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冗余空间机器人操作臂：运动学、轨迹规划及控制


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冗余空间机器人操作臂：运动学、轨迹规划及控制
  • 书号：9787030548283
    作者：徐文福,梁斌
  • 外文书名：
  • 装帧：平装
    开本：B5
  • 页数：
    字数：423000
    语种：zh-Hans
  • 出版社：科学出版社
    出版时间：2017-11-01
  • 所属分类：
  • 定价： ￥118.00元
    售价： ￥93.22元
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本书对冗余空间(此处的“空间”，与“平面”相对应)机器人操作臂运动学、轨迹规划与控制等进行系统、深入的论述，包括冗余机器人构型设计、正运动学建模、解析逆运动学求解方法、奇异分析及奇异回避、障碍回避、容错控制、力柔顺控制等。所介绍的方法，可以解决各种典型结构的冗余机械臂，包括球腕及非球腕机械臂的相关问题。书中涉及的理论及方法大多已发表在国际顶级期刊上，或在顶级国际学术会议上宣读过，并已实际用于我国航天项目和工业领域中，具有较强的创新性与实用价值。
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    序
    前言
    第1章 绪论 1
    1.1 冗余机器人的概念及内涵 1
    1.1.1 冗余机器人及冗余性 1
    1.1.2 自运动 3
    1.1.3 奇异性和逃逸性 4
    1.2 冗余机械臂的必要性分析 5
    1.3 冗余空间机器人国内外发展现状 8
    1.3.1 国际空间站冗余机器人 8
    1.3.2 自由飞行的冗余空间机器人 15
    1.3.3 地面应用的冗余机械臂 23
    1.4 冗余空间机器人研究中的热点问题 26
    1.4.1 冗余空间机器人解析逆运动学 26
    1.4.2 运动学奇异分析与奇异回避 27
    1.4.3 冗余空间机器人障碍回避 28
    1.4.4 冗余空间机器人被动柔顺控制 30
    1.4.5 冗余空间机器人容错控制 32
    1.5 小结 33
    第2章 冗余空间机器人操作臂的构型设计 34
    2.1 典型冗余机械臂构型分类 34
    2.1.1 球腕冗余机械臂构型 34
    2.1.2 非球腕冗余机械臂构型 35
    2.2 球腕冗余机械臂最优构型设计 36
    2.2.1 七自由度球腕冗余机械臂的设计依据 36
    2.2.2 最优构型(无偏置SRS)的确定 40
    2.2.3 肘部偏置式SRS 机械臂臂型设计 40
    2.3 非球腕冗余机械臂通用构型设计 41
    2.3.1 常见的七自由度非球腕冗余机械臂构型 41
    2.3.2 通用的非球腕冗余机械臂构型设计 43
    2.4 小结 45
    第3章 冗余空间机械臂运动学建模基础 46
    3.1 变量及坐标系定义 46
    3.1.1 刚体位置的描述 46
    3.1.2 刚体姿态的表示 47
    3.1.3 关节位置变量与末端位姿变量 49
    3.1.4 关节速度变量与末端速度变量 50
    3.2 机器人D-H坐标系建立规则 51
    3.2.1 D-H坐标系定义 51
    3.2.2 D-H坐标系建立的步骤 52
    3.3 位置级运动学方程 53
    3.3.1 位置级正运动学方程 53
    3.3.2 位置级逆运动学方程 53
    3.4 速度级运动学方程 54
    3.4.1 速度级正运动学方程 54
    3.4.2 速度级逆运动学方程 55
    3.5 冗余机器人速度级逆运动学求解方法 56
    3.5.1 常规梯度投影法及其局限性 56
    3.5.2 逆运动学实时计算法 56
    3.6 小结 61
    第4章 关节角参数化解析逆运动学求解 62
    4.1 基于关节角的冗余参数描述 62
    4.2 连续三轴平行冗余机械臂的关节角参数化 63
    4.2.1 连续三轴平行机械臂关节角参数化方法 63
    4.2.2 三轴平行型机械臂关节角参数化算例分析 69
    4.3 两两垂直型冗余机械臂关节角参数化 71
    4.3.1 两两垂直型冗余机械臂关节角参数化方法 71
    4.3.2 两两垂直型机械臂逆运动学求解流程 75
    4.3.3 两两垂直型机械臂关节角参数化算例分析 87
    4.4 小结 89
    第5章 臂型角参数化解析逆运动学求解 90
    5.1 基于臂型角的冗余参数描述 90
    5.2 臂型角参数化求解方法 92
    5.2.1 肘部关节角的求解 93
    5.2.2 初始姿态0R3ψ0的求解 93
    5.2.3 肩部关节角的求解 94
    5.2.4 腕部关节角的求解 95
    5.2.5 臂型角参数化求解过程 95
    5.3 无奇异双臂型角参数化方法 96
    5.3.1 双臂型角的定义 96
    5.3.2 双臂型角参数化求解方法 97
    5.4 典型7DOF冗余机械臂逆运动学求解 98
    5.4.1 SRS三轴平行型机械臂逆运动学 98
    5.4.2 SRS两两垂直型机械臂逆运动学 101
    5.4.3 SSRMS肩-肘-腕偏置型机械臂逆运动学 104
    5.5 小结 110
    第6章 冗余机器人路径规划方法 111
    6.1 机器人规划的基本概念 111
    6.1.1 机器人规划的层次划分 111
    6.1.2 机器人的路径规划 112
    6.1.3 机器人的路径规划与控制的关系 113
    6.2 关节空间路径规划 114
    6.2.1 梯形速度插值 114
    6.2.2 用抛物线拟合的线性插值 116
    6.2.3 三次多项式插值 117
