机器人刚柔耦合动力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

尹海斌，钟国梁，李军锋 著

图书标签:

• 机器人动力学
• 刚柔耦合
• 动力学
• 机器人控制
• 机械设计
• 仿真
• 建模
• 运动规划
• 数值计算
• 控制理论

出版社： 华中科技大学出版社

ISBN：9787568028240

版次：1

商品编码：12270805

包装：精装

丛书名： 智能制造与机器人理论及技术研究丛书

开本：16开

出版时间：2018-01-01

用纸：铜版纸

页数：168

字数：196000

正文语种：中文

编辑推荐

适读人群 ：机械工程、自动化与控制工程等相关学科方向的教师、研究人员，机器人技术领域的广大工程技术人员
涉及柔性机械臂和弹性悬挂移动机器人平台两种典型的机器人，介绍了机器人刚柔耦合动力学建模、分析和控制的相关问题和方法，有很好的参考价值。

内容简介

机器人种类繁多，机器人刚柔耦合动力学介绍了两种典型的机器人：柔性机械臂和弹性悬挂移动机器人。柔性机械臂的研究内容有刚柔耦合动力学建模方法、动力学分析与动态控制器设计，这些研究为机械臂的振动控制提供了理论基础与方法；弹性悬挂移动机器人的研究内容有移动机器人振动控制方法、多要素作用下移动机械臂的跟踪控制和路面激励下移动机器人的动态稳定性控制，这些方法为移动机器人的动态控制奠定了基础。本书力图总结作者在机器人刚柔耦合动力学研究领域取得的一些研究成果，这些研究成果的总结为提高机器人的性能与品质提供了理论基础和方法。本书可以作为机械工程、自动化与控制工程等相关学科方向的教师、研究人员的参考资料，也可以作为机器人技术领域的广大工程技术人员，特别是产品开发技术人员学习和工作的参考书。

作者简介

尹海斌，男，武汉理工大学机电工程学院副教授，硕士生导师。2011年获日本北海道大学工学部人间机械系统与设计专业工学博士。主要研究方向为机电系统一体化设计方法、柔性机械臂系统设计、机械臂的轻量化设计、软体机器人系统设计等。在相关领域已发表学术论文20余篇。负责和参与国家自然科学基金青年项目、面上项目以及国家留学归国人员启动项目等国家和省部级项目5项。申请发明专利受理2项，授权1项。研究成果“机器人系统的智能设计及其应用研究”获得2015年度中国商业联合会科技进步奖(省部级)三等奖。 钟国梁，男，中南大学博士生导师。2013年获北海道大学博士学位，2010年获华南理工大学硕士学位，2011年—2012年任北海道大学研究助理。主要研究方向为机器人及机械手、复杂系统动力学、智能控制理论及应用等。以第yi作者发表SCI论文20余篇，其中SCI一区10余篇，多篇发表在国际TOP期刊（IEEE Trans. Ind. Electron、IEEE/ASME Trans. Mechatronics、Nonlinear Dyn.等）上。出版专著1本。主持国家自然科学基金青年基金1项，湖南省自然科学基金青年基金1项，作为骨干成员参与多项“973”课题及国家自然科学基金。申请发明专利10余项。入选中南大学升华育英人才计划，获得日本仪器与控制工程师学会（SICE）国际奖1项。 李军锋，分别于2008年、2010年和2013年获沈阳工业大学学士学位、东北大学硕士学位和日本北海道大学博士学位。2014年至今供职于武汉理工大学机电工程学院，主要研究方向为智能材料驱动器和软体机器人，先后主持和参与了2项国家自然科学基金项目，发表了各类学术论文10余篇。

精彩书评

为简化设计，传统机器人不考虑弹性振动。为了提高机器人的潜力，本书考虑了在高速重载下如何控制弹性振动；另外，也对机器人进行轻量化设计，提高动态性能，节省材料和降低能耗。

