空間機器人：建模、規(guī)劃與控制

第1章空間機器人發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1.1引言

1.2空間機器人的概念及分類

1.3空間機器人需求分析

1.3.1頻繁的衛(wèi)星失效導致了巨大的經(jīng)濟損失

1.3.2不斷增長的軌道垃圾嚴重影響正常衛(wèi)星的安全

1.3.3大型空間設(shè)施的建設(shè)與維護需求越來越緊迫

1.3.4新型空間技術(shù)對在軌服務的推動

1.3.5空間機器人代替宇航員是未來在軌服務的必然

1.3.6空間機器人在軌服務內(nèi)容

1.4載人航天器機械臂國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.4.1航天飛機機器人SRMS

1.4.2國際空間站機器人

1.4.2.1空間站移動服務系統(tǒng)

1.4.2.2日本實驗艙遙控機械臂系統(tǒng)

1.4.2.3歐洲機械臂系統(tǒng)

1.4.3中國的艙外自由移動機器人系統(tǒng)EMR

1.4.4中國的空間站機器人系統(tǒng)

1.5自由飛行空間機器人國內(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器人

1.5.2美國的空間機器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.2.1軌道快車

1.5.2.2機器人燃料加注實驗

1.5.2.3FREND項目

1.5.2.4“鳳凰”計劃

1.5.2.5大型望遠鏡及空間結(jié)構(gòu)在軌服務計劃

1.5.2.6太空服務基地計劃

1.5.2.7在軌制造計劃

1.5.2.8美國在軌服務發(fā)展小結(jié)

1.5.3日本的空間機器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.4德國的空間機器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.5歐洲空間局的空間機器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.6加拿大的空間機器人技術(shù)發(fā)展分析

1.5.7中國的空間機器人技術(shù)發(fā)展分析

1.6空間機器人技術(shù)發(fā)展趨勢分析

1.7小結(jié)

參考文獻

第2章機器人運動學基礎(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)缺點分析

2.2.3齊次坐標與齊次變換

2.3剛體的運動

2.3.1剛體的一般運動

2.3.2剛體的姿態(tài)運動學

2.3.2.1旋轉(zhuǎn)變換矩陣表示下的姿態(tài)運動

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)空間與任務空間

2.5機械臂運動學正問題和逆問題

2.6位置級運動學問題

2.6.1平面2連桿機械臂位置級正運動學舉例

2.6.2平面2連桿機械臂位置級逆運動學舉例

2.7機器人連桿坐標系建立的DH法

2.7.1經(jīng)典DH表示法

2.7.1.1DH坐標系與DH參數(shù)

2.7.1.2各連桿DH坐標系建立的步驟

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)型機械臂的解析運動學求解

2.8.13DOF擬人肘機械臂

2.8.1.13DOF擬人肘機械臂正運動學方程

2.8.1.23DOF擬人肘機械臂逆運動學方程

2.8.23DOF球腕機械臂

2.8.2.13DOF球腕機械臂正運動學方程

2.8.2.23DOF球腕機械臂逆運動學方程

2.8.36DOF腕部分離機械臂

2.8.3.16DOF腕部分離機械臂正運動學方程

2.8.3.26DOF腕部分離機械臂逆運動學方程

2.9小結(jié)

參考文獻

第3章機器人微分運動學與奇異分析基礎(chǔ)

3.1引言

3.2機器人的速度級運動學

3.2.1速度級運動學方程

3.2.2機器人的微分運動

3.2.2.1采用6D狀態(tài)變量描述末端位姿時

3.2.2.2采用齊次變換矩陣描述末端位姿時

3.2.3速度級運動學舉例

3.2.3.1平面2連桿機械臂速度級正運動學舉例

3.2.3.2平面2連桿機械臂速度級逆運動學舉例

3.3機器人的加速度級微分運動學

3.3.1加速度級運動學方程

3.3.2加速度級運動學舉例

3.3.2.1平面2連桿機械臂加速度級正運動學舉例

3.3.2.2平面2連桿機械臂加速度級逆運動學舉例

3.4雅可比矩陣的計算方法

3.4.1不同坐標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雅可比矩陣計算實例

3.5.1擬人的3DOF肘機械臂

3.5.23DOF球腕機械臂

3.5.36DOF腕部分離機械臂

3.6典型運動學奇異臂型分析

3.6.13DOF擬人肘機械臂

3.6.1.1奇異條件確定

3.6.1.2奇異臂型與運動退化分析

3.6.23DOF球腕機械臂

3.6.36DOF腕部分離機械臂

3.6.3.1腕部運動的分解

3.6.3.2奇異條件的確定

3.7基于微分運動學的通用逆運動學求解方法

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

第4章機器人動力學基礎(chǔ)

4.1引言

4.2動力學建模的基本原理

4.2.1歐拉方程

4.2.1.1剛體動量矩

4.2.1.2歐拉力矩方程

4.2.2達朗貝爾原理

4.2.3虛位移原理

4.2.3.1廣義坐標

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機器人動力學基礎(chǔ)

4.3.1拉格朗日方法

4.3.1.1連桿的動能

4.3.1.2連桿的勢能

4.3.1.3拉格朗日動力學方程

4.3.1.4拉格朗日動力學方程舉例

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歐拉動力學算法

4.4小結(jié)

