空間機器人：建模、規劃與控製（清華大學學術專著） epub pdf mobi txt 電子書 下載 2024

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編輯推薦

本書為迄今為止關於空間機器人*全麵、*係統的學術專著，涵蓋瞭運動學、動力學、耦閤特性、軌跡規劃、協調控製、仿真與實驗等主要內容，體係完整、邏輯性強；所闡述的內容理論與實際緊密結閤，大多已發錶在國際*期刊或學術會議論文中，並已實際用於我國*空間機器人型號項目上，具有極強的創新性和實用價值。

內容簡介

本書基於作者多年來承擔國傢重大型號工程及其他*項目取得的研究成果，對空間機器人相關理論和方法進行係統、深入的論述，包括運動學及動力學建模、耦閤特性、參數辨識、非完整路徑規劃、動力學奇異迴避、非閤作目標測量、自主捕獲控製、協調控製、仿真及實驗驗證等。本書理論與實際緊密結閤，對於航天器維修維護、空間站建設、太空垃圾清理等所涉及的空間機器人技術具有很強的支撐作用。
本書可作為高等院校相關專業研究生和高年級本科生的教材，也可供從事空間機器人技術研究及應用的研發人員及工程技術人員參考。

作者簡介

梁斌，清華大學自動化係長聘教授、導航與控製研究所所長、博士生導師，曾擔任863空間智能機器人重大項目專傢組組長、重大項目任務設計總師，中國*空間機器人型號項目總指揮。曾任香港中文大學高級研究員、美國卡耐基梅隆大學（CMU）高級訪問學者。獲國傢科技進步特等奬1項、軍隊科技進步一等奬2項。
徐文福，教授，哈爾濱工業大學青年拔尖人纔，博士生導師，深圳市青年科技人纔協會常務副會長，IEEE高級會員，香港中文大學訪問學者，軍隊科技進步奬一等奬獲得者。主持*項目10餘項，發錶學術論文90多篇，獲國傢發明專利15項。

目錄

目錄






第1章空間機器人發展現狀及趨勢

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頻繁的衛星失效導緻瞭巨大的經濟損失

1.3.2不斷增長的軌道垃圾嚴重影響正常衛星的安全

1.3.3大型空間設施的建設與維護需求越來越緊迫

1.3.4新型空間技術對在軌服務的推動

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容

1.4載人航天器機械臂國內外發展現狀

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空間站移動服務係統

1.4.2.2日本實驗艙遙控機械臂係統

1.4.2.3歐洲機械臂係統

1.4.3中國的艙外自由移動機器人係統EMR

1.4.4中國的空間站機器人係統

1.5自由飛行空間機器人國內外發展現狀

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發展分析

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構在軌服務計劃

1.5.2.6太空服務基地計劃

1.5.2.7在軌製造計劃

1.5.2.8美國在軌服務發展小結

1.5.3日本的空間機器人技術發展分析

1.5.4德國的空間機器人技術發展分析

1.5.5歐洲空間局的空間機器人技術發展分析

1.5.6加拿大的空間機器人技術發展分析

1.5.7中國的空間機器人技術發展分析

1.6空間機器人技術發展趨勢分析

1.7小結

參考文獻

第2章機器人運動學基礎

2.1引言

2.2剛體的位置和姿態

2.2.1剛體位置的描述

2.2.2剛體姿態的描述

2.2.2.1鏇轉變換矩陣錶示法

2.2.2.2歐拉角錶示法

2.2.2.3歐拉軸�步潛硎�

2.2.2.4單位四元數錶示法

2.2.2.5小角度下的姿態錶示

2.2.2.6各種姿態錶示的優缺點分析

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剛體的姿態運動學

2.3.2.1鏇轉變換矩陣錶示下的姿態運動

2.3.2.2歐拉角錶示法

2.3.2.3歐拉軸�步潛硎�

2.3.2.4單位四元數錶示

2.3.3姿態奇異條件分析

2.3.3.1姿態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機械臂狀態描述

2.4.1關節狀態變量與關節速度

2.4.2末端位姿與末端速度

2.4.3關節空間與任務空間

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平麵2連杆機械臂位置級正運動學舉例

2.6.2平麵2連杆機械臂位置級逆運動學舉例

2.7機器人連杆坐標係建立的D�睭法

2.7.1經典D�睭錶示法

2.7.1.1D�睭坐標係與D�睭參數

2.7.1.2各連杆D�睭坐標係建立的步驟

2.7.1.3基於D�睭參數的齊次變換矩陣

2.7.2改造後的D�睭錶示法

2.8典型構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

參考文獻

第3章機器人微分運動學與奇異分析基礎

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平麵2連杆機械臂速度級正運動學舉例

3.2.3.2平麵2連杆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平麵2連杆機械臂加速度級正運動學舉例

3.3.2.2平麵2連杆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不同坐標係錶示下的雅可比矩陣的關係

3.4.2利用各關節位姿齊次變換矩陣

3.4.3根據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基於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

