非完整機器人的原理與控制

內(nèi)容概要

由譚躍剛編著的《非完整機器人的原理與控制》主要介紹非完整機器人的機構(gòu)原理與控制方法，強調(diào)機器人機構(gòu)學(xué)與控制理論的結(jié)合，提出了基于非完整約束機構(gòu)模型與控制模型映射關(guān)系的可控欠驅(qū)動機器人機構(gòu)設(shè)計的方法。書中內(nèi)容是根據(jù)作者在非完整機器人領(lǐng)域的研究成果撰寫的。全書共分9章，內(nèi)容包括：非完整機器人的基本問題和基礎(chǔ)知識、非完整約束機構(gòu)及其運動傳遞特性、可控非完整機器人的機構(gòu)原理和控制方法等?！斗峭暾麢C器人的原理與控制》著眼于對問題的理解，力圖用通俗的語言詮釋非完整機器人的機構(gòu)原理與控制方法，突出非完整機器人的新機構(gòu)。
《非完整機器人的原理與控制》適合于機械設(shè)計及理論、機械電子工程、控制理論等相關(guān)專業(yè)的研究生及科研工作者閱讀，也可供從事機器人設(shè)計和應(yīng)用的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言
第1章  緒論
  1.1 非完整約束與非完整系統(tǒng)
  1.2 非完整機器人
  1.3 非完整機器人的基礎(chǔ)問題
    1.3.1 機器人的“非完整性”判別
    1.3.2 非完整機器人的可控性
    1.3.3 非完整機器人的運動規(guī)劃
  1.4 非完整機器人的研究綜述
    1.4.1 非完整機器人特性的研究綜述
    1.4.2 非完整運動規(guī)劃與控制的研究綜述
    1.4.3 新型非完整機器人的研究綜述
  1.5 本書內(nèi)容概述
  參考文獻
第2章  非完整系統(tǒng)的基本特性
  2.1 非完整系統(tǒng)的約束特性
  2.2 約束的非完整性判別
  2.3 非完整系統(tǒng)的可控性
  2.4 非完整系統(tǒng)的控制與鏈?zhǔn)阶儞Q
    2.4.1 非完整系統(tǒng)的控制
    2.4.2 鏈?zhǔn)阶儞Q
    2.4.3 鏈?zhǔn)阶儞Q的特性
  2.5 非完整系統(tǒng)的動力學(xué)方程
    2.5.1 非完整系統(tǒng)的哈密頓原理
    2.5.2 非完整系統(tǒng)的典型動力學(xué)方程
  2.6 本章小結(jié)
  參考文獻
第3章  非完整約束機構(gòu)的原理
  3.1 非完整約束機構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型
  3.2 非完整約束機構(gòu)的運動模型及其特性
    3.2.1 非完整約束機構(gòu)的運動模型
    3.2.2 非完整運動傳遞機構(gòu)的主要特性
  3.3 非完整約束機構(gòu)的運動學(xué)分析
    3.3.1 圓盤轉(zhuǎn)動為機構(gòu)運動的輸入
    3.3.2 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動為機構(gòu)運動的輸入
  3.4 非完整約束機構(gòu)的動力學(xué)特性
  3.5 本章小結(jié)
  參考文獻
第4章  面向控制的非完整機器人機構(gòu)的理論設(shè)計
  4.1 可控非完整機器人機構(gòu)的設(shè)計思想
  4.2 開鏈?zhǔn)椒峭暾麢C器人機構(gòu)的理論設(shè)計
    4.2.1 機器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與運動傳遞關(guān)系
    4.2.2 機器人的結(jié)構(gòu)
  4.3 開鏈?zhǔn)椒峭暾麢C器人的運動學(xué)模型
  4.4 開鏈?zhǔn)蕉嚓P(guān)節(jié)機器人的可控性和非完整性
  4.5 并鏈?zhǔn)娇煽胤峭暾麢C器人機構(gòu)的理論設(shè)計
    4.5.1 能量主傳遞鏈的設(shè)計
    4.5.2 并鏈?zhǔn)椒峭暾麢C器人機構(gòu)的理論設(shè)計
