非完整机器人的原理与控制

出版时间：1970-1  出版社：科学出版社  作者：谭跃刚  页数：168  

内容概要

由谭跃刚编著的《非完整机器人的原理与控制》主要介绍非完整机器人的机构原理与控制方法，强调机器人机构学与控制理论的结合，提出了基于非完整约束机构模型与控制模型映射关系的可控欠驱动机器人机构设计的方法。书中内容是根据作者在非完整机器人领域的研究成果撰写的。全书共分9章，内容包括：非完整机器人的基本问题和基础知识、非完整约束机构及其运动传递特性、可控非完整机器人的机构原理和控制方法等。《非完整机器人的原理与控制》着眼于对问题的理解，力图用通俗的语言诠释非完整机器人的机构原理与控制方法，突出非完整机器人的新机构。
《非完整机器人的原理与控制》适合于机械设计及理论、机械电子工程、控制理论等相关专业的研究生及科研工作者阅读，也可供从事机器人设计和应用的工程技术人员参考。

书籍目录

前言
第1章  绪论
  1.1 非完整约束与非完整系统
  1.2 非完整机器人
  1.3 非完整机器人的基础问题
    1.3.1 机器人的“非完整性”判别
    1.3.2 非完整机器人的可控性
    1.3.3 非完整机器人的运动规划
  1.4 非完整机器人的研究综述
    1.4.1 非完整机器人特性的研究综述
    1.4.2 非完整运动规划与控制的研究综述
    1.4.3 新型非完整机器人的研究综述
  1.5 本书内容概述
  参考文献
第2章  非完整系统的基本特性
  2.1 非完整系统的约束特性
  2.2 约束的非完整性判别
  2.3 非完整系统的可控性
  2.4 非完整系统的控制与链式变换
    2.4.1 非完整系统的控制
    2.4.2 链式变换
    2.4.3 链式变换的特性
  2.5 非完整系统的动力学方程
    2.5.1 非完整系统的哈密顿原理
    2.5.2 非完整系统的典型动力学方程
  2.6 本章小结
  参考文献
第3章  非完整约束机构的原理
  3.1 非完整约束机构的结构模型
  3.2 非完整约束机构的运动模型及其特性
    3.2.1 非完整约束机构的运动模型
    3.2.2 非完整运动传递机构的主要特性
  3.3 非完整约束机构的运动学分析
    3.3.1 圆盘转动为机构运动的输入
    3.3.2 转盘转动为机构运动的输入
  3.4 非完整约束机构的动力学特性
  3.5 本章小结
  参考文献
第4章  面向控制的非完整机器人机构的理论设计
  4.1 可控非完整机器人机构的设计思想
  4.2 开链式非完整机器人机构的理论设计
    4.2.1 机器人的关节结构与运动传递关系
    4.2.2 机器人的结构
  4.3 开链式非完整机器人的运动学模型
  4.4 开链式多关节机器人的可控性和非完整性
  4.5 并链式可控非完整机器人机构的理论设计
    4.5.1 能量主传递链的设计
    4.5.2 并链式非完整机器人机构的理论设计
    4.5.3 并链式非完整机器人的可控性和非完整性
  4.6 本章小结
  参考文献
第5章  多关节非完整机器人的基本特性与链式变换
  5.1 四关节非完整机器人机构的基本特性
    5.1.1 开链式四关节非完整机器人机构的基本特性
    5.1.2 并链式四关节非完整机器人机构的基本特性
  5.2 四关节非完整机器人系统的链式变换
    5.2.1 多关节非完整机器人系统的链式变换方法
    5.2.2 开链式四关节非完整机器人的链式变换
    5.2.3 并链式四关节非完整机器人的链式变换
  5.3 多关节非完整机器人的动力学模型
  5.4 本章小结
  参考文献
第6章  多关节非完整机器人的运动规划
  6.1 链式系统的控制
    6.1.1 链式系统的时间多项式输入控制
    6.1.2 链式系统的三角函数输入控制
    6.1.3 链式系统的最优控制
  6.2 非完整机器人的运动规划方法
  6.3 基于时间多项式输人的非完整机器人的运动规划
    6.3.1 开链式多关节非完整机器人的运动规划
    6.3.2 并链式多关节非完整机器人的运动规划
  6.4 基于三角函数输入的非完整机器人的运动规划
    6.4.1 开链式多关节非完整机器人的运动规划
    6.4.2 并链式多关节非完整机器人的运动规划
  6.5 本章小结
  参考文献
第7章  多关节非完整机器人的设计与实验研究
  7.1 开链式三关节非完整机器人的机械设计
    7.1.1 设计中的主要问题
    7.1.2 关节传动机构的设计
    7.1.3 多关节非完整机器人的机械设计
  7.2 运动控制实验平台
    7.2.1 实验平台系统的建立
    7.2.2 硬件结构体系
    7.2.3 软件结构体系
  7.3 三关节非完整机器人的控制实验研究
    7.3.1 时间多项式输入控制
    7.3.2 时间多项式控制的三关节非完整机器人的实验分析
  7.4 本章小结
  参考文献
第8章  多挂车轮式移动机器人的操舵控制
  8.1 多挂车轮式移动机器人的运动学模型及特性
  8.2 多挂车轮式移动机器人的操舵与模型
  8.3 多挂车轮式移动机器人系统的链式变换
  8.4 多挂车轮式移动机器人的操舵方法
  8.5 多挂车轮式移动机器人的轨迹跟踪性能
  8.6 本章小结
  参考文献
第9章  非完整机器人的研究展望
  9.1 非完整系统的控制研究
  9.2 非完整机器人机构的研究
  9.3 非完整机器人的应用
  参考文献

