第1章绪论（1）
1.1机器人（1）
1.1.1工业机械臂（1）
1.1.2加拿大臂（2）
1.1.3火星探测机器人（3）
1.1.4CE3月面巡视器（5）
1.1.5机器人分类（6）
1.2空间环境与机器人的关系（7）
1.2.1天文环境与空间机器人的关系（7）
1.2.2环境与机器智能的关系（8）
1.2.3空间环境的适应性验证（9）
1.3机器智能研究的范式（10）
1.3.1机器智能的发展（10）
1.3.2机器智能的三大学派（11）
1.3.3机器智能的物质基础（15）
1.3.4智能体（20）
1.3.5机器人系统的建模与控制（21）
1.4自主行为机器人（23）
1.4.1机器人的行为系统（24）
1.4.2机器人的行为规范（26）
1.4.3自主行为机器人（27）
1.4.4自主行为机器人的体系结构（30）
1.5自主行为机器人学研究的方法论（34）
1.6本书的读者（38）
1.7本章小结（38）
本章参考文献（39）
第2章运动链符号演算系统（42）
2.1引言（42）
2.2运动链及轴链公理（42）
2.2.1机器人运动系统的组成（42）
2.2.2机器人关节（43）
2.2.3运动副（50）
2.2.4约束副（53）
2.2.5自然参考轴（54）
2.2.6典型机器人拓扑（55）
2.2.7轴链公理及有向Span树（57）
2.2.8本节贡献（60）
2.3运动链符号演算系统的数理基础（60）
2.3.1集合论基础（61）
2.3.2现代集合论与运动链符号演算（62）
2.3.3偏序集及皮亚诺的自然数集（65）
2.3.4运动链的偏序集（67）
2.3.5序的分类（68）
2.3.6成员访问操作（69）
2.3.7矢量空间（70）
2.3.8本节贡献（72）
2.4运动链拓扑空间（72）
2.4.1轴链有向Span树的形式化（72）
2.4.2运动链拓扑符号系统（74）
2.4.3运动链拓扑公理（74）
2.4.4本节贡献（75）
2.5轴链度量空间（75）
2.5.1轴链完全Span树（75）
2.5.2投影矢量及张量不变性（77）
2.5.3运动链度量规范（80）
2.5.4自然坐标系与轴不变量（82）
2.5.5自然坐标及自然关节空间（85）
2.5.6固定轴不变量与3D螺旋（86）
2.5.73D螺旋与运动对齐（88）
2.5.8DH系与DH参数（90）
2.5.9不变性与不变量（93）
2.5.10自然运动量的可控性与可测性（93）
2.5.11运动链度量公理（94）
2.5.12本节贡献（95）
2.6基于链符号的3D空间操作代数（96）
2.6.1基矢量与坐标矢量（96）
2.6.2坐标基性质（97）
2.6.3矢量积运算（99）
2.6.4方向余弦矩阵与投影（100）
2.6.5矢量的一阶螺旋（103）
2.6.6二阶张量的投影（105）
2.6.7运动链的前向迭代与逆向递归（106）
2.6.8转动矢量与螺旋矩阵（109）
2.6.9矢量的二阶螺旋（111）
2.6.10本节贡献（113）
2.7笛卡儿轴链运动学及问题（113）
2.7.1DH变换（113）
2.7.2笛卡儿轴链的逆解问题（116）
2.7.3笛卡儿轴链的偏速度问题（119）
2.7.4正交归一化问题（122）
2.7.5极性参考与线性约束求解问题（123）
2.7.6绝对求导的问题（126）
2.7.7基于轴不变量的多轴系统研究思路（127）
2.8本章小结（128）
本章参考文献（128）
第3章基于轴不变量的多轴系统正运动学（130）
3.1引言（130）
3.2本章阅读基础（130）
3.3基于轴不变量的3D矢量空间操作代数（132）
3.3.1基于轴不变量的零位轴系（132）
3.3.2基于轴不变量的镜像变换（133）
3.3.3基于轴不变量的定轴转动（135）
3.3.4轴不变量的操作性能（137）
3.3.5基于轴不变量的Cayley变换（144）
3.3.6基于轴不变量的3D矢量位姿方程（147）
3.3.7本节贡献（149）
3.4基于轴不变量的四元数演算（149）
3.4.1四维空间复数（149）
3.4.2Rodrigues四元数（153）
3.4.3欧拉四元数（155）
3.4.4欧拉四元数的链关系（158）
3.4.5位置四元数（159）
3.4.6基于四元数的转动链（161）
3.4.7本节贡献（163）
3.5基于轴不变量的3D矢量空间微分操作代数（163）
3.5.1绝对导数（163）
3.5.2基的绝对导数（166）
3.5.3加速度（168）
3.5.4旋转变换阵的二阶导数（170）
3.5.5齐次速度与齐次速度变换（170）
3.5.6本节贡献（171）
3.6基于轴不变量的欧拉四元数微分演算（171）
3.6.1欧拉四元数微分方程（171）
3.6.2四元数微分方程求解（177）
3.6.3本节贡献（178）
3.7基于轴不变量的6D运动旋量与螺旋演算（178）
