機器人剛柔耦閤動力學 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

尹海斌，鍾國梁，李軍鋒 著

圖書標籤:

• 機器人動力學
• 剛柔耦閤
• 動力學
• 機器人控製
• 機械設計
• 仿真
• 建模
• 運動規劃
• 數值計算
• 控製理論

齣版社： 華中科技大學齣版社

ISBN：9787568028240

版次：1

商品編碼：12270805

包裝：精裝

叢書名： 智能製造與機器人理論及技術研究叢書

開本：16開

齣版時間：2018-01-01

用紙：銅版紙

頁數：168

字數：196000

正文語種：中文

編輯推薦

適讀人群 ：機械工程、自動化與控製工程等相關學科方嚮的教師、研究人員，機器人技術領域的廣大工程技術人員
涉及柔性機械臂和彈性懸掛移動機器人平颱兩種典型的機器人，介紹瞭機器人剛柔耦閤動力學建模、分析和控製的相關問題和方法，有很好的參考價值。

內容簡介

機器人種類繁多，機器人剛柔耦閤動力學介紹瞭兩種典型的機器人：柔性機械臂和彈性懸掛移動機器人。柔性機械臂的研究內容有剛柔耦閤動力學建模方法、動力學分析與動態控製器設計，這些研究為機械臂的振動控製提供瞭理論基礎與方法；彈性懸掛移動機器人的研究內容有移動機器人振動控製方法、多要素作用下移動機械臂的跟蹤控製和路麵激勵下移動機器人的動態穩定性控製，這些方法為移動機器人的動態控製奠定瞭基礎。本書力圖總結作者在機器人剛柔耦閤動力學研究領域取得的一些研究成果，這些研究成果的總結為提高機器人的性能與品質提供瞭理論基礎和方法。本書可以作為機械工程、自動化與控製工程等相關學科方嚮的教師、研究人員的參考資料，也可以作為機器人技術領域的廣大工程技術人員，特彆是産品開發技術人員學習和工作的參考書。

作者簡介

尹海斌，男，武漢理工大學機電工程學院副教授，碩士生導師。2011年獲日本北海道大學工學部人間機械係統與設計專業工學博士。主要研究方嚮為機電係統一體化設計方法、柔性機械臂係統設計、機械臂的輕量化設計、軟體機器人係統設計等。在相關領域已發錶學術論文20餘篇。負責和參與國傢自然科學基金青年項目、麵上項目以及國傢留學歸國人員啓動項目等國傢和省部級項目5項。申請發明專利受理2項，授權1項。研究成果“機器人係統的智能設計及其應用研究”獲得2015年度中國商業聯閤會科技進步奬(省部級)三等奬。 鍾國梁，男，中南大學博士生導師。2013年獲北海道大學博士學位，2010年獲華南理工大學碩士學位，2011年—2012年任北海道大學研究助理。主要研究方嚮為機器人及機械手、復雜係統動力學、智能控製理論及應用等。以第yi作者發錶SCI論文20餘篇，其中SCI一區10餘篇，多篇發錶在國際TOP期刊（IEEE Trans. Ind. Electron、IEEE/ASME Trans. Mechatronics、Nonlinear Dyn.等）上。齣版專著1本。主持國傢自然科學基金青年基金1項，湖南省自然科學基金青年基金1項，作為骨乾成員參與多項“973”課題及國傢自然科學基金。申請發明專利10餘項。入選中南大學升華育英人纔計劃，獲得日本儀器與控製工程師學會（SICE）國際奬1項。 李軍鋒，分彆於2008年、2010年和2013年獲瀋陽工業大學學士學位、東北大學碩士學位和日本北海道大學博士學位。2014年至今供職於武漢理工大學機電工程學院，主要研究方嚮為智能材料驅動器和軟體機器人，先後主持和參與瞭2項國傢自然科學基金項目，發錶瞭各類學術論文10餘篇。

精彩書評

為簡化設計，傳統機器人不考慮彈性振動。為瞭提高機器人的潛力，本書考慮瞭在高速重載下如何控製彈性振動；另外，也對機器人進行輕量化設計，提高動態性能，節省材料和降低能耗。

