关节故障空间机械臂容错运动控制技术

涵盖失效空间机器人数学模型、容错性能评估、容错策略、容错运动控制策略的的新的理论研究成果，具有较高的学术价值。 理论应用于实践，研究成果很多已经用于实际工程型号。 主要章节内容有专门的仿真案例，非常有利于相关研究人员参考学习。

本书基于作者多年来承担航天领域重大项目及其他国家级项目取得的研究成果，对空间机械臂的容错运动控制等相关基本理论和方法进行系统且深入的介绍。本书共8章，主要内容包括空间机械臂概述、空间机械臂的关节故障及容错技术、关节故障空间机械臂数学模型、关节故障空间机械臂运动能力分析、关节锁定故障空间机械臂容错运动控制策略、关节自由摆动故障空间机械臂容错运动控制策略、关节部分失效故障空间机械臂容错运动控制策略以及空间机械臂容错技术未来展望等。本书提出的理论、方法紧密结合实际，可用于解决空间机械臂发生关节故障时涉及的相关技术问题。 本书可作为高等学校机器人工程及相关专业研究生的教材，也可作为空间机械臂应用领域的研发人员及工程技术人员的参考书。

陈钢 工学博士，北京邮电大学自动化学院副教授。现任空间机器人技术教育 部重点实验室副主任,自动化学院机电教研中心副主任。长期从事空间机械臂规划与控制研究工作，主要承担我国空间站机械臂、嫦娥5号机械臂等重大专项空间机械臂规划与控制等关键技术攻关工作。近年来，先后主持国家自然科学基金课题，教育 部博士点基金项目，载人航天预研项目以及航天院所委托项目等30多项。以第 一或通讯作者发表在国内外重要刊物和学术会议上发表论文60余篇,其中SCI检索20余篇；获国家发明专利20余项；获中国机械工业科技奖一等奖一项。

