空间机器人：建模、规划与控制

第1章空间机器人发展现状及趋势

1.1引言

1.2空间机器人的概念及分类

1.3空间机器人需求分析

1.3.1频繁的卫星失效导致了巨大的经济损失

1.3.2不断增长的轨道垃圾严重影响正常卫星的安全

1.3.3大型空间设施的建设与维护需求越来越紧迫

1.3.4新型空间技术对在轨服务的推动

1.3.5空间机器人代替宇航员是未来在轨服务的必然

1.3.6空间机器人在轨服务内容

1.4载人航天器机械臂国内外发展现状

1.4.1航天飞机机器人SRMS

1.4.2国际空间站机器人

1.4.2.1空间站移动服务系统

1.4.2.2日本实验舱遥控机械臂系统

1.4.2.3欧洲机械臂系统

1.4.3中国的舱外自由移动机器人系统EMR

1.4.4中国的空间站机器人系统

1.5自由飞行空间机器人国内外发展现状

1.5.1已成功在轨演示的自由飞行空间机器人

1.5.2美国的空间机器人技术发展分析

1.5.2.1轨道快车

1.5.2.2机器人燃料加注实验

1.5.2.3FREND项目

1.5.2.4“凤凰”计划

1.5.2.5大型望远镜及空间结构在轨服务计划

1.5.2.6太空服务基地计划

1.5.2.7在轨制造计划

1.5.2.8美国在轨服务发展小结

1.5.3日本的空间机器人技术发展分析

1.5.4德国的空间机器人技术发展分析

1.5.5欧洲空间局的空间机器人技术发展分析

1.5.6加拿大的空间机器人技术发展分析

1.5.7中国的空间机器人技术发展分析

1.6空间机器人技术发展趋势分析

1.7小结

参考文献

第2章机器人运动学基础

2.1引言

2.2刚体的位置和姿态

2.2.1刚体位置的描述

2.2.2刚体姿态的描述

2.2.2.1旋转变换矩阵表示法

2.2.2.2欧拉角表示法

2.2.2.3欧拉轴角表示

2.2.2.4单位四元数表示法

2.2.2.5小角度下的姿态表示

2.2.2.6各种姿态表示的优缺点分析

2.2.3齐次坐标与齐次变换

2.3刚体的运动

2.3.1刚体的一般运动

2.3.2刚体的姿态运动学

2.3.2.1旋转变换矩阵表示下的姿态运动

2.3.2.2欧拉角表示法

2.3.2.3欧拉轴角表示

2.3.2.4单位四元数表示

2.3.3姿态奇异条件分析

2.3.3.1姿态奇异条件及特性分析

2.3.3.2第Ⅰ类欧拉角的奇异分析

2.3.3.3第Ⅱ类欧拉角的奇异分析

2.4机械臂状态描述

2.4.1关节状态变量与关节速度

2.4.2末端位姿与末端速度

2.4.3关节空间与任务空间

2.5机械臂运动学正问题和逆问题

2.6位置级运动学问题

2.6.1平面2连杆机械臂位置级正运动学举例

2.6.2平面2连杆机械臂位置级逆运动学举例

2.7机器人连杆坐标系建立的DH法

2.7.1经典DH表示法

2.7.1.1DH坐标系与DH参数

2.7.1.2各连杆DH坐标系建立的步骤

2.7.1.3基于DH参数的齐次变换矩阵

2.7.2改造后的DH表示法

2.8典型构型机械臂的解析运动学求解

2.8.13DOF拟人肘机械臂

2.8.1.13DOF拟人肘机械臂正运动学方程

2.8.1.23DOF拟人肘机械臂逆运动学方程

2.8.23DOF球腕机械臂

2.8.2.13DOF球腕机械臂正运动学方程

2.8.2.23DOF球腕机械臂逆运动学方程

2.8.36DOF腕部分离机械臂

2.8.3.16DOF腕部分离机械臂正运动学方程