    4.5.3 并鏈?zhǔn)椒峭暾麢C器人的可控性和非完整性
  4.6 本章小結(jié)
  參考文獻
第5章  多關(guān)節(jié)非完整機器人的基本特性與鏈?zhǔn)阶儞Q
  5.1 四關(guān)節(jié)非完整機器人機構(gòu)的基本特性
    5.1.1 開鏈?zhǔn)剿年P(guān)節(jié)非完整機器人機構(gòu)的基本特性
    5.1.2 并鏈?zhǔn)剿年P(guān)節(jié)非完整機器人機構(gòu)的基本特性
  5.2 四關(guān)節(jié)非完整機器人系統(tǒng)的鏈?zhǔn)阶儞Q
    5.2.1 多關(guān)節(jié)非完整機器人系統(tǒng)的鏈?zhǔn)阶儞Q方法
    5.2.2 開鏈?zhǔn)剿年P(guān)節(jié)非完整機器人的鏈?zhǔn)阶儞Q
    5.2.3 并鏈?zhǔn)剿年P(guān)節(jié)非完整機器人的鏈?zhǔn)阶儞Q
  5.3 多關(guān)節(jié)非完整機器人的動力學(xué)模型
  5.4 本章小結(jié)
  參考文獻
第6章  多關(guān)節(jié)非完整機器人的運動規(guī)劃
  6.1 鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的控制
    6.1.1 鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的時間多項式輸入控制
    6.1.2 鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的三角函數(shù)輸入控制
    6.1.3 鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的最優(yōu)控制
  6.2 非完整機器人的運動規(guī)劃方法
  6.3 基于時間多項式輸人的非完整機器人的運動規(guī)劃
    6.3.1 開鏈?zhǔn)蕉嚓P(guān)節(jié)非完整機器人的運動規(guī)劃
    6.3.2 并鏈?zhǔn)蕉嚓P(guān)節(jié)非完整機器人的運動規(guī)劃
  6.4 基于三角函數(shù)輸入的非完整機器人的運動規(guī)劃
    6.4.1 開鏈?zhǔn)蕉嚓P(guān)節(jié)非完整機器人的運動規(guī)劃
    6.4.2 并鏈?zhǔn)蕉嚓P(guān)節(jié)非完整機器人的運動規(guī)劃
  6.5 本章小結(jié)
  參考文獻
第7章  多關(guān)節(jié)非完整機器人的設(shè)計與實驗研究
  7.1 開鏈?zhǔn)饺P(guān)節(jié)非完整機器人的機械設(shè)計
    7.1.1 設(shè)計中的主要問題
    7.1.2 關(guān)節(jié)傳動機構(gòu)的設(shè)計
    7.1.3 多關(guān)節(jié)非完整機器人的機械設(shè)計
  7.2 運動控制實驗平臺
    7.2.1 實驗平臺系統(tǒng)的建立
    7.2.2 硬件結(jié)構(gòu)體系
    7.2.3 軟件結(jié)構(gòu)體系
  7.3 三關(guān)節(jié)非完整機器人的控制實驗研究
    7.3.1 時間多項式輸入控制
    7.3.2 時間多項式控制的三關(guān)節(jié)非完整機器人的實驗分析
  7.4 本章小結(jié)
  參考文獻
第8章  多掛車輪式移動機器人的操舵控制
  8.1 多掛車輪式移動機器人的運動學(xué)模型及特性
  8.2 多掛車輪式移動機器人的操舵與模型
  8.3 多掛車輪式移動機器人系統(tǒng)的鏈?zhǔn)阶儞Q
  8.4 多掛車輪式移動機器人的操舵方法
  8.5 多掛車輪式移動機器人的軌跡跟蹤性能
  8.6 本章小結(jié)
  參考文獻
第9章  非完整機器人的研究展望
  9.1 非完整系統(tǒng)的控制研究
  9.2 非完整機器人機構(gòu)的研究
  9.3 非完整機器人的應(yīng)用
  參考文獻

