机器人多体动力学基础_杨玉维,李彬,王肖锋,刘振忠_9787568087131_湖南知新文化传播有限公司读者荐购服务

本书以多体系统动力学为核心，对多刚(柔)体机器人系统的动态特性进行研究。本书系统地阐述了机器人系统运动学及动力学模型的构建方法；以2杆轮式线弹性阻尼悬架移动机械手为例，对多刚(柔)体系统运动学、动力学、系统稳定性研究及系统动力学数值仿真做了详细介绍。本书中关于机器人动力学性能分析主要来自作者近年来的教学研究成果，书中所涵盖内容适合高年级本科生或一年级研究生，也可供从事此方面教学与研究的教师及科研工作者参考。

以史为鉴、开创未来，埋头苦干、勇毅前行贯穿着总书记讲话的重要精神，同时也告诫我们要实现中华民族伟大复兴，离不开对知识的躬亲践行与对未知的勇敢探索。先贤经典《大学》开篇即曰大学之道，在明明德，在亲民，在止于至善。从古至今，其含义不断完善。而当今《大学》又将被赋予具有时代特色的深邃内涵，激励着莘莘学子与当代青年勇于对自然科学规律进行探索认知，继而担起实现中国梦的伟大历史使命。机器人是一种综合了机械、电子、计算机、传感器、控制技术、仿生学等多种学科知识的复杂智能机械。根据不同的应用领域，机器人可大致分为工业机器人、服务机器人和特种机器人三类。其中，工业机器人占比*大，是智能制造行业发展的重要推动力。无论哪一类机器人，其工作精度与系统动态特性有着直接的联系，而对系统动态特性的深入认知与基于模型的系统控制，皆离不开机器人系统动力学模型的准确构建。传统的机器人技术通常采用DH法，构建刚体机械手动力学模型，过程复杂烦琐，而且无法直接应用于弹性机械手动态特性研究中，尤其是考虑刚柔运动非线性耦合问题时，该方法的不足就更为突出。本书在作者科研成果的基础上，借鉴了国内外机器人技术、多体动力学的相关研究成果，在研究机器人系统单构件运动学到系统动能方程的过程中，各构件运动被视作彼此独立，即暂不考虑构件间各自运动变量的耦合问题，这与机器人技术中的DH法具有显著的区别。并通过拉格朗日乘子的形式，将系统约束以代数的形式添加到系统拉格朗日动力学模型中。因此，采用多体动力学的机器人动力学模型构建方法，具有较好的系统性与通用性。子曰：工欲善其事，必先利其器。机器人作为典型的多体系统，在研究其动力学特性时，研究机器人多体动力学基础，不需晦涩的数学知识，即可令我们抽丝剥茧般地认识到机器人系统动态特性的本质。本书针对机器人构型的特点，并结合作者多年的研究成果，介绍了多体动力学在机器人动态特性研究方面的内容。纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。本书涉及诸多公式与数学模型的构建，大家只有躬行实践，才能真正体会到应用多体动力学方法解决机器人复杂动态特性相关问题带来的喜悦，才能进一步激发大家的学习热情。鉴于机器人的广阔应用前景，本书以2杆轮式线弹性-阻尼悬架移动机械手为多体动力学科研应用案例，对其进行了正、逆运动学，正、逆动力学，静力学，动力学稳定性等分析，开展了多体动力学应用的相关深入研究，为大家深入系统理解和学习多体动力学提供参考。本书的校对过程中，许多研究生付出了宝贵的时间和辛勤的汗水。参与校对的研究生包括周祖义、齐文耀、陈鹏宇、陈鹏来和李照童等。本书的出版得到了天津理工大学机械学院诸多领导的大力支持，在此向他们表示诚挚的谢意。同时感谢我的老师赵新华教授于百忙中为本书作得富有哲理的序言。限于本人的水平，加之时间仓促，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请各位读者和同行批评指正。若本书能对大家的科研学习提供些许帮助，作者将不胜欣慰。杨玉维2022年4月25日于雍阳故里

第1章概述(1)

1.1多体系统(1)

1.2体坐标系与全局坐标系(4)

1.3质点力学(5)

1.3.1质点运动学(6)

1.3.2质点动力学(8)

1.4刚体力学(8)

1.4.1运动学方程(9)

1.4.2刚体动力学(11)

1.5可变形/柔性体(11)

1.6运动约束(13)

1.7数值仿真模型和坐标普适性选择(16)

1.8本书的目的和范围(18)

第2章多体系统运动学(20)

2.1变换矩阵(20)

2.1.1变换矩阵的推导(21)

2.1.2欧拉参数(23)

2.1.3广义位移(24)

2.2变换矩阵的性质(26)

2.2.1变换矩阵的正交性(26)

2.2.2另一种形式的变换矩阵(27)

2.3连续转动(29)

2.3.1变换矩阵的指数形式(29)

2.3.2单坐标系法(30)

2.3.3多坐标系法(32)

2.3.4无穷小转动(34)

2.4速度方程(35)

2.4.1角速度和姿态参数(36)

2.4.2广义位移(38)

2.4.3相对角速度(41)

2.5加速度及其重要性质(41)

2.5.1角加速度矢量(42)

2.5.2广义位移(42)

2.5.3欧拉参数的重要性质(43)

2.6罗德里格斯参数(44)

