机器人多体动力学基础

凝聚作者多年教学研究成果，体现原创，内容适合机器人工程专业高年级本科生或一年级研究生，也可供从事此方面教学与研究的教师及科研工作者参考。

本书以多体系统动力学为核心，对多刚(柔)体机器人系统的动态特性进行研究。本书系统地阐述了机器人系统运动学及动力学模型的构建方法；以2杆轮式线弹性-阻尼悬架移动机械手为例，对多刚(柔)体系统运动学、动力学、系统稳定性研究及系统动力学数值仿真做了详细介绍。本书主要面向从事系统动力学研究的科研技术人员，可为系统动态特性分析及系统优化提供有价值的参考素材，也适用于机械领域的研究生，可作为系统动力学方面的参考书籍。

杨玉维，男，博士，天津理工大学副教授，机械工程学报审稿人、天津市滨海新区知识产权专家、鑫泉超维（天津）机电科技有限公司技术总监 。主要从事多刚/柔体动力学、生物力学、机器人（移动机械手与串/并联机器人）技术、机电传动与控制等方面的研究工作。先后在天津市自然科学基金一般和重点项目、国家自然科学基金项目等的资助下，开展了并联机械手和移动机械手多体动力学相关理论和工程应用的研究，已发表论文30余篇，SCI、EI收录多篇。

