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1、博士生课程空间机器人关键技术1空间机器人概概述2数学力学基础础3冗余自由度机机器人4柔性机械臂5欠驱动机器人人6机器人灵巧手手（一） 空间机器人的概概述1.空间机器人人在空间技术术中的地位从20世纪500年代，以美美国和苏联为为首的空间技技术大国就在在空间技术领领域展开了激激烈的竞赛。i苏联1957年8月月3日，前苏苏联研制的第第一枚洲际弹弹道导弹SSS-6首次发发射成功。不不久，前苏联联火箭总设计计师柯罗廖夫夫从美国新闻闻界得知美国国试图在19957-19958年的国国际地球物理理年里发射一一颗人造地球球卫星。于是是，他立即将将SS-6导导弹稍加修改改，将弹头换换上一个结构构简单的卫星星，抢
2、先将第第一颗人造卫卫星送上了太太空。接着，在第一颗颗人造卫星发发射后一个月月，即11月月3日，又用用SS-6导导弹作航天运运输工具，将将装有小狗“莱伊卡”的第二颗人人造卫星送入入太空的圆形形地球轨道。1959年5月月，前苏联又又将“月球”l号人造卫卫星送入了月月球轨道。ii美国在1958年以以前，以“红石”近程导弹和和“维金”探空火箭为为基础，分别别研制成“丘比特”C和“先锋”号等小型运运载火箭，用用于发射最初初的几个有效效载荷仅为数数千克至十几几千克的小卫卫星。发展到今天，从从地面实验室室研究到人造造卫星、空间间站、载人飞飞船、航天飞飞机、行星表表面探测器，空空间技术大国国都投入了大大量人力
3、、物物力和财力。空空间技术对于于天文学、气气象、通信、医医学、农业以以及微电子等等领域都产生生了很大的效效益。不仅如如此，空间技技术对于未来来国家安全更更具有重要的的意义。在空空间技术发展展的过程中空空间机器人的的作用越来越越明显。20世纪60年年代前苏联的的移动机器人人研究所(著著名的俄罗斯斯Roverr科技有限公公司前身)研研制了世界上上第一台和第第二台月球车车Lunohhod-1和和Lunohhod-2。11976年美美国发射海盗盗一号和二号号(Roveer-1、Roveer-2)的的登陆舱相继继在在火星表表面登陆，通通过遥操作机机械臂进行火火星表面土壤壤取样。随着空间技术研研究的日益深
4、深入，人类空空间活动的日日益频繁，需需要进行大量量的宇航员的的舱外活动(EVA)，这这对宇航员不不仅危险，而而且没有大气气层的防护，宇宇宙射线和太太空的各种飞飞行颗粒都会会对宇航员造造成伤害。建建造国际空间间站，以及未未来的月球和和火星基地，工工程浩大，只只靠宇航员也也是非力所能能及的。还有有空间产业、空空间科学实验验和探测，这这些工作是危危险的，但有有一定重复性性，各航天大大国都在研究究用空间机器器人来代替宇宇航员的大部部分工作。此外许多空间飞飞行器长期工工作在无人值值守的状态，这这些飞行器上上面各种装置置的维护和修修理依靠发射射飞船，把宇宇航员送上太太空的办法既既不经济，也也不现实。在在未
5、来的空间间活动中，许许多工作仅靠靠宇航员的舱舱外作业是无无法完成的，必必须借助空间间机器人来完完成空间作业业。2空间机器人的的任务和分类类1)空间建筑与与装配。一些些大型的安装装部件，比如如无线电天线线，太阳能电电池，各个舱舱段的组装等等舱外活动都都离不开空间间机器人，机机器人将承担担各种搬运，各各构件之间的的连接紧固，有有毒或危险品品的处理等任任务。有人预预计，在不久久将来空间站站建造初期，一半以上的的工作都将由由机器人完成成。2)卫星和其他他航天器的维维护与修理。随着人类在太空活动的不断发展，人类在太空的资产越来越多，其中人造卫星占了绝大多数。如果这些卫星一旦发生故障，丢弃它们再发射新的卫
