致 读 者

本书由中央军委装备发展部国防科技图书出版基金资助出版。

为了促进国防科技和武器装备发展，加强社会主义物质文明和精神文明建设，培养优秀科技人才，确保国防科技优秀图书的出版，原国防科工委于 1988 年初决定每年拨出专款，设立国防科技图书出版基金，成立评审委员会，扶持、审定出版国防科技优秀图书。这是一项具有深远意义的创举。

国防科技图书出版基金资助的对象是：

在国防科学技术领域中，学术水平高，内容有创新，在学科上居领先地位的基础科学理论图书；在工程技术理论方面有突破的应用科学专著。

学术思想新颖，内容具体、实用，对国防科技和武器装备发展具有较大推动作用的专著；密切结合国防现代化和武器装备现代化需要的高新技术内容的专著。

有重要发展前景和有重大开拓使用价值，密切结合国防现代化和武器装备现代化需要的新工艺、新材料内容的专著。

填补目前我国科技领域空白并具有军事应用前景的薄弱学科和边缘学科的科技图书。

国防科技图书出版基金评审委员会在中央军委装备发展部的领导下开展工作，负责掌握出版基金的使用方向，评审受理的图书选题，决定资助的图书选题和资助金额，以及决定中断或取消资助等。经评审给予资助的图书，由国防工业出版社出版发行。

国防科技和武器装备发展已经取得了举世瞩目的成就，国防科技图书承担着记载和弘扬这些成就，积累和传播科技知识的使命。开展好评审工作，使有限的基金发挥出巨大的效能，需要不断的摸索、认真的总结和及时的改进，更需要国防科技和武器装备建设战线广大科技工作者、专家、教授，以及社会各界朋友的热情支持。

让我们携起手来，为祖国昌盛、科技腾飞、出版繁荣而共同奋斗！

国防科技图书出版基金

评审委员会

本书面向空间飞行器在轨服务对空间多臂机器人操控技术的需求，以捕获与操控空间目标任务为背景，以任务过程中的动力学、能力分析、协同运动规划和操作控制为主线，系统讲述空间多臂机器人操控技术体系。主要内容包括空间机器人多体开闭链动力学建模、空间多臂机器人能力分析、空间非合作目标捕获策略确定、多臂协同运动规划、空间多臂机器人轨迹跟踪控制、接触模型与抓取约束下的抓取规划、不确定性影响下的协同操作安全性控制，以及基于功能模型标准的在轨操控仿真系统构建与应用等。

本书是空间机器人动力学、规划与控制领域的科技专著，适合航空宇航科学与技术、空间机器人技术与应用、控制理论与工程等学科的科学研究和工程技术人员阅读和参考，也可作为高等院校相关专业研究生的教材或教学参考书。

