空间机器人机械学引论PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1 空间机器人 1

1.2 人机交互 3

1.3 人工智能 6

1.4 空间机器人与机械臂的任务 10

1.4.1 近地轨道 12

1.4.2 深空 13

1.4.3 行星表面 13

1.5 开放性问题 15

1.5.1 控制 15

1.5.2 机械学 16

1.5.3 转换器 16

1.5.4 动力 16

1.5.5 通信 17

第2章 空间与行星环境 18

2.1 近地轨道环境 18

2.2 太阳系空间环境 22

2.3 星际空间环境 23

2.4 月球环境 25

2.5 岩石行星 30

2.5.1 火星 31

2.5.2 水星 35

2.5.3 金星 37

2.6 巨行星 38

2.6.1 木星 39

2.6.2 土星 41

2.6.3 天王星 43

2.6.4 海王星 44

2.7 巨行星的卫星 46

2.7.1 木卫一（Io） 48

2.7.2 木卫二（Europa） 49

2.7.3 木卫三（Ganymede） 49

2.7.4 木卫四（Callisto） 50

2.7.5 土卫二（Enceladus）、土卫三（Tethys）、土卫四（Dione）、土卫五（Rhea）及土卫八（Iapetus） 50

2.7.6 土卫六（Titan） 51

2.7.7 天卫五（Miranda）、天卫一（Ariel）、天卫二（Umbriel）、天卫三（Titania）及天卫四（Oberon） 52

2.7.8 海卫一（Triton） 53

2.8 小天体 53

2.8.1 主带小行星 54

2.8.2 “柯伊伯带”天体 57

2.8.3 “特洛伊”小行星 58

2.8.4 其他小行星 59

2.8.5 彗星 60

2.8.6 外形不规则小行星表面上的重力加速度 61

第3章 操控装置 67

3.1 自由度和工作空间 67

3.2 末端执行器 71

3.3 末端执行机构的定位 72

3.4 冗余自由度 73

3.5 臂的设计 75

3.6 刚体在三维空间的位置 76

3.7 齐次坐标 79

3.8 Denavit-Hartenberg参数（DH参数） 80

3.9 臂的运动学 82

3.10 速度运动学 91

3.11 力和力矩 93

3.12 刚性臂的动力学 93

3.13 低阶控制 102

3.13.1 开环控制 103

3.13.2 闭环控制 103

3.13.3 基于模型的反馈控制 109

3.13.4 前馈、反馈混合控制 111

3.14 轨迹生成 111

3.15 挠性臂的动力学 114

3.16 高阶控制 127

3.17 并行操控装置 128

第4章 行星表面的移动性 134

4.1 移动性 134

4.2 探测车与地面之间的接触 135

4.2.1 接触压强 136

4.2.2 牵引力 141

4.3 轮式移动 147

4.3.1 在坚硬的地面上滚动的刚性车轮 147

4.3.2 车轮和地面的柔性 150

4.3.3 刚性车轮和柔性地面间的接触 152

4.3.4 柔性轮和刚性地面间的接触 157

4.3.5 柔性车轮和柔性地面之间的接触 162

4.3.6 切向力：在刚性地面上的弹性车轮 166

4.3.7 切向力：刚性车轮在柔性地面上 182

4.3.8 切向力：柔性轮在柔性地面上 187

4.3.9 切向力：经验模型 189

4.3.10 轮胎动力学行为 190

4.3.11 全向轮 191

4.4 履带 192

4.5 腿式移动 194

4.6 流体静力支撑 196

4.7 流体动力学支撑 197

4.8 其他类型的支撑 204

第5章 轮式探测车 205

5.1 概述 205

5.2 轮式探测车运动方程解耦 207

5.3 纵向运动特性 209

5.3.1 作用于地面的力 209

5.3.2 行驶阻力 211

5.3.3 动力传动系统模型 213

5.3.4 考虑纵向滑动的模型 216

5.3.5 传递到地面的最大转矩 220

5.3.6 电机允许的最大性能 222

5.3.7 匀速能耗 223

5.3.8 加速度 224

5.3.9 制动 226

5.4 横向运动特性 231

5.4.1 轨迹控制 231

5.4.2 低速或运动学转向控制 233

5.4.3 理想转向操控 238

5.4.4 非完整约束下地面-车轮接触 242

5.4.5 高速转向模型 247

5.4.6 高速转向线性模型 250

5.4.7 侧滑转向操控 268

