 自由度與過約束分析 ………………… 130
。氮保唱保薄⌒坷碚摰木圖描述方法 ……… 130
。氮保唱保病∽杂啥扰c約束分析 ……………… 136
。氮保础C(jī)器人的運(yùn)動模式 …………………… 144
。氮保椽保薄C(jī)器人位形空間的位移流形
描述 ……………………………… 144
。氮保椽保病∵\(yùn)動模式分析 …………………… 147
。氮保椽保场≥斎脒x取與多運(yùn)動模式機(jī)構(gòu) …… 154
。氮保怠∑娈愇恍 ……………………………… 156
56 本章小結(jié) ……………………………… 158
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 159
習(xí)題…………………………………………… 159
第6章 構(gòu)型綜合 ………………………… 165
。丢保薄(gòu)型綜合方法概述 …………………… 165
。丢保豹保薄∶杜e法 …………………………… 165
。丢保豹保病⊙莼 …………………………… 166
613 組合法 …………………………… 171
。丢保豹保础∵\(yùn)動綜合法 ……………………… 172
615 約束綜合法 ……………………… 172
。丢保豹保丁∑渌椒 ………………………… 173
62 基于圖譜法的構(gòu)型綜合 ……………… 175
。丢保勃保薄】傮w思路和一般步驟 …………… 175
。丢保勃保病(gòu)型綜合實(shí)例 …………………… 180
。丢保场』谛坷碚摰募s束綜合法 ………… 187
。丢保唱保薄∫话悴襟E ………………………… 187
。丢保唱保病(gòu)型綜合舉例 …………………… 188
。丢保础”菊滦〗Y(jié) ……………………………… 195
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 196
習(xí)題…………………………………………… 196
第7章 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)基礎(chǔ)……………… 198
。藩保薄∵\(yùn)動學(xué)分析的主要任務(wù)及意義 ……… 198
。藩保病∥灰品治龅幕驹砼c方法 ………… 199
721 基本原理:閉環(huán)方程 …………… 199
。藩保勃保病』痉椒ǎ航馕龇ㄅc數(shù)值法 …… 201
。藩保场。莫玻葏(shù)法與串聯(lián)機(jī)器人的正運(yùn)動
學(xué)求解 ………………………………… 203
。藩保唱保薄。莫玻葏(shù)法的由來 ……………… 203
。藩保唱保病∏爸米鴺(biāo)系下的 DH參數(shù)法 …… 204
。藩保唱保场∏爸米鴺(biāo)系下的 DH矩陣 ……… 207
。藩保唱保础』诟倪M(jìn)DH參數(shù)法的串聯(lián)機(jī)
器人位移分析 …………………… 209
。藩保唱保怠(biāo)準(zhǔn)DH參數(shù)法與串聯(lián)機(jī)器人
的正向運(yùn)動學(xué)求解 ……………… 212
。藩保础〈(lián)機(jī)器人的位移反解 ……………… 217
。藩保怠〈(lián)機(jī)器人位移求解的指數(shù)積公式 … 223
。藩保氮保薄∥灰普獾闹笖(shù)積公式 ………… 223
。藩保氮保病∥灰品唇獾闹笖(shù)積公式 ………… 229
76 串聯(lián)機(jī)器人的工作空間 ……………… 235
。藩保贰〔⒙(lián)機(jī)器人的位移分析 ……………… 236
771 求解方法概述 …………………… 236
。藩保藩保病〉湫蛯(shí)例分析 …………………… 237
。藩保浮”菊滦〗Y(jié) ……………………………… 250
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 251
習(xí)題…………………………………………… 252
第8章 基于速度雅可比的性能評價(jià) … 256
。釜保薄∷俣妊趴杀鹊亩x …………………… 256
。釜保病〈(lián)機(jī)器人速度雅可比的計(jì)算方法 … 258
。釜保勃保薄∥⒎肿儞Q法 ……………………… 258
。釜保勃保病』 PoE公式的求解方法 ……… 261
823 螺旋運(yùn)動方程法 ………………… 265
。釜保勃保础⒖甲鴺(biāo)系的選擇 ……………… 266
。釜保场〔⒙(lián)機(jī)器人速度雅可比的計(jì)算
方法 …………………………………… 267
。釜保唱保薄∥灰品匠讨苯忧髮(dǎo)法 …………… 267
。釜保唱保病⌒糠 …………………………… 268
。釜保础』谒俣妊趴杀鹊臋C(jī)器人奇異性
分析 …………………………………… 270
。釜保椽保薄〈(lián)機(jī)器人的奇異性分析 ……… 270
