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第1章 绪论1

1.1 空间机器人的定义和分类1

1.2 空间机器人的发展概况2

1.2.1 舱内／舱外服务机器人2

1.2.2 自由飞行机器人7

1.2.3 星球表面探测机器人10

1.2.4 空间机器人的发展趋势11

1.3 空间机器人基础理论的研究11

1.3.1 运动学和动力学建模的研究12

1.3.2 运动规划的研究13

1.3.3 控制方法的研究14

第2章 空间机械臂的机构设计16

2.1 机械臂的构型设计16

2.2 模块化关节的结构设计17

2.3 手爪的结构设计18

2.4 锁紧释放机构的设计18

2.4.1 锁紧位置确定19

2.4.2 锁紧释放机构的设计19

2.5 空间机械臂关节的轴承预紧21

2.5.1 轴承基本理论和空间关节轴承参数计算22

2.5.2 空间关节轴承的有限元分析28

2.5.3 空间关节轴承刚度测试与分析37

2.5.4 空间环境下的关节轴承预紧40

第3章 传感技术50

3.1 外部传感技术50

3.1.1 视觉传感器50

3.1.2 测距传感器50

3.1.3 接近觉传感器52

3.1.4 触觉传感器52

3.1.5 力／力矩传感器53

3.2 内部传感技术56

3.2.1 规定位置的检测56

3.2.2 位置的检测56

3.2.3 速度和角速度的检测58

3.2.4 加速度的检测58

3.3 空间机器人传感系统的设计59

3.3.1 电机位置传感器59

3.3.2 关节位置传感器60

3.3.3 基于多传感器信息的关节位置计算方法60

3.3.4 关节力矩传感器62

3.3.5 电机电流传感器65

3.3.6 限位传感器67

3.3.7 温度传感器68

3.4 空间机器人视觉68

3.4.1 机器人视觉与计算机视觉的关系68

3.4.2 计算机视觉的理论框架68

3.4.3 机器人视觉控制71

3.4.4 空间机器人视觉的特点72

3.4.5 手眼视觉技术73

第4章 驱动技术77

4.1 电机77

4.1.1 电机概述77

4.1.2 空间机器人系统中的直流无刷电机78

4.1.3 直流无刷电机的位置检测79

4.2 电机控制器80

4.3 关节制动器的设计82

4.3.1 制动器概述82

4.3.2 空间机械臂制动器概述83

4.3.3 空间机械臂制动器的设计指标分析83

4.3.4 空间机械臂制动器的结构设计85

4.3.5 空间机械臂制动器的电磁线圈设计87

4.4 永磁同步电机的数学模型88

4.4.1 静止坐标系下的PMSM模型89

4.4.2 旋转坐标系下的PMSM模型90

4.5 永磁同步电机的矢量控制92

4.5.1 PMSM的矢量控制原理92

4.5.2 基于矢量控制的PMSM电流控制方法93

4.6 PWM调制技术95

4.6.1 正弦波脉宽调制（SPWM）96

4.6.2 正弦波加三次谐波注入法脉宽调制97

4.6.3 空间电压矢量调制方式98

4.6.4 SPWM、SPWM注入三次谐波以及SVPWM的比较100

4.7 永磁同步电机的相电流重构101

4.7.1 相电流检测方法概述101

4.7.2 基于单电流传感器的相电流检测技术102

4.7.3 SSPS相电流重构算法104

4.7.4 性能分析107

4.7.5 实验验证110

第5章 控制系统113

5.1 机器人控制系统的结构113

5.1.1 串行处理结构113

5.1.2 并行处理结构114

5.2 中央控制器114

5.2.1 硬件系统115

5.2.2 容错和故障诊断系统117

5.3 关节控制器119

5.3.1 FPGA的选型119

5.3.2 关节控制器的冗余设计120

5.3.3 看门狗监控电路120

5.3.4 基于Nios的控制器软件系统121

5.4 柔性关节机器人模型121

5.4.1 建模过程中的几点假设122

5.4.2 柔性关节机器人的完整模型122

5.4.3 柔性关节机器人的简化模型123

5.5 柔性关节机器人位置控制124

5.5.1 单柔性关节性能分析124

5.5.2 柔性关节机器人的奇异摄动控制125

5.5.3 基于柔性补偿的奇异摄动控制127

5.6 柔性关节机器人笛卡尔阻抗控制131

5.6.1 刚性机器人阻抗控制的操作空间法131

5.6.2 柔性关节机器人操作空间法133

5.6.3 笛卡尔阻抗控制的实现方案135

5.6.4 基于关节力矩的笛卡尔阻抗控制策略的理论分析138

第6章 空间环境适应性142

6.1 空间辐射环境分析及适应性设计142

6.1.1 总剂量效应142

6.1.2 单粒子翻转效应145

6.1.3 单粒子闩锁效应147

