第一篇 在轨软接触技术概念与机理 1
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 在轨接触技术进展 3
1.2.1 在轨接触技术试验现状 3
1.2.2 在轨接触领域技术进展 6
1.2.3 在轨接触空间机器人技术进展 9
1.3 现有技术差距分析与发展需求 15
1.3.1 技术差距分析 15
1.3.2 软接触技术发展需求 16
1.4 在轨软接触技术的研究价值和意义 16
第2章 在轨软接触技术概念 18
2.1 在轨软接触技术的概念内涵 18
2.1.1 概念背景分析 18
2.1.2 概念内涵 19
2.1.3 核心思想 19
2.2 在轨软接触概念情景构设与行为分析 20
2.2.1 需求的情境因素 20
2.2.2 需求情境因素的敏感性分析 25
2.2.3 软接触行为分解及约束条件分析 29
2.2.4 软接触技术特性分析与综合评价 33
第3章 在轨软接触技术机理 37
3.1 软接触技术机理要素框架建立 37
3.2 软接触技术机理要素的联合求解 38
3.2.1 并行联合求解方法 38
3.2.2 串行联合求解方法 39
3.3 软接触技术机理判别准则建立 41
3.3.1 机构运动路径规划准则 41
3.3.2 接触动量控制准则 42
3.4 软接触技术机理仿真验证与评价 43
3.4.1 路径规划仿真验证 43
3.4.2 动量控制仿真验证 43
第4章 在轨软接触机理模型参数的定义与求解 48
4.1 工作空间求解 48
4.1.1 构型模型求解 48
4.1.2 工作空间定义 49
4.1.3 工作空间分析 50
4.2 灵活度求解 52
4.2.1 机构灵活度定义 52
4.2.2 机构末端T点的灵活度分析 52
4.3 控制复杂度求解与分析 54
4.4 软接触机理模型约束参数求解 54
4.4.1 机理模型约束参数方程建立 54
4.4.2 机理模型约束参数综合求解 56
4.4.3 机理模型参数的优化与确立 59
第5章 在轨软接触机理模型设计 61
5.1 柔性可控阻尼模型设计 61
5.1.1 磁流变特性分析 61
5.1.2 柔性可控阻尼设计 62
5.2 基于仿生学的软接触机理模型设计 63
5.2.1 仿生学设计基本思想 63
5.2.2 仿生学设计的借鉴与不足 65
5.2.3 基于仿生学的臂杆模型设计 66
5.2.4 基于仿生学的关节模型设计 66
5.3 基于一体化双关节的软接触机理模型设计 72
5.3.1 一体化双关节设计基本思想 72
5.3.2 一体化双关节设计的不足与借鉴 73
5.3.3 一体化双关节模型设计 73
第6章 在轨软接触机理模型仿真与评价 80
6.1 单关节刚性传动单元仿真分析 81
6.1.1 基于仿生学模型的传动单元仿真 81
6.1.2 基于一体化双关节模型的传动单元仿真 83
6.1.3 两种设计模型的传动单元仿真综合评价 85
6.2 单关节线动柔性可控单元仿真分析 85
6.2.1 线动柔性仿真实例设计 85
6.2.2 基于仿生学模型的线动柔性可控单元仿真 86
6.2.3 基于一体化双关节模型的线动柔性可控单元仿真 89
6.2.4 线动柔性单元对两种机理模型的综合评价 94
6.3 单关节角动柔性可控单元的仿真分析 97
6.3.1 角动柔性仿真实例设计 97
6.3.2 基于仿生学模型的角动柔性可控单元仿真 97
6.3.3 基于一体化双关节模型的角动柔性可控单元仿真 102
6.3.4 两种机理模型角动柔性单元的综合评价 106
6.4 单关节复合柔性可控单元的仿真分析 111
6.4.1 复合柔性仿真实例设计 111
6.4.2 基于仿生学模型的复合柔性可控单元仿真 111
6.4.3 基于一体化双关节模型的复合柔性可控单元仿真 119
6.4.4 两种设计模型的复合柔性单元仿真综合评价 127
第二篇 在轨软接触模型运动学与动力学方程 136
第7章 在轨软接触模型运动学方程 136
7.1 基本符号与多体姿态定义 136
7.1.1 基本符号 136
7.1.2 多体姿态表示 137
7.2 软接触模型运动学方程建立 139
7.2.1 运动学分析 139
7.2.2 基于动量守恒定律的运动学方程正解 141
7.2.3 基于动量守恒定律的运动学方程逆解 144
第8章 在轨软接触模型动力学方程 146
8.1 多刚体动力学描述基本方法 146
8.1.1 柔性体变形的基本描述方法 146
8.1.2 柔性动力学方程基本建模方法 147
8.2 碰撞前—基于空间多刚体系统的动力学方程的建立 149
8.2.1 基于拉格朗日方程的空间多体系统正动力学方程 149
8.2.2 基于牛顿-欧拉方程的空间多体系统逆动力学方程 150
8.2.3 仿真计算与验证 151
8.3 碰撞中—基于柔性杆柔性铰的柔性动力学模型建立 155
8.3.1 柔性杆柔性铰碰撞动力学模型建立 156
8.3.2 仿真计算与验证 160
8.4 碰撞中—基于虚拟构件的柔性动力学模型建立 165
8.4.1 采用虚拟构件和铰的柔性多体动力学 165
8.4.2 柔性多体动力学的广义递归算法 172
8.4.3 仿真计算与验证 181
8.5 碰撞后—基于凯恩方程的柔体动力学模型建立 201
8.5.1 凯恩方程描述 201
8.5.2 基于凯恩方程的柔性动力学模型 204
8.5.3 仿真验证 213
第三篇 在轨软接触机构路径规划方法 217
第9章 软接触机构路径规划算法 217
