Mechanical Design of Robots

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出版者:Mcgraw-Hill (Tx)
作者:Eugene I. Rivin
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:1987-08
价格:USD 59.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9780070529922
丛书系列:
图书标签:
  • mechanical
  • design
  • 机器人学
  • 机械设计
  • 机器人动力学
  • 机器人控制
  • 机械工程
  • 自动化
  • 机器人技术
  • 运动规划
  • 连杆机构
  • 机器人建模
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具体描述

机器人动力学与控制:原理、方法与应用 作者: [此处可填写作者姓名或团队名称] 出版社: [此处可填写出版社名称] 出版日期: [此处可填写出版年份] --- 内容简介 《机器人动力学与控制:原理、方法与应用》是一部全面、深入探讨现代机器人系统核心理论与实践的专著。本书旨在为从事机器人学研究、工程设计、自动化技术开发以及相关领域的高级本科生、研究生和专业工程师提供一个坚实且系统的知识框架。本书聚焦于机器人运动的内在机理、精确建模、高效控制策略以及复杂环境下的智能响应,而非仅仅停留在机械结构的设计层面。 本书共分为四大核心部分,层层递进,系统性地构建起机器人动力学与控制的知识体系。 --- 第一部分:机器人运动学与建模基础(Kinematics and Foundational Modeling) 本部分为后续高级控制理论的学习奠定必要的数学和物理基础。 第1章:空间描述与变换基础 本章详细阐述了机器人在三维空间中的位置、姿态的数学描述方法,包括欧拉角、旋转向量(轴角表示)、四元数以及齐次变换矩阵。重点讲解了变换矩阵的群论性质,为连杆坐标系之间的转换提供严谨的数学工具。 第2章:正运动学与逆运动学 深入讲解了如何利用D-H(Denavit-Hartenberg)参数法建立机器人的运动学模型。详细推导了正运动学(求解末端执行器相对于基座的位姿)的矩阵方程。逆运动学部分,着重分析了解析解的求解条件、限制性(如奇点问题),并系统性地介绍了数值求解方法的迭代策略及其收敛性分析。 第3章:机器人雅可比矩阵与运动约束 雅可比矩阵被视为连接关节空间速度与末端执行器速度的关键桥梁。本章详细推导了雅可比矩阵的解析表达式,探讨了其在速度分析、静力学分析以及运动控制中的核心作用。特别关注了雅可比矩阵的奇异性分析,解释了在何种构型下机器人会丧失某些方向的运动能力。 第4章:拉格朗日动力学建模 本章将视角从运动学提升至动力学层面。采用能量法(拉格朗日方程)对多自由度机器人系统进行系统的动力学建模。推导了机器人的惯性矩阵、科里奥利和向心力项、以及重力项的解析表达式。这是进行高精度轨迹跟踪和力控制的基础。 第5章:牛顿-欧拉动力学建模 与拉格朗日法互补,本章介绍基于牛顿第二定律和欧拉方程的迭代动力学建模方法。该方法特别适用于实时仿真和基于反馈的控制设计,因为它能直接计算出驱动关节所需的瞬时反作用力矩。 --- 第二部分:机器人轨迹规划与路径生成(Trajectory Planning and Path Generation) 本部分关注如何高效、平稳地引导机器人在工作空间中移动,并强调了约束条件的满足。 第6章:点对点运动的插值技术 详细介绍了几种常用的关节空间插值方法,如多项式插值(三次、五次)、梯形速度曲线规划等。重点分析了速度和加速度的连续性约束,以确保机器人运动平稳,减少机械磨损和振动。 第7章:笛卡尔空间轨迹生成 针对任务空间(笛卡尔空间)的精确控制需求,本章探讨了如何通过参数化曲线(如Bézier曲线、B样条)在工作空间中生成光滑的路径。讨论了如何将这些空间路径映射回关节空间,并处理由此产生的速度与时间同步问题。 第8章:避障与环境感知下的路径规划 本章侧重于复杂环境下的运动规划。涵盖了基于图搜索的算法(如A、RRT),以及基于优化的方法(如势场法)。