本书首先对机器人机构学分析的重要工具——螺旋理论、线矢量、螺旋运动、力螺旋及螺旋相关性和相逆性进行了阐述，并以此为基础，深入地讲述了机器人机构拓扑结构分析的基本理论和方法，主要包括串联机器人机构、单回路机器人机构及并联机器人机构的拓扑结构特征与综合。其中，对动平台输出为3T-0R和0T-3R的两类并联机器人进行了重点介绍。最后，本书叙述了腿式移动机器人和轮式移动机器人的运动机构。本书适合作为高等学校机器人工程相关专业的本科生教材，也可作为研究生和机器人工程技术人员的参考用书。
刘宇，男，博士，教授/博士生导师，就职于哈尔滨工业大学机电学院机器人研究所。先后主持参加国家自然科学基金重点项目、863重点项目20余项。获得中国人民解放军科技进步一等奖一项。研究领域主要包括：空间机器人、冗余度机器人、并联机器人、移动机器人等。
第1章 绪论 1
1.1 现代机械系统 1
1.1.1 组成 1
1.1.2 机器人设计的一般过程 2
1.2 机器人机构学 2
1.2.1 拓扑结构研究现状 4
1.2.2 主要特点 5
1.2.3 研究的基本问题 5
1.2.4 适用的理论方法 7
1.3 本书主要内容、特点与建议 7
1.3.1 主要内容 7
1.3.2 特点与建议 8
习题 10
第2章 螺旋理论基础 11
2.1 点、线、面的齐次表示 12
2.1.1 点的齐次坐标 12
2.1.2 直线的矢量方程 12
2.1.3 平面的矢量方程 15
2.2 点、线、面的相互关系及两直线的互矩 17
2.2.1 直线与平面的交点 17
2.2.2 两平面的交线 18
2.2.3 两直线的互矩 18
2.2.4 两直线的交点 19
2.2.5 两直线的公法线 20
2.3 线矢量及螺旋 21
2.4 螺旋的代数运算 23
2.4.1 螺旋的数乘运算 23
2.4.2 两螺旋的加法运算 24
2.4.3 两螺旋的互易积 25
2.5 刚体的瞬时螺旋运动 25
2.5.1 刚体的瞬时转动 25
2.5.2 刚体的瞬时移动 26
2.5.3 刚体的运动合成 27
2.6 刚体上作用的力螺旋 29
2.6.1 刚体上的作用力 29
2.6.2 刚体上作用的力偶 30
2.6.3 刚体上作用力的合成 30
习题 33
第3章 螺旋的相关性和相逆性 34
3.1 螺旋系及其基本定理 34
3.1.1 基本定义 34
3.1.2 螺旋系串联定理 35
3.1.3 单回路运动链的螺旋方程 35
3.1.4 螺旋系并联定理 36
3.2 螺旋的相关性 36
3.2.1 螺旋相关性定义 36
3.2.2 秩判定方法 37
3.2.3 几何条件判定方法 37
3.3 串联机器人螺旋运动方程 44
3.4 螺旋的相逆性 46
3.4.1 反螺旋的定义 46
3.4.2 反螺旋系 49
3.4.3 反螺旋和被约束的运动 56
3.4.4 约束线矢力作用下存在的特殊转动 58
习题 64
第4章 串联机器人机构拓扑结构特征与综合 65
4.1 串联机器人机构拓扑结构特征 65
4.1.1 串联机器人机构结构组成及其符号表示 65
4.1.2 串联机器人机构的活动度公式 68
4.1.3 串联机器人机构运动输出特征矩阵 68
4.2 串联机器人机构运动输出特征方程 71
4.2.1 运动螺旋的矩阵表示 71
4.2.2 运动副的运动输出特征矩阵 72
4.2.3 串联机器人机构运动输出特征方程求解 74
4.3 串联机器人机构运动输出特征矩阵运算 75
4.3.1 运动输出特征矩阵运算规则 75
4.3.2 运算示例 77
4.3.3 运动副轴线特殊配置类型及其运动输出特征 79
4.4 串联机器人机构的拓扑结构综合 82
4.4.1 拓扑结构综合主要步骤 82
4.4.2 拓扑结构综合示例 83
4.4.3 串联机器人机构的拓扑结构类型 87
习题 89
第5章 单回路机器人机构拓扑结构特征与综合 91
5.1 单回路机器人机构过约束性及其分类 91
5.2 过约束回路秩的判定 93
5.2.1 基本原理 93
