第1章 空间机械臂发展现状及关键技术 1
1.1 空间机械臂概述 2
1.1.1 空间机械臂的研究意义 2
1.1.2 空间机械臂的构成 3
1.1.3 空间机械臂的分类 5
1.2 国内外空间机械臂发展现状 6
1.2.1 国外典型空间机械臂发展现状 6
1.2.2 我国空间机械臂发展概况 11
1.2.3 空间机械臂基本参数与功能总结 12
1.3 空间机械臂应用分析 14
1.3.1 空间机械臂应用的影响因素分析 14
1.3.2 空间机械臂应用的技术分析 16
1.4 空间机械臂规划与控制关键技术 17
1.4.1 空间机械臂运动学建模 17
1.4.2 空间机械臂动力学建模 19
1.4.3 空间机械臂任务规划 21
1.4.4 空间机械臂路径规划与轨迹优化 22
1.4.5 空间机械臂接触碰撞控制 24
1.4.6 空间机械臂柔顺控制 26
1.5 小结 28
第2章 空间机械臂运动学模型 39
2.1 机械臂连杆间几何关系的描述方法 40
2.1.1 T矩阵法 40
2.1.2 D-H法 42
2.1.3 MDH法 44
2.1.4 MCPC法 46
2.1.5 旋量法 49
2.1.6 机械臂建系方法总结 52
2.2 空间机械臂位置级运动学问题 52
2.2.1 空间机械臂位置级正运动学问题 53
2.2.2 空间机械臂位置级逆运动学问题 54
2.3 空间机械臂速度级运动学问题 60
2.3.1 空间机械臂速度级正运动学问题 60
2.3.2 空间机械臂速度级逆运动学问题 67
2.3.3 算例：2自由度自由漂浮机械臂系统运动学建模 69
2.4 小结 73
第3章 空间机械臂动力学模型 75
3.1 机械臂动力学建模方法 76
3.1.1 牛顿-欧拉法 76
3.1.2 拉格朗日法 77
3.1.3 凯恩法 80
3.1.4 空间算子代数法 82
3.1.5 哈密尔顿法 87
3.1.6 机械臂动力学建模方法总结 88
3.1.7 典型动力学建模方法在空间机械臂上的应用 89
3.2 机械臂柔性动力学建模方法 97
3.2.1 基于假设模态法的机械臂柔性动力学建模方法 98
3.2.2 基于集中质量法的机械臂柔性动力学建模方法 100
3.2.3 基于有限元法的机械臂柔性动力学建模方法 106
3.2.4 机械臂柔性变形表征方法总结 110
3.2.5 典型柔性动力学建模方法在空间机械臂上的应用 110
3.3 小结 122
第4章 空间机械臂任务规划 125
4.1 空间机械臂任务规划框架 126
4.2 基于分层任务网络的空间机械臂任务规划方法 128
4.2.1 分层任务网络规划器介绍 129
4.2.2 空间机械臂分层任务网络规划域 130
4.2.3 空间机械臂分层任务网络化简 133
4.2.4 仿真算例 135
4.3 基于改进图的空间机械臂任务规划方法 137
4.3.1 空间机械臂任务规划要素表征 137
4.3.2 基于模拟退火算法图拓展改进 140
4.3.3 多约束条件下融合多目标的任务规划解提取 142
4.3.4 仿真算例 144
4.4 小结 148
第5章 空间机械臂路径规划 149
5.1 关节空间路径规划 150
5.1.1 基于梯形速度插值函数的路径规划 150
5.1.2 基于多项式插值函数的路径规划 155
5.1.3 仿真算例 157
5.2 笛卡儿空间路径规划 161
5.2.1 点到点路径规划 161
5.2.2 连续跟踪路径规划 164
5.2.3 基于视觉伺服的路径规划 171
5.2.4 仿真算例 173
5.3 非完整路径规划 174
5.3.1 非完整路径规划的数学描述 175
5.3.2 非完整路径规划问题的求解 176
5.3.3 仿真算例 177
5.4 小结 179
第6章 空间机械臂轨迹优化基本理论 181
6.1 空间机械臂轨迹优化模型建立 182
6.1.1 优化目标 182
6.1.2 约束条件 188
6.1.3 轨迹优化模型 191
6.2 空间机械臂轨迹优化问题求解 192
6.2.1 单目标轨迹优化方法 192
6.2.2 多目标轨迹优化方法 193
6.3 仿真算例 196
6.4 小结 204
第7章 考虑运动特性的空间机械臂轨迹优化 205
7.1 空间机械臂避奇异路径规划 206
7.1.1 空间机械臂奇异问题转化 206
7.1.2 空间机械臂奇异条件分析 207
7.1.3 基于末端速度修改的空间机械臂避奇异路径规划 212
7.1.4 仿真算例 215
7.2 空间机械臂避障路径规划 218
7.2.1 基于A＊算法的空间机械臂构型空间避障路径规划 218
7.2.2 基于多传感器信息的空间机械臂实时避障路径规划 226
7.2.3 仿真算例 231
7.3 空间机械臂重复运动规划 238
7.3.1 空间机械臂重复运动优化算子 239
7.3.2 基于重复运动优化算子的空间机械臂重复运动规划 242
7.3.3 仿真算例 245
7.4 小结 248
第8章 典型工况下空间机械臂轨迹优化 251
8.1 空间机械臂低速运动轨迹优化 252
8.1.1 低速运动特性影响因素分析 252
8.1.2 低速空载运动轨迹优化 265
8.1.3 低速重载运动轨迹优化 270
8.2 空间机械臂负载操作轨迹优化 278
8.2.1 空间机械臂负载能力评估 278
8.2.2 面向大负载点到点路径规划任务的空间机械臂轨迹优化 284
8.2.3 面向大负载连续跟踪路径规划任务的空间机械臂轨迹优化 292
8.3 小结 303
第9章 空间机械臂接触碰撞控制 307
9.1 空间机械臂接触碰撞动力学方程 308
9.1.1 空间机械臂离散接触碰撞动力学方程 308
9.1.2 空间机械臂连续接触碰撞动力学方程 313
9.1.3 仿真算例 315
9.2 空间机械臂碰前构型优化 320
9.2.1 空间机械臂构型优化目标函数的建立 320
9.2.2 空间机械臂构型优化策略设计 324
9.2.3 仿真算例 326
9.3 空间机械臂碰后稳定控制 331
9.3.1 空间机械臂末端位姿补偿控制 331
9.3.2 空间机械臂基座姿态自运动调整 336
9.3.3 仿真算例 339
9.4 小结 341
第10章 空间机械臂柔顺控制 343
10.1 机械臂柔顺控制方法 344
10.1.1 力/位混合控制法 344
10.1.2 阻抗控制法 351
10.1.3 自适应控制法 352
10.1.4 机械臂柔顺控制方法总结 353
10.2 环境干扰力作用下空间机械臂接触力柔顺控制 355
10.2.1 已知环境干扰力作用下的接触力柔顺控制 355
10.2.2 未知环境干扰力作用下的接触力柔顺控制 368
10.3 不确定模型下空间机械臂自适应柔顺控制 371
10.3.1 机械臂动力学模型不确定下的空间机械臂自适应柔顺控制 371
10.3.2 环境刚度模型下不确定的空间机械臂自适应柔顺控制 378
10.4 小结 385