空間機(jī)器人：建模、規(guī)劃與控制

第1章空間機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1.1引言

1.2空間機(jī)器人的概念及分類

1.3空間機(jī)器人需求分析

1.3.1頻繁的衛(wèi)星失效導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失

1.3.2不斷增長的軌道垃圾嚴(yán)重影響正常衛(wèi)星的安全

1.3.3大型空間設(shè)施的建設(shè)與維護(hù)需求越來越緊迫

1.3.4新型空間技術(shù)對(duì)在軌服務(wù)的推動(dòng)

1.3.5空間機(jī)器人代替宇航員是未來在軌服務(wù)的必然

1.3.6空間機(jī)器人在軌服務(wù)內(nèi)容

1.4載人航天器機(jī)械臂國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.4.1航天飛機(jī)機(jī)器人SRMS

1.4.2國際空間站機(jī)器人

1.4.2.1空間站移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)

1.4.2.2日本實(shí)驗(yàn)艙遙控機(jī)械臂系統(tǒng)

1.4.2.3歐洲機(jī)械臂系統(tǒng)

1.4.3中國的艙外自由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)EMR

1.4.4中國的空間站機(jī)器人系統(tǒng)

1.5自由飛行空間機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.5.1已成功在軌演示的自由飛行空間機(jī)器人

1.5.2美國的空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.2.1軌道快車

1.5.2.2機(jī)器人燃料加注實(shí)驗(yàn)

1.5.2.3FREND項(xiàng)目

1.5.2.4“鳳凰”計(jì)劃

1.5.2.5大型望遠(yuǎn)鏡及空間結(jié)構(gòu)在軌服務(wù)計(jì)劃

1.5.2.6太空服務(wù)基地計(jì)劃

1.5.2.7在軌制造計(jì)劃

1.5.2.8美國在軌服務(wù)發(fā)展小結(jié)

1.5.3日本的空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.4德國的空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.5歐洲空間局的空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.6加拿大的空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.7中國的空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展分析

1.6空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢分析

1.7小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)

2.1引言

2.2剛體的位置和姿態(tài)

2.2.1剛體位置的描述

2.2.2剛體姿態(tài)的描述

2.2.2.1旋轉(zhuǎn)變換矩陣表示法

2.2.2.2歐拉角表示法

2.2.2.3歐拉軸角表示

2.2.2.4單位四元數(shù)表示法

2.2.2.5小角度下的姿態(tài)表示

2.2.2.6各種姿態(tài)表示的優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.2.3齊次坐標(biāo)與齊次變換

2.3剛體的運(yùn)動(dòng)

2.3.1剛體的一般運(yùn)動(dòng)

2.3.2剛體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)

2.3.2.1旋轉(zhuǎn)變換矩陣表示下的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)

2.3.2.2歐拉角表示法

2.3.2.3歐拉軸角表示

2.3.2.4單位四元數(shù)表示

2.3.3姿態(tài)奇異條件分析

2.3.3.1姿態(tài)奇異條件及特性分析

2.3.3.2第Ⅰ類歐拉角的奇異分析

2.3.3.3第Ⅱ類歐拉角的奇異分析

2.4機(jī)械臂狀態(tài)描述

2.4.1關(guān)節(jié)狀態(tài)變量與關(guān)節(jié)速度

2.4.2末端位姿與末端速度

2.4.3關(guān)節(jié)空間與任務(wù)空間

2.5機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正問題和逆問題

2.6位置級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)問題

2.6.1平面2連桿機(jī)械臂位置級(jí)正運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

2.6.2平面2連桿機(jī)械臂位置級(jí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

2.7機(jī)器人連桿坐標(biāo)系建立的DH法

2.7.1經(jīng)典DH表示法

2.7.1.1DH坐標(biāo)系與DH參數(shù)

2.7.1.2各連桿DH坐標(biāo)系建立的步驟

2.7.1.3基于DH參數(shù)的齊次變換矩陣

2.7.2改造后的DH表示法

2.8典型構(gòu)型機(jī)械臂的解析運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

2.8.13DOF擬人肘機(jī)械臂

2.8.1.13DOF擬人肘機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

2.8.1.23DOF擬人肘機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

2.8.23DOF球腕機(jī)械臂

2.8.2.13DOF球腕機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

2.8.2.23DOF球腕機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

2.8.36DOF腕部分離機(jī)械臂

2.8.3.16DOF腕部分離機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

2.8.3.26DOF腕部分離機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

2.9小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章機(jī)器人微分運(yùn)動(dòng)學(xué)與奇異分析基礎(chǔ)