5.2.2 求秩示例 94
5.3 单回路机器人机构的活动度与运动副特性 96
5.3.1 活动度公式 96
5.3.2 消极运动副及其判定 97
5.3.3 主动副及其判定 99
5.4 一般过约束回路拓扑结构综合 100
5.4.1 基本原理 100
5.4.2 拓扑结构综合主要步骤 100
5.4.3 一般过约束回路拓扑结构类型 103
5.5 特殊过约束回路研究简介 104
5.5.1 特殊过约束回路主要特点 104
5.5.2 主要研究方法 105
5.5.3 典型特殊过约束回路及其存在条件 105
习题 107
第6章 并联机器人机构拓扑结构特征与综合 108
6.1 并联机器人机构结构组成 108
6.1.1 并联机器人机构结构分解 108
6.1.2 支路基本类型 109
6.1.3 并联机器人机构结构组成的符号表示 111
6.2 机构活动度 111
6.2.1 活动度公式 111
6.2.2 虚约束类型及其判定 113
6.2.3 消极运动副及其判定 115
6.3 并联机器人机构运动输出 116
6.3.1 并联机器人机构运动输出特征矩阵 116
6.3.2 并联机器人机构运动输出特征方程 117
6.3.3 运动输出特征矩阵的确定 119
6.3.4 支路运动副在静平台的配置 122
6.4 多回路机构耦合度 123
6.4.1 多回路机构结构组成 123
6.4.2 运动链约束度与机构耦合度 123
6.4.3 基本运动链及其判定 126
6.5 活动度类型与控制解耦原理 128
6.5.1 活动度类型及判定 128
6.5.2 运动输入-输出控制解耦原理 129
6.6 主动副位置及其判定 130
6.6.1 主动副数目 130
6.6.2 主动副判定准则 131
6.7 并联机器人机构拓扑结构综合方法 132
6.7.1 基本方法与功能要求 132
6.7.2 拓扑结构综合的一般过程 133
习题 134
第7章 3T-0R并联机器人机构拓扑结构综合与分类 135
7.1 支路结构类型与支路组合 135
7.1.1 单开链支路结构类型 135
7.1.2 混合单开链支路结构类型 136
7.1.3 支路组合方案 139
7.2 3T-0R并联机器人机构拓扑结构综合 140
7.2.1 支路为单开链的拓扑结构综合 140
7.2.2 支路为混合单开链的拓扑结构综合 146
7.3 3T-0R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类 149
7.3.1 拓扑结构基本类型及其扩展 149
7.3.2 基于瞬时运动输出特性的拓扑结构类型 154
7.3.3 拓扑结构特征及其分类 158
习题 158
第8章 0T-3R并联机器人机构拓扑结构综合与分类 159
8.1 支路结构类型与支路组合 159
8.1.1 单开链支路结构类型 159
8.1.2 混合单开链支路结构类型 161
8.1.3 支路组合方案 163
8.2 0T-3R并联机器人机构拓扑结构综合 163
8.2.1 支路仅为单开链的拓扑结构综合 163
8.2.2 支路有混合单开链的拓扑结构综合 168
8.3 0T-3R并联机器人机构拓扑结构类型及其分类 173
8.3.1 拓扑结构类型 173
8.3.2 拓扑结构特征及其分类 176
习题 177
第9章 移动机器人的运动机构 178
9.1 概述 178
9.2 运动的关键问题 180
9.3 腿式移动机器人 181
9.3.1 腿的数目 182
9.3.2 单腿的自由度 182
9.3.3 步态规划 183
9.3.4 运动机构 185
9.4 轮式移动机器人 195
9.4.1 轮子的类型 195
9.4.2 常见的轮式移动机器人底盘结构(运动机构形式) 196
9.4.3 设计所考虑的关键问题 199
9.5 轮腿混合移动机器人 201
习题 203
参考文献 204
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