柔性机器人

    译者序
原书前言
作者名单
第1章微操作柔性集成结构设计
1.1微操作中柔性结构的设计与控制问题
1.1.1微尺度操作特性
1.1.2可靠性和定位精度
1.1.3微操作站
1.1.4机器人微操作控制相关问题
1.2微机电一体化设计
1.2.1柔性集成结构建模
1.2.2活性传导材料
1.2.3多物理模型
1.2.4微机电结构的优化策略
1.3柔性压电传导结构的综合优化方法示例
1.3.1块方法
1.3.2通用设计方法
1.3.3有限元模型
1.3.4应用示例：柔性集成微抓手设计
1.4小结
参考文献
第2章柔性结构的控制表示和显著特性
2.1柔性结构的状态空间表示
2.1.1动态表示
2.1.2模态基的能量守恒模型
2.1.3阻尼特性
2.1.4方程组求解
2.1.5模态基的状态空间表示
2.1.6模态辨识与控制
2.2模态能控性和能观性概念
2.2.1状态能控性与能观性概述
2.2.2柔性结构下的格拉姆矩阵解释
2.2.3模态基的格拉姆矩阵表示
2.3模型降阶
2.3.1均衡实现
2.3.2Moore降阶技术
2.3.3柔性结构的模态和均衡实现等效模态
2.4模态分析准则对拓扑优化的作用
2.4.1模型降阶的实际问题
2.4.2执行器/传感器配置
2.4.3拓扑优化中控制传递函数的频率响应
2.4.4结构优化中的模态能观性判据
2.4.5高控制权限(HAC)/低控制权限(LAC)控制
2.5小结
参考文献
第3章柔性结构建模的结构能量法
3.1简介
3.2有限维系统
3.2.1经典能量模型
3.2.2经典网络模型
3.2.3波特汉密尔顿公式
3.3无限维系统
3.3.1入门示例
3.3.2系统分类
3.3.3无限维狄拉克结构
3.3.4边界控制系统及其稳定性
3.4小结
参考文献
第4章柔性微操作机器人的开环控制方法
4.1简介
4.2压电微执行器
4.2.1柔性压电微执行器
4.2.2滞回建模与补偿
4.2.3强阻尼振动系统的建模和补偿
4.3热敏微执行器
4.3.1热敏执行器
4.3.2建模与辨识
4.3.3热执行器的双稳态模块
4.3.4控制
4.3.5数字化微机器人
4.4小结
参考文献
第5章多功能灵巧抓手的机械柔性和设计
5.1机器人抓手系统
5.1.1机器人抓手
5.1.2多功能抓取概念
5.1.3灵巧操作概念
5.2驱动架构和弹性元件
5.2.1驱动系统
5.2.2“简单效应”驱动结构中的弹性传动建模
5.3结构柔性
5.3.1柔性关节与精度问题
5.3.2多关节操作的指间关节设计示例
5.3.3可形变接触表面
5.4小结
参考文献
第6章多关节灵巧手操作的柔性触觉传感器
6.1简介
6.2作为机器人操作基础的人类灵巧操作
6.2.1人手和手指运动
6.2.2人手的触觉感知
6.2.3机器人灵巧操作触觉感知的功能规范
6.3触觉感知技术
6.3.1电阻式传感器
6.3.2导电聚合物和织物纤维
6.3.3导电弹性体复合材料
6.3.4导电流体
6.3.5电容式传感器
6.3.6压电式传感器
6.3.7光学传感器
6.3.8有机场效应晶体管
6.4传感器解决方案和感知技术的比较
6.5指甲传感器
6.5.1基本描述与工作原理
6.5.2制造过程
6.6从指甲传感器到触觉皮肤
6.6.1柔性指甲传感器阵列
6.6.2尺寸、材料和制造工艺
6.6.3信号寻址管理：大规模阵列和系统集成的挑战
6.7从传感器到人工触摸系统
6.7.1传感器保护和作用力传输
6.7.2基于指甲传感器的纹理分析装置
6.8应用与信号分析
6.8.1表面识别
6.8.2粗糙度估计
6.8.3材料感官分析
6.9小结
参考文献
第7章高精度机器手的柔性弯曲
7.1高精度工业机器人应用背景
7.1.1应用
7.1.2高精度与建议解决方案原则之间的约束连接
7.1.3超高精度机器人的几个示例
7.2简单柔性的运动学分析
7.2.1柔性设计
7.2.2基本关节的自由度
7.2.3寄生运动
7.2.4直线挠性和圆形挠性
7.3柔性并行化运动设计方法
7.3.1目的
7.3.2模块化设计方法
7.3.3超高精度概念的应用
7.3.4基于柔性的构件机械设计
7.4Legolas 5型机器人设计示例
7.4.1基于柔性的机械设计
7.4.2Legolas 5型机器人原型
7.4.3超高精度模块化并联机器人系列
参考文献
第8章柔性关节串联机器人的建模与运动控制
8.1简介
