第1章 绪论 1
1.1 典型机器人的特性 1
1.2 机器人的其他构型 3
1.3 机器人技术的必要性 8
1.4 并联机器人的定义 8
1.4.1 广义并联机械臂的定义 8
1.4.2 并联机械臂 8
1.4.3 全并联机械臂 9
1.4.4 全并联机械臂分析 9
1.4.4.1 平面机器人 9
1.4.4.2 一般情形 10
1.5 本书内容 11
1.6 练习 12
第2章 机构综合与构型 13
2.1 引言 13
2.2 机构综合方法 14
2.2.1 图论法 14
2.2.2 群论法 14
2.2.2.1 李（Lie）群和位移子群 14
2.2.2.2 子群运动生成器 15
2.2.2.3 基于群论的型综合 15
2.2.3 螺旋法 16
2.2.3.1 螺旋理论基础 16
2.2.3.2 基于螺旋理论的型综合 16
2.2.4 机构综合与其他运动学性能 17
2.2.5 机构综合与不确定性 17
2.2.6 并联机器人的符号 18
2.3 平面机器人 18
2.4 空间运动机器人 19
2.4.1 关节和驱动器 19
2.4.2 并联机器人的分类 20
2.4.3 3自由度机械臂 21
2.4.3.1 平移机械臂 21
2.4.3.2 定向机械臂 24
2.4.3.3 混合自由度机械臂 26
2.4.4 4自由度机械臂 29
2.4.5 5自由度机械臂 31
2.4.6 6自由度机械臂 33
2.4.6.1 UPS链机器人 33
2.4.6.2 PUS链机器人 34
2.4.6.3 RUS链机器人 35
2.4.6.4 混合支链机器人 36
2.4.6.5 3腿机器人 37
2.4.6.6 解耦机器人 41
2.5 冗余机器人 42
2.6 组合式桁架和二元驱动 43
2.7 MEMS和微定位机器人 45
2.8 线机器人 47
2.9 应用实例 49
2.9.1 空间应用 49
2.9.2 振动 50
2.9.3 医疗应用 52
2.9.4 模拟器 54
2.9.5 工业应用 55
2.9.5.1 机床 56
2.9.5.2 定位设备 60
2.9.5.3 其他工业应用 61
2.9.6 其他应用 64
2.10 本书中研究的机器人 65
2.11 练习 65
第3章 逆运动学 67
3.1 逆运动学 67
3.1.1 通用方法 67
3.1.1.1 解析方法 67
3.1.1.2 几何方法 68
3.1.2 实例 68
3.1.2.1 平面机械臂 68
3.1.2.2 3-UPU机械臂 69
3.1.2.3 6-UPS机械臂 69
3.1.2.4 6-PUS机械臂 70
3.1.2.5 6-RUS机械臂 70
3.1.2.6 结论 71
3.1.3 关节坐标的极限值 71
3.2 练习 71
第4章 正运动学 73
4.1 平面机器人 73
4.1.1 4杆机构 73
4.1.2 耦合器曲线和循环数 74
4.1.3 3-RPR机器人的正运动学 74
4.1.3.1 配置模式 75
4.1.3.2 多项式正运动学 75
4.1.3.3 特例 76
4.1.4 其他平面机器人 77
4.2 3平移自由度机器人 77
4.3 6自由度机器人 78
4.3.1 实例分析：TSSM 78
4.3.1.1 配置模式数的上界 78
4.3.1.2 多项式公式 79
4.3.1.3 具有16种配置模式的TSSM例子 80
4.3.2 其他空间机构的分析 82
4.3.2.1 3自由度腕 82
4.3.2.2 MSSM 83
4.3.2.3 6-PUS机器人和Stewart平台 83
4.3.2.4 PPP-3S、 PRR-3S、 PPR-3S机械臂 83
4.3.3 6- UPS机器人的特例 84
4.3.3.1 6-5机械臂 84
4.3.3.2 6-4机械臂 84
4.3.3.3 6-3机械臂 85
4.3.3.4 5-5机械臂 85
4.3.3.5 5-4机械臂 85
4.3.3.6 4-4机械臂 86
4.3.3.7 5点对准机械臂 87
4.3.4 SSM机构 87
4.3.5 一般6- UPS机器人 88
4.3.5.1 最大配置模式数 88
4.3.5.2 求解方法 88
4.3.5.3 具有40个实解的例子 89
4.3.6 小结 89
4.4 求解UPS机器人正运动学的系统方法 90
4.4.1 9腿机械臂 90
4.4.2 7腿和8腿机械臂 91
4.5 结论 92
4.6 快速数值算法 92
4.6.1 牛顿（Newton）法 93
