在非結(jié)構(gòu)化動(dòng)態(tài)環(huán)境中的機(jī)器人應(yīng)用需要具有先進(jìn)功能、多功能且獨(dú)立機(jī)電一體化的系統(tǒng)。在此目標(biāo)下，機(jī)器人抓取裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用必須要對(duì)應(yīng)于操作任務(wù)的具體要求，這取決于是否需要在微觀世界內(nèi)實(shí)現(xiàn)多功能抓取任務(wù)或甚至是靈活的大尺度任務(wù)。新的方法必須使得更先進(jìn)的機(jī)械手能夠勝任自適應(yīng)完成任務(wù)的初始簡(jiǎn)化機(jī)器人抓取裝置的性能。操作性能是機(jī)器人系統(tǒng)中復(fù)雜的一項(xiàng)功能。為有效地在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行所需的操作，機(jī)器人必須具有一定的行動(dòng)和感知能力，能夠提供對(duì)于其他方面相互作用力的關(guān)鍵信息。整個(gè)機(jī)制必須確保穩(wěn)定，且保持施加在物體上的抓取力能夠抵抗連續(xù)反作用力（如在亞毫米對(duì)象操作過(guò)程中的宏觀重力和黏附力）。操作功能的前提是采用高性能的精密機(jī)械系統(tǒng)，以避免如摩擦和遲滯等意外現(xiàn)象所產(chǎn)生的局限性。抓手可采用不同技術(shù)以及取決于機(jī)器人所執(zhí)行任務(wù)的性質(zhì)、復(fù)雜度和規(guī)模尺寸等多種形式來(lái)構(gòu)造。因此，可能包括基于活性材料的微機(jī)械手、輕質(zhì)機(jī)械臂、高度集成的功能終端肌腱部分或甚至擬人化機(jī)械手。在所有情況下，機(jī)器人任務(wù)操作所需的高水平性能包括機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)控制器的精度、可控性和帶寬要求。如果工業(yè)機(jī)器人的剛度作為一種保證高水平精度的優(yōu)化準(zhǔn)則，則可能在一些特定操作條件下不可避免地會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)的機(jī)械柔性（如負(fù)載和高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)）。因此，基于制造機(jī)器人研究的理想剛度假設(shè)可能在一些情況下是無(wú)效的。此外，近年來(lái)還開(kāi)發(fā)了慣性較小的輕質(zhì)機(jī)械臂。這些結(jié)構(gòu)柔性的機(jī)器人不能執(zhí)行一定內(nèi)在安全性下的交互式機(jī)械臂任務(wù)。在這兩種情況下，柔性可能突出表現(xiàn)在稱(chēng)為柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的傳動(dòng)或建模為形變體的機(jī)械段上。在第二種情況下，結(jié)構(gòu)形變是沿形狀足夠纖細(xì)以至于可看作細(xì)梁的機(jī)械臂段分布。對(duì)于這兩類(lèi)柔性機(jī)器人裝置，必須采用特定的建模、辨識(shí)和控制方法。上述所提到的示例是有關(guān)與機(jī)械柔性相關(guān)的意外現(xiàn)象，這些可能是由于采用構(gòu)成機(jī)械手系統(tǒng)特定技術(shù)組件或特定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的幾何形狀所自然產(chǎn)生的。導(dǎo)致性能變差的機(jī)械結(jié)構(gòu)可能是限制機(jī)械手精度的一個(gè)關(guān)鍵因素，而通過(guò)設(shè)備和控制只能部分克服這些局限性。相比之下，若在設(shè)計(jì)階段允許，可特意用尺寸合適的柔性結(jié)構(gòu)來(lái)代替某些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以避免出現(xiàn)機(jī)械間隙、固體間摩擦所造成的零件磨損、固體間摩擦所引起的無(wú)耗散現(xiàn)象、抓取現(xiàn)象和需要潤(rùn)滑等一些缺點(diǎn)。此外，柔性結(jié)構(gòu)還可作為整體部件進(jìn)行制造，從而簡(jiǎn)化制造過(guò)程，并減少裝配過(guò)程中所需的零件個(gè)數(shù)。一種優(yōu)化的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)通�？