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第1章 绪论1

1.1 概述1

1.1.1 机器人的发展历程1

1.1.2 遥操作的由来5

1.2 遥操作典型应用及技术验证试验6

1.2.1 空间维护中的遥操作7

1.2.2 远程医疗及远程手术中的遥操作18

1.3 遥操作面临的挑战21

参考文献24

第2章 大时延空间遥操作技术27

2.1 遥操作基本模式27

2.1.1 直接操纵模式27

2.1.2 监督操纵模式29

2.1.3 全自主操纵模式30

2.1.4 其他操纵模式31

2.2 空间遥操作过程的特点32

2.3 遥操作系统的评价指标34

2.3.1 鲁棒性34

2.3.2 任务性能35

2.3.3 临场感35

2.3.4 透明性36

2.4 遥操作中常用的控制方法及理论37

2.4.1 基于无源性理论的控制方法39

2.4.2 基于事件的控制方法41

2.4.3 基于Lyapunov函数的控制方法42

2.4.4 基于滑模控制的方法43

2.4.5 基于H∞理论的控制方法45

2.4.6 基于自适应的控制方法46

2.5 大时延空间遥操作的关键技术问题48

2.5.1 具有临场感的人机交互技术48

2.5.2 基于虚拟现实的预测仿真技术49

2.5.3 空间机器人任务规划技术51

参考文献52

第3章 空间遥操作任务规划技术56

3.1 任务规划技术发展历程56

3.1.1 美军任务规划系统58

3.1.2 ENVISAT项目任务规划系统61

3.1.3 “火星快车”项目任务规划系统62

3.2 任务规划基本理论与方法64

3.2.1 基于Agent的任务规划64

3.2.2 基于Petri网的任务规划68

3.3 空间机器人运动学基本理论71

3.3.1 空间机器人运动学基础71

3.3.2 位姿固定空间机器人运动学75

3.3.3 自由飞行空间机器人运动学75

3.3.4 自由漂浮空间机器人运动学77

3.4 空间机器人运动规划基本理论79

3.4.1 空间机器人笛卡儿空间规划技术79

3.4.2 空间机器人关节空间规划技术88

3.4.3 空间机器人非完整规划技术95

3.4.4 仿真算例108

3.5 空间遥操作任务规划系统设计与实现111

3.5.1 功能要求111

3.5.2 基本方案111

参考文献116

第4章 空间遥操作预测仿真技术118

4.1 预测仿真的发展历程118

4.1.1 可视化仿真技术118

4.1.2 预测显示技术118

4.2 空间遥操作预测仿真系统的设计121

4.2.1 功能要求121

4.2.2 基本方案121

4.3 预测仿真相关技术129

4.3.1 虚拟现实129

4.3.2 增强现实132

4.3.3 虚拟融合143

4.3.4 基于层次包围体技术的碰撞检测144

4.3.5 动力学预测150

4.3.6 安全检查机制158

4.3.7 参数辨识与模型修正158

参考文献166

第5章 空间遥操作人机交互技术168

5.1 概述168

5.2 人机交互技术发展169

5.2.1 发展历程169

5.2.2 主要研究内容170

5.2.3 未来发展趋势171

5.3 人机交互的原理与方式172

5.3.1 人机界面技术172

5.3.2 多通道交互173

5.3.3 虚实融合和三维人机交互176

5.3.4 可穿戴式人机交互177

5.3.5 脑机交互180

5.4 基于力反馈的双边遥操作技术181

5.4.1 手控器技术181

5.4.2 双边控制遥操作技术185

5.5 虚拟夹具技术197

5.5.1 虚拟夹具简介197

5.5.2 速度型虚拟夹具199

5.5.3 虚拟管道206

5.5.4 虚拟夹具辅助空间遥操作217

5.6 空间遥操作人机交互系统设计与实现222

5.6.1 功能要求222

5.6.2 系统组成222

5.6.3 系统设计与实现224

参考文献227

第6章 空间遥操作地面验证技术230

6.1 概述230

6.2 地面验证原理230

6.2.1 气浮及水浮试验系统230

6.2.2 吊丝配重试验系统231

6.2.3 失重飞机及落塔试验系统232

6.2.4 混合试验系统233

6.3 典型地面验证系统233

6.3.1 载人航天器人工控制系统地面验证系统233

6.3.2 SPDM任务检验装置235

6.3.3 ETS-Ⅶ地面遥操作验证系统235

6.4 空间遥操作地面验证系统的设计与实现237

6.4.1 地面验证系统的组成与功能237

6.4.2 空间机械手分系统模拟器239

6.4.3 星务数传模拟器244

6.4.4 动力学与图形工作站248

6.4.5 时延模拟模块设计250

参考文献252

第7章 空间遥操作信息管理技术254

7.1 信息管理技术的国内外研究现状254

7.1.1 ETS-Ⅶ地面控制系统254

7.1.2 机器人控制模块化结构256

7.1.3 JPL的WITS系统257

7.1.4 TeleRobot系统258

7.2 空间遥操作系统的网络与通信259

7.2.1 遥操作系统的内部通信259

7.2.2 空间通信的特点261

7.3 信息管理系统详细设计262

7.3.1 任务与功能262

7.3.2 功能要求分解及系统的模块结构263

7.3.3 设计原理及实现方案265

参考文献277

第8章 航天测控及空间遥操作支持平台技术279

8.1 航天测控技术概述279

8.1.1 航天测控技术的发展280

8.1.2 主要协议和标准282

8.1.3 国外航天测控概述284

8.1.4 国内航天测控概述288

8.2 航天测控网290

8.2.1 时间统一系统291

8.2.2 测控网的功能294

8.2.3 测控网的设计296

8.2.4 航天测控中心299

8.2.5 航天测控站300

8.3 空间遥操作支持平台设计303

8.3.1 功能与组成305

8.3.2 工作流程306

8.3.3 工作模式308

参考文献310