Parallel robots:modeling, control optimization and applications
副标题：无
作 者：丛爽，尚伟伟著
分类号：
ISBN：9787121110207
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简介
本书以一个平面二自由度并联机器人为研究对象，系统地介绍了并联
机器人的运动学标定、性能分析、动力学建模及控制策略设计等问题。基
于运动学方程，从优化的角度对并联机器人运动学的部分参数和全部参数
进行了自标定；利用线性矩阵不等式(LMI)方法，对并联机器人的运动学性
能指标进行了分析和优化；在建立理论动力学模型的基础上，设计出动力
学参数的实验辨识方法。从系统控制的角度出发，结合并联机器人的动力
学特性，设计了包括增广非线性PD、计算力矩非线性PD，以及非线性自适
应控制在内的多种非线性动力学控制策略，实现了并联机器人的高精度轨
迹跟踪控制。采用同步运动控制理论，分别在关节空间和工作空间设计同
步控制策略，进一步减小轨迹跟踪时的轮廓误差，从而实现了并联机器人
的高速高精度运动控制。本书在阐述基本理论和所提方法的同时，基于实
际并联机器人平台设计了大量的实验对理论和方法进行验证，并对实验步
骤和实验结果进行了详细的分析。因此，本书既适用于并联机器人的理论
研究，又适合指导并联机器人的工程应用。
本书既可作为机械工程、自动控制、计算机、信息科学、电子学等专
业的研究生教材，也可作为从事并联机器人研究与应用的科研人员和工程
技术人员的参考书。
目录
第1章 概述/1
1.1 并联机器人的基本概念与发展历程/1
1.2 并联机器人的研究现状/6
1.2.1 机构设计理论/6
1.2.2 运动学求解与分析/7
1.2.3 运动学标定/12
1.2.4 动力学建模/13
1.2.5 控制器设计/15
1.2.6 摩擦力补偿/18
1.3 平面二自由度并联机器人/20
1.4 本书的主要内容/22
第2章 并联机器人运动学标定/25
2.1 平面二自由度并联机器人的标定问题/25
2.2 基于优化问题求解的平面二自由度并联机器人运动学标定28
2.2.1 基于闭链约束方程的目标函数/28
2.2.2 标定步骤/31
2.2.3 仿真实验结果/32
2.3 基于两步迭代法的平面二自由度并联机器人运动学标定39
2.3.1 误差模型分析/39
2.3.2 两步迭代标定法/43
2.3.3 仿真实验结果/44
2.4 基于跟踪误差投影的平面二自由度
并联机器人零点位置的标定/46
2.4.1 零点位置的标定问题/47
2.4.2 基于跟踪误差投影的目标函数/48
2.4.3 目标函数鲁棒性证明/51
2.4.4 实际实验标定结果/53
2.5 基于粒子群算法的平面二自由度并联机器人运动学自标定55
2.5.1 基于粒子群算法的标定/56
2.5.2 标定实验及其结果分析/57
2.6 本章小结/60
第3章 并联机器人运动学性能分析/61
3.1 线性矩阵不等式LMI简介/61
3.1.1 LMI的标准形式/61
3.1.2 三类LMI的基本问题/63
3.1.3 Schur补定理/63
3.2 LMI在并联机器人常见运动学性能指标设计中的应用/64
3.2.1 奇异性指标的LMI表达/64
3.2.2 工作空间性能指标的LMI表达/66
3.2.3 灵巧度性能指标的LMI表达/67
3.2.4 刚度性能指标的LMI表达/67
3.3 基于LMI的平面二自由度并联机器人参数优化设计/68
3.3.1 平面二自由度并联机器人/69
3.3.2 平面二自由度并联机器人奇异性指标的LMI表达70
3.3.3 平面二自由度并联机器人灵巧度性能指标的LMI表达/73
3.3.4 平面二自由度并联机器人刚度性能指标的LMI表达74
3.3.5 线性最优目标函数/75
3.3.6 参数优化设计结果/76
3.4 平面二自由度并联机器人的力矩传递性能分析/77
3.4.1 运动学位形/77
3.4.2 力矩传递性能图谱/80
3.5 本章小结/84
第4章 并联机器人动力学建模及性能分析/85
