前言

隨著人類(lèi)對(duì)太空探索的不斷深入，空間機(jī)械臂在航天領(lǐng)域中扮演的角色越來(lái)越重要。然而，惡劣的空間環(huán)境和繁重復(fù)雜的操作任務(wù)也對(duì)空間機(jī)械臂性能提出了越來(lái)越高的要求。為實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，確保操作任務(wù)的順利執(zhí)行，開(kāi)展空間機(jī)械臂規(guī)劃與控制技術(shù)的研究對(duì)我國(guó)載人航天、深空探測(cè)等國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)任務(wù)至關(guān)重要。

規(guī)劃與控制技術(shù)是保障空間機(jī)械臂長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)于提升空間機(jī)械臂運(yùn)行安全性及太空作業(yè)效率具有重要意義。在空間機(jī)械臂執(zhí)行操作任務(wù)時(shí)，需規(guī)劃與控制空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及操作過(guò)程中的作用力與作用力矩變化，此時(shí)空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模問(wèn)題成為空間機(jī)械臂規(guī)劃與控制的基礎(chǔ)；針對(duì)待執(zhí)行任務(wù)目標(biāo)，受太空資源稀缺、任務(wù)復(fù)雜等因素的影響，需通過(guò)分析、分解與規(guī)劃，將復(fù)雜的任務(wù)目標(biāo)劃分為一系列空間機(jī)械臂可直接執(zhí)行的動(dòng)作序列，以實(shí)現(xiàn)空間資源的優(yōu)化配置，此時(shí)需研究空間機(jī)械臂的任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題；針對(duì)大負(fù)載搬運(yùn)等典型操作任務(wù)，在空間機(jī)械臂運(yùn)行至期望位姿或?qū)⒇?fù)載搬運(yùn)至指定位置時(shí)，往往需考慮約束條件（如關(guān)節(jié)角度限制）與優(yōu)化目標(biāo)（如輸出力矩峰值最小化），以獲得任務(wù)執(zhí)行代價(jià)最小的運(yùn)行軌跡，此時(shí)應(yīng)解決空間機(jī)械臂的路徑規(guī)劃及軌跡優(yōu)化問(wèn)題；針對(duì)部分接觸操作任務(wù)，如目標(biāo)捕獲，為實(shí)現(xiàn)接觸碰撞擾動(dòng)最小，保持空間機(jī)械臂乃至整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需研究空間機(jī)械臂的接觸碰撞控制方法；當(dāng)操作任務(wù)要求空間機(jī)械臂與環(huán)境持續(xù)接觸時(shí)，空間機(jī)械臂除需控制末端運(yùn)動(dòng)外，還需精確輸出操作力，這將涉及空間機(jī)械臂的柔順控制問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，作者多年來(lái)在國(guó)家自然科學(xué)基金和973計(jì)劃項(xiàng)目等的支持下，開(kāi)展了10多年的研究，取得了一系列的研究成果。本書(shū)正是在這些研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)深入地梳理與闡述了空間機(jī)械臂建模、規(guī)劃及控制的相關(guān)基本理論和方法。本書(shū)可用于指導(dǎo)解決空間機(jī)械臂應(yīng)用過(guò)程中遇到的相關(guān)難題，書(shū)中所涉及的理論與方法大多已發(fā)表在國(guó)內(nèi)外頂級(jí)期刊或?qū)W術(shù)會(huì)議論文集中，并申請(qǐng)了多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，部分成果已成功應(yīng)用于我國(guó)航天項(xiàng)目上，具有較高的創(chuàng)新意義和使用價(jià)值。

全書(shū)共10章。第1章重點(diǎn)介紹了空間機(jī)械臂的發(fā)展現(xiàn)狀與其涉及的關(guān)鍵技術(shù)；第2章和第3章作為后續(xù)章節(jié)的理論基礎(chǔ)，分別總結(jié)了空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的建模方法；第4章介紹了任務(wù)規(guī)劃方法及其在空間機(jī)械臂領(lǐng)域的具體應(yīng)用；第5章介紹了空間機(jī)械臂路徑規(guī)劃方法，包括關(guān)節(jié)空間路徑規(guī)劃、笛卡兒空間路徑規(guī)劃和非完整路徑規(guī)劃；第6章通過(guò)梳理空間機(jī)械臂應(yīng)用過(guò)程中的優(yōu)化目標(biāo)與約束條件，闡述了空間機(jī)械臂的軌跡優(yōu)化基本理論；第7章闡述了考慮運(yùn)動(dòng)特性的空間機(jī)械臂軌跡優(yōu)化方法，包括空間機(jī)械臂避奇異路徑規(guī)劃、避障路徑規(guī)劃以及重復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；第8章介紹了典型工況下空間機(jī)械臂軌跡優(yōu)化方法，包括空間機(jī)械臂低速運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化和空間機(jī)械臂負(fù)載操作軌跡優(yōu)化。此5章（第4章至第8章）可為空間機(jī)械臂在自由運(yùn)動(dòng)階段順利執(zhí)行操作任務(wù)提供保障；第9章介紹了空間機(jī)械臂接觸碰撞動(dòng)力學(xué)建模方法及接觸碰撞控制策略；第10章總結(jié)了空間機(jī)械臂柔順控制方法，并闡述了環(huán)境干擾力作用下以及不確定模型下的空間機(jī)械臂柔順控制方法。此2章（第9章與第10章）對(duì)提升空間機(jī)械臂在接觸操作階段執(zhí)行在軌操作任務(wù)的安全性和可靠性具有重要意義。

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，很多新思想、新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)并被引入空間機(jī)械臂的實(shí)際應(yīng)用中，因此空間機(jī)械臂相關(guān)理論與方法仍在完善之中，加之作者水平有限，書(shū)中難免有疏漏或不妥之處，誠(chéng)望學(xué)術(shù)界同仁和廣大讀者批評(píng)指正。

作者
2019年6月