9.1 臂杆末端的速度序列规划算法 217
9.1.1 末端线速度序列规划算法 217
9.1.2 末端角速度序列规划算法 218
9.2 笛卡儿路径规划算法 219
9.2.1 自由漂浮模式末端连续位姿规划算法 219
9.2.2 自由漂浮模式基座姿态无扰的规划算法 222
9.2.3 自由飞行模式末端连续位姿规划算法 225
9.3 沿指定路径的时间最优规划算法 229
9.3.1 基本算法设计 229
9.3.2 时间最优规划算法设计 230
9.3.3 仿真计算与验证 231
第10章 软接触机构轨迹跟踪控制算法 235
10.1 基本控制算法设计 235
10.1.1 控制律设计 235
10.1.2 仿真计算与验证 236
10.2 增益矩阵自适应调整的模糊滑模控制算法设计 240
10.2.1 模糊控制律设计 241
10.2.2 自适应控制律设计 242
10.2.3 仿真计算与验证 243
第11章 软接触机构路径规划中的参数辨识方法 249
11.1 臂杆特性参数辨识 249
11.2 自由漂浮模式下基座的质量特性参数辨识 250
11.2.1 辨识算法研究 250
11.2.2 仿真计算与验证 252
11.3 自由飞行模式下基座的质量特性参数辨识 253
11.3.1 辨识算法研究 253
11.3.2 仿真计算与验证 256
11.4 两种辨识算法的比较分析 258
第四篇 在轨软接触机构刚柔复合控制方法 260
第12章 基于期望函数约束的刚柔复合控制算法 260
12.1 控制框架设计 260
12.2 控制对象模型 261
12.2.1 柔性可控阻尼器机理分析 261
12.2.2 柔性可控阻尼器动力学模型计算 263
12.3 内层控制算法 266
12.3.1 内层控制策略设计 266
12.3.2 BP神经网络基本理论 267
12.3.3 基于神经网络的磁流变阻尼器控制算法 268
12.3.4 仿真计算与验证 269
12.4 外层控制算法 270
12.4.1 外层控制策略设计 271
12.4.2 基于线性二次型最优控制算法设计 271
12.4.3 仿真计算与验证 273
12.5 综合实例仿真与评价 275
12.5.1 仿真实例设计 275
12.5.2 仿真计算与验证 275
第13章 基于微粒群优化的刚柔复合控制算法 280
13.1 控制框架设计 280
13.2 控制对象模型 281
13.2.1 凯恩动力学模型 281
13.2.2 基于神经网络磁流变阻尼器正模型 281
13.2.3 基于神经网络磁流变阻尼器逆模型 283
13.3 基于微粒群的刚柔复合控制算法 289
13.3.1 微粒群基本理论 290
13.3.2 基于微粒群刚柔复合控制算法设计 293
13.4 基于PID刚柔复合控制算法设计 295
13.4.1 控制器的设计 295
13.4.2 参数选择 296
13.5 综合实例仿真与评价 296
13.5.1 仿真实例设计 296
13.5.2 仿真计算与验证 297
第五篇 在轨软接触技术验证 304
第14章 在轨软接触机构数值仿真系统的构建与技术验证 304
14.1 数值仿真系统的构建 304
14.1.1 仿真系统总体框架设计 304
14.1.2 分系统构建 305
14.2 在轨软接触机构路径规划技术仿真验证 307
14.2.1 仿真环境设计 307
14.2.2 仿真计算与验证 308
14.3 基于期望函数约束的在轨软接触机构刚柔复合控制技术仿真验证 313
14.3.1 仿真环境设计 313
14.3.2 仿真计算与验证 313
14.4 基于微粒群的在轨软接触机构刚柔复合控制技术仿真验证 316
14.4.1 仿真参数设计 316
14.4.2 仿真计算与验证 316
第15章 在轨软接触机构气浮式实物模型系统的构建与技术验证 339
15.1 关节柔性可控阻尼部件的构建与验证 339
15.1.1 单关节线动柔性可控阻尼部件构建 339
15.1.2 单关节角动柔性可控阻尼构建 343
15.1.3 磁流变阻尼器测试平台设计 345
15.1.4 柔性可控阻尼器部件特性验证 348
15.2 基于气浮式软接触机构试验系统的构建 350
15.2.1 软接触机构试验系统设计分析 350
15.2.2 软接触机构试验系统关节结构设计 352
15.2.3 软接触机构气浮式试验系统构建 355
15.3 基于气浮式软接触机构的试验验证 360
15.3.1 试验框架设计 360
15.3.2 空间碰撞力模拟 361
15.3.3 硬接触碰撞动量控制试验 361
15.3.4 软接触碰撞动量控制试验 361
第16章 在轨软接触机构动力学在轨等效试验与校验 365
16.1 需求分析与试验内容 365
16.1.1 试验需求分析 365
16.1.2 等效试验框架 366
16.1.3 等效试验流程设计 366
16.2 在轨等效试验模型构建 367
16.2.1 在轨软接触机构模型等效设计分析 367
16.2.2 基于凯恩方程的柔性多体动力学等效构建 369
16.3 空间试验任务分析与数据应用 372
16.3.1 现有在轨试验任务分析 372
16.3.2 试验数据的选用 372
16.4 基于凯恩方程的柔性多体动力学参数在轨校验与验证 374
16.4.1 在轨校验与测试验证流程设计 374
16.4.2 在轨动力学参数校验方程的求解 376
16.4.3 参数校验与测试验证 381
参考文献 385