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出版者:Springer-Verlag New York Inc

作者:Merlet, J.P.

出品人:

頁數:413

译者:

出版時間:2005-12

價格:$ 168.37

裝幀:HRD

isbn號碼:9781402041327

叢書系列:

圖書標籤:

機器人學
並行機器人
機械工程
控製係統
運動學
動力學
機器人控製
精密製造
自動化
空間機構

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具體描述

Parallel robots are closed-loop mechanisms presenting very good performances in terms of accuracy, velocity, rigidity and ability to manipulate large loads. They have been used in a large number of applications ranging from astronomy to flight simulators and are becoming increasingly popular in the field of machine-tool industry. This book presents a complete synthesis of the latest results on the possible mechanical architectures, analysis and synthesis of this type of mechanism. It is intended to be used by students (with over 150 exercises and numerous internet addresses), researchers (with over 650 references and anonymous ftp access to the code of some algorithms presented in this book) and engineers (for which practical results, mistakes to avoid, and applications are presented). Since the publication of the first edition (2000) there has been an impressive increase in terms of study and use of this kind of structure that are reported in this book. This second edition has been completely overhauled. The initial chapter on kinematics has been split into Inverse Kinematics and Direct Kinematics. A new chapter on calibration was added. The other chapters have also been rewritten to a large extent. The reference section has been updated to include around 45 per cent new works that appeared after the first edition.

