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第1章 绪论1

1.1 典型机器人的特性1

1.2 机器人的其他构型3

1.3 机器人技术的必要性8

1.4 并联机器人的定义8

1.4.1 广义并联机械臂的定义8

1.4.2 并联机械臂8

1.4.3 全并联机械臂9

1.4.4 全并联机械臂分析9

1.4.4.1 平面机器人9

1.4.4.2 一般情形10

1.5 本书内容11

1.6 练习12

第2章 机构综合与构型13

2.1 引言13

2.2 机构综合方法14

2.2.1 图论法14

2.2.2 群论法14

2.2.2.1 李（Lie）群和位移子群14

2.2.2.2 子群运动生成器15

2.2.2.3 基于群论的型综合15

2.2.3 螺旋法16

2.2.3.1 螺旋理论基础16

2.2.3.2 基于螺旋理论的型综合16

2.2.4 机构综合与其他运动学性能17

2.2.5 机构综合与不确定性17

2.2.6 并联机器人的符号18

2.3 平面机器人18

2.4 空间运动机器人19

2.4.1 关节和驱动器19

2.4.2 并联机器人的分类20

2.4.3 3自由度机械臂21

2.4.3.1 平移机械臂21

2.4.3.2 定向机械臂24

2.4.3.3 混合自由度机械臂26

2.4.4 4自由度机械臂29

2.4.5 5自由度机械臂31

2.4.6 6自由度机械臂33

2.4.6.1 UPS链机器人33

2.4.6.2 PUS链机器人34

2.4.6.3 RUS链机器人35

2.4.6.4 混合支链机器人36

2.4.6.5 3腿机器人37

2.4.6.6 解耦机器人41

2.5 冗余机器人42

2.6 组合式桁架和二元驱动43

2.7 MEMS和微定位机器人45

2.8 线机器人47

2.9 应用实例49

2.9.1 空间应用49

2.9.2 振动50

2.9.3 医疗应用52

2.9.4 模拟器54

2.9.5 工业应用55

2.9.5.1 机床56

2.9.5.2 定位设备60

2.9.5.3 其他工业应用61

2.9.6 其他应用64

2.10 本书中研究的机器人65

2.11 练习65

第3章 逆运动学67

3.1 逆运动学67

3.1.1 通用方法67

3.1.1.1 解析方法67

3.1.1.2 几何方法68

3.1.2 实例68

3.1.2.1 平面机械臂68

3.1.2.2 3-UPU机械臂69

3.1.2.3 6-UPS机械臂69

3.1.2.4 6-PUS机械臂70

3.1.2.5 6-RUS机械臂70

3.1.2.6 结论71

3.1.3 关节坐标的极限值71

3.2 练习71

第4章 正运动学73

4.1 平面机器人73

4.1.1 4杆机构73

4.1.2 耦合器曲线和循环数74

4.1.3 3-RPR机器人的正运动学74

4.1.3.1 配置模式75

4.1.3.2 多项式正运动学75

4.1.3.3 特例76

4.1.4 其他平面机器人77

4.2 3平移自由度机器人77

4.3 6自由度机器人78

4.3.1 实例分析：TSSM78

4.3.1.1 配置模式数的上界78

4.3.1.2 多项式公式79

4.3.1.3 具有16种配置模式的TSSM例子80

4.3.2 其他空间机构的分析82

4.3.2.1 3自由度腕82

4.3.2.2 MSSM83

4.3.2.3 6-PUS机器人和Stewart平台83

4.3.2.4 PPP-3S、 PRR-3S、 PPR-3S机械臂83

4.3.3 6- UPS机器人的特例84

4.3.3.1 6-5机械臂84

4.3.3.2 6-4机械臂84

4.3.3.3 6-3机械臂85

4.3.3.4 5-5机械臂85

4.3.3.5 5-4机械臂85

4.3.3.6 4-4机械臂86

4.3.3.7 5点对准机械臂87

4.3.4 SSM机构87

4.3.5 一般6- UPS机器人88

4.3.5.1 最大配置模式数88

4.3.5.2 求解方法88

4.3.5.3 具有40个实解的例子89

4.3.6 小结89

4.4 求解UPS机器人正运动学的系统方法90

4.4.1 9腿机械臂90

4.4.2 7腿和8腿机械臂91

4.5 结论92