3.1引言

3.2機(jī)器人的速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)

3.2.1速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

3.2.2機(jī)器人的微分運(yùn)動(dòng)

3.2.2.1采用6D狀態(tài)變量描述末端位姿時(shí)

3.2.2.2采用齊次變換矩陣描述末端位姿時(shí)

3.2.3速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

3.2.3.1平面2連桿機(jī)械臂速度級(jí)正運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

3.2.3.2平面2連桿機(jī)械臂速度級(jí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

3.3機(jī)器人的加速度級(jí)微分運(yùn)動(dòng)學(xué)

3.3.1加速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

3.3.2加速度級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

3.3.2.1平面2連桿機(jī)械臂加速度級(jí)正運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

3.3.2.2平面2連桿機(jī)械臂加速度級(jí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)舉例

3.4雅可比矩陣的計(jì)算方法

3.4.1不同坐標(biāo)系表示下的雅可比矩陣的關(guān)系

3.4.2利用各關(guān)節(jié)位姿齊次變換矩陣

3.4.3根據(jù)末端位姿矩陣直接微分

3.5雅可比矩陣計(jì)算實(shí)例

3.5.1擬人的3DOF肘機(jī)械臂

3.5.23DOF球腕機(jī)械臂

3.5.36DOF腕部分離機(jī)械臂

3.6典型運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異臂型分析

3.6.13DOF擬人肘機(jī)械臂

3.6.1.1奇異條件確定

3.6.1.2奇異臂型與運(yùn)動(dòng)退化分析

3.6.23DOF球腕機(jī)械臂

3.6.36DOF腕部分離機(jī)械臂

3.6.3.1腕部運(yùn)動(dòng)的分解

3.6.3.2奇異條件的確定

3.7基于微分運(yùn)動(dòng)學(xué)的通用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法

3.7.1算法原理

3.7.2算法流程

3.7.3算法舉例

3.8小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章機(jī)器人動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

4.1引言

4.2動(dòng)力學(xué)建模的基本原理

4.2.1歐拉方程

4.2.1.1剛體動(dòng)量矩

4.2.1.2歐拉力矩方程

4.2.2達(dá)朗貝爾原理

4.2.3虛位移原理

4.2.3.1廣義坐標(biāo)

4.2.3.2虛位移原理

4.2.3.3廣義力

4.2.4拉格朗日方程

4.2.4.1僅考慮動(dòng)能情況下

4.2.4.2僅考慮勢能情況下

4.2.4.3一般拉格朗日方程

4.3機(jī)器人動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

4.3.1拉格朗日方法

4.3.1.1連桿的動(dòng)能

4.3.1.2連桿的勢能

4.3.1.3拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程

4.3.1.4拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程舉例

4.3.2牛頓歐拉法

4.3.2.1力和力矩的遞推關(guān)系式

4.3.2.2遞推的牛頓歐拉動(dòng)力學(xué)算法

4.4小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章空間機(jī)器人感知

5.1引言

5.2空間機(jī)器人基座姿態(tài)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主要技術(shù)指標(biāo)

5.2.3太陽敏感器

5.2.4紅外地球敏感器

5.2.5典型姿態(tài)測量部件組成及姿態(tài)確定算法設(shè)計(jì)

5.2.5.1GNC分系統(tǒng)的組成

5.2.5.2姿態(tài)確定算法

5.3機(jī)器人關(guān)節(jié)位置檢測

5.3.1電位計(jì)

5.3.2旋轉(zhuǎn)變壓器

5.3.3光電編碼器

5.3.3.1增量式光電編碼器

5.3.3.2絕對(duì)式光電編碼器

5.4機(jī)器人力/力矩感知

5.5機(jī)器人視覺

5.5.1相機(jī)成像模型

5.5.2單目視覺與位姿測量

5.5.2.1單目視覺系統(tǒng)與PnP算法

5.5.2.2常用的P3P問題及其求解

5.5.3雙目視覺系統(tǒng)與立體匹配

5.6天基目標(biāo)測量敏感器

5.6.1天基目標(biāo)分類

5.6.2國內(nèi)外應(yīng)用情況分析

5.6.3天基目標(biāo)測量敏感器簡介

5.6.3.1微波測距儀

5.6.3.2激光測距儀

5.6.3.3差分GPS(RGPS)

5.6.3.4光學(xué)測角相機(jī)

5.6.3.5寬視場測量相機(jī)

5.6.3.6窄視場成像相機(jī)

5.6.3.7交會(huì)測量相機(jī)