强调了如何将机器人的几何尺寸和动态限制整合到路径搜索算法中,实现实时、安全的路径生成。 --- 第三部分:机器人控制理论与实现(Control Theory and Implementation) 这是本书的核心部分,聚焦于如何设计有效的控制律,使机器人能够精确地跟踪期望的运动或执行期望的力交互。 第9章:经典反馈控制基础 回顾了PID(比例-积分-微分)控制在线性系统中的应用,并将其扩展至单个关节的非线性控制。深入分析了PID控制参数整定(如Ziegler-Nichols法)在机械臂系统中的局限性,特别是面对强耦合和时变负载时的表现。 第10章:基于模型的先进控制方法 详细介绍了解耦控制策略。重点讲解了牛顿-欧拉反馈线性化控制和拉格朗日-欧拉的控制律设计。这些方法通过利用精确的动力学模型,实现对机器人动力学方程的有效补偿,从而达到近乎线性的控制效果。 第11章:鲁棒性与自适应控制 针对模型不确定性(如摩擦、负载变化)对控制性能的影响,本章介绍了先进的鲁棒控制技术,包括滑模控制(SMC)和$mathcal{H}_{infty}$控制的原理及其在机器人系统中的应用,以保证系统在参数波动下的稳定性。同时,引入自适应控制的概念,探讨系统如何在线估计未知参数并实时调整控制增益。 第12章:力/阻抗控制 本章探讨了机器人与环境进行接触交互的控制问题。详细阐述了阻抗控制的设计原理,即建立末端执行器与期望虚拟弹簧阻尼系统的关系,用于实现柔顺操作和精确的力输出。区分了操作空间和关节空间中的力控制实现方式。 --- 第四部分:先进主题与应用扩展(Advanced Topics and Applications) 本部分展望了当前机器人学研究的前沿领域,并将理论应用于实际的复杂系统中。 第13章:分布式与多机器人系统控制 讨论了如何将经典的单体机器人控制理论扩展到具有多个相互作用的执行器或多个协同工作的机器人系统。涵盖了任务分配、一致性算法以及网络拓扑对控制性能的影响。 第14章:参数辨识与摩擦建模 一个准确的控制系统依赖于精确的模型。本章专门介绍了如何利用实验数据,通过回归分析或迭代优化方法,对机器人连杆的质量、惯性参数以及关节摩擦模型(如库仑摩擦、粘滞摩擦)进行精确辨识,为模型参考控制提供准确的输入。 第15章:移动机器人动力学与控制概述 尽管本书主体关注操作臂,但本章简要介绍了差速驱动、阿克曼转向等典型移动平台的基本运动学和特有的非完整约束动力学模型,为研究混合系统控制奠定基础。 --- 本书特色 本书的价值在于其理论的深度与实践的可操作性完美结合。每章后的习题和案例分析都强调了从物理直觉到严格数学证明的转化过程。全书不依赖于特定的商业软件平台,而是侧重于推导控制律所需的核心数学框架,使读者能够独立设计和验证复杂的机器人控制算法。通过学习本书,读者将能够掌握构建高精度、高鲁棒性机器人控制系统的全套工具。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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《Mechanical Design of Robots》这本书如同一个精密的工具箱,为我提供了应对机器人机械设计挑战的各种利器。作者在关于机器人整体布局和结构优化方面的阐述,让我受益匪浅。书中展示了多种不同应用场景下机器人的整体设计方案,并详细分析了它们在空间利用率、重心分布、运动协调性等方面的优劣。我特别欣赏书中关于模块化设计的理念,它强调了通过标准化和可重构的组件来提高机器人的灵活性和可维护性。这让我意识到,一个好的机器人设计,应该是一个能够适应不断变化需求的开放系统。在阅读到关于能量效率和功耗管理的章节时,我更是茅塞顿开。作者深入分析了不同传动方式、驱动电机以及控制策略对机器人整体能耗的影响,并提出了一系列优化设计思路。这对于开发低功耗、长续航的机器人至关重要。书中还涉及了机器人疲劳寿命分析和可靠性工程,作者通过引入故障树分析、可靠性建模等方法,帮助读者理解如何预测和提高机器人的可靠性。这让我认识到,一个真正优秀的机器人,不仅要能完成任务,更要能够长期稳定地运行。这本书不仅传授了知识,更培养了我解决复杂工程问题的能力,让我对未来的机器人设计充满期待。