3.7.16D运动旋量（178）
3.7.26D运动旋量转移矩阵（179）
3.7.36D运动螺旋（180）
3.7.4本节贡献（183）
3.8基于轴不变量的多轴系统正运动学（183）
3.8.1理想关节的固定轴不变量测量原理（183）
3.8.2理想树形正运动学计算流程（185）
3.8.3基于轴不变量的迭代式运动学计算流程（186）
3.8.4基于轴不变量的偏速度计算原理（188）
3.8.5轴不变量对时间微分的不变性（191）
3.8.6树形运动链的变分计算原理（192）
3.8.7自然坐标轴链与笛卡儿坐标轴链的关系（193）
3.8.8本节贡献（194）
3.9基于轴不变量的对偶四元数演算（195）
3.9.1双数（195）
3.9.2基于轴不变量的欧拉四元数迭代式（197）
3.9.3基于轴不变量的对偶四元数（198）
3.9.4基于轴不变量的位形对偶四元数（202）
3.9.5基于轴不变量的螺旋对偶四元数（207）
3.9.6基于对偶四元数的迭代式运动学方程（212）
3.9.7本节贡献（213）
3.10轴不变量概念的作用（214）
3.11本章小结（215）
本章参考文献（215）
第4章基于轴不变量的多轴系统逆运动学（217）
4.1引言（217）
4.2基础公式（217）
4.3居吉布斯四元数及逆运动学建模（218）
4.3.1居吉布斯四元数（218）
4.3.2类DCM（220）
4.3.3基于轴不变量的结构矢量（220）
4.3.4机械臂位姿矢量多项式系统（223）
4.3.5本节贡献（225）
4.4矢量多项式系统求解原理（225）
4.4.1单变量多项式方程求解（225）
4.4.2多重线性多项式方程求解（227）
4.4.3二阶多项式系统（229）
4.4.4基于Dixon结式的多项式方程求解（230）
4.4.5分块矩阵的高维行列式计算原理（237）
4.4.6JuGibbs四元数替换式（239）
4.4.7*优Dixon消元的必要条件（240）
4.4.8*优Dixon消元条件的存在性（241）
4.4.9本节贡献（246）
4.5轴不变量与DH参数的转换（246）
4.5.1基于固定轴不变量的DH系确定（247）
4.5.2基于固定轴不变量的DH参数确定（249）
4.5.3本节贡献（250）
4.6经典姿态逆解原理（250）
4.6.1一轴姿态逆解（250）
4.6.2CE3太阳翼姿态逆解（251）
4.6.3二轴及三轴姿态逆解（255）
4.6.4基于DH参数的CE3数传机构姿态逆解（256）
4.6.5本节贡献（260）
4.7RBR机械臂经典位置逆解原理（260）
4.7.1腕心DH参数及基本关系（261）
4.7.2基于DH参数的RBR机械臂位置逆解（262）
4.7.3基于DH参数的CE3机械臂位置逆解示例（272）
4.7.4本节贡献（276）
4.8基于轴不变量的通用机械臂逆运动学（276）
4.8.1基于轴不变量的方向逆解原理（277）
4.8.2JuGibbs四元数计算（282）
4.8.3基于类DCM的2R方向逆解（283）
4.8.4通用5R机械臂逆解（285）
4.8.5通用5R机械臂逆解定理（286）
4.8.6基于轴不变量的半通用机械臂逆解原理（293）
4.8.7基于轴不变量的BBR型机械臂逆解原理（295）
4.8.8轴不变量理论与自主行为机器人学（298）
4.8.9本节贡献（301）
4.9本章小结（302）
本章参考文献（302）
第5章基于轴不变量的巡视器运动学与行为控制（303）
5.1引言（303）
5.2基础公式（303）
5.3CE3移动系统参考与度量（305）
5.3.1移动系统参考系与结构参量（305）
5.3.2移动系统运动量、检测量及控制量（307）
5.4CE3月面巡视器牵引控制运动学（309）
5.4.1基本链节关系（310）
5.4.2基于速度协调的牵引控制逆运动学（310）
5.4.3基于速度协调的牵引控制实验（313）
5.4.4巡视器导航运动学（315）
5.4.5本节贡献（316）
5.5基于太阳敏感器、惯性单元及里程计的位姿确定（316）
5.5.1星历计算（316）
5.5.2基于重力矢量自校准的捷联惯性导航（319）
5.5.3基于重力矢量和太阳矢量的北向确定（321）
5.5.4本节贡献（324）
5.6环境建模与障碍提取（324）
5.6.1基于高速激光雷达的环境建模（324）
5.6.2基于激光雷达的有效性验证（327）
5.6.3基于规范DEM的障碍提取（328）
5.6.4本节贡献（330）
5.7CE3月面巡视器自主行为控制（330）
5.7.1巡视器自主行为智能体（330）
5.7.2标准可加模糊控制系统（334）
5.7.3标准可加模糊避障行为（338）
5.7.4巡视器自主行为控制实验（344）
5.7.5本节贡献（345）
5.8本章小结（345）
本章参考文献（346）
第6章牛顿欧拉动力学符号演算系统（347）
