Flexible Robot Dynamics and Controls

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出版者:Springer 作者:Rush D. Robinett III 出品人: 页数:360 译者: 出版时间:2001-12-1 价格:USD 169.00 装帧:Hardcover isbn号码:9780306467240 丛书系列:
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  • 机器人动力学
  • 机器人控制
  • 柔性机器人
  • 控制理论
  • 动力学建模
  • 非线性控制
  • 自适应控制
  • 优化控制
  • 机器人学
  • 机械工程
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具体描述

This volume will guide professional engineers whose disciplines include: robotics, controls, mechanical, electrical, computer science and electrical, etc, to a better, or first understanding of how to develop and control robotics or other systems with inherent or desirable structural flexibility. Furthermore, senior and graduate mechanical, electrical, and computer science engineering students, particular those new to a government or private sector research institution, will benefit from the academic study of this volume. In addition, it will guide the reader through a review and application of several necessary advanced mathematics, engineering and scientific principles.

机器人动力学与控制:理论基础与前沿应用 本书旨在为读者提供一个全面而深入的机器人动力学与控制系统的理论框架与实践指导。全书内容涵盖了从经典力学原理到现代控制理论在机器人系统中的具体应用,重点关注如何建立精确的数学模型、设计鲁棒的控制算法,并最终实现高性能的机器人操作与运动。 第一部分:机器人动力学基础 本部分聚焦于建立机器人系统的数学描述,这是所有控制设计的基础。我们将从牛顿-欧拉法和拉格朗日法两大经典动力学建模范式入手,详细阐述其理论推导过程及其在不同类型机器人(如串联臂、并联机构、移动机器人)上的应用。 第一章:运动学基础回顾 在进入动力学之前,我们首先复习并深化对机器人运动学的理解。详细介绍了旋转变换、齐次变换矩阵、D-H参数法的应用,以及如何利用雅可比矩阵描述末端执行器速度与关节速度之间的关系。重点讨论了雅可比矩阵的奇异性分析及其对控制设计的潜在影响。 第二章:刚体动力学与拉格朗日建模 本章深入探讨刚体动力学原理,包括动能、势能的计算,以及虚功原理的应用。随后,系统性地推导拉格朗日方程在多自由度机器人系统中的具体形式。读者将学习如何高效地构建机器人的质量矩阵、科氏力和重力向量,这些是后续非线性控制设计中至关重要的组成部分。对模型参数识别的重要性及常用方法进行初步介绍。 第三章:牛顿-欧拉迭代法与复合体系统动力学 作为拉格朗日法的有效补充,本章详细讲解牛顿-欧拉(或称牛顿-欧拉迭代法)的建立过程。重点阐述如何利用牛顿第二定律,从基座向末端依次计算关节力矩。本章内容还扩展到复合体动力学,包括对含柔性关节或接触约束的系统进行建模的初步探讨。 第四章:机器人动力学模型的计算机实现 强调理论模型向实际计算的转化。讨论基于符号运算(如MATLAB的Symbolic Toolbox或Maple)和数值积分(如Runge-Kutta方法)来求解和验证动力学模型的流程。同时,介绍利用先进的动力学仿真工具包进行模型验证的实践步骤。 第二部分:机器人控制系统设计 在掌握了精确的动力学模型后,本部分转向如何设计有效的控制律来实现期望的运动轨迹和力矩输出。内容覆盖了从线性到非线性,再到鲁棒控制方法的全面体系。 第五章:线性化控制技术 针对模型中难以处理的非线性项,本章首先介绍如何在线性化控制点(如零点或期望轨迹点)附近对系统进行线性化处理。详细阐述PID控制器、前馈控制器的设计与参数整定,特别讨论在多输入多输出(MIMO)系统中,如何应用解耦控制策略来简化控制任务。 第六章:基于模型的非线性控制 这是机器人控制的核心部分。本章重点介绍了如何利用已知的动力学模型来消除系统的非线性项,从而达到线性系统控制的效果。详细讲解了两种核心方法: 1. 反步法(Backstepping): 从输出反馈开始,逐步构建控制律,适用于严格反馈形式的系统。本章将详细推导一个通用串联机器人的反步控制律,并分析其稳定性。 2. 反馈线性化(Feedback Linearization): 利用微分几何的工具,通过输入-输出或状态反馈,将非线性系统转化为线性系统。重点分析全反馈线性化和部分反馈线性化的适用条件及局限性。 第七章:鲁棒性和自适应控制 现实世界中,模型参数总存在不确定性(如载荷变化、摩擦估计误差)。本章引入先进的控制方法来应对这些不确定性: 1. 滑模控制(Sliding Mode Control, SMC): 阐述如何设计一个具有鲁棒性的切换控制律,保证系统轨迹收敛到预设的滑模面。讨论如何设计趋近律和开关函数的策略以减小抖振现象。 2. 自适应控制: 介绍基于参数估计的自适应机制。详细阐述基于误差的模型参考自适应控制(MRAC)的原理,以及如何设计参数更新律以在线修正模型参数误差。 第八章:轨迹规划与优化控制 本章将动力学与运动规划相结合。讨论如何生成满足速度、加速度、以及驱动器限制的最优轨迹。重点介绍基于优化的控制方法,如模型预测控制(MPC)。MPC通过在有限的时间窗口内对系统行为进行预测和优化,实时计算最优控制输入,尤其适用于处理约束条件下的高性能控制问题。 第三部分:特殊系统与前沿应用 本部分将动力学与控制的理论知识应用于更复杂的机器人系统和新兴领域。 第九章:移动机器人的动力学与控制 针对轮式移动机器人的运动学和动力学特性(如非完整约束)。详细分析差速驱动、阿克曼转向等常见移动机器人的运动学模型,并探讨如何将其动力学特性纳入轨迹跟踪控制的设计中。 第十章:机器人操作与人机交互控制 关注机器人与环境的交互。讨论接触动力学的基础知识,以及如何设计阻抗控制(Impedance Control)和导纳控制(Admittance Control)来实现安全、稳定的力控操作。本章还将介绍混合力/位移控制策略,用于完成诸如装配、打磨等任务。 结论与展望 总结全书核心内容,并对未来研究方向进行展望,包括混合系统控制、强化学习在控制中的应用潜力,以及高维复杂系统的实时计算挑战。 本书的编写风格注重逻辑的严谨性和推导的清晰性,力求使读者不仅了解“如何做”,更深刻理解“为什么这样做”。书中穿插了大量的工程实例和仿真验证,旨在搭建理论知识与工程实践之间的坚实桥梁。

