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第1章 绪论1

1.1 空间机器人1

1.2 人机交互3

1.3 人工智能6

1.4 空间机器人与机械臂的任务10

1.4.1 近地轨道12

1.4.2 深空13

1.4.3 行星表面13

1.5 开放性问题15

1.5.1 控制15

1.5.2 机械学16

1.5.3 转换器16

1.5.4 动力16

1.5.5 通信17

第2章 空间与行星环境18

2.1 近地轨道环境18

2.2 太阳系空间环境22

2.3 星际空间环境23

2.4 月球环境25

2.5 岩石行星30

2.5.1 火星31

2.5.2 水星35

2.5.3 金星37

2.6 巨行星38

2.6.1 木星39

2.6.2 土星41

2.6.3 天王星43

2.6.4 海王星44

2.7 巨行星的卫星46

2.7.1 木卫一（Io）48

2.7.2 木卫二（Europa）49

2.7.3 木卫三（Ganymede）49

2.7.4 木卫四（Callisto）50

2.7.5 土卫二（Enceladus）、土卫三（Tethys）、土卫四（Dione）、土卫五（Rhea）及土卫八（Iapetus）50

2.7.6 土卫六（Titan）51

2.7.7 天卫五（Miranda）、天卫一（Ariel）、天卫二（Umbriel）、天卫三（Titania）及天卫四（Oberon）52

2.7.8 海卫一（Triton）53

2.8 小天体53

2.8.1 主带小行星54

2.8.2 “柯伊伯带”天体57

2.8.3 “特洛伊”小行星58

2.8.4 其他小行星59

2.8.5 彗星60

2.8.6 外形不规则小行星表面上的重力加速度61

第3章 操控装置67

3.1 自由度和工作空间67

3.2 末端执行器71

3.3 末端执行机构的定位72

3.4 冗余自由度73

3.5 臂的设计75

3.6 刚体在三维空间的位置76

3.7 齐次坐标79

3.8 Denavit-Hartenberg参数（DH参数）80

3.9 臂的运动学82

3.10 速度运动学91

3.11 力和力矩93

3.12 刚性臂的动力学93

3.13 低阶控制102

3.13.1 开环控制103

3.13.2 闭环控制103

3.13.3 基于模型的反馈控制109

3.13.4 前馈、反馈混合控制111

3.14 轨迹生成111

3.15 挠性臂的动力学114

3.16 高阶控制127

3.17 并行操控装置128

第4章 行星表面的移动性134

4.1 移动性134

4.2 探测车与地面之间的接触135

4.2.1 接触压强136

4.2.2 牵引力141

4.3 轮式移动147

4.3.1 在坚硬的地面上滚动的刚性车轮147

4.3.2 车轮和地面的柔性150

4.3.3 刚性车轮和柔性地面间的接触152

4.3.4 柔性轮和刚性地面间的接触157

4.3.5 柔性车轮和柔性地面之间的接触162

4.3.6 切向力：在刚性地面上的弹性车轮166

4.3.7 切向力：刚性车轮在柔性地面上182

4.3.8 切向力：柔性轮在柔性地面上187

4.3.9 切向力：经验模型189

4.3.10 轮胎动力学行为190

4.3.11 全向轮191

4.4 履带192

4.5 腿式移动194

4.6 流体静力支撑196

4.7 流体动力学支撑197

4.8 其他类型的支撑204

第5章 轮式探测车205

5.1 概述205

5.2 轮式探测车运动方程解耦207

5.3 纵向运动特性209

5.3.1 作用于地面的力209

5.3.2 行驶阻力211

5.3.3 动力传动系统模型213

5.3.4 考虑纵向滑动的模型216

5.3.5 传递到地面的最大转矩220

5.3.6 电机允许的最大性能222

5.3.7 匀速能耗223

5.3.8 加速度224

5.3.9 制动226

5.4 横向运动特性231

5.4.1 轨迹控制231

5.4.2 低速或运动学转向控制233

5.4.3 理想转向操控238

5.4.4 非完整约束下地面-车轮接触242

5.4.5 高速转向模型247

5.4.6 高速转向线性模型250

5.4.7 侧滑转向操控268