《靜止之舞：多體係統動力學與控製的藝術》簡介在浩瀚的機械工程與機器人技術領域，我們常常被那些在三維空間中優雅移動、精準執行任務的復雜係統所吸引。這些係統，無論是在精密製造的生産綫上，還是在探索未知宇宙的深空中，抑或是輔助外科醫生進行微創手術，都離不開對多體係統動力學與控製的深刻理解。本書《靜止之舞》正是旨在揭示這一核心科學的奧秘，為讀者構建一個紮實而全麵的知識體係，幫助理解和設計那些能夠實現復雜運動軌跡、保持高精度定位並適應動態環境的智能機械。本書並非聚焦於某個特定類型的機器人，而是將視角放寬到更為基礎和普適的多體係統動力學理論。這裏的“多體”並非單指由獨立部件構成的機械臂，更包含瞭更廣泛的意義，例如具有連續變形能力的結構、生物係統中骨骼與肌肉的耦閤運動，乃至宏觀天體係統的相互作用。核心在於，我們探討的是多個相互關聯的部件如何協同運動，以及如何通過精確的控製來引導它們的行為。第一章：多體係統的建模基礎——時空的語言一切精確控製的起點，在於能夠準確地描述係統的狀態。本章將深入淺齣地介紹描述多體係統運動所必需的數學工具。我們將從經典的剛體動力學齣發，引入牛頓-歐拉方程，它如同機械世界的“萬有引力定律”，揭示瞭力和力矩如何驅動物體的運動。在此基礎上，我們將探討更具象化的描述方式，例如拉格朗日方程，它以能量的角度來審視係統的動態行為，尤其在處理復雜約束條件下，展現齣其優雅與強大。約束是多體係統中無處不在的“規則”。輪子與地麵之間的滾動約束，關節處的轉動或滑動約束，都極大地影響著係統的自由度。本章將詳細闡述不同類型的約束，並介紹如何將其納入動力學模型，例如使用拉格朗日乘子法或笛卡爾坐標係下的約束方程。理解約束的本質，是避免建模錯誤、確保係統運動可行性的關鍵。我們還將觸及廣義坐標的概念，它允許我們用最少的變量來描述整個係統的構型。例如，一個機械臂的末端執行器位置可以通過其關節角度來唯一確定。選擇閤適的廣義坐標，能夠極大地簡化模型的復雜性。此外，對於某些特殊的係統，例如柔性體，本章還會介紹一些初步的建模方法，為後續章節中更復雜的動力學分析打下基礎。第二章：動力學方程的求解與分析——揭示內在規律建立瞭多體係統的動力學模型後，我們便進入瞭對其運動規律進行深入挖掘的階段。本章將重點介紹求解動力學方程的各種方法，以及如何通過分析這些方程來理解係統的內在特性。對於非綫性動力學方程，解析求解往往睏難重重。因此，數值積分方法成為我們的重要工具。本章將介紹各種數值積分算法，如歐拉法、龍格-庫塔法等，並分析它們的精度、穩定性和計算效率。讀者將學習如何根據具體問題的特點選擇最閤適的數值積分方案，以及如何評估數值解的可靠性。除瞭直接求解，我們還將探討如何通過對動力學方程進行分析來獲取更多信息。例如，綫性化技術可以幫助我們在平衡點附近理解係統的局部動態行為，為設計控製器提供依據。特徵值分析可以揭示係統的固有頻率和振動模式，對於理解係統的穩定性和響應特性至關重要。本章還將引入狀態空間錶示法，這是一種強大的工具，能夠將高階動力學方程轉化為一組一階微分方程。狀態空間錶示法不僅便於數值求解，更在現代控製理論中扮演著核心角色。我們將介紹如何將剛體和多體係統的動力學方程轉化為狀態空間形式，並討論其在係統分析中的優勢。第三章：控製理論在多體係統中的應用——駕馭運動之舵理解瞭係統的動力學行為，下一步便是如何精確地控製它。本章將係統地介紹各種先進的控製理論，並著重闡述它們在多體係統控製中的應用。我們將從經典的PID（比例-積分-微分）控製器入手，介紹其基本原理和設計方法。雖然PID控製器簡單易懂，但對於復雜的多體係統，其性能可能受到限製。因此，本章將進一步深入到更高級的控製策略。模型預測控製（MPC）將是本章的重點之一。MPC利用係統的動力學模型來預測未來的係統行為，並根據預測結果優化控製輸入，以最小化預設的成本函數。MPC的強大之處在於它能夠同時處理多目標優化和約束條件，非常適閤於多體係統的復雜控製任務，例如軌跡跟蹤、避障以及優化能耗。反饋綫性化技術是一種強大的非綫性控製方法，它能夠通過巧妙的反饋設計，將原有的非綫性係統轉化為一個綫性的、易於控製的係統。本章將介紹其基本思想和實現步驟，並探討其在多體係統中的應用，例如在操作員示教中的應用，允許直接通過示教來生成控製指令。此外，我們還將探討魯棒控製和自適應控製。魯棒控製旨在設計控製器，使其在係統參數不確定或受到外部乾擾時仍能保持良好的性能。自適應控製則能夠根據係統的實際運行情況，實時調整控製參數，以應對模型變化或環境動態。第四章：先進控製策略與應用案例——挑戰與機遇在掌握瞭基礎控製理論後，本章將進一步探討一些更為前沿和復雜的控製策略，並結閤實際應用案例，展示這些理論的強大威力。我們將深入研究最優控製理論，例如LQR（綫性二次調節器）和LQI（綫性二次積分器），它們能夠找到在特定成本函數下最優的控製律。最優控製在許多應用中至關重要，例如在能量效率要求極高的係統中。同時，我們還將介紹基於學習的控製方法，如強化學習。通過讓係統與環境進行交互，並從試錯中學習，強化學習能夠幫助係統掌握復雜的控製策略，甚至在模型未知的情況下也能實現高性能的控製。這將為開發更加智能和自主的機器人係統提供新的思路。本章將通過一係列具體案例來鞏固讀者對前麵章節知識的理解。例如，我們將分析如何在工業機器人中應用模型預測控製來完成高精度裝配任務；如何利用反饋綫性化來控製具有復雜關節結構的無人機；以及如何利用強化學習來訓練機器人完成靈活的抓取和放置操作。通過這些案例，讀者將能夠直觀地感受到理論知識的實際應用價值，並激發他們將所學知識應用於解決實際問題的熱情。第五章：仿真與實驗驗證——理論與實踐的橋梁理論模型的正確性以及控製策略的有效性，最終都需要通過仿真和實驗來驗證。本章將關注仿真工具和實驗驗證的流程。我們將介紹常用的多體係統仿真軟件，例如MATLAB/Simulink、Adams、Gazebo等，並講解如何利用它們來構建和模擬多體係統。讀者將學習如何根據模型類型和仿真需求選擇閤適的仿真平颱，並掌握基本的仿真操作技巧。仿真環境雖然能夠提供快速迭代和成本較低的驗證途徑，但最終的性能評估仍然離不開真實的物理係統。本章將探討實驗驗證的流程，包括傳感器選型、數據采集、實驗設計以及結果分析。我們將強調實驗過程中的注意事項，例如如何減小測量誤差，以及如何對比仿真結果與實驗數據，從而不斷優化模型和控製器。此外，本章還會討論模型參數辨識的重要性。在實際應用中，模型的參數往往難以精確獲得，因此需要通過實驗數據來辨識模型參數，從而提高模型的準確性。結語《靜止之舞：多體係統動力學與控製的藝術》旨在為讀者提供一個全麵且深入的學習體驗。本書不僅僅是一本理論書籍，更是一本實踐指南。通過係統化的知識講解，豐富的數學工具，以及貼近實際的案例分析，我們期望能夠幫助讀者理解多體係統的內在規律，掌握駕馭復雜機械運動的控製藝術，並最終能夠設計齣更智能、更高效、更可靠的先進機械係統。無論您是機器人領域的初學者，還是有經驗的工程師，亦或是對機械運動充滿好奇的研究者，相信本書都能為您帶來寶貴的啓發與深刻的洞見。