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第1章 绪论 1

1.1 运动的基本概念与分类 1

1.2 运动控制系统的组成和分类 2

1.3 运动控制系统的特点 4

1.4 小结 5

习题 5

第2章 运动机构分析 6

2.1 运动副 6

2.2 基座固定的运动 9

2.3 无基座的运动 10

2.3.1 轮式移动机构 10

2.3.2 履带式移动机构 12

2.3.3 混合越障式移动机构 14

2.3.4 腿式移动机构 14

2.3.5 地面爬行机构 15

2.3.6 爬壁机构 15

2.4 水下运动 16

2.5 空中运动 16

2.6 随动运动机构 17

2.7 传动机构 18

2.7.1 减速方式 18

2.7.2 滚珠丝杠 20

2.7.3 链条和皮带传动 22

2.7.4 多连杆机构 22

2.7.5 制动器 22

2.7.6 联轴器 23

2.7.7 齿轮传动 24

2.8 运动机构的串并联与开闭链 25

2.8.1 开闭链机构 25

2.8.2 串联机构 26

2.8.3 并联机构 26

2.9 人体的骨骼运动 27

2.10 运动机构的性能 28

2.11 仿生机构设计案例 28

2.11.1 4连杆仿生膝关节机构优化设计 28

2.11.2 气动肌肉仿生关节机构模型 31

2.11.3 关节机构优化设计仿真 34

2.12 量子运动 39

2.13 小结 40

习题 40

第3章 运动学和动力学建模 41

3.1 基本术语 41

3.1.1 完整系统和非完整系统 41

3.1.2 保守力和非保守力 41

3.1.3 广义坐标 41

3.1.4 刚体与柔性体 42

3.1.5 直角坐标系 42

3.1.6 圆柱坐标系 42

3.1.7 球坐标系 43

3.1.8 固定坐标系与移动坐标系 43

3.2 运动学建模 43

3.2.1 坐标变换 43

3.2.2 D-H参数 45

3.2.3 位置运动学分析 49

3.2.4 速度运动学分析 53

3.3 动力学建模 56

3.3.1 动力学建模方法 56

3.3.2 6自由度步行机器人的动力学建模 58

3.4 12自由度步行机器人案例 61

3.4.1 12自由度步行机器人的运动学 61

3.4.2 12自由度步行机器人的动力学 67

3.4.3 步行机器人拉格朗日法动力学 72

3.5 倒立摆案例 79

3.5.1 牛顿-欧拉法倒立摆动力学建模 79

3.5.2 拉格朗日方程法倒立摆动力学建模 81

3.5.3 拉格朗日函数法倒立摆动力学建模 82

3.6 小结 83

习题 83

第4章 运动测量传感器 86

4.1 测量系统的基本组成 86

4.2 常用的运动测量传感器 88

4.2.1 旋转变压器 88

4.2.2 光电传感器 89

4.2.3 脉冲编码器 90

4.2.4 光栅 92

4.2.5 感应同步器 94

4.2.6 磁尺 97

4.2.7 限位开关 100

4.2.8 电位计 100

4.3 运动的避障感知 101

4.3.1 红外传感器 101

4.3.2 超声波传感器 101

4.3.3 激光传感器 103

4.3.4 图像传感器 104

4.4 全局运动检测 105

4.4.1 GPS定位 105

4.4.2 陀螺仪 109

4.4.3 电子罗盘 109

4.5 高精密位移检测案例 112

4.6 小结 113

习题 113

第5章 致动方式与驱动器 114

5.1 驱动器的发展 114

5.2 致动方式 115

5.3 伺服电动机驱动器 119

5.3.1 直流伺服电动机结构 120

5.3.2 交流伺服电动机结构 123

5.3.3 直线电动机结构 129

5.3.4 电动机的驱动放大器 130

5.4 液压驱动器 130

5.5 气压驱动器 131

5.6 压电陶瓷驱动器 132

5.7 形状记忆合金驱动器 133

5.7.1 形状记忆合金驱动器模型 133

5.7.2 形状记忆合金丝的应用 135

5.8 人工肌肉驱动器 137

5.8.1 气动肌肉 137

5.8.2 电活性聚合物人工肌肉 139

5.8.3 离子交换膜金属复合材料 140

5.8.4 导电聚合物人工肌肉 140

5.8.5 碳纳米管人工肌肉 141

5.8.6 MR阻尼器 143

5.9 小结 144

习题 144

第6章 伺服电动机模型及控制策略 146

6.1 伺服电动机控制系统概述 146

6.2 直流伺服电动机的稳态特性和控制方式 147

6.2.1 直流伺服电动机工作原理 147

6.2.2 直流伺服电动机的稳态特性 148

6.2.3 直流伺服电动机的控制方法 150

6.2.4 直流伺服电动机的应用案例 154

6.3 旋转磁场与交流伺服电动机控制方式 158

6.3.1 旋转磁场理论 158

6.3.2 幅值控制方式 160

6.3.3 相位控制方式 160

6.3.4 幅值-相位控制方式 161

6.3.5 双相控制方式 162

6.4 交流异步伺服电动机运行剖析 162

6.4.1 交流异步伺服电动机的对称分量分析 162

6.4.2 等效电路和电压方程 164