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：第1章 緒論“完整（holonomic）”和“非完整（nonholonomic）”是力學(xué)上對約束和系統(tǒng)的分類概念。完整約束是對系統(tǒng)位形的限制，非完整約束是對系統(tǒng)運動的限制。具有非完整約束的機器人屬于非完整系統(tǒng)，也稱為非完整機器人，如輪式移動機器人就是受到非完整滾動約束的非完整機器人。非完整機器人的顯著特征是系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)變分并不都是獨立的，這就是說非完整機器人系統(tǒng)的位形空間維數(shù)多于控制輸入空間的維數(shù)，從而使得非完整機器人表現(xiàn)出與完整機器人（如工業(yè)機器人等）不同的運動特性和控制特性。本章主要介紹非完整約束、非完整系統(tǒng)及非完整機器人的一些基本概念，以及相關(guān)研究的發(fā)展現(xiàn)狀，以展示非完整機器人系統(tǒng)的基本概貌。1.1　非完整約束與非完整系統(tǒng)機械是基于力學(xué)原理組成的機構(gòu)和機器，機械的基礎(chǔ)是力學(xué)。在力學(xué)中，對系統(tǒng)的位形（即位置與姿態(tài)）和運動的限制作用稱為約束。例如，輪式移動機器人的運動就受制于車輪與地面之間的無滑動滾動，這種滾動約束表現(xiàn)為限制車輪上與地面接觸點的瞬時速度為零。一般情況下，可用包含坐標(biāo)參數(shù)的數(shù)學(xué)方程來描述約束，這種數(shù)學(xué)方程就稱為系統(tǒng)的約束方程。實際中的系統(tǒng)總是受到各種各樣的約束，如幾何約束與運動約束、定常約束與非定常約束、雙面約束與單面約束、可積分約束與不可積分約束等。在這些約束作用下，系統(tǒng)的運動往往表現(xiàn)出不同的特性。從系統(tǒng)的運動本質(zhì)類別（或從約束方程的實質(zhì)）來看，約束可分為完整約束和非完整約束兩大類。若約束僅限制系統(tǒng)的空間位形，則這種約束稱為幾何約束?！?.2　非完整機器人約束的“完整性”和“非完整性”規(guī)定了兩類不同性質(zhì)的運動，這表明在分析非完整系統(tǒng)的運動時，不能完全用完整系統(tǒng)的方法來處理。這個問題在機器人領(lǐng)域尤為突出。機器人的約束方程常常是復(fù)雜的非線性方程，且在許多情況下可以實現(xiàn)嚴(yán)密的反饋線性化，從而可以應(yīng)用線性系統(tǒng)的控制方法來控制機器人的運動。然而，人們在研究輪式移動機器人、宇宙機器人的一些運動規(guī)劃和控制問題時，遇到了如何處理不可積微分方程式的約束問題。例如，在處理多指機器人的抓取問題時，若手指端在抓取物體表面存在自由滾動，那么采用反饋線性化等方法就不能解決其運動規(guī)劃和控制問題［2］。對于這類可控的非線性機器人，采用線性化方法所遇到的這些問題，后來研究發(fā)現(xiàn)可歸結(jié)為系統(tǒng)約束的非完整性。常見的工業(yè)機器人或機械操作臂，由于其坐標(biāo)之間的約束關(guān)系可以表示成代數(shù)方程的幾何約束形式，因此這些工業(yè)機器人屬于完整系統(tǒng)的范疇。而常見的輪式移動機器人、水下機器人、宇宙機器人、體操機器人和多指機器人等，由于其運動約束存在非完整性，它們屬于非完整系統(tǒng)的范疇。定義1.3 含有非完整約束的機器人，稱為非完整機器人（nonholonomicro bot）。非完整機器人屬于非完整系統(tǒng)的范疇，它的特性主要反映在非完整約束方程上，不同的非完整約束形式直接影響著這類機器人的運動規(guī)劃和控制方法。實際上，非完整約束的表現(xiàn)形式有一階微分方程和二階微分方程等多種。輪式移動機器人、太空機器人等機器人受到的非完整約束一般就表現(xiàn)為一階微分方程；具有自由關(guān)節(jié)的欠驅(qū)動機械臂（如倒立擺）等機器人受到的非完整約束一般就表現(xiàn)為二階微分方程。本書主要是以不可積一階微分方程約束下的非完整機器人為對象，重點討論這類非完整機器人的設(shè)計與控制等問題。