杀苊庠谌嵝詫�(dǎo)軌設(shè)計(jì)中采用稱(chēng)為局部成形的機(jī)械成形時(shí)的限制，而采用在超高精度并聯(lián)機(jī)器人控制中可提高控制精度的傳統(tǒng)鉸鏈關(guān)節(jié)。在微操作任務(wù)中，與微觀世界相關(guān)的物理特性主要是用于微抓手設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)可塑形。結(jié)構(gòu)的機(jī)械成形稱(chēng)為分布式形變，可提高定位精度。微觀機(jī)制的優(yōu)化拓?fù)淇衫�用輔助設(shè)計(jì)方法由設(shè)計(jì)人員確定。這些研究涉及問(wèn)題的先驗(yàn)參數(shù)（拓?fù)溆�、結(jié)構(gòu)幾何形狀、所用材料等），據(jù)此，優(yōu)化研究可確定適合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、傳感器和執(zhí)行器的安裝位置和物理集成等，以符合應(yīng)用的特定要求。如果可能，還可在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)考慮由模態(tài)分析和控制所得到的一定數(shù)量的信息，以便于后期控制器的合成。后，微型傳感器在機(jī)械柔性襯底上的技術(shù)創(chuàng)新有利于在諸如靈巧手等某些領(lǐng)域上的應(yīng)用。其自然特性、幾何形狀復(fù)雜性和配置可使得其集成到指關(guān)節(jié)遠(yuǎn)端區(qū)域需要特殊集成且需要高性能的觸覺(jué)感知功能的多指機(jī)械手中。無(wú)論柔性來(lái)源于何處，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)都有一定范圍的形變，以及取決于拓?fù)浜退�用材料特性的約束。質(zhì)量和柔性相結(jié)合使得動(dòng)能和彈性形變能之間進(jìn)行能量變換，從而使得振蕩動(dòng)態(tài)特性類(lèi)似于由多個(gè)質(zhì)量能所構(gòu)成的系統(tǒng)。由此產(chǎn)生的具有一定頻率和模態(tài)形變特征的諧振取決于質(zhì)量在整個(gè)結(jié)構(gòu)上的分布和機(jī)械參數(shù)范圍。在絕大多數(shù)應(yīng)用中，機(jī)械手的機(jī)械柔性產(chǎn)生的振動(dòng)都是影響系統(tǒng)高動(dòng)態(tài)操作的主要原因。例如，這些可能包括壓電執(zhí)行器微機(jī)械手或高精度并聯(lián)機(jī)械手。從控制器合成的角度來(lái)看，柔性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述更加重要。結(jié)構(gòu)的機(jī)械柔性自然會(huì)產(chǎn)生不可忽略的低頻機(jī)械振動(dòng)，通常在高精度操作任務(wù)中會(huì)大大降低操作性能。動(dòng)態(tài)模型的表示往往來(lái)自于振動(dòng)系統(tǒng)的離散機(jī)械方程組。值得注意的是，利用能量符號(hào)的建模技術(shù)本身能夠很好地設(shè)計(jì)在許多高度集成的機(jī)械裝置中的多物理分布式系統(tǒng)。根據(jù)該公式來(lái)可推導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)的表示來(lái)表征其動(dòng)態(tài)特性，并限定模態(tài)可執(zhí)行性和可觀測(cè)性的雙重符號(hào)。對(duì)于機(jī)器人專(zhuān)家而言，這些系統(tǒng)的柔性參數(shù)和頻域特性辨識(shí)的實(shí)用方法需要系統(tǒng)控制的發(fā)展。在控制方面，防止通常由外部擾動(dòng)或控制律本身產(chǎn)生的擾動(dòng)（稱(chēng)為溢出效應(yīng)的現(xiàn)象）中具有低自然阻尼的模式非常重要�；�于系統(tǒng)頻率分析的阻尼控制策略可顯著降低振蕩特性。無(wú)論尺寸規(guī)模如何，具有高精度或高動(dòng)態(tài)特征的機(jī)器人操作任務(wù)會(huì)對(duì)任務(wù)專(zhuān)用的機(jī)器人裝置的設(shè)計(jì)或選擇施加一定的約束。在絕大多數(shù)情況下，無(wú)論設(shè)計(jì)人員是否慎重選擇，都會(huì)與機(jī)械柔性現(xiàn)象表征的機(jī)制相關(guān)。