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第1章 微操作柔性集成结构设计1

1.1 微操作中柔性结构的设计与控制问题1

1.1.1 微尺度操作特性2

1.1.2 可靠性和定位精度2

1.1.3 微操作站3

1.1.4 机器人微操作控制相关问题6

1.2 微机电一体化设计7

1.2.1 柔性集成结构建模7

1.2.2 活性传导材料8

1.2.3 多物理模型10

1.2.4 微机电结构的优化策略12

1.3 柔性压电传导结构的综合优化方法示例15

1.3.1 块方法15

1.3.2 通用设计方法16

1.3.3 有限元模型17

1.3.4 应用示例：柔性集成微抓手设计17

1.4 小结18

参考文献19

第2章 柔性结构的控制表示和显著特性23

2.1 柔性结构的状态空间表示23

2.1.1 动态表示23

2.1.2 模态基的能量守恒模型24

2.1.3 阻尼特性25

2.1.4 方程组求解26

2.1.5 模态基的状态空间表示26

2.1.6 模态辨识与控制27

2.2 模态能控性和能观性概念28

2.2.1 状态能控性与能观性概述28

2.2.2 柔性结构下的格拉姆矩阵解释30

2.2.3 模态基的格拉姆矩阵表示31

2.3 模型降阶31

2.3.1 均衡实现31

2.3.2 Moore降阶技术32

2.3.3 柔性结构的模态和均衡实现等效模态33

2.4 模态分析准则对拓扑优化的作用33

2.4.1 模型降阶的实际问题33

2.4.2 执行器／传感器配置35

2.4.3 拓扑优化中控制传递函数的频率响应37

2.4.4 结构优化中的模态能观性判据37

2.4.5 高控制权限（HAC）／低控制权限（LAC）控制38

2.5 小结41

参考文献42

第3章 柔性结构建模的结构能量法45

3.1 简介45

3.2 有限维系统46

3.2.1 经典能量模型46

3.2.2 经典网络模型48

3.2.3 波特-汉密尔顿公式55

3.3 无限维系统59

3.3.1 入门示例59

3.3.2 系统分类63

3.3.3 无限维狄拉克结构64

3.3.4 边界控制系统及其稳定性67

3.4 小结70

参考文献70

第4章 柔性微操作机器人的开环控制方法73

4.1 简介73

4.2 压电微执行器73

4.2.1 柔性压电微执行器73

4.2.2 滞回建模与补偿75

4.2.3 强阻尼振动系统的建模和补偿77

4.3 热敏微执行器81

4.3.1 热敏执行器81

4.3.2 建模与辨识83

4.3.3 热执行器的双稳态模块86

4.3.4 控制88

4.3.5 数字化微机器人88

4.4 小结90

参考文献90

第5章 多功能灵巧抓手的机械柔性和设计93

5.1 机器人抓手系统93

5.1.1 机器人抓手93

5.1.2 多功能抓取概念94

5.1.3 灵巧操作概念95

5.2 驱动架构和弹性元件98

5.2.1 驱动系统98

5.2.2 “简单效应”驱动结构中的弹性传动建模103

5.3 结构柔性106

5.3.1 柔性关节与精度问题106

5.3.2 多关节操作的指间关节设计示例108

5.3.3 可形变接触表面111

5.4 小结113

参考文献113

第6章 多关节灵巧手操作的柔性触觉传感器116

6.1 简介116

6.2 作为机器人操作基础的人类灵巧操作116

6.2.1 人手和手指运动117

6.2.2 人手的触觉感知118

6.2.3 机器人灵巧操作触觉感知的功能规范118

6.3 触觉感知技术120

6.3.1 电阻式传感器120

6.3.2 导电聚合物和织物纤维125

6.3.3 导电弹性体复合材料127

6.3.4 导电流体128

6.3.5 电容式传感器129

6.3.6 压电式传感器133

6.3.7 光学传感器134

6.3.8 有机场效应晶体管136

6.4 传感器解决方案和感知技术的比较136

6.5 指甲传感器140

6.5.1 基本描述与工作原理140

6.5.2 制造过程141

6.6 从指甲传感器到触觉皮肤143

6.6.1 柔性指甲传感器阵列143

6.6.2 尺寸、材料和制造工艺143

6.6.3 信号寻址管理：大规模阵列和系统集成的挑战145

6.7 从传感器到人工触摸系统146

6.7.1 传感器保护和作用力传输146

6.7.2 基于指甲传感器的纹理分析装置146

6.8 应用与信号分析147

6.8.1 表面识别148

6.8.2 粗糙度估计150

6.8.3 材料感官分析150

6.9 小结151

参考文献152

第7章 高精度机器手的柔性弯曲159

7.1 高精度工业机器人应用背景159

7.1.1 应用159

7.1.2 高精度与建议解决方案原则之间的约束连接160

7.1.3 超高精度机器人的几个示例162

7.2 简单柔性的运动学分析163

7.2.1 柔性设计163

7.2.2 基本关节的自由度163

7.2.3 寄生运动164

7.2.4 直线挠性和圆形挠性169

7.3 柔性并行化运动设计方法170

7.3.1 目的170

7.3.2 模块化设计方法171

7.3.3 超高精度概念的应用172

7.3.4 基于柔性的构件机械设计172

7.4 Legolas 5型机器人设计示例173

7.4.1 基于柔性的机械设计174

7.4.2 Legolas 5型机器人原型177

7.4.3 超高精度模块化并联机器人系列177

参考文献179

第8章 柔性关节串联机器人的建模与运动控制181

8.1 简介181

8.2 建模181

8.2.1 柔性源181

8.2.2 动态模型182

8.2.3 动态简化模型特性184

8.2.4 简化示例分析185

8.3 辨识187

8.3.1 基于附加传感器的辨识188

8.3.2 仅根据电动机测量值进行辨识190

8.3.3 讨论与开放问题193

8.4 运动控制193

8.4.1 奇异摄动法194

8.4.2 线性化与补偿196

8.4.3 特殊控制方法199

8.5 小结202

参考文献203

第9章 可形变机械臂的动力学建模212

9.1 简介212

9.2 弹性体的Newton-Euler模型213

9.2.1 应用于刚体的Poincaré方程组：Newton-Euler模型214

9.2.2 应用于浮动框架下弹性体的Poincaré方程组217

9.2.3 形变参数化220

9.3 可形变机械臂的运动学模型222

9.4 可形变机械臂的动力学模型224

9.5 示例225

9.5.1 问题描述225

9.5.2 受力运动定义226

9.6 小结227

参考文献228

第10章 柔性结构机械手的鲁棒控制230

10.1 简介230

10.2 LTI方法论230

10.2.1 医疗机器人230

10.2.2 建模与辨识231

10.2.3 H∞控制233

10.2.4 线性控制评价236

10.3 LPV方法论236

10.3.1 具有两个柔性段的机械手236

10.3.2 LPV模型辨识238

10.3.3 LPV系统的分析和综合方法242

10.3.4 柔性机械手控制应用246

10.4 小结250

参考文献250