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阅读《Mechanical Design of Robots》的过程,就像是与一位经验丰富的工程师进行了一场深度对话。这本书以其出色的组织结构和详实的案例,将复杂的机器人机械设计概念变得触手可及。作者在探讨机器人底盘设计时,对轮式、履带式以及腿式等不同移动平台进行了深入的比较分析,详细阐述了各自的优缺点、动力传输方式、悬挂系统设计以及在不同地形下的适应性。这部分内容让我对机器人的移动能力有了更为全面的认识,也为我未来的设计实践提供了宝贵的参考。书中关于传动系统的讲解尤为精彩,作者不仅仅介绍了齿轮、链条、皮带等传统传动方式,还深入探讨了更先进的传动技术,例如静液传动和电传动在机器人应用中的优势。我对书中关于扭矩计算、功率匹配以及传动效率优化的部分印象深刻,这些详细的计算方法让我能够更准确地选择合适的电机和减速器,以满足机器人的性能需求。此外,书中还涉及了机器人结构刚度和稳定性的设计,作者通过引入梁理论、板壳理论以及有限元方法,阐述了如何通过合理的结构布局和材料选择来提高机器人的整体性能。我尤其欣赏书中关于振动分析和减振设计的讨论,这对于提高机器人的运动精度和工作稳定性至关重要。这本书不仅提供了方法论,更提供了实操性的工具和思维模式,让我有信心去应对未来在机器人设计中遇到的各种挑战。

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《Mechanical Design of Robots》这本书就像一位经验丰富的向导,引领我穿越机器人机械设计的复杂迷宫。作者在关于机器人运动学逆解的章节中,提供了多种求解算法,如雅可比法、牛顿法等,并详细分析了它们的收敛性和计算效率。这对于精确控制机器人的末端执行器到达目标位置至关重要。我特别喜欢书中关于机器人路径规划的讨论,作者不仅介绍了全局路径规划算法,如A*算法、Dijkstra算法,还探讨了局部路径规划技术,如人工势场法、向量场直方图法。这让我认识到,一个高效的机器人,不仅要具备精密的运动能力,还要能够智能地规避障碍物,规划出最优的运动轨迹。书中还深入探讨了机器人仿真与实验验证的流程,作者强调了仿真结果与实际实验结果进行对比分析的重要性,并介绍了一系列数据采集和处理技术。这让我明白,设计并非终点,而是不断迭代优化的过程。我最受启发的是书中关于机器人鲁棒性设计的思考,作者如何通过冗余设计、故障诊断和自适应控制等手段,来提高机器人应对不确定性和突发状况的能力。这本书让我对机器人设计有了更深层次的理解,它不仅仅是关于制造,更是关于智慧和可靠性的结合。

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这本《Mechanical Design of Robots》简直是一场视觉与智慧的盛宴,它不仅仅是一本书,更像是一位经验丰富的导师,在我的脑海中绘制出了一幅幅精妙绝伦的机器人机械设计蓝图。从最初的几个章节开始,我就被作者对细节的极致追求所折服。书中关于连杆机构的设计分析,那深入浅出的讲解,配合着清晰明了的图示,让我得以窥见那些隐藏在机器人流畅运动背后的数学原理和几何奥秘。作者并没有止步于理论的阐述,而是紧密结合实际应用,通过大量的案例分析,展示了如何将抽象的理论转化为具体的、可执行的设计方案。我尤其欣赏书中对材料选择和力学分析部分的论述,那些关于应力集中、疲劳寿命的探讨,让我对机器人的可靠性和耐久性有了更深刻的理解。当我翻阅到关于驱动系统设计的章节时,更是惊喜连连。无论是直流电机、步进电机还是伺服电机,书中的分析都鞭辟入里,详细阐述了不同驱动方式的优缺点,以及在特定应用场景下的最佳选择。作者还引入了多种减速器的设计原理,例如谐波减速器和行星减速器,其详尽的建模方法和性能评估标准,为我提供了宝贵的实践指导。甚至是一些看似不起眼的连接件和轴承的选择,书中都给予了充分的关注,这让我意识到,一个成功的机器人设计,往往是无数个细节堆叠而成,容不得半点马虎。这本书的逻辑清晰,循序渐进,即使我之前对机器人机械设计领域了解有限,也能在作者的引导下,逐步建立起系统性的认知框架。它点燃了我对机器人机械设计的热情,让我渴望亲自去尝试、去创造。