4.1 并联机器人的动力学建模/85
4.1.1 Lagrange函数/86
4.1.2 Euler-Lagrange方程/86
4.1.3 闭链约束方程/88
4.1.4 独立坐标选取/89
4.1.5 约束力消除/91
4.2 平面二自由度并联机器人的动力学建模/93
4.3 平面二自由度并联机器人的动力学性能分析/99
4.3.1 速度限制/99
4.3.2 加速度限制/100
4.3.3 并联机器人的S型速度规划/101
4.4 本章小结/105
第5章 并联机器人的典型控制策略/106
5.1 并联机器人的典型控制策略/106
5.1.1 PD控制器/107
5.1.2 增广PD控制器/107
5.1.3 计算力矩控制器/108
5.2 并联机器人的最优控制器设计/109
5.3 平面二自由度并联机器人典型控制策略的仿真实验/111
5.4 本章小结/117
第6章 并联机器人的非线性PD控制及摩擦力补偿/118
6.1 非线性PD控制/118
6.1.1 非线性PD控制器的定义/119
6.1.2 非线性PD控制器的性能分析/120
6.2 平面二自由度并联机器人的增广NPD控制/122
6.2.1 增广NPD控制器设计/123
6.2.2 增广NPD控制的实际实验/126
6.3 平面二自由度并联机器人的计算力矩NPD控制/128
6.3.1 计算力矩NPD控制器设计/128
6.3.2 计算力矩NPD控制的实际实验/130
6.4 平面二自由度并联机器人的非线性摩擦力补偿/132
6.4.1 非线性摩擦力模型及其参数辨识/133
6.4.2 库仑+粘滞摩擦力模型及其参数辨识/136
6.4.3 摩擦力补偿的实际实验及其结果分析/137
6.5 本章小结/139
第7章 并联机器人的非线性自适应控制/141
7.1 平面二自由度并联机器人动力学模型的参数化形式/141
7.2 平面二自由度并联机器人的非线性自适应控制器设计/143
7.2.1 控制律设计/144
7.2.2 参数自适应律设计/145
7.2.3 系统稳定性分析/146
7.2.4 系统控制方案图/147
7.3 平面二自由度并联机器人的非线性自适应
控制实验及结果分析/148
7.4 本章小结/152
第8章 并联机器人的同步控制/153
8.1 平面二自由度并联机器人的主动关节同步控制/154
8.1.1 基于主动关节的动力学模型形式/154
8.1.2 主动关节同步控制器设计/158
8.1.3 主动关节同步控制的轨迹跟踪实验/162
8.2 平面二自由度并联机器人的工作空间同步控制/168
8.2.1 同步误差的定义/169
8.2.2 工作空间的同步控制器设计/170
8.2.3 主动关节同步控制与工作空间同步控制的对比实验/173
8.3 本章小结/176
参考文献/178
1.1 并联机器人的基本概念与发展历程/1
1.2 并联机器人的研究现状/6
1.2.1 机构设计理论/6
1.2.2 运动学求解与分析/7
1.2.3 运动学标定/12
1.2.4 动力学建模/13
1.2.5 控制器设计/15
1.2.6 摩擦力补偿/18
1.3 平面二自由度并联机器人/20
1.4 本书的主要内容/22
第2章 并联机器人运动学标定/25
2.1 平面二自由度并联机器人的标定问题/25
2.2 基于优化问题求解的平面二自由度并联机器人运动学标定28
2.2.1 基于闭链约束方程的目标函数/28
2.2.2 标定步骤/31
2.2.3 仿真实验结果/32
2.3 基于两步迭代法的平面二自由度并联机器人运动学标定39
2.3.1 误差模型分析/39
2.3.2 两步迭代标定法/43
2.3.3 仿真实验结果/44
2.4 基于跟踪误差投影的平面二自由度
并联机器人零点位置的标定/46
2.4.1 零点位置的标定问题/47
2.4.2 基于跟踪误差投影的目标函数/48
2.4.3 目标函数鲁棒性证明/51
2.4.4 实际实验标定结果/53
2.5 基于粒子群算法的平面二自由度并联机器人运动学自标定55
2.5.1 基于粒子群算法的标定/56
2.5.2 标定实验及其结果分析/57
