第1章 绪论 1
1.1 空间机器人的定义和分类 1
1.2 空间机器人的发展概况 2
1.2.1 舱内／舱外服务机器人 2
1.2.2 自由飞行机器人 7
1.2.3 星球表面探测机器人 10
1.2.4 空间机器人的发展趋势 11
1.3 空间机器人基础理论的研究 11
1.3.1 运动学和动力学建模的研究 12
1.3.2 运动规划的研究 13
1.3.3 控制方法的研究 14
第2章 空间机械臂的机构设计 16
2.1 机械臂的构型设计 16
2.2 模块化关节的结构设计 17
2.3 手爪的结构设计 18
2.4 锁紧释放机构的设计 18
2.4.1 锁紧位置确定 19
2.4.2 锁紧释放机构的设计 19
2.5 空间机械臂关节的轴承预紧 21
2.5.1 轴承基本理论和空间关节轴承参数计算 22
2.5.2 空间关节轴承的有限元分析 28
2.5.3 空间关节轴承刚度测试与分析 37
2.5.4 空间环境下的关节轴承预紧 40
第3章 传感技术 50
3.1 外部传感技术 50
3.1.1 视觉传感器 50
3.1.2 测距传感器 50
3.1.3 接近觉传感器 52
3.1.4 触觉传感器 52
3.1.5 力／力矩传感器 53
3.2 内部传感技术 56
3.2.1 规定位置的检测 56
3.2.2 位置的检测 56
3.2.3 速度和角速度的检测 58
3.2.4 加速度的检测 58
3.3 空间机器人传感系统的设计 59
3.3.1 电机位置传感器 59
3.3.2 关节位置传感器 60
3.3.3 基于多传感器信息的关节位置计算方法 60
3.3.4 关节力矩传感器 62
3.3.5 电机电流传感器 65
3.3.6 限位传感器 67
3.3.7 温度传感器 68
3.4 空间机器人视觉 68
3.4.1 机器人视觉与计算机视觉的关系 68
3.4.2 计算机视觉的理论框架 68
3.4.3 机器人视觉控制 71
3.4.4 空间机器人视觉的特点 72
3.4.5 手眼视觉技术 73
第4章 驱动技术 77
4.1 电机 77
4.1.1 电机概述 77
4.1.2 空间机器人系统中的直流无刷电机 78
4.1.3 直流无刷电机的位置检测 79
4.2 电机控制器 80
4.3 关节制动器的设计 82
4.3.1 制动器概述 82
4.3.2 空间机械臂制动器概述 83
4.3.3 空间机械臂制动器的设计指标分析 83
4.3.4 空间机械臂制动器的结构设计 85
4.3.5 空间机械臂制动器的电磁线圈设计 87
4.4 永磁同步电机的数学模型 88
4.4.1 静止坐标系下的PMSM模型 89
4.4.2 旋转坐标系下的PMSM模型 90
4.5 永磁同步电机的矢量控制 92
4.5.1 PMSM的矢量控制原理 92
4.5.2 基于矢量控制的PMSM电流控制方法 93
4.6 PWM调制技术 95
4.6.1 正弦波脉宽调制（SPWM） 96
4.6.2 正弦波加三次谐波注入法脉宽调制 97
4.6.3 空间电压矢量调制方式 98
4.6.4 SPWM、SPWM注入三次谐波以及SVPWM的比较 100
4.7 永磁同步电机的相电流重构 101
4.7.1 相电流检测方法概述 101
4.7.2 基于单电流传感器的相电流检测技术 102
4.7.3 SSPS相电流重构算法 104
4.7.4 性能分析 107
4.7.5 实验验证 110
第5章 控制系统 113
5.1 机器人控制系统的结构 113
5.1.1 串行处理结构 113
5.1.2 并行处理结构 114
5.2 中央控制器 114
5.2.1 硬件系统 115
5.2.2 容错和故障诊断系统 117
5.3 关节控制器 119
5.3.1 FPGA的选型 119
5.3.2 关节控制器的冗余设计 120
5.3.3 看门狗监控电路 120
5.3.4 基于Nios的控制器软件系统 121
5.4 柔性关节机器人模型 121
5.4.1 建模过程中的几点假设 122
5.4.2 柔性关节机器人的完整模型 122
5.4.3 柔性关节机器人的简化模型 123
5.5 柔性关节机器人位置控制 124
5.5.1 单柔性关节性能分析 124
5.5.2 柔性关节机器人的奇异摄动控制 125
5.5.3 基于柔性补偿的奇异摄动控制 127
5.6 柔性关节机器人笛卡尔阻抗控制 131
5.6.1 刚性机器人阻抗控制的操作空间法 131
5.6.2 柔性关节机器人操作空间法 133
5.6.3 笛卡尔阻抗控制的实现方案 135
5.6.4 基于关节力矩的笛卡尔阻抗控制策略的理论分析 138
第6章 空间环境适应性 142
6.1 空间辐射环境分析及适应性设计 142
6.1.1 总剂量效应 142
6.1.2 单粒子翻转效应 145
6.1.3 单粒子闩锁效应 147
6.1.4 充电－放电损伤效应 149
