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| 編輯推薦： |
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本文获得国家自然基金并联机构奇异摄动方法建模与控制理论研究（项目编号：51075086）支持，是为了解决高速运行条件下由于杆件柔性产生的弹性变形与振动的问题。本书文献综述涉及很广，理论推导严谨细致，仿真实验具有一定的现场指导意义。
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| 內容簡介： |
为满足并联机器人高速运行时的性能要求，本书深入开展了并联机器人刚体动力学建模、刚柔耦合动力学建模、集机构驱动与控制为一体的集成优化设计、平滑运动规划与轨迹优化、考虑模型不确定与扰动及考虑柔性杆件条件下的轨迹跟踪控制等方面的关键技术研究，为并联机器人工程化应用提供了理论指导与技术支撑，是讨论高速并联机器人研究与开发方面系统的内容比较全面的书籍。
本书适合从事高速重载机电系统及工业机器人研究与开发的科研工作者与工程师使用，也可供高等院校相关专业师生参考学习使用。
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| 目錄：
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前言
第1章 高速并联机器人的研究关键 1
1.1 并联机器人技术的背景及研究的目的和意义 1
1.2 刚性并联机器人动力学建模研究现状 3
1.3 考虑杆件柔性的机器人动力学建模 4
1.3.1 柔性杆件建模 4
1.3.2 动力学模型逼近 5
1.3.3 考虑杆件柔性的并联机器人刚柔耦合动力学建模 6
1.4 机器人优化设计 7
1.4.1 机构优化设计 7
1.4.2 驱动与传动部件优化 8
1.4.3 集成优化设计 8
1.5 考虑部件柔性的机器人轨迹规划 8
1.5.1 间接法 9
1.5.2 直接法 9
1.6 考虑部件柔性的机器人控制 10
1.6.1 基于奇异摄动及积分流形的复合控制 10
1.6.2 滑模变结构控制 11
1.6.3 基于智能材料与智能结构的主动控制 12
1.6.4 输入整形 13
1.7 关键技术问题 14
第2章 高速并联机器人刚体动力学建模 16
2.1 引言 16
2.2 3RRR并联机器人刚体运动学与动力学 16
2.2.1 3RRR并联机器人运动学 16
2.2.2 基于牛顿-欧拉法的3RRR并联机器人动力学建模 19
2.3 2PUR-PSR并联机构运动学与动力学建模 21
2.3.1 2PUR-PSR并联机构运动学建模 21
2.3.2 2PUR-PSR并联机构动力学建模 26
2.3.3 2PUR-PSR并联机构的动力学特性分析 32
2.3.4 机构动态响应与性能的仿真研究 33
2.4 本章小结 37
第3章 高速并联机器人刚柔耦合动力学建模 38
3.1 引言 38
3.2 考虑边界效应的柔性杆件曲率有限元建模 38
3.3 基于凯恩方程的高速并联机器人刚柔耦合动力学建模 42
3.3.1 刚柔耦合运动关系建模 42
3.3.2 广义坐标 44
3.3.3 偏速度与偏角速度 44
3.3.4 广义惯性力 48
3.3.5 广义主动力 50
3.3.6 动力学方程的建立 51
3.4 刚柔耦合动力学模型验证 53
3.4.1 模态分析 53
3.4.2 加速度响应分析 55
3.5 本章小结 57
第4章 高速轻型并联机器人集成优化设计 58
4.1 引言 58
4.2 集成优化设计方法 58
4.3 集成优化设计指标 59
4.3.1 运动学与动力学指标 59
4.3.2 驱动与传动系统性能 64
4.3.3 控制系统性能 67
4.4 优化模型 68
4.5 优化算法及结果 69
4.5.1 优化算法 69
4.5.2 优化结果 69
4.6 本章小结 74
第5章 高速并联机器人运动规划与优化 75
5.1 引言 75
5.2 并联机器人平滑运动规划算法 75
5.2.1 空间直线平滑运动规划 75
5.2.2 空间圆弧运动规划算法 77
5.2.3 基于三次样条曲线的空间多点运动规划 78
5.2.4 运动规划仿真分析 80