第1章概述(1)
1.1多体系统(1)
1.2体坐标系与全局坐标系(4)
1.3质点力学(5)
1.3.1质点运动学(6)
1.3.2质点动力学(8)
1.4刚体力学(8)
1.4.1运动学方程(9)
1.4.2刚体动力学(11)
1.5可变形/柔性体(11)
1.6运动约束(13)
1.7数值仿真模型和坐标普适性选择(16)
1.8本书的目的和范围(18)
第2章多体系统运动学(20)
2.1变换矩阵(20)
2.1.1变换矩阵的推导(21)
2.1.2欧拉参数(23)
2.1.3广义位移(24)
2.2变换矩阵的性质(26)
2.2.1变换矩阵的正交性(26)
2.2.2另一种形式的变换矩阵(27)
2.3连续转动(29)
2.3.1变换矩阵的指数形式(29)
2.3.2单坐标系法(30)
2.3.3多坐标系法(32)
2.3.4无穷小转动(34)
2.4速度方程(35)
2.4.1角速度和姿态参数(36)
2.4.2广义位移(38)
2.4.3相对角速度(41)
2.5加速度及其重要性质(41)
2.5.1角加速度矢量(42)
2.5.2广义位移(42)
2.5.3欧拉参数的重要性质(43)
2.6罗德里格斯参数(44)
2.6.1与欧拉参数之间的关系(45)
2.6.2角速度矢量(46)
2.7欧拉角(47)
2.7.1角速度矢量(48)
2.7.2与欧拉参数之间的关系(49)
2.7.3另一种顺序(51)
2.8方向余弦(51)
2.94×4变换矩阵(54)
2.9.1相对运动(55)
2.9.2Denavit-Hatenberg变换(57)
2.10不同姿态坐标之间的关系(60)
2.11基于多体运动学的六足复合运动模式机器人爬行运动学轨迹仿真研究(61)
2.12本章小结(65)
第3章多体系统动力学(66)
3.1广义坐标和运动学约束(66)
3.1.1参考坐标(67)
3.1.2运动学约束(68)
3.1.3简单非完整系统(71)
3.2自由度和广义坐标分块(72)
3.2.1广义坐标分块(73)
3.2.2解释性例子(74)
3.3虚功和广义力(79)
3.3.1静平衡(79)
3.3.2动平衡(83)
3.3.3刚体的广义力(85)
3.3.4受约束运动(88)
3.4拉格朗日动力学(88)
3.4.1动力学方程的形式(91)
3.4.2嵌入法(92)
3.4.3增广形式(93)
3.5刚体动力学应用(93)
3.5.1消除约束力(95)
3.5.2使用冗余坐标(97)
3.6变分法(98)
3.7多变量欧拉方程(103)
3.6.1哈密顿原理(104)
3.6.2保守力(105)
3.8刚体系统的运动方程(108)
3.8.1运动学方程(108)
3.8.2刚体的质量矩阵(110)
3.8.3动力学方程(112)
3.9牛顿-欧拉方程(113)
3.9.1动力学方程的总结(114)
3.9.2二次速度矢量(114)
2.9.3广义力和主动力(115)
3.9.4牛顿-欧拉矩阵方程(115)
3.10基于多体动力学的五连杆运动学及动力学仿真(116)
3.10.1运动学及动力学建模(116)
3.10.2数值仿真(118)
3.10.3运动学程序(120)
3.10.4动力学程序(124)
3.11本章小结(126)
第4章2杆轮式线弹性-阻尼悬架移动刚体机械手运动学、动力学、静力学研究与仿真
(129)
4.1引言(129)
4.22杆轮式悬架移动机械手运动学、动力学、静力学分析(130)
4.2.1系统运动学分析(132)
4.2.2系统动力学分析(134)
4.2.3系统静力学研究与移动载体参数的确定(140)
4.2.42杆轮式移动刚性机械手动力学数值仿真(140)
4.3本章小结(147)
4.4参考文献(147)
第5章基于浮动坐标法的轮式悬架移动柔性机械手运动学、动力学及静力学研究与仿真
(150)
5.1引言(150)
5.22杆轮式线弹性-阻尼悬架移动刚-柔性机械手运动学、动力学及静力学研究
(151)
5.2.1系统运动学分析(151)
5.2.2系统动力学分析(154)
5.2.3系统静力学研究与移动载体参数的确定(157)
5.3系统静力学、动力学数值仿真(158)
5.3.1系统静力学研究与移动载体参数的确定(158)
5.3.2系统动力学数值仿真(161)
5.4本章小结(169)
5.5参考文献(170)
第6章基于有限元法2杆轮式悬架移动柔性机械手运动学、动力学及静力学研究与仿真(173)
6.1引言(173)
6.22杆轮式线弹性-阻尼悬架移动柔性机械手运动学、动力学及静力学研究(174)
6.2.1系统运动学分析(174)
6.2.2系统动力学分析(177)
6.2.3系统静力学研究与移动载体参数的确定(180)
6.3系统静力学、动力学数值仿真(180)
6.3.1系统静力学数值仿真与移动载体参数的确定(180)
6.3.2系统动力学数值仿真(181)
6.4本章小结(194)
6.5参考文献(194)
第7章轮式悬架移动机械手动力学稳定性研究与仿真(195)
7.1引言(195)
7.2轮式移动机械手稳定性分析(198)
7.2.12杆轮式线弹性-阻尼悬架移动刚性机械手稳定性分析(198)
7.2.2轮式移动机械手动力学稳定性数值仿真(200)
7.2.3基于浮动坐标法的2杆轮式线弹性-阻尼悬架移动刚-柔性机械手稳定性分析(203)
7.2.42杆轮式悬架移动刚-柔性机械手动力学稳定性数值仿真(204)
7.2.5基于有限元法的2杆轮式线弹性-阻尼悬架移动柔性机械手稳定性分析(206)
7.2.62杆轮式悬架移动刚性、刚-柔性、柔性机械手动力学稳定性数值仿真(206)
7.3本章小结(208)
7.4参考文献(208)
第8章2杆轮式移动刚-柔性机械手逆动力学、静力学研究与仿真(210)
8.1引言(210)
8.22杆轮式移动刚-柔性机械手正动力学、逆动力学、静力学分析与推导(211)
8.2.1系统正动力学分析(213)
8.2.2系统相对动力学分析(214)
8.2.3逆动力学频域求解(214)
8.2.4时域内驱动力矩修正与误差分析(215)
8.2.5系统静力学研究(215)
8.3逆动力学数值仿真(216)
8.4本章小结(224)
8.5参考文献(224)
第9章结论(227)