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出版者:

作者:徐衡 编

出品人:

页数:247

译者:

出版时间:2006-8

价格:25.00元

装帧:

isbn号码:9787811044027

丛书系列:

图书标签:

• 数控机床
• 故障诊断
• 维修技术
• 机械制造
• 工业自动化
• 数控技术
• 故障排除
• 精密制造
• 机床维修
• 生产设备

机器人动力学与控制系统设计 作者： [此处可填写作者名，例如：张伟、李明] 出版社： [此处可填写出版社名，例如：机械工业出版社、清华大学出版社] ISBN： [此处可填写ISBN号] --- 图书内容概述 本书聚焦于现代机器人系统设计与控制领域的前沿理论与工程实践。它系统性地阐述了机器人动力学建模、高性能控制器设计及其在复杂工业环境中的应用。全书结构严谨，内容深入浅出，旨在为从事机器人学、自动化工程、机电一体化等领域的科研人员、工程师和高年级本科生、研究生提供一本全面且实用的参考教材。 第一部分：机器人动力学基础 本部分是理解机器人行为和实现精确控制的基石。内容从最基本的机械结构描述出发，逐步深入到复杂的动力学建模方法。 1. 机器人运动学回顾与坐标变换： 空间描述与变换： 详细讲解旋转矩阵、欧拉角、齐次变换等在描述机器人连杆位姿中的应用。重点分析了不同坐标系之间的转换策略，确保模型建立的准确性。 正运动学与逆运动学： 阐述了如何通过连杆参数（如DH参数法）推导机器人的位姿方程。逆运动学部分重点讨论了解析解和数值解方法的适用场景及求解技巧，尤其关注多冗余度机械臂的解空间分析。 雅可比矩阵： 深入探讨雅可比矩阵在速度传递和精度分析中的核心作用。详细分析了雅可比矩阵的秩亏损（奇异点）问题，并提供了规避和处理奇异点的方法，如阻抗控制中的局部重构策略。 2. 机器人动力学建模方法： 牛顿-欧拉法（Newton-Euler Formulation）： 侧重于迭代计算，适用于实时控制系统的快速求解。详细推导了沿连杆链的反向和正向迭代过程，并给出了关节力矩与惯性力、重力、科氏力之间的关系式。 拉格朗日法（Lagrange Formulation）： 从能量的角度出发，建立系统的拉格朗日方程，推导出更具全局性的动力学方程。重点讲解如何精确计算动能和势能，以及如何处理约束条件。 复合体法与笛卡尔坐标法： 作为补充，介绍了适用于特定结构（如移动机器人或串联-并联混合系统）的建模技术，便于工程实现中的简化和验证。 系统辨识与参数估计： 讨论了在实际应用中，由于制造误差和材料非线性导致的动力学参数不确定性问题。引入了基于实验数据的系统辨识技术，例如最小二乘法和卡尔曼滤波在参数估计中的应用，以提高模型精度。 第二部分：先进控制理论与算法 本部分将动力学模型转化为实际控制指令，是实现高精度、高鲁棒性性能的关键。 3. 经典控制与反馈线性化： PID控制器的优化： 不仅停留在基本的比例、积分、微分参数整定，更深入探讨了增益调度、自适应PID在不同工作空间对系统响应的优化作用。 基于模型的控制： 重点讲解了输入-输出线性化和状态反馈线性化技术。详细阐述了如何通过选择合适的坐标变换和反馈律，将非线性动力学系统转化为线性系统进行控制，并分析了线性化过程的局限性（如奇异性问题）。 反步法（Backstepping）： 介绍了一种模块化、递推式的非线性控制设计方法。通过分步构造虚拟控制律和李雅普诺夫函数，保证了闭环系统的全局稳定性。对高阶系统的设计流程进行了详尽的实例演示。 4. 鲁棒性与自适应控制： 滑模控制（Sliding Mode Control, SMC）： 针对系统中的不确定性和外部扰动，详细介绍了SMC的设计原理，包括切换函数的设计和到达律的选择。重点分析了抖振现象的成因，并引入了SMC的智能滑模（ITSMC）和高阶滑模（HOSM）技术来抑制抖振，提高控制精度。 自适应控制： 当系统参数（如负载质量、摩擦系数）发生变化时，系统需要自动调整控制器参数。本章详细介绍了基于模型的参数自适应控制（MRAC）和基于误差的自适应控制，包括投影算法和基于Lyapunov的稳定性证明。 5. 轨迹规划与优化控制： 任务空间轨迹规划： 讲解了如何在笛卡尔空间生成平滑、无冲突的路径。包括三次样条插值、多项式插值以及时间最优规划（如Bang-Bang控制的理论基础）。 模型预测控制（MPC）： 作为现代优化控制的核心技术，MPC的应用被深入探讨。详细介绍了MPC的基本结构（预测模型、优化问题、滚动时域），并结合机器人运动学和动力学约束，演示如何解决多约束下的最优控制问题，尤其是在避免碰撞和能量消耗优化方面的应用。 第三部分：高级应用与前沿技术 本部分关注如何将理论模型应用于实际的复杂任务和新兴领域。 6. 接触力控制与人机交互： 阻抗控制（Impedance Control）： 详细分析了阻抗控制在柔顺操作中的作用，推导了基于牛顿-欧拉法的阻抗控制器，并讨论了在不同工况（如打磨、装配）下的参数整定策略。 操作力反馈与混合控制： 介绍了如何融合位置控制和力控制，实现机器人在复杂接触任务中的精确力矩输出。讨论了操作空间（Task Space）与关节空间（Joint Space）之间的混合控制切换机制。 7. 协同操作与多机器人系统： 分布式控制架构： 针对多自由度机械臂或多个机器人协作完成一项任务的场景，提出了基于任务分解和通信网络的分布式控制架构。 一致性理论在机器人网络中的应用： 引入图论和控制理论中的一致性概念，设计控制器使得多个机器人能够同步速度、位置或完成共享任务。 --- 本书特色 1. 理论与工程紧密结合： 每一章节的理论推导后均附有详细的算例和仿真结果，许多算法的伪代码被嵌入到正文中，便于读者直接转化为实际代码。 2. 覆盖面广且深入： 不仅涵盖了机器人动力学的经典方法，还引入了最新的鲁棒控制和优化控制技术，为读者提供了从基础到尖端的完整知识体系。 3. 结构逻辑清晰： 从基础运动学到高级力控制，知识点层层递进，确保初学者能够稳步建立认知，资深工程师也能从中找到深入研究的方向。 目标读者： 机器人研发工程师、自动化设备设计人员、高校机械工程、控制工程专业的高年级学生及研究生。

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