空间机器人遥操作系统及控制

本书基于作者多年来承担国家自然科学基金项目和国家高技术研究发展计划（863计划）项目等取得的研究成果编写而成。本书首先回顾了空间机器人遥操作及其控制技术的研究意义和发展现状，然后阐述了空间机器人遥操作系统设计和双边遥操作系统模型及性能分析，并在此基础上对图形预测仿真及运动学参数辨识、空间机器人遥操作控制的相关理论及其方法进行了详细介绍，zui后对空间机器人遥操作地面验证技术及地面实验研究进行了阐述。书中的理论方法紧密结合实际，可用于解决空间机器人在轨组装、维护等精细遥操作技术问题。 本书既可以作为高等学校航天类、自动化类等相关专业研究生的教材，也可以作为从事空间机器人遥操作技术研究及应用的科技工作者的参考书。

梁斌 博士，清华大学自动化系教授，博士生导师。清华大学自动化系导航与控制研究中心主任、军 委科技委智能领域首 席科学家，从事人工智能算法和机器人方向的研究工作，主要包括智能博弈、空间机器人及遥操作、多模态机器人等技术研究。先后主持承担国家863重大专项、重点项目、军 委科技委重点项目、自然基金委重点项目和多项国际合 作项目等，近五年发表学术论文120余篇，其中SCI国际期刊30多篇，获国家科技进步特等奖1项，军 队科技进步一等奖3项。

第1章　绪论 001 1.1　空间机器人遥操作及其控制技术的研究意义　002 1.2　空间机器人遥操作及其控制技术发展现状　003 1.2.1　国内外空间机器人遥操作技术现状　003 1.2.2　空间机器人遥操作时延问题控制技术　012 1.2.3　空间机器人路径规划技术　016 1.2.4　空间机器人地面验证技术　017 1.3　本书主要研究内容及章节安排　020 1.4　本章小结　022 参考文献　022 第2章　空间机器人遥操作系统设计　033 2.1　空间机器人遥操作系统面临的问题　034 2.2　空间机器人遥操作系统方案设计　035 2.2.1　空间机器人系统功能与组成　035 2.2.2　空间机器人遥操作系统的功能要求和主要设计指标　036 2.2.3　空间机器人遥操作系统设计方案　037 2.3　空间机器人遥操作控制模式设计　043 2.4　空间机器人遥操作控制体系结构设计　046 2.5　本章小结　048 参考文献　048 第3章　双边遥操作系统模型及性能分析　053 3.1　双边遥操作系统的构成与模型　054 3.1.1　主、从端机器人系统模型　054 3.1.2　操作员与环境模型　056 3.2　双边遥操作系统稳定性分析　058 3.3　双边遥操作系统操作性分析　061 3.4　本章小结　063 参考文献　063 第4章　图形预测仿真及运动学参数辨识研究　065 4.1　图形预测仿真流程　066 4.2　预测仿真环境的建立　067 4.2.1　集成仿真设计　068 4.2.2　三维建模　069 4.2.3　视频融合　071 4.2.4　碰撞检测　073 4.3　基于运动学参数辨识的模型修正　075 4.3.1　运动学参数辨识模型　076 4.3.2　参数辨识条件　079 4.3.3　辨识结果　081 4.4　本章小结　085 参考文献　085 第5章　小增益稳定理论框架下的时延力反馈遥操作控制　087 5.1　力反馈的透明性与稳定性　088 5.2　操作员作用力估计　089 5.3　基于正交投影的力反馈方法　093 5.4　性能分析　097 5.4.1　系统稳定性分析　097 5.4.2　力觉感受及透明性分析　102 5.5　仿真与实验验证　103 5.5.1　数值仿真结果　103 5.5.2　实验结果分析　105 5.6　本章小结　109 参考文献　110 第6章　基于无源性的变增益双边遥操作控制　111 6.1　基于四元数的变时延任务空间无源双边控制　112 6.1.1　任务空间运动学表示　112 6.1.2　变时延下的类PD双边控制设计　113 6.2　仿真分析　121 6.3　基于切换控制的变增益双边遥操作　125 6.3.1　变增益控制法　125 6.3.2　稳定性分析　126 6.3.3　双边切换策略设计　130 6.4　仿真分析　132 6.5　本章小结　137 参考文献　138 第7章　具有确定暂态性能的自适应双边控制方法研究　139 7.1　自适应双边控制方法　140 7.2　具有确定暂态性能的自适应双边控制　144 7.2.1　自由运动状态下的自适应控制　144 7.2.2　约束空间中的自适应双边控制　149 7.3　仿真分析　152 7.4　本章小结　160 参考文献　161 第8章　复杂约束空间中的半自主双边遥操作控制　163 8.1　约束空间自校正柔顺双边控制　164 8.1.1　混合柔顺遥操作框架　164 8.1.2　自校正阻抗控制选择矩阵　165 8.1.3　自适应混合阻抗控制　166 8.1.4　性能分析　168 8.2　仿真分析　170 8.3　冗余机器人半自主遥操作控制　173 8.3.1　半自主遥操作控制律设计　173 8.3.2　系统稳定性分析　175 8.3.3　子任务半自主控制方法　179 8.4　仿真分析　182 8.5　本章小结　188 参考文献　188 第9章　空间机器人遥操作地面验证技术研究　191 9.1　空间机器人遥操作地面验证子系统的组成　192 9.2　天地通信模拟技术　193 9.3　星载验证实现　195 9.4　空间机器人动力学实现　197 9.4.1　空间机器人动力学模型　198 9.4.2　力学模型实现　199 9.5　空间机器人基于运动学等效的物理验证　200 9.5.1　运动学等效原理　200 9.5.2　位置级运动学等效　202 9.5.3　速度级的运动学等效　205 9.6　本章小结　207 参考文献　208 第10章　空间机器人遥操作地面实验研究　209 10.1　空间机器人遥操作地面实验系统构成　210 10.2　空间机器人遥操作的实验条件　211 10.2.1　空间机器人的在轨服务过程　211 10.2.2　空间机器人特征位姿　212 10.2.3　时延测量分析　213 10.3　实验结果及分析　214 10.3.1　主、从模式目标抓捕实验　214 10.3.2　共享模式目标抓捕实验　216 10.3.3　遥编程模式直线轨迹跟踪实验　217 10.3.4　基于手眼测量的自主模式目标抓捕实验　219 10.4　本章小结　221 参考文献　222