空間機器人及其遙操作（簡體書）

《先進製造理論研究與工程技術系列：空間機器人及其遙操作》著者結合多年來對空間機器人研製的經驗，從機構、傳感、驅動、控制及空間環境適應性方面，系統地闡述了空間機器人研製的關鍵技術及工程特點。以此為基礎，開展了空間機器人運動學、動力學、地面測試及標定等相關理論和試驗的研究，並論述了空間機器人的遙操作技術。
《先進製造理論研究與工程技術系列：空間機器人及其遙操作》可作為從事空間機器人研究人員的參考用書。

劉宏，哈爾濱工業大學機器人研究所教授，博士生導師。1966年12月生人。1999年受聘為國家教育部“長江學者獎勵計劃特聘教授”，2010年入選國家第五批“千人計劃”創新人才。主要從事空間機器人及其遙操作技術、多指仿人靈巧手及其操作控制、仿人型假手及其控制等方面的研究工作。先後主持包括國家自然科學基金重點項目、國家863重大專項和重點項目等國家級項目22項；獲得國家技術發明二等獎1項，歐盟機器人技術和轉化一等獎1項，省部級科技獎勵6項；在國內外發表論文200餘篇，其中SCI/EI收錄169篇，專著1部；獲授權美國發明專利1項，德國發明專利5項和中國發明專利48項。

《空間機器人及其遙操作》可作為從事空間機器人研究人員的參考用書。

第1章緒論
1.1空間機器人的定義和分類
1.2空間機器人的發展概況
1.2.1艙內／艙外服務機器人
1.2.2自由飛行機器人
1.2.3星球表面探測機器人
1.2.4空間機器人的發展趨勢
1.3空間機器人基礎理論的研究
1.3.1運動學和動力學建模的研究
1.3.2運動規劃的研究
1.3.3控制方法的研究

第2章空間機械臂的機構設計
2.1機械臂的構型設計
2.2模塊化關節的結構設計
2.3手爪的結構設計
2.4鎖緊釋放機構的設計
2.4.1鎖緊位置確定
2.4.2鎖緊釋放機構的設計
2.5空間機械臂關節的軸承預緊
2.5.1軸承基本理論和空間關節軸承參數計算
2.5.2空間關節軸承的有限元分析
2.5.3空間關節軸承剛度測試與分析
2.5.4空間環境下的關節軸承預緊

第3章傳感技術
3.1外部傳感技術
3.1.1視覺傳感器
3.1.2測距傳感器
3.1.3接近覺傳感器
3.1.4觸覺傳感器
3.1.5力／力矩傳感器
3.2內部傳感技術
3.2.1規定位置的檢測
3.2.2位置的檢測
3.2.3速度和角速度的檢測
3.2.4加速度的檢測
3.3空間機器人傳感系統的設計
3.3.1電機位置傳感器
3.3.2關節位置傳感器
3.3.3基於多傳感器信息的關節位置計算方法
3.3.4關節力矩傳感器
3.3.5電機電流傳感器
3.3.6限位傳感器
3.3.7溫度傳感器
3.4空間機器人視覺
3.4.1機器人視覺與計算機視覺的關係
3.4.2計算機視覺的理論框架
3.4.3機器人視覺控制
3.4.4空間機器人視覺的特點
3.4.5手眼視覺技術

第4章驅動技術
4.1電機
4.1.1電機概述
4.1.2空間機器人系統中的直流無刷電機
4.1.3直流無刷電機的位置檢測
4.2電機控制器
4.3關節制動器的設計
4.3.1制動器概述
4.3.2空間機械臂制動器概述
4.3.3空間機械臂制動器的設計指標分析
4.3.4空間機械臂制動器的結構設計
4.3.5空間機械臂制動器的電磁線圈設計
4.4永磁同步電機的數學模型
4.4.1靜止坐標系下的PMSM模型
4.4.2旋轉坐標系下的PMSM模型
4.5永磁同步電機的矢量控制
4.5.1PMSM的矢量控制原理
4.5.2基於矢量控制的PMSM電流控制方法
……
第5章控制系統
第6章空間環境適應性
第7章空間機器人的運動學和動力學
第8章空間機器人的運動規劃
第9章空間機器人地面測試與試驗
第10章空間機器人的遙操作技術

參考文獻
術語索引

1.3.1 運動學和動力學建模的研究
對于自由漂浮狀態下的自由飛行機器人系統，基座不受推進器和反作用飛輪的控制。如果空間機器人系統不與外界環境接觸，即不受外力和外力矩的作用，則系統的線動量和角動量是守恒的。空間機器人基座與機械臂之間存在著動力學耦合，基座的位置和姿態隨機械臂的運動而發生改變，進而影響機械臂末端點的運動，這是空間機器人系統比較復雜的一種運動模式。自由漂浮空間機器人與地面機器人最大的區別在于其末端執行器的運動不僅—9各關節的運動有關，而且與各個連桿、基座的質量分布及其運動軌跡緊密相關。因此，自由漂浮空間機器人的運動學與動力學是密不可分的。
目前，自由飄浮空問機器人的運動學和動力學建模有以下幾種方法。
（1）虛擬機械臂（Virtual Manipulator，VM）。
美國的Vafa和Dubowsky等學者提出了虛擬機械臂的概念。基于虛擬機械臂的運動學建模方法的基本思想是：在空間微重力環境下，自由漂浮空間機器人系統的線動量和角動量保持守恒。以此為基礎，定義真實機械臂與基座共同的質心作為虛擬機械臂的虛擬基座（Virtual Ground，VG），則虛擬機械臂就是一個理想的、無質量的運動鏈，它的第一個關節是一個被動的球關節，其末端位姿和實際機械臂的位姿一致。同時，在空間機器人系統不受任何外力的情況下，虛擬基座的位置在機械臂運動過程中保持不變。因此，地面機器人的運動學建模方法可以直接應用到上述的虛擬機械臂中。
（2）動力學等價機械臂（Dynamics Equivalent Maniputator，DEM）。
梁斌等學者研究了動力學等價機械臂DEM的空間機器人建模方法。DEM模型將自由漂浮空間機器人系統等效為采用被動球關節與基座連接的地面機器人。DEM具有與VM相同的運動學特性，且能夠很好地描述系統的動力學特性。該方法具有以下特點。
①DEM各桿件具有質量和慣量，因此不再是虛擬的，在實際中可以直觀和方便地構建出來，同時，它本身的幾何定義包含了線動量守恒約束，從而降低了系統維數，簡化了系統模型，有助于分析、設計空間機器人系統。
②利用拉格朗日方程或其他固定基座機器人的動力學建模方法，可以對空間機器人建模。固定基座機器人的控制方法可推廣到空間機器人。