4.6 快速数值算法92

4.6.1 牛顿（Newton）法93

4.6.1.1 原理93

4.6.1.2 正运动学的实现93

4.6.1.3 牛顿（Newton）法的缺点和实时性问题95

4.6.1.4 牛顿（Newton）法的收敛性95

4.6.1.5 扩展唯一性区域：膨胀方法96

4.6.2 区间分析法96

4.6.3 算法效率和计算时间97

4.6.4 路径跟踪98

4.7 具有附加传感器的正运动学98

4.7.1 附加传感器的类型和安装位置98

4.7.2 传感器的最大数量99

4.7.2.1 增加角度传感器99

4.7.2.2 增加位移传感器99

4.7.2.3 同时增加角度和位移传感器100

4.7.3 传感器精度和位姿精度的关系100

4.8 练习101

第5章 速度、精度和加速度分析103

5.1 运动学关系103

5.2 逆雅可比（Jacobian）矩阵103

5.2.1 欧拉（Euler）角逆雅可比（Jacobian）矩阵104

5.2.2 逆运动学雅可比（Jacobian）矩阵105

5.2.2.1 例：平面3-RPR机械臂105

5.2.2.2 例：3- UPU机械臂106

5.2.2.3 例：3-PUS旋转腕关节107

5.2.2.4 例：6- UPS机械臂107

5.2.2.5 例：6-PUS机械臂108

5.2.3 逆雅可比（Jacobian）矩阵与普吕克（Plucker）线坐标108

5.3 雅可比（Jacobian）矩阵109

5.4 运动静力学性能指标109

5.4.1 可操作性与运动学多面体109

5.4.2 条件数和其他指标110

5.4.2.1 可操作性指标和条件数110

5.4.2.2 条件数的有效性112

5.4.2.3 各向同构性113

5.4.2.4 全局性指标113

5.4.2.5 其他精度指标114

5.5 关节速度和旋量计算114

5.5.1 关节速度计算114

5.5.2 旋量计算114

5.6 工作空间中速度极值115

5.6.1 旋量极值115

5.6.2 关节速度的极值116

5.7 加速度分析116

5.7.1 6-UPS机器人116

5.7.2 6-PUS机器人117

5.8 精度分析117

5.8.1 几何误差117

5.8.2 热误差118

5.8.3 重力引起的误差118

5.8.4 动态误差118

5.8.5 最差精度位姿118

5.9 练习118

第6章 奇异位形121

6.1 引言121

6.2 奇异性的影响和分类121

6.2.1 奇异性和速度121

6.2.2 奇异性和静力学122

6.2.3 奇异性和运动学123

6.2.4 串联奇异性123

6.3 并联奇异性124

6.3.1 奇异性的研究动机124

6.3.2 奇异性分析124

6.4 格拉斯曼（Grassmann）几何125

6.4.1 变体和几何形状126

6.4.2 几何分析实例127

6.4.2.1 平面3-RPR机械臂127

6.4.2.2 3-UPU机械臂128

6.4.2.3 MSSM129

6.5 与奇异性相关的运动135

6.5.1 奇异性运动计算135

6.5.2 瞬时旋转轴计算136

6.5.3 例：MSSM136

6.5.3.1 类型3d的构型136

6.5.3.2 类型5a和5b的构型136

6.6 奇异性指标137

6.7 奇异性测试139

6.8 永久奇异性的机构140

6.9 无奇异路径规划和工作空间扩大141

6.10 奇异性和设计141

6.11 练习142

第7章 工作空间144

7.1 工作空间极限、表示和类型144

7.1.1 不同类型工作空间144

7.1.2 方位表示145

7.2 工作空间计算方法145

7.2.1 几何方法145

7.2.2 离散化方法146

7.2.3 数值方法146

7.3 平面机械臂147

7.3.1 固定方位工作空间148

7.3.1.1 关节坐标限制148

7.3.1.2 被动关节上的机械限制148

7.3.1.3 腿的干涉148

7.3.2 方位工作空间149

7.3.3 灵巧工作空间149

7.3.4 最大工作空间150

7.3.5 蕴含方位工作空间152

7.3.6 全方位工作空间153

7.4 3-UPU机械臂154

7.5 6-UPS机械臂154