5.3 基于多模态输入整形与PSO的残余振动抑制 84
5.3.1 输入整形振动抑制原理与多模态整形器 84
5.3.2 基于PSO的多模态整形器位置优化 86
5.4 基于分段伪谱法的点到点轨迹优化 88
5.4.1 点到点轨迹优化模型建立 88
5.4.2 基于分段伪谱法的点到点轨迹优化 90
5.5 基于分段伪谱法与多模态输入整形的点到点轨迹优化 92
5.6 本章小结 95
第6章 高速并联机器人的轨迹跟踪控制 96
6.1 引言 96
6.2 不考虑柔性的并联机器人轨迹跟踪控制算法 96
6.2.1 基于反馈线性化的轨迹跟踪控制 96
6.2.2 基于UDE的轨迹跟踪控制 97
6.3 基于积分流型与观测器的3RRR并联机器人轨迹跟踪控制 102
6.3.1 基于积分流形的模型降阶 102
6.3.2 复合控制算法设计 105
6.3.3 基于反演算法的慢速子系统控制 105
6.3.4 基于滑模变结构的快速子系统控制 109
6.3.5 曲率变化率高增益观测器设计 110
6.3.6 系统稳定性证明 112
6.3.7 算法仿真 113
6.4 本章小结 118
第7章 性能测试与实验验证 120
7.1 引言 120
7.2 实验系统搭建 120
7.3 重复定位精度测试 121
7.4 动力学模型验证 123
7.4.1 模态测试 124
7.4.2 加速度响应测试 128
7.5 轨迹优化验证 128
7.5.1 基于多模态输入整形与PSO的残余振动抑制实验 129
7.5.2 基于分段伪谱法与多模态输入整形的轨迹优化实验 130
7.6 本章小结 131
结论 133
附录 135
附录A 理论模型与ABAQUS软件分析振型图 135
附录B 2PUR-PSR并联机构部分公式 137
参考文献 139
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| 內容試閱：
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前言
并联机器人以其大负载自重比、高刚度及高精度等优点被广泛使用。随着现代工业中对生产效率要求的不断提高，并联机器人已越来越多地被用于高速磨削、搬运及装配等工业应用中。同时，为降低机器人的生产成本及减少能源消耗，考虑轻量化的现代设计方法已逐渐应用于相关机器人的研制中。在高速运行工况下，轻量化的结构通常会引入弹性变形与振动，仅采用传统针对刚性机器人的分析及控制方法时，将无法保证机器人的跟踪精度和动态性能。为解决并联机器人在高速运行时存在的共性问题，本书以具有典型结构的3RRR与2PURPSR并联机器人为对象，开展了并联机器人刚体与刚柔耦合动力学建模；讨论了集机构优化、驱动与传统部件参数匹配及控制系统参数调整于一体的集成优化设计；进行了基于模型的轨迹优化及控制研究等关键技术的研究，以及性能测试与实验验证。
本书第1章阐明了并联机器人在高速运行时涉及的关键技术问题，并分析了动力学建模、优化设计、运动规划与控制算法设计等方面的国内外研究现状与待解决的技术问题。
第2章开展了并联机器人刚体动力学建模方法方面的研究。首先，对3RRR并联机器人进行运动学与刚体动力学建模；之后，以此为基础，以具有空间运动形式的2PURPSR过约束并联机构为例，开展了运动学与刚体动力学建模。为了满足结构设计和控制算法设计对动力学模型的不同要求，使用牛顿欧拉NewtonEuler方程和自然正交补Natural Orthogonal Complement,NOC方法同时建立具有与不具有约束力与力矩的动力学模型，并推导由过约束力与力矩引起的变形，同时使用描述无伴随运动并联机构动力学性能的动力学操作椭球指标来评估有伴随并联机构的动力学性能。另外，还以2PURPSR 并联机构为例，进行了动力学建模和性能分析，并通过与通用商业软件计算结果进行比较来验证模型的有效性。