2.6.1与欧拉参数之间的关系(45)

2.6.2角速度矢量(46)

2.7欧拉角(47)

2.7.1角速度矢量(48)

2.7.2与欧拉参数之间的关系(49)

2.7.3另一种顺序(51)

2.8方向余弦(51)

2.944变换矩阵(54)

2.9.1相对运动(55)

2.9.2DenavitHatenberg变换(57)

2.10不同姿态坐标之间的关系(60)

2.11基于多体运动学的六足复合运动模式机器人爬行运动学轨迹仿真研究(61)

2.12本章小结(65)

第3章多体系统动力学(66)

3.1广义坐标和运动学约束(66)

3.1.1参考坐标(67)

3.1.2运动学约束(68)

3.1.3简单非完整系统(71)

3.2自由度和广义坐标分块(72)

3.2.1广义坐标分块(73)

3.2.2解释性例子(74)

3.3虚功和广义力(79)

3.3.1静平衡(79)

3.3.2动平衡(83)

3.3.3刚体的广义力(85)

3.3.4受约束运动(88)

3.4拉格朗日动力学(88)

3.4.1动力学方程的形式(91)

3.4.2嵌入法(92)

3.4.3增广形式(93)

3.5刚体动力学应用(93)

3.5.1消除约束力(95)

3.5.2使用冗余坐标(97)

3.6变分法(98)

3.7多变量欧拉方程(103)

3.6.1哈密顿原理(104)

3.6.2保守力(105)

3.8刚体系统的运动方程(108)

3.8.1运动学方程(108)

3.8.2刚体的质量矩阵(110)

3.8.3动力学方程(112)

3.9牛顿欧拉方程(113)

3.9.1动力学方程的总结(114)

3.9.2二次速度矢量(114)

2.9.3广义力和主动力(115)

3.9.4牛顿欧拉矩阵方程(115)

3.10基于多体动力学的五连杆运动学及动力学仿真(116)

3.10.1运动学及动力学建模(116)

3.10.2数值仿真(118)

3.10.3运动学程序(120)

3.10.4动力学程序(124)

3.11本章小结(126)

第4章2杆轮式线弹性阻尼悬架移动刚体机械手运动学、动力学、静力学研究与仿真

(129)

4.1引言(129)

4.22杆轮式悬架移动机械手运动学、动力学、静力学分析(130)

4.2.1系统运动学分析(132)

4.2.2系统动力学分析(134)

4.2.3系统静力学研究与移动载体参数的确定(140)

4.2.42杆轮式移动刚性机械手动力学数值仿真(140)

4.3本章小结(147)

4.4参考文献(147)

第5章基于浮动坐标法的轮式悬架移动柔性机械手运动学、动力学及静力学研究与仿真

(150)

5.1引言(150)

5.22杆轮式线弹性阻尼悬架移动刚柔性机械手运动学、动力学及静力学研究

(151)

5.2.1系统运动学分析(151)

5.2.2系统动力学分析(154)

5.2.3系统静力学研究与移动载体参数的确定(157)

5.3系统静力学、动力学数值仿真(158)

5.3.1系统静力学研究与移动载体参数的确定(158)

5.3.2系统动力学数值仿真(161)

5.4本章小结(169)

5.5参考文献(170)

第6章基于有限元法2杆轮式悬架移动柔性机械手运动学、动力学及静力学研究与仿真(173)

6.1引言(173)

6.22杆轮式线弹性阻尼悬架移动柔性机械手运动学、动力学及静力学研究(174)

6.2.1系统运动学分析(174)

6.2.2系统动力学分析(177)

6.2.3系统静力学研究与移动载体参数的确定(180)

6.3系统静力学、动力学数值仿真(180)

6.3.1系统静力学数值仿真与移动载体参数的确定(180)

6.3.2系统动力学数值仿真(181)

6.4本章小结(194)

6.5参考文献(194)

第7章轮式悬架移动机械手动力学稳定性研究与仿真(195)

7.1引言(195)

7.2轮式移动机械手稳定性分析(198)

7.2.12杆轮式线弹性阻尼悬架移动刚性机械手稳定性分析(198)

7.2.2轮式移动机械手动力学稳定性数值仿真(200)

7.2.3基于浮动坐标法的2杆轮式线弹性阻尼悬架移动刚柔性机械手稳定性分析(203)

7.2.42杆轮式悬架移动刚柔性机械手动力学稳定性数值仿真(204)

7.2.5基于有限元法的2杆轮式线弹性阻尼悬架移动柔性机械手稳定性分析(206)

7.2.62杆轮式悬架移动刚性、刚柔性、柔性机械手动力学稳定性数值仿真(206)

7.3本章小结(208)

7.4参考文献(208)

第8章2杆轮式移动刚柔性机械手逆动力学、静力学研究与仿真(210)

8.1引言(210)

8.22杆轮式移动刚柔性机械手正动力学、逆动力学、静力学分析与推导(211)

8.2.1系统正动力学分析(213)

8.2.2系统相对动力学分析(214)

8.2.3逆动力学频域求解(214)

8.2.4时域内驱动力矩修正与误差分析(215)

8.2.5系统静力学研究(215)

8.3逆动力学数值仿真(216)

8.4本章小结(224)

8.5参考文献(224)

第9章结论(227)

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