7.5.1 固定方位工作空间的横截面154

7.5.2 3 D固定方位工作空间156

7.5.2.1 工作空间的面积和体积156

7.5.2.2 关节的机械限制157

7.5.2.3 连杆之间的干涉159

7.5.3 方位工作空间161

7.5.4 灵巧工作空间162

7.5.5 最大工作空间163

7.5.6 机床的工作空间163

7.5.7 构型比较164

7.6 工作空间性能指标165

7.7 轨迹验证165

7.7.1 线段验证165

7.7.1.1 连杆长度约束166

7.7.1.2 关节的机械限制166

7.7.1.3 实例167

7.7.2 参数轨迹验证168

7.8 运动规划168

7.8.1 全局运动规划168

7.8.1.1 平面机器人的单元分解法169

7.8.1.2 空间机器人的单元分解法170

7.8.1.3 路线图171

7.8.2 机床运动规划和零件定位172

7.8.3 全局运动规划方法的展望172

7.9 练习173

第8章 静力学分析174

8.1 力旋量和关节力的关系174

8.1.1 基本关系174

8.1.2 力旋量计算174

8.1.3 关节力计算174

8.2 最大关节力和最大力旋量175

8.2.1 位姿上的最大关节力175

8.2.2 平移工作空间中的最大关节力175

8.2.3 一般工作空间中的最大关节力176

8.2.4 位姿上的最大力旋量176

8.2.5 工作空间中的最大力旋量177

8.3 力性能指标178

8.4 并联机器人作为力传感器179

8.5 刚度和柔性179

8.5.1 并联机器人的刚度矩阵179

8.5.1.1 弹性模型179

8.5.1.2 梁模型180

8.5.2 被动柔顺与力反馈控制181

8.5.3 刚度映射181

8.5.3.1 等刚度映射181

8.5.3.2 6-UPS机器人的等刚度线182

8.5.4 工作空间中的刚度极值184

8.5.5 刚度和设计184

8.6 静态平衡185

8.7 练习185

第9章 动力学187

9.1 引言187

9.2 MSSM的逆动力学188

9.3 6-UPS机械臂动力学189

9.3.1 假设和符号189

9.3.2 算法原理190

9.4 6-PUS机器人动力学192

9.5 计算时间193

9.6 实例193

9.6.1 逆动力学193

9.6.2 正动力学194

9.7 练习195

第10章 标定196

10.1 引言196

10.2 标定方法的类型与原理196

10.2.1 标定原理196

10.2.2 标定方法的比较197

10.2.3 标定方法中存在的问题197

10.3 外部标定198

10.3.1 外部测量方法分类198

10.3.2 正运动学标定198

10.3.3 逆运动学标定199

10.3.4 固定腿长标定200

10.3.5 利用其他几何元素的标定200

10.3.6 解的唯一性200

10.3.7 能观性201

10.4 自动标定201

10.5 机械约束标定202

10.6 标定位姿计算202

10.7 练习203

第11章 设计204

11.1 引言204

11.2 减少设计参数的数量205

11.3 图册法206

11.4 代价函数法206

11.5 精确综合法209

11.5.1 工作空间综合209

11.5.2 速度综合210

11.6 参数空间法211

11.6.1 参数空间211

11.6.2 原理211

11.6.3 允许域计算211

11.6.4 搜索合适的机器人214

11.6.5 设计实例214

11.6.6 优点和缺点214

11.7 其他设计问题215

11.8 练习215

第12章 附录：系统求解方法216

12.1 同伦法216

12.2 消元法216

12.3 Grobner基217

第13章 附录：区间分析法218

13.1 引言218

13.2 函数性质和区间估计219

13.3 通用区间估计算法219

13.4 一般应用220

13.4.1 系统求解220

13.4.2 全局优化220

13.4.3 线性系统求解220

13.5 机器人应用221

13.5.1 工作空间计算221

13.5.2 奇异性检验221

13.6 小结221

第14章 附录：结论223

参考文献224