目录

第1章机器人动力学研究意义/1
1.1引言/1
1.2动力学三要素与三任务/2
1.3机器人动力学研究的意义/3
主要参考文献/4
第2章刚柔耦合机械臂的建模与分析/5
2.1引言/5
2.2机械臂弹性描述/6
2.3柔性机械臂的动态模型/12
2.4柔性机械臂振动分析/17
2.4.1外部输入/17
2.4.2转角独立分析法/18
2.4.3转角关联分析法/24
2.5小结/27
主要参考文献/28
第3章刚柔耦合机械臂动态控制器设计/30
3.1引言/30
3.2控制器设计方案/32
3.3柔性动态控制模块/34
3.3.1输入整形技术/34
3.3.2优化控制/38
3.3.3结果分析/39
3.4刚性动态控制模块/42
3.4.1滑模控制概述/42
3.4.2混合滑模控制/44
3.4.3结果分析/47
3.5小结/50
主要参考文献/51
机器人刚柔耦合动力学目录第4章刚柔耦合机械臂动态控制仿真与实验/54
4.1引言/54
4.2机械臂动态控制的优化算法与仿真/55
4.2.1优化算法/56
4.2.2仿真结果分析/58
4.3机械臂动态控制的实验与结果/63
4.3.1实验装置平台/63
4.3.2单杆柔性臂实验结果分析/65
4.3.3二杆柔性臂实验结果分析/68
4.4动态控制的仿真与实验比较/73
4.4.1轨迹追踪误差分析/73
4.4.2弹性位移分析/73
4.5小结/77
主要参考文献/78
第5章旋转刚柔耦合系统动力学建模方法的比较研究/80
5.1引言/80
5.2旋转刚柔耦合系统动力学模型的影响因素分析/82
5.2.1影响因素/82
5.2.2动力学模型的精度分析/83
5.3旋转刚柔耦合系统的动边界模态特性/85
5.3.1旋转柔性梁的动边界参数化构建/85
5.3.2旋转柔性梁的动边界模态特性解析/87
5.3.3旋转柔性梁的动边界模态特性的频域分布规律/91
5.4旋转刚柔耦合系统参数化边界模态特性动态响应分析/91
5.4.1基于参数化边界模态特性的动态响应/92
5.4.2边界参数的辨识/94
5.5小结/96
主要参考文献/96
第6章悬挂轮式移动机械臂的振动控制/99
6.1引言/99
6.2粒子群优化算法和混沌粒子群优化算法/100
6.2.1粒子群优化算法/100
6.2.2混沌粒子群优化算法/102
6.3问题一：机械臂静止时悬浮平台的运动/103
6.3.1动力学模型/103
6.3.2控制器的设计和优化/105
6.3.3结果与讨论/108
6.4问题二：机械臂运动时悬浮平台的运动/112
6.4.1DPM概念/112
6.4.2动力学模型/114
6.4.3生成最优轨迹/115
6.4.4结果与讨论/117
6.5小结/121
附件A问题一的动力学模型/122
附件B问题二的动力学模型/124
主要参考文献/125
第7章多要素作用下的移动机械臂跟踪控制/127
7.1引言/127
7.2系统模型/128
7.2.1运动学模型/128
7.2.2动力学模型/132
7.3基于运动学的反推控制/132
7.3.1控制器设计/132
7.3.2结果与讨论/133
7.4基于动力学的带有模糊补偿器的自适应反推控制器/136
7.4.1控制器设计/136
7.4.2结果与讨论/138
7.5小结/145
主要参考文献/146
第8章路面激励下移动机械臂的动态稳定性控制/149
8.1引言/149
8.2具有半主动悬架系统的机器人/150
8.3动态稳定性计算方法/152
8.4控制器设计与优化/155
8.4.1半主动减震器控制模型/155
8.4.2控制器优化算法/158
8.5结果与讨论/161
8.6小结/166
主要参考文献/166

