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本書以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為核心，對多剛(柔)體機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。本書系統(tǒng)地闡述了機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建方法；以2桿輪式線彈性阻尼懸架移動(dòng)機(jī)械手為例，對多剛(柔)體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)穩(wěn)定性研究及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真做了詳細(xì)介紹。本書中關(guān)于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)性能分析主要來自作者近年來的教學(xué)研究成果，書中所涵蓋內(nèi)容適合高年級(jí)本科生或一年級(jí)研究生，也可供從事此方面教學(xué)與研究的教師及科研工作者參考。

以史為鑒、開創(chuàng)未來，埋頭苦干、勇毅前行貫穿著總書記講話的重要精神，同時(shí)也告誡我們要實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興，離不開對知識(shí)的躬親踐行與對未知的勇敢探索。先賢經(jīng)典《大學(xué)》開篇即曰大學(xué)之道，在明明德，在親民，在止于至善。從古至今，其含義不斷完善。而當(dāng)今《大學(xué)》又將被賦予具有時(shí)代特色的深邃內(nèi)涵，激勵(lì)著莘莘學(xué)子與當(dāng)代青年勇于對自然科學(xué)規(guī)律進(jìn)行探索認(rèn)知，繼而擔(dān)起實(shí)現(xiàn)中國夢的偉大歷史使命。機(jī)器人是一種綜合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制技術(shù)、仿生學(xué)等多種學(xué)科知識(shí)的復(fù)雜智能機(jī)械。根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)器人可大致分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人三類。其中，工業(yè)機(jī)器人占比*大，是智能制造行業(yè)發(fā)展的重要推動(dòng)力。無論哪一類機(jī)器人，其工作精度與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性有著直接的聯(lián)系，而對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的深入認(rèn)知與基于模型的系統(tǒng)控制，皆離不開機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確構(gòu)建。傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)通常采用DH法，構(gòu)建剛體機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型，過程復(fù)雜煩瑣，而且無法直接應(yīng)用于彈性機(jī)械手動(dòng)態(tài)特性研究中，尤其是考慮剛?cè)徇\(yùn)動(dòng)非線性耦合問題時(shí)，該方法的不足就更為突出。本書在作者科研成果的基礎(chǔ)上，借鑒了國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)、多體動(dòng)力學(xué)的相關(guān)研究成果，在研究機(jī)器人系統(tǒng)單構(gòu)件運(yùn)動(dòng)學(xué)到系統(tǒng)動(dòng)能方程的過程中，各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)被視作彼此獨(dú)立，即暫不考慮構(gòu)件間各自運(yùn)動(dòng)變量的耦合問題，這與機(jī)器人技術(shù)中的DH法具有顯著的區(qū)別。并通過拉格朗日乘子的形式，將系統(tǒng)約束以代數(shù)的形式添加到系統(tǒng)拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型中。因此，采用多體動(dòng)力學(xué)的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建方法，具有較好的系統(tǒng)性與通用性。子曰：工欲善其事，必先利其器。機(jī)器人作為典型的多體系統(tǒng)，在研究其動(dòng)力學(xué)特性時(shí)，研究機(jī)器人多體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，不需晦澀的數(shù)學(xué)知識(shí)，即可令我們抽絲剝繭般地認(rèn)識(shí)到機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的本質(zhì)。本書針對機(jī)器人構(gòu)型的特點(diǎn)，并結(jié)合作者多年的研究成果，介紹了多體動(dòng)力學(xué)在機(jī)器人動(dòng)態(tài)特性研究方面的內(nèi)容。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。本書涉及諸多公式與數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，大家只有躬行實(shí)踐，才能真正體會(huì)到應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)方法解決機(jī)器人復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性相關(guān)問題帶來的喜悅，才能進(jìn)一步激發(fā)大家的學(xué)習(xí)熱情。鑒于機(jī)器人的廣闊應(yīng)用前景，本書以2桿輪式線彈性-阻尼懸架移動(dòng)機(jī)械手為多體動(dòng)力學(xué)科研應(yīng)用案例，對其進(jìn)行了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，正、逆動(dòng)力學(xué)，靜力學(xué)，動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性等分析，開展了多體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用的相關(guān)深入研究，為大家深入系統(tǒng)理解和學(xué)習(xí)多體動(dòng)力學(xué)提供參考。本書的校對過程中，許多研究生付出了寶貴的時(shí)間和辛勤的汗水。參與校對的研究生包括周祖義、齊文耀、陳鵬宇、陳鵬來和李照童等。本書的出版得到了天津理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院諸多領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，在此向他們表示誠摯的謝意。同時(shí)感謝我的老師趙新華教授于百忙中為本書作得富有哲理的序言。限于本人的水平，加之時(shí)間倉促，書中難免有疏漏和不妥之處，懇請各位讀者和同行批評指正。若本書能對大家的科研學(xué)習(xí)提供些許幫助，作者將不勝欣慰。楊玉維2022年4月25日于雍陽故里