實際中，大多數(shù)非完整機器人的運動約束是對系統(tǒng)運動速度的約束，非完整約束的方程表現(xiàn)為不可積一階微分方程?！?.3 非完整機器人的基礎(chǔ)問題對非完整機器人的研究，許多情況下可以歸結(jié)為對不可積Pfaffian約束和對稱仿射系統(tǒng)的研究。事實上，許多輪式移動機器人、多指機器人、宇宙機器人的運動約束就表現(xiàn)為不可積Pfaffian約束，其對應(yīng)的對稱仿射系統(tǒng)就是研究這類非完整機器人系統(tǒng)運動控制的基礎(chǔ)。正是由于非完整機器人的運動有其自身的特點，對非完整機器人性能的研究就不能采用針對完整系統(tǒng)的研究方法。?8?非完整機器人的原理與控制1.3.1 機器人的“非完整性”判別……1.3.3　非完整機器人的運動規(guī)劃第4章 面向控制的非完整機器人機構(gòu)的理論設(shè)計多關(guān)節(jié)機器人一般具有冗余性，由于可以在有效的運動規(guī)劃和控制下避開障礙進入狹小工作空間進行操作，因此備受許多學(xué)者的關(guān)注和研究。但是，多關(guān)節(jié)機器人驅(qū)動關(guān)節(jié)數(shù)的增多，會因機器人手臂重量的增加而引出操作慣性等動力學(xué)問題，對此人們提出了許多解決此問題的方案，如腱驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動等，這些驅(qū)動方式由于結(jié)構(gòu)的限制其應(yīng)用范圍有限。本章旨在利用非完整系統(tǒng)所具有的輸入控制空間維數(shù)小于其位形空間維數(shù)的特點，來尋求解決一類多關(guān)節(jié)機器人機構(gòu)的設(shè)計問題，其主要思路是從非線性控制理論的觀點出發(fā)，利用提出的非完整約束機構(gòu)研究可控的欠驅(qū)動多關(guān)節(jié)機器人——可控非完整機器人機構(gòu)的構(gòu)成原理與設(shè)計方法。這種非完整機器人機構(gòu)的運動學(xué)模型可以表示為三角形構(gòu)造形式或者可以轉(zhuǎn)換成鏈?zhǔn)较到y(tǒng)，從而可以僅由兩個伺服驅(qū)動電機就能控制其多個關(guān)節(jié)的位形。因此，這種可控非完整機器人是一種控制輸入空間維數(shù)小于其位形空間維數(shù)的可控欠驅(qū)動機器人。4.1 可控非完整機器人機構(gòu)的設(shè)計思想在機器人領(lǐng)域，設(shè)計機器人的機械本體，不僅是構(gòu)筑一個機器人的機械結(jié)構(gòu)問題，還必須考慮在特定輸入控制作用下，機器人的機械本體能按要求實施其運動和操作，這就是說機器人的機械本體與運動控制是一個整體。在機器人系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計中，機器人的機械本體和控制系統(tǒng)是分別從機構(gòu)學(xué)和控制理論的角度提出的。隨著對機器人精細(xì)作業(yè)及其控制要求的提高，機器人機械本體的運動復(fù)雜性與控制準(zhǔn)確性的協(xié)調(diào)問題就越是突出。一階非完整系統(tǒng)一般可表示為對稱仿射系統(tǒng)，具有輸入控制數(shù)目少于可達位形空間維數(shù)的特點。同時，針對一類標(biāo)準(zhǔn)的可控對稱仿射系統(tǒng)——非完整鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的運動已經(jīng)提出和建立了不少的有效控制方法。這就提示我們，如果設(shè)計的非完整機器人機構(gòu)與鏈?zhǔn)较到y(tǒng)等價或者可轉(zhuǎn)化為鏈?zhǔn)较到y(tǒng)，那么這個非完整機器人的運動控制問題就可利用鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的控制方法予以解決。于是，人們提出將非完整運動控制條件融入到非完整機器人機構(gòu)的設(shè)計中，使設(shè)計的非完整機器人機構(gòu)具有面向控制的描述模型的設(shè)計思路，如圖4.1 所示。

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