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出版者:Springer-Verlag New York Inc

作者:Merlet, J.P.

出品人:

页数:413

译者:

出版时间:2005-12

价格:$ 168.37

装帧:HRD

isbn号码:9781402041327

丛书系列:

图书标签:

机器人学
并行机器人
机械工程
控制系统
运动学
动力学
机器人控制
精密制造
自动化
空间机构

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具体描述

Parallel robots are closed-loop mechanisms presenting very good performances in terms of accuracy, velocity, rigidity and ability to manipulate large loads. They have been used in a large number of applications ranging from astronomy to flight simulators and are becoming increasingly popular in the field of machine-tool industry. This book presents a complete synthesis of the latest results on the possible mechanical architectures, analysis and synthesis of this type of mechanism. It is intended to be used by students (with over 150 exercises and numerous internet addresses), researchers (with over 650 references and anonymous ftp access to the code of some algorithms presented in this book) and engineers (for which practical results, mistakes to avoid, and applications are presented). Since the publication of the first edition (2000) there has been an impressive increase in terms of study and use of this kind of structure that are reported in this book. This second edition has been completely overhauled. The initial chapter on kinematics has been split into Inverse Kinematics and Direct Kinematics. A new chapter on calibration was added. The other chapters have also been rewritten to a large extent. The reference section has been updated to include around 45 per cent new works that appeared after the first edition.

