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第1章 绪论 1

1.1 概述 1

1.1.1 机器人的发展历程 1

1.1.2 遥操作的由来 5

1.2 遥操作典型应用及技术验证试验 6

1.2.1 空间维护中的遥操作 7

1.2.2 远程医疗及远程手术中的遥操作 18

1.3 遥操作面临的挑战 21

参考文献 24

第2章 大时延空间遥操作技术 27

2.1 遥操作基本模式 27

2.1.1 直接操纵模式 27

2.1.2 监督操纵模式 29

2.1.3 全自主操纵模式 30

2.1.4 其他操纵模式 31

2.2 空间遥操作过程的特点 32

2.3 遥操作系统的评价指标 34

2.3.1 鲁棒性 34

2.3.2 任务性能 35

2.3.3 临场感 35

2.3.4 透明性 36

2.4 遥操作中常用的控制方法及理论 37

2.4.1 基于无源性理论的控制方法 39

2.4.2 基于事件的控制方法 41

2.4.3 基于Lyapunov函数的控制方法 42

2.4.4 基于滑模控制的方法 43

2.4.5 基于H∞理论的控制方法 45

2.4.6 基于自适应的控制方法 46

2.5 大时延空间遥操作的关键技术问题 48

2.5.1 具有临场感的人机交互技术 48

2.5.2 基于虚拟现实的预测仿真技术 49

2.5.3 空间机器人任务规划技术 51

参考文献 52

第3章 空间遥操作任务规划技术 56

3.1 任务规划技术发展历程 56

3.1.1 美军任务规划系统 58

3.1.2 ENVISAT项目任务规划系统 61

3.1.3 “火星快车”项目任务规划系统 62

3.2 任务规划基本理论与方法 64

3.2.1 基于Agent的任务规划 64

3.2.2 基于Petri网的任务规划 68

3.3 空间机器人运动学基本理论 71

3.3.1 空间机器人运动学基础 71

3.3.2 位姿固定空间机器人运动学 75

3.3.3 自由飞行空间机器人运动学 75

3.3.4 自由漂浮空间机器人运动学 77

3.4 空间机器人运动规划基本理论 79

3.4.1 空间机器人笛卡儿空间规划技术 79

3.4.2 空间机器人关节空间规划技术 88

3.4.3 空间机器人非完整规划技术 95

3.4.4 仿真算例 108

3.5 空间遥操作任务规划系统设计与实现 111

3.5.1 功能要求 111

3.5.2 基本方案 111

参考文献 116

第4章 空间遥操作预测仿真技术 118

4.1 预测仿真的发展历程 118

4.1.1 可视化仿真技术 118

4.1.2 预测显示技术 118

4.2 空间遥操作预测仿真系统的设计 121

4.2.1 功能要求 121

4.2.2 基本方案 121

4.3 预测仿真相关技术 129

4.3.1 虚拟现实 129

4.3.2 增强现实 132

4.3.3 虚拟融合 143

4.3.4 基于层次包围体技术的碰撞检测 144

4.3.5 动力学预测 150

4.3.6 安全检查机制 158

4.3.7 参数辨识与模型修正 158

参考文献 166

第5章 空间遥操作人机交互技术 168

5.1 概述 168

5.2 人机交互技术发展 169

5.2.1 发展历程 169

5.2.2 主要研究内容 170

5.2.3 未来发展趋势 171

5.3 人机交互的原理与方式 172

5.3.1 人机界面技术 172

5.3.2 多通道交互 173

5.3.3 虚实融合和三维人机交互 176

5.3.4 可穿戴式人机交互 177

5.3.5 脑机交互 180

5.4 基于力反馈的双边遥操作技术 181

5.4.1 手控器技术 181

5.4.2 双边控制遥操作技术 185

5.5 虚拟夹具技术 197

5.5.1 虚拟夹具简介 197

5.5.2 速度型虚拟夹具 199

5.5.3 虚拟管道 206

5.5.4 虚拟夹具辅助空间遥操作 217

5.6 空间遥操作人机交互系统设计与实现 222

5.6.1 功能要求 222

5.6.2 系统组成 222

5.6.3 系统设计与实现 224

参考文献 227

第6章 空间遥操作地面验证技术 230

6.1 概述 230

6.2 地面验证原理 230

6.2.1 气浮及水浮试验系统 230

6.2.2 吊丝配重试验系统 231

6.2.3 失重飞机及落塔试验系统 232

6.2.4 混合试验系统 233

6.3 典型地面验证系统 233

6.3.1 载人航天器人工控制系统地面验证系统 233

6.3.2 SPDM任务检验装置 235

6.3.3 ETS-Ⅶ地面遥操作验证系统 235

6.4 空间遥操作地面验证系统的设计与实现 237

6.4.1 地面验证系统的组成与功能 237

6.4.2 空间机械手分系统模拟器 239

6.4.3 星务数传模拟器 244

6.4.4 动力学与图形工作站 248

6.4.5 时延模拟模块设计 250

参考文献 252

第7章 空间遥操作信息管理技术 254

7.1 信息管理技术的国内外研究现状 254

7.1.1 ETS-Ⅶ地面控制系统 254

7.1.2 机器人控制模块化结构 256

7.1.3 JPL的WITS系统 257

7.1.4 TeleRobot系统 258

7.2 空间遥操作系统的网络与通信 259

7.2.1 遥操作系统的内部通信 259

7.2.2 空间通信的特点 261

7.3 信息管理系统详细设计 262

7.3.1 任务与功能 262

7.3.2 功能要求分解及系统的模块结构 263

7.3.3 设计原理及实现方案 265

参考文献 277

第8章 航天测控及空间遥操作支持平台技术 279

8.1 航天测控技术概述 279

8.1.1 航天测控技术的发展 280

8.1.2 主要协议和标准 282

8.1.3 国外航天测控概述 284

8.1.4 国内航天测控概述 288

8.2 航天测控网 290

8.2.1 时间统一系统 291

8.2.2 测控网的功能 294

8.2.3 测控网的设计 296

8.2.4 航天测控中心 299

8.2.5 航天测控站 300

8.3 空间遥操作支持平台设计 303

8.3.1 功能与组成 305

8.3.2 工作流程 306

8.3.3 工作模式 308

参考文献 310