6.2 空间热环境适应性设计 150
6.2.1 热设计基本原则 150
6.2.2 总体设计 150
6.2.3 中央控制器热设计 151
6.2.4 空间机械臂的热设计 152
6.3 空间机器人关节的容错设计 153
6.3.1 关节的故障检测 153
6.3.2 关节的容错策略 157
6.3.3 关节控制器容错方案的实现 157
6.3.4 CAN总线故障检测及恢复 160
6.3.5 闩锁电源保护电路的测试 161
6.4 空间机器人中央控制器的容错设计 162
6.4.1 中央控制器的模型 162
6.4.2 容错系统的功能描述 163
6.4.3 中央控制器的双机同步方案设计 166
6.4.4 双机通信方案设计 167
6.4.5 系统级故障检测与诊断方案 169
6.4.6 软件EDAC技术 174
第7章 空间机器人的运动学和动力学 179
7.1 空间机器人运动学 179
7.1.1 空间机器人模型和坐标系 179
7.1.2 刚体姿态的表示 181
7.1.3 空间机器人一般运动方程 183
7.1.4 基座位姿固定时的运动学方程 184
7.1.5 自由飞行模式的运动学方程 184
7.1.6 自由漂浮模式的运动学方程 185
7.1.7 空间机器人的虚拟机械臂建模方法 187
7.2 空间机器人动力学方程 188
7.2.1 空间机器人系统的能量 188
7.2.2 空间机器人一般动力学方程 189
7.2.3 自由漂浮空间机器人动力学方程 189
7.3 自由漂浮空间机器人与固定基座机器人的比较 190
7.3.1 位置级运动学比较 190
7.3.2 速度级运动学比较 190
7.3.3 工作空间比较 191
7.4 基于虚拟样机技术的空间机器人建模和仿真 191
7.4.1 空间机械臂模型 192
7.4.2 基于虚拟样机技术的空间机器人建模过程 193
7.4.3 仿真任务 193
7.4.4 关节的运动测试 194
7.4.5 直线和圆弧运动阶段 194
7.4.6 动力学仿真 195
第8章 空间机器人的运动规划 199
8.1 空间机器人运动规划概述 199
8.2 空间机器人的非完整路径规划方法 200
8.2.1 非完整路径规划的问题描述 201
8.2.2 非完整路径规划的问题求解 202
8.3 空间机器人的笛卡尔空间路径规划方法 204
8.3.1 固定基座机器人的笛卡尔空间路径规划 204
8.3.2 空间机器人的笛卡尔空间路径规划 204
8.4 空间机器人的反作用优化 208
8.4.1 反作用优化问题的描述 208
8.4.2 一种基于关节变量参数化的全局反作用优化方法 209
第9章 空间机器人地面测试与试验 217
9.1 微重力模拟系统概述 217
9.2 吊丝配重测试装置 219
9.2.1 测试装置工作原理 219
9.2.2 吊丝配重测试装置组成 220
9.2.3 主要部组件的方案 222
9.2.4 吊丝配重测试装置的控制系统 223
9.2.5 测试装置的保护措施 223
9.3 基于气浮方式的空间机器人位姿精度测试 224
9.3.1 采用气浮方式的空间机器人位姿测试方案一 224
9.3.2 采用气浮方式的空间机器人位姿测试方案二 226
9.3.3 采用气浮方式的空间机器人位姿测试方案三 226
9.4 运动学参数标定 227
9.4.1 标定模型的完整性 227
9.4.2 运动学误差模型 228
9.4.3 运动学参数误差辨识 236
9.5 环境试验 243
9.5.1 试验的分类 244
9.5.2 试验项目说明 244
第10章 空间机器人的遥操作技术 249
10.1 空间机器人遥操作概述 249
10.1.1 空间机器人遥操作的特点 250
10.1.2 空间机器人遥操作的人机接口技术 250
10.2 空间机器人遥操作系统的体系结构 251
10.2.1 大时延遥操作系统的体系结构 251
10.2.2 双向遥操作 253
10.2.3 自主遥操作 255
10.2.4 共享遥操作 258
10.2.5 3种遥操作方式的比较 259
10.3 碰撞检测技术 259
10.3.1 碰撞检测概述 259
10.3.2 碰撞检测技术分类 260
10.3.3 碰撞检测的基本方法 261
10.4 力反馈柔性虚拟夹具辅助双向遥操作 262
10.4.1 传统虚拟夹具算法 262
10.4.2 柔性虚拟夹具算法 263
10.4.3 融合虚拟力反馈的柔性虚拟夹具方法 264
10.4.4 融合颜色识别的柔性虚拟夹具方法 265
10.4.5 主从遥操作实验 266
10.5 基于多传感器的空间机器人目标捕获自主遥操作 273
10.5.1 视觉引导下的目标捕获方法 273
10.5.2 基于Kalman滤波的目标运动预测 273
10.5.3 空间机器人目标捕获的自主遥操作实验 274
参考文献 279
术语索引 296