2.6 本章小结/60
第3章 并联机器人运动学性能分析/61
3.1 线性矩阵不等式LMI简介/61
3.1.1 LMI的标准形式/61
3.1.2 三类LMI的基本问题/63
3.1.3 Schur补定理/63
3.2 LMI在并联机器人常见运动学性能指标设计中的应用/64
3.2.1 奇异性指标的LMI表达/64
3.2.2 工作空间性能指标的LMI表达/66
3.2.3 灵巧度性能指标的LMI表达/67
3.2.4 刚度性能指标的LMI表达/67
3.3 基于LMI的平面二自由度并联机器人参数优化设计/68
3.3.1 平面二自由度并联机器人/69
3.3.2 平面二自由度并联机器人奇异性指标的LMI表达70
3.3.3 平面二自由度并联机器人灵巧度性能指标的LMI表达/73
3.3.4 平面二自由度并联机器人刚度性能指标的LMI表达74
3.3.5 线性最优目标函数/75
3.3.6 参数优化设计结果/76
3.4 平面二自由度并联机器人的力矩传递性能分析/77
3.4.1 运动学位形/77
3.4.2 力矩传递性能图谱/80
3.5 本章小结/84
第4章 并联机器人动力学建模及性能分析/85
4.1 并联机器人的动力学建模/85
4.1.1 Lagrange函数/86
4.1.2 Euler-Lagrange方程/86
4.1.3 闭链约束方程/88
4.1.4 独立坐标选取/89
4.1.5 约束力消除/91
4.2 平面二自由度并联机器人的动力学建模/93
4.3 平面二自由度并联机器人的动力学性能分析/99
4.3.1 速度限制/99
4.3.2 加速度限制/100
4.3.3 并联机器人的S型速度规划/101
4.4 本章小结/105
第5章 并联机器人的典型控制策略/106
5.1 并联机器人的典型控制策略/106
5.1.1 PD控制器/107
5.1.2 增广PD控制器/107
5.1.3 计算力矩控制器/108
5.2 并联机器人的最优控制器设计/109
5.3 平面二自由度并联机器人典型控制策略的仿真实验/111
5.4 本章小结/117
第6章 并联机器人的非线性PD控制及摩擦力补偿/118
6.1 非线性PD控制/118
6.1.1 非线性PD控制器的定义/119
6.1.2 非线性PD控制器的性能分析/120
6.2 平面二自由度并联机器人的增广NPD控制/122
6.2.1 增广NPD控制器设计/123
6.2.2 增广NPD控制的实际实验/126
6.3 平面二自由度并联机器人的计算力矩NPD控制/128
6.3.1 计算力矩NPD控制器设计/128
6.3.2 计算力矩NPD控制的实际实验/130
6.4 平面二自由度并联机器人的非线性摩擦力补偿/132
6.4.1 非线性摩擦力模型及其参数辨识/133
6.4.2 库仑+粘滞摩擦力模型及其参数辨识/136
6.4.3 摩擦力补偿的实际实验及其结果分析/137
6.5 本章小结/139
第7章 并联机器人的非线性自适应控制/141
7.1 平面二自由度并联机器人动力学模型的参数化形式/141
7.2 平面二自由度并联机器人的非线性自适应控制器设计/143
7.2.1 控制律设计/144
7.2.2 参数自适应律设计/145
7.2.3 系统稳定性分析/146
7.2.4 系统控制方案图/147
7.3 平面二自由度并联机器人的非线性自适应
控制实验及结果分析/148
7.4 本章小结/152
第8章 并联机器人的同步控制/153
8.1 平面二自由度并联机器人的主动关节同步控制/154
8.1.1 基于主动关节的动力学模型形式/154
8.1.2 主动关节同步控制器设计/158
8.1.3 主动关节同步控制的轨迹跟踪实验/162
8.2 平面二自由度并联机器人的工作空间同步控制/168
8.2.1 同步误差的定义/169
8.2.2 工作空间的同步控制器设计/170
8.2.3 主动关节同步控制与工作空间同步控制的对比实验/173
8.3 本章小结/176
参考文献/178
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