An Introduction to Space Robotics (Springer Praxis Books / Astronomy and Planetary Sciences) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Alex Ellery

出品人:

页数:663

译者:

出版时间:2000-09-15

价格:USD 192.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9781852331641

丛书系列:

图书标签:

• Space Robotics
• Robotics
• Space Exploration
• Astronomy
• Planetary Science
• Automation
• Engineering
• Artificial Intelligence
• Space Systems
• Springer

星辰大海的征途：一部关于探索与创新的机器人学史诗 自古以来，人类便怀揣着仰望星空的梦想，渴望触及那片神秘而浩瀚的宇宙。从最初简陋的望远镜窥探月相，到如今庞大而精密的探测器在遥远星系间漫游，我们探索宇宙的脚步从未停止。然而，人类自身的生理极限，以及宇宙环境的严酷与未知，使得直接的载人探索并非总是可行抑或最优选。正是在这样的背景下，机器人学，这门融合了机械、电子、计算机科学与工程学的尖端技术，成为了我们延伸触角、深入宇宙、揭示奥秘的强大工具。 本书并非简单罗列太空探索中的机器人型号或技术参数，而是旨在勾勒出一幅宏伟的图景：它追溯了太空机器人技术萌芽、发展、演进的整个波澜壮阔的历史，深入剖析了驱动这些技术进步的科学原理与工程挑战，并展望了它们在未来太空探索和资源利用中扮演的决定性角色。 这是一部关于人类智慧如何克服重重困难，通过智能机械臂、敏锐的传感器、自主决策的系统，在真空、辐射、极端温度的宇宙环境中，完成前人无法想象的任务的史诗。 追溯起源：从科幻的憧憬到现实的萌芽 太空探索的早期，当火箭技术刚刚崭露头角，将探测器送入轨道成为可能时，人们便开始畅想：如果能让机器代替人类在太空中执行任务，那将是何等伟大的成就？这种科幻的憧憬，逐渐在科学家的脑海中播下了种子。早期的太空任务，尽管尚不能称之为真正意义上的“机器人”，但它们已经蕴含了自动化的思想。例如，卫星的轨道维持系统、简单的遥测指令接收与执行，都标志着对非人工干预的初步探索。 真正意义上的太空机器人技术的萌芽，可以追溯到上世纪中叶，随着电子计算机和控制理论的发展。上世纪六十年代，苏联和美国纷纷推出了早期月球探测器，它们能够实现基本的自主导航、着陆，并进行初步的科学探测。这些里程碑式的成就，证明了机器人技术在太空环境下的可行性，并极大地激发了后续的研究热情。 发展的驱动力：科学发现的需求与工程技术的突破 太空机器人技术的蓬勃发展，与人类对宇宙深层奥秘的渴望以及工程技术的飞跃式进步密不可分。 一、科学发现的驱动： 行星科学的黎明： 当我们开始将目光投向月球以外的行星时，巨大的距离和严酷的环境成为载人探索难以逾越的障碍。无论是火星的宜居性探索，还是金星的极高温度和压力，亦或是木星和土星及其卫星的遥远冰冷，都催生了对能够自主行驶、钻探、采样、并携带先进科学仪器的探测器的迫切需求。从“水手”号系列到“旅行者”号，再到“好奇号”、“毅力号”等火星车，每一代探测器都承载着更宏大的科学目标：寻找生命迹象、解析行星地质历史、研究大气成分、甚至为未来载人登陆铺平道路。 宇宙观测的深化： 望远镜不再局限于地面。哈勃空间望远镜的成功发射，证明了在地球大气层之外进行观测的巨大优势。而后续的詹姆斯·韦伯空间望远镜等，更是将人类的目光推向了宇宙的更早期、更遥远的角落。这些庞大的太空天文台，本身就是复杂的机器人系统，它们需要精确的指向、稳定的姿态控制、以及对环境变化的适应能力，以确保捕捉到来自宇宙深处最微弱的光线。 近地空间的应用： 随着空间站的建设和运行，以及日益增多的通信、导航、遥感卫星，对在轨服务、维修、以及空间碎片清理的需求也日益显现。这就需要具备精确抓取、对接、操作能力的轨道机器人，以降低载人风险，提高空间资产的利用率和寿命。 二、工程技术的突破： 计算能力与人工智能： 摩尔定律的不断演进，使得小型化、高性能的计算单元得以集成到探测器中。这为复杂算法的运行，如自主导航、路径规划、目标识别、甚至初步的机器学习和模式识别提供了可能。