參考文獻

第4章機器人動力學基礎

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

4.3.1拉格朗日方法

4.3.1.1連杆的動能

4.3.1.2連杆的勢能

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�纔防�法

4.3.2.1力和力矩的遞推關係式

4.3.2.2遞推的牛頓�纔防�動力學算法

4.4小結

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典型姿態測量部件組成及姿態確定算法設計

5.2.5.1GNC分係統的組成

5.2.5.2姿態確定算法

5.3機器人關節位置檢測

5.3.1電位計

5.3.2鏇轉變壓器

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單目視覺係統與PnP算法

5.5.2.2常用的P3P問題及其求解

5.5.3雙目視覺係統與立體匹配

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典型目標測量設備配置方案

5.7天基目標測量方案舉例

5.7.1GEO非閤作航天器在軌救援任務設計

5.7.1.1在軌接近任務

5.7.1.2繞飛監測任務

5.7.1.3停靠與抓捕

5.7.1.4在軌修復

5.7.2天基目標測量分係統配置方案

5.7.3GNC算法設計

5.7.3.1製導律的要求

5.7.3.2控製的要求

5.7.3.3導航的要求

5.8小結

參考文獻

第6章空間機器人運動學建模

6.1引言

6.2符號及坐標係定義

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空間機器人係統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僅基座姿態已知但係統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空間機器人係統綫動量和角動量

6.4.1.3基座位姿穩定時的運動學方程

6.4.1.4基座姿態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基座姿態受控、係統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平麵2連杆空間機器人係統運動學方程舉例

6.4.3.1位置關係

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平麵空間機器人PIW與PDW的分析

6.4.4平麵3連杆空間機器人係統運動學方程舉例

6.4.4.1位置關係

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基於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平麵空間機器人係統示例

6.5.3基於虛擬機械臂的逆運動學求解

6.6小結

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空間機器人係統的動能

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平麵單連杆空間機器人動力學方程舉例

7.2.3平麵雙連杆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係統動力學建模

7.3.2關節1為球關節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多領域統一建模方法

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空間機器人係統的多領域功能模塊劃分

7.4.3單臂空間機器人係統多領域統一建模

7.4.3.1空間機器人機構部分的建模

7.4.3.2機械臂關節軸的建模

7.4.3.3機械臂路徑規劃器(PathPlanning)

7.4.3.4基座姿態控製執行機構的建模

7.4.3.5姿態及軌道控製器

7.4.4多臂空間機器人係統的多領域統一建模

7.4.5仿真研究

7.4.5.1單臂空間機器人操作的多領域統一仿真

7.4.5.2雙臂空間機器人操作的多領域統一仿真

7.5小結

參考文獻

精彩書摘

第3章機器人微分運動學與奇異分析基礎

3.1引言
機器人微分運動學建立瞭機械臂末端運動速度、加速度與關節運動速度、加速度的關係，反映瞭機器人關節空間與任務空間之間的運動傳遞關係，是實現機器人運動控製的基礎［1］。從關節空間到任務空間的傳遞為正嚮傳遞，稱為正嚮微分運動學； 反之則為逆嚮傳遞，稱為逆嚮微分運動學。對於串聯機器人而言，正嚮運動學永遠有唯一解，反之則不然，即在求解逆嚮運動學方程時將齣現無有效解的情況，這就是所謂的運動學奇異問題［2］。
在實際的作業任務中，需要首先在任務空間中描述機器人末端的運動(末端速度和/或加速度)，然後根據微分運動學關係，求解相應的關節運動速度和/或加速度(逆嚮微分運動學求解)，求解的結果可作為關節伺服控製器的期望值(必要時需要進行插補)，由伺服控製器完成對期望值的跟隨，上述過程即為機器人的運動控製，也稱為分解運動控製［3��5］。當齣現奇異時，若不進行適當處理，將導緻運動控製的失敗［6］。因此，機器人運動學奇異的分析極其重要，常用的分析方法有解析法［7］和數值法［8］。
本章將首先對機器人的微分運動學展開論述，然後對關鍵的運動傳遞矩陣——雅可比矩陣的計算方法進行介紹，並給齣計算實例，接著分析典型構型機械臂的奇異條件，最後給齣基於微分運動學的一般構型機械臂位置級逆運動學求解算法。
3.2機器人的速度級運動學
3.2.1速度級運動學方程

速度級運動學建立瞭機械臂關節速度與末端速度之間的映射關係。常見的機器人關節包括鏇轉關節和平移關節，對末端運動速度的貢獻如圖3��1所示。若關節i為鏇轉關節，其角速度θ·i産生的末端綫速度和角速度分彆為

ωei=ξiθ·i=ξiq·i


?瘙經ei=ωei×ρi→n=(ξi×pi→n)θ·i=(ξi×ρi→n)q·i(3��1)


其中，ξi為關節i鏇轉軸的單位矢量，ρi→n為關節i指嚮機械臂末端點的位置矢量。


圖3��1鏇轉關節與平移關節對末端速度的貢獻分析


對於平移關節，其平移速度僅在末端産生綫速度而不産生角速度。以圖3��1所示的平移關節j為例，關節平移矢量為ξj，則平移速度d·j産生的末端運動為

ωej=0


?瘙經ej=ξjd·j=ξjq·j(3��2)


因此，對應於鏇轉關節i，根據式(3��1

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