8.2建模
8.2.1柔性源
8.2.2动态模型
8.2.3动态简化模型特性
8.2.4简化示例分析
8.3辨识
8.3.1基于附加传感器的辨识
8.3.2仅根据电动机测量值进行辨识
8.3.3讨论与开放问题
8.4运动控制
8.4.1奇异摄动法
8.4.2线性化与补偿
8.4.3特殊控制方法
8.5小结
参考文献
第9章可形变机械臂的动力学建模
9.1简介
9.2弹性体的NewtonEuler模型
9.2.1应用于刚体的Poincaré方程组：NewtonEuler模型
9.2.2应用于浮动框架下弹性体的Poincaré方程组
9.2.3形变参数化
9.3可形变机械臂的运动学模型
9.4可形变机械臂的动力学模型
9.5示例
9.5.1问题描述
9.5.2受力运动定义
9.6小结
参考文献
第10章柔性结构机械手的鲁棒控制
10.1简介
10.2LTI方法论
10.2.1医疗机器人
10.2.2建模与辨识
10.2.3H∞控制
10.2.4线性控制评价
10.3LPV方法论
10.3.1具有两个柔性段的机械手
10.3.2LPV模型辨识
10.3.3LPV系统的分析和综合方法
10.3.4柔性机械手控制应用
10.4小结
参考文献

    本书主要介绍了有关柔性机器人原理、结构与应用等内容。全书内容共计10章，其中靠前章介绍了集成功能微抓手系统设计的一般概念，涉及材料科学和拓扑结构优化的自动化优选控制；第2章着重分析了模态能控性和能观性的双重表示，并介绍了在柔性机械手优化设计中模型降阶和传感器/执行器共定位相关的几个重要特性；第3章介绍了允许同时使用能量和系统结构表示的不同建模工具，尤其是采用波特-汉密尔顿（Port-Hamilto

    在非结构化动态环境中的机器人应用需要具有先进功能、多功能且独立机电一体化的系统。在此目标下，机器人抓取装置的设计和应用必须要对应于操作任务的具体要求，这取决于是否需要在微观世界内实现多功能抓取任务或甚至是灵活的大尺度任务。新的方法必须使得更先进的机械手能够胜任自适应完成任务的初始简化机器人抓取装置的性能。操作性能是机器人系统中最复杂的一项功能。为有效地在复杂环境中执行所需的操作，机器人必须具有一定的行动和感知能力，能够提供对于其他方面相互作用力的关键信息。整个机制必须确保稳定，且保持施加在物体上的抓取力能够抵抗连续反作用力（如在亚毫米对象操作过程中的宏观重力和黏附力）。操作功能的前提是采用高性能的精密机械系统，以避免如摩擦和迟滞等意外现象所产生的局限性。抓手可采用不同技术以及取决于机器人所执行任务的性质、复杂度和规模尺寸等多种形式来构造。因此，可能包括基于活性材料的微机械手、轻质机械臂、高度集成的功能终端肌腱部分或甚至拟人化机械手。在所有情况下，机器人任务操作所需的高水平性能包括机械设计结构及其相应控制器的精度、可控性和带宽要求。如果工业机器人的刚度作为一种保证高水平精度的优化准则，则可能在一些特定操作条件下不可避免地会产生系统的机械柔性（如负载和高动态运动）。因此，基于制造机器人研究的理想刚度假设可能在一些情况下是无效的。此外，近年来还开发了惯性较小的轻质机械臂。这些结构柔性的机器人不能执行一定内在安全性下的交互式机械臂任务。在这两种情况下，柔性可能突出表现在称为柔性关节机器人的传动或建模为形变体的机械段上。在第二种情况下，结构形变是沿形状足够纤细以至于可看作细梁的机械臂段分布。对于这两类柔性机器人装置，必须采用特定的建模、辨识和控制方法。上述所提到的示例是有关与机械柔性相关的意外现象，这些可能是由于采用构成机械手系统特定技术组件或特定细长结构的几何形状所自然产生的。导致性能变差的机械结构可能是限制机械手精度的一个关键因素，而通过设备和控制只能部分克服这些局限性。相比之下，若在设计阶段允许，可特意用尺寸合适的柔性结构来代替某些传统结构，以避免出现机械间隙、固体间摩擦所造成的零件磨损、固体间摩擦所引起的无耗散现象、抓取现象和需要润滑等一些缺点。此外，柔性结构还可作为整体部件进行制造，从而简化制造过程，并减少装配过程中所需的零件个数。一种优化的机械传动设计通常可避免在柔性导轨设计中采用称为局部成形的机械成形时的限制，而采用在超高精度并联机器人控制中可提高控制精度的传统铰链关节。在微操作任务中，与微观世界相关的物理特性主要是用于微抓手设计和机械结构可塑形。结构的机械成形称为分布式形变，可提高定位精度。