章节摘录

版权页：插图：第1章 绪论“完整（holonomic）”和“非完整（nonholonomic）”是力学上对约束和系统的分类概念。完整约束是对系统位形的限制，非完整约束是对系统运动的限制。具有非完整约束的机器人属于非完整系统，也称为非完整机器人，如轮式移动机器人就是受到非完整滚动约束的非完整机器人。非完整机器人的显著特征是系统的广义坐标变分并不都是独立的，这就是说非完整机器人系统的位形空间维数多于控制输入空间的维数，从而使得非完整机器人表现出与完整机器人（如工业机器人等）不同的运动特性和控制特性。本章主要介绍非完整约束、非完整系统及非完整机器人的一些基本概念，以及相关研究的发展现状，以展示非完整机器人系统的基本概貌。1.1　非完整约束与非完整系统机械是基于力学原理组成的机构和机器，机械的基础是力学。在力学中，对系统的位形（即位置与姿态）和运动的限制作用称为约束。例如，轮式移动机器人的运动就受制于车轮与地面之间的无滑动滚动，这种滚动约束表现为限制车轮上与地面接触点的瞬时速度为零。一般情况下，可用包含坐标参数的数学方程来描述约束，这种数学方程就称为系统的约束方程。实际中的系统总是受到各种各样的约束，如几何约束与运动约束、定常约束与非定常约束、双面约束与单面约束、可积分约束与不可积分约束等。在这些约束作用下，系统的运动往往表现出不同的特性。从系统的运动本质类别（或从约束方程的实质）来看，约束可分为完整约束和非完整约束两大类。若约束仅限制系统的空间位形，则这种约束称为几何约束。……1.2　非完整机器人约束的“完整性”和“非完整性”规定了两类不同性质的运动，这表明在分析非完整系统的运动时，不能完全用完整系统的方法来处理。这个问题在机器人领域尤为突出。机器人的约束方程常常是复杂的非线性方程，且在许多情况下可以实现严密的反馈线性化，从而可以应用线性系统的控制方法来控制机器人的运动。然而，人们在研究轮式移动机器人、宇宙机器人的一些运动规划和控制问题时，遇到了如何处理不可积微分方程式的约束问题。例如，在处理多指机器人的抓取问题时，若手指端在抓取物体表面存在自由滚动，那么采用反馈线性化等方法就不能解决其运动规划和控制问题［2］。对于这类可控的非线性机器人，采用线性化方法所遇到的这些问题，后来研究发现可归结为系统约束的非完整性。常见的工业机器人或机械操作臂，由于其坐标之间的约束关系可以表示成代数方程的几何约束形式，因此这些工业机器人属于完整系统的范畴。而常见的轮式移动机器人、水下机器人、宇宙机器人、体操机器人和多指机器人等，由于其运动约束存在非完整性，它们属于非完整系统的范畴。定义1.3 含有非完整约束的机器人，称为非完整机器人（nonholonomicro bot）。非完整机器人属于非完整系统的范畴，它的特性主要反映在非完整约束方程上，不同的非完整约束形式直接影响着这类机器人的运动规划和控制方法。实际上，非完整约束的表现形式有一阶微分方程和二阶微分方程等多种。轮式移动机器人、太空机器人等机器人受到的非完整约束一般就表现为一阶微分方程；具有自由关节的欠驱动机械臂（如倒立摆）等机器人受到的非完整约束一般就表现为二阶微分方程。本书主要是以不可积一阶微分方程约束下的非完整机器人为对象，重点讨论这类非完整机器人的设计与控制等问题。