柔体机器人的动力学与控制技术

　　人类对太空探索的不断深入使得空间任务越来越多，而太空环境的特殊性和危险性使得很多任务不能完全依靠宇航员完成。空间柔性机械臂具有适应太空恶劣作业环境的能力，采用机械臂协助或代替宇航员完成一些太空作业在经济性和安全性两方面都具有现实意义，已成为当前空间技术领域的重要研究方向。本书以柔体机器人为研究对象，对其动力学特性和相关的主动控制策略展开了深入的分析和研究，对柔体机器人的相关动力学特性和控制策略进行实验研究，搭建地面气浮式微重力模拟综合实验平台，设计并完成柔性关节的位置跟踪与测试、柔性臂的试验模态分析、柔性臂残余振动的主动控制等典型实验。

　　褚明，北京邮电大学副教授，硕士研究生导师，入选国家自然科学基金委评审专家，浙江省特聘青年科学家，北京市优秀硕士生指导教师，大学生创新创业计划优秀指导教师，中国机械工程学会高级会员，中国振动工程学会高级会员，多部国际知名学术期刊审稿专家，教育部重点实验室骨干成员，致力于空间机器人技术领域的课题研究，主要研究方向为机器人动力学与精密控制。

1.1引言1
1.2柔体机器人系统的应用现状1
1.3柔体机器人关键技术研究现状4
1.3.1柔体机器人的动力学关键技术4
1.3.2柔体机器人的主动控制6
1.4柔体机器人的研究价值和学术意义7
第2章柔体机器人的刚/ 柔/ 控耦合模态特性8
2.1引言8
2.2柔体机器人的动力学/ 控制器耦合模态分析9
2.2.1柔性关节/柔性臂杆系统的力学模型9
2.2.2关节控制器作用下的反馈约束特性10
2.2.3动态约束的复杂边界条件10
2.2.4频域内的模态分析11
2.2.5状态空间求解的复模态法13
2.2.6数值仿真与分析16
2.3柔体机器人的刚/柔耦合模态分析19
2.3.1大范围刚体运动时的模态分析19
2.3.2数值仿真与分析20
2.4多自由度柔体机器人的有限元模态分析21
2.4.1虚拟样机技术21
2.4.2多柔体系统的有限元分析22
2.4.3某型多自由度柔体机器人的模态分析仿真24
2.5本章小结26
第3章柔体机器人的动力学方程与数值方法27
3.1引言27
3.2多柔体系统动力学28
3.2.1柔体机器人刚/柔/控耦合建模的变分原理28
3.2.2单连杆大柔度机器人的动力学模型34
3.2.3双连杆大柔度机器人的动力学模型35
3.3柔体机器人stiff微分方程的数值方法37
3.3.1拉氏空间、哈氏空间与状态空间37
3.3.2闭环状态反馈stiff方程的PIM法40
3.3.3柔体机器人微分方程PIM法的数值实验41
3.4数值仿真与分析45
3.5本章小结48
第4章柔性关节摩擦和不确定补偿的轨迹控制49
4.1引言49
4.2柔性关节的动力学模型50
4.2.1摩擦环节与预测模型50
4.2.2柔性关节的标称力学模型52
4.2.3柔性关节的动态不确定力学模型53
4.3柔性关节摩擦和不确定项补偿的高精度轨迹控制54
4.3.1级联系统的反演鲁棒控制54
4.3.2小波神经网络的结构设计56
4.3.3动态不确定柔性关节的小波神经—鲁棒复合控制59
4.3.4稳定性分析65
4.4数值仿真与分析66
4.5本章小结69
第5章柔体机器人的振动主动控制70
5.1引言70
5.2微分几何反馈线性化71
5.2.1光滑函数、向量场和微分同胚71
5.2.2李导数及其相对阶72
5.2.3单输入-单输出系统的反馈线性化73
5.2.4多输入-多输出系统的反馈线性化76
5.3柔体机器人反馈观测的稳定性分析77
5.3.1单连杆柔性臂的反馈线性化和稳定性77
5.3.2双连杆柔性臂的稳定反馈观测器设计80
5.4柔体机器人的全局终端滑模振动鲁棒控制82
5.5数值仿真与分析85
5.6本章小结87
第6章大负载柔体机器人的动力学模型88
6.1引言88
6.2Kane方法88
6.2.1广义速率、偏速度和偏角速度88
6.2.2Kane方程的建立89
6.3大负载单柔杆的弯曲振动模态分析89
64大负载单柔杆的运动学分析95
6.5大负载单柔杆的动力学建模96
6.5.1广义速率、偏速度和偏角速度96
6.5.2动力学方程97
6.6本章小结101
第7章大负载柔体机器人的振动控制102
7.1引言102
7.2基于奇异摄动的系统分解102
7.3滑模变结构控制器设计103
7.3.1滑模变结构控制103
7.3.2滑模变结构控制器设计104
7.3.3抖振问题105
7.4控制器设计106
7.4.1控制的数学描述106
7.5大负载柔体机器人控制算法107
7.5.1混合控制方法107
7.5.2状态反馈控制设计114
7.6本章小结118
第8章柔体机器人接触操作的阻抗控制119
8.1引言119
8.2阻抗控制算法原理119
8.2.1阻抗控制模型119
8.2.2目标控制参数性能分析120
8.3柔体机器人阻抗控制算法122
8.4数值仿真123
8.4.1运动空间下的轨迹跟踪123
8.4.2接触操作时固定点的力控制126
8.4.3接触操作时的接触力控制126
8.5本章小结128
第9章软接触柔体机器人的关节结构设计129
9.1引言129
9.2关节功能需求分析129
9.3关节阻尼缓冲方法131
9.3.1磁流变液131
9.3.2阻尼缓冲方法132
9.4关节方案设计132
9.4.1驱动传动机构设计133
9.4.2可控柔性组件设计135
9.4.3可控柔性组件136
9.5本章小结137
第10章软接触柔体机器人的动力学分析138
10.1引言138
10.2软接触阻尼缓冲任务分析与设计138
10.3软接触单关节动力学特性分析139
10.3.1z轴直线方向受接触力后的动力学仿真139
10.3.2z轴直线和旋转方向受接触力后动力学仿真141
10.3.3空间六维方向动力学仿真142
10.4软接触柔体机器人的动力学特性仿真分析145
10.5本章小结148
第11章软接触柔体机器人的动力学模型150
11.1引言150
11.2基于Kane方法的质点系和刚体系方程150
11.2.1质点系下的Kane方程150
11.2.2刚体系统的Kane方程151
11.3具有可控阻尼的柔体机器人模型152
11.4运动学分析153
11.4.1广义坐标153
11.4.2变换矩阵154
11.4.3偏角速度及其导数154
11.4.4偏线速度及其导数155
11.4.5柔体机器人的运动学方程156
11.5动力学分析157
11.5.1刚体k的受力分析157
11.5.2等效主动力（矩）158
11.5.3等效惯性力（矩）159
11.5.4柔体机器人的动力学方程159
11.6算例仿真159
11.7本章小结161
第12章软接触柔体机器人的振动控制163
12.1引言163
12.2微粒群优化算法163
12.3基于微粒群优化的软接触柔体机器人抑振策略167
12.3.1目标函数的确定167
12.3.2算法及参数选择167
12.3.3算法终止条件168
12.3.4控制具体流程168
12.4软接触柔体机器人的PID振动控制169
12.4.1控制器的设计169
12.4.2参数选择169
12.5两种控制方案的仿真对比170
12.6本章小结176
参考文献177