5.6.3.8典型目標(biāo)測量設(shè)備配置方案

5.7天基目標(biāo)測量方案舉例

5.7.1GEO非合作航天器在軌救援任務(wù)設(shè)計(jì)

5.7.1.1在軌接近任務(wù)

5.7.1.2繞飛監(jiān)測任務(wù)

5.7.1.3?？颗c抓捕

5.7.1.4在軌修復(fù)

5.7.2天基目標(biāo)測量分系統(tǒng)配置方案

5.7.3GNC算法設(shè)計(jì)

5.7.3.1制導(dǎo)律的要求

5.7.3.2控制的要求

5.7.3.3導(dǎo)航的要求

5.8小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

6.1引言

6.2符號(hào)及坐標(biāo)系定義

6.3位置級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.3.1位置級(jí)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.3.1.1位置級(jí)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程一般式

6.3.1.2空間機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程舉例

6.3.2位置級(jí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.3.2.1空間機(jī)器人系統(tǒng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程解的存在性討論

6.3.2.2基座位姿已知時(shí)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解

6.3.2.3僅基座姿態(tài)已知但系統(tǒng)不受外力時(shí)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解

6.4微分運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.1速度級(jí)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.1.1空間機(jī)器人一般運(yùn)動(dòng)方程

6.4.1.2空間機(jī)器人系統(tǒng)線動(dòng)量和角動(dòng)量

6.4.1.3基座位姿穩(wěn)定時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.1.4基座姿態(tài)受控模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.1.5自由漂浮模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.2速度級(jí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.2.1一般情況下的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.2.2基座位姿固定時(shí)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.2.3基座姿態(tài)受控、系統(tǒng)不受外力時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.2.4自由漂浮模式的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程與動(dòng)力學(xué)奇異

6.4.3平面2連桿空間機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程舉例

6.4.3.1位置關(guān)系

6.4.3.2一般運(yùn)動(dòng)方程

6.4.3.3基座位姿固定模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.3.4基座姿態(tài)受控模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.3.5自由飄浮模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.3.6平面空間機(jī)器人PIW與PDW的分析

6.4.4平面3連桿空間機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程舉例

6.4.4.1位置關(guān)系

6.4.4.2一般運(yùn)動(dòng)方程

6.4.4.3基座位姿固定模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.4.4基座姿態(tài)受控模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.4.4.5自由飄浮模式下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

6.5虛擬機(jī)械臂建模及其應(yīng)用

6.5.1基于虛擬機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

6.5.2工作空間分析

6.5.2.1空間機(jī)器人工作空間類型

6.5.2.2平面空間機(jī)器人系統(tǒng)示例

6.5.3基于虛擬機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

6.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第7章空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模

7.1引言

7.2空間機(jī)器人通用動(dòng)力學(xué)建模方法

7.2.1拉格朗日法

7.2.1.1空間機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)能

7.2.1.2空間機(jī)器人的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程

7.2.1.3自由漂浮空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程

7.2.2平面單連桿空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程舉例

7.2.3平面雙連桿空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程舉例

7.3動(dòng)力學(xué)等價(jià)機(jī)械臂建模

7.3.1不受外力作用下空間機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

7.3.2關(guān)節(jié)1為球關(guān)節(jié)時(shí)的固定基座機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)

7.3.3動(dòng)力學(xué)等價(jià)機(jī)械臂(DEM)及其與SM的等價(jià)性

7.3.3.1動(dòng)力學(xué)等價(jià)機(jī)械臂的定義

7.3.3.2SM與DEM的運(yùn)動(dòng)學(xué)等價(jià)

7.3.3.3SM與DEM的動(dòng)力學(xué)等價(jià)

7.3.3.4仿真驗(yàn)證

7.4多領(lǐng)域統(tǒng)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空間機(jī)器人系統(tǒng)的多領(lǐng)域功能模塊劃分

7.4.3單臂空間機(jī)器人系統(tǒng)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模

7.4.3.1空間機(jī)器人機(jī)構(gòu)部分的建模

7.4.3.2機(jī)械臂關(guān)節(jié)軸的建模

7.4.3.3機(jī)械臂路徑規(guī)劃器(PathPlanning)

7.4.3.4基座姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模

7.4.3.5姿態(tài)及軌道控制器

7.4.4多臂空間機(jī)器人系統(tǒng)的多領(lǐng)域統(tǒng)一建模

7.4.5仿真研究

7.4.5.1單臂空間機(jī)器人操作的多領(lǐng)域統(tǒng)一仿真

7.4.5.2雙臂空間機(jī)器人操作的多領(lǐng)域統(tǒng)一仿真

7.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)