6、星就很不经济，必须设法修理后使它们重新发挥作用。但是如果派宇航员去修理，又牵涉到舱外活动的问题，而且由于航天器在太空中，是处于强烈宇宙辐射的环境之下，有时人根本无法执行任务，所以只能依靠空间机器人。挑战者号和哥伦比亚号航天飞机的坠毁引起人们对空间飞行安全的关注，采用空间机械臂修复哈勃太空望远镜似乎是一件很自然的事情。安装上新的科学仪器(包括一台视野宽阔的摄象仪和一台摄谱仪)后，哈勃望远镜的观测能力可增强十倍以上。空间机器人所进行的维护和修理工作包括回收失灵卫星，对故障卫星进行就地修理，为空间飞行器补给物资等。3)空间生产和科学实验。宇宙空间为人类提供了地面上无法实现的微重力和高真空环境，利用这
7、一环境可以生产出地面上无法或难以生产出的产品。在太空中还可以进行地面上不能做的科学实验。和空间装配，空间修理不同，空间生产和科学实验主要在舱内环境里进行，操作内容多半是重复性动作，在多数情况下，宇航员可以直接检查和控制。这时候的空间机器人如同工作在地面的工厂里的生产线上一样。因此，可以采用的机器人多是通用型多功能机器人。空间机器人是空空间技术研究究的重要内容容，它是代替替宇航员进行行空间科学研研究和作业的的有力工具。空空间机器人按按照用途可以以分为i空间站机器器人(包括空空间站与航天天飞机舱内机机器人和空间间站与航天飞飞机舱外机械械臂)；ii星载机器器人(包括空空间自由飞行行机器人和空空间自由
8、漂浮浮机器人)；iii外星表表面探测机器器人。从空间机器人的的结构组成来来看，可分为为单臂和多臂臂(主要是双双臂)空间机机器人。(3) 空间机器人的特特点空间环境和地面面环境差别很很大，空间机机器人工作在在微重力、高真空、超低温、强辐射、弱照明的环境中中，因此，空空间机器人与与地面机器人人的要求也必必然不相同，有有它自身的特特点。由于空空间机器人在在空间微重力力的环境下工工作，因此当当机械臂运动动时，会对载载体产生反作作用力和力矩矩，从而改变变载体的位置和和姿态，即空空间机器人的的机械臂和载载体之间存在在着运动学和和动力学耦合合问题。如果果不考虑这种种力学耦合问题，而依依然采用地面面固定基座机
9、机器人的运动动控制技术，空间机器人就无法完成预定的操作任务。所以研究空间机器人，首先要解决的是如何考虑这种因素，建立相互作用的运动学、动力学模型及运动控制算法。另一个关键问题是在地面上模拟微重力条件的地面试验平台，用来验证空间机器人运动特殊性、卫星姿态、捕捉目标路径规划等各种运动控制算法的可行性。由于是高真空，液体无法附着在固体表面，而且极易挥发，无法采用地面上常规的液体润滑和密封技术，而必须考虑固体润滑和磁流体密封。对于舱内空间机机器人，要求求体积比较小小，重量比较较轻，抗干扰扰能力强。其其次，要求空间机器器人的智能程程度高，功能能全。空间机机器人消耗的的能量要尽可可能小，工作作寿命要尽可可
10、能长。由于是工作作在太空这一一特殊的环境境之下，对它它的安全性、可靠靠性和可维修修性要求也比比较高。从控控制的角度看看，由于空间间的遥操作距距离远大于地地面，时延成成为不可忽略略的因素，在在地面上成功功的控制策略略和控制方法法对于空间的的遥操作往往往行不通，必必须考虑空间间机器人的自自主性和智能能性，以及控控制和通信的的智能系统。总之，由于空间间活动的成本本高昂，空间间技术的研究究和发展需要要强大的经济济基础为后盾盾，这导致空空间飞行器的的设计需要采采取特殊的思思路，控制系系统需要采用用先进的策略略和软硬件装装备。由于空空间活动的未未知因素多，必必须具备一定定的自主工作作能力(智能能性和灵活性
11、性)，同时还还必须具有良良好的容错能能力和可靠性性。空间发射射成本高，减减轻发射重量量成为诸多考考虑因素的首首选因素，这这就使空间机机器人大多为为轻质柔性结结构，因此具具有较大的变变形。微重力力和载体不固固定，使得空空间机器人系系统为非完整整系统。因此此空间机器人人的基本特点点是：轻质柔柔性、灵活性性、容错性、非非完整约束、智智能性。此外外为了使空间间机器人具有有容错性，一一般都采用冗冗余自由度的的构形、欠驱动方式和柔性结结构。这些造造成空间机器器人系统的高高度复杂性和和综合性。空空间机器人的的研究涉及多多学科领域，它它集成了力学学、机械学、控控制工程、计计算机科学、测测试技术和通通信技术等多