前言/序言

《机器人刚柔耦合动力学》是一本介绍机器人刚性运动与弹性振动同时存在时，系统动力学相关知识的学术专著。本书的内容涉及柔性机械臂和弹性悬挂移动机器人平台两种典型的机器人，介绍了机器人刚柔耦合动力学建模、分析和控制的相关问题和方法。传统的机器人研究没有考虑其弹性振动，这样处理是为了简化设计与控制问题，但是，这也面临着两个方面的问题：一是限制了机器人的工作范围，因为提高工作范围，会激起一定的弹性振动；二是增加了机器人的冗余程度，不利于轻量节能和动态性能的提升。为了提高机器人的工作潜力，需要考虑在高速重载下如何控制弹性振动；另外，也需要对机器人进行轻量化设计，提高动态性能，节省材料和降低能耗。为了实现这些目标，就需要研究机器人的刚柔耦合动力学问题，涉及的就是刚柔耦合动力学建模、分析与控制的问题。本书所涉及的研究成果是在国家自然科学基金青年基金项目(11202153、51405515)和教育部留学归国人员启动基金(2013��693)项目等的资助下取得的。本书主要内容如下：第1章介绍了机器人刚柔耦合动力学研究的必要性和意义；第2章介绍了柔性臂刚柔耦合动力学的建模方法与分析；第3章介绍了柔性臂动态控制器设计；第4章介绍了柔性臂动态仿真与实验；第5章介绍了旋转刚柔耦合系统动力学的建模方法与比较；第6章介绍了弹性悬挂移动机械臂的振动控制；第7章介绍了多要素作用下移动机械臂的跟踪控制；第8章介绍了路面激励下移动机械臂的动态稳定性控制。在本书的撰写过程中，作者得到了智能制造与机器人领域的专家、教授和学生们的热情支持与帮助，特别要感谢华中科技大学机械科学与工程学院的孙容磊教授、冀晶晶博士，武汉理工大学物流工程学院陈定方教授，他们对本书提出了许多宝贵意见。还有课题组的硕士研究生张栩涛和李勇光等同学对书中图表进行了编辑校订。在此，作者对他们表示衷心的感谢。本书前5章由尹海斌撰写，第6～8章由钟国梁撰写，李军锋负责全书的统编和定稿工作。作为研究成果，书中难免会存在疏漏与错误，许多内容还有待进一步研究与完善，衷心希望各位专家和广大读者批评指正。