实际中，大多数非完整机器人的运动约束是对系统运动速度的约束，非完整约束的方程表现为不可积一阶微分方程。……1.3 非完整机器人的基础问题对非完整机器人的研究，许多情况下可以归结为对不可积Pfaffian约束和对称仿射系统的研究。事实上，许多轮式移动机器人、多指机器人、宇宙机器人的运动约束就表现为不可积Pfaffian约束，其对应的对称仿射系统就是研究这类非完整机器人系统运动控制的基础。正是由于非完整机器人的运动有其自身的特点，对非完整机器人性能的研究就不能采用针对完整系统的研究方法。•8•非完整机器人的原理与控制1.3.1 机器人的“非完整性”判别……1.3.3　非完整机器人的运动规划第4章 面向控制的非完整机器人机构的理论设计多关节机器人一般具有冗余性，由于可以在有效的运动规划和控制下避开障碍进入狭小工作空间进行操作，因此备受许多学者的关注和研究。但是，多关节机器人驱动关节数的增多，会因机器人手臂重量的增加而引出操作惯性等动力学问题，对此人们提出了许多解决此问题的方案，如腱驱动、磁致伸缩驱动等，这些驱动方式由于结构的限制其应用范围有限。本章旨在利用非完整系统所具有的输入控制空间维数小于其位形空间维数的特点，来寻求解决一类多关节机器人机构的设计问题，其主要思路是从非线性控制理论的观点出发，利用提出的非完整约束机构研究可控的欠驱动多关节机器人——可控非完整机器人机构的构成原理与设计方法。这种非完整机器人机构的运动学模型可以表示为三角形构造形式或者可以转换成链式系统，从而可以仅由两个伺服驱动电机就能控制其多个关节的位形。因此，这种可控非完整机器人是一种控制输入空间维数小于其位形空间维数的可控欠驱动机器人。4.1 可控非完整机器人机构的设计思想在机器人领域，设计机器人的机械本体，不仅是构筑一个机器人的机械结构问题，还必须考虑在特定输入控制作用下，机器人的机械本体能按要求实施其运动和操作，这就是说机器人的机械本体与运动控制是一个整体。在机器人系统的传统设计中，机器人的机械本体和控制系统是分别从机构学和控制理论的角度提出的。随着对机器人精细作业及其控制要求的提高，机器人机械本体的运动复杂性与控制准确性的协调问题就越是突出。一阶非完整系统一般可表示为对称仿射系统，具有输入控制数目少于可达位形空间维数的特点。同时，针对一类标准的可控对称仿射系统——非完整链式系统的运动已经提出和建立了不少的有效控制方法。这就提示我们，如果设计的非完整机器人机构与链式系统等价或者可转化为链式系统，那么这个非完整机器人的运动控制问题就可利用链式系统的控制方法予以解决。于是，人们提出将非完整运动控制条件融入到非完整机器人机构的设计中，使设计的非完整机器人机构具有面向控制的描述模型的设计思路，如图4.1 所示。

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《非完整机器人的原理与控制》基于非完整约束系统的力学原理与非线性控制理论的结合，重点阐述了非完整机器人的概念、特性及其可控欠驱动机械机构设计、运动规划和控制的原理与方法，提出了控制模型与机构模型相融合的思想方法，建立了非完整可控机械系统的设计理念与方法，介绍了基于这种设计思想和方法开发的非完整机器人实例，以及这种设计理念和方法的应用前景。《非完整机器人的原理与控制》适合相关专业大学生、研究生以及工程技术人员阅读使用。