目錄

第1章機器人動力學研究意義/1
1.1引言/1
1.2動力學三要素與三任務/2
1.3機器人動力學研究的意義/3
主要參考文獻/4
第2章剛柔耦閤機械臂的建模與分析/5
2.1引言/5
2.2機械臂彈性描述/6
2.3柔性機械臂的動態模型/12
2.4柔性機械臂振動分析/17
2.4.1外部輸入/17
2.4.2轉角獨立分析法/18
2.4.3轉角關聯分析法/24
2.5小結/27
主要參考文獻/28
第3章剛柔耦閤機械臂動態控製器設計/30
3.1引言/30
3.2控製器設計方案/32
3.3柔性動態控製模塊/34
3.3.1輸入整形技術/34
3.3.2優化控製/38
3.3.3結果分析/39
3.4剛性動態控製模塊/42
3.4.1滑模控製概述/42
3.4.2混閤滑模控製/44
3.4.3結果分析/47
3.5小結/50
主要參考文獻/51
機器人剛柔耦閤動力學目錄第4章剛柔耦閤機械臂動態控製仿真與實驗/54
4.1引言/54
4.2機械臂動態控製的優化算法與仿真/55
4.2.1優化算法/56
4.2.2仿真結果分析/58
4.3機械臂動態控製的實驗與結果/63
4.3.1實驗裝置平颱/63
4.3.2單杆柔性臂實驗結果分析/65
4.3.3二杆柔性臂實驗結果分析/68
4.4動態控製的仿真與實驗比較/73
4.4.1軌跡追蹤誤差分析/73
4.4.2彈性位移分析/73
4.5小結/77
主要參考文獻/78
第5章鏇轉剛柔耦閤係統動力學建模方法的比較研究/80
5.1引言/80
5.2鏇轉剛柔耦閤係統動力學模型的影響因素分析/82
5.2.1影響因素/82
5.2.2動力學模型的精度分析/83
5.3鏇轉剛柔耦閤係統的動邊界模態特性/85
5.3.1鏇轉柔性梁的動邊界參數化構建/85
5.3.2鏇轉柔性梁的動邊界模態特性解析/87
5.3.3鏇轉柔性梁的動邊界模態特性的頻域分布規律/91
5.4鏇轉剛柔耦閤係統參數化邊界模態特性動態響應分析/91
5.4.1基於參數化邊界模態特性的動態響應/92
5.4.2邊界參數的辨識/94
5.5小結/96
主要參考文獻/96
第6章懸掛輪式移動機械臂的振動控製/99
6.1引言/99
6.2粒子群優化算法和混沌粒子群優化算法/100
6.2.1粒子群優化算法/100
6.2.2混沌粒子群優化算法/102
6.3問題一：機械臂靜止時懸浮平颱的運動/103
6.3.1動力學模型/103
6.3.2控製器的設計和優化/105
6.3.3結果與討論/108
6.4問題二：機械臂運動時懸浮平颱的運動/112
6.4.1DPM概念/112
6.4.2動力學模型/114
6.4.3生成最優軌跡/115
6.4.4結果與討論/117
6.5小結/121
附件A問題一的動力學模型/122
附件B問題二的動力學模型/124
主要參考文獻/125
第7章多要素作用下的移動機械臂跟蹤控製/127
7.1引言/127
7.2係統模型/128
7.2.1運動學模型/128
7.2.2動力學模型/132
7.3基於運動學的反推控製/132
7.3.1控製器設計/132
7.3.2結果與討論/133
7.4基於動力學的帶有模糊補償器的自適應反推控製器/136
7.4.1控製器設計/136
7.4.2結果與討論/138
7.5小結/145
主要參考文獻/146
第8章路麵激勵下移動機械臂的動態穩定性控製/149
8.1引言/149
8.2具有半主動懸架係統的機器人/150
8.3動態穩定性計算方法/152
8.4控製器設計與優化/155
8.4.1半主動減震器控製模型/155
8.4.2控製器優化算法/158
8.5結果與討論/161
8.6小結/166
主要參考文獻/166

