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基於作者多年來承擔國家重大型號工程及其他重量項目取得的研究成果，對空間機器人相關理論和方法進行系統、深入的論述，包括運動學及動力學建模、耦合特性、參數辨識、非完整路徑規划、動力學奇異回避、非合作目標測量、自主捕獲控制、協調控制、仿真及實驗驗證等。
理論與實際緊密結合，對於航天器維修維護、空間站建設、太空垃圾清理等所涉及的空間機器人技術具有很強的支撐作用。
第1章 空間機器人發展現狀及趨勢
1.1引言
1.2空間機器人的概念及分類
1.3空間機器人需求分析
1.3.1頻繁的衛星失效導致了巨大的經濟損失
1.3.2不斷增長的軌道垃圾嚴重影響正常衛星的安全
1.3.3大型空間設施的建設與維護需求越來越緊迫
1.3.4新型空間技術對在軌服務的推動
1.3.5空間機器人代替宇航員是未來在軌服務的必然
1.3.6空間機器人在軌服務內容
1.4載人航天器機械臂國內外發展現狀
1.4.1航天飛機機器人SRMS
1.4.2國際空間站機器人
1.4.2.1空間站移動服務系統
1.4.2.2日本實驗艙遙控機械臂系統
1.4.2.3歐洲機械臂系統
1.4.3中國的艙外自由移動機器人系統EMR
1.4.4中國的空間站機器人系統
1.5自由飛行空間機器人國內外發展現狀
1.5.1已成功在軌演示的自由飛行空間機器人
1.5.2美國的空間機器人技術發展分析
1.5.2.1軌道快車
1.5.2.2機器人燃料加注實驗
1.5.2.3FREND項目
1.5.2.4「鳳凰」計划
1.5.2.5大型望遠鏡及空間結構在軌服務計划
1.5.2.6太空服務基地計划
1.5.2.7在軌制造計划
1.5.2.8美國在軌服務發展小結
1.5.3日本的空間機器人技術發展分析
1.5.4德國的空間機器人技術發展分析
1.5.5歐洲空間局的空間機器人技術發展分析
1.5.6加拿大的空間機器人技術發展分析
1.5.7中國的空間機器人技術發展分析
1.6空間機器人技術發展趨勢分析
1.7小結
參考文獻
第2章 機器人運動學基礎
2.1引言
2.2剛體的位置和姿態
2.2.1剛體位置的描述
2.2.2剛體姿態的描述
2.2.2.1旋轉變換矩陣表示法
2.2.2.2歐拉角表示法
2.2.2.3歐拉軸角表示
2.2.2.4單位四元數表示法
2.2.2.5小角度下的姿態表示
2.2.2.6各種姿態表示的優缺點分析
2.2.3齊次坐標與齊次變換
2.3剛體的運動
2.3.1剛體的一般運動
2.3.2剛體的姿態運動學
2.3.2.1旋轉變換矩陣表示下的姿態運動
2.3.2.2歐拉角表示法
2.3.2.3歐拉軸一角表示
2.3.2.4單位四元數表示
2.3.3姿態奇異條件分析
2.3.3.1姿態奇異條件及特性分析
2.3.3.2第Ⅰ類歐拉角的奇異分析
2.3.3.3第Ⅱ類歐拉角的奇異分析
2.4機械臂狀態描述
2.4.1關節狀態變量與關節速度
2.4.2末端位姿與末端速度
2.4.3關節空間與任務空間
2.5機械臂運動學正問題和逆問題
2.6位置級運動學問題
2.6.1平面2連桿機械臂位置級正運動學舉例
2.6.2平面2連桿機械臂位置級逆運動學舉例
2.7機器人連桿坐標系建立的D—H法
2.7.1經典D—H表示法
2.7.1.1D—H坐標系與D—H參數
2.7.1.2各連桿D—H坐標系建立的步驟
2.7.1.3基於D—H參數的齊次變換矩陣
2.7.2改造后的D—H表示法
2.8典型構型機械臂的解析運動學求解
2.8.13DOF擬人肘機械臂
2.8.1.13DOF擬人肘機械臂正運動學方程
2.8.1.23DOF擬人肘機械臂逆運動學方程
2.8.23DOF球腕機械臂
2.8.2.13DOF球腕機械臂正運動學方程
2.8.2.23DOF球腕機械臂逆運動學方程
2.8.36DOF腕部分離機械臂
2.8.3.16DOF腕部分離機械臂正運動學方程
2.8.3.26DOF腕部分離機械臂逆運動學方程
2.9小結
參考文獻
第3章 機器人微分運動學與奇異分析基礎
3.1引言
3.2機器人的速度級運動學
3.2.1速度級運動學方程
3.2.2機器人的微分運動
