先进机器人建模与控制 吴俊东 孟庆鑫 张盼 王亚午

本书遵循教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。 

本书以机器人的发展和进化为线索，聚焦于传统和先进机器人的基础理论和研究方法。在阐述机器人相关理论的基础上，以实际机器人系统为案例进行分析，并配备了仿真或实验所需的源代码和教程，帮助读者深入了解先进机器人系统的建模与控制方法。本书重点介绍刚性全驱动机器人、欠驱动机器人、柔性机器人、气动软体机器人和智能材料软体机器人五类机器人系统，主要内容包括：机器人的定义和发展、自由度和刚性的概念、机器人的基本运动学和动力学建模、柔性梁理论、迟滞非线性、机器人的基本控制思路、全驱动机器人的位置控制及阻抗控制、垂直欠驱动机器人的摇起控制、平面欠驱动机器人的平衡控制、柔性关节机器人和柔性连杆机器人的建模与控制、气动软体机器人的建模和末端位置控制以及轨迹跟踪控制、基于介电弹性体和液晶弹性体的软体机器人驱动器的建模与控制。
　　本书可作为普通高校机器人、自动化、智能制造等专业高年级本科生和研究生的教材，也可供相关行业的研究人员参考学习。

高等院校教师

目录
前言
第1章绪论1
1.1引言1
1.2机器人的结构与特征2
1.2.1机器人的基本结构2
1.2.2机器人的自由度3
1.2.3机器人材料的刚度4
1.3从刚性机器人到软体机器人5
1.3.1基于刚度的机器人分类5
1.3.2刚性机器人5
1.3.3柔性机器人6
1.3.4软体机器人6
1.4机器人的典型应用7
本章小结8
习题8
参考文献8
第2章机器人基础10
2.1引言10
2.2机器人的建模基础11
2.2.1机器人运动学模型11
2.2.2机器人动力学模型14
2.3柔性机器人的振动及其建模16
2.3.1柔性机器人的弯曲形变16
2.3.2柔性梁理论基础19
2.4软材料的迟滞及其建模23
2.4.1软材料的迟滞非线性23
2.4.2迟滞的机理建模法24
2.4.3迟滞的唯象建模法25
2.5机器人的基本控制方法29
2.5.1前馈控制29
2.5.2PID控制31
2.5.3智能控制32
本章小结37
习题37
参考文献38
第3章全驱动机器人39
3.1引言39
3.2全驱动机器人末端的位置控制40
3.2.1关节空间下的末端位置控制40
3.2.2任务空间下的末端位置控制46
3.2.3机器人末端的位置控制案例48
3.3全驱动机器人末端的阻抗控制55
3.3.1阻抗模型56
3.3.2阻抗控制器设计57
3.3.3机器人末端的阻抗控制案例57
本章小结62
习题62
参考文献63
第4章欠驱动机器人65
4.1引言65
4.2垂直欠驱动机器人控制67
4.2.1运动空间划分70
4.2.2近似线性化与平衡控制器设计70
4.2.3摇起控制器设计72
4.2.4垂直两连杆欠驱动机器人控制案例75
4.3平面欠驱动机器人控制78
4.3.1运动状态约束79
4.3.2目标角度计算82
4.3.3驱动关节控制器设计85
4.3.4平面两连杆欠驱动机器人控制案例86
本章小结89
习题89
参考文献89
第5章柔性机器人91
5.1引言91
5.2柔性机器人建模93
5.2.1柔性关节机器人建模93
5.2.2柔性连杆机器人建模94
5.3柔性机器人控制99
5.3.1柔性关节机器人控制99
5.3.2柔性关节机器人控制案例101
5.3.3柔性连杆机器人控制104
5.3.4柔性连杆机器人控制案例106
本章小结120
习题120
参考文献121
第6章气动软体机器人122
6.1引言122
6.2气动软体机器人基础126
6.2.1气动软体机器人的设计126
6.2.2气动软体机器人的制作130
6.2.3气动软体机器人的控制平台组成132
6.2.4气动软体机器人的动态特性133
6.3气动软体驱动器建模135
6.3.1半物理半唯象建模135
6.3.2改进三元模型及参数辨识137
6.4气动软体驱动器控制141
6.4.1波纹管型气动软体驱动器末端位置控制案例141
6.4.2驱动器末端轨迹跟踪控制案例144
本章小结148
习题149
参考文献149
第7章智能材料软体机器人151
7.1引言151
7.2智能材料软体机器人基础153
7.2.1介电弹性体驱动器153
7.2.2液晶弹性体驱动器156
7.3介电弹性体驱动器建模与控制160
7.3.1介电弹性体驱动器唯象建模160
7.3.2介电弹性体驱动器前馈-反馈复合控制165
7.3.3介电弹性体驱动器控制案例166
7.4液晶弹性体驱动器建模与控制169
7.4.1光驱动液晶弹性体驱动器多步形变过程建模169
7.4.2光驱动液晶弹性体驱动器双闭环控制173
7.4.3光驱动液晶弹性体驱动器控制案例176
本章小结178
习题178
参考文献179
第8章总结与展望180
8.1总结180
8.2展望182
习题183
参考文献184

