空间遥操作技术

　　空间遥操作是一种实时的天地协同交互方式，能 够帮助人类实现感知能力与行为能力在空间上延伸。
　　本书是国内本系统性讲述遥操作知识体系的著作 。本书首先介绍了遥操作技术的发展历程和面临的技 术挑战，在此基础上总结了遥操作的基本模式、空间 遥操作过程的特点、大时延遥操作的基本方法和理论 及其关键技术问题。重点论述开展空间遥操作任务过 程必须的任务规划技术、预测仿真技术、人机交互技 术、信息管理技术、地面验证技术及航天测控遥操作 支持平台技术等关键技术问题，简要介绍了我国空间 机器人遥操作系统的设计原则和基本方案。
　　黄攀峰、刘正雄编著的《空间遥操作技术（精）》 可供从事空间机器人技术以及遥操作技术研究的工程 技术人员参考，也可作为高等院校航天应用类相关专 业研究生和本科生高年级学生的教材。

第1章绪论
　1.1 概述
　　1.1.1 机器人的发展历程
　　1.1.2 遥操作的由来
　1.2 遥操作典型应用及技术验证试验
　　1.2.1 空间维护中的遥操作
　　1.2.2 远程医疗及远程手术中的遥操作
　1.3 遥操作面临的挑战
　参考文献
第2章大时延空间遥操作技术
　2.1 遥操作基本模式
　　2.1.1 直接操纵模式
　　2.1.2 监督操纵模式
　　2.1.3 全自主操纵模式
　　2.1.4 其他操纵模式
　2.2 空间遥操作过程的特点
　2.3 遥操作系统的评价指标
　　2.3.1 鲁棒性
　　2.3.2 任务性能
　　2.3.3 临场感
　　2.3.4 透明性
　2.4 遥操作中常用的控制方法及理论
　　2.4.1 基于无源性理论的控制方法
　　2.4.2 基于事件的控制方法
　　2.4.3 基于Lyapunov函数的控制方法
　　2.4.4 基于滑模控制的方法
　　2.4.5 基于H∞理论的控制方法
　　2.4.6 基于自适应的控制方法
　2.5 大时延空间遥操作的关键技术问题
　　2.5.1 具有临场感的人机交互技术
　　2.5.2 基于虚拟现实的预测仿真技术
　　2.5.3 空间机器人任务规划技术
　参考文献
第3章空间遥操作任务规划技术
　3.1 任务规划技术发展历程
　　3.1.1 美军任务规划系统
　　3.1.2 ENVIST项目任务规划系统
　　3.1.3 “火星快车项目任务规划系统
　3.2 任务规划基本理论与方法
　　3.2.1 基于Agent的任务规划
　　3.2.2 基于Petri网的任务规划
　3.3 空间机器人运动学基本理论
　　3.3.1 空间机器人运动学基础
　　3.3.2 位姿固定空间机器人运动学
　　3.3.3 自由飞行空间机器人运动学
　　3.3.4 自由漂浮空间机器人运动学
　3.4 空间机器人运动规划基本理论
　　3.4.1 空间机器人笛卡儿空间规划技术
　　3.4.2 空间机器人关节空间规划技术
　　3.4.3 空间机器人非完整规划技术
　　3.4.4 仿真算例
　3.5 空间遥操作任务规划系统设计与实现
　　3.5.1 功能要求
　　3.5.2 基本方案
　参考文献
第4章空间遥操作预测仿真技术
　4.1 预测仿真的发展历程
　　4.1.1 可视化仿真技术
　　4.1.2 预测显示技术
　4.2 空间遥操作预测仿真系统的设计
　　4.2.1 功能要求
　　4.2.2 基本方案
　4.3 预测仿真相关技术
　　4.3.1 虚拟现实
　　4.3.2 增强现实
　　4.3.3 虚拟融合
　　4.3.4　基于层次包围体技术的碰撞检测
　　4.3.5 动力学预测
　　4.3.6 安全检查机制
　　4.3.7 参数辨识与模型修正
　参考文献
第5章空间遥操作人机交互技术
　5.1 概述
　5.2 人机交互技术发展
　　5.2.1 发展历程
　　5.2.2 主要研究内容
　　5.2.3 未来发展趋势
　5.3 人机交互的原理与方式
　　5.3.1 人机界面技术
　　5.3.2 多通道交互
　　5.3.3 虚实融合和三维人机交互
　　5.3.4 可穿戴式人机交互
　　5.3.5 脑机交互
　5.4 基于力反馈的双边遥操作技术
　　5.4.1 手控器技术
　　5.4.2 双边控制遥操作技术
　5.5 虚拟夹具技术
　　5.5.1 虚拟夹具简介
　　5.5.2 速度型虚拟夹具
　　5.5.3 虚拟管道
　　5.5.4 虚拟夹具辅助空间遥操作
　5.6 空间遥操作人机交互系统设计与实现
　　5.6.1 功能要求
　　5.6.2 系统组成
　　5.6.3 系统设计与实现
　参考文献
第6章 空间遥操作地面验证技术
　6.1 概述
　6.2 地面验证原理
　　6.2.1 气浮及水浮试验系统
　　6.2.2 吊丝配重试验系统
　　6.2.3 失重飞机及落塔试验系统
　　6.2.4 混合试验系统
