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[资源] Springer2012年Introduction to the Mechanics of Space Robots

作者Giancarlo Genta
Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Robots in Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Humans and Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Artificial Intelligence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Missions for Robots and Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4.1 LowEarthOrbit (LEO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2 Deep Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Planetary Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 OpenProblems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.2 Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5.3 Transducers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.4 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.5 Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Space and Planetary Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 LowEarthOrbitEnvironment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Interplanetary Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 InterstellarMedium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Lunar Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5 Rocky Planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.1 Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.2 Mercury . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5.3 Venus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6 Giant Planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.1 Jupiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.2 Saturn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6.3 Uranus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.6.4 Neptune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.7 Satellites of Giant Planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.7.1 Io . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
ix
x Contents
2.7.2 Europa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.3 Ganymede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.7.4 Callisto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.7.5 Enceladus, Tethys, Dione, Rhea and Iapetus . . . . . . . . 56
2.7.6 Titan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.7.7 Miranda, Ariel, Umbriel, Titania and Oberon . . . . . . . . 58
2.7.8 Triton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.8 SmallBodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.8.1 MainBeltAsteroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.8.2 KuiperBeltObjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.8.3 TrojanAsteroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.8.4 OtherAsteroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.8.5 Comets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.8.6 Gravitational Acceleration on the Surface
ofNon-regularAsteroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3 Manipulatory Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.1 Degrees of Freedom and Workspace . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2 EndEffectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Orientationof theEndEffector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4 Redundant Degrees of Freedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.5 Arm Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.6 Position of a Rigid Body in Tridimensional Space . . . . . . . . . 83
3.7 Homogeneous Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.8 Denavit–Hartenberg Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.9 Kinematicsof theArm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.10 VelocityKinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.11 Forces andMoments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.12 Dynamics of Rigid Arms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.13 LowLevelControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.13.1 OpenLoopControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.13.2 Closed-LoopControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.13.3 Model-Based Feedback Control . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.13.4 Mixed Feedforward and Feedback Control . . . . . . . . . 124
3.14 Trajectory Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.15 Dynamics of Flexible Arms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.16 HighLevelControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3.17 ParallelManipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4 Mobility on Planetary Surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.1 Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.2 Vehicle–Ground Contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.2.1 ContactPressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2.2 Traction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.3 Wheeled Locomotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.3.1 Stiff Wheels Rolling on Stiff Ground . . . . . . . . . . . . 168
Contents xi
4.3.2 Compliance of the Wheel and of the Ground . . . . . . . . 171
4.3.3 Contact Between Rigid Wheel and Compliant Ground . . . 174
4.3.4 Contact Between Compliant Wheel and Rigid Ground . . . 180
4.3.5 Contact Between Compliant Wheel
and Compliant Ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
4.3.6 Tangential Forces: Elastic Wheels on Rigid Ground . . . . 190
4.3.7 Tangential Forces: Rigid Wheel on Compliant Ground . . . 208
4.3.8 Tangential Forces: Compliant Wheel
on Compliant Ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.3.9 Tangential Forces: Empirical Models . . . . . . . . . . . . 215
4.3.10 Dynamic Behavior of Tires . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.3.11 Omni-Directional Wheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
4.4 Tracks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4.5 Legged Locomotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.6 Fluidostatic Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
4.7 Fluid-Dynamics Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
4.8 Other Types of Support . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
5 Wheeled Vehicles and Rovers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
5.2 Uncoupling of the Equations of Motion of Wheeled Vehicles . . . 237
5.3 LongitudinalBehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.3.1 Forces on the Ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
5.3.2 Resistance to Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
5.3.3 Model of the Driveline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.3.4 Model Including the Longitudinal Slip . . . . . . . . . . . 248
5.3.5 Maximum Torque that Can Be Transferred
to the Ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.3.6 Maximum Performances Allowed by the Motors . . . . . . 255
5.3.7 Energy Consumption at Constant Speed . . . . . . . . . . 257
5.3.8 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.3.9 Braking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.4 LateralBehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
5.4.1 TrajectoryControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
5.4.2 Low-Speed or Kinematic Steering . . . . . . . . . . . . . . 269
5.4.3 Ideal Steering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
5.4.4 Ground–Wheel Contact as a Non-holonomic Constraint . . 278
5.4.5 Model for High-Speed Cornering . . . . . . . . . . . . . . 285
5.4.6 Linearized Model for High-Speed Cornering . . . . . . . . 288
5.4.7 SlipSteering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
5.4.8 ArticulatedSteering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
5.4.9 Trajectory Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
5.4.10 SteeringActivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
5.5 Suspension Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
5.5.1 Non Compliant Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
