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本书主要介绍了近十余年来课题组在欠驱动机器人方面的部分研究工作。全书共10章。第1章绪论，主要介绍了欠驱动机械系统的特征及应用；第2章介绍了欠驱动机械系统的一些非线性规范形。这部分内容也反映了全书的组织逻辑；第3章介绍了微分平坦欠驱动机械系统的运动规划与全局渐近稳定控制方法；第4章介绍了具有近似仿射严格反馈规范形的欠驱动机器人的动力学与局部渐近稳定控制方法；第5章介绍了具有非仿射严格反馈规范形的欠驱动机器人系统的动力学与全局渐近稳定控制方法；第6章介绍了一阶非完整约束欠驱动机器人的链式规范形变换方法；第7章介绍了二阶非完整约束欠驱动机器人的链式规范形与指数稳定控制方法；第8章讨论了一般不具有某种特殊规范形的欠驱动机器人系统的动力学与控制问题；第9章讨论了欠驱动仿鸟扑翼飞行器的动力学性质与全局渐近稳定控制方法；第10章介绍了变约束欠驱动机器人系统的混杂动力学建模与轨道稳定控制方法。

第 1章　绪论 001

1．1　欠驱动机械系统的实际应用需求 002

1．2　工程中的欠驱动机械系统 005

1．3　欠驱动机械系统的力学特征 006

1．4　欠驱动机械系统控制问题的特征 007

1．5 非完整约束机械系统控制问题的特征 009

1．5．1 运动规划 009

1．5．2 反馈镇定和轨迹跟踪控制 010

1．6 本章结束语 012

参考文献 013

第 2章　欠驱动机械系统的特殊非线性规范形 021

2．1 相关研究进展回顾 022

2．2　一般欠驱动机械系统的动力学模型 023

2．3 非线性系统的特殊规范形 025

2．4 欠驱动机械系统非线性动力学的控制规范形 027

2．5 欠驱动机械系统控制规范形的变换方法 031

2．6　本章结束语 034

参考文献 034

第3章　微分平坦欠驱动机械系统的运动规划与控制 037

3．1　相关研究进展回顾 038

3．2　单输入微分平坦系统 039

3．3　微分平坦欠驱动机械系统的*优运动规划 042

3．4　欠驱动惯性轮摆的*优运动规划和控制 044

3．4．1　惯性轮摆的微分平坦输出 044

3．4．2　惯性轮摆的运动优化和轨迹跟踪控制 046

3．4．3　数值仿真 047

3．5　本章结束语 050

参考文献 050

第4章　近似仿射严格反馈规范形欠驱动机器人系统的动力学与控制 053

4．1　相关研究进展回顾 054

4．2　单腿跳跃机器人的机构模型 056

4．3　单腿跳跃机器人的动力学方程 057

4．3．1　支撑相的动力学方程 057

4．3．2　飞行相的动力学方程 059

4．4　连续跳跃运动的*小驱动力矩*优运动规划 061

4．4．1　支撑相*优运动规划及其边界条件 063

4．4．2　飞行相运动规划及其边界条件 066

4．4．3　运动规划数值仿真 067

4．5　机器人运动控制器设计 070

4．5．1　站立平衡控制器 071

4．5．2　连续跳跃运动控制器 073

4．6　本章结束语 078

附录 078

A．单腿跳跃机器人系统的拉格朗日函数 078

B．单腿跳跃机器人支撑相的动力学方程 079

C．单腿跳跃机器人飞行相的动力学方程 080

D．命题4．1的证明 083

参考文献 086

第5章　非仿射严格反馈规范形欠驱动机器人系统的动力学与控制 089

5．1　相关研究进展回顾 090

5．2　一类非仿射系统的饱和控制器 091

5．3　高阶有限时间观测器 094

5．4　基于有限时间观测器的轨迹跟踪有限时间控制器 098

5．5　仿真实例 101

5．5．1　Acrobot系统 103

5．5．2　惯性轮摆（IWP）系统 106

5．6　本章结束语 108

参考文献 108

第6章　一阶非完整约束欠驱动机器人系统的链式规范形变换 111

6．1　相关研究进展回顾 112

6．2　仿袋鼠跳跃机器人的飞行相动力学模型 114

6．2．1　机器人机构模型 114