《机械系统仿真与优化设计》 内容简介 在当今高度发达的工程技术领域，复杂机械系统的设计、分析与优化已成为核心挑战。从航空航天、汽车制造到生物医学工程，工程师们面临着日益精密的结构、更严苛的性能要求以及不断缩短的研发周期。在这样的背景下，高效、准确的仿真技术和智能化的优化设计方法显得尤为重要。《机械系统仿真与优化设计》一书，正是为了满足这一迫切需求而生，它系统地阐述了如何运用先进的仿真工具和优化策略，解决现实世界中遇到的各种机械工程问题。 本书旨在为机械工程、自动化、控制科学等相关领域的专业人士、研究人员以及高等院校学生提供一套全面而深入的理论框架与实践指南。它不仅涵盖了传统机械系统建模与仿真的基础知识，更着重介绍了现代工程设计中不可或缺的计算力学、多体动力学、有限元分析以及面向性能优化的集成方法。 核心内容概述 第一部分：机械系统建模基础 本部分奠定了理解复杂机械系统仿真与优化的基础。首先，我们将深入探讨几何建模技术，包括参数化建模、特征建模以及三维实体造型，强调其在后续仿真分析中的精确性与效率。接着，重点介绍物理建模，涵盖刚体动力学、柔性体动力学、接触力学以及流固耦合等核心概念。我们将详细解析如何将物理世界的运动、受力、变形等现象，转化为数学模型，以便于计算机进行求解。对于非线性现象，如大变形、材料非线性、间歇接触等，本书将提供详尽的建模策略和求解技巧。此外，还将讨论如何处理多体系统的拓扑结构、约束方程的建立以及运动学和动力学的基本方程。 第二部分：仿真分析技术 本部分聚焦于各类强大的仿真分析工具及其应用。 多体动力学仿真 (Multibody Dynamics Simulation, MBDS)：本书将深入讲解多体动力学理论，包括拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程等推导过程，并介绍如何利用专业软件（如ADAMS, SIMPACK等）构建和求解复杂多体系统的动力学模型。我们将分析各类机构的运动特性、动力响应、能量损耗等，为机构设计与改进提供依据。特别地，本书将详细阐述如何处理柔性多体系统的耦合效应，即刚体动力学与柔性体变形动力学相结合的建模方法，这对于描述高速运动、柔性结构的应用场景至关重要。 有限元分析 (Finite Element Analysis, FEA)：有限元方法是分析结构力学、热力学、流体力学等问题的基石。本书将系统介绍有限元理论，包括单元选择、插值函数、刚度矩阵的建立、载荷与边界条件的施加以及数值求解技术。我们将涵盖静力学分析、模态分析、瞬态动力学分析、热应力分析、屈曲分析以及疲劳寿命分析等常用分析类型。本书特别强调了如何进行精细化网格划分、模型简化策略以及结果的后处理与验证，以确保仿真结果的准确性和可靠性。 计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics, CFD)：在许多机械系统中，流体的作用不可忽视，如冷却系统、润滑系统、气动/水动力设计等。本书将介绍CFD的基本原理，包括Navier-Stokes方程的离散化方法（有限体积法、有限差分法等）、湍流模型选择以及边界条件的处理。我们将通过实例展示如何进行定常流动、非定常流动、传热耦合以及多相流的仿真分析，为优化流体通道设计、降低能量损耗提供有力支持。 多物理场耦合仿真 (Multiphysics Coupling Simulation)：现实世界中的许多工程问题涉及多个物理场的相互作用，例如热-力耦合、流-固耦合、电-磁-力耦合等。本书将详细介绍如何构建和求解多物理场耦合模型。