內容簡介
空間遙操作是一種實時的天地協同互動方式，能夠幫助人類實現感知能力與行為能力在空間上延伸。本書是國內第一本系統性講述遙操作知識體系的著作。
本書首先介紹了遙操作技術的發展歷程和面臨的技術挑戰，在此基礎上總結了遙操作的基本模式、空間遙操作過程的特點、大時延遙操作的基本方法和理論及其關鍵技術問題。重點論述開展空間遙操作任務過程必須的任務規劃技術、預測仿真技術、人機互動技術、信息管理技術、地面驗證技術及航天測控遙操作支持平台技術等關鍵技術問題，簡要介紹了我國空間機器人遙作業系統的設計原則和基本方案。本書可供從事空間機器人技術以及遙操作技術研究的工程技術人員參考，也可作為高等院校航天套用類相關專業研究生和本科生高年級學生的教材。 Space teleoperation is a real-time coordinated interactive operation manner from ground to space. Teleoperation can extend the human abilities of perception and behavior in space. This book is the first systematic works which describes the teleoperation technology in the domestic. Firstly the development process and the technology challenges are introduced. And then the basic modes of teleoperation, the characteristics of space teleoperation process, the basic control methods and theories in time delayed teleoperation are summarized. This book focuses on the key technical problems which are task planning technology, forecast and simulation technology, human-machine interaction technology, the information management technology , ground-based verification technology and TT&C technology and support platform technology. The design principle and basic scheme of the first space robot teleoperation system are briefly explained. This book is available for engineer who is doing research in space robotics and teleoperation technology, and it is also available as text book for postgraduate and high grade student in aerospace applications related majors.
目錄
第1章緒論1
1.1概述1
1.1.1機器人的發展歷程1
1.1.2遙操作的由來5
1.2遙操作典型套用及技術驗證試驗6
1.2.1空間維護中的遙操作7
1.2.2遠程醫療及遠程手術中的遙操作18
1.3遙操作面臨的挑戰21
參考文獻24
第2章大時延空間遙操作技術27
2.1遙操作基本模式27
2.1.1直接操縱模式27
2.1.2監督操縱模式29
2.1.3全自主操縱模式30
2.1.4其他操縱模式31
2.2空間遙操作過程的特點32
2.3遙作業系統的評價指標34
2.3.1魯棒性34
2.3.2任務性能35
2.3.3臨場感35
2.3.4透明性36
2.4遙操作中常用的控制方法及理論37
2.4.1基於無源性理論的控制方法39
2.4.2基於事件的控制方法41
2.4.3基於Lyapunov函式的控制方法42
2.4.4基於滑模控制的方法43
2.4.5基於H∞理論的控制方法45
2.4.6基於自適應的控制方法46
2.5大時延空間遙操作的關鍵技術問題48
2.5.1具有臨場感的人機互動技術48
2.5.2基於虛擬現實的預測仿真技術49
2.5.3空間機器人任務規劃技術51
參考文獻52
第3章空間遙操作任務規劃技術56
3.1任務規劃技術發展歷程56
3.1.1美軍任務規劃系統58
3.1.2ENVISAT項目任務規劃系統61
3.1.3“火星快車”項目任務規劃系統62
3.2任務規劃基本理論與方法64
3.2.1基於Agent的任務規劃64
3.2.2基於Petri網的任務規劃68
3.3空間機器人運動學基本理論71
3.3.1空間機器人運動學基礎71
3.3.2位姿固定空間機器人運動學75
3.3.3自由飛行空間機器人運動學75
3.3.4自由漂浮空間機器人運動學77
3.4空間機器人運動規劃基本理論79
3.4.1空間機器人笛卡兒空間規劃技術79
3.4.2空間機器人關節空間規劃技術88
3.4.3空間機器人非完整規劃技術95
3.4.4仿真算例108
3.5空間遙操作任務規劃系統設計與實現111
3.5.1功能要求111
3.5.2基本方案111
參考文獻116
第4章空間遙操作預測仿真技術118
4.1預測仿真的發展歷程118
4.1.1可視化仿真技術118
4.1.2預測顯示技術118
4.2空間遙操作預測仿真系統的設計121
4.2.1功能要求121
4.2.2基本方案121
4.3預測仿真相關技術129
4.3.1虛擬現實129
4.3.2增強現實132
4.3.3虛擬融合143
4.3.4基於層次包圍體技術的碰撞檢測144
4.3.5動力學預測150
4.3.6安全檢查機制158
4.3.7參數辨識與模型修正158
參考文獻166
第5章空間遙操作人機互動技術168
5.1概述168
5.2人機互動技術發展169
5.2.1發展歷程169
5.2.2主要研究內容170
5.2.3未來發展趨勢171
5.3人機互動的原理與方式172
5.3.1人機界面技術172
5.3.2多通道互動173
5.3.3虛實融合和三維人機互動176
5.3.4可穿戴式人機互動177
5.3.5腦機互動180
5.4基於力反饋的雙邊遙操作技術181
5.4.1手控器技術181
5.4.2雙邊控制遙操作技術185
5.5虛擬夾具技術197
5.5.1虛擬夾具簡介197
5.5.2速度型虛擬夾具199
5.5.3虛擬管道206
5.5.4虛擬夾具輔助空間遙操作217
5.6空間遙操作人機互動系統設計與實現222
5.6.1功能要求222
5.6.2系統組成222
5.6.3系統設計與實現224
參考文獻227
第6章空間遙操作地面驗證技術230
6.1概述230
6.2地面驗證原理230
6.2.1氣浮及水浮試驗系統230
6.2.2吊絲配重試驗系統231
6.2.3失重飛機及落塔試驗系統232
6.2.4混合試驗系統233
6.3典型地面驗證系統233
6.3.1載人太空飛行器人工控制系統地面驗證系統233
6.3.2SPDM任務檢驗裝置235
6.3.3ETS-Ⅶ地面遙操作驗證系統235
6.4空間遙操作地面驗證系統的設計與實現237
6.4.1地面驗證系統的組成與功能237
6.4.2空間機械手分系統模擬器239
6.4.3星務數傳模擬器244
6.4.4動力學與圖形工作站248
6.4.5時延模擬模組設計250
參考文獻252
第7章空間遙操作信息管理技術254
7.1信息管理技術的國內外研究現狀254
7.1.1ETS-Ⅶ地面控制系統254
7.1.2機器人控制模組化結構256
7.1.3JPL的WITS系統257
7.1.4TeleRobot系統258
7.2空間遙作業系統的網路與通信259
7.2.1遙作業系統的內部通信259
7.2.2空間通信的特點261
7.3信息管理系統詳細設計262
7.3.1任務與功能262
7.3.2功能要求分解及系統的模組結構263
7.3.3設計原理及實現方案265
參考文獻277
第8章航天測控及空間遙操作支持平台技術279
8.1航天測控技術概述279
8.1.1航天測控技術的發展280
8.1.2主要協定和標準282
8.1.3國外航天測控概述284
8.1.4國內航天測控概述288
8.2航天測控網290
8.2.1時間統一系統291
8.2.2測控網的功能294
8.2.3測控網的設計296
8.2.4航天測控中心299
8.2.5航天測控站300
8.3空間遙操作支持平台設計303
8.3.1功能與組成305
8.3.2工作流程306
8.3.3工作模式308
參考文獻310