6．2．2　飞行相动力学模型 116

6．3　飞行相动力学规范形 118

6．4　本章结束语 123

附录 124

A．飞行相动力学方程 124

B．偏微分方程dy2·D2=0的解的显式表示 127

参考文献 128

第7章　二阶非完整约束欠驱动机器人系统的链式规范形与控制 133

7．1　相关研究进展回顾 134

7．2　研究对象与基本引理 135

7．3　基于有限时间控制的二阶链式系统原点的全局镇定 136

7．4　数值仿真 144

7．4．1 气垫船的动力学模型及其规范形变换 144

7．4．2　数值仿真 145

7．5　本章结束语 147

参考文献 147

第8章　非特殊规范形欠驱动机器人系统的动力学与控制 151

8．1　相关研究进展回顾 152

8．2　平面2R欠驱动机器人的动力学模型 153

8．3　平面2R欠驱动机械臂系统的性质分析 154

8．4　幂零近似模型 160

8．5　控制器设计 167

8．6　数值仿真 170

8．7　本章结束语 171

附录 172

参考文献 173

第9章　欠驱动仿鸟扑翼飞行器的动力学与控制 177

9．1　相关研究进展回顾 178

9．2　欠驱动仿鸟扑翼飞行器的动力学建模 180

9．2．1　欠驱动仿鸟扑翼飞行器的运动学 180

9．2．2　欠驱动仿鸟扑翼飞行器的空气动力学 182

9．2．3　欠驱动仿鸟扑翼飞行器的本体动力学 187

9．3　欠驱动仿鸟扑翼飞行器的控制 188

9．4　数值仿真和样机试验 192

9．5　本章结束语 196

参考文献 196

第 10章　变约束欠驱动机器人系统的动力学和控制 201

10．1　相关研究进展回顾 202

10．2　变约束欠驱动系统的混杂动力学 203

10．3 变约束欠驱动系统的控制 208

10．4　平面单腿跳跃机器人的动力学和控制 213

10．4．1 平面单腿跳跃机器人的混杂动力学 213

10．4．2　单腿跳跃机器人稳态运动规划 216

10．4．3 单腿平面机器人的跳跃控制 219

10．5　本章结束语 222

参考文献 223

何广平，男，北方工业大学教授，博士生导师，机械工程一级学科责任教授。北京市创新人才计划及北京市长城学科计划项目获得者，北京市中青年骨干教师。北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室客座教授，北京邮电大学自动化学院兼职教授，北京工业大学机械工程学科兼职博士生导师。主要从事机器人学，动力学系统与控制，微机电系统（MEMS）技术等方向的研究工作。负责和参加完成国家航天“863”计划、国际合作计划、航天“917”工程、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等项目20余项，发表SCI/EI收录论文100余篇，合作出版研究生教材和专著4部，获得国家发明专利20余项。获得省部级科技奖励2项。北京市教委市属院校创新人才、北京市教委市属院校“长城学者”。

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书籍介绍

本书主要介绍了近十余年来课题组在欠驱动机器人方面的部分研究工作。全书共10章。第1章绪论，主要介绍了欠驱动机械系统的特征及应用；第2章介绍了欠驱动机械系统的一些非线性规范形。这部分内容也反映了全书的组织逻辑；第3章介绍了微分平坦欠驱动机械系统的运动规划与全局渐近稳定控制方法；第4章介绍了具有近似仿射严格反馈规范形的欠驱动机器人的动力学与局部渐近稳定控制方法；第5章介绍了具有非仿射严格反馈规范形的欠驱动机器人系统的动力学与全局渐近稳定控制方法；第6章介绍了一阶非完整约束欠驱动机器人的链式规范形变换方法；第7章介绍了二阶非完整约束欠驱动机器人的链式规范形与指数稳定控制方法；第8章讨论了一般不具有某种特殊规范形的欠驱动机器人系统的动力学与控制问题；第9章讨论了欠驱动仿鸟扑翼飞行器的动力学性质与全局渐近稳定控制方法；第10章介绍了变约束欠驱动机器人系统的混杂动力学建模与轨道稳定控制方法。