本書(shū)將研究具有高度機(jī)械柔性特點(diǎn)的機(jī)器人裝置有關(guān)設(shè)計(jì)、建模、辨識(shí)和控制的特定問(wèn)題。本書(shū)的結(jié)構(gòu)如下：—第1章介紹了集成功能微抓手系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般概念。該方法會(huì)產(chǎn)生一種多學(xué)科復(fù)雜方法，以解決有利于微觀尺度下機(jī)器人操作的結(jié)構(gòu)柔性問(wèn)題。分析和設(shè)計(jì)方法涵蓋了材料科學(xué)和包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的自動(dòng)化先進(jìn)控制。—第2章著重分析了模態(tài)能控性和能觀性的雙重表示，這在對(duì)于控制問(wèn)題非常關(guān)鍵的振動(dòng)模式控制權(quán)限中具有重要作用。并介紹了在柔性機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計(jì)中模型降階和傳感器/執(zhí)行器共定位相關(guān)的幾個(gè)重要特性�！�第3章介紹了允許同時(shí)使用能量和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表示的不同建模工具。尤其是分析了采用波特�矟h密爾頓系統(tǒng)的建模，因?yàn)檫@是一種目前結(jié)構(gòu)能量建模中先進(jìn)的工具�！�第4章討論了可用于受限或擁擠環(huán)境中操作的兩種無(wú)傳感器方法。先研究了柔性微執(zhí)行器的開(kāi)環(huán)控制策略，這是因?yàn)樵陔y以集成高性能傳感器時(shí)這些方法非常關(guān)鍵。本章的第二部分討論了如何采用雙穩(wěn)態(tài)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生微操作功能�！�第5章分析了應(yīng)對(duì)多功能抓取任務(wù)和靈巧手操作所需特定要求的一些適當(dāng)方法。無(wú)論是機(jī)械傳動(dòng)、執(zhí)行器、運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)還是功能表面，都會(huì)在多功能抓手或靈巧機(jī)械手設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)機(jī)械柔性現(xiàn)象。為幫助機(jī)電一體化設(shè)計(jì)人員完成復(fù)雜任務(wù)，本章對(duì)一些關(guān)鍵要素和判定準(zhǔn)則進(jìn)行了概述，以指導(dǎo)其設(shè)計(jì)選擇�！�在對(duì)主要用于靈巧操作的柔性觸覺(jué)傳感器進(jìn)行分類(lèi)之后，第6章討論了基于壓阻技術(shù)的三軸作用力傳感器的發(fā)展。其柔性矩陣的變化可允許設(shè)想擬人化靈巧機(jī)械手的多種可能性�！�第7章分析了機(jī)器人操作中亞微米級(jí)精度的約束條件。另外還介紹了柔性關(guān)節(jié)的運(yùn)行學(xué)分析方法、機(jī)器人的關(guān)鍵部件和高精度機(jī)構(gòu)，并著重強(qiáng)調(diào)了簡(jiǎn)單導(dǎo)引的自由度和特性。同時(shí)還研究了超高精度并聯(lián)機(jī)器人的新型模塊化設(shè)計(jì)方法。—第8章介紹了具有柔性關(guān)節(jié)的串聯(lián)機(jī)器人中建模、辨識(shí)和控制律分析的基本步驟。著重分析了用于辨識(shí)和控制的動(dòng)態(tài)模型的顯著特性以及相對(duì)于完全剛性模型的其他特性�！�第9章對(duì)形變體機(jī)械手的模型進(jìn)行了綜述。所采用的方法是在基于“浮點(diǎn)”方法的形變體機(jī)械手情況下基于Newton�睧uler形式的推廣。—后一章，第10章介紹了在基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的柔性機(jī)械手辨識(shí)和控制方法方面所作出的一些貢獻(xiàn)。在此介紹的方法考慮了線性變參數(shù)（LPV）模型，以及在線自適應(yīng)校正器的特性。本書(shū)的目的是為有志于柔性機(jī)器人領(lǐng)域的研究人員提供機(jī)器人操作實(shí)際中一些先進(jìn)科學(xué)和技術(shù)的綜述。