第1章概述(1)

1.1多體系統(tǒng)(1)

1.2體坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系(4)

1.3質(zhì)點(diǎn)力學(xué)(5)

1.3.1質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)(6)

1.3.2質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)(8)

1.4剛體力學(xué)(8)

1.4.1運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(9)

1.4.2剛體動(dòng)力學(xué)(11)

1.5可變形/柔性體(11)

1.6運(yùn)動(dòng)約束(13)

1.7數(shù)值仿真模型和坐標(biāo)普適性選擇(16)

1.8本書的目的和范圍(18)

第2章多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)(20)

2.1變換矩陣(20)

2.1.1變換矩陣的推導(dǎo)(21)

2.1.2歐拉參數(shù)(23)

2.1.3廣義位移(24)

2.2變換矩陣的性質(zhì)(26)

2.2.1變換矩陣的正交性(26)

2.2.2另一種形式的變換矩陣(27)

2.3連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)(29)

2.3.1變換矩陣的指數(shù)形式(29)

2.3.2單坐標(biāo)系法(30)

2.3.3多坐標(biāo)系法(32)

2.3.4無窮小轉(zhuǎn)動(dòng)(34)

2.4速度方程(35)

2.4.1角速度和姿態(tài)參數(shù)(36)

2.4.2廣義位移(38)

2.4.3相對角速度(41)

2.5加速度及其重要性質(zhì)(41)

2.5.1角加速度矢量(42)

2.5.2廣義位移(42)

2.5.3歐拉參數(shù)的重要性質(zhì)(43)

2.6羅德里格斯參數(shù)(44)

2.6.1與歐拉參數(shù)之間的關(guān)系(45)

2.6.2角速度矢量(46)

2.7歐拉角(47)

2.7.1角速度矢量(48)

2.7.2與歐拉參數(shù)之間的關(guān)系(49)

2.7.3另一種順序(51)

2.8方向余弦(51)

2.944變換矩陣(54)

2.9.1相對運(yùn)動(dòng)(55)

2.9.2DenavitHatenberg變換(57)

2.10不同姿態(tài)坐標(biāo)之間的關(guān)系(60)

2.11基于多體運(yùn)動(dòng)學(xué)的六足復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式機(jī)器人爬行運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡仿真研究(61)

2.12本章小結(jié)(65)

第3章多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(66)

3.1廣義坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)學(xué)約束(66)

3.1.1參考坐標(biāo)(67)

3.1.2運(yùn)動(dòng)學(xué)約束(68)

3.1.3簡單非完整系統(tǒng)(71)

3.2自由度和廣義坐標(biāo)分塊(72)

3.2.1廣義坐標(biāo)分塊(73)

3.2.2解釋性例子(74)

3.3虛功和廣義力(79)

3.3.1靜平衡(79)

3.3.2動(dòng)平衡(83)

3.3.3剛體的廣義力(85)

3.3.4受約束運(yùn)動(dòng)(88)

3.4拉格朗日動(dòng)力學(xué)(88)

3.4.1動(dòng)力學(xué)方程的形式(91)

3.4.2嵌入法(92)

3.4.3增廣形式(93)

3.5剛體動(dòng)力學(xué)應(yīng)用(93)

3.5.1消除約束力(95)

3.5.2使用冗余坐標(biāo)(97)

3.6變分法(98)

3.7多變量歐拉方程(103)

3.6.1哈密頓原理(104)

3.6.2保守力(105)

3.8剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程(108)

3.8.1運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(108)

3.8.2剛體的質(zhì)量矩陣(110)

3.8.3動(dòng)力學(xué)方程(112)

3.9牛頓歐拉方程(113)