微观机制的优化拓扑可利用辅助设计方法由设计人员确定。这些研究涉及问题的先验参数（拓扑域、结构几何形状、所用材料等），据此，优化研究可确定最适合的结构设计、材料选择、传感器和执行器的安装位置和物理集成等，以符合应用的特定要求。如果可能，还可在设计最开始时考虑由模态分析和控制所得到的一定数量的信息，以便于后期控制器的合成。最后，微型传感器在机械柔性衬底上的技术创新有利于在诸如灵巧手等某些领域上的应用。其自然特性、几何形状复杂性和配置可使得其集成到指关节远端区域需要特殊集成且需要高性能的触觉感知功能的多指机械手中。无论柔性来源于何处，这种机械结构都有一定范围的形变，以及取决于拓扑和所用材料特性的约束。质量和柔性相结合使得动能和弹性形变能之间进行能量变换，从而使得振荡动态特性类似于由多个质量能所构成的系统。由此产生的具有一定频率和模态形变特征的谐振取决于质量在整个结构上的分布和机械参数范围。在绝大多数应用中，机械手的机械柔性产生的振动都是影响系统高动态操作的主要原因。例如，这些可能包括压电执行器微机械手或高精度并联机械手。从控制器合成的角度来看，柔性系统动态特性的数学描述更加重要。结构的机械柔性自然会产生不可忽略的低频机械振动，通常在高精度操作任务中会大大降低操作性能。动态模型的表示往往来自于振动系统的离散机械方程组。值得注意的是，利用能量符号的建模技术本身能够很好地设计在许多高度集成的机械装置中的多物理分布式系统。根据该公式来可推导系统状态的表示来表征其动态特性，并限定模态可执行性和可观测性的双重符号。对于机器人专家而言，这些系统的柔性参数和频域特性辨识的实用方法需要系统控制的发展。在控制方面，防止通常由外部扰动或控制律本身产生的扰动（称为溢出效应的现象）中具有低自然阻尼的模式非常重要。基于系统频率分析的阻尼控制策略可显著降低振荡特性。无论尺寸规模如何，具有高精度或高动态特征的机器人操作任务会对任务专用的机器人装置的设计或选择施加一定的约束。在绝大多数情况下，无论设计人员是否慎重选择，都会与机械柔性现象表征的机制相关。本书将研究具有高度机械柔性特点的机器人装置有关设计、建模、辨识和控制的特定问题。本书的结构如下：—第1章介绍了集成功能微抓手系统设计的一般概念。该方法会产生一种多学科复杂方法，以解决有利于微观尺度下机器人操作的结构柔性问题。分析和设计方法涵盖了材料科学和包括拓扑结构优化的自动化先进控制。—第2章着重分析了模态能控性和能观性的双重表示，这在对于控制问题非常关键的振动模式控制权限中具有重要作用。并介绍了在柔性机械手优化设计中模型降阶和传感器/执行器共定位相关的几个重要特性。—第3章介绍了允许同时使用能量和系统结构表示的不同建模工具。尤其是分析了采用波特汉密尔顿系统的建模，因为这是一种目前结构能量建模中最先进的工具。—第4章讨论了可用于受限或拥挤环境中操作的两种无传感器方法。最先研究了柔性微执行器的开环控制策略，这是因为在难以集成高性能传感器时这些方法非常关键。本章的第二部分讨论了如何采用双稳态机械结构来产生微操作功能。—第5章分析了应对多功能抓取任务和灵巧手操作所需特定要求的一些适当方法。无论是机械传动、执行器、运动结构还是功能表面，都会在多功能抓手或灵巧机械手设计过程中不可避免地出现机械柔性现象。为帮助机电一体化设计人员完成复杂任务，本章对一些关键要素和判定准则进行了概述，以指导其设计选择。—在对主要用于灵巧操作的柔性触觉传感器进行分类之后，第6章讨论了基于压阻技术的三轴作用力传感器的发展。其柔性矩阵的变化可允许设想拟人化灵巧机械手的多种可能性。—第7章分析了机器人操作中亚微米级精度的约束条件。另外还介绍了柔性关节的运行学分析方法、机器人的关键部件和高精度机构，并着重强调了简单导引的自由度和特性。同时还研究了超高精度并联机器人的新型模块化设计方法。—第8章介绍了具有柔性关节的串联机器人中建模、辨识和控制律分析的基本步骤。着重分析了用于辨识和控制的动态模型的显著特性以及相对于完全刚性模型的其他特性。—第9章对形变体机械手的模型进行了综述。所采用的方法是在基于“浮点”方法的形变体机械手情况下基于NewtonEuler形式的推广。—最后一章，第10章介绍了在基于实验数据的柔性机械手辨识和控制方法方面所作出的一些贡献。在此介绍的方法考虑了线性变参数（LPV）模型，以及在线自适应校正器的特性。本书的目的是为有志于柔性机器人领域的研究人员提供机器人操作实际中一些先进科学和技术的综述。