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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 MATLAB294

11.5.2 SimulationX295

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