4.6.1.1 原理 93
4.6.1.2 正运动学的实现 93
4.6.1.3 牛顿（Newton）法的缺点和实时性问题 95
4.6.1.4 牛顿（Newton）法的收敛性 95
4.6.1.5 扩展唯一性区域：膨胀方法 96
4.6.2 区间分析法 96
4.6.3 算法效率和计算时间 97
4.6.4 路径跟踪 98
4.7 具有附加传感器的正运动学 98
4.7.1 附加传感器的类型和安装位置 98
4.7.2 传感器的最大数量 99
4.7.2.1 增加角度传感器 99
4.7.2.2 增加位移传感器 99
4.7.2.3 同时增加角度和位移传感器 100
4.7.3 传感器精度和位姿精度的关系 100
4.8 练习 101
第5章 速度、精度和加速度分析 103
5.1 运动学关系 103
5.2 逆雅可比（Jacobian）矩阵 103
5.2.1 欧拉（Euler）角逆雅可比（Jacobian）矩阵 104
5.2.2 逆运动学雅可比（Jacobian）矩阵 105
5.2.2.1 例：平面3-RPR机械臂 105
5.2.2.2 例：3- UPU机械臂 106
5.2.2.3 例：3-PUS旋转腕关节 107
5.2.2.4 例：6- UPS机械臂 107
5.2.2.5 例：6-PUS机械臂 108
5.2.3 逆雅可比（Jacobian）矩阵与普吕克（Plucker）线坐标 108
5.3 雅可比（Jacobian）矩阵 109
5.4 运动静力学性能指标 109
5.4.1 可操作性与运动学多面体 109
5.4.2 条件数和其他指标 110
5.4.2.1 可操作性指标和条件数 110
5.4.2.2 条件数的有效性 112
5.4.2.3 各向同构性 113
5.4.2.4 全局性指标 113
5.4.2.5 其他精度指标 114
5.5 关节速度和旋量计算 114
5.5.1 关节速度计算 114
5.5.2 旋量计算 114
5.6 工作空间中速度极值 115
5.6.1 旋量极值 115
5.6.2 关节速度的极值 116
5.7 加速度分析 116
5.7.1 6-UPS机器人 116
5.7.2 6-PUS机器人 117
5.8 精度分析 117
5.8.1 几何误差 117
5.8.2 热误差 118
5.8.3 重力引起的误差 118
5.8.4 动态误差 118
5.8.5 最差精度位姿 118
5.9 练习 118
第6章 奇异位形 121
6.1 引言 121
6.2 奇异性的影响和分类 121
6.2.1 奇异性和速度 121
6.2.2 奇异性和静力学 122
6.2.3 奇异性和运动学 123
6.2.4 串联奇异性 123
6.3 并联奇异性 124
6.3.1 奇异性的研究动机 124
6.3.2 奇异性分析 124
6.4 格拉斯曼（Grassmann）几何 125
6.4.1 变体和几何形状 126
6.4.2 几何分析实例 127
6.4.2.1 平面3-RPR机械臂 127
6.4.2.2 3-UPU机械臂 128
6.4.2.3 MSSM 129
6.5 与奇异性相关的运动 135
6.5.1 奇异性运动计算 135
6.5.2 瞬时旋转轴计算 136
6.5.3 例：MSSM 136
6.5.3.1 类型3d的构型 136
6.5.3.2 类型5a和5b的构型 136
6.6 奇异性指标 137
6.7 奇异性测试 139
6.8 永久奇异性的机构 140
6.9 无奇异路径规划和工作空间扩大 141
6.10 奇异性和设计 141
6.11 练习 142
第7章 工作空间 144
7.1 工作空间极限、表示和类型 144
7.1.1 不同类型工作空间 144
7.1.2 方位表示 145
7.2 工作空间计算方法 145
7.2.1 几何方法 145
7.2.2 离散化方法 146
7.2.3 数值方法 146
7.3 平面机械臂 147
7.3.1 固定方位工作空间 148
7.3.1.1 关节坐标限制 148
7.3.1.2 被动关节上的机械限制 148
7.3.1.3 腿的干涉 148
7.3.2 方位工作空间 149
7.3.3 灵巧工作空间 149
7.3.4 最大工作空间 150
7.3.5 蕴含方位工作空间 152
7.3.6 全方位工作空间 153
7.4 3-UPU机械臂 154
7.5 6-UPS机械臂 154
7.5.1 固定方位工作空间的横截面 154