5.4.8 铰接转向操控272

5.4.9 轨迹定义282

5.4.10 转向机动性284

5.5 悬架动力学285

5.5.1 非柔性悬架286

5.5.2 弹性悬架292

5.5.3 抗制动点头与抗加速翘头设计300

5.5.4 四分之一车辆模型303

5.5.5 弹跳和俯仰运动311

5.5.6 轴距滤波316

5.5.7 滚转运动317

5.5.8 地面激励318

5.5.9 振动对人体的影响320

5.5.10 对驾乘舒适性的总结321

5.6 耦合的纵向、侧向与悬架模型323

5.7 “阿波罗”月球车325

5.7.1 车轮和轮胎325

5.7.2 驱动和制动系统326

5.7.3 悬架327

5.7.4 转向操控327

5.7.5 电力系统328

5.8 轮式车辆总结328

第6章 非轮式机器人和行星车331

6.1 行走机器331

6.1.1 总体布局331

6.1.2 脚的运动轨迹的形成334

6.1.3 非动物形结构338

6.1.4 步态和腿的协调性346

6.1.5 平衡350

6.1.6 双足机器人352

6.1.7 结论355

6.2 轮-腿混合机器人357

6.3 履带-腿混合机器人361

6.4 跳跃式机器人362

6.5 雪橇板式机器人367

6.6 无足机器人368

第7章 作动器和传感器371

7.1 空间机器人的作动机构371

7.2 线性作动器373

7.2.1 性能指标373

7.2.2 液压缸377

7.2.3 气动作动器379

7.2.4 电磁作动器380

7.2.5 移动线圈式作动器385

7.2.6 压电作动器387

7.3 旋转作动器392

7.3.1 电机392

7.3.2 液压电机和气动电机398

7.3.3 内燃机399

7.4 机械传动401

7.4.1 旋转传动401

7.4.2 从旋转运动到线性运动407

7.5 液压传动409

7.6 传感器413

7.6.1 外感受器413

7.6.2 本体感受器415

第8章 动力系统420

8.1 太阳能420

8.1.1 光伏发电机420

8.1.2 太阳能-热发电机423

8.2 核能424

8.2.1 裂变反应堆425

8.2.2 放射性同位素发电机425

8.2.3 放射性同位素供热装置428

8.3 化学能（燃烧）428

8.3.1 热发动机429

8.3.2 燃料电池430

8.4 电化学电池431

8.4.1 原电池431

8.4.2 二次（可充电）电池433

8.5 其他储能装置437

8.5.1 超级电容器437

8.5.2 储能飞轮437

附录A 构型空间及状态空间中的运动方程439

A.1 离散线性系统439

A.1.1 构型空间439

A.1.2 状态空间441

A.1.3 自由运动443

A.1.4 保守自然系统443

A.1.5 特征向量的性质444

A.1.6 运动方程445

A.1.7 自然非保守系统447

A.1.8 质量矩阵为奇异的系统450

A.1.9 保守陀螺系统451

A.1.10 广义动力学系统451

A.1.11 强制响应的闭合解453

A.1.12 广义线性动力学系统的模态变换454

A.2 非线性动力学系统454

A.3 构型空间和状态空间里的拉格朗日方程456

A.4 受约束系统的拉格朗日方程458

A.4.1 完整约束459

A.4.2 不完整约束461

A.5 相空间里的哈密顿方程461

A.6 伪坐标下的拉格朗日方程462

A.7 刚体的运动465

A.7.1 广义坐标465

A.7.2 运动方程——拉格朗日法466

A.7.3 伪坐标下的运动方程468

A.8 多体模型470

附录B 连接系统运动方程472

B.1 总论472

B.2 梁474

B.2.1 综述474

B.2.2 直梁弯曲振动475

B.2.3 剪切变形的影响483

B.3 续系统离散化：有限元方法486

B.3.1 元素表征487

B.3.2 Timoshenko梁结构元素489

B.3.3 质量元素和弹簧元素495

B.3.4 结构装配496

B.3.5 结构约束497

B.3.6 阻尼矩阵498

B.4 自由度缩减498

B.4.1 静态缩减499

B.4.2 Guyan缩减500

B.4.3 组元合成501

参考文献505