目 錄Ⅶ
842 并聯(lián)機(jī)器人的奇異性分析 ……… 273
。釜保怠』谒俣妊趴杀鹊臋C(jī)器人靈巧度
分析 …………………………………… 276
。釜保氮保薄l件數(shù) …………………………… 276
852 可操作度與可操作度橢球 ……… 277
。釜保丁”菊滦〗Y(jié) ……………………………… 279
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 279
習(xí)題…………………………………………… 280
第9章 基于運(yùn)動/力交互特性的性能
評價(jià)………………………………… 283
91 運(yùn)動/力傳遞特性……………………… 283
。躬保豹保薄鬟f與約束力旋量的計(jì)算 ……… 284
。躬保豹保病≥斎肱c輸出運(yùn)動旋量的計(jì)算 …… 286
。躬保豹保场∵\(yùn)動與力的傳遞關(guān)系 …………… 289
914 運(yùn)動與力旋量空間 ……………… 290
。躬保病∵\(yùn)動/力傳遞和約束性能評價(jià)指標(biāo)…… 293
921 運(yùn)動/力傳遞性能評價(jià)指標(biāo)……… 293
。躬保勃保病∵\(yùn)動/力約束性能評價(jià)指標(biāo)……… 300
923 綜合分析實(shí)例 …………………… 304
。躬保场』谶\(yùn)動/力傳遞性能的機(jī)構(gòu)奇異性
分析 …………………………………… 308
。躬保唱保薄∑娈悪C(jī)理及分類 ………………… 308
。躬保唱保病』谶\(yùn)動/力傳遞性能的奇異性
分析 ……………………………… 308
94 本章小結(jié) ……………………………… 314
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 315
習(xí)題…………………………………………… 315
第10章 運(yùn)動學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì) ……………… 317
。保蔼保薄煞N常用的運(yùn)動學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法…… 317
。保蔼保豹保薄』谀繕(biāo)函數(shù)的運(yùn)動學(xué)優(yōu)化設(shè)
計(jì)方法 …………………………… 317
1012 基于性能圖譜的運(yùn)動學(xué)優(yōu)化設(shè)
計(jì)方法 …………………………… 320
。保蔼保病C(jī)器人機(jī)構(gòu)的尺度綜合……………… 324
1021 設(shè)計(jì)指標(biāo) ………………………… 324
。保蔼保勃保病∫话懔鞒 ………………………… 326
1023 設(shè)計(jì)實(shí)例 ………………………… 327
。保蔼保场”菊滦〗Y(jié)……………………………… 332
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 333
習(xí)題…………………………………………… 333
第11章 機(jī)器人靜力學(xué)與靜剛度
分析 ……………………………… 335
111 機(jī)器人靜力學(xué)與靜剛度分析的主要
任務(wù)與意義…………………………… 335
。保豹保病§o力平衡方程………………………… 336
。保豹保场§o力雅可比矩陣……………………… 341
。保豹保唱保薄§o力雅可比矩陣的定義 ………… 341
。保豹保唱保病×E球 …………………………… 343
。保豹保唱保场§o力雅可比與速度雅可比之間
的對偶性 ………………………… 345
114 柔度與變形…………………………… 346
。保豹保椽保薄偠扰c柔度 ……………………… 346
。保豹保椽保病』谛坷碚摰目臻g柔度矩陣
建模 ……………………………… 347
。保豹保椽保场∪岫染仃嚨淖鴺(biāo)變換 …………… 348
115 剛性機(jī)器人的靜剛度分析…………… 350
。保豹保氮保薄〈(lián)機(jī)器人的靜剛度映射 ……… 350
。保豹保氮保病〔⒙(lián)機(jī)器人的靜剛度映射 ……… 351
1153 柔度矩陣與力橢球 ……………… 352
。保豹保丁∪嵝詸C(jī)器人的靜剛度分析…………… 353
。保豹保贰”菊滦〗Y(jié)……………………………… 357
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 357
習(xí)題…………………………………………… 358
第12章 機(jī)器人動力學(xué)基礎(chǔ) …………… 361
121 研究機(jī)器人動力學(xué)的目的與意義…… 361