5.5.2 Elastic Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
xii Contents
5.5.3 Anti-dive and Anti-squat Designs . . . . . . . . . . . . . . 347
5.5.4 Quarter-Car Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
5.5.5 Bounce and Pitch Motions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
5.5.6 Wheelbase Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
5.5.7 RollMotions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
5.5.8 Ground Excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
5.5.9 Effects ofVibrationontheHumanBody . . . . . . . . . . 369
5.5.10 Concluding Remarks on Ride Comfort . . . . . . . . . . . 370
5.6 Coupled Longitudinal, Lateral and Suspension Models . . . . . . . 373
5.7 The ApolloLRV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
5.7.1 Wheels and Tires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
5.7.2 Drive andBrakeSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
5.7.3 Suspensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
5.7.4 Steering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
5.7.5 PowerSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
5.8 Conclusions on Wheeled Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
6 Non-wheeled Vehicles and Rovers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
6.1 Walking Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
6.1.1 General Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
6.1.2 Generation of Feet Trajectories . . . . . . . . . . . . . . . 385
6.1.3 Non-zoomorphic Configurations . . . . . . . . . . . . . . 389
6.1.4 Gait andLegCoordination . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
6.1.5 Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
6.1.6 Biped and Humanoid Robots . . . . . . . . . . . . . . . . 404
6.1.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
6.2 Hybrid Machines with Wheels and Legs . . . . . . . . . . . . . . 410
6.3 Hybrid Machines with Tracks and Legs . . . . . . . . . . . . . . . 414
6.4 Hopping Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
6.5 Skis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6.6 Apodal Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
7 Actuators and Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
7.1 Actuation of Space Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
7.2 Linear Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
7.2.1 Performance Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
7.2.2 Hydraulic Cylinders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
7.2.3 Pneumatic Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
7.2.4 Solenoid Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
7.2.5 MovingCoilActuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
7.2.6 Piezoelectric Actuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
7.3 RotaryActuators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
7.3.1 ElectricMotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
7.3.2 Hydraulic and Pneumatic Motors . . . . . . . . . . . . . . 458
7.3.3 InternalCombustionEngines . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Contents xiii
7.4 Mechanical Transmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
7.4.1 FromRotarytoRotaryMotion . . . . . . . . . . . . . . . 462
7.4.2 From Rotary to Linear Motion . . . . . . . . . . . . . . . 468
7.5 HydraulicTransmissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
7.6 Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
7.6.1 Exteroceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
7.6.2 Proprioceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
8 Power Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
8.1 SolarEnergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
8.1.1 Photovoltaic Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
8.1.2 Solar-Thermal Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
8.2 NuclearPower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
8.2.1 Fission Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
8.2.2 Radioisotope Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
8.2.3 RadioisotopeHeatingUnits (RHUs) . . . . . . . . . . . . 492
8.3 ChemicalPower (Combustion) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
8.3.1 ThermalEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.3.2 Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
8.4 Electrochemical Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
8.4.1 PrimaryBatteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
8.4.2 Secondary (Rechargeable) Batteries . . . . . . . . . . . . . 498
8.5 OtherEnergyStorageDevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
8.5.1 Supercapacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
8.5.2 Flywheels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
Appendix A Equations of Motion in the Configuration
and State Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
A.1 Discrete Linear Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
A.1.1 Configuration Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
A.1.2 State Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
A.1.3 FreeMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
A.1.4 ConservativeNaturalSystems . . . . . . . . . . . . . . . . 511
A.1.5 Properties of the Eigenvectors . . . . . . . . . . . . . . . . 512
A.1.6 Uncoupling of the Equations of Motion . . . . . . . . . . . 513
A.1.7 Natural Nonconservative Systems . . . . . . . . . . . . . . 515
A.1.8 Systems with Singular Mass Matrix . . . . . . . . . . . . . 518
A.1.9 Conservative Gyroscopic Systems . . . . . . . . . . . . . . 519
A.1.10 General Dynamic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
A.1.11 Closed Form Solution of the Forced Response . . . . . . . 522
A.1.12 Modal Transformation of General Linear Dynamic
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
A.2 Nonlinear Dynamic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
A.3 Lagrange Equations in the Configuration and State Space . . . . . 525
A.4 Lagrange Equations for Systems with Constraints . . . . . . . . . 528
A.4.1 Holonomic Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
A.4.2 Non-holonomic Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
xiv Contents
A.5 Hamilton Equations in the Phase Space . . . . . . . . . . . . . . . 532
A.6 Lagrange Equations in Terms of Pseudo-Coordinates . . . . . . . . 533
A.7 Motionof aRigidBody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
A.7.1 Generalized Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
A.7.2 Equations of Motion—Lagrangian Approach . . . . . . . . 538
A.7.3 Equations of Motion Using Pseudo-Coordinates . . . . . . 539
A.8 Multibody Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
Appendix B Equations of Motion for Continuous Systems . . . . . . . . 545
B.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
B.2 Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
B.2.1 General Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547
B.2.2 FlexuralVibrationsofStraightBeams . . . . . . . . . . . 548
B.2.3 Effect of Shear Deformation . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
B.3 Discretization of Continuous Systems: The FEM . . . . . . . . . . 563
B.3.1 ElementCharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
B.3.2 Timoshenko Beam Element . . . . . . . . . . . . . . . . . 566
B.3.3 Mass andSpringElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
B.3.4 AssemblingtheStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
B.3.5 ConstrainingtheStructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
B.3.6 DampingMatrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576
B.4 Reduction of the Number of Degrees of Freedom . . . . . . . . . . 577
B.4.1 Static Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
B.4.2 Guyan Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
B.4.3 Component-Mode Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585
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2015-01-30 01:18:53, 7.52 M