早期探测器主要依赖地面指令，而现代火星车则拥有相当程度的自主性，能够规避障碍，选择科学目标，并优化探测路径，极大地提高了探测效率。 传感器技术的进步： 高分辨率相机、多光谱成像仪、激光雷达、质谱仪、磁力计等各类先进传感器的发展，使得探测器能够“看”、“听”、“感知”周围的环境，并收集大量宝贵数据。这些传感器不仅是探测器“眼睛”和“耳朵”，更是它们进行科学分析的关键工具。 材料科学与能源技术： 适应极端温度、高强度辐射、真空环境的先进材料，以及高效、可靠的能源供应系统（如太阳能电池板、放射性同位素热电发生器），是太空机器人得以在恶劣环境中长期稳定工作的物质基础。 推进与导航控制技术： 精确的轨道计算、高效的推进系统、以及姿态控制技术，确保了探测器能够准确地抵达目的地，并在太空中保持稳定的运行状态。 关键的机器人子系统：智能化的核心 太空机器人并非一个独立的实体，而是由多个相互协作的子系统构成，共同完成复杂任务： 感知系统（Sensing）： 这是机器人理解外部环境的关键。它包括各类相机（可见光、红外、紫外）、光谱仪（用于分析物质成分）、雷达（用于测距和地形测绘）、激光雷达（Lidar，用于三维环境感知）、惯性测量单元（IMU，用于姿态和速度测量）等。这些传感器提供的数据，构成了机器人决策的基础。 导航与定位系统（Navigation and Localization）： 在未知且广阔的太空中，机器人需要知道自己身在何处，以及如何到达目标地点。这依赖于星敏感器、太阳敏感器、陀螺仪、加速度计，以及利用地面控制中心发来的信号（如深空网络）进行三角定位。对于火星车等移动机器人，还需要结合视觉里程计（Visual Odometry）和SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）技术，在未知环境中构建地图并实时确定自身位置。 决策与控制系统（Decision Making and Control）： 这是机器人的“大脑”。它接收来自感知和导航系统的信息，并根据预设的算法和目标，做出相应的决策。这包括路径规划、避障、目标选择、任务调度等。现代太空机器人正在朝着更高的自主性发展，能够在一定程度上独立处理突发情况，无需地面干预。 动力与执行系统（Actuation and Mobility）： 这指的是机器人完成物理任务的“肢体”。对于移动机器人，包括轮式（如火星车）或履带式底盘，以及相应的驱动电机。对于轨道机器人或空间站上的机械臂，则包括高精度的关节、伺服电机、以及末端执行器（如抓手、钻头、切割工具）。 通信系统（Communication）： 与地面控制中心保持联系是至关重要的。太空机器人需要能够发送收集到的数据，接收来自地面的指令，并报告自身状态。由于距离遥远，信号传输存在延迟，这进一步强调了机器人自主性的重要性。 太空机器人的未来：从探索到利用，从近地到深空 展望未来，太空机器人技术的发展将更加迅猛，并将在多个方面产生深远影响： 更智能、更自主的探测器： 随着人工智能和机器学习的进一步发展，未来的太空机器人将拥有更强的自主学习、推理和决策能力。它们能够更有效地识别潜在的生命迹象，更智能地选择科学探测目标，甚至能够自主进行简单的科学实验和数据分析。 太空资源的原位利用（ISRU）： 在月球和火星上开采水冰、金属矿物，甚至利用当地材料进行3D打印建造居住设施，将是未来太空探索的关键。这需要高度自主的采矿机器人、运输机器人和建造机器人。 轨道服务与维护： 随着太空活动的日益频繁，对卫星的在轨维修、燃料加注、碎片清理的需求将愈发迫切。具备精细操作能力的轨道服务机器人将成为太空经济的重要组成部分。 深空探索的新篇章： 探测更遥远的星系、系外行星，研究黑洞、中子星等极端天体，将依赖于更先进、更耐用的深空探测机器人。它们可能具备更强的自我修复能力，或能够协同工作，形成“机器人舰队”完成复杂任务。 载人航天的有力支撑： 机器人将成为载人航天任务不可或缺的助手，负责前期的勘探、基地的建设、以及在危险环境下的外部作业，从而大大提高载人任务的安全性与效率。 结语 太空机器人技术的发展，是人类求知欲与创造力相结合的结晶。它不仅仅是冰冷的机器，更是人类智慧的延伸，是我们跨越星辰大海、探索未知宇宙的忠实伙伴。这部关于太空机器人学的探索史，也是一部关于人类如何不断突破自我、挑战极限，最终将梦想变为现实的壮丽篇章。它激励着我们继续前行，去揭示宇宙的更多秘密，去拓展人类生存和发展的空间，去书写更加辉煌的未来。