第3章开展了高速并联机器人的刚柔耦合动力学建模方法研究。从欧拉梁的基本假设出发，考虑杆件端部的刚性特征，采用曲率有限元（Curvaturebased Finite Element,CFE）方法对杆件进行离散化建模，并推导并联机器人杆件中常用的悬臂梁及简支梁模型，从而考虑杆件端部刚性提出改进的曲率有限元（Improved Curvaturebased Finite Element,ICFE）方法。根据推导的杆件模型及小变形假设，提出杆件弹性位移与机器人刚体耦合运动的建模方法。根据上述模型并结合凯恩Kane方程建立3RRR并联机构的刚柔耦合动力学模型。之后，对推导的动力学模型进行了验证，分别对模态与加速度响应进行了分析，并将推导模型的计算值与ABAQUS软件仿真值进行了对比，同时根据模态分析对模型进行了简化。
第4章开展了高速并联机器人优化设计方面的研究,提出了集机构优化、驱动与传动部件参数匹配及控制系统参数调整于一体的集成优化设计方法。为适应高速运行要求，在机构优化时考虑了全局条件数、速度性能、加速能力及基频等运动学与动力学指标；为保证驱动与传动部件的经济性及参数匹配，建立了约束模型及参数库，并选择成本为优化目标；为取得高精度的控制性能，设计了动力学前馈加PD的控制算法，并选择系统跟踪误差为优化目标。从而建立包含机构参数、驱动与传动部件参数及控制系统参数的优化模型，并采用非支配排序遗传算法NSGAⅡ对模型求解，最终完成对高速并联机器人的集成优化设计。
第5章开展了高速并联机器人运动规划与优化方面的研究。首先，分别对并联机器人常用的直线、圆弧及空间任意给定点运动进行了平滑运动规划；之后，从轨迹优化的角度出发，考虑杆件柔性，对给定轨迹与点到点快速定位两种情况下的残余振动抑制与弹性位移限制问题进行了研究。针对给定轨迹时的残余振动抑制问题，考虑并联机器人各阶频率随位置改变的特点，将多模态输入整形（Input Shaping,IS）与粒子群优化（Particle Swarm Optimization,PSO）及控制相结合，建立了以残余振动为优化目标，以多模态输入整形器参数为优化变量的优化模型，并利用PSO对控制模型进行了离线优化。仿真结果表明，优化后的整形器可对残余振动进行显著的抑制，且随着整形器数量的增加，残余振动进一步减小，同时避免了现有方法对整形器参数实时更新带来的计算量大的问题。对于快速点到点运动，将时间最优规划与多模态输入整形相结合，提出了两步优化方法：首先，采用分段高斯伪谱法（Gauss Pseudospectral Method，GPM）对时间最优问题进行了求解；之后，采用多模态输入整形对得到的轨迹进行了残余振动抑制。仿真结果表明，两步优化法实现了时间最优时的残余振动抑制与弹性位移限制。
高速并联机器人建模优化、运动控制与工程化应用
第6章开展了高速并联机器人轨迹跟踪控制方面的研究。从基于刚体动力学模型的反馈线性化控制出发，考虑模型不确定与扰动因素，采用模型不确定与扰动观测器Uncertainty and Disturbance Estimator,UDE方法进行控制算法设计。之后，从影响机器人末端位置的刚体运动与杆件弹性变形及振动两方面因素出发，提出了基于积分流形与高增益观测器的复合控制算法。先根据刚度矩阵引入小参数，并基于积分流形将刚柔耦合动力学模型降阶为快速与慢速两个子系统；然后分别对两个子系统进行控制算法设计，对慢速子系统采用反演控制，同时考虑杆件弹性位移对末端轨迹的影响，设计校正力矩，实现了杆件弹性位移对机器人末端运动的弹性补偿。对快速子系统采用滑模变结构控制，从而保证流形成立。为解决曲率变化率无法直接测量的问题，引入高增益观测器，并对稳定性进行证明。对于上述复合控制算法，证明了整体系统的稳定性，并给出了小参数的选取范围。最后，为验证复合控制算法的有效性，对设计的算法与奇异摄动及基于刚体动力学的反演控制算法进行了对比。
第7章对高速并联机器人的部分算法进行了实验验证。为了验证上述理论研究，参考优化设计结果对3RRR并联机器人进行了本体设计及驱动与传动部件选型，并采用工控机、实时操作系统及高速通信总线的控制架构设计了控制系统；采用激光跟踪仪对机器人重复定位精度测试进行了测试。为了验证建模精度，采用LMS振动测试仪对系统进行了模态测试与加速度响应测试。最后，对基于多模态输入整形与PSO的规划方法及基于分段高斯伪谱法与多模态输入整形的轨迹规划方法进行了实验验证。
综上所述，本书对并联机器人高速运行时在动力学建模、设计、运动规划与控制等方面的关键技术问题进行了分析，并提出了新的解决思路与方法，为高速并联机器人的工程化应用提供了技术支持与指导。
作者
2020年7月
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