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第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 柔体机器人系统的应用现状 1

1.3 柔体机器人关键技术研究现状 4

1.3.1 柔体机器人的动力学关键技术 4

1.3.2 柔体机器人的主动控制 6

1.4 柔体机器人的研究价值和学术意义 7

第2章 柔体机器人的刚/柔/控耦合模态特性 8

2.1 引言 8

2.2 柔体机器人的动力学/控制器耦合模态分析 9

2.2.1 柔性关节/柔性臂杆系统的力学模型 9

2.2.2 关节控制器作用下的反馈约束特性 10

2.2.3 动态约束的复杂边界条件 10

2.2.4 频域内的模态分析 11

2.2.5 状态空间求解的复模态法 13

2.2.6 数值仿真与分析 16

2.3 柔体机器人的刚/柔耦合模态分析 19

2.3.1 大范围刚体运动时的模态分析 19

2.3.2 数值仿真与分析 20

2.4 多自由度柔体机器人的有限元模态分析 21

2.4.1 虚拟样机技术 21

2.4.2 多柔体系统的有限元分析 22

2.4.3 某型多自由度柔体机器人的模态分析仿真 24

2.5 本章小结 26

第3章 柔体机器人的动力学方程与数值方法 27

3.1 引言 27

3.2 多柔体系统动力学 28

3.2.1 柔体机器人刚/柔/控耦合建模的变分原理 28

3.2.2 单连杆大柔度机器人的动力学模型 34

3.2.3 双连杆大柔度机器人的动力学模型 35

3.3 柔体机器人stiff微分方程的数值方法 37

3.3.1 拉氏空间、哈氏空间与状态空间 37

3.3.2 闭环状态反馈stiff方程的PIM法 40

3.3.3 柔体机器人微分方程PIM法的数值实验 41

3.4 数值仿真与分析 45

3.5 本章小结 48

第4章 柔性关节摩擦和不确定补偿的轨迹控制 49

4.1 引言 49

4.2 柔性关节的动力学模型 50

4.2.1 摩擦环节与预测模型 50

4.2.2 柔性关节的标称力学模型 52

4.2.3 柔性关节的动态不确定力学模型 53

4.3 柔性关节摩擦和不确定项补偿的高精度轨迹控制 54

4.3.1 级联系统的反演鲁棒控制 54

4.3.2 小波神经网络的结构设计 56

4.3.3 动态不确定柔性关节的小波神经—鲁棒复合控制 59

4.3.4 稳定性分析 65

4.4 数值仿真与分析 66

4.5 本章小结 69

第5章 柔体机器人的振动主动控制 70

5.1 引言 70

5.2 微分几何反馈线性化 71

5.2.1 光滑函数、向量场和微分同胚 71

5.2.2 李导数及其相对阶 72

5.2.3 单输入—单输出系统的反馈线性化 73

5.2.4 多输入—多输出系统的反馈线性化 76

5.3 柔体机器人反馈观测的稳定性分析 77

5.3.1 单连杆柔性臂的反馈线性化和稳定性 77

5.3.2 双连杆柔性臂的稳定反馈观测器设计 80

5.4 柔体机器人的全局终端滑模振动鲁棒控制 82

5.5 数值仿真与分析 85

5.6 本章小结 87

第6章 大负载柔体机器人的动力学模型 88

6.1 引言 88

6.2 Kane方法 88

6.2.1 广义速率、偏速度和偏角速度 88

6.2.2 Kane方程的建立 89

6.3 大负载单柔杆的弯曲振动模态分析 89

6.4 大负载单柔杆的运动学分析 95

6.5 大负载单柔杆的动力学建模 96

6.5.1 广义速率、偏速度和偏角速度 96

6.5.2 动力学方程 97

6.6 本章小结 101

第7章 大负载柔体机器人的振动控制 102

7.1 引言 102

7.2 基于奇异摄动的系统分解 102

7.3 滑模变结构控制器设计 103

7.3.1 滑模变结构控制 103

7.3.2 滑模变结构控制器设计 104

7.3.3 抖振问题 105

7.4 最优控制器设计 106

7.4.1 最优控制的数学描述 106

7.5 大负载柔体机器人控制算法 107

7.5.1 混合控制方法 107

7.5.2 状态反馈控制设计 114

7.6 本章小结 118

第8章 柔体机器人接触操作的阻抗控制 119

8.1 引言 119

8.2 阻抗控制算法原理 119

8.2.1 阻抗控制模型 119

8.2.2 目标控制参数性能分析 120

8.3 柔体机器人阻抗控制算法 122

8.4 数值仿真 123

8.4.1 运动空间下的轨迹跟踪 123

8.4.2 接触操作时固定点的力控制 126

8.4.3 接触操作时的接触力控制 126

8.5 本章小结 128

第9章 软接触柔体机器人的关节结构设计 129

9.1 引言 129

9.2 关节功能需求分析 129

9.3 关节阻尼缓冲方法 131

9.3.1 磁流变液 131

9.3.2 阻尼缓冲方法 132

9.4 关节方案设计 132

9.4.1 驱动传动机构设计 133

9.4.2 可控柔性组件设计 135

9.4.3 可控柔性组件 136

9.5 本章小结 137

第10章 软接触柔体机器人的动力学分析 138

10.1 引言 138

10.2 软接触阻尼缓冲任务分析与设计 138

10.3 软接触单关节动力学特性分析 139

10.3.1 z轴直线方向受接触力后的动力学仿真 139

10.3.2 z轴直线和旋转方向受接触力后动力学仿真 141

10.3.3 空间六维方向动力学仿真 142

10.4 软接触柔体机器人的动力学特性仿真分析 145

10.5 本章小结 148

第11章 软接触柔体机器人的动力学模型 150

11.1 引言 150

11.2 基于Kane方法的质点系和刚体系方程 150

11.2.1 质点系下的Kane方程 150

11.2.2 刚体系统的Kane方程 151

11.3 具有可控阻尼的柔体机器人模型 152

11.4 运动学分析 153

11.4.1 广义坐标 153

11.4.2 变换矩阵 154

11.4.3 偏角速度及其导数 154

11.4.4 偏线速度及其导数 155

11.4.5 柔体机器人的运动学方程 156

11.5 动力学分析 157

11.5.1 刚体k的受力分析 157

11.5.2 等效主动力（矩） 158

11.5.3 等效惯性力（矩） 159

11.5.4 柔体机器人的动力学方程 159

11.6 算例仿真 159

11.7 本章小结 161

第12章 软接触柔体机器人的振动控制 163

12.1 引言 163

12.2 微粒群优化算法 163

12.3 基于微粒群优化的软接触柔体机器人抑振策略 167

12.3.1 目标函数的确定 167

12.3.2 算法及参数选择 167

12.3.3 算法终止条件 168

12.3.4 控制具体流程 168

12.4 软接触柔体机器人的PID振动控制 169

12.4.1 控制器的设计 169

12.4.2 参数选择 169

12.5 两种控制方案的仿真对比 170

12.6 本章小结 176

参考文献 177