目录

第 1 章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 空间操控背景

1.1.2 为何选择空间机器人

1.2 空间多臂机器人操控技术研究现状

1.2.1 空间机器人发展概述

1.2.2 动力学建模及能力分析

1.2.3 空间机器人运动规划与控制

1.2.4 抓取力规划与柔顺控制

1.3 本书特色与章节安排

1.3.1 本书特色

1.3.2 章节安排

参考文献

第 2 章 空间机器人多体动力学建模

2.1 引言

2.2 空间向量理论

2.2.1 空间速度与空间力

2.2.2 坐标转换

2.2.3 导数与加速度

2.2.4 动量、惯量与运动方程

2.3 运动学模型

2.3.1 连接关系

2.3.2 几何模型

2.3.3 关节模型

2.3.4 Jacobian 矩阵

2.4 动力学模型

2.4.1 空间机器人运动方程

2.4.2 递归 Newton_Euler 算法

2.4.3 组合体算法

2.4.4 铰接体算法

2.4.5 闭链系统动力学

2.5 本章小结

参考文献

第 3 章 空间多臂机器人的能力分析

3.1 引言

3.2 构型设计

3.3 运动学与动力学模型

3.3.1 运动学方程

3.3.2 动力学方程

3.4 工作空间

3.4.1 任务空间离散化

3.4.2 单臂工作空间

3.4.3 协调工作空间

3.5 操作能力

3.5.1 运动学操作能力

3.5.2 动力学操作能力

3.6 仿真分析

3.6.1 工作空间分析

3.6.2 操作能力分析

3.7 本章小结

参考文献

第 4 章 空间多臂机器人抓捕策略确定

4.1 引言

4.2 空间目标分析

4.2.1 目标分类

4.2.2 构型分析

4.3 非合作目标翻滚运动预测

4.3.1 姿态运动学与动力学模型

4.3.2 基于 EKF 的角速度估计

4.3.3 预测仿真验证

4.4 基于能力评估的抓捕策略初确定

4.4.1 基于全局灵巧度的抓捕点确定

4.4.2 基于方向可操作度的抓捕构型确定

4.4.3 考虑动力学耦合的抓捕时机确定

4.5 仿真分析

4.5.1 抓捕点确定

4.5.2 抓捕构型确定

4.5.3 抓捕时机确定

4.6 本章小结

参考文献

第 5 章 空间多臂机器人协同运动规划

5.1 引言

5.2 多臂协同运动规划问题

5.2.1 机器人运动规划基本概念

5.2.2 空间多臂机器人协同运动规划

5.3 多约束协同轨迹规划

5.3.1 空间机器人轨迹规划问题描述

5.3.2 关节轨迹参数化

5.3.3 自适应惯性权重的 PSO 算法

5.3.4 空间双臂协调轨迹规划仿真

5.4 基于随机采样的运动规划

5.4.1 快速搜索随机树及其派生方法

5.4.2 空间多臂机器人采样运动规划

5.4.3 动态避障与局部规划方法

5.4.4 基于任务优先级的协调轨迹规划

5.4.5 基于采样的运动规划仿真验证

5.5 基于模仿学习的运动规划

5.5.1 DMP 基础知识

5.5.2 空间机械臂抓捕位姿 DMP 设计

5.5.3 空间机械臂抓捕位姿 DMP 优化

5.5.4 基于动态运动基元的仿真验证

5.6 本章小结

参考文献

第 6 章 空间多臂机器人轨迹跟踪控制

6.1 引言

6.2 PID 控制

6.2.1 PD 控制

6.2.2 PID 控制

6.3 计算力矩控制

6.3.1 反馈线性化

6.3.2 控制器设计

6.3.3 鲁棒控制器设计

6.4 模型预测控制

6.4.1 基本思想

6.4.2 控制器设计

6.4.3 优化指标

6.4.4 约束处理

6.4.5 优化求解

6.5 仿真结果

6.6 本章小结

参考文献

第 7 章 空间多臂机器人抓取规划

7.1 引言

7.2 抓取模型

7.2.1 坐标系与符号

7.2.2 接触模型

7.2.3 运动学与动力学

7.3 抓取特性

7.3.1 形封闭

7.3.2 力封闭

7.3.3 可操作性

7.4 抓取规划

7.4.1 抓取点规划

7.4.2 抓取力规划

7.5 基于梯度流算法的抓取力优化

7.5.1 目标函数

7.5.2 正定矩阵的梯度流算法

7.5.3 比例因子与初始可行解

7.5.4 特征值与迭代步长

7.6 数值仿真

7.7 本章小结

参考文献

第 8 章 空间多臂机器人操控柔顺控制

8.1 引言

8.2 抓捕后操作问题分析

8.2.1 目标消旋策略

8.2.2 末端内力影响分析

8.2.3 参数不确定性影响分析

8.3 基于消旋策略的柔顺控制方法

8.3.1 阻抗控制原理

8.3.2 协同柔顺控制

8.3.3 载荷分配策略

8.4 考虑有界不确定性的安全控制方法

8.4.1 鲁棒控制策略

8.4.2 鲁棒正不变集

8.4.3 鲁棒运动轨迹规划

8.5 仿真结果

8.5.1 柔顺控制仿真

8.5.2 鲁棒控制仿真

8.6 本章小结

参考文献

第 9 章 空间多臂机器人在轨操控的仿真系统构建与应用

9.1 引言

9.2 功能模型接口

9.2.1 发展历程

9.2.2 FMI 概述

9.2.3 特性与指导思想

9.2.4 FMU 仿真架构

9.3 在轨操控仿真系统

9.3.1 总体架构

9.3.2 开发环境

9.3.3 模型接口与通信机制

9.3.4 联合仿真调度

9.3.5 外部设备

9.4 空间抓捕任务演示

9.4.1 FMU 模型导出

9.4.2 任务流程调度

9.4.3 仿真结果分析

9.5 应用价值

9.6 本章小结

参考文献