了得網工業技術_空間遙操作技術

內容簡介

空間遙操作是一種實時的天地協同交互方式，能夠幫助人類實現感知能力與行為能力在空間上延伸。

本書是國內本繫統性講述遙操作知識體繫的著作。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、人機交互技術、信息管理技術、地面驗證技術及航天測控遙操作支持平臺技術等關鍵技術問題，簡要介紹了我國空間機器人遙操作繫統的設計原則和基本方案。

黃攀峰、劉正雄編著的《空間遙操作技術（精）》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應用類相關專業研究生和本科生高年級學生的教材。

第1章緒論
1.1 概述
1.1.1 機器人的發展歷程
1.1.2 遙操作的由來
1.2 遙操作典型應用及技術驗證試驗
1.2.1 空間維護中的遙操作
1.2.2 遠程醫療及遠程手術中的遙操作
1.3 遙操作面臨的挑戰
參考文獻
第2章大時延空間遙操作技術
2.1 遙操作基本模式
2.1.1 直接操縱模式
2.1.2 監督操縱模式
2.1.3 全自主操縱模式第1章緒論

1.1 概述

1.1.1 機器人的發展歷程

1.1.2 遙操作的由來

1.2 遙操作典型應用及技術驗證試驗

1.2.1 空間維護中的遙操作

1.2.2 遠程醫療及遠程手術中的遙操作

1.3 遙操作面臨的挑戰

參考文獻

第2章大時延空間遙操作技術

2.1 遙操作基本模式

2.1.1 直接操縱模式

2.1.2 監督操縱模式

2.1.3 全自主操縱模式

2.1.4 其他操縱模式

2.2 空間遙操作過程的特點

2.3 遙操作繫統的評價指標

2.3.1 魯棒性

2.3.2 任務性能

2.3.3 臨場感

2.3.4 透明性

2.4 遙操作中常用的控制方法及理論

2.4.1 基於無源性理論的控制方法

2.4.2 基於事件的控制方法

2.4.3 基於Lyapunov函數的控制方法

2.4.4 基於滑模控制的方法

2.4.5 基於H∞理論的控制方法

2.4.6 基於自適應的控制方法

2.5 大時延空間遙操作的關鍵技術問題

2.5.1 具有臨場感的人機交互技術

2.5.2 基於虛擬現實的預測仿真技術

2.5.3 空間機器人任務規劃技術

參考文獻

第3章空間遙操作任務規劃技術

3.1 任務規劃技術發展歷程

3.1.1 美軍任務規劃繫統

3.1.2 ENVIST項目任務規劃繫統

3.1.3 “火星快車項目任務規劃繫統

3.2 任務規劃基本理論與方法

3.2.1 基於Agent的任務規劃

3.2.2 基於Petri網的任務規劃

3.3 空間機器人運動學基本理論

3.3.1 空間機器人運動學基礎

3.3.2 位姿固定空間機器人運動學

3.3.3 自由飛行空間機器人運動學

3.3.4 自由漂浮空間機器人運動學

3.4 空間機器人運動規劃基本理論

3.4.1 空間機器人笛卡兒空間規劃技術

3.4.2 空間機器人關節空間規劃技術

3.4.3 空間機器人非完整規劃技術

3.4.4 仿真算例

3.5 空間遙操作任務規劃繫統設計與實現

3.5.1 功能要求

3.5.2 基本方案

參考文獻

第4章空間遙操作預測仿真技術

4.1 預測仿真的發展歷程

4.1.1 可視化仿真技術

4.1.2 預測顯示技術

4.2 空間遙操作預測仿真繫統的設計

4.2.1 功能要求

4.2.2 基本方案

4.3 預測仿真相關技術

4.3.1 虛擬現實

4.3.2 增強現實

4.3.3 虛擬融合

4.3.4基於層次包圍體技術的踫撞檢測

4.3.5 動力學預測

4.3.6 安全檢查機制

4.3.7 參數辨識與模型修正

參考文獻

第5章空間遙操作人機交互技術

5.1 概述

5.2 人機交互技術發展

5.2.1 發展歷程

5.2.2 主要研究內容

5.2.3 未來發展趨勢

5.3 人機交互的原理與方式

5.3.1 人機界面技術

5.3.2 多通道交互

5.3.3 虛實融合和三維人機交互

5.3.4 可穿戴式人機交互

5.3.5 腦機交互

5.4 基於力反饋的雙邊遙操作技術

5.4.1 手控器技術

5.4.2 雙邊控制遙操作技術

5.5 虛擬夾具技術

5.5.1 虛擬夾具簡介

5.5.2 速度型虛擬夾具

5.5.3 虛擬管道

5.5.4 虛擬夾具輔助空間遙操作

5.6 空間遙操作人機交互繫統設計與實現

5.6.1 功能要求

5.6.2 繫統組成

5.6.3 繫統設計與實現

參考文獻

第6章空間遙操作地面驗證技術

6.1 概述

6.2 地面驗證原理

6.2.1 氣浮及水浮試驗繫統

6.2.2 弔絲配重試驗繫統

6.2.3 失重飛機及落塔試驗繫統

6.2.4 混合試驗繫統

6.3 典型地面驗證繫統

6.3.1 載人航天器人工控制繫統地面驗證繫統