作者简介

目录信息

读后感

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用户评价

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**评价三** 这部关于高级光学成像系统的专著,彻底颠覆了我对传统光学设计的认知。它将几何光学和波动光学完美地融合在一个连贯的框架内进行讨论。书中对于衍射极限、阿贝数以及各种像差校正技术(如泽尼克多项式在优化中的应用)的讲解,达到了教科书级别以上的深度。我特别欣赏作者引入了信息论的视角来评估成像质量,这提供了一个比传统的MTF(调制传递函数)更为全面的评价标准。书中关于自适应光学系统中波前传感器和校正器的设计实例分析,展示了如何处理由大气湍流或系统自身缺陷引起的光束畸变。对于那些从事高分辨率显微成像或天文望远镜设计的工程师而言,这本书提供了不可或缺的理论基础和前沿实践指导,读起来令人心潮澎湃,充满了探索未知的渴望。

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**评价四** 我必须说,这本关于嵌入式系统实时操作系统的设计与实现指南,是技术手册中的一股清流。它摒弃了那些空泛的理论描述,而是完全聚焦于底层硬件与操作系统内核交互的工程实践。作者以一个具体的实时内核为例,详细剖析了中断处理机制、上下文切换的汇编级细节,以及如何通过精妙的调度算法来保证严格的时间确定性。对于我个人而言,最宝贵的是其中关于内存管理单元(MMU)在硬实时环境下的配置和保护模式的讲解,这部分内容在其他书籍中往往一带而过。书中提供的代码片段和伪代码清晰易懂,完全可以作为定制化RTOS的开发蓝本。它教会我的不是“如何使用”一个现成的系统,而是“如何构建”一个真正可靠、高效的实时计算核心,那种掌控一切的满足感是无可替代的。

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**评价五** 这本书探讨了现代控制理论在复杂非线性系统中的应用,其视角非常独特且富有启发性。它没有止步于经典的李雅普诺夫稳定性分析,而是深入挖掘了滑模控制(SMC)和回馈线性化的理论精髓。作者对奇异点处理和边界层抖振现象的剖析极为深刻,并针对性地提出了更平滑的鲁棒控制策略,比如高阶滑模控制器。我发现书中关于输入饱和和外部扰动补偿的讨论极具现实意义,它将纯粹的数学模型与实际物理系统的限制紧密结合起来。特别是,它引入了一些先进的微分几何工具来简化复杂非线性系统的建模,这极大地拓宽了我对控制结构设计的理解边界。读完后,我对如何设计出既能保证高性能,又能抵抗实际工程噪声的控制器有了全新的、更成熟的认识。

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**评价一** 这本书的叙述方式简直让人难以置信。它深入探讨了材料科学在现代工程设计中的核心地位,特别是关于复合材料的微观结构对其宏观力学性能的影响。作者花费了大量的篇幅来阐述层压板理论的演变,从经典的层合板理论到考虑剪切变形效应的更精细模型,这一点对于需要精确预测结构响应的工程师来说至关重要。我尤其欣赏它对非线性粘弹性行为建模的细致入微。书中提供的数值方法,例如有限元法在处理界面脱层和裂纹扩展问题上的应用,非常具有指导性。它不仅仅是理论的堆砌,更像是提供了一套完整的工具箱,指导读者如何将这些复杂的物理现象转化为可计算、可优化的工程设计参数。阅读过程中,我感觉自己仿佛在进行一场从原子尺度到宏观结构的跨尺度思维训练,每一个章节都充满了对传统观念的挑战和创新的视角。

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**评价二** 对于任何希望掌握先进流体力学模拟技术的专业人士来说,这本关于计算流体力学(CFD)的著作无疑是一部里程碑式的作品。它的深度远超入门级别的教材,直击湍流模型构建的本质难题。作者对雷诺平均纳维埃-斯托克斯(RANS)方程的推导过程清晰而严谨,并对κ-ε和κ-ω模型的优缺点进行了极其深入的对比分析,特别是针对壁面边界层附近的处理,提供了非常实用的调优建议。更令人印象深刻的是,它还涵盖了高阶数值方法,如谱方法和不规则网格上的离散化技术,这在一般的教科书中很少能见到如此全面的论述。我花费了大量时间研究其中关于网格自适应重构的章节,它展示了如何在保持计算精度的同时,有效管理计算资源的复杂性。这本书的公式推导非常详尽,每一步都经得起推敲,是案头常备的参考书。

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