3.2.2.1采用6D狀態變量描述末端位姿時
3.2.2.2采用齊次變換矩陣描述末端位姿時
3.2.3速度級運動學舉例
3.2.3.1平面2連桿機械臂速度級正運動學舉例
3.2.3.2平面2連桿機械臂速度級逆運動學舉例
3.3機器人的加速度級微分運動學
3.3.1加速度級運動學方程
3.3.2加速度級運動學舉例
3.3.2.1平面2連桿機械臂加速度級正運動學舉例
3.3.2.2平面2連桿機械臂加速度級逆運動學舉例
3.4雅可比矩陣的計算方法
3.4.1不同坐標系表示下的雅可比矩陣的關系
3.4.2利用各關節位姿齊次變換矩陣
3.4.3根據末端位姿矩陣直接微分
3.5雅可比矩陣計算實例
3.5.1擬人的3DOF肘機械臂
3.5.23DOF球腕機械臂
3.5.36DOF腕部分離機械臂
3.6典型運動學奇異臂型分析
3.6.13DOF擬人肘機械臂
3.6.1.1奇異條件確定
3.6.1.2奇異臂型與運動退化分析
3.6.23DOF球腕機械臂
3.6.36DOF腕部分離機械臂
3.6.3.1腕部運動的分解
3.6.3.2奇異條件的確定
3.7基於微分運動學的通用逆運動學求解方法
3.7.1算法原理
3.7.2算法流程
3.7.3算法舉例
3.8小結
參考文獻
第4章 機器人動力學基礎
4.1引言
4.2動力學建模的基本原理
4.2.1歐拉方程
4.2.1.1剛體動量矩
4.2.1.2歐拉力矩方程
4.2.2達朗貝爾原理
4.2.3虛位移原理
4.2.3.1廣義坐標
4.2.3.2虛位移原理
4.2.3.3廣義力
4.2.4拉格朗日方程
4.2.4.1僅考慮動能情況下
4.2.4.2僅考慮勢能情況下
4.2.4.3一般拉格朗日方程
4.3機器人動力學基礎
4.3.1拉格朗日方法
4.3.1.1連桿的動能
4.3.1.2連桿的勢能
4.3.1.3拉格朗日動力學方程
4.3.1.4拉格朗日動力學方程舉例
4.3.2牛頓—歐拉法
4.3.2.1力和力矩的遞推關系式
4.3.2.2遞推的牛頓—歐拉動力學算法
4.4小結
參考文獻
第5章 空間機器人感知
5.1引言
5.2空間機器人基座姿態敏感器
5.2.1陀螺
5.2.2星敏感器
5.2.2.1工作原理
5.2.2.2主要技術指標
5.2.3太陽敏感器
5.2.4紅外地球敏感器
5.2.5典型姿態測量部件組成及姿態確定算法設計
5.2.5.1GNC分系統的組成
5.2.5.2姿態確定算法
5.3機器人關節位置檢測
5.3.1電位計
5.3.2旋轉變壓器
5.3.3光電編碼器
5.3.3.1增量式光電編碼器
5.3.3.2絕對式光電編碼器
5.4機器人力／力矩感知
5.5機器人視覺
5.5.1相機成像模型
5.5.2單目視覺與位姿測量
5.5.2.1單目視覺系統與PnP算法
5.5.2.2常用的P3P問題及其求解
5.5.3雙目視覺系統與立體匹配
5.6天基目標測量敏感器
5.6.1天基目標分類
5.6.2國內外應用情況分析
5.6.3天基目標測量敏感器簡介
5.6.3.1微波測距儀
5.6.3.2激光測距儀
5.6.3.3差分GPS（RGPS）
5.6.3.4光學測角相機
5.6.3.5寬視場測量相機
5.6.3.6窄視場成像相機
5.6.3.7交會測量相機
5.6.3.8典型目標測量設備配置方案
5.7天基目標測量方案舉例
5.7.1GEO非合作航天器在軌救援任務設計
5.7.1.1在軌接近任務
5.7.1.2繞飛監測任務
5.7.1.3停靠與抓捕
5.7.1.4在軌修復
5.7.2天基目標測量分系統配置方案
5.7.3GNC算法設計
5.7.3.1制導律的要求
5.7.3.2控制的要求
5.7.3.3導航的要求
5.8小結
參考文獻
……
第6章 空間機器人運動學建模
第7章 空間機器人動力學建模
第8章 空間機器人系統動力學耦合
第9章 空間機器人系統參數在軌辨識
第10章 空間機械臂路徑規划
第11章 自由漂浮空間機器人非完整路徑規划
第12章 空間機器人的運動學與動力學奇異回避
第13章 空間機器人目標捕獲的自主路徑規划
第14章 典型非合作目標的位姿測量
第15章 空間機器人系統的協調控制
第16章 空間機器人數學仿真與地面驗證系統