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《Mechanical Design of Robots》这本书给我带来的启发,远不止于知识的获取,更在于它培养了我一种精益求精的工匠精神。作者在关于机器人机械结构的可靠性分析和寿命预测方面,进行了极为细致的论述。书中介绍了多种分析方法,如应力集中分析、断裂力学分析以及疲劳寿命预测模型,并结合大量的实验数据,为读者提供了详实的指导。我尤其欣赏书中关于机器人关节磨损和润滑设计的讨论,它让我认识到,即使是微小的摩擦和磨损,也可能对机器人的长期性能产生显著影响。书中还深入探讨了机器人电缆管理和线束设计的关键技术,作者不仅介绍了各种布线方案的优缺点,还详细分析了如何优化线束设计,以避免线缆缠绕、磨损和电磁干扰。这对于保证机器人的稳定运行和延长其使用寿命至关重要。我最受启发的是书中关于机器人故障诊断和维护策略的设计,作者不仅介绍了各种故障检测方法,还详细分析了如何制定有效的维护计划,以最大限度地提高机器人的可用性。这本书的专业性和实用性都令人称道,它为我提供了一个宝贵的知识宝库,让我能够更自信、更有创造力地投入到机器人设计领域。

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《Mechanical Design of Robots》这本书为我打开了一个全新的视野,让我得以窥见机器人机械设计背后那精妙绝伦的逻辑和严谨的工程实践。作者在关于机器人伺服控制系统的设计部分,进行了极为详尽的阐述。从PID控制器到更先进的模糊逻辑控制、神经网络控制,书中都提供了清晰的原理介绍和在机器人应用中的具体实现方法。我尤其被书中关于运动解耦和参数辨识的讨论所吸引,这对于提高机器人的运动精度和响应速度至关重要。书中还深入探讨了机器人驱动系统的功率损耗分析和热管理策略,作者通过详细的计算模型,帮助读者理解如何优化驱动系统设计,以提高能量利用效率并避免过热损坏。这对于延长机器人的使用寿命和保证其稳定性具有重要意义。我印象深刻的是,书中还涉及了机器人本体的动力学建模与仿真,作者通过建立精确的动力学方程,模拟机器人在不同工况下的运动状态,并以此为基础进行优化设计。这让我认识到,一个成功的机器人设计,离不开深入的理论分析和严谨的仿真验证。这本书的专业性和深度都令人赞叹,它为我提供了一个宝贵的知识宝库,让我能够更自信、更有创造力地投入到机器人设计领域。

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《Mechanical Design of Robots》这本书的阅读体验,可以用“沉浸式学习”来形容。作者以一种引人入胜的叙事方式,带领我一步步探索机器人机械设计的奥秘。书中在关于机器人材料科学的应用方面,进行了非常详尽的阐述。从高强度合金到轻质复合材料,作者深入分析了不同材料的力学性能、热学性能以及加工特性,并结合实际应用,给出了选择建议。我特别欣赏书中关于材料疲劳和断裂力学在机器人设计中的应用,这让我能够更准确地评估结构的耐久性,避免潜在的失效风险。书中还详细介绍了焊接、铆接、粘接等常用的机械连接技术,并对各种连接方式的强度、可靠性以及适用范围进行了深入的比较分析。这部分内容对于保证机器人结构的整体性和稳定性至关重要。此外,书中还探讨了机器人噪声与振动的控制,作者通过引入模态分析、传递矩阵法等先进技术,展示了如何识别振动源,并采取有效的减振降噪措施。这让我认识到,一个高品质的机器人,不仅要性能卓越,更要运行平稳、安静。这本书的理论深度和实践指导性都令人称道,它为我勾勒出了一个完整的机器人机械设计知识体系,让我能够以更专业、更系统的视角来审视和开展我的设计工作。

