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第1章 引言 1

1.1什么是机器人 1

1.2机器人部件 2

1.3机器人的自由度 4

1.4机器人分类 7

1.4.1串联机器人 7

1.4.2并联机器人 10

1.4.3缆线驱动并联机器人 13

1.5本书的目标和范围 16

第2章 运动表示 17

2.1空间运动表示 17

2.1.1点的位置 17

2.1.2刚体的姿态 18

2.2刚体的运动 30

2.3齐次变换 31

2.3.1齐次坐标 31

2.3.2齐次变换矩阵 32

2.3.3螺旋位移 33

2.3.4变换运算 34

习题 38

第3章 运动学 42

3.1简介 42

3.2封闭环方法 43

3.3并联机器人的运动学分析 44

3.3.1机械机构描述 44

3.3.2机械臂的几何结构 44

3.3.3逆向运动学 45

3.3.4正向运动学 45

3.3.5仿真 47

3.4肩部机械臂的运动学分析 48

3.4.1机械机构描述 48

3.4.2机械臂的几何结构 49

3.4.3逆向运动学 50

3.4.4正向运动学 51

3.4.5仿真 52

3.5 SGP的运动学分析 53

3.5.1机械描述 53

3.5.2机械臂的几何结构 54

3.5.3逆向运动学 54

3.5.4正向运动学 55

3.5.5仿真 61

习题 65

第4章 雅可比矩阵：速度和静力 74

4.1简介 74

4.2角速度与线速度 74

4.2.1刚体的角速度 74

4.2.2点的线速度 76

4.2.3螺旋坐标系 77

4.3并联机械臂雅可比矩阵 78

4.4速度回路 79

4.5并联机械臂的奇异性分析 80

4.5.1逆运动学奇异性 80

4.5.2正运动学奇异性 80

4.5.3混合奇异性 81

4.6平面机械臂雅可比矩阵分析 81

4.6.1速度回路 81

4.6.2奇异性分析 83

4.6.3灵敏度分析 84

4.7肩部机械臂雅可比矩阵分析 85

4.7.1速度回路 85

4.7.2奇异性分析 87

4.8 SGP雅可比矩阵分析 88

4.8.1速度回路 88

4.8.2奇异性分析 89

4.9并联机械臂的静态力 93

4.9.1自由体图解法 93

4.9.2虚功法 94

4.9.3平面机械臂的静态力 95

4.9.4肩部机械臂的静态力 96

4.9.5 SGP的静态力 97

4.10并联机械臂的刚度分析 98

4.10.1刚度和柔度矩阵 98

4.10.2变换椭球体 99

4.10.3平面机械臂的刚度分析 101

4.10.4肩部机械臂的刚度分析 102

4.10.5 SGP的刚度分析 103

习题 105

第5章 动力学 111

5.1简介 111

5.2刚体的动力学综述 112

5.2.1刚体加速度 112

5.2.2质量特性 114

5.2.3动量和动能 115

5.2.4牛顿-欧拉法则 116

5.2.5变质量系统 117

5.3牛顿-欧拉方程 119

5.3.1平面机械臂的动力学方程：质量恒定处理方式 119

5.3.2平面机械臂的动力学方程：变质量处理方式 127

5.3.3 SGP的动力学方程 131

5.3.4封闭式动力学 137

5.4虚功方程 147

5.4.1 D’Alembert原理 147

5.4.2虚功原理 148

5.4.3平面机械臂的动力学方程：质量恒定处理方式 150

5.4.4公式验证 151

5.4.5平面机械臂的动力学方程：变质量处理方式 152

5.4.6 SGP动力学方程 153

5.5拉格朗日公式 155

5.5.1广义坐标 155

5.5.2拉格朗日等式第二种形式 156

5.5.3拉格朗日等式第一种形式 157

5.5.4动力学方程性质 158

5.5.5平面机械臂的动力学方程 163

5.5.6 SGP的动力学分析 169

习题 174

第6章 运动控制 179

6.1简介 179

6.2控制器架构 179

6.3工作空间运动控制 182

6.3.1分散PD控制 182

6.3.2前馈控制 183

6.3.3逆动力学模型控制 184

6.3.4部分线性化IDC 186

6.4鲁棒和自适应控制 188

6.4.1鲁棒的逆动力学模型控制 188

6.4.2自适应逆动力学模型控制 192

6.5关节空间运动控制 194

6.5.1关节空间动力学方程 194

6.5.2分散PD控制 195

6.5.3前馈控制 196

6.5.4逆动力学模型控制 197

6.6运动控制方法总结 198

6.6.1动力学模型 199

6.6.2分散PD控制 199

6.6.3前馈控制 199

6.6.4逆动力学模型控制 199

6.6.5部分线性化IDC 200

6.6.6鲁棒的逆动力学控制 200

6.6.7自适应逆动力学控制 200

6.7冗余分解 201

6.7.1简介 201

6.7.2问题的提出 202

6.7.3拉格朗日和Karush-Kuhn-Tucker乘子 204

6.7.4迭代求解 206

6.8平面机械臂的运动控制 209

6.8.1分散PD控制 210

6.8.2前馈控制 215

6.8.3逆动力学控制 218

6.8.4部分线性化IDC 222

6.8.5鲁棒IDC控制 223

6.8.6自适应IDC控制 225

6.8.7关节空间运动控制 228

6.9 SGP运动控制 229

6.9.1分散PD控制 230

6.9.2前馈控制 234

6.9.3逆动力学控制 236

6.9.4部分线性化IDC 240

6.9.5鲁棒IDC 241

6.9.6关节空间中的运动控制 243

习题 255

第7章 力控制 261

7.1简介 261

7.2控制器方案 262

7.2.1串级控制 263

7.2.2外环力反馈 264

7.2.3内环力反馈 265

7.3刚度控制 267

7.3.1单自由度刚度控制 268

7.3.2通用刚度控制 270

7.3.3平面机械臂的刚度控制 273

7.3.4 SGP的刚度控制 277

7.4直接力控制 283

7.4.1平面机械臂的力控制 286

7.4.2 SGP的力控制 289

7.5阻抗控制 296

7.5.1阻抗 296

7.5.2阻抗控制的概念 298

7.5.3阻抗控制结构 300

7.5.4平面机械臂的阻抗控制 302

7.5.5 SGP的阻抗控制 306

习题 311

附录A线性代数 319

附录B轨迹规划 326

附录C非线性控制 331

参考文献 335