机器人机构学基础

本书以典型的串、并联机器人机构为对象，沿袭传统机构学研究的三大经典主题——结构学、运动学、动力学，展开有关“型”“性”“度”分析与设计方面的阐述。 全书共10章。第1章为绪论。第2、3章为全书提供数理基础。第4章介绍常见的机器人机构，为其他各章提供对象。第5章是串联机器人的运动学基础理论，主要介绍两种常用的位移求解方法：一种是基于D-H参数法的代数法，另一种是基于指数积公式的几何法。第6章主要介绍串联机器人速度雅可比的概念与求解方法，以及几种典型的基于速度雅可比的性能评价指标。第7章简单介绍少许与并联机器人运动学相关的基础知识。第5～7章内容均属于机器人运动学的研究范畴。第8、9章分别简要介绍机器人静力学与动力学的基础知识，其中也涉及少许刚性、柔性机器人静刚度建模的方法。第10章则结合一个典型案例，给出机器人机构设计过程中遵循的一般过程。 本书可作为机器人工程专业的高年级本科生教材或研究生教材，也可作为相关科研人员与工程技术人员的参考用书。本书配有精美课件，请选用本书的教师登录机械工业出版社教育服务网(www.cmpedu.com)下载。

前言 符号表 第1章绪论 1.1机器人的起源与发展 1.2机器人机构学的诞生 1.3章节安排与内容导读 习题 第2章数学知识 2.1坐标系与三维向量的运算 2.1.1坐标系与点的坐标表示 2.1.2三维向量及其运算 2.2矩阵与线性空间 2.2.1矩阵及其运算 2.2.2线性空间与线性变换 2.2.3雅可比的概念 2.3*线几何 2.3.1欧氏几何、射影几何与齐次坐标 2.3.2线矢量 2.3.3Grassmann线几何 2.4*旋量与旋量系 2.4.1旋量、线矢量与偶量 2.4.2旋量的基本运算 2.4.3旋量系 本章小结 扩展阅读文献 习题 第3章位姿描述与刚体运动 3.1刚体的位姿描述 3.2刚体运动与刚体变换 3.2.1坐标（系）映射 3.2.2典型的刚体运动与刚体变换 3.2.3复合变换与连续变换 3.2.4自由矢量的变换 3.3姿态的其他描述方法 3.3.1欧拉角 3.3.2R-P-Y角 3.3.3等效轴-角 3.3.4单位四元数 3.3.5不同姿态描述之间的对比及映射关系总结 3.4*运动旋量与刚体运动 3.4.1基于等效轴-角表示的齐次变换推导 3.4.2螺旋运动与螺旋变换 3.5刚体速度 3.5.1线速度、角速度的表示及物理意义 3.5.2*刚体速度的描述与速度旋量 3.6*力旋量 3.6.1力旋量的定义 3.6.2约束力旋量 本章小结 扩展阅读文献 习题 第4章机器人机构 4.1机器人机构的基本组成 4.1.1机构的基本组成元素：构件与运动副 4.1.2运动链、机构与机器人 4.1.3机器人机构的表示 4.2机器人机构的简单分类 4.3串联机器人机构 4.3.1手臂机构 4.3.2手腕机构 4.3.3机器人手爪 4.4并/混联机器人机构 4.5移动机器人机构 4.5.1轮式移动机器人机构 4.5.2足式移动机器人机构 4.6机器人的自由度 4.6.1与自由度相关的几个基本概念 4.6.2自由度计算公式 4.7驱动、传动机构 4.7.1常用的驱动器 4.7.2传动机构与机器人用减速器 4.8与机器人机构相关的性能描述 本章小结 扩展阅读文献 习题 第5章串联机器人的位移分析 5.1位移分析的主要任务及意义 5.2位移分析的基本原理与基本方法 5.2.1基本原理：闭环方程 5.2.2基本方法：解析法与数值法 5.3D-H参数与串联机器人的正运动学求解 5.3.1D-H参数法的由来 5.3.2前置坐标系下的D-H 参数 5.3.3前置坐标系下的D-H 矩阵 5.3.4基于改进D-H 参数法的串联机器人位移分析 5.3.5标准D-H 参数法与串联机器人的正运动学求解 5.4关节空间、任务空间与驱动空间 5.5串联机器人的位移反解 5.6*串联机器人位移求解的指数积公式 5.6.1位移正解的指数积公式 5.6.2位移反解的指数积公式 5.7机器人的工作空间 本章小结 扩展阅读文献 习题 第6章串联机器人的速度雅可比与性能评价 6.1速度分析的主要任务及意义 6.2递推法计算串联机器人的末端速度 6.3速度雅可比的定义 6.4串联机器人速度雅可比的其他计算方法 6.4.1基于D-H参数的微分变换法 6.4.2*基于指数积公式的求解方法 6.4.3*螺旋运动方程 6.4.4*参考坐标系的选择 6.5基于速度雅可比的性能分析与评价 6.5.1奇异性分析 6.5.2灵巧性分析 本章小结 扩展阅读文献 习题 第7章并联机器人运动学基础 7.1并联机器人的主要应用 7.2并联机器人的位移分析 7.2.1求解方法概述 7.2.2典型实例分析 7.3并联机器人的速度雅可比 7.3.1位移方程直接求导法（直接微分法） 7.3.2*旋量法 7.4并联机器人的奇异性 7.4.1奇异的分类概述 7.4.2奇异的求解方法 本章小结 扩展阅读文献 习题 第8章机器人静力学与静刚度分析 8.1机器人静力学与静刚度分析的主要任务与意义 8.2静力平衡方程 8.3静力雅可比 8.3.1静力雅可比矩阵的定义 8.3.2广义速度、广义力与雅可比在不同坐标系间的变换 8.3.3力椭球 8.3.4静力雅可比与速度雅可比之间的对偶性 8.4柔度与变形 8.4.1刚度与柔度 8.4.2*基于旋量理论的空间柔度矩阵建模 8.4.3*柔度矩阵的坐标变换 8.5刚性机器人的静刚度建模 8.5.1串联机器人的静刚度映射 8.5.2并联机器人的静刚度映射 8.5.3柔度矩阵与力椭球 8.6*柔性机器人的静刚度建模 本章小结 扩展阅读文献 习题 第9章机器人动力学基础 9.1机器人动力学建模的目的与意义 9.2刚体的惯性 9.3基于拉格朗日方程的机器人动力学建模 9.3.1一般质点系的拉格朗日方程 9.3.2串联机器人的拉格朗日方程 9.3.3*基于指数积公式的机器人动力学方程 9.4基于牛顿-欧拉方程的动力学建模 9.4.1一般刚体运动的牛顿-欧拉方程 9.4.2前置坐标系下串联机器人的牛顿-欧拉公式 9.4.3后置坐标系下串联机器人的牛顿-欧拉公式 本章小结 扩展阅读文献 习题 第10章机器人机构的设计 10.1一般设计流程 10.2构型设计 10.2.1枚举法 10.2.2演化法 10.2.3组合法 10.2.4其他方法 10.3参数设计及优化 10.3.1基于目标函数的优化设计方法 10.3.2基于性能图谱的优化设计方法 10.4设计实例：大行程XY柔性纳米定位平台的设计 10.4.1平台的应用背景及性能指标 10.4.2平台的构型设计 10.4.3平台的参数设计及优化 10.4.4样机开发与性能测试 本章小结 扩展阅读文献 习题