本书是关于空间机器人基础理论和工程技术的专业书籍，在阐述空间机器人基本设计理论和工程设计方法的基础上，结合著者的研究工作，详细介绍了几个空间机器人工程设计实例，以帮助读者清楚了解空间机器人系统设计和验证过程。本书总结了空间机器人的发展现状并对其未来发展进行了分析，可为本领域的专业技术人员提供参考。

王耀兵，博士，研究员，博士生导师，现任“空间智能机器人系统技术与应用”北京市重点实验室主任、中国空间技术研究院“空间智能机械系统技术”核心专业实验室主任、国防科技工业空间技术创新中**术委员会委员、中国宇航学会机器人专业委员会委员。长期从事空间机器人及航天器机械系统技术研究工作，参加过多个宇航型号研制和预先研究项目，完成了“大型空间机械臂”“月球表面采样机械臂”“机器人航天员”“在轨服务多机器人系统”“四足仿生移动机器人”等多个空间机器人产品的开发工作，拥有空间机器人相关授权发明20余项。

篇空间机器人基本理论
章绪论003
1.1空间机器人的定义、特点及分类004
1.1.1空间机器人的定义004
1.1.2空间机器人的特点005
1.1.3空间机器人的分类006
1.2空间机器人的基本组成及主要研究内容008
1.2.1空间机器人的基本组成008
1.2.2空间机器人的主要研究内容009
第2章空间机器人运动学与动力学011
2.1拓扑结构数学描述012
2.2坐标系定义与坐标变换014
2.3空间机器人运动学016
2.3.1各体位置和速度016
2.3.2末端位置和速度019
2.4空间刚性机器人动力学方程021
2.4.1用拉格朗日法建立空间刚性机器人动力学方程022
2.4.2用牛顿欧拉法建立空间刚性机器人动力学方程024
2.4.3不考虑基座浮动的情形028
2.5空间柔性机器人动力学方程030
2.5.1柔性体变形与动能030
2.5.2柔性体的弹性力与广义力033
2.5.3柔性体间约束方程034
2.5.4柔性多体系统动力学模型035
2.5.5空间机器人柔性多体动力学模型036
第3章空间机器人运动规划037
3.1空间操作机器人运动规划038
3.1.1规划问题描述038
3.1.2运动轨迹的选取039
3.1.3关节空间运动规划041
3.1.4笛卡儿空间运动规划042
3.1.5冗余机器人避关节极限和避奇异045
3.2空间移动机器人运动规划050
3.2.1全局路径规划050
3.2.2局部路径规划054
3.2.3轮式移动机器人运动规划059
第4章空间机器人运动控制062
4.1三环伺服运动控制064
4.1.1电机驱动与关节伺服控制064
4.1.2关节伺服控制系统的调试与测试075
4.2基于动力学模型的运动控制079
4.2.1基于计算力矩的控制079
4.2.2滑模变结构控制080
第5章空间机器人力控制084
5.1力位混合控制087
5.1.1自然约束和人工约束087
5.1.2力位混合控制算法088
5.2阻抗控制091
5.2.1期望阻抗的选定092
5.2.2基于位置的阻抗控制093
5.2.3基于雅可比转置的阻抗控制094
5.2.4基于动力学模型的阻抗控制095
5.2.5多机器人协同阻抗控制100
第二篇空间机器人设计基础
第6章空间机器人系统105
6.1系统设计107
6.1.1设计内容107
6.1.2设计原则108
6.2系统设计要素及约束要求109
6.2.1功能要求109
6.2.2性能要求110
6.2.3环境约束要求113
6.3系统总体设计115
6.4系统构型设计117
6.5系统供配电设计121
6.6系统信息流设计122
6.7系统热设计124
6.8系统接口设计125
6.9系统工效学设计127
6.10系统可靠性设计128
6.11系统安全性设计129
6.12系统测试性设计130
6.13系统维修性设计131
6.14系统保障性设计132
6.15元器件、原材料及工艺的选用设计133
6.16系统验证方案设计135
第7章空间机器人机械系统136
7.1机械系统设计138
7.1.1设计内容138
7.1.2设计原则140
7.2空间机器人结构142
7.2.1结构功能142
7.2.2结构材料143
7.2.3结构设计150
7.3关节155
7.3.1关节分类155
7.3.2关节的组成155
7.3.3关节设计165
7.4末端执行器172
7.4.1末端执行器分类172
7.4.2末端执行器的组成174
7.4.3末端执行器设计180
7.5移动机构184
7.5.1腿式移动机构184
7.5.2轮式移动机构187
7.5.3履带式移动机构190
7.6压紧释放机构191
7.6.1压紧释放机构的功能191
7.6.2释放装置的类型192
7.6.3压紧释放机构设计195
7.7空间润滑设计198
7.7.1润滑设计的作用和要求198
7.7.2润滑材料及润滑方式选取199
7.7.3脂润滑200
7.7.4固体润滑202
7.7.5固体脂复合润滑206
7.8机械系统试验验证技术207
7.8.1空间机器人关节功能/性能测试208
7.8.2空间机器人末端执行器功能/性能测试210
7.8.3环境适应性试验212
7.8.4可靠性试验213
第8章空间机器人控制系统216
8.1控制系统的组成及基本功能217
8.2控制系统设计219
8.2.1控制系统架构219
8.2.2信息流设计221
8.2.3控制系统工作模式设计223
8.2.4控制系统硬件设计225