6.3.2SPDM任務檢驗裝置

6.3.3ETS一Ⅶ地面遙操作驗證繫統

6.4 空間遙操作地面驗證繫統的設計與實現

6.4.1 地面驗證繫統的組成與功能

6.4.2 空間機械手分繫統模擬器

6.4.3 星務數傳模擬器

6.4.4 動力學與圖形工作站

6.4.5 時延模擬模塊設計

參考文獻

第7章空間遙操作信息管理技術

7.1 信息管理技術的國內外研究現狀

7.1.1 ETS-Ⅶ地面控制繫統

7.1.2 機器人控制模塊化結構

7.1.3 JPL的WITS繫統

7.1.4 TeleRobot繫統

7.2 空間遙操作繫統的網絡與通信

7.2.1 遙操作繫統的內部通信

7.2.2 空間通信的特點

7.3 信息管理繫統詳細設計

7.3.1 任務與功能

7.3.2 功能要求分解及繫統的模塊結構

7.3.3 設計原理及實現方案

參考文獻

第8章航天測控及空間遙操作支持平臺技術

8.1 航天測控技術概述

8.1.1 航天測控技術的發展

8.1.2 主要協議和標準

8.1.3 國外航天測控概述

8.1.4 國內航天測控概述

8.2 航天測控網

8.2.1 時間統一繫統

8.2.2 測控網的功能

8.2.3 測控網的設計

8.2.4 航天測控中心

8.2.5 航天測控站

8.3 空間遙操作支持平臺設計

8.3.1 功能與組成

8.3.2 工作流程

8.3.3 工作模式

參考文獻

在線試讀

（3）核工業用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧、動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好、便於裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型繫統，例如：美國0RML基於機器人的放射性儲罐清理繫統、反應堆用雙臂操作器；加拿大研制成功的輻射監測與故障診斷繫統；德國的C7靈巧手等。

（4）地下機器人：主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩大類。主要研究內容包括機械結構、行走繫統、傳感器及定位繫統、控制繫統、通信及遙控技術。目前日本、美國、德國等發達國家已研制出石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采掘機器人及自動化繫統正在研制中。

（5）醫用機器人：主要研究內容包括醫療外科手術的規劃與仿真、機器人輔助外科手術、小損傷外科、臨場感外科手術等。美國已開展臨場感外科的研究，用於戰場模擬、手術培訓、解剖教學等。法國、英國、意大利、德國等國家聯合開展了圖像引導型矯形外科計劃、袖珍機器人計劃以及用於外科手術的機電手術工具等項目的研究，並已取得一些卓有成效的結果。

（6）建築機器人：El本已研制出20多種建築機器人，如高層建築抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，並已應用。美國卡內基梅隆大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內牆安裝機器人等型號的研制，並開展了傳感器、移動技術和繫統自動化施工方法等基礎研究。英國、德國、法國等國家也在開展這方面的研究。

（7）軍用機器人：近年來，美國、英國、法國、德國等已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰和後勤支援等任務，在戰場上具有看、嗅和觸摸能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，並且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導航車、SSV半自主地面戰車，法國的自主式快速運動偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前，美國0RNL正在研制和開發Abrams坦克、“愛國者”導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。

上述這些行業與工業制造相比，其主要特點是工作環境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有一定的智能，是機器人技術的一個重要發展方向。

縱觀機器人的發展不難發現，智能化程度的不斷加深一直是其發展的重要方向。多年來，機器人（特別是工業機器人）從依靠固定編程實現特定任務，發展到利用與傳感視覺等技術的結合，對執行工件和外部環境能夠進行一定的反饋，大大提高了應用的靈活性。

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