    6.2.4 五次多项式插值 119
    6.2.5 三次样条插值 120
    6.3 笛卡儿空间路径规划 128
    6.3.1 基于位置级求逆的笛卡儿空间路径规划 128
    6.3.2 基于速度级求逆的笛卡儿空间路径规划 129
    6.3.3 基于驱动函数的笛卡儿直线轨迹规划 130
    6.4 小结 136
    第7章 基于Jacobian矩阵初等变换的运动学奇异分析 137
    7.1 改造后的微分运动学方程 137
    7.1.1 运动螺旋的改造 137
    7.1.2 运动方程的改造 139
    7.1.3 不同参考系对Jacobian矩阵奇异条件的影响 140
    7.2 不改变关节独立性的Jacobian矩阵初等变换 141
    7.2.1 初等行变换 142
    7.2.2 初等列变换 144
    7.3 球腕机械臂奇异构型分析 146
    7.3.1 球腕机械臂改造后的Jacobian矩阵 146
    7.3.2 Jacobian 矩阵的初等变换 148
    7.3.3 球腕机械臂实例分析 150
    7.4 非球腕机械臂奇异构型分析 154
    7.4.1 非球腕机械臂改造后的Jacobian矩阵 154
    7.4.2 Jacobian 矩阵的初等变换 155
    7.4.3 欧洲机械臂奇异条件分析实例 160
    7.4.4 国际空间站遥操作机械臂的奇异条件分析 164
    7.5 单关节锁定后退化的六自由度机械臂奇异分析 172
    7.6 小结 173
    第8章 冗余机器人运动空间分解及奇异回避 174
    8.1 传统的奇异回避方法及其缺陷 174
    8.1.1 Jacobian矩阵的奇异值分解 174
    8.1.2 基于阻尼最小方差法的奇异回避路径规划 175
    8.1.3 基于梯度投影法的奇异回避路径规划 176
    8.1.4 其他常规方法 177
    8.2 运动空间分解 178
    8.3 单关节锁定下退化的六自由度机械臂奇异规避 180
    8.3.1 阻尼最小二乘法求解子问题 180
    8.3.2 基于阻尼倒数的实用方法 180
    8.4 降阶的冗余机械臂奇异规避方法 186
    8.4.1 降阶法原理 186
    8.4.2 降阶的可操作性优化方法 187
    8.4.3 降阶的分块主子式优化方法 188
    8.4.4 奇异条件参数优化算法 190
    8.4.5 计算量比较 191
    8.4.6 奇异回避方法仿真验证 193
    8.5 进一步讨论 199
    8.5.1 算法的普适性 199
    8.5.2 参考系的选取 200
    8.6 小结 201
    第9章 冗余机器人障碍回避方法 202
    9.1 典型障碍物几何建模 202
    9.1.1 典型设备轮廓分析 202
    9.1.2 典型障碍物的建模 204
    9.1.3 障碍物属性的定义及任意坐标系下的描述 207
    9.2 避障规划 209
    9.2.1 避障规划原理 210
    9.2.2 障碍回避方法 213
    9.3 避障规划仿真 216
    9.3.1 球形避碰轨迹规划仿真 217
    9.3.2 圆柱形避碰轨迹规划仿真 223
    9.3.3 正方体避碰轨迹规划仿真 228
    9.4 小结 234
    第10章 冗余机器人力柔顺控制方法 235
    10.1 机器人柔顺控制方法分类 235
    10.2 冗余空间机械臂及接触建模 236
    10.2.1 空间机械臂和ORU的构型及参数 236
    10.2.2 空间机器人多体动力学建模 237
    10.2.3 工作环境建模 240
    10.3 冗余空间机械臂的阻抗控制方法的研究 244
    10.3.1 阻抗控制的基本原理 244
    10.3.2 基于位置的阻抗控制 246
    10.3.3 基于力的阻抗控制 247
    10.3.4 仿真验证 248
    10.3.5 基于力与基于位置的阻抗控制方法对比 252
    10.4 冗余空间机械臂的力/位混合控制方法 253
    10.4.1 力/位混合控制的基本原理 253
    10.4.2 选择矩阵的改进 255
    10.4.3 位置环控制 256
    10.4.4 力环控制 257
    10.4.5 仿真验证 258
    10.4.6 阻抗控制与力/位混合控制对比 262
    10.5 冗余空间机械臂力柔顺控制实验 263
    10.5.1 实验设备 263
    10.5.2 恒力位移实验 264
    10.5.3 接触碰撞实验 266
    10.6 小结 267
    第11章 冗余机器人容错控制方法 268
    11.1 容错控制技术概述 268
    11.2 冗余机械臂容错性能分析 270
    11.2.1 冗余机器人运动学优化 270
    11.2.2 容错性能指标 271
    11.3 冗余机械臂单关节故障下的运动学建模 273
    11.3.1 单关节故障后重建D-H参数 274
    11.3.2 基于重建D-H参数表的运动学分析 281
    11.3.3 单关节故障情况下实例分析 296
    11.4 冗余机械臂单关节故障下的动力学建模 298
    11.4.1 单关节故障下机械臂的动力学参数 298
    11.4.2 单关节故障下的拉格朗日动力学方程 307
    11.5 冗余机械臂单关节故障下的轨迹规划和容错控制 309
    11.5.1 自运动空间位置级轨迹规划 309
    11.5.2 跟踪误差状态表达方程 313
    11.5.3 基于H∞鲁棒控制器设计 315
    11.5.4 MATLAB仿真实验结果分析 318
    11.6 小结 327
    参考文献 329
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