2.8.3.26DOF腕部分离机械臂逆运动学方程

2.9小结

参考文献

第3章机器人微分运动学与奇异分析基础

3.1引言

3.2机器人的速度级运动学

3.2.1速度级运动学方程

3.2.2机器人的微分运动

3.2.2.1采用6D状态变量描述末端位姿时

3.2.2.2采用齐次变换矩阵描述末端位姿时

3.2.3速度级运动学举例

3.2.3.1平面2连杆机械臂速度级正运动学举例

3.2.3.2平面2连杆机械臂速度级逆运动学举例

3.3机器人的加速度级微分运动学

3.3.1加速度级运动学方程

3.3.2加速度级运动学举例

3.3.2.1平面2连杆机械臂加速度级正运动学举例

3.3.2.2平面2连杆机械臂加速度级逆运动学举例

3.4雅可比矩阵的计算方法

3.4.1不同坐标系表示下的雅可比矩阵的关系

3.4.2利用各关节位姿齐次变换矩阵

3.4.3根据末端位姿矩阵直接微分

3.5雅可比矩阵计算实例

3.5.1拟人的3DOF肘机械臂

3.5.23DOF球腕机械臂

3.5.36DOF腕部分离机械臂

3.6典型运动学奇异臂型分析

3.6.13DOF拟人肘机械臂

3.6.1.1奇异条件确定

3.6.1.2奇异臂型与运动退化分析

3.6.23DOF球腕机械臂

3.6.36DOF腕部分离机械臂

3.6.3.1腕部运动的分解

3.6.3.2奇异条件的确定

3.7基于微分运动学的通用逆运动学求解方法

3.7.1算法原理

3.7.2算法流程

3.7.3算法举例

3.8小结

参考文献

第4章机器人动力学基础

4.1引言

4.2动力学建模的基本原理

4.2.1欧拉方程

4.2.1.1刚体动量矩

4.2.1.2欧拉力矩方程

4.2.2达朗贝尔原理

4.2.3虚位移原理

4.2.3.1广义坐标

4.2.3.2虚位移原理

4.2.3.3广义力

4.2.4拉格朗日方程

4.2.4.1仅考虑动能情况下

4.2.4.2仅考虑势能情况下

4.2.4.3一般拉格朗日方程

4.3机器人动力学基础

4.3.1拉格朗日方法

4.3.1.1连杆的动能

4.3.1.2连杆的势能

4.3.1.3拉格朗日动力学方程

4.3.1.4拉格朗日动力学方程举例

4.3.2牛顿欧拉法

4.3.2.1力和力矩的递推关系式

4.3.2.2递推的牛顿欧拉动力学算法

4.4小结

参考文献

第5章空间机器人感知

5.1引言

5.2空间机器人基座姿态敏感器

5.2.1陀螺

5.2.2星敏感器

5.2.2.1工作原理

5.2.2.2主要技术指标

5.2.3太阳敏感器

5.2.4红外地球敏感器

5.2.5典型姿态测量部件组成及姿态确定算法设计

5.2.5.1GNC分系统的组成

5.2.5.2姿态确定算法

5.3机器人关节位置检测

5.3.1电位计

5.3.2旋转变压器

5.3.3光电编码器

5.3.3.1增量式光电编码器

5.3.3.2绝对式光电编码器

5.4机器人力/力矩感知

5.5机器人视觉

5.5.1相机成像模型

5.5.2单目视觉与位姿测量

5.5.2.1单目视觉系统与PnP算法

5.5.2.2常用的P3P问题及其求解

5.5.3双目视觉系统与立体匹配

5.6天基目标测量敏感器

5.6.1天基目标分类

5.6.2国内外应用情况分析

5.6.3天基目标测量敏感器简介

5.6.3.1微波测距仪

5.6.3.2激光测距仪

5.6.3.3差分GPS(RGPS)

