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空間機器人:建模、規劃與控制(清華大學學術專著)(簡體書)
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空間機器人:建模、規劃與控制(清華大學學術專著)(簡體書)

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商品簡介
作者簡介
目次

商品簡介

本書基於作者多年來承擔國家重大型號工程及其他*專案取得的研究成果,對空間機器人相關理論和方法進行系統、深入的論述,包括運動學及動力學建模、耦合特性、參數辨識、非完整路徑規劃、動力學奇異回避、非合作目標測量、自主捕獲控制、協調控制、模擬及實驗驗證等。本書理論與實際緊密結合,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,清華大學自動化系長聘教授、導航與控制研究所所長、博士生導師,曾擔任863空間智慧型機器人重大專案專家組組長、重大專案任務設計總師,中國*空間機器人型號專案總指揮。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。獲國家科技進步特等獎1項、軍隊科技進步一等獎2項。
徐文福,教授,哈爾濱工業大學青年拔尖人才,博士生導師,深圳市青年科技人才協會常務副會長,IEEE高級會員,香港中文大學訪問學者,軍隊科技進步獎一等獎獲得者。主持*項目10餘項,發表學術論文90多篇,獲國家發明專利15項。

目次


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頻繁的衛星失效導致了巨大的經濟損失

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太空梭機器人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

1.4.2.2日本實驗艙遙控機械臂系統

1.4.2.3歐洲機械臂系統

1.4.3中國的艙外自由移動機器人系統EMR

1.4.4中國的空間站機器人系統

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專案

1.5.2.4“鳳凰”計畫

1.5.2.5大型望遠鏡及空間結構在軌服務計畫

1.5.2.6太空服務基地計畫

1.5.2.7在軌製造計畫

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旋轉變換矩陣標記法

2.2.2.2歐拉角標記法

2.2.2.3歐拉軸角表示

2.2.2.4單位四元數標記法

2.2.2.5小角度下的姿態表示

2.2.2.6各種姿態表示的優缺點分析

2.2.3齊次座標與齊次變換

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旋轉變換矩陣表示下的姿態運動

2.3.2.2歐拉角標記法

2.3.2.3歐拉軸角表示

2.3.2.4單位四元數表示

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關節狀態變數與關節速度

2.4.2末端位元元姿與末端速度

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平面2連杆機械臂位置級正運動學舉例

2.6.2平面2連杆機械臂位置級逆運動學舉例

2.7機器人連杆坐標系建立的DH法

2.7.1經典DH標記法

2.7.1.1DH坐標系與DH參數

2.7.1.2各連杆DH坐標系建立的步驟

2.7.1.3基於DH參數的齊次變換矩陣

2.7.2改造後的DH標記法

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採用6D狀態變數描述末端位元姿時

3.2.2.2採用齊次變換矩陣描述末端位元姿時

3.2.3速度級運動學舉例

3.2.3.1平面2連杆機械臂速度級正運動學舉例

3.2.3.2平面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平面2連杆機械臂加速度級正運動學舉例

3.3.2.2平面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不同坐標系表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根據末端位元姿矩陣直接微分

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演算法原理

3.7.2演算法流程

3.7.3演算法舉例

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廣義座標

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歐拉法

4.3.2.1力和力矩的遞推關係式

4.3.2.2遞推的牛頓歐拉動力學演算法

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演算法設計

5.2.5.1GNC分系統的組成

5.2.5.2姿態確定演算法

5.3機器人關節位置檢測

5.3.1電位計

5.3.2旋轉變壓器

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單目視覺與位元姿測量

5.5.2.1單目視覺系統與PnP演算法

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鐳射測距儀

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非合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天基目標測量分系統組態方案

5.7.3GNC演算法設計

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

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僅基座姿態已知但系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空間機器人系統線動量和角動量

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、系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平面2連杆空間機器人系統運動學方程舉例

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平面空間機器人PIW與PDW的分析

6.4.4平面3連杆空間機器人系統運動學方程舉例

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平面空間機器人系統示例

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空間機器人系統的動能

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平面單連杆空間機器人動力學方程舉例

7.2.3平面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系統動力學建模

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模擬驗證

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空間機器人系統的多領域功能模組劃分

7.4.3單臂空間機器人系統多領域統一建模

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基座姿態控制執行機構的建模

7.4.3.5姿態及軌道控制器

7.4.4多臂空間機器人系統的多領域統一建模

7.4.5模擬研究

7.4.5.1單臂空間機器人操作的多領域統一模擬

7.4.5.2雙臂空間機器人操作的多領域統一模擬

7.5小結

參考文獻


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