3.9.1動(dòng)力學(xué)方程的總結(jié)(114)

3.9.2二次速度矢量(114)

2.9.3廣義力和主動(dòng)力(115)

3.9.4牛頓歐拉矩陣方程(115)

3.10基于多體動(dòng)力學(xué)的五連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真(116)

3.10.1運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)建模(116)

3.10.2數(shù)值仿真(118)

3.10.3運(yùn)動(dòng)學(xué)程序(120)

3.10.4動(dòng)力學(xué)程序(124)

3.11本章小結(jié)(126)

第4章2桿輪式線彈性阻尼懸架移動(dòng)剛體機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)研究與仿真

(129)

4.1引言(129)

4.22桿輪式懸架移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)分析(130)

4.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(132)

4.2.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析(134)

4.2.3系統(tǒng)靜力學(xué)研究與移動(dòng)載體參數(shù)的確定(140)

4.2.42桿輪式移動(dòng)剛性機(jī)械手動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真(140)

4.3本章小結(jié)(147)

4.4參考文獻(xiàn)(147)

第5章基于浮動(dòng)坐標(biāo)法的輪式懸架移動(dòng)柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)研究與仿真

(150)

5.1引言(150)

5.22桿輪式線彈性阻尼懸架移動(dòng)剛柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)研究

(151)

5.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(151)

5.2.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析(154)

5.2.3系統(tǒng)靜力學(xué)研究與移動(dòng)載體參數(shù)的確定(157)

5.3系統(tǒng)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真(158)

5.3.1系統(tǒng)靜力學(xué)研究與移動(dòng)載體參數(shù)的確定(158)

5.3.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真(161)

5.4本章小結(jié)(169)

5.5參考文獻(xiàn)(170)

第6章基于有限元法2桿輪式懸架移動(dòng)柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)研究與仿真(173)

6.1引言(173)

6.22桿輪式線彈性阻尼懸架移動(dòng)柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)研究(174)

6.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析(174)

6.2.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析(177)

6.2.3系統(tǒng)靜力學(xué)研究與移動(dòng)載體參數(shù)的確定(180)

6.3系統(tǒng)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真(180)

6.3.1系統(tǒng)靜力學(xué)數(shù)值仿真與移動(dòng)載體參數(shù)的確定(180)

6.3.2系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真(181)

6.4本章小結(jié)(194)

6.5參考文獻(xiàn)(194)

第7章輪式懸架移動(dòng)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性研究與仿真(195)

7.1引言(195)

7.2輪式移動(dòng)機(jī)械手穩(wěn)定性分析(198)

7.2.12桿輪式線彈性阻尼懸架移動(dòng)剛性機(jī)械手穩(wěn)定性分析(198)

7.2.2輪式移動(dòng)機(jī)械手動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性數(shù)值仿真(200)

7.2.3基于浮動(dòng)坐標(biāo)法的2桿輪式線彈性阻尼懸架移動(dòng)剛柔性機(jī)械手穩(wěn)定性分析(203)

7.2.42桿輪式懸架移動(dòng)剛柔性機(jī)械手動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性數(shù)值仿真(204)

7.2.5基于有限元法的2桿輪式線彈性阻尼懸架移動(dòng)柔性機(jī)械手穩(wěn)定性分析(206)

7.2.62桿輪式懸架移動(dòng)剛性、剛柔性、柔性機(jī)械手動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性數(shù)值仿真(206)

7.3本章小結(jié)(208)

7.4參考文獻(xiàn)(208)

第8章2桿輪式移動(dòng)剛柔性機(jī)械手逆動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)研究與仿真(210)

8.1引言(210)

8.22桿輪式移動(dòng)剛柔性機(jī)械手正動(dòng)力學(xué)、逆動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)分析與推導(dǎo)(211)

8.2.1系統(tǒng)正動(dòng)力學(xué)分析(213)

8.2.2系統(tǒng)相對動(dòng)力學(xué)分析(214)

8.2.3逆動(dòng)力學(xué)頻域求解(214)

8.2.4時(shí)域內(nèi)驅(qū)動(dòng)力矩修正與誤差分析(215)

8.2.5系統(tǒng)靜力學(xué)研究(215)

8.3逆動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真(216)

8.4本章小結(jié)(224)

8.5參考文獻(xiàn)(224)

第9章結(jié)論(227)

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