《静止之舞：多体系统动力学与控制的艺术》简介在浩瀚的机械工程与机器人技术领域，我们常常被那些在三维空间中优雅移动、精准执行任务的复杂系统所吸引。这些系统，无论是在精密制造的生产线上，还是在探索未知宇宙的深空中，抑或是辅助外科医生进行微创手术，都离不开对多体系统动力学与控制的深刻理解。本书《静止之舞》正是旨在揭示这一核心科学的奥秘，为读者构建一个扎实而全面的知识体系，帮助理解和设计那些能够实现复杂运动轨迹、保持高精度定位并适应动态环境的智能机械。本书并非聚焦于某个特定类型的机器人，而是将视角放宽到更为基础和普适的多体系统动力学理论。这里的“多体”并非单指由独立部件构成的机械臂，更包含了更广泛的意义，例如具有连续变形能力的结构、生物系统中骨骼与肌肉的耦合运动，乃至宏观天体系统的相互作用。核心在于，我们探讨的是多个相互关联的部件如何协同运动，以及如何通过精确的控制来引导它们的行为。第一章：多体系统的建模基础——时空的语言一切精确控制的起点，在于能够准确地描述系统的状态。本章将深入浅出地介绍描述多体系统运动所必需的数学工具。我们将从经典的刚体动力学出发，引入牛顿-欧拉方程，它如同机械世界的“万有引力定律”，揭示了力和力矩如何驱动物体的运动。在此基础上，我们将探讨更具象化的描述方式，例如拉格朗日方程，它以能量的角度来审视系统的动态行为，尤其在处理复杂约束条件下，展现出其优雅与强大。约束是多体系统中无处不在的“规则”。轮子与地面之间的滚动约束，关节处的转动或滑动约束，都极大地影响着系统的自由度。本章将详细阐述不同类型的约束，并介绍如何将其纳入动力学模型，例如使用拉格朗日乘子法或笛卡尔坐标系下的约束方程。理解约束的本质，是避免建模错误、确保系统运动可行性的关键。我们还将触及广义坐标的概念，它允许我们用最少的变量来描述整个系统的构型。例如，一个机械臂的末端执行器位置可以通过其关节角度来唯一确定。选择合适的广义坐标，能够极大地简化模型的复杂性。此外，对于某些特殊的系统，例如柔性体，本章还会介绍一些初步的建模方法，为后续章节中更复杂的动力学分析打下基础。第二章：动力学方程的求解与分析——揭示内在规律建立了多体系统的动力学模型后，我们便进入了对其运动规律进行深入挖掘的阶段。本章将重点介绍求解动力学方程的各种方法，以及如何通过分析这些方程来理解系统的内在特性。对于非线性动力学方程，解析求解往往困难重重。因此，数值积分方法成为我们的重要工具。本章将介绍各种数值积分算法，如欧拉法、龙格-库塔法等，并分析它们的精度、稳定性和计算效率。读者将学习如何根据具体问题的特点选择最合适的数值积分方案，以及如何评估数值解的可靠性。除了直接求解，我们还将探讨如何通过对动力学方程进行分析来获取更多信息。例如，线性化技术可以帮助我们在平衡点附近理解系统的局部动态行为，为设计控制器提供依据。特征值分析可以揭示系统的固有频率和振动模式，对于理解系统的稳定性和响应特性至关重要。本章还将引入状态空间表示法，这是一种强大的工具，能够将高阶动力学方程转化为一组一阶微分方程。状态空间表示法不仅便于数值求解，更在现代控制理论中扮演着核心角色。我们将介绍如何将刚体和多体系统的动力学方程转化为状态空间形式，并讨论其在系统分析中的优势。第三章：控制理论在多体系统中的应用——驾驭运动之舵理解了系统的动力学行为，下一步便是如何精确地控制它。本章将系统地介绍各种先进的控制理论，并着重阐述它们在多体系统控制中的应用。我们将从经典的PID（比例-积分-微分）控制器入手，介绍其基本原理和设计方法。虽然PID控制器简单易懂，但对于复杂的多体系统，其性能可能受到限制。因此，本章将进一步深入到更高级的控制策略。模型预测控制（MPC）将是本章的重点之一。MPC利用系统的动力学模型来预测未来的系统行为，并根据预测结果优化控制输入，以最小化预设的成本函数。MPC的强大之处在于它能够同时处理多目标优化和约束条件，非常适合于多体系统的复杂控制任务，例如轨迹跟踪、避障以及优化能耗。反馈线性化技术是一种强大的非线性控制方法，它能够通过巧妙的反馈设计，将原有的非线性系统转化为一个线性的、易于控制的系统。本章将介绍其基本思想和实现步骤，并探讨其在多体系统中的应用，例如在操作员示教中的应用，允许直接通过示教来生成控制指令。此外，我们还将探讨鲁棒控制和自适应控制。鲁棒控制旨在设计控制器，使其在系统参数不确定或受到外部干扰时仍能保持良好的性能。自适应控制则能够根据系统的实际运行情况，实时调整控制参数，以应对模型变化或环境动态。第四章：先进控制策略与应用案例——挑战与机遇在掌握了基础控制理论后，本章将进一步探讨一些更为前沿和复杂的控制策略，并结合实际应用案例，展示这些理论的强大威力。我们将深入研究最优控制理论，例如LQR（线性二次调节器）和LQI（线性二次积分器），它们能够找到在特定成本函数下最优的控制律。最优控制在许多应用中至关重要，例如在能量效率要求极高的系统中。同时，我们还将介绍基于学习的控制方法，如强化学习。通过让系统与环境进行交互，并从试错中学习，强化学习能够帮助系统掌握复杂的控制策略，甚至在模型未知的情况下也能实现高性能的控制。这将为开发更加智能和自主的机器人系统提供新的思路。本章将通过一系列具体案例来巩固读者对前面章节知识的理解。例如，我们将分析如何在工业机器人中应用模型预测控制来完成高精度装配任务；如何利用反馈线性化来控制具有复杂关节结构的无人机；以及如何利用强化学习来训练机器人完成灵活的抓取和放置操作。通过这些案例，读者将能够直观地感受到理论知识的实际应用价值，并激发他们将所学知识应用于解决实际问题的热情。第五章：仿真与实验验证——理论与实践的桥梁理论模型的正确性以及控制策略的有效性，最终都需要通过仿真和实验来验证。本章将关注仿真工具和实验验证的流程。我们将介绍常用的多体系统仿真软件，例如MATLAB/Simulink、Adams、Gazebo等，并讲解如何利用它们来构建和模拟多体系统。读者将学习如何根据模型类型和仿真需求选择合适的仿真平台，并掌握基本的仿真操作技巧。仿真环境虽然能够提供快速迭代和成本较低的验证途径，但最终的性能评估仍然离不开真实的物理系统。本章将探讨实验验证的流程，包括传感器选型、数据采集、实验设计以及结果分析。我们将强调实验过程中的注意事项，例如如何减小测量误差，以及如何对比仿真结果与实验数据，从而不断优化模型和控制器。此外，本章还会讨论模型参数辨识的重要性。在实际应用中，模型的参数往往难以精确获得，因此需要通过实验数据来辨识模型参数，从而提高模型的准确性。结语《静止之舞：多体系统动力学与控制的艺术》旨在为读者提供一个全面且深入的学习体验。本书不仅仅是一本理论书籍，更是一本实践指南。通过系统化的知识讲解，丰富的数学工具，以及贴近实际的案例分析，我们期望能够帮助读者理解多体系统的内在规律，掌握驾驭复杂机械运动的控制艺术，并最终能够设计出更智能、更高效、更可靠的先进机械系统。无论您是机器人领域的初学者，还是有经验的工程师，亦或是对机械运动充满好奇的研究者，相信本书都能为您带来宝贵的启发与深刻的洞见。