空间机械臂建模、规划与控制

本书基于作者多年来承担航天领域重大项目及其他重量项目过程中取得的研究成果，对空间机械臂的建模、规划及控制等相关基本理论和方法进行了系统深入的论述：首先介绍了空间机械臂运动学及动力学建模方法，在此基础上对空间机械臂任务规划、路径规划、轨迹优化的基本理论及其在多种任务需求下的具体应用进行了详细介绍，最后在控制层面对空间机械臂接触碰撞控制以及柔顺控制进行了阐述。书中的理论方法紧密结合实际，可用于解决目标捕获、在轨组装与服务、星表样品采集等任务中涉及到的空间机械臂技术问题。书中涉及的理论及方法大多已发表在国际很好期刊、国际很好学术会议论文集中，并在我国航天型号项目中得到了实际应用，具备较强的创新性和使用价值。本书可作为高等院校相关专业研究生和高年级本科生的教材，也可供从事空间机器人技术研究及应用的研发人员及工程技术人员参考。

第1章空间机械臂发展现状及关键技术
1.1空间机械臂概述
1.1.1空间机械臂的研究意义
1.1.2空间机械臂的构成
1.1.3空间机械臂的分类
1.2空间机械臂国内外发展现状
1.2.1国外典型空间机械臂系统
1.2.2我国空间机械臂发展概况
1.2.3空间机械臂特性与功能
1.3空间机械臂应用分析
1.3.1空间机械臂应用需求分析
1.3.2空间机械臂应用技术分析
1.4空间机械臂规划与控制关键技术
1.4.1空间机械臂运动学建模
1.4.2空间机械臂动力学建模
1.4.3空间机械臂任务规划
1.4.4空间机械臂路径规划及轨迹优化
1.4.5空间机械臂接触碰撞控制
1.4.6空间机械臂柔顺控制
1.5小结
第2章空间机械臂运动学模型
2.1机械臂连杆间几何关系的描述方法
2.1.1T矩阵法
2.1.2D-H法
2.1.3MDH法
2.1.4MCPC法
2.1.5旋量法
2.1.6机械臂建系方法总结
2.2空间机械臂位置级运动学问题
2.2.1空间机械臂位置级正运动学问题
2.2.2空间机械臂位置级逆运动学问题
2.3空间机械臂速度级运动学问题
2.3.1空间机械臂速度级正运动学问题
2.3.2空间机械臂速度级逆运动学问题
2.3.3算例：二自由度自由漂浮机械臂系统运动学建模
2.4小结
第3章空间机械臂动力学模型
3.1机械臂动力学建模方法
3.1.1牛顿-欧拉（Newton-Euler）法
3.1.2拉格朗日法
3.1.3凯恩法
3.1.4空间算子代数法
3.1.5哈密尔顿法
3.1.6机械臂动力学建模方法总结
3.1.7典型动力学建模方法在空间机械臂上的应用
3.2机械臂柔性动力学建模方法
3.2.1基于假设模态法的机械臂柔性动力学建模方法
3.2.2基于集中质量法的机械臂柔性动力学建模方法
3.2.3基于有限元法的机械臂柔性动力学建模方法
3.2.4机械臂柔性变形表征方法总结
3.2.5典型柔性动力学建模方法在空间机械臂上的应用
3.3小结
第4章空间机械臂任务规划
4.1空间机械臂任务规划框架
4.2基于分层任务网络的机械臂任务规划方法
4.2.1分层任务网络规划器介绍
4.2.2空间机械臂分层任务网络规划域
4.2.3空间机械臂分层任务网络求解
4.2.4仿真算例
4.3基于改进图规划算法的机械臂任务规划方法
4.3.1机械臂任务规划要素表征
4.3.2基于模拟退火算法图拓展改进
4.3.3多约束条件下融合多目标的任务规划解提取
4.3.4仿真算例
4.4小结
第5章空间机械臂路径规划
5.1关节空间路径规划
5.1.1基于梯形速度插值的路径规划
5.1.2基于多项式插值的路径规划
5.1.3仿真算例
5.2笛卡尔空间路径规划
5.2.1点到点路径规划
5.2.2连续跟踪路径规划
5.2.3基于视觉伺服的路径规划
5.2.4仿真算例
5.3非完整路径规划
5.3.1非完整路径规划数学描述
5.3.2非完整路径规划问题求解
5.3.3仿真算例
5.4小结
第6章空间机械臂轨迹优化基本理论
6.1空间机械臂轨迹优化模型建立
6.1.1优化目标
6.1.2约束条件
6.1.3轨迹优化模型
6.2空间机械臂轨迹优化问题求解
6.2.1单目标轨迹优化方法
6.2.2多目标轨迹优化方法
6.3仿真算例
6.4小结
第7章考虑运动特性的空间机械臂轨迹优化
7.1空间机械臂避奇异轨迹规划
7.1.1空间机械臂奇异问题转化
7.1.2空间机械臂奇异条件分析
7.1.3基于修改末端速度的空间机械臂避奇异轨迹规划
7.1.4仿真算例
7.2空间机械臂避障轨迹规划
7.2.1基于A*算法的空间机械臂构型空间避障轨迹规划
7.2.2基于多传感器信息的空间机械臂实时避障运动规划
7.2.3仿真算例
7.3空间机械臂重复运动规划
7.3.1空间机械臂重复运动优化算子
7.3.2基于重复运动优化算子的空间机械臂重复运动规划
7.3.3仿真算例
7.4小结
第8章典型工况下空间机械臂轨迹优化
8.1空间机械臂低速运动轨迹优化
8.1.1低速运动特性轨迹影响因素分析
8.1.2低速空载运动轨迹优化
8.1.3低速重载运动轨迹优化
8.2空间机械臂负载操作轨迹优化
8.2.1空间机械臂负载能力评估
8.2.2面向大负载点到点规划任务的空间机械臂轨迹优化
8.2.3面向大负载连续轨迹跟踪任务的空间机械臂轨迹优化
8.3小结
第9章空间机械臂接触碰撞控制
9.1空间机械臂接触碰撞动力学方程
9.1.1空间机械臂离散接触碰撞动力学方程
9.1.2空间机械臂连续接触碰撞动力学方程
9.1.3仿真算例
9.2空间机械臂碰前构型优化
9.2.1空间机械臂构型优化目标函数建立
9.2.2空间机械臂构型优化策略设计
9.2.3仿真算例
9.3空间机械臂碰后稳定控制
9.3.1空间机械臂末端位姿补偿控制
9.3.2空间机械臂基座姿态自运动调整
9.3.3仿真算例
9.4小结
第10章空间机械臂柔顺控制
10.1机械臂柔顺控制方法
10.1.1力/位混合控制方法
10.1.2阻抗控制方法
10.1.3自适应控制方法
10.1.4机械臂柔顺控制方法总结
10.2环境干扰力作用下空间机械臂接触力柔顺控制
10.2.1已知环境干扰力作用下的接触力柔顺控制
10.2.2未知环境干扰力作用下的接触力柔顺控制
10.3不确定模型下空间机械臂自适应柔顺控制
10.3.1不确定机械臂动力学模型下的自适应柔顺控制
10.3.2不确定环境刚度模型下的自适应柔顺控制
10.4小结