前言

随着人类对太空探索的不断深入，空间机械臂在航天领域中扮演的角色越来越重要。然而，恶劣的空间环境和繁重复杂的操作任务也对空间机械臂性能提出了越来越高的要求。为实现空间机械臂的可靠稳定运行，确保操作任务的顺利执行，开展空间机械臂规划与控制技术的研究对我国载人航天、深空探测等国家科技重大专项任务至关重要。

规划与控制技术是保障空间机械臂长期安全可靠运行的基础，对于提升空间机械臂运行安全性及太空作业效率具有重要意义。在空间机械臂执行操作任务时，需规划与控制空间机械臂的运动规律及操作过程中的作用力与作用力矩变化，此时空间机械臂运动学与动力学建模问题成为空间机械臂规划与控制的基础；针对待执行任务目标，受太空资源稀缺、任务复杂等因素的影响，需通过分析、分解与规划，将复杂的任务目标划分为一系列空间机械臂可直接执行的动作序列，以实现空间资源的优化配置，此时需研究空间机械臂的任务规划问题；针对大负载搬运等典型操作任务，在空间机械臂运行至期望位姿或将负载搬运至指定位置时，往往需考虑约束条件（如关节角度限制）与优化目标（如输出力矩峰值最小化），以获得任务执行代价最小的运行轨迹，此时应解决空间机械臂的路径规划及轨迹优化问题；针对部分接触操作任务，如目标捕获，为实现接触碰撞扰动最小，保持空间机械臂乃至整个系统的稳定性，需研究空间机械臂的接触碰撞控制方法；当操作任务要求空间机械臂与环境持续接触时，空间机械臂除需控制末端运动外，还需精确输出操作力，这将涉及空间机械臂的柔顺控制问题。

针对上述问题，作者多年来在国家自然科学基金和973计划项目等的支持下，开展了10多年的研究，取得了一系列的研究成果。本书正是在这些研究成果的基础上，系统深入地梳理与阐述了空间机械臂建模、规划及控制的相关基本理论和方法。本书可用于指导解决空间机械臂应用过程中遇到的相关难题，书中所涉及的理论与方法大多已发表在国内外顶级期刊或学术会议论文集中，并申请了多项国家发明专利，部分成果已成功应用于我国航天项目上，具有较高的创新意义和使用价值。

全书共10章。第1章重点介绍了空间机械臂的发展现状与其涉及的关键技术；第2章和第3章作为后续章节的理论基础，分别总结了空间机械臂运动学与动力学的建模方法；第4章介绍了任务规划方法及其在空间机械臂领域的具体应用；第5章介绍了空间机械臂路径规划方法，包括关节空间路径规划、笛卡儿空间路径规划和非完整路径规划；第6章通过梳理空间机械臂应用过程中的优化目标与约束条件，阐述了空间机械臂的轨迹优化基本理论；第7章阐述了考虑运动特性的空间机械臂轨迹优化方法，包括空间机械臂避奇异路径规划、避障路径规划以及重复运动规划；第8章介绍了典型工况下空间机械臂轨迹优化方法，包括空间机械臂低速运动轨迹优化和空间机械臂负载操作轨迹优化。此5章（第4章至第8章）可为空间机械臂在自由运动阶段顺利执行操作任务提供保障；第9章介绍了空间机械臂接触碰撞动力学建模方法及接触碰撞控制策略；第10章总结了空间机械臂柔顺控制方法，并阐述了环境干扰力作用下以及不确定模型下的空间机械臂柔顺控制方法。此2章（第9章与第10章）对提升空间机械臂在接触操作阶段执行在轨操作任务的安全性和可靠性具有重要意义。

随着航天事业的不断发展，很多新思想、新技术也在不断涌现并被引入空间机械臂的实际应用中，因此空间机械臂相关理论与方法仍在完善之中，加之作者水平有限，书中难免有疏漏或不妥之处，诚望学术界同仁和广大读者批评指正。

作者
2019年6月