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《Mechanical Design of Robots》这本书带来的启发,远不止于技术层面的知识,更在于它培养了我一种严谨的工程思维方式。在阅读过程中,我惊叹于作者对每个设计环节的细致考量,从最初的概念构思,到最后的原型制造,每一个步骤都充满了对物理规律的尊重和对工程伦理的遵循。书中对关节自由度的分析,不仅仅是罗列数量,而是深入探讨了不同自由度组合对机器人运动能力、灵活性以及控制复杂度的影响,这让我学会了如何在功能需求和实现复杂度之间找到最佳平衡点。当我读到关于末端执行器设计的章节时,我被书中展示的各种创新设计所吸引,无论是用于精密抓取的夹爪,还是用于复杂作业的工具,作者都提供了详尽的设计思路和实现方法。更重要的是,书中并没有仅仅停留在“做什么”,而是深入到“怎么做”的层面,提供了大量的计算公式、仿真方法和验证手段,帮助读者理解设计决策背后的依据。我特别喜欢书中关于仿真技术的讨论,如何利用有限元分析(FEA)等工具来预测结构的受力情况、形变趋势,以及如何通过多体动力学仿真来优化机器人的运动轨迹和能量消耗。这些内容为我打开了一个全新的视角,让我认识到,在实际的机器人设计过程中,理论计算与计算机仿真往往是相辅相成的,缺一不可。这本书不仅仅教会了我设计的方法,更教会了我如何思考,如何批判性地审视每一个设计选择,并为其寻找最坚实的理论和数据支撑。它让我明白了,真正的工程设计,是将科学、技术、艺术融为一体的创造性活动。

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《Mechanical Design of Robots》为我打开了机器人机械设计领域的一扇窗户,它以一种引人入胜的方式,将那些抽象的机械原理变得生动而具体。在书中关于机器人感知与交互部分的论述,我看到了作者对人机工程学和用户体验的深刻理解。书中分析了不同类型的传感器,如视觉传感器、触觉传感器、距离传感器等,并详细介绍了它们在机器人导航、环境感知和目标识别中的应用。我特别喜欢书中关于触觉反馈系统设计的探讨,它让机器人不仅仅是冰冷的机器,更能通过模拟人类触觉,实现更自然、更直观的人机交互。此外,书中还涵盖了机械臂的动力学建模与控制,作者通过拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程等经典方法,详细讲解了如何建立机器人的运动学和动力学模型,并介绍了PID控制、力矩控制等常用控制策略。这部分内容让我对机器人的精准运动和高效执行有了更深入的认识。让我印象深刻的是,书中还提及了机器人安全性设计的重要性,例如碰撞检测、安全区域设置以及紧急停止机制等。这些细节的讨论,体现了作者对生命安全的高度重视,也让我明白,一个优秀的机器人设计,不仅要关注其功能性,更要兼顾其安全性。这本书的深度和广度都超出了我的预期,它为我提供了一个宝贵的知识体系,让我能够更自信地步入机器人设计的广阔天地。

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《Mechanical Design of Robots》这本书以其卓越的组织结构和丰富的案例,为我带来了前所未有的学习体验。作者在关于机器人轻量化设计方面的论述,令我印象深刻。书中详细介绍了各种轻量化设计技术,例如拓扑优化、点阵结构设计以及新型轻质材料的应用,并分析了它们在提高机器人性能和降低能耗方面的作用。我特别欣赏书中关于结构应力分析和疲劳寿命预测的详细讲解,它让我能够更准确地评估设计的可靠性,并避免潜在的失效风险。书中还深入探讨了机器人减速器设计的关键技术,从行星减速器到谐波减速器,作者都提供了详尽的原理分析、结构设计方法和性能评估标准。这对于实现机器人高精度、高刚度的运动至关重要。我最受启发的是书中关于机器人电源管理系统的设计,作者不仅介绍了各种电源方案的优缺点,还详细分析了如何优化电源系统的效率和可靠性。这让我认识到,一个高效的机器人,离不开一个稳定可靠的电源系统。这本书的深度和广度都超出了我的预期,它为我提供了一个完整的机器人机械设计知识体系,让我能够以更专业、更系统的视角来审视和开展我的设计工作。

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