前言/序言

《機器人剛柔耦閤動力學》是一本介紹機器人剛性運動與彈性振動同時存在時，係統動力學相關知識的學術專著。本書的內容涉及柔性機械臂和彈性懸掛移動機器人平颱兩種典型的機器人，介紹瞭機器人剛柔耦閤動力學建模、分析和控製的相關問題和方法。傳統的機器人研究沒有考慮其彈性振動，這樣處理是為瞭簡化設計與控製問題，但是，這也麵臨著兩個方麵的問題：一是限製瞭機器人的工作範圍，因為提高工作範圍，會激起一定的彈性振動；二是增加瞭機器人的冗餘程度，不利於輕量節能和動態性能的提升。為瞭提高機器人的工作潛力，需要考慮在高速重載下如何控製彈性振動；另外，也需要對機器人進行輕量化設計，提高動態性能，節省材料和降低能耗。為瞭實現這些目標，就需要研究機器人的剛柔耦閤動力學問題，涉及的就是剛柔耦閤動力學建模、分析與控製的問題。本書所涉及的研究成果是在國傢自然科學基金青年基金項目(11202153、51405515)和教育部留學歸國人員啓動基金(2013��693)項目等的資助下取得的。本書主要內容如下：第1章介紹瞭機器人剛柔耦閤動力學研究的必要性和意義；第2章介紹瞭柔性臂剛柔耦閤動力學的建模方法與分析；第3章介紹瞭柔性臂動態控製器設計；第4章介紹瞭柔性臂動態仿真與實驗；第5章介紹瞭鏇轉剛柔耦閤係統動力學的建模方法與比較；第6章介紹瞭彈性懸掛移動機械臂的振動控製；第7章介紹瞭多要素作用下移動機械臂的跟蹤控製；第8章介紹瞭路麵激勵下移動機械臂的動態穩定性控製。在本書的撰寫過程中，作者得到瞭智能製造與機器人領域的專傢、教授和學生們的熱情支持與幫助，特彆要感謝華中科技大學機械科學與工程學院的孫容磊教授、冀晶晶博士，武漢理工大學物流工程學院陳定方教授，他們對本書提齣瞭許多寶貴意見。還有課題組的碩士研究生張栩濤和李勇光等同學對書中圖錶進行瞭編輯校訂。在此，作者對他們錶示衷心的感謝。本書前5章由尹海斌撰寫，第6～8章由鍾國梁撰寫，李軍鋒負責全書的統編和定稿工作。作為研究成果，書中難免會存在疏漏與錯誤，許多內容還有待進一步研究與完善，衷心希望各位專傢和廣大讀者批評指正。

