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第一篇 空间机器人基本理论 3

第1章 绪论 3

1.1空间机器人的定义、特点及分类 4

1.1.1空间机器人的定义 4

1.1.2空间机器人的特点 5

1.1.3空间机器人的分类 6

1.2空间机器人的基本组成及主要研究内容 8

1.2.1空间机器人的基本组成 8

1.2.2空间机器人的主要研究内容 9

第2章 空间机器人运动学与动力学 11

2.1拓扑结构数学描述 12

2.2坐标系定义与坐标变换 14

2.3空间机器人运动学 16

2.3.1各体位置和速度 16

2.3.2末端位置和速度 19

2.4空间刚性机器人动力学方程 21

2.4.1用拉格朗日法建立空间刚性机器人动力学方程 22

2.4.2用牛顿-欧拉法建立空间刚性机器人动力学方程 24

2.4.3不考虑基座浮动的情形 28

2.5空间柔性机器人动力学方程 30

2.5.1柔性体变形与动能 30

2.5.2柔性体的弹性力与广义力 33

2.5.3柔性体间约束方程 34

2.5.4柔性多体系统动力学模型 35

2.5.5空间机器人柔性多体动力学模型 36

第3章 空间机器人运动规划 37

3.1空间操作机器人运动规划 38

3.1.1规划问题描述 38

3.1.2运动轨迹的选取 39

3.1.3关节空间运动规划 41

3.1.4笛卡儿空间运动规划 42

3.1.5冗余机器人避关节极限和避奇异 45

3.2空间移动机器人运动规划 50

3.2.1全局路径规划 50

3.2.2局部路径规划 54

3.2.3轮式移动机器人运动规划 59

第4章 空间机器人运动控制 62

4.1三环伺服运动控制 64

4.1.1电机驱动与关节伺服控制 64

4.1.2关节伺服控制系统的调试与测试 75

4.2基于动力学模型的运动控制 79

4.2.1基于计算力矩的控制 79

4.2.2滑模变结构控制 80

第5章 空间机器人力控制 84

5.1力位混合控制 87

5.1.1自然约束和人工约束 87

5.1.2力位混合控制算法 88

5.2阻抗控制 91

5.2.1期望阻抗的选定 92

5.2.2基于位置的阻抗控制 93

5.2.3基于雅可比转置的阻抗控制 94

5.2.4基于动力学模型的阻抗控制 95

5.2.5多机器人协同阻抗控制 100

第二篇 空间机器人设计基础 105

第6章 空间机器人系统 105

6.1系统设计 107

6.1.1设计内容 107

6.1.2设计原则 108

6.2系统设计要素及约束要求 109

6.2.1功能要求 109

6.2.2性能要求 110

6.2.3环境约束要求 113

6.3系统总体设计 115

6.4系统构型设计 117

6.5系统供配电设计 121

6.6系统信息流设计 122

6.7系统热设计 124

6.8系统接口设计 125

6.9系统工效学设计 127

6.10系统可靠性设计 128

6.11系统安全性设计 129

6.12系统测试性设计 130

6.13系统维修性设计 131

6.14系统保障性设计 132

6.15元器件、原材料及工艺的选用设计 133

6.16系统验证方案设计 135

第7章 空间机器人机械系统 136

7.1机械系统设计 138

7.1.1设计内容 138

7.1.2设计原则 140

7.2空间机器人结构 142

7.2.1结构功能 142

7.2.2结构材料 143

7.2.3结构设计 150

7.3关节 155

7.3.1关节分类 155

7.3.2关节的组成 155

7.3.3关节设计 165

7.4末端执行器 172

7.4.1末端执行器分类 172

7.4.2末端执行器的组成 174

7.4.3末端执行器设计 180

7.5移动机构 184

7.5.1腿式移动机构 184

7.5.2轮式移动机构 187

7.5.3履带式移动机构 190

7.6压紧释放机构 191

7.6.1压紧释放机构的功能 191

7.6.2释放装置的类型 192

7.6.3压紧释放机构设计 195

7.7空间润滑设计 198

7.7.1润滑设计的作用和要求 198

7.7.2润滑材料及润滑方式选取 199

7.7.3脂润滑 200

7.7.4固体润滑 202

7.7.5固体-脂复合润滑 206

7.8机械系统试验验证技术 207

7.8.1空间机器人关节功能/性能测试 208

7.8.2空间机器人末端执行器功能/性能测试 210

7.8.3环境适应性试验 212

7.8.4可靠性试验 213

第8章 空间机器人控制系统 216

8.1控制系统的组成及基本功能 217

8.2控制系统设计 219

8.2.1控制系统架构 219

8.2.2信息流设计 221

8.2.3控制系统工作模式设计 223

8.2.4控制系统硬件设计 225

8.2.5控制系统软件设计 228

8.2.6控制系统可靠性与安全性设计 230

第9章 空间机器人感知系统 233

9.1视觉感知系统设计 235

9.1.1设计内容 235

9.1.2设计原则 239

9.2可见光视觉感知系统的应用 241

9.2.1可见光视觉感知的基本原理 241

9.2.2舱外空间机械臂视觉感知系统 244

9.2.3舱外飞行空间机器人视觉感知系统 246

9.2.4舱内飞行空间机器人视觉感知系统 247