7.5.2 3 D固定方位工作空间 156
7.5.2.1 工作空间的面积和体积 156
7.5.2.2 关节的机械限制 157
7.5.2.3 连杆之间的干涉 159
7.5.3 方位工作空间 161
7.5.4 灵巧工作空间 162
7.5.5 最大工作空间 163
7.5.6 机床的工作空间 163
7.5.7 构型比较 164
7.6 工作空间性能指标 165
7.7 轨迹验证 165
7.7.1 线段验证 165
7.7.1.1 连杆长度约束 166
7.7.1.2 关节的机械限制 166
7.7.1.3 实例 167
7.7.2 参数轨迹验证 168
7.8 运动规划 168
7.8.1 全局运动规划 168
7.8.1.1 平面机器人的单元分解法 169
7.8.1.2 空间机器人的单元分解法 170
7.8.1.3 路线图 171
7.8.2 机床运动规划和零件定位 172
7.8.3 全局运动规划方法的展望 172
7.9 练习 173
第8章 静力学分析 174
8.1 力旋量和关节力的关系 174
8.1.1 基本关系 174
8.1.2 力旋量计算 174
8.1.3 关节力计算 174
8.2 最大关节力和最大力旋量 175
8.2.1 位姿上的最大关节力 175
8.2.2 平移工作空间中的最大关节力 175
8.2.3 一般工作空间中的最大关节力 176
8.2.4 位姿上的最大力旋量 176
8.2.5 工作空间中的最大力旋量 177
8.3 力性能指标 178
8.4 并联机器人作为力传感器 179
8.5 刚度和柔性 179
8.5.1 并联机器人的刚度矩阵 179
8.5.1.1 弹性模型 179
8.5.1.2 梁模型 180
8.5.2 被动柔顺与力反馈控制 181
8.5.3 刚度映射 181
8.5.3.1 等刚度映射 181
8.5.3.2 6-UPS机器人的等刚度线 182
8.5.4 工作空间中的刚度极值 184
8.5.5 刚度和设计 184
8.6 静态平衡 185
8.7 练习 185
第9章 动力学 187
9.1 引言 187
9.2 MSSM的逆动力学 188
9.3 6-UPS机械臂动力学 189
9.3.1 假设和符号 189
9.3.2 算法原理 190
9.4 6-PUS机器人动力学 192
9.5 计算时间 193
9.6 实例 193
9.6.1 逆动力学 193
9.6.2 正动力学 194
9.7 练习 195
第10章 标定 196
10.1 引言 196
10.2 标定方法的类型与原理 196
10.2.1 标定原理 196
10.2.2 标定方法的比较 197
10.2.3 标定方法中存在的问题 197
10.3 外部标定 198
10.3.1 外部测量方法分类 198
10.3.2 正运动学标定 198
10.3.3 逆运动学标定 199
10.3.4 固定腿长标定 200
10.3.5 利用其他几何元素的标定 200
10.3.6 解的唯一性 200
10.3.7 能观性 201
10.4 自动标定 201
10.5 机械约束标定 202
10.6 标定位姿计算 202
10.7 练习 203
第11章 设计 204
11.1 引言 204
11.2 减少设计参数的数量 205
11.3 图册法 206
11.4 代价函数法 206
11.5 精确综合法 209
11.5.1 工作空间综合 209
11.5.2 速度综合 210
11.6 参数空间法 211
11.6.1 参数空间 211
11.6.2 原理 211
11.6.3 允许域计算 211
11.6.4 搜索合适的机器人 214
11.6.5 设计实例 214
11.6.6 优点和缺点 214
11.7 其他设计问题 215
11.8 练习 215
第12章 附录：系统求解方法 216
12.1 同伦法 216
12.2 消元法 216
12.3 Grobner基 217
第13章 附录：区间分析法 218
13.1 引言 218
13.2 函数性质和区间估计 219
13.3 通用区间估计算法 219
13.4 一般应用 220
13.4.1 系统求解 220
13.4.2 全局优化 220
13.4.3 线性系统求解 220
13.5 机器人应用 221
13.5.1 工作空间计算 221
13.5.2 奇异性检验 221
13.6 小结 221
第14章 附录：结论 223
参考文献 224