空间机械臂动力学与控制

本书共分为8章，介绍了空间机械臂的主要用途、类型、任务需求，分析了空间机械臂发展脉络；针对空间机械臂动力学，包括关节动力学、多体动力学与接触碰撞动力学等关键难点开展了系统性阐述，并对空间机械臂系统控制方法、关节控制方法进行了论述，以空间机械臂辅助舱段对接及悬停飞行器捕获两个典型工程任务为例，介绍了分析与验证的方法。全书内容涵盖了空间机械臂动力学建模与控制、验证与使用全过程。
本书是一本具有航天特色的理论与实际紧密结合的著作，是连接机械臂动力学控制理论与机械臂工程的纽带，具有较高的工程价值，可为国内高校机器人专业本科生、研究生及科研人员提供重要的技术参考。

对未知领域的探索是人类社会发展的不竭动力.自２０世纪５０年代以来,太空成为人
类新的探索领域.空间操作存在较大的不确定性、复杂性,世界上掌握此项技术的国家屈
指可数.空间机械臂自２０世纪７０年代首次在航天飞机中应用以来,已在载人航天、在轨
服务、星球探测等领域得到了广泛的应用:可以用来实现对空间目标的观察、监视;完成
对航天器舱内和舱外不同目标的抓取、搬运、安装和释放;对轨道中废弃的卫星进行转移
或清理;还可以应用于卫星故障部件的更换和维护.空间机械臂作为航天员感知与执行器
官的延伸,已是我国空间站组装建造、舱段转位与日常维修维护的关键装备.
空间机械臂具有适应微低重力、大温差、强辐射太空环境的作业能力,采用空间机械
臂可协助或代替航天员完成一些太空作业任务,如舱外设备的维修和维护、科学试验的照
料以及其他星球表面探测等,在经济性和安全性方面都具有重要的意义.截至２０１９年,
世界各国有近２０条空间机械臂正在或将要开展一系列的在轨操作工程任务或演示验证任
务,进一步证实了空间机械臂在空间领域应用的巨大潜力.
空间机械臂是典型的多体系统,不同于地面机械臂,空间机械臂具有质轻、负载质量
大、活动范围大的特点,而细长结构和大质量的末端负载使得机械臂系统频率一般在零点
几赫兹,柔性特征十分明显,美国航天飞机机械臂 (ShuttleRemoteManipulatorSystem,
SRMS)在轨的应用结果表明,其约有３０％的工作时间被用于等待机械臂振动的衰减,可
见动力学与控制问题严重影响着空间机械臂的工作效率,甚至影响了空间机械臂在轨应用
的效能.针对上述难题,国内外相关机构相继展开了研究,如美国和加拿大以航天飞机机
械臂３０年的飞行数据和经验为基础,依托完善的动力学与控制仿真模型,实现了加拿大
臂Ⅱ抓捕 “龙”飞船任务的全数字模拟与准确验证,既展现了其科技水平,又节约了大量
试验经费.本书总结了空间机械臂动力学与控制领域相关研究成果与工程经验,结合我国
空间机械臂的特点,对动力学建模、控制系统设计、模型修正与验证相关方法进行论述,
以期为相关工作人员提供一本较为实用的工具书或参考书.
本书由潘博研究员统稿,参与编写的作者如下:第１章绪论,主要由危清清、于登
云、潘博撰写;第２章空间机械臂运动学,主要由刘鑫撰写;第３章关节动力学建模与分
析,主要由潘博、于登云撰写;第４章空间机械臂多体动力学,主要由潘博、于登云、危
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清清撰写;第５章空间机械臂复杂末端执行器动力学,主要由危清清撰写;第６章空间机
械臂控制,主要由刘鑫撰写;第７章空间机械臂动力学与控制仿真实例,主要由危清清撰
写;第８章空间机械臂技术发展展望,主要由潘博、于登云撰写.本书是我国航天领域中
的动力学、控制、机械等专业科研人员研究空间机械臂设计与分析的重要参考,可作为高
年级本科和研究生相关课程的教科书或参考书.
由于本书编写时间紧,加之作者经验和知识有限,难免有疏漏之处,敬请读者批评
指正.
潘 博
２０２２年１０月
于北京航天城