柔體機器人的動力學與控制技術

1.1引言1
1.2柔體機器人系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀1
1.3柔體機器人關鍵技術研究現(xiàn)狀4
1.3.1柔體機器人的動力學關鍵技術4
1.3.2柔體機器人的主動控制6
1.4柔體機器人的研究價值和學術意義7
第2章柔體機器人的剛/ 柔/ 控耦合模態(tài)特性8
2.1引言8
2.2柔體機器人的動力學/ 控制器耦合模態(tài)分析9
2.2.1柔性關節(jié)/柔性臂桿系統(tǒng)的力學模型9
2.2.2關節(jié)控制器作用下的反饋約束特性10
2.2.3動態(tài)約束的復雜邊界條件10
2.2.4頻域內(nèi)的模態(tài)分析11
2.2.5狀態(tài)空間求解的復模態(tài)法13
2.2.6數(shù)值仿真與分析16
2.3柔體機器人的剛/柔耦合模態(tài)分析19
2.3.1大范圍剛體運動時的模態(tài)分析19
2.3.2數(shù)值仿真與分析20
2.4多自由度柔體機器人的有限元模態(tài)分析21
2.4.1虛擬樣機技術21
2.4.2多柔體系統(tǒng)的有限元分析22
2.4.3某型多自由度柔體機器人的模態(tài)分析仿真24
2.5本章小結26
第3章柔體機器人的動力學方程與數(shù)值方法27
3.1引言27
3.2多柔體系統(tǒng)動力學28
3.2.1柔體機器人剛/柔/控耦合建模的變分原理28
3.2.2單連桿大柔度機器人的動力學模型34
3.2.3雙連桿大柔度機器人的動力學模型35
3.3柔體機器人stiff微分方程的數(shù)值方法37
3.3.1拉氏空間、哈氏空間與狀態(tài)空間37
3.3.2閉環(huán)狀態(tài)反饋stiff方程的PIM法40
3.3.3柔體機器人微分方程PIM法的數(shù)值實驗41
3.4數(shù)值仿真與分析45
3.5本章小結48
第4章柔性關節(jié)摩擦和不確定補償?shù)能壽E控制49
4.1引言49
4.2柔性關節(jié)的動力學模型50
4.2.1摩擦環(huán)節(jié)與預測模型50
4.2.2柔性關節(jié)的標稱力學模型52
4.2.3柔性關節(jié)的動態(tài)不確定力學模型53
4.3柔性關節(jié)摩擦和不確定項補償?shù)母呔溶壽E控制54
4.3.1級聯(lián)系統(tǒng)的反演魯棒控制54
4.3.2小波神經(jīng)網(wǎng)絡的結構設計56
4.3.3動態(tài)不確定柔性關節(jié)的小波神經(jīng)—魯棒復合控制59
4.3.4穩(wěn)定性分析65
4.4數(shù)值仿真與分析66
4.5本章小結69
第5章柔體機器人的振動主動控制70
5.1引言70
5.2微分幾何反饋線性化71
5.2.1光滑函數(shù)、向量場和微分同胚71
5.2.2李導數(shù)及其相對階72
5.2.3單輸入-單輸出系統(tǒng)的反饋線性化73
5.2.4多輸入-多輸出系統(tǒng)的反饋線性化76
5.3柔體機器人反饋觀測的穩(wěn)定性分析77
5.3.1單連桿柔性臂的反饋線性化和穩(wěn)定性77
5.3.2雙連桿柔性臂的穩(wěn)定反饋觀測器設計80
5.4柔體機器人的全局終端滑模振動魯棒控制82
5.5數(shù)值仿真與分析85
5.6本章小結87
第6章大負載柔體機器人的動力學模型88
6.1引言88
6.2Kane方法88
6.2.1廣義速率、偏速度和偏角速度88
6.2.2Kane方程的建立89
6.3大負載單柔桿的彎曲振動模態(tài)分析89
64大負載單柔桿的運動學分析95
6.5大負載單柔桿的動力學建模96
6.5.1廣義速率、偏速度和偏角速度96
6.5.2動力學方程97
6.6本章小結101
第7章大負載柔體機器人的振動控制102
7.1引言102
7.2基于奇異攝動的系統(tǒng)分解102
7.3滑模變結構控制器設計103
7.3.1滑模變結構控制103
7.3.2滑模變結構控制器設計104
7.3.3抖振問題105
7.4控制器設計106
7.4.1控制的數(shù)學描述106
7.5大負載柔體機器人控制算法107
7.5.1混合控制方法107
7.5.2狀態(tài)反饋控制設計114
7.6本章小結118
第8章柔體機器人接觸操作的阻抗控制119
8.1引言119
8.2阻抗控制算法原理119
8.2.1阻抗控制模型119
8.2.2目標控制參數(shù)性能分析120
8.3柔體機器人阻抗控制算法122
8.4數(shù)值仿真123
8.4.1運動空間下的軌跡跟蹤123
8.4.2接觸操作時固定點的力控制126
8.4.3接觸操作時的接觸力控制126
8.5本章小結128
第9章軟接觸柔體機器人的關節(jié)結構設計129
9.1引言129
9.2關節(jié)功能需求分析129
9.3關節(jié)阻尼緩沖方法131
9.3.1磁流變液131
9.3.2阻尼緩沖方法132
9.4關節(jié)方案設計132
9.4.1驅(qū)動傳動機構設計133
9.4.2可控柔性組件設計135
9.4.3可控柔性組件136
9.5本章小結137
第10章軟接觸柔體機器人的動力學分析138
10.1引言138
10.2軟接觸阻尼緩沖任務分析與設計138
10.3軟接觸單關節(jié)動力學特性分析139
10.3.1z軸直線方向受接觸力后的動力學仿真139
10.3.2z軸直線和旋轉(zhuǎn)方向受接觸力后動力學仿真141
10.3.3空間六維方向動力學仿真142
10.4軟接觸柔體機器人的動力學特性仿真分析145
10.5本章小結148
第11章軟接觸柔體機器人的動力學模型150
11.1引言150
11.2基于Kane方法的質(zhì)點系和剛體系方程150
11.2.1質(zhì)點系下的Kane方程150
11.2.2剛體系統(tǒng)的Kane方程151
11.3具有可控阻尼的柔體機器人模型152
11.4運動學分析153
11.4.1廣義坐標153
11.4.2變換矩陣154
11.4.3偏角速度及其導數(shù)154
11.4.4偏線速度及其導數(shù)155
11.4.5柔體機器人的運動學方程156
11.5動力學分析157
11.5.1剛體k的受力分析157
11.5.2等效主動力（矩）158
11.5.3等效慣性力（矩）159
11.5.4柔體機器人的動力學方程159
11.6算例仿真159
11.7本章小結161
第12章軟接觸柔體機器人的振動控制163
12.1引言163
12.2微粒群優(yōu)化算法163
12.3基于微粒群優(yōu)化的軟接觸柔體機器人抑振策略167
12.3.1目標函數(shù)的確定167
12.3.2算法及參數(shù)選擇167
12.3.3算法終止條件168
12.3.4控制具體流程168
12.4軟接觸柔體機器人的PID振動控制169
12.4.1控制器的設計169
12.4.2參數(shù)選擇169
12.5兩種控制方案的仿真對比170
12.6本章小結176
參考文獻177