Nonholonomic Manipulators (Springer Tracts in Advanced Robotics) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:W. Chung

出品人:

页数:136

译者:

出版时间:2004-10-15

价格:USD 89.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540221081

丛书系列:

图书标签:

• Nonholonomic motion planning
• Robot control
• Nonlinear control systems
• Robotics
• Mechanical engineering
• Automation
• Mathematical robotics
• Lie groups
• Differential geometry
• Underactuated robots

非完整操纵器的动态与控制：探索运动学与动力学的边界 非完整系统，特别是那些与机器人技术紧密相关的非完整操纵器，代表了现代控制理论与实践中一个富有挑战性且极具吸引力的研究领域。这些系统在本质上受到运动学约束，即它们的瞬时运动速度无法在所有方向上自由选择，从而与完备系统（如自由移动的机械臂）在行为上表现出显著的区别。这种“受限”的自由度，在赋予操纵器独特运动能力的同时，也对传统的控制策略提出了严峻的考验。 非完整操纵器的定义与特性： 一台非完整操纵器通常指的是一个由一系列运动关节组成的机械系统，其运动能力受到一种或多种运动学关系的限制。最典型的例子是轮式机器人，其车轮只能在局部切线方向上滚动，而不能侧向滑动。这意味着，即使在二维平面上，一个轮式机器人的瞬时速度也无法完全自由地在x和y方向上独立控制，而是受到一个关于速度的线性约束。这种约束并非源于动力学效应（如摩擦或惯性），而是直接内嵌于系统的几何结构和运动模式中。 非完整性最直接的表现是，操纵器无法直接达到任意给定的位姿（位置和姿态）。即使是简单的二维平面上的移动，一个非完整系统也无法像一个全驱动的系统那样，直接横向平移。它必须通过一系列精巧的运动序列，如前进、转向、后退、再转向等，来“曲线救国”，最终实现目标位姿的改变。这种“非积分离散性”是理解非完整操纵器行为的关键。 非完整操纵器的挑战与研究热点： 1. 运动学规划与轨迹生成： 由于无法直接到达任意位姿，为非完整操纵器生成有效的、无碰撞的运动轨迹是一个核心难题。传统的路径规划算法，如A、Dijkstra等，通常适用于完备空间，在非完整空间中需要进行大幅修改或结合专门的轨迹生成技术。这涉及到如何利用系统的冗余自由度（例如，在二维平面上，虽然不能直接侧移，但可以通过转向和前进组合实现），以达到目标状态。研究热点包括： 基于几何方法的规划： 利用非完整系统的几何特性，如“占位符”或“控制-流形”等概念，来生成可控的运动。 基于优化的规划： 将轨迹生成问题转化为一个优化问题，通过最小化某种成本函数（如时间、能量、平滑度）来寻找最优轨迹。 基于学习的规划： 利用机器学习技术，如强化学习，让机器人从经验中学习如何规划和执行复杂任务。 2. 动力学建模与控制： 虽然非完整性主要体现在运动学层面，但一旦涉及到实际的运动和控制，动力学效应就变得不可忽视。如何准确地建模一个包含非完整约束的动力学系统，并为其设计鲁棒、高效的控制器，是另一个重要的研究方向。 拉格朗日-爱因斯坦方程的扩展： 将非完整约束引入到经典的拉格朗日或哈密顿力学框架中，形成适合非完整系统的动力学方程。 反馈线性化技术： 尝试通过巧妙的反馈控制来“抵消”非完整性，将非完整系统转化为等效的完备系统，从而可以使用成熟的完备系统控制理论。然而，对于某些非完整系统，全反馈线性化可能不可行。 滑模控制： 利用滑模控制的鲁棒性，来处理系统的不确定性以及非完整性带来的动态变化。 模型预测控制 (MPC)： 结合了系统的动力学模型和未来的预测，MPC能够处理约束条件，并在非完整系统的动态中实现最优控制。 基于能量的方法： 利用系统的能量函数来设计稳定性控制器，确保系统在完成任务后能够稳定下来。 3. 复杂非完整操纵器的研究： 除了基本的轮式机器人，更复杂的非完整操纵器也引起了广泛关注。例如： 多轮式移动平台： 拥有更多驱动轮的平台，其运动学约束可能更为复杂，需要更精密的控制策略。 腿式机器人： 尽管腿式机器人理论上可以实现全向移动，但其步态生成和控制也面临着复杂的动力学约束和非完整性问题，尤其是在动态行走和越障时。 空中机器人（如无人机）： 无人机虽然在三维空间中具有相对高的自由度，但在某些特定任务中（如精确对接、特定姿态保持）也会表现出类似非完整系统的特性。 串联或并联的非完整机构： 将非完整操纵器与标准的串联或并联机器人结合，会产生更为复杂的混合系统，对其控制提出了新的挑战。 4. 感知与导航： 非完整操纵器的感知与导航需要结合其独特的运动能力。例如，在未知环境中，机器人需要通过一系列的运动来探索和构建地图，这需要能够预测其运动范围和可能遇到的障碍。同时，其非完整性也意味着在执行导航任务时，必须考虑其运动轨迹的合法性。 SLAM（同步定位与地图构建）： 在非完整系统的SLAM中，需要考虑运动模型的准确性，以提高定位和地图构建的精度。 视觉伺服： 利用视觉信息来引导非完整操纵器完成任务，需要克服因其运动限制而带来的视觉反馈的复杂性。 5. 应用领域： 非完整操纵器的研究不仅具有重要的理论意义，更在众多实际应用中展现出巨大的潜力，包括： 自动化仓储与物流： 轮式AGV（自动导引车）在仓库内的精确搬运和路径规划。 自主驾驶： 现代自动驾驶汽车本质上就是复杂的非完整系统，其路径规划、泊车、变道等都涉及非完整性的处理。 服务机器人： 在家庭、医院、公共场所等环境中提供服务的机器人，往往需要具备在复杂环境中导航和操作的能力。 特种作业机器人： 如在危险环境（核电站、深海）进行探测、维修的机器人，通常需要具备较强的机动性和适应性。 制造领域： 在某些装配或搬运场景下，使用非完整机器人可以降低成本并提高灵活性。 未来的展望： 随着人工智能、传感器技术和计算能力的飞速发展，非完整操纵器的研究正朝着更加智能化、自主化和高效化的方向迈进。未来的研究将更加关注： 多操纵器协同： 研究多个非完整操纵器之间的协同工作，以完成更复杂的任务。 人机交互： 如何让非完整操纵器更好地与人类协作，例如，理解人类的意图并作出响应。 鲁棒性与适应性： 提高操纵器在不确定环境和突发情况下的鲁棒性和适应性。 能量效率： 在满足任务需求的同时，最大限度地降低能量消耗。 总而言之，非完整操纵器领域是一个跨越了数学、物理、工程和计算机科学的交叉学科。理解和掌握其运动学约束和动力学特性，是设计和控制下一代智能机器人的关键。通过不断的研究和创新，我们正逐步解锁这些“受限”系统的无限潜力，推动机器人技术在更广泛的领域实现突破。