。保勃保病傮w的慣性…………………………… 361
。保勃保场』诶窭嗜辗匠痰臋C(jī)器人動力學(xué)
建模…………………………………… 366
。保勃保唱保薄∫话阗|(zhì)點(diǎn)系的拉格朗日
方程 ……………………………… 366
。保勃保唱保病〈(lián)機(jī)器人的拉格朗日方程 …… 367
1233 基于PoE公式的機(jī)器人動力
學(xué)方程 …………………………… 375
。保勃保础』谂nD歐拉方程的動力學(xué)建模 … 380
。保勃保椽保薄∫话銊傮w的牛頓歐拉方程 …… 380
。保勃保椽保病∏爸米鴺(biāo)系下串聯(lián)機(jī)器人的牛
頓歐拉方程 …………………… 382
。保勃保椽保场『笾米鴺(biāo)系下串聯(lián)機(jī)器人的牛
頓歐拉方程 …………………… 391
。保勃保怠”菊滦〗Y(jié)……………………………… 394
Ⅷ 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 395
習(xí)題…………………………………………… 395
第13章 柔性機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ) ……… 397
131 柔性機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用…………… 397
。保唱保豹保薄∮糜诰芄こ填I(lǐng)域的柔性工
作臺 ……………………………… 398
。保唱保豹保病∪嵝苑律鷻C(jī)器人 ………………… 399
。保唱保病∽杂啥确治觥 403
1321 柔度向自由度的等效映射 ……… 403
。保唱保勃保病』谔卣魅岫染仃嚨淖杂啥
分析 ……………………………… 405
1323 基于圖譜法的自由度分析 ……… 408
。保唱保场D譜化構(gòu)型綜合……………………… 411
134 運(yùn)動學(xué)分析…………………………… 419
。保唱保椽保薄』救嵝詥卧膫蝿傮w模型 …… 419
1342 基于偽剛體模型法的柔性機(jī)器人機(jī)構(gòu)
運(yùn)動學(xué)分析 ……………………… 422
。保唱保怠恿W(xué)分析…………………………… 427
。保唱保氮保薄〕S脛恿W(xué)建模方法概述 ……… 428
。保唱保氮保病』诩袇(shù)法的動力學(xué)
建模 ……………………………… 429
。保唱保氮保场《噍S精密柔性機(jī)器人機(jī)構(gòu)的動力
學(xué)建模 …………………………… 433
。保唱保丁∵B續(xù)體機(jī)器人運(yùn)動學(xué)………………… 435
1361 概述 ……………………………… 435
。保唱保丢保病∵\(yùn)動學(xué)正解 ……………………… 437
1363 運(yùn)動學(xué)反解 ……………………… 444
。保唱保丢保础∷憷(yàn)證 ………………………… 449
1365 工作空間 ………………………… 452
。保唱保贰”菊滦〗Y(jié)……………………………… 454
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 454
習(xí)題…………………………………………… 455
第14章 綜合設(shè)計(jì)實(shí)例 ………………… 458
。保椽保薄∫话阍O(shè)計(jì)流程………………………… 458
。保椽保病(shí)例一:可實(shí)現(xiàn)SCARA運(yùn)動的并聯(lián)
機(jī)器人設(shè)計(jì)…………………………… 460
1421 應(yīng)用背景 ………………………… 460
。保椽保勃保病(gòu)型設(shè)計(jì) ………………………… 460
1423 位移反解 ………………………… 463
。保椽保勃保础⌒阅茉u價(jià) ………………………… 465
。保椽保勃保怠』谛阅軋D譜的尺度綜合 ……… 467
。保椽保勃保丁訖C(jī)開發(fā)與性能測試 …………… 469
。保椽保场(shí)例二:大行程XY柔性納米定位
平臺的設(shè)計(jì)…………………………… 469
。保椽保唱保薄(yīng)用背景及性能指標(biāo) …………… 469
。保椽保唱保病(gòu)型設(shè)計(jì) ………………………… 470
。保椽保唱保场(shù)設(shè)計(jì) ………………………… 474
1434 樣機(jī)設(shè)計(jì) ………………………… 485
。保椽保础”菊滦〗Y(jié)……………………………… 487
擴(kuò)展閱讀文獻(xiàn)………………………………… 487
習(xí)題…………………………………………… 488
參考文獻(xiàn) ……………………………………… 490