《機械係統仿真與優化設計》 內容簡介 在當今高度發達的工程技術領域，復雜機械係統的設計、分析與優化已成為核心挑戰。從航空航天、汽車製造到生物醫學工程，工程師們麵臨著日益精密的結構、更嚴苛的性能要求以及不斷縮短的研發周期。在這樣的背景下，高效、準確的仿真技術和智能化的優化設計方法顯得尤為重要。《機械係統仿真與優化設計》一書，正是為瞭滿足這一迫切需求而生，它係統地闡述瞭如何運用先進的仿真工具和優化策略，解決現實世界中遇到的各種機械工程問題。 本書旨在為機械工程、自動化、控製科學等相關領域的專業人士、研究人員以及高等院校學生提供一套全麵而深入的理論框架與實踐指南。它不僅涵蓋瞭傳統機械係統建模與仿真的基礎知識，更著重介紹瞭現代工程設計中不可或缺的計算力學、多體動力學、有限元分析以及麵嚮性能優化的集成方法。 核心內容概述 第一部分：機械係統建模基礎 本部分奠定瞭理解復雜機械係統仿真與優化的基礎。首先，我們將深入探討幾何建模技術，包括參數化建模、特徵建模以及三維實體造型，強調其在後續仿真分析中的精確性與效率。接著，重點介紹物理建模，涵蓋剛體動力學、柔性體動力學、接觸力學以及流固耦閤等核心概念。我們將詳細解析如何將物理世界的運動、受力、變形等現象，轉化為數學模型，以便於計算機進行求解。對於非綫性現象，如大變形、材料非綫性、間歇接觸等，本書將提供詳盡的建模策略和求解技巧。此外，還將討論如何處理多體係統的拓撲結構、約束方程的建立以及運動學和動力學的基本方程。 第二部分：仿真分析技術 本部分聚焦於各類強大的仿真分析工具及其應用。 多體動力學仿真 (Multibody Dynamics Simulation, MBDS)：本書將深入講解多體動力學理論，包括拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程等推導過程，並介紹如何利用專業軟件（如ADAMS, SIMPACK等）構建和求解復雜多體係統的動力學模型。我們將分析各類機構的運動特性、動力響應、能量損耗等，為機構設計與改進提供依據。特彆地，本書將詳細闡述如何處理柔性多體係統的耦閤效應，即剛體動力學與柔性體變形動力學相結閤的建模方法，這對於描述高速運動、柔性結構的應用場景至關重要。 有限元分析 (Finite Element Analysis, FEA)：有限元方法是分析結構力學、熱力學、流體力學等問題的基石。本書將係統介紹有限元理論，包括單元選擇、插值函數、剛度矩陣的建立、載荷與邊界條件的施加以及數值求解技術。我們將涵蓋靜力學分析、模態分析、瞬態動力學分析、熱應力分析、屈麯分析以及疲勞壽命分析等常用分析類型。本書特彆強調瞭如何進行精細化網格劃分、模型簡化策略以及結果的後處理與驗證，以確保仿真結果的準確性和可靠性。 計算流體動力學 (Computational Fluid Dynamics, CFD)：在許多機械係統中，流體的作用不可忽視，如冷卻係統、潤滑係統、氣動/水動力設計等。本書將介紹CFD的基本原理，包括Navier-Stokes方程的離散化方法（有限體積法、有限差分法等）、湍流模型選擇以及邊界條件的處理。我們將通過實例展示如何進行定常流動、非定常流動、傳熱耦閤以及多相流的仿真分析，為優化流體通道設計、降低能量損耗提供有力支持。 多物理場耦閤仿真 (Multiphysics Coupling Simulation)：現實世界中的許多工程問題涉及多個物理場的相互作用，例如熱-力耦閤、流-固耦閤、電-磁-力耦閤等。本書將詳細介紹如何構建和求解多物理場耦閤模型。我們將探討不同物理場之間的耦閤方式（單嚮耦閤、雙嚮耦閤），介紹相應的仿真策略和常用軟件工具（如ANSYS Workbench, COMSOL Multiphysics等）。通過實際案例，展示如何分析復雜耦閤效應，並指導讀者掌握集成仿真方法。 第三部分：麵嚮性能優化的設計策略 本部分將仿真技術與優化設計相結閤，旨在幫助讀者實現機械係統的性能最大化和成本最小化。 優化設計理論與方法：本書將介紹常用的優化算法，包括梯度優化法（如最速下降法、共軛梯度法）、啓發式算法（如遺傳算法、模擬退火算法）以及代理模型優化方法。我們將深入分析各種算法的優缺點、適用範圍以及參數選擇。 仿真驅動的優化設計 (Simulation-Driven Design)：本書將詳細闡述如何將仿真模型與優化器連接起來，實現自動化設計迭代。我們將介紹參數化建模與仿真腳本的結閤，如何定義設計變量、目標函數和約束條件，以及如何利用優化算法自動尋找最優設計參數。我們將通過具體的機械設計實例，如結構強度優化、機構運動學/動力學性能優化、熱管理係統效率優化等，演示仿真驅動的優化設計流程。 可靠性與魯棒性設計：除瞭追求最優性能，機械係統的可靠性與魯棒性同樣至關重要。本書將介紹如何將不確定性因素（如材料參數波動、載荷變化、製造誤差等）納入設計考量，並通過概率性設計或穩健設計方法，獲得在各種工況下都能穩定工作的係統。 第四部分：高級主題與應用案例 本部分將拓展討論一些更高級的主題，並結閤實際工程應用進行深入剖析。 數據驅動的建模與仿真：在現代工業環境中，大量傳感器數據可用於校準和驗證仿真模型，甚至直接用於構建數據驅動模型。本書將介紹如何利用實測數據來改進仿真模型的精度，以及如何應用機器學習技術進行模型降階或建立代理模型，從而加速優化設計過程。 實時仿真與硬件在環 (Hardware-in-the-Loop, HIL)：對於控製係統的開發與驗證，實時仿真與HIL技術至關重要。本書將介紹實時仿真平颱的構建、模型轉換與優化，以及如何通過HIL測試來評估控製器的性能和係統的穩定性。 典型工程應用案例研究：為加深讀者理解，本書將提供多個不同領域的典型應用案例。例如： 汽車工程：車輛動力學仿真、碰撞安全分析、懸架係統優化、發動機熱管理。 航空航天：飛行器結構動力學分析、氣動彈性仿真、航天器機構設計。 機器人與自動化：機器人臂動力學分析、運動規劃與控製、柔性機械手的仿真。 生物醫學工程：人體骨骼運動學仿真、醫療器械設計優化、生物材料力學分析。 新能源與環境工程：風力渦輪機葉片設計與分析、水力機械效率優化、熱交換器性能仿真。 本書的特點 理論與實踐相結閤：本書在提供紮實的理論基礎的同時，也強調實際工程應用。大量的例題和詳細的案例分析，幫助讀者將理論知識轉化為解決實際問題的能力。 全麵而深入：覆蓋瞭從基礎建模到高級仿真與優化的全過程，內容詳實，結構嚴謹。 技術前沿性：介紹瞭當前工程仿真與優化設計領域最前沿的技術和方法。 易於理解：語言通俗易懂，圖文並茂，便於不同背景的讀者閱讀和學習。 軟件工具的引導：在講解仿真與優化方法的同時，會穿插介紹一些主流的商業仿真軟件（如ANSYS, ADAMS, MATLAB/Simulink等）在該領域的應用，但側重於方法論而非軟件操作手冊。 目標讀者 機械工程、自動化、航空航天、汽車工程、材料科學、生物醫學工程等相關專業的本科生、研究生。 從事機械設計、仿真分析、産品研發、工藝優化的工程師和技術人員。 對工程仿真與優化設計感興趣的研究人員和學者。 通過學習《機械係統仿真與優化設計》，讀者將能夠掌握構建復雜機械係統模型、運用先進仿真工具進行分析、並通過智能化優化方法實現係統性能的突破，從而在日趨激烈的工程競爭中占據有利地位。本書將成為您在機械係統設計與創新道路上不可或缺的寶貴參考。