5.4.8 铰接转向操控 272

5.4.9 轨迹定义 282

5.4.10 转向机动性 284

5.5 悬架动力学 285

5.5.1 非柔性悬架 286

5.5.2 弹性悬架 292

5.5.3 抗制动点头与抗加速翘头设计 300

5.5.4 四分之一车辆模型 303

5.5.5 弹跳和俯仰运动 311

5.5.6 轴距滤波 316

5.5.7 滚转运动 317

5.5.8 地面激励 318

5.5.9 振动对人体的影响 320

5.5.10 对驾乘舒适性的总结 321

5.6 耦合的纵向、侧向与悬架模型 323

5.7 “阿波罗”月球车 325

5.7.1 车轮和轮胎 325

5.7.2 驱动和制动系统 326

5.7.3 悬架 327

5.7.4 转向操控 327

5.7.5 电力系统 328

5.8 轮式车辆总结 328

第6章 非轮式机器人和行星车 331

6.1 行走机器 331

6.1.1 总体布局 331

6.1.2 脚的运动轨迹的形成 334

6.1.3 非动物形结构 338

6.1.4 步态和腿的协调性 346

6.1.5 平衡 350

6.1.6 双足机器人 352

6.1.7 结论 355

6.2 轮-腿混合机器人 357

6.3 履带-腿混合机器人 361

6.4 跳跃式机器人 362

6.5 雪橇板式机器人 367

6.6 无足机器人 368

第7章 作动器和传感器 371

7.1 空间机器人的作动机构 371

7.2 线性作动器 373

7.2.1 性能指标 373

7.2.2 液压缸 377

7.2.3 气动作动器 379

7.2.4 电磁作动器 380

7.2.5 移动线圈式作动器 385

7.2.6 压电作动器 387

7.3 旋转作动器 392

7.3.1 电机 392

7.3.2 液压电机和气动电机 398

7.3.3 内燃机 399

7.4 机械传动 401

7.4.1 旋转传动 401

7.4.2 从旋转运动到线性运动 407

7.5 液压传动 409

7.6 传感器 413

7.6.1 外感受器 413

7.6.2 本体感受器 415

第8章 动力系统 420

8.1 太阳能 420

8.1.1 光伏发电机 420

8.1.2 太阳能-热发电机 423

8.2 核能 424

8.2.1 裂变反应堆 425

8.2.2 放射性同位素发电机 425

8.2.3 放射性同位素供热装置 428

8.3 化学能（燃烧） 428

8.3.1 热发动机 429

8.3.2 燃料电池 430

8.4 电化学电池 431

8.4.1 原电池 431

8.4.2 二次（可充电）电池 433

8.5 其他储能装置 437

8.5.1 超级电容器 437

8.5.2 储能飞轮 437

附录A 构型空间及状态空间中的运动方程 439

A.1 离散线性系统 439

A.1.1 构型空间 439

A.1.2 状态空间 441

A.1.3 自由运动 443

A.1.4 保守自然系统 443

A.1.5 特征向量的性质 444

A.1.6 运动方程 445

A.1.7 自然非保守系统 447

A.1.8 质量矩阵为奇异的系统 450

A.1.9 保守陀螺系统 451

A.1.10 广义动力学系统 451

A.1.11 强制响应的闭合解 453

A.1.12 广义线性动力学系统的模态变换 454

A.2 非线性动力学系统 454

A.3 构型空间和状态空间里的拉格朗日方程 456

A.4 受约束系统的拉格朗日方程 458

A.4.1 完整约束 459

A.4.2 不完整约束 461

A.5 相空间里的哈密顿方程 461

A.6 伪坐标下的拉格朗日方程 462

A.7 刚体的运动 465

A.7.1 广义坐标 465

A.7.2 运动方程——拉格朗日法 466

A.7.3 伪坐标下的运动方程 468

A.8 多体模型 470

附录B 连接系统运动方程 472

B.1 总论 472

B.2 梁 474

B.2.1 综述 474

B.2.2 直梁弯曲振动 475

B.2.3 剪切变形的影响 483

B.3 续系统离散化：有限元方法 486

B.3.1 元素表征 487

B.3.2 Timoshenko梁结构元素 489

B.3.3 质量元素和弹簧元素 495

B.3.4 结构装配 496

B.3.5 结构约束 497

B.3.6 阻尼矩阵 498

B.4 自由度缩减 498

B.4.1 静态缩减 499

B.4.2 Guyan缩减 500

B.4.3 组元合成 501

参考文献 505