12、多学科领域的的最新成就。(4) 空间机器人发展展现状加拿大臂(Caanadarrm)的空间间机械臂的正正式名称是SSRMS(tthe Shhuttlee Remoote Maanipullator Systeem)，长15.22m,重4110kg。已制造并交交付使用了55套完整机械械臂系统。每每套臂系统中中有2套手动动控制器，分别控制33个移动和33个转动等66个自由度。该该臂末端速度为6600mm/s(空载);有载荷的的情况下的速速度为60mmm/s。已已飞向太空执执行任务344次。在地面面上是用气浮浮方式模拟太太空微重力环环境，作二维水平平运动来试验验、维护的。加拿大为国际空间站提供一个移
13、动服务系统(MSS)及其有关地面设备。作为回报，加拿大将获得国际空间站3%的使用权。移动服务系统包括空间站遥控机械臂系统(SSRMS)、专用机械手(SPDM)两部分。SSRMS长17.6m，重936kg，负荷时移动速度为6mm/s，空载时移动速度为600mm/s，定位精度10mm/()，能搬动重量为19500kg、尺寸为18.3m4.6m的有效载荷。SSRMS可用于空间站的装配与服务、轨道器的对接与分离、有效载荷操作以及协助出舱活动等，在国际空间站的装配和维护中将发挥关键作用。SPDM是一个双臂机器人，每个臂长2m，有7个自由度，能承担目前由舱外活动航天员完成的许多维修和装配任务。从1981年
14、第第一次太空飞飞行，SRMMS就表现出出高可靠性、高高效性和万能能性，能够对对负载进行准准确、精细和和复杂的操作作。它是由加加拿大MDAA公司为美国国NASA设设计和制造的的。以后NAASA又订制制了4台SRRMS。加拿拿大臂能够无无缝地实现把把卫星放入轨轨道和回收有有故障的卫星星。19900年4月244日加拿大臂臂稳固地将HHubblee空间望远镜镜放入轨道。从1990年4月到2002年3月它在4次太空飞行中协助宇航员完成了18次太空行走，进行了总计129小时的EVA。Canadarrm 的非计计划性任务包包括清除阻塞塞的废水口的的冰块，它们们可能对航天天飞机返回时时收起天线和和激活失效卫卫
15、星重新放入入正确轨道造造成威胁。在 1998 年12月， Cannadarmm 在 国际空间站站的第一次装装配任务中发发挥了关键作作用, 实现了美美国单元与俄俄国空间站ZZarya的的对接。Caanadarrm 将会继继续在空间站站装配中发挥挥重大的作用用。加拿大臂由肩关关节(2个自自由度)、肘肘关节(1个个自由度)和和腕关节(33个自由度)，整个臂分分为上臂和下下臂。总质量量905磅(410kgg)。碳复合材料2数学力学基础础(1). 矩阵理论矩阵的四个基基本子空间线性方程组可以以用矩阵形式式写为(1)式中，A为mn系数矩阵阵，x为n维向量空间Rn的列向量，b为m维向量空间Rm的列向量。如果
16、方程的数目目小于未知数数的数目，即即mn。我们们假设A是行满秩的，即A的秩r等于m。由于方程程数m小于变量数数n，方程组为为欠定方程组组。由线性代代数可知，方方程组的解不不唯一，在所所有的解向量量中，有一个个解向量是最最小范数解。其其他的解可以以认为是由这这个解和线性性方程组对应应的齐次线性性方程组Axx = 0通解之和。齐次线线性方程的这这些解组成了了向量空间RRn中的一个子子空间，称为为矩阵A的零空间，或或者称为A的核。它的维数数是n - m。记作N(A)。如果矩阵阵A的秩r小于m，零空间的的维数则为nn-r。类似地，齐齐次线性方程程组ATx = 0的的全体解组成成了向量空间间Rm的一个子空间，称为为矩阵A的左零空间。它的维数是是m - rr。记作N(AT)。如果矩阵行行满秩，即rr =