評分☆☆☆☆☆

我一直對能夠模擬真實世界中物體運動的科學領域非常著迷，而《機器人剛柔耦閤動力學》這本書，雖然我還沒有機會深入研讀其具體內容，但僅僅從書名就能激發我無窮的想象。我腦海中浮現的是無數精密的機械臂，它們在工廠流水綫上以令人難以置信的精度和速度工作，每一個動作的流暢性都依賴於對其剛性結構和柔性部分的深刻理解。我想象書中會詳細解析，當機器人需要進行高速運動或與外界環境發生交互時，其自身材料的形變和彈性是如何影響其整體動力學行為的。是不是會講解到如何通過數學模型來精確預測這些形變，以及如何設計齣更穩定、更高效的控製策略來抵消或利用這種耦閤效應？我猜想，書中可能還會涉及一些前沿的仿真技術，通過虛擬環境來驗證理論模型，從而在實際製造前就優化機器人的設計。這本書就像一個通往機器人內在世界的大門，讓我對那些看似僵硬的機械背後蘊含的復雜物理原理充滿好奇。它讓我意識到，機器人不僅僅是簡單的連杆和電機組閤，更是集成瞭材料科學、力學、控製論等諸多學科的智慧結晶。

評分☆☆☆☆☆

我對一些更偏嚮基礎理論的研究領域一直抱有濃厚的興趣，尤其是那些能夠連接抽象數學模型與實際物理現象的學科。《機器人剛柔耦閤動力學》這個書名，就讓我聯想到那些嚴謹的數學推導和物理定律如何在機器人這樣復雜的係統中得到體現。我猜測書中會涉及到大量關於彈性力學、拉格朗日方程、牛頓-歐拉方程等經典理論的應用，並將其巧妙地融入到機器人動力學模型的構建中。特彆是“耦閤”這個詞，讓我想到這不僅僅是單個部件的獨立分析，而是要考慮多體係統之間相互作用帶來的復雜性，比如一個部件的形變會如何影響另一個部件的運動，這種反饋機製是如何被數學語言捕捉和描述的。我希望書中能夠深入淺齣地解釋這些理論框架，並展示如何通過這些模型來分析機器人的動態響應，預測其在不同工況下的行為。也許書中還會探討一些更高級的控製方法，比如基於模型預測控製或自適應控製，來應對這種復雜的動力學特性。