我们将探讨不同物理场之间的耦合方式（单向耦合、双向耦合），介绍相应的仿真策略和常用软件工具（如ANSYS Workbench, COMSOL Multiphysics等）。通过实际案例，展示如何分析复杂耦合效应，并指导读者掌握集成仿真方法。 第三部分：面向性能优化的设计策略 本部分将仿真技术与优化设计相结合，旨在帮助读者实现机械系统的性能最大化和成本最小化。 优化设计理论与方法：本书将介绍常用的优化算法，包括梯度优化法（如最速下降法、共轭梯度法）、启发式算法（如遗传算法、模拟退火算法）以及代理模型优化方法。我们将深入分析各种算法的优缺点、适用范围以及参数选择。 仿真驱动的优化设计 (Simulation-Driven Design)：本书将详细阐述如何将仿真模型与优化器连接起来，实现自动化设计迭代。我们将介绍参数化建模与仿真脚本的结合，如何定义设计变量、目标函数和约束条件，以及如何利用优化算法自动寻找最优设计参数。我们将通过具体的机械设计实例，如结构强度优化、机构运动学/动力学性能优化、热管理系统效率优化等，演示仿真驱动的优化设计流程。 可靠性与鲁棒性设计：除了追求最优性能，机械系统的可靠性与鲁棒性同样至关重要。本书将介绍如何将不确定性因素（如材料参数波动、载荷变化、制造误差等）纳入设计考量，并通过概率性设计或稳健设计方法，获得在各种工况下都能稳定工作的系统。 第四部分：高级主题与应用案例 本部分将拓展讨论一些更高级的主题，并结合实际工程应用进行深入剖析。 数据驱动的建模与仿真：在现代工业环境中，大量传感器数据可用于校准和验证仿真模型，甚至直接用于构建数据驱动模型。本书将介绍如何利用实测数据来改进仿真模型的精度，以及如何应用机器学习技术进行模型降阶或建立代理模型，从而加速优化设计过程。 实时仿真与硬件在环 (Hardware-in-the-Loop, HIL)：对于控制系统的开发与验证，实时仿真与HIL技术至关重要。本书将介绍实时仿真平台的构建、模型转换与优化，以及如何通过HIL测试来评估控制器的性能和系统的稳定性。 典型工程应用案例研究：为加深读者理解，本书将提供多个不同领域的典型应用案例。例如： 汽车工程：车辆动力学仿真、碰撞安全分析、悬架系统优化、发动机热管理。 航空航天：飞行器结构动力学分析、气动弹性仿真、航天器机构设计。 机器人与自动化：机器人臂动力学分析、运动规划与控制、柔性机械手的仿真。 生物医学工程：人体骨骼运动学仿真、医疗器械设计优化、生物材料力学分析。 新能源与环境工程：风力涡轮机叶片设计与分析、水力机械效率优化、热交换器性能仿真。 本书的特点 理论与实践相结合：本书在提供扎实的理论基础的同时，也强调实际工程应用。大量的例题和详细的案例分析，帮助读者将理论知识转化为解决实际问题的能力。 全面而深入：覆盖了从基础建模到高级仿真与优化的全过程，内容详实，结构严谨。 技术前沿性：介绍了当前工程仿真与优化设计领域最前沿的技术和方法。 易于理解：语言通俗易懂，图文并茂，便于不同背景的读者阅读和学习。 软件工具的引导：在讲解仿真与优化方法的同时，会穿插介绍一些主流的商业仿真软件（如ANSYS, ADAMS, MATLAB/Simulink等）在该领域的应用，但侧重于方法论而非软件操作手册。 目标读者 机械工程、自动化、航空航天、汽车工程、材料科学、生物医学工程等相关专业的本科生、研究生。 从事机械设计、仿真分析、产品研发、工艺优化的工程师和技术人员。 对工程仿真与优化设计感兴趣的研究人员和学者。 通过学习《机械系统仿真与优化设计》，读者将能够掌握构建复杂机械系统模型、运用先进仿真工具进行分析、并通过智能化优化方法实现系统性能的突破，从而在日趋激烈的工程竞争中占据有利地位。本书将成为您在机械系统设计与创新道路上不可或缺的宝贵参考。