6.4.3 励磁绕组和控制绕组中的电流方程 166

6.4.4 电磁功率和电磁转矩 167

6.5 交流异步伺服电动机的静态特性 167

6.5.1 交流异步电动机机械特性 167

6.5.2 交流异步电动机调节特性 169

6.5.3 交流和直流伺服电动机的性能比较 170

6.5.4 交流异步伺服电动机的应用案例 171

6.6 永磁同步伺服电动机及其控制 174

6.6.1 永磁同步伺服电动机工作原理 174

6.6.2 永磁同步伺服电动机的数学模型 175

6.6.3 永磁同步伺服电动机的稳态性能 184

6.6.4 永磁同步伺服电动机的控制策略概述 187

6.6.5 永磁同步伺服电动机的矢量控制策略分析 188

6.7 伺服电动机发展趋势 192

6.8 小结 193

习题 194

第7章 运动控制算法设计与仿真 197

7.1 运动控制对象建模 197

7.1.1 运动控制对象的传递函数 197

7.1.2 运动控制对象的状态空间 200

7.1.3 运动负载分析 202

7.2 常用伺服控制策略 203

7.2.1 运动伺服控制策略概述 203

7.2.2 伺服运动控制系统的采样周期 206

7.2.3 采样周期T对运动控制器的影响 208

7.3 PID控制算法剖析 209

7.4 滑模变结构控制基本原理 216

7.5 永磁同步伺服电动机的控制系统设计 218

7.5.1 PMSM伺服系统设计 218

7.5.2 PMSM驱动控制设计 223

7.5.3 PMSM控制算法设计算例 227

7.5.4 PMSM控制系统仿真分析 232

7.6 复杂运动控制算法案例分析 236

7.6.1 双腿行走机器人的迭代学习运动控制 236

7.6.2 仿生膝关节的力矩控制算法案例分析 237

7.6.3 倒立摆的最优控制器设计 239

7.7 运动控制系统的虚拟样机控制联合仿真 241

7.8 小结 244

习题 245

第8章 运动控制器的硬件和软件 246

8.1 运动控制器类型 246

8.1.1 单片机 246

8.1.2 PLC 246

8.1.3 ARM 247

8.1.4 DSP 248

8.1.5 专用控制器 249

8.1.6 工控机 249

8.1.7 通用程序设计语言 251

8.1.8 专用程序设计数控编程 256

8.2 基于微处理器的直流伺服电动机驱动器案例 257

8.3 基于DSP的全数字直流伺服电动机控制系统案例 259

8.4 数控机床运动控制系统 260

8.4.1 数控机床结构 261

8.4.2 数控机床的分类 262

8.4.3 数控机床的工作原理 262

8.4.4 数控机床的坐标系 264

8.4.5 数控插补概述 265

8.4.6 逐点比较插补方法 266

8.4.7 数控机床NC编程 268

8.5 工业机器人控制器案例 274

8.5.1 Staubli工业机器人编程软件 274

8.5.2 工业机器人控制器硬件 276

8.6 操作系统 278

8.7 现场总线 280

8.7.1 现场总线的发展现状 280

8.7.2 CAN总线简介 280

8.7.3 基于CAN总线的分布式跟随运动控制系统 281

8.8 小结 283

习题 283

第9章 柔性体建模与柔顺运动控制 285

9.1 柔性体建模 285

9.1.1 柔性机构 285

9.1.2 机器臂刚柔耦合动力学建模 285

9.1.3 柔性机器臂参数及形函数矩阵 288

9.1.4 柔性机械臂运动仿真 288

9.2 柔顺运动控制 291

9.2.1 力／位混合控制 291

9.2.2 阻抗控制 292

9.3 柔顺控制案例 297

9.3.1 阻抗控制仿真 297

9.3.2 自适应阻抗控制仿真 299

9.4 小结 301

习题 301

第10章 案例分析 302

10.1 永磁同步伺服电动机的DSP控制电路 302

10.1.1 主回路电路 302

10.1.2 检测电路 303

10.1.3 保护电路 304

10.1.4 驱动电路 306

10.1.5 LCD显示电路 307

10.1.6 电源设计 307

10.2 焊接机器人控制系统 307

10.3 集控式足球机器人控制系统 313

10.4 湖水环境自主监测船 314

10.4.1 自主监测船结构 314

10.4.2 船体运动控制系统设计 315

10.4.3 自主监测船实验平台 317

10.4.4 自主监测船的导航 317

10.5 腿式机器人的运动控制建模与仿真 319

10.6 智能巡线小车设计 321

10.6.1 智能车整体布局设计 321

10.6.2 摄像头 323

10.6.3 测速编码器 324

10.6.4 开发工具及调试 324

10.7 爬壁机器人控制系统设计 325

10.8 家居安防机器人控制系统设计 328

10.9 计量检测领域运动控制案例 332

10.9.1 三坐标测量机 332

10.9.2 储料罐料位自动测量仪 333

10.9.3 科氏力秤粉体物料计量 334

10.9.4 基于运动控制卡的超声检测控制 336

10.9.5 “计控管”一体化运动控制技术 336

10.10 小结 338

习题 338

参考文献 339