前言
　　机器人的兴起和发展毫无疑问是人类在20世纪以来最为重要的成就之一。21世纪以来，随着材料科学和制造工艺迅速发展，以柔性、软体机器人为代表的先进机器人技术步入了人们的视野，为机器人行业注入了新的活力。如今，机器人技术是生产制造的根本，是社会安定的助力剂；而机器人学科本身，也发展到了一个崭新的阶段。目前，国家高度重视机器人产业的高质量发展，工业和信息化部、国家发展和改革委员会等15个部门联合印发了《“十四五”机器人产业发展规划》，对“十四五”时期机器人产业发展做出了全面部署和系统谋划。可以说，在这样的时代背景下，学习、研究和发展机器人技术是我国科技发展的重要战略选择。
　　基于上述考虑，本书以机器人的发展和进化为线索，聚焦于传统工业机器人和先进机器人所涉及的理论和方法，详细介绍了刚性机器人、柔性机器人、软体机器人的基本理论、建模和控制方法。书中既包括前人的经验和总结，也不乏编者的科研心得和实践成果。本书具有以下特点：1）本书涉及面广，内容全面，以机器人的发展过程作为脉络，系统地介绍了刚性机器人、柔性机器人、软体机器人等不同时期机器人类型所涉及的理论和实践方法。内容层次清晰，脉络分明，方便读者有针对性地进行查阅。
　　2）本书所述方法均以实际实践为立足点出发进行考虑，摒弃了过于理论的而缺乏实际可行性的内容，所有理论方法均经过了实际系统实验验证。书中会对所涉及的方法辅以实际案例进行说明，包括实验平台的搭建、硬件的结构、程序的实现等，方便读者迅速理解所学理论知识，掌握机器人建模与控制的核心内容。
　　本书共8章：第1章为绪论，介绍了机器人的发展历程，自由度和刚度的基本概念，通过刚度对机器人的类型进行划分；第2章为机器人基础，介绍了机器人的基本运动学和动力学模型，柔性、软体机器人所涉及的基本概念和方法，以及常用的机器人控制方法；第3章为全驱动机器人，介绍了刚性全驱动机器人的位置控制及阻抗控制方法；第4章为欠驱动机器人，主要讲述刚性欠驱动机器人的控制方法、垂直欠驱动机器人的摇起控制以及平面欠驱动机器人的稳定控制；第5章为柔性机器人，分别对柔性关节机器人和柔性连杆机器人的建模方法进行了介绍，并介绍了如何实现上述两类机器人的控制；第6章为气动软体机器人，描述了以气体进行驱动的软体机器人驱动器的建模方法，包括基于半物理半唯象的建模方法以及基于改进三元模型的建模方法，并在此基础上介绍了气动软体驱动器的末端位置控制和轨迹跟踪控制；第7章为智能材料软体机器人，分别介绍了介电弹性体和液晶弹性体两类智能材料，在此基础上，介绍了介电弹性体驱动器的唯象建模方法和前馈-反馈复合控制方法以及液晶弹性体驱动器的多步形变建模方法和双闭环控制方法；第8章为总结与展望，对全书内容进行了总结，并围绕未来机器人的发展前景和所面临的挑战展开讨论。
　　本书由中国地质大学（武汉）吴俊东、孟庆鑫、张盼、王亚午共同编写。吴俊东编写第1章、第2章和第8章的内容并负责全书的统稿工作；张盼编写第3章和第4章的内容；孟庆鑫编写第5章和第6章的内容；王亚午编写第7章的内容。
　　由于编著者的知识水平有限，书中难免存在不当之处，恳请广大读者批评指正。
　　编著者