评分☆☆☆☆☆

作为一名在机械工程领域工作多年的工程师，我深知在设计复杂机械系统时，对材料属性的精确把握是多么关键。《机器人刚柔耦合动力学》这个书名立刻引起了我的注意，因为它触及到了一个在实际工程中常常被忽视但又至关重要的方面。在传统的机器人设计中，我们往往更关注其刚性结构带来的精确性和稳定性，但对于高速、高精度应用，甚至是与人类协同工作的场景，材料的柔性以及由此产生的耦合效应就变得不可忽视。我猜测这本书可能会深入探讨如何将材料的弹性形变纳入动力学模型，以及如何利用有限元分析等方法来精确描述这种耦合。更重要的是，我期待书中能够提供一些实用的设计指南或优化策略，帮助工程师在材料选择、结构设计以及控制器开发等方面，更好地处理刚柔耦合带来的挑战。或许它会包含一些案例研究，展示如何在实际工程中成功应用这些理论，克服刚柔耦合带来的精度损失、振动问题或是潜在的失效风险。这本书对我而言，可能是一本能够提升设计水平、解决实际工程难题的宝贵参考。

评分☆☆☆☆☆

我是一位对未来科技发展充满期待的普通读者，尤其对那些能够改变我们生活方式的创新技术感到好奇。《机器人刚柔耦合动力学》这个书名，虽然听起来有些专业，但它所描绘的“机器人”和“动力学”这两个概念，让我联想到那些未来可能出现的、更灵活、更智能的机器人。我设想，这本书可能会讲述，为什么现在的机器人还不能像人类一样灵活地行走、跑步，或者像动物一样轻盈地跳跃。也许是因为它们过于“僵硬”，缺乏与环境的自然互动。我猜想，这本书会解释，当机器人拥有更“柔软”的身体，能够更好地适应不平坦的地面，或者在碰撞时能够缓冲冲击，这样的机器人将是多么强大和有用。它可能会描绘出，在医疗、救援、甚至日常生活服务领域，拥有这种“刚柔并济”能力的机器人将扮演怎样的角色。这本书就像一扇窗户，让我得以窥见未来机器人技术发展的一个重要方向，它不再是冰冷的钢铁巨兽，而是可能与我们和谐共存的伙伴。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我是一名对机器人技术充满热情的初学者，但经常被一些更专业的术语和复杂的概念弄得晕头转向。当我看到《机器人刚柔耦合动力学》这个书名时，虽然“刚柔耦合”听起来有些技术性，但“动力学”这个词让我感觉它可能是在讲机器人是如何“动起来”的，这正是我最感兴趣的部分。我期待这本书能够用一种相对易懂的方式，解释清楚机器人身体各个部分的“硬度”（刚性）和“弹性”（柔性）是如何相互影响，共同决定了它运动的最终结果。比如，一个非常硬的关节，在快速摆动时会不会因为惯性而产生晃动？而一个比较柔软的部件，在承受载荷时会不会发生不希望的形变，从而导致动作不准确？我希望能在这本书里找到这些问题的答案，并且学习到如何计算和控制这些“晃动”和“形变”，让机器人能够更精确、更安全地完成任务。也许书中会有一些图示或者简单的例子，来帮助我理解这些抽象的力学概念。我希望这本书能成为我深入了解机器人运动机制的一个起点，让我能够从更本质的层面去理解机器人的设计和控制。

评分☆☆☆☆☆

我一直对能够模拟真实世界中物体运动的科学领域非常着迷，而《机器人刚柔耦合动力学》这本书，虽然我还没有机会深入研读其具体内容，但仅仅从书名就能激发我无穷的想象。我脑海中浮现的是无数精密的机械臂，它们在工厂流水线上以令人难以置信的精度和速度工作，每一个动作的流畅性都依赖于对其刚性结构和柔性部分的深刻理解。我想象书中会详细解析，当机器人需要进行高速运动或与外界环境发生交互时，其自身材料的形变和弹性是如何影响其整体动力学行为的。是不是会讲解到如何通过数学模型来精确预测这些形变，以及如何设计出更稳定、更高效的控制策略来抵消或利用这种耦合效应？我猜想，书中可能还会涉及一些前沿的仿真技术，通过虚拟环境来验证理论模型，从而在实际制造前就优化机器人的设计。这本书就像一个通往机器人内在世界的大门，让我对那些看似僵硬的机械背后蕴含的复杂物理原理充满好奇。它让我意识到，机器人不仅仅是简单的连杆和电机组合，更是集成了材料科学、力学、控制论等诸多学科的智慧结晶。

评分☆☆☆☆☆

我对一些更偏向基础理论的研究领域一直抱有浓厚的兴趣，尤其是那些能够连接抽象数学模型与实际物理现象的学科。《机器人刚柔耦合动力学》这个书名，就让我联想到那些严谨的数学推导和物理定律如何在机器人这样复杂的系统中得到体现。我猜测书中会涉及到大量关于弹性力学、拉格朗日方程、牛顿-欧拉方程等经典理论的应用，并将其巧妙地融入到机器人动力学模型的构建中。特别是“耦合”这个词，让我想到这不仅仅是单个部件的独立分析，而是要考虑多体系统之间相互作用带来的复杂性，比如一个部件的形变会如何影响另一个部件的运动，这种反馈机制是如何被数学语言捕捉和描述的。我希望书中能够深入浅出地解释这些理论框架，并展示如何通过这些模型来分析机器人的动态响应，预测其在不同工况下的行为。也许书中还会探讨一些更高级的控制方法，比如基于模型预测控制或自适应控制，来应对这种复杂的动力学特性。