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这本关于非完整性操作器的书简直是为那些想深入理解机器人动力学和控制理论的工程师和研究人员量身定做的。我刚翻开这本书，就被它那种严谨而系统的论述方式深深吸引住了。作者显然对这个领域有着深刻的洞察力，从最基础的约束条件和运动学的建模开始，逐步深入到复杂的非完整性系统的控制策略。特别是关于如何处理那些在传统机器人学中难以解决的“滑移”和“不可达状态”的问题，书中给出的数学工具和算法非常有启发性。我发现，即便是对于一些我已经接触过的概念，作者也能从一个全新的角度进行剖析，让我对这些理论有了更深层次的理解。对于那些希望在移动机器人、特别是轮式机器人路径规划和运动控制方面有所突破的人来说，这本书无疑是一座宝库。它不仅仅是知识的堆砌，更像是一份精妙的路线图，引导读者一步步掌握构建高效、鲁棒的非完整性系统控制器的核心技术。

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这本书的排版和逻辑结构非常清晰，这对于一本涉及如此复杂数学模型的教材来说至关重要。每一章的过渡都处理得非常自然，读者可以清晰地看到从运动学到动力学，再到控制设计的完整推导链条。我注意到作者在介绍新的数学工具时，总是会先用直观的物理意义来解释其作用，然后再引入正式的数学定义。这种“先感性认识，后理性分析”的方法，极大地降低了初次接触非完整性理论的读者的学习门槛。我个人认为，这本书的价值远超一般的参考手册，它更像是一位经验丰富的导师，耐心地引导你穿过理论的迷雾。对于研究生或博士生来说，它几乎可以作为核心课程的指定教材，因为它不仅教会你“做什么”，更重要的是教会你“为什么这么做”，培养的是一种系统性的、基于原理的工程思维。

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我花费了大量时间对比了市面上其他关于机器人动力学的书籍，发现这本关于 Springer Tracts 的专著在对“约束优化”和“非线性反馈”的结合方面做得尤为出色。它没有回避非线性系统的固有难度，反而将其视为创新的机遇。尤其让我感到惊喜的是，书中对虚拟约束和拉格朗日乘子在处理复杂运动限制时的应用进行了深入探讨，这在很多同类书籍中往往是一笔带过。通过对这些高级数学工具的细致阐述，作者展示了如何将原本难以处理的物理约束转化为可解的代数方程组。对于那些希望在机器人运动规划中应用更精妙算法的读者，这本书提供的理论基础是极其坚实的。它要求读者付出努力去消化这些内容，但一旦掌握，你就会发现自己获得了处理一整类复杂机械系统问题的“钥匙”。

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说实话，我原本以为这类高度专业的机械工程读物会读起来非常枯燥，充斥着晦涩难懂的张量分析和微分几何。然而，这本书在保证数学严谨性的前提下，努力地在理论与实际应用之间架起一座桥梁。它并没有仅仅停留在理论推导上，而是花了不少篇幅来探讨不同类型的非完整性系统——比如蛇形机器人或者某些特种车辆——在真实世界中可能遇到的工程挑战。我特别欣赏其中对参数辨识和模型不确定性处理的部分。在实际工程中，我们很少能得到一个完美的模型，如何在这种不确定性下设计出具有足够容错性的控制器，是决定项目成败的关键。这本书提供了详尽的案例分析和仿真结果，使得那些复杂的控制律不再是空中楼阁，而是可以被实际部署的解决方案。对于在工业自动化或高级机械设计领域工作的专业人士来说，这本书的实践指导价值是无可估量的。

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坦率地说，这本书的深度和广度令人印象深刻，但它绝非轻松读物。它要求读者对经典控制理论、线性代数和微积分有扎实的基础。我特别喜欢它在章节末尾设置的那些富有挑战性的思考题和延伸阅读建议，这些都指向了当前研究的前沿方向。这本书的价值在于，它不仅梳理了已有的成熟理论，更像是一份“未完成的待办清单”，鼓励读者去探索那些尚未完全解决的难题。对于已经有一定基础，希望将自己的研究推向一个新高度的资深研究者来说，它提供了必要的理论支撑和前瞻性的视角。它不是一本速成手册，而是一份需要长期研读、时常回顾的经典著作，每一次重读都能发现新的洞见，这才是真正优秀学术专著的标志。

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