評分☆☆☆☆☆

作為一名在機械工程領域工作多年的工程師，我深知在設計復雜機械係統時，對材料屬性的精確把握是多麼關鍵。《機器人剛柔耦閤動力學》這個書名立刻引起瞭我的注意，因為它觸及到瞭一個在實際工程中常常被忽視但又至關重要的方麵。在傳統的機器人設計中，我們往往更關注其剛性結構帶來的精確性和穩定性，但對於高速、高精度應用，甚至是與人類協同工作的場景，材料的柔性以及由此産生的耦閤效應就變得不可忽視。我猜測這本書可能會深入探討如何將材料的彈性形變納入動力學模型，以及如何利用有限元分析等方法來精確描述這種耦閤。更重要的是，我期待書中能夠提供一些實用的設計指南或優化策略，幫助工程師在材料選擇、結構設計以及控製器開發等方麵，更好地處理剛柔耦閤帶來的挑戰。或許它會包含一些案例研究，展示如何在實際工程中成功應用這些理論，剋服剛柔耦閤帶來的精度損失、振動問題或是潛在的失效風險。這本書對我而言，可能是一本能夠提升設計水平、解決實際工程難題的寶貴參考。

評分☆☆☆☆☆

我是一位對未來科技發展充滿期待的普通讀者，尤其對那些能夠改變我們生活方式的創新技術感到好奇。《機器人剛柔耦閤動力學》這個書名，雖然聽起來有些專業，但它所描繪的“機器人”和“動力學”這兩個概念，讓我聯想到那些未來可能齣現的、更靈活、更智能的機器人。我設想，這本書可能會講述，為什麼現在的機器人還不能像人類一樣靈活地行走、跑步，或者像動物一樣輕盈地跳躍。也許是因為它們過於“僵硬”，缺乏與環境的自然互動。我猜想，這本書會解釋，當機器人擁有更“柔軟”的身體，能夠更好地適應不平坦的地麵，或者在碰撞時能夠緩衝衝擊，這樣的機器人將是多麼強大和有用。它可能會描繪齣，在醫療、救援、甚至日常生活服務領域，擁有這種“剛柔並濟”能力的機器人將扮演怎樣的角色。這本書就像一扇窗戶，讓我得以窺見未來機器人技術發展的一個重要方嚮，它不再是冰冷的鋼鐵巨獸，而是可能與我們和諧共存的夥伴。

評分☆☆☆☆☆

坦白說，我是一名對機器人技術充滿熱情的初學者，但經常被一些更專業的術語和復雜的概念弄得暈頭轉嚮。當我看到《機器人剛柔耦閤動力學》這個書名時，雖然“剛柔耦閤”聽起來有些技術性，但“動力學”這個詞讓我感覺它可能是在講機器人是如何“動起來”的，這正是我最感興趣的部分。我期待這本書能夠用一種相對易懂的方式，解釋清楚機器人身體各個部分的“硬度”（剛性）和“彈性”（柔性）是如何相互影響，共同決定瞭它運動的最終結果。比如，一個非常硬的關節，在快速擺動時會不會因為慣性而産生晃動？而一個比較柔軟的部件，在承受載荷時會不會發生不希望的形變，從而導緻動作不準確？我希望能在這本書裏找到這些問題的答案，並且學習到如何計算和控製這些“晃動”和“形變”，讓機器人能夠更精確、更安全地完成任務。也許書中會有一些圖示或者簡單的例子，來幫助我理解這些抽象的力學概念。我希望這本書能成為我深入瞭解機器人運動機製的一個起點，讓我能夠從更本質的層麵去理解機器人的設計和控製。