參考文獻

第5章空間機器人感知

5.1引言

5.2空間機器人基座姿態(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

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

5.2.5.1GNC分系統(tǒng)的組成

5.2.5.2姿態(tài)確定算法

5.3機器人關(guān)節(jié)位置檢測

5.3.1電位計

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絕對式光電編碼器

5.4機器人力/力矩感知

5.5機器人視覺

5.5.1相機成像模型

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天基目標測量敏感器

5.6.1天基目標分類

5.6.2國內(nèi)外應用情況分析

5.6.3天基目標測量敏感器簡介

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光學測角相機

5.6.3.5寬視場測量相機

5.6.3.6窄視場成像相機

5.6.3.7交會測量相機

5.6.3.8典型目標測量設(shè)備配置方案

5.7天基目標測量方案舉例

5.7.1GEO非合作航天器在軌救援任務設(shè)計

5.7.1.1在軌接近任務

5.7.1.2繞飛監(jiān)測任務

5.7.1.3停靠與抓捕

5.7.1.4在軌修復

5.7.2天基目標測量分系統(tǒng)配置方案

5.7.3GNC算法設(shè)計

5.7.3.1制導律的要求

5.7.3.2控制的要求

5.7.3.3導航的要求

5.8小結(jié)

參考文獻

第6章空間機器人運動學建模

6.1引言

6.2符號及坐標系定義

6.3位置級運動學方程

6.3.1位置級正運動學方程

6.3.1.1位置級正運動學方程一般式

6.3.1.2空間機器人的正運動學方程舉例

6.3.2位置級逆運動學方程

6.3.2.1空間機器人系統(tǒng)逆運動學方程解的存在性討論

6.3.2.2基座位姿已知時的逆運動學方程求解

6.3.2.3僅基座姿態(tài)已知但系統(tǒng)不受外力時的逆運動學方程求解

6.4微分運動學方程

6.4.1速度級正運動學方程

6.4.1.1空間機器人一般運動方程

6.4.1.2空間機器人系統(tǒng)線動量和角動量

6.4.1.3基座位姿穩(wěn)定時的運動學方程

6.4.1.4基座姿態(tài)受控模式的運動學方程

6.4.1.5自由漂浮模式的運動學方程

6.4.2速度級逆運動學方程

6.4.2.1一般情況下的逆運動學方程

6.4.2.2基座位姿固定時的逆運動學方程

6.4.2.3基座姿態(tài)受控、系統(tǒng)不受外力時的運動學方程

6.4.2.4自由漂浮模式的逆運動學方程與動力學奇異

6.4.3平面2連桿空間機器人系統(tǒng)運動學方程舉例

6.4.3.1位置關(guān)系

6.4.3.2一般運動方程

6.4.3.3基座位姿固定模式下的運動學方程

6.4.3.4基座姿態(tài)受控模式下的運動學方程

6.4.3.5自由飄浮模式下的運動學方程

6.4.3.6平面空間機器人PIW與PDW的分析

6.4.4平面3連桿空間機器人系統(tǒng)運動學方程舉例

6.4.4.1位置關(guān)系

6.4.4.2一般運動方程

6.4.4.3基座位姿固定模式下的運動學方程

6.4.4.4基座姿態(tài)受控模式下的運動學方程

6.4.4.5自由飄浮模式下的運動學方程

6.5虛擬機械臂建模及其應用

6.5.1基于虛擬機械臂的運動學建模

6.5.2工作空間分析

6.5.2.1空間機器人工作空間類型

6.5.2.2平面空間機器人系統(tǒng)示例

6.5.3基于虛擬機械臂的逆運動學求解

6.6小結(jié)

參考文獻

第7章空間機器人動力學建模

7.1引言

7.2空間機器人通用動力學建模方法

7.2.1拉格朗日法

7.2.1.1空間機器人系統(tǒng)的動能

7.2.1.2空間機器人的拉格朗日動力學方程

7.2.1.3自由漂浮空間機器人動力學方程

7.2.2平面單連桿空間機器人動力學方程舉例

7.2.3平面雙連桿空間機器人動力學方程舉例

7.3動力學等價機械臂建模

7.3.1不受外力作用下空間機器人系統(tǒng)動力學建模

7.3.2關(guān)節(jié)1為球關(guān)節(jié)時的固定基座機械臂動力學

7.3.3動力學等價機械臂(DEM)及其與SM的等價性

7.3.3.1動力學等價機械臂的定義

7.3.3.2SM與DEM的運動學等價

7.3.3.3SM與DEM的動力學等價

7.3.3.4仿真驗證

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空間機器人系統(tǒng)的多領(lǐng)域功能模塊劃分

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

7.4.3.1空間機器人機構(gòu)部分的建模

7.4.3.2機械臂關(guān)節(jié)軸的建模

7.4.3.3機械臂路徑規(guī)劃器(PathPlanning)

7.4.3.4基座姿態(tài)控制執(zhí)行機構(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單臂空間機器人操作的多領(lǐng)域統(tǒng)一仿真

7.4.5.2雙臂空間機器人操作的多領(lǐng)域統(tǒng)一仿真

7.5小結(jié)

參考文獻