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第1章 引言1

1.1什么是机器人1

1.2机器人部件2

1.3机器人的自由度4

1.4机器人分类7

1.4.1串联机器人7

1.4.2并联机器人10

1.4.3缆线驱动并联机器人13

1.5本书的目标和范围16

第2章 运动表示17

2.1空间运动表示17

2.1.1点的位置17

2.1.2刚体的姿态18

2.2刚体的运动30

2.3齐次变换31

2.3.1齐次坐标31

2.3.2齐次变换矩阵32

2.3.3螺旋位移33

2.3.4变换运算34

习题38

第3章 运动学42

3.1简介42

3.2封闭环方法43

3.3并联机器人的运动学分析44

3.3.1机械机构描述44

3.3.2机械臂的几何结构44

3.3.3逆向运动学45

3.3.4正向运动学45

3.3.5仿真47

3.4肩部机械臂的运动学分析48

3.4.1机械机构描述48

3.4.2机械臂的几何结构49

3.4.3逆向运动学50

3.4.4正向运动学51

3.4.5仿真52

3.5 SGP的运动学分析53

3.5.1机械描述53

3.5.2机械臂的几何结构54

3.5.3逆向运动学54

3.5.4正向运动学55

3.5.5仿真61

习题65

第4章 雅可比矩阵：速度和静力74

4.1简介74

4.2角速度与线速度74

4.2.1刚体的角速度74

4.2.2点的线速度76

4.2.3螺旋坐标系77

4.3并联机械臂雅可比矩阵78

4.4速度回路79

4.5并联机械臂的奇异性分析80

4.5.1逆运动学奇异性80

4.5.2正运动学奇异性80

4.5.3混合奇异性81

4.6平面机械臂雅可比矩阵分析81

4.6.1速度回路81

4.6.2奇异性分析83

4.6.3灵敏度分析84

4.7肩部机械臂雅可比矩阵分析85

4.7.1速度回路85

4.7.2奇异性分析87

4.8 SGP雅可比矩阵分析88

4.8.1速度回路88

4.8.2奇异性分析89

4.9并联机械臂的静态力93

4.9.1自由体图解法93

4.9.2虚功法94

4.9.3平面机械臂的静态力95

4.9.4肩部机械臂的静态力96

4.9.5 SGP的静态力97

4.10并联机械臂的刚度分析98

4.10.1刚度和柔度矩阵98

4.10.2变换椭球体99

4.10.3平面机械臂的刚度分析101

4.10.4肩部机械臂的刚度分析102

4.10.5 SGP的刚度分析103

习题105

第5章 动力学111

5.1简介111

5.2刚体的动力学综述112

5.2.1刚体加速度112

5.2.2质量特性114

5.2.3动量和动能115

5.2.4牛顿-欧拉法则116

5.2.5变质量系统117

5.3牛顿-欧拉方程119

5.3.1平面机械臂的动力学方程：质量恒定处理方式119

5.3.2平面机械臂的动力学方程：变质量处理方式127

5.3.3 SGP的动力学方程131

5.3.4封闭式动力学137

5.4虚功方程147

5.4.1 D’Alembert原理147

5.4.2虚功原理148

5.4.3平面机械臂的动力学方程：质量恒定处理方式150

5.4.4公式验证151

5.4.5平面机械臂的动力学方程：变质量处理方式152

5.4.6 SGP动力学方程153

5.5拉格朗日公式155

5.5.1广义坐标155

5.5.2拉格朗日等式第二种形式156

5.5.3拉格朗日等式第一种形式157

5.5.4动力学方程性质158

5.5.5平面机械臂的动力学方程163

5.5.6 SGP的动力学分析169

习题174

第6章 运动控制179

6.1简介179

6.2控制器架构179

6.3工作空间运动控制182

6.3.1分散PD控制182

6.3.2前馈控制183

6.3.3逆动力学模型控制184

6.3.4部分线性化IDC186

6.4鲁棒和自适应控制188

6.4.1鲁棒的逆动力学模型控制188

6.4.2自适应逆动力学模型控制192

6.5关节空间运动控制194

6.5.1关节空间动力学方程194

6.5.2分散PD控制195

6.5.3前馈控制196

6.5.4逆动力学模型控制197

6.6运动控制方法总结198

6.6.1动力学模型199

6.6.2分散PD控制199

6.6.3前馈控制199

6.6.4逆动力学模型控制199

6.6.5部分线性化IDC200

6.6.6鲁棒的逆动力学控制200

6.6.7自适应逆动力学控制200

6.7冗余分解201

6.7.1简介201

6.7.2问题的提出202

6.7.3拉格朗日和Karush-Kuhn-Tucker乘子204

6.7.4迭代求解206

6.8平面机械臂的运动控制209

6.8.1分散PD控制210

6.8.2前馈控制215

6.8.3逆动力学控制218

6.8.4部分线性化IDC222

6.8.5鲁棒IDC控制223

6.8.6自适应IDC控制225

6.8.7关节空间运动控制228

6.9 SGP运动控制229

6.9.1分散PD控制230

6.9.2前馈控制234

6.9.3逆动力学控制236

6.9.4部分线性化IDC240

6.9.5鲁棒IDC241

6.9.6关节空间中的运动控制243

习题255

第7章 力控制261

7.1简介261

7.2控制器方案262

7.2.1串级控制263

7.2.2外环力反馈264

7.2.3内环力反馈265

7.3刚度控制267

7.3.1单自由度刚度控制268

7.3.2通用刚度控制270

7.3.3平面机械臂的刚度控制273

7.3.4 SGP的刚度控制277

7.4直接力控制283

7.4.1平面机械臂的力控制286

7.4.2 SGP的力控制289

7.5阻抗控制296

7.5.1阻抗296

7.5.2阻抗控制的概念298

7.5.3阻抗控制结构300

7.5.4平面机械臂的阻抗控制302

7.5.5 SGP的阻抗控制306

习题311

附录A线性代数319

附录B轨迹规划326

附录C非线性控制331

参考文献335