6.1引言（347）
6.2基础公式（347）
6.3质点动力学符号演算（348）
6.3.1力旋量（349）
6.3.2质点惯量（349）
6.3.3质点动量与能量（350）
6.3.4质点牛顿欧拉动力学符号系统（351）
6.3.5本节贡献（353）
6.4牛顿欧拉理想体动力学符号系统（353）
6.4.1理想体惯量（354）
6.4.2理想体能量（355）
6.4.3理想体线动量与牛顿方程（356）
6.4.4理想体角动量与欧拉方程（357）
6.4.5理想体的牛顿欧拉方程（358）
6.4.6理想体牛顿欧拉方程的数值计算（359）
6.4.7本节贡献（360）
6.5牛顿欧拉多体动力学符号系统（360）
6.5.1基于笛卡儿轴链的动力学系统的缺点（360）
6.5.2约束类型（363）
6.5.3基于轴不变量的约束轴控制方程（365）
6.5.4基于轴不变量的接触轴控制方程（368）
6.5.5牛顿欧拉多体系统动力学（369）
6.5.6本节贡献（369）
6.6单边约束的LCP求解（370）
6.6.1左手序枢轴操作（370）
6.6.2右手序枢轴操作（373）
6.6.3标准线性规划问题（374）
6.6.4标准线性规划问题的对偶性（375）
6.6.5*速枢轴LP规划（379）
6.6.6LCP问题（382）
6.6.7LCP补枢轴算法（383）
6.6.8本节贡献（385）
6.7轮土力学与轮式系统移动维度（386）
6.7.1Bekker轮土力学（386）
6.7.2轮土作用力的矢量模型及维度（390）
6.7.3轮式多轴系统移动维度的判别（392）
6.7.4本节贡献（393）
6.8基于牛顿欧拉方程的CE3月面巡视器实时动力学系统（393）
6.8.1CE3月面巡视器实时动力学系统的组成（393）
6.8.2CE3月面巡视器实时动力学系统的应用（394）
6.8.3本节贡献（399）
6.9本章小结（399）
本章参考文献（400）
第7章基于轴不变量的多轴系统动力学与控制（401）
7.1引言（401）
7.2基础公式（401）
7.3多轴系统的拉格朗日方程及凯恩方程（404）
7.3.1多轴系统的拉格朗日方程推导与应用（404）
7.3.2多轴系统的凯恩方程推导与应用（409）
7.3.3多体分析动力学研究的局限性（414）
7.3.4本节贡献（414）
7.4JuKane动力学预备定理（415）
7.4.1基于轴不变量的正反向迭代（415）
7.4.2JuKane动力学预备定理证明（420）
7.4.3JuKane动力学预备定理应用（423）
7.4.4本节贡献（427）
7.5树链刚体系统JuKane动力学显式模型（427）
7.5.1外力反向迭代（427）
7.5.2共轴驱动力反向迭代（429）
7.5.3树链刚体系统JuKane动力学显式模型（430）
7.5.4树链刚体系统JuKane动力学建模示例（432）
7.5.5本节贡献（435）
7.6树链刚体系统JuKane动力学规范方程（436）
7.6.1运动链的规范方程（436）
7.6.2闭子树的规范方程（440）
7.6.3树链刚体系统JuKane动力学规范方程（441）
7.6.4树链刚体系统JuKane动力学规范方程应用（445）
7.6.5本节贡献（450）
7.7树链刚体系统JuKane动力学规范方程求解（451）
7.7.1轴链刚体广义惯性矩阵（451）
7.7.2轴链刚体广义惯性矩阵特点（452）
7.7.3轴链刚体系统广义惯性矩阵（454）
7.7.4树链刚体系统JuKane动力学方程正解（455）
7.7.5树链刚体系统JuKane动力学方程逆解（456）
7.7.6本节贡献（457）
7.8闭链刚体系统的JuKane动力学符号模型（457）
7.8.1闭链刚体系统的JuKane动力学方程（457）
7.8.2基于轴不变量的约束力求解（460）
7.8.3广义内摩擦力及黏滞力计算（461）
7.8.4闭链刚体非理想约束系统的JuKane动力学显式模型（461）
7.8.5本节贡献（462）
7.9动基座刚体系统的JuKane动力学规范方程（463）
7.9.1动基座刚体系统的JuKane动力学方程（463）
7.9.2基于JuKane动力学方程的10轴三轮移动系统动力学建模及逆解（465）
7.9.3基于JuKane动力学方程的20轴巡视器移动系统动力学建模及逆解（467）
7.9.4本节贡献（472）
7.10基于轴不变量的多轴系统力位控制（472）
7.10.1多轴刚体系统动力学方程的结构（473）
7.10.2基于线性化补偿器的多轴系统跟踪控制（474）
7.10.3基于逆模补偿器的多轴系统力位控制（475）
7.10.4基于模糊变结构的多轴系统力位控制（476）
7.10.5多轴系统力位控制示例（483）
7.10.6本节贡献（486）
7.11本章小结（487）
本章参考文献（487）