9.2.5舱内类人型空间机器人视觉感知系统 248

9.3激光视觉感知系统的应用 252

9.3.1激光视觉感知的基本原理 252

9.3.2舱外空间机械臂视觉感知系统 254

9.3.3舱内类人型空间机器人视觉感知系统 257

9.4试验验证 259

第10章 空间机器人遥操作系统 261

10.1空间机器人遥操作系统设计 263

10.1.1空间机器人遥操作系统的特点、功能及组成 263

10.1.2遥操作系统设计原则 265

10.1.3主要技术指标 267

10.2典型空间机器人遥操作系统 268

10.2.1指令遥操作系统 269

10.2.2双边遥操作系统 270

10.2.3共享遥操作系统 278

10.2.4智能代理遥操作系统 279

第11章 空间机器人系统仿真 281

11.1仿真在空间机器人研制中的作用 283

11.2常用空间机器人仿真类型 286

11.2.1按实现方式分类 286

11.2.2按时间关系分类 287

11.3空间机器人仿真中的两个关键问题 288

11.3.1仿真目标 288

11.3.2模型验证 289

11.4基于仿真的任务验证 291

11.5常用机器人仿真软件 294

11.5.1 MATLAB 294

11.5.2 SimulationX 295

11.6基于MATLAB/SimMechanics的机器人仿真样例 297

第三篇 空间机器人设计实例 303

第12章 大型空间机械臂设计实例 303

12.1设计要求与约束条件 306

12.1.1设计要求 306

12.1.2约束条件 308

12.2系统总体设计 310

12.2.1任务分析 310

12.2.2总体设计 312

12.2.3机械臂机械系统设计 315

12.3控制系统设计 319

12.3.1控制系统的组成 319

12.3.2系统控制策略 320

12.3.3控制系统硬件设计 321

12.3.4控制系统软件设计 324

12.4感知系统设计 326

12.4.1感知系统的组成 326

12.4.2视觉测量系统策略 327

12.4.3视觉测量系统信息总线设计 328

12.4.4视觉测量系统硬件设计 328

12.4.5视觉测量系统软件设计 330

12.5设计验证 331

12.5.1验证项目矩阵 331

12.5.2验证方案 332

第13章 空间移动机器人设计实例 335

13.1设计要求与约束条件 337

13.1.1设计要求 337

13.1.2约束条件 338

13.2系统总体设计 340

13.2.1任务分析 340

13.2.2总体方案设计 342

13.3机械系统设计 348

13.3.1驱动转向模块设计 349

13.3.2主动悬架模块设计 350

13.3.3差动支撑模块设计 351

13.3.4压紧释放模块设计 352

13.4控制系统设计 354

13.4.1控制系统总体设计 354

13.4.2控制系统模式设计 355

13.4.3伺服驱动方案设计 356

13.5感知系统设计 359

13.5.1感知系统整体构造 359

13.5.2视觉感知系统设计 360

13.5.3导航相机设计 362

13.5.4避障相机设计 362

13.5.5太阳敏感器设计 363

13.6设计验证 364

13.6.1车体爬坡能力验证 364

13.6.2车体越障能力验证 365

13.6.3车体抬升能力验证 366

13.6.4抬轮行走能力验证 367

第14章 行星表面采样机械臂设计实现 369

14.1设计要求与约束条件 370

14.1.1任务要求 370

14.1.2功能要求 370

14.1.3性能要求 370

14.1.4接口要求 371

14.1.5环境适应性要求 371

14.2系统总体设计 373

14.2.1任务分析 373

14.2.2总体设计 374

14.3机械系统设计 379

14.3.1系统组成 379

14.3.2关节设计 379

14.3.3臂杆设计 381

14.3.4采样器设计 382

14.3.5压紧机构设计 383

14.4控制系统设计 385

14.4.1系统架构设计 385

14.4.2控制单元设计 385

14.4.3关节控制系统设计 387

14.4.4控制系统软件架构 387

14.5感知系统设计 389

14.5.1触地传感组件设计 389

14.5.2视觉系统设计 389

14.6设计验证 392

14.6.1试验验证项目 392

14.6.2抗力学环境试验 393

14.6.3抗热学环境试验 393

14.6.4抗尘土试验 394

14.6.5高温展开试验 394

14.6.6末端采样试验 394

14.6.7着陆姿态拉偏试验 396

第四篇 总结与展望 399

第15章 空间机器人现状 399

15.1空间机器人的发展历程 400

15.2空间机器人的研究现状 403

15.3小结 413

第16章 空间机器人展望 415

16.1空间机器人产品 416

16.1.1软体机器人 417

16.1.2飞行机器人 419

16.1.3空间云机器人 420

16.1.4空间多机器人系统 421

16.1.5人工智能空间机器人 422

16.2空间机器人技术 424

16.3小结 433

参考文献 434

符号定义 444

英文缩略语 446

索引 448