第1章空间机械臂概述 1 1.1　空间机械臂的组成 2 1.2　空间机械臂国内外发展现状 3 1.2.1　国外典型空间机械臂 3 1.2.2　国内空间机械臂发展概况 7 1.3　空间机械臂应用分析 9 1.3.1　空间机械臂应用环境特点分析 9 1.3.2　空间机械臂自身特性分析 10 1.3.3　空间机械臂任务特点分析 11 1.4　空间机械臂故障案例及容错需求分析 13 小结 14 参考文献 14 第2章空间机械臂的关节故障及容错技术 15 2.1　故障分类及应对方法概述 16 2.1.1　典型故障分类 16 2.1.2　关节故障应对方法 20 2.2　关节锁定故障空间机械臂容错规划与控制研究现状 27 2.2.1　关节锁定故障空间机械臂数学建模研究现状 27 2.2.2　关节锁定故障空间机械臂运动能力影响分析研究现状 28 2.2.3　关节锁定故障空间机械臂容错运动控制策略研究现状 29 2.3　关节自由摆动故障空间机械臂容错规划与控制研究现状 32 2.3.1　关节自由摆动故障空间机械臂数学建模研究现状 32 2.3.2　关节自由摆动故障空间机械臂运动能力影响分析研究现状 33 2.3.3　关节自由摆动故障空间机械臂容错运动控制策略研究现状 35 2.4　关节部分失效故障空间机械臂容错规划与控制研究现状 37 2.4.1　关节部分失效故障空间机械臂数学建模研究现状 37 2.4.2　关节部分失效故障空间机械臂运动能力影响分析研究现状 38 2.4.3　关节部分失效故障空间机械臂容错运动控制策略研究现状 39 小结 40 参考文献 41 第3章关节故障空间机械臂数学模型 49 3.1　常态下空间机械臂运动模型 50 3.1.1　空间机械臂运动学建模 52 3.1.2　空间机械臂动力学建模 57 3.2　关节故障通用表征模型 65 3.3　关节部分失效故障空间机械臂数学建模 67 3.3.1　关节部分失效故障空间机械臂运动学耦合关系 67 3.3.2　关节部分失效故障空间机械臂动力学耦合关系 69 3.4　关节锁定故障空间机械臂运动模型重构 72 3.4.1　关节锁定故障空间机械臂运动学模型 73 3.4.2　关节锁定故障空间机械臂动力学模型 87 3.5　关节自由摆动故障空间机械臂运动学/动力学耦合关系 89 3.5.1　关节自由摆动故障空间机械臂运动学耦合关系 89 3.5.2　关节自由摆动故障空间机械臂动力学耦合关系 91 小结 94 参考文献 94 第4章关节故障空间机械臂运动能力分析 95 4.1　典型的空间机械臂运动能力指标 96 4.1.1　末端可达性 96 4.1.2　灵巧性 97 4.1.3　负载操作能力 99 4.2　关节故障空间机械臂末端可达性分析 101 4.2.1　关节锁定故障空间机械臂工作空间 101 4.2.2　关节自由摆动故障空间机械臂工作空间 106 4.2.3　关节部分失效故障空间机械臂工作空间 113 4.3　关节故障空间机械臂灵巧性分析 117 4.3.1　运动学灵巧性 117 4.3.2　动力学灵巧性 119 4.3.3　仿真算例 121 4.4　关节故障空间机械臂负载操作能力分析 125 4.4.1　动态负载能力 125 4.4.2　末端操作力 127 4.4.3　仿真算例 129 4.5　关节故障空间机械臂综合运动能力分析 135 4.5.1　指标全局化处理与标准化处理 135 4.5.2　综合运动能力指标构造 137 小结 143 参考文献 144 第5章关节锁定故障空间机械臂容错运动控制策略 145 5.1　空间机械臂运动能力退化预防策略 146 5.1.1　运动能力退化预防过程分析 146 5.1.2　关节人为限位求解 147 5.1.3　仿真算例 149 5.2　关节锁定故障空间机械臂参数突变抑制 152 5.2.1　参数突变现象分析 152 5.2.2　关节速度参数突变抑制 155 5.2.3　关节力矩参数突变抑制 157 5.2.4　最优抑制系数函数求解 159 5.2.5　仿真算例 162 5.3　关节锁定故障空间机械臂容错路径规划 169 5.3.1　面向灵巧性最优的空间机械臂容错路径规划 169 5.3.2　负载操作能力最优的空间机械臂容错路径规划 174 5.4　关节锁定故障空间机械臂全局容错轨迹优化 187 5.4.1　关节空间容错构型群组求解 187 5.4.2　面向多约束多优化目标的全局容错轨迹优化 190 5.4.3　仿真算例 193 小结 199 参考文献 199 第6章关节自由摆动故障空间机械臂容错运动控制策略 201 6.1　关节自由摆动故障空间机械臂运动学与动力学耦合特性分析 203 6.1.1　非完整约束特性分析 203 6.1.2　冗余特性分析 209 6.1.3　运动学与动力学耦合程度分析 213 6.1.4　动力学可控性及可控程度分析 218 6.2　空间机械臂自由摆动故障关节锁定处理策略 226 6.2.1　自由摆动故障关节最优锁定角度求解 227 6.2.2　面向被动关节调控任务的主动关节速度求解 231 6.2.3　关节自由摆动故障空间机械臂欠驱动控制 231 6.2.4　仿真算例 236 6.3　关节自由摆动故障空间机械臂轨迹优化 244 6.3.1　基于多项式插值的关节自由摆动故障空间机械臂轨迹优化 244 6.3.2　基于零空间项的关节自由摆动故障空间机械臂轨迹优化 252 6.3.3　仿真算例 259 6.4　关节自由摆动故障空间机械臂多阶段容错策略 270 6.4.1　多阶段容错策略条件分析 271 6.4.2　面向轨迹奇异规避的多阶段容错策略 272 6.4.3　面向少输入多输出任务的多阶段容错策略 276 6.4.4　仿真算例 280 小结 284 参考文献 284 第7章关节部分失效故障空间机械臂容错运动控制策略 287 7.1　面向基座无扰的故障空间机械臂容错运动控制 288 7.1.1　关节速度部分失效时面向基座无扰的容错运动控制策略研究 288 7.1.2　关节力矩部分失效时面向基座无扰的容错运动控制策略研究 291 7.2　面向运动能力优化的故障空间机械臂容错运动控制 293 7.2.1　关节速度部分失效时面向运动能力优化的容错运动控制策略研究 293 7.2.2　关节力矩部分失效时面向运动能力优化的容错运动控制策略研究 295 7.3　仿真算例 296 7.3.1　面向基座无扰的容错运动控制策略仿真验证 297 7.3.2　面向运动能力优化的容错运动控制策略仿真验证 300 小结 303 参考文献 304 第8章空间机械臂容错技术未来展望 305 8.1　空间机械臂容错技术面临的问题及难点 306 8.1.1　综合性容错控制方法 306 8.1.2　低计算量的容错系统 306 8.1.3　面向多关节故障的容错系统 307 8.1.4　面向突发关节自由摆动故障的容错策略 307 8.1.5　面向多运动能力指标的关节参数突变抑制 307 8.2　空间机械臂容错技术未来发展方向 308 8.2.1　状态监测 311 8.2.2　健康评估 313 8.2.3　故障预测 314 8.2.4　故障处理 316 小结 318 参考文献 318