串并联机构耦合分析与控制

随着机器人技术的不断成熟与完善，精度依旧是评价多自由度混联机构的重要指标，也是多自由度混联机构在高端机械领域能否被应用的性能指标。由于串并联机构在运动过程中碰撞和磨损导致运动副产生径向间隙，且并联机构存在耦合特性，导致无法清晰分析五自由度串并联机构在运动过程中产生误差的本质。而市面上的书籍尚未很好的阐述串并联机构耦合机理及控制。基于此，开发本书。本书以五自由度串并联机构为背景，对五自由度串并联机构中耦合误差的问题展开研究，包括：（1）串并联机构构型综合；（2）串并联机构运动学建模；（3）串并联机构耦合误差建模；（4）串并联机构机电耦合建模；（5）串并联机构耦合控制；（6）串并联机构实验研究。本书适合从事机构学、机器人学研究的工程技术人员与高等院校相关专业的师生参考阅读。

本书系统介绍了串并联机构耦合分析与控制的主要技术，内容包括对串并联机构构型综合耦合分析、运动学耦合分析、耦合误差分析、机电耦合分析及耦合控制，最后，从多个角度对串并联机构在工程实际中的应用进行了实验验证。
本书可供从事串并联机构和机器人控制相关研究的科研人员和工程技术人员阅读参考，也可作为相关专业的研究生或高年级本科生的教材使用。

姚禹，女，博士研究生，长春工业大学副教授。主持国家自然科学基金青年基金项目1项，吉林省科技厅项目1项，吉林省教育厅项目2项，参与国家及省级项目7项。发表期刊论文20余篇，其中以一作或通讯作者发表SCI收录7篇(2区论文1篇，3区论文1篇)，EI收录6篇。ISATransactions(SCI2区)、自动化学报(EI)等期刊审稿人。获得吉林省自然科学学术成果奖二等奖(一完成人)。获吉林省教学成果奖二等奖1项，校一等奖1项。获得2019年吉林省吉林青年工匠提名人选。

第1章 绪论 001
1.1 串并联机构发展综述 001
1.1.1 串联机构发展现状分析 001
1.1.2 并联机构发展现状分析 002
1.1.3 串并联机构发展现状分析 002
1.2 串并联机构耦合分析与控制发展综述 003
1.2.1 串并联机构构型耦合发展现状分析 003
1.2.2 串并联机构运动学耦合发展现状分析 004
1.2.3 串并联机构耦合误差发展现状分析 005
1.2.4 串并联机构耦合控制发展现状分析 007
1.3 串并联机构应用发展综述 009
1.4 本书的结构安排 012

第2章 串并联机构构型综合耦合分析 014
2.1 概述 014
2.2 串并联构型理论基础分析 014
2.2.1 单开链单元分析 014
2.2.2 方位特征集分析 019
2.3 串并联机构设计 020
2.3.1 并联机构设计 021
2.3.2 串联机构设计 024
2.4 本章小结 025

第3章 串并联机构运动学耦合分析 026
3.1 概述 026
3.2 并联机构关节坐标系的建立 026
3.3 位置正解分析 027
3.3.1 并联机构正解 027
3.3.2 串联机构正解 029
3.3.3 串并联机构位置正解 030
3.4 位置逆解分析 030
3.4.1 串联机构逆解 030
3.4.2 并联机构逆解 031
3.4.3 串并联机构位置逆解 032
3.5 并联机构速度分析 033
3.6 串并联机构末端速度分析 034
3.7 串并联机构运动仿真分析 036
3.8 本章小结 041

第4章 串并联机构耦合误差分析 042
4.1 概述 042
4.2 并联机构耦合误差建模 042
4.2.1 并联机构支链运动误差模型 042
4.2.2 并联机构耦合误差模型 046
4.3 串联机构误差模型 047
4.4 串并联机构耦合误差模型 048
4.5 串并联机构耦合误差仿真分析 048
4.5.1 并联机构耦合误差仿真分析 048
4.5.2 串并联机构轨迹耦合误差分析 058
4.6 本章小结 067

第5章 串并联机构机电耦合分析 068
5.1 概述 068
5.2 复杂机电系统机电耦合问题的提出及分析 068
5.2.1 串并联机构全局机电耦合分析 069
5.2.2 串并联机构电动机局部机电耦合分析 070
5.2.3 串并联机构机电耦合参数提取 073
5.3 串并联机构机电耦合建模 074
5.3.1 串并联机构电动机的建模 075
5.3.2 串并联机构传动系统建模 077
5.3.3 串并联机构机电耦合数学模型 078
5.4 串并联机构控制器的设计 079
5.4.1 串并联机构电流环控制器的设计 079
5.4.2 串并联机构速度环控制器的设计 081
5.4.3 串并联机构控制系统位置环控制器的设计 083
5.5 串并联机构机电耦合模型仿真分析 084
5.5.1 耦合对控制器参数影响的仿真分析 087
5.5.2 扰动对串并联机构系统性能影响的仿真分析 090
5.6 本章小结 092

第6章 串并联机构耦合控制 094
6.1 概述 094
6.2 串并联机构扩展卡尔曼滤波算法设计 094
6.2.1 卡尔曼滤波算法的引入 095
6.2.2 串并联机构扩展卡尔曼滤波设计 097
6.2.3 仿真性能分析 099
6.3 串并联机构强跟踪滤波算法设计 101
6.3.1 强跟踪滤波算法的引入 101
6.3.2 串并联机构强跟踪滤波设计 102
6.3.3 性能仿真分析 104
6.4 串并联机构新型强跟踪滤波算法设计 106
6.4.1 强跟踪滤波算法机理分析及存在的问题 106
6.4.2 对称强跟踪滤波算法的提出 106
6.4.3 具有误差因子的改进强跟踪滤波算法的提出 107
6.4.4 仿真性能分析 109
6.5 本章小结 112

第7章 串并联机构耦合分析与控制实验 113
7.1 概述 113
7.2 串并联机构耦合误差实验 113
7.2.1 实验平台搭建 113
7.2.2 串并联机构末端位置误差实验 116
7.3 串并联机床耦合控制实验 120
7.3.1 串并联数控机床加工实验平台 120
7.3.2 串并联数控机床加工精度实验 123
7.3.3 串并联数控机床表面精度实验 126
7.4 本章小结 128

参考文献 130