6.1.4 充电－放电损伤效应149

6.2 空间热环境适应性设计150

6.2.1 热设计基本原则150

6.2.2 总体设计150

6.2.3 中央控制器热设计151

6.2.4 空间机械臂的热设计152

6.3 空间机器人关节的容错设计153

6.3.1 关节的故障检测153

6.3.2 关节的容错策略157

6.3.3 关节控制器容错方案的实现157

6.3.4 CAN总线故障检测及恢复160

6.3.5 闩锁电源保护电路的测试161

6.4 空间机器人中央控制器的容错设计162

6.4.1 中央控制器的模型162

6.4.2 容错系统的功能描述163

6.4.3 中央控制器的双机同步方案设计166

6.4.4 双机通信方案设计167

6.4.5 系统级故障检测与诊断方案169

6.4.6 软件EDAC技术174

第7章 空间机器人的运动学和动力学179

7.1 空间机器人运动学179

7.1.1 空间机器人模型和坐标系179

7.1.2 刚体姿态的表示181

7.1.3 空间机器人一般运动方程183

7.1.4 基座位姿固定时的运动学方程184

7.1.5 自由飞行模式的运动学方程184

7.1.6 自由漂浮模式的运动学方程185

7.1.7 空间机器人的虚拟机械臂建模方法187

7.2 空间机器人动力学方程188

7.2.1 空间机器人系统的能量188

7.2.2 空间机器人一般动力学方程189

7.2.3 自由漂浮空间机器人动力学方程189

7.3 自由漂浮空间机器人与固定基座机器人的比较190

7.3.1 位置级运动学比较190

7.3.2 速度级运动学比较190

7.3.3 工作空间比较191

7.4 基于虚拟样机技术的空间机器人建模和仿真191

7.4.1 空间机械臂模型192

7.4.2 基于虚拟样机技术的空间机器人建模过程193

7.4.3 仿真任务193

7.4.4 关节的运动测试194

7.4.5 直线和圆弧运动阶段194

7.4.6 动力学仿真195

第8章 空间机器人的运动规划199

8.1 空间机器人运动规划概述199

8.2 空间机器人的非完整路径规划方法200

8.2.1 非完整路径规划的问题描述201

8.2.2 非完整路径规划的问题求解202

8.3 空间机器人的笛卡尔空间路径规划方法204

8.3.1 固定基座机器人的笛卡尔空间路径规划204

8.3.2 空间机器人的笛卡尔空间路径规划204

8.4 空间机器人的反作用优化208

8.4.1 反作用优化问题的描述208

8.4.2 一种基于关节变量参数化的全局反作用优化方法209

第9章 空间机器人地面测试与试验217

9.1 微重力模拟系统概述217

9.2 吊丝配重测试装置219

9.2.1 测试装置工作原理219

9.2.2 吊丝配重测试装置组成220

9.2.3 主要部组件的方案222

9.2.4 吊丝配重测试装置的控制系统223

9.2.5 测试装置的保护措施223

9.3 基于气浮方式的空间机器人位姿精度测试224

9.3.1 采用气浮方式的空间机器人位姿测试方案一224

9.3.2 采用气浮方式的空间机器人位姿测试方案二226

9.3.3 采用气浮方式的空间机器人位姿测试方案三226

9.4 运动学参数标定227

9.4.1 标定模型的完整性227

9.4.2 运动学误差模型228

9.4.3 运动学参数误差辨识236

9.5 环境试验243

9.5.1 试验的分类244

9.5.2 试验项目说明244

第10章 空间机器人的遥操作技术249

10.1 空间机器人遥操作概述249

10.1.1 空间机器人遥操作的特点250

10.1.2 空间机器人遥操作的人机接口技术250

10.2 空间机器人遥操作系统的体系结构251

10.2.1 大时延遥操作系统的体系结构251

10.2.2 双向遥操作253

10.2.3 自主遥操作255

10.2.4 共享遥操作258

10.2.5 3种遥操作方式的比较259

10.3 碰撞检测技术259

10.3.1 碰撞检测概述259

10.3.2 碰撞检测技术分类260

10.3.3 碰撞检测的基本方法261

10.4 力反馈柔性虚拟夹具辅助双向遥操作262

10.4.1 传统虚拟夹具算法262

10.4.2 柔性虚拟夹具算法263

10.4.3 融合虚拟力反馈的柔性虚拟夹具方法264

10.4.4 融合颜色识别的柔性虚拟夹具方法265

10.4.5 主从遥操作实验266

10.5 基于多传感器的空间机器人目标捕获自主遥操作273

10.5.1 视觉引导下的目标捕获方法273

10.5.2 基于Kalman滤波的目标运动预测273

10.5.3 空间机器人目标捕获的自主遥操作实验274

参考文献279

术语索引296