　6.3 典型地面验证系统
　　6.3.1 载人航天器人工控制系统地面验证系统
　　6.3.2　SPDM任务检验装置
　　6.3.3　ETS一Ⅶ地面遥操作验证系统
　6.4 空间遥操作地面验证系统的设计与实现
　　6.4.1 地面验证系统的组成与功能
　　6.4.2 空间机械手分系统模拟器
　　6.4.3 星务数传模拟器
　　6.4.4 动力学与图形工作站
　　6.4.5 时延模拟模块设计
　参考文献
第7章空间遥操作信息管理技术
　7.1 信息管理技术的国内外研究现状
　　7.1.1 ETS-Ⅶ地面控制系统
　　7.1.2 机器人控制模块化结构
　　7.1.3 JPL的WITS系统
　　7.1.4 TeleRobot系统
　7.2 空间遥操作系统的网络与通信
　　7.2.1 遥操作系统的内部通信
　　7.2.2 空间通信的特点
　7.3 信息管理系统详细设计
　　7.3.1 任务与功能
　　7.3.2 功能要求分解及系统的模块结构
　　7.3.3 设计原理及实现方案
　参考文献
第8章 航天测控及空间遥操作支持平台技术
　8.1 航天测控技术概述
　　8.1.1 航天测控技术的发展
　　8.1.2 主要协议和标准
　　8.1.3 国外航天测控概述
　　8.1.4 国内航天测控概述
　8.2 航天测控网
　　8.2.1 时间统一系统
　　8.2.2 测控网的功能
　　8.2.3 测控网的设计
　　8.2.4 航天测控中心
　　8.2.5 航天测控站
　8.3 空间遥操作支持平台设计
　　8.3.1 功能与组成
　　8.3.2 工作流程
　　8.3.3 工作模式
　参考文献

　　（3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧、动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，例如：美国0RML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器；加拿大研制成功的辐射监测与故障诊断系统；德国的C7灵巧手等。
　　（4）地下机器人：主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两大类。主要研究内容包括机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日本、美国、德国等发达国家已研制出石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采掘机器人及自动化系统正在研制中。
　　（5）医用机器人：主要研究内容包括医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法国、英国、意大利、德国等国家联合开展了图像引导型矫形外科计划、袖珍机器人计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。
　　（6）建筑机器人：El本已研制出20多种建筑机器人，如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已应用。美国卡内基梅隆大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制，并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英国、德国、法国等国家也在开展这方面的研究。
　　（7）军用机器人：近年来，美国、英国、法国、德国等已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和触摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前，美国0RNL正在研制和开发Abrams坦克、“爱国者”导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。
　　上述这些行业与工业制造相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有一定的智能，是机器人技术的一个重要发展方向。
　　纵观机器人的发展不难发现，智能化程度的不断加深一直是其发展的重要方向。多年来，机器人（特别是工业机器人）从依靠固定编程实现特定任务，发展到利用与传感视觉等技术的结合，对执行工件和外部环境能够进行一定的反馈，大大提高了应用的灵活性。
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