5.6.3.4光学测角相机

5.6.3.5宽视场测量相机

5.6.3.6窄视场成像相机

5.6.3.7交会测量相机

5.6.3.8典型目标测量设备配置方案

5.7天基目标测量方案举例

5.7.1GEO非合作航天器在轨救援任务设计

5.7.1.1在轨接近任务

5.7.1.2绕飞监测任务

5.7.1.3停靠与抓捕

5.7.1.4在轨修复

5.7.2天基目标测量分系统配置方案

5.7.3GNC算法设计

5.7.3.1制导律的要求

5.7.3.2控制的要求

5.7.3.3导航的要求

5.8小结

参考文献

第6章空间机器人运动学建模

6.1引言

6.2符号及坐标系定义

6.3位置级运动学方程

6.3.1位置级正运动学方程

6.3.1.1位置级正运动学方程一般式

6.3.1.2空间机器人的正运动学方程举例

6.3.2位置级逆运动学方程

6.3.2.1空间机器人系统逆运动学方程解的存在性讨论

6.3.2.2基座位姿已知时的逆运动学方程求解

6.3.2.3仅基座姿态已知但系统不受外力时的逆运动学方程求解

6.4微分运动学方程

6.4.1速度级正运动学方程

6.4.1.1空间机器人一般运动方程

6.4.1.2空间机器人系统线动量和角动量

6.4.1.3基座位姿稳定时的运动学方程

6.4.1.4基座姿态受控模式的运动学方程

6.4.1.5自由漂浮模式的运动学方程

6.4.2速度级逆运动学方程

6.4.2.1一般情况下的逆运动学方程

6.4.2.2基座位姿固定时的逆运动学方程

6.4.2.3基座姿态受控、系统不受外力时的运动学方程

6.4.2.4自由漂浮模式的逆运动学方程与动力学奇异

6.4.3平面2连杆空间机器人系统运动学方程举例

6.4.3.1位置关系

6.4.3.2一般运动方程

6.4.3.3基座位姿固定模式下的运动学方程

6.4.3.4基座姿态受控模式下的运动学方程

6.4.3.5自由飘浮模式下的运动学方程

6.4.3.6平面空间机器人PIW与PDW的分析

6.4.4平面3连杆空间机器人系统运动学方程举例

6.4.4.1位置关系

6.4.4.2一般运动方程

6.4.4.3基座位姿固定模式下的运动学方程

6.4.4.4基座姿态受控模式下的运动学方程

6.4.4.5自由飘浮模式下的运动学方程

6.5虚拟机械臂建模及其应用

6.5.1基于虚拟机械臂的运动学建模

6.5.2工作空间分析

6.5.2.1空间机器人工作空间类型

6.5.2.2平面空间机器人系统示例

6.5.3基于虚拟机械臂的逆运动学求解

6.6小结

参考文献

第7章空间机器人动力学建模

7.1引言

7.2空间机器人通用动力学建模方法

7.2.1拉格朗日法

7.2.1.1空间机器人系统的动能

7.2.1.2空间机器人的拉格朗日动力学方程

7.2.1.3自由漂浮空间机器人动力学方程

7.2.2平面单连杆空间机器人动力学方程举例

7.2.3平面双连杆空间机器人动力学方程举例

7.3动力学等价机械臂建模

7.3.1不受外力作用下空间机器人系统动力学建模

7.3.2关节1为球关节时的固定基座机械臂动力学

7.3.3动力学等价机械臂(DEM)及其与SM的等价性

7.3.3.1动力学等价机械臂的定义

7.3.3.2SM与DEM的运动学等价

7.3.3.3SM与DEM的动力学等价

7.3.3.4仿真验证

7.4多领域统一建模方法

7.4.1非因果建模思想

7.4.1.1因果建模的局限性

7.4.1.2非因果建模

7.4.2空间机器人系统的多领域功能模块划分

7.4.3单臂空间机器人系统多领域统一建模

7.4.3.1空间机器人机构部分的建模

7.4.3.2机械臂关节轴的建模

7.4.3.3机械臂路径规划器(PathPlanning)

7.4.3.4基座姿态控制执行机构的建模

7.4.3.5姿态及轨道控制器

7.4.4多臂空间机器人系统的多领域统一建模

7.4.5仿真研究

7.4.5.1单臂空间机器人操作的多领域统一仿真

7.4.5.2双臂空间机器人操作的多领域统一仿真

7.5小结

参考文献