柔性机器人 多尺度操作应用PDF电子书下载

第1章 微操作柔性集成结构设计 1

1.1 微操作中柔性结构的设计与控制问题 1

1.1.1 微尺度操作特性 2

1.1.2 可靠性和定位精度 2

1.1.3 微操作站 3

1.1.4 机器人微操作控制相关问题 6

1.2 微机电一体化设计 7

1.2.1 柔性集成结构建模 7

1.2.2 活性传导材料 8

1.2.3 多物理模型 10

1.2.4 微机电结构的优化策略 12

1.3 柔性压电传导结构的综合优化方法示例 15

1.3.1 块方法 15

1.3.2 通用设计方法 16

1.3.3 有限元模型 17

1.3.4 应用示例：柔性集成微抓手设计 17

1.4 小结 18

参考文献 19

第2章 柔性结构的控制表示和显著特性 23

2.1 柔性结构的状态空间表示 23

2.1.1 动态表示 23

2.1.2 模态基的能量守恒模型 24

2.1.3 阻尼特性 25

2.1.4 方程组求解 26

2.1.5 模态基的状态空间表示 26

2.1.6 模态辨识与控制 27

2.2 模态能控性和能观性概念 28

2.2.1 状态能控性与能观性概述 28

2.2.2 柔性结构下的格拉姆矩阵解释 30

2.2.3 模态基的格拉姆矩阵表示 31

2.3 模型降阶 31

2.3.1 均衡实现 31

2.3.2 Moore降阶技术 32

2.3.3 柔性结构的模态和均衡实现等效模态 33

2.4 模态分析准则对拓扑优化的作用 33

2.4.1 模型降阶的实际问题 33

2.4.2 执行器／传感器配置 35

2.4.3 拓扑优化中控制传递函数的频率响应 37

2.4.4 结构优化中的模态能观性判据 37

2.4.5 高控制权限（HAC）／低控制权限（LAC）控制 38

2.5 小结 41

参考文献 42

第3章 柔性结构建模的结构能量法 45

3.1 简介 45

3.2 有限维系统 46

3.2.1 经典能量模型 46

3.2.2 经典网络模型 48

3.2.3 波特-汉密尔顿公式 55

3.3 无限维系统 59

3.3.1 入门示例 59

3.3.2 系统分类 63

3.3.3 无限维狄拉克结构 64

3.3.4 边界控制系统及其稳定性 67

3.4 小结 70

参考文献 70

第4章 柔性微操作机器人的开环控制方法 73

4.1 简介 73

4.2 压电微执行器 73

4.2.1 柔性压电微执行器 73

4.2.2 滞回建模与补偿 75

4.2.3 强阻尼振动系统的建模和补偿 77

4.3 热敏微执行器 81

4.3.1 热敏执行器 81

4.3.2 建模与辨识 83

4.3.3 热执行器的双稳态模块 86

4.3.4 控制 88

4.3.5 数字化微机器人 88

4.4 小结 90

参考文献 90

第5章 多功能灵巧抓手的机械柔性和设计 93

5.1 机器人抓手系统 93

5.1.1 机器人抓手 93

5.1.2 多功能抓取概念 94

5.1.3 灵巧操作概念 95

5.2 驱动架构和弹性元件 98

5.2.1 驱动系统 98

5.2.2 “简单效应”驱动结构中的弹性传动建模 103

5.3 结构柔性 106

5.3.1 柔性关节与精度问题 106

5.3.2 多关节操作的指间关节设计示例 108

5.3.3 可形变接触表面 111

5.4 小结 113

参考文献 113

第6章 多关节灵巧手操作的柔性触觉传感器 116

6.1 简介 116

6.2 作为机器人操作基础的人类灵巧操作 116

6.2.1 人手和手指运动 117

6.2.2 人手的触觉感知 118

6.2.3 机器人灵巧操作触觉感知的功能规范 118

6.3 触觉感知技术 120

6.3.1 电阻式传感器 120

6.3.2 导电聚合物和织物纤维 125

6.3.3 导电弹性体复合材料 127

6.3.4 导电流体 128

6.3.5 电容式传感器 129

6.3.6 压电式传感器 133

6.3.7 光学传感器 134

6.3.8 有机场效应晶体管 136

6.4 传感器解决方案和感知技术的比较 136

6.5 指甲传感器 140

6.5.1 基本描述与工作原理 140

6.5.2 制造过程 141

6.6 从指甲传感器到触觉皮肤 143

6.6.1 柔性指甲传感器阵列 143

6.6.2 尺寸、材料和制造工艺 143

6.6.3 信号寻址管理：大规模阵列和系统集成的挑战 145

6.7 从传感器到人工触摸系统 146

6.7.1 传感器保护和作用力传输 146

6.7.2 基于指甲传感器的纹理分析装置 146

6.8 应用与信号分析 147

6.8.1 表面识别 148

6.8.2 粗糙度估计 150

6.8.3 材料感官分析 150

6.9 小结 151

参考文献 152

第7章 高精度机器手的柔性弯曲 159

7.1 高精度工业机器人应用背景 159

7.1.1 应用 159

7.1.2 高精度与建议解决方案原则之间的约束连接 160

7.1.3 超高精度机器人的几个示例 162

7.2 简单柔性的运动学分析 163

7.2.1 柔性设计 163

7.2.2 基本关节的自由度 163

7.2.3 寄生运动 164

7.2.4 直线挠性和圆形挠性 169

7.3 柔性并行化运动设计方法 170

7.3.1 目的 170

7.3.2 模块化设计方法 171

7.3.3 超高精度概念的应用 172

7.3.4 基于柔性的构件机械设计 172

7.4 Legolas 5型机器人设计示例 173

7.4.1 基于柔性的机械设计 174

7.4.2 Legolas 5型机器人原型 177

7.4.3 超高精度模块化并联机器人系列 177

参考文献 179

第8章 柔性关节串联机器人的建模与运动控制 181

8.1 简介 181

8.2 建模 181

8.2.1 柔性源 181

8.2.2 动态模型 182

8.2.3 动态简化模型特性 184

8.2.4 简化示例分析 185

8.3 辨识 187

8.3.1 基于附加传感器的辨识 188

8.3.2 仅根据电动机测量值进行辨识 190

8.3.3 讨论与开放问题 193

8.4 运动控制 193

8.4.1 奇异摄动法 194

8.4.2 线性化与补偿 196

8.4.3 特殊控制方法 199

8.5 小结 202

参考文献 203

第9章 可形变机械臂的动力学建模 212

9.1 简介 212

9.2 弹性体的Newton-Euler模型 213

9.2.1 应用于刚体的Poincaré方程组：Newton-Euler模型 214

9.2.2 应用于浮动框架下弹性体的Poincaré方程组 217

9.2.3 形变参数化 220

9.3 可形变机械臂的运动学模型 222

9.4 可形变机械臂的动力学模型 224

9.5 示例 225

9.5.1 问题描述 225

9.5.2 受力运动定义 226

9.6 小结 227

参考文献 228

第10章 柔性结构机械手的鲁棒控制 230

10.1 简介 230

10.2 LTI方法论 230

10.2.1 医疗机器人 230

10.2.2 建模与辨识 231

10.2.3 H∞控制 233

10.2.4 线性控制评价 236

10.3 LPV方法论 236

10.3.1 具有两个柔性段的机械手 236

10.3.2 LPV模型辨识 238

10.3.3 LPV系统的分析和综合方法 242

10.3.4 柔性机械手控制应用 246

10.4 小结 250

参考文献 250