8.2.5控制系统软件设计228
8.2.6控制系统可靠性与安全性设计230
第9章空间机器人感知系统233
9.1视觉感知系统设计235
9.1.1设计内容235
9.1.2设计原则239
9.2可见光视觉感知系统的应用241
9.2.1可见光视觉感知的基本原理241
9.2.2舱外空间机械臂视觉感知系统244
9.2.3舱外飞行空间机器人视觉感知系统246
9.2.4舱内飞行空间机器人视觉感知系统247
9.2.5舱内类人型空间机器人视觉感知系统248
9.3激光视觉感知系统的应用252
9.3.1激光视觉感知的基本原理252
9.3.2舱外空间机械臂视觉感知系统254
9.3.3舱内类人型空间机器人视觉感知系统257
9.4试验验证259
0章空间机器人遥操作系统261
10.1空间机器人遥操作系统设计263
10.1.1空间机器人遥操作系统的特点、功能及组成263
10.1.2遥操作系统设计原则265
10.1.3主要技术指标267
10.2典型空间机器人遥操作系统268
10.2.1指令遥操作系统269
10.2.2双边遥操作系统270
10.2.3共享遥操作系统278
10.2.4智能代理遥操作系统279
1章空间机器人系统仿真281
11.1仿真在空间机器人研制中的作用283
11.2常用空间机器人仿真类型286
11.2.1按实现方式分类286
11.2.2按时间关系分类287
11.3空间机器人仿真中的两个关键问题288
11.3.1仿真目标288
11.3.2模型验证289
11.4基于仿真的任务验证291
11.5常用机器人仿真软件294
11.5.1MATLAB294
11.5.2SimulationX295
11.6基于MATLAB/SimMechanics的机器人仿真样例297
第三篇空间机器人设计实例
2章大型空间机械臂设计实例303
12.1设计要求与约束条件306
12.1.1设计要求306
12.1.2约束条件308
12.2系统总体设计310
12.2.1任务分析310
12.2.2总体设计312
12.2.3机械臂机械系统设计315
12.3控制系统设计319
12.3.1控制系统的组成319
12.3.2系统控制策略320
12.3.3控制系统硬件设计321
12.3.4控制系统软件设计324
12.4感知系统设计326
12.4.1感知系统的组成326
12.4.2视觉测量系统策略327
12.4.3视觉测量系统信息总线设计328
12.4.4视觉测量系统硬件设计328
12.4.5视觉测量系统软件设计330
12.5设计验证331
12.5.1验证项目矩阵331
12.5.2验证方案332
3章空间移动机器人设计实例335
13.1设计要求与约束条件337
13.1.1设计要求337
13.1.2约束条件338
13.2系统总体设计340
13.2.1任务分析340
13.2.2总体方案设计342
13.3机械系统设计348
13.3.1驱动转向模块设计349
13.3.2主动悬架模块设计350
13.3.3差动支撑模块设计351
13.3.4压紧释放模块设计352
13.4控制系统设计354
13.4.1控制系统总体设计354
13.4.2控制系统模式设计355
13.4.3伺服驱动方案设计356
13.5感知系统设计359
13.5.1感知系统整体构造359
13.5.2视觉感知系统设计360
13.5.3导航相机设计362
13.5.4避障相机设计362
13.5.5太阳敏感器设计363
13.6设计验证364
13.6.1车体爬坡能力验证364
13.6.2车体越障能力验证365
13.6.3车体抬升能力验证366
13.6.4抬轮行走能力验证367
4章行星表面采样机械臂设计实现369
14.1设计要求与约束条件370
14.1.1任务要求370
14.1.2功能要求370
14.1.3性能要求370
14.1.4接口要求371
14.1.5环境适应性要求371
14.2系统总体设计373
14.2.1任务分析373
14.2.2总体设计374
14.3机械系统设计379
14.3.1系统组成379
14.3.2关节设计379
14.3.3臂杆设计381
14.3.4采样器设计382
14.3.5压紧机构设计383
14.4控制系统设计385
14.4.1系统架构设计385
14.4.2控制单元设计385
14.4.3关节控制系统设计387
14.4.4控制系统软件架构387
14.5感知系统设计389
14.5.1触地传感组件设计389
14.5.2视觉系统设计389
14.6设计验证392
14.6.1试验验证项目392
14.6.2抗力学环境试验393
14.6.3抗热学环境试验393
14.6.4抗尘土试验394
14.6.5高温展开试验394
14.6.6末端采样试验394
14.6.7着陆姿态拉偏试验396
第四篇总结与展望
5章空间机器人现状399
15.1空间机器人的发展历程400
15.2空间机器人的研究现状403
15.3小结413
6章空间机器人展望415
16.1空间机器人产品416
16.1.1软体机器人417
16.1.2飞行机器人419
16.1.3空间云机器人420
16.1.4空间多机器人系统421
16.1.5人工智能空间机器人422
16.2空间机器人技术424
16.3小结433
参考文献434
符号定义444
英文缩略语446
索引448