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这本书的封面设计实在是引人注目，那种深邃的宇宙背景配上精致的机械臂图像，让人一眼就能感受到它蕴含的专业性和探索精神。我记得我拿到这本书的时候，立刻就被它的排版吸引了。Springer的出品果然在细节上毫不含糊，纸张的质感很棒，印刷清晰锐利，即便是那些复杂的工程图示和数学公式，也看得一清二楚，这对于一本涉及高深技术的书籍来说至关重要。翻开第一页，作者的序言就奠定了一种严谨而又充满热情的基调，仿佛邀请读者一同踏入一个充满挑战与机遇的领域。整本书的装帧给人一种“值得收藏”的感觉，无论是放在书架上还是在阅读时翻阅，都非常赏心悦目。我特别喜欢它在章节开头的那些小引言，往往用一个充满哲思的问题来引入接下来的技术讨论，这种设计让冰冷的技术内容瞬间变得有温度、有深度，让人不禁停下来思考，这不仅仅是一本教科书，更像是一次思想的启蒙之旅。

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最近我一直在对比几本关于深空探测器设计思路的书籍，它们大多聚焦于任务目标和载荷配置，但在“如何让机器人在异星表面稳定且高效地完成任务”这一核心工程问题上，往往只是蜻蜓点水。我特别关注机器人末端执行器（End-Effector）的设计哲学，特别是针对月球或火星表面复杂岩石样本采集的抓取策略和力反馈机制。一本优秀的参考书应该能够详细阐述不同抓取力矩分配算法的优劣，以及在低重力、高尘环境下，如何通过优化运动轨迹来最小化能耗并避免污染敏感部件。我正在寻找能够提供具体数学模型和仿真参数的章节，这样我才能将书中的理论知识转化为可以验证的设计方案。如果它能进一步探讨如何利用机器学习技术来优化机器人在未知地形上的路径规划，那将是巨大的加分项，因为手动编程在探索任务中效率太低了，自主性是未来的关键。

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作为一名对航天工程充满热情的业余爱好者，我购买技术书籍时最担心的就是内容过于学术化，充满了只有专业研究人员才能理解的行话和假设前提。我希望找到的读物，能够巧妙地平衡工程实践的实用性和学术研究的前沿性。理想情况下，它应该能用清晰直白的语言来解释那些复杂的传感器融合技术，比如如何将视觉信息与惯性测量单元的数据有效地结合起来，以实现对机械臂在零重力环境下的精确感知和操作。此外，对于新兴的在轨服务和碎片清除任务中机器人自主决策的讨论，我非常感兴趣。我希望这本书能提供一些关于故障诊断和容错控制的初步框架，而不是仅仅停留在理想工作条件的描述上。毕竟，太空环境是残酷的，机器人的可靠性是第一生命线，所以那些关于冗余设计和鲁棒性的章节，对我来说价值千金，能帮助我建立一个更全面的系统思维。

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我最近在学习空间任务规划的算法，手边正好缺一本能够系统梳理机器人动力学和控制理论基础的参考书。我希望找到一本不仅能讲清楚“怎么做”，还能深入剖析“为什么这么做”的书籍。市面上很多同类著作往往过于侧重某一方面，要么是纯理论的数学推导堆砌，读起来枯燥乏味，让人望而却步；要么就是应用案例陈旧，跟不上最新的技术发展。我期望的理想状态是，能有一本教材能像搭积木一样，从最基本的刚体运动学开始，层层递进地搭建起复杂的姿态控制和轨道机动模型。这本书的篇幅和结构看起来就非常扎实，从目录来看，它似乎涵盖了从基础的建模到高阶的自主导航所需的核心知识模块，这正是我目前学习路径上的关键缺失部分。我特别看重它是否能对非线性控制在机器人领域中的具体应用给出详细的案例分析，因为理论在实际操作中常常会遇到意想不到的复杂性，而一本好的教材应该能提前预见并提供解决方案的思路。

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我最近在组织一个关于未来空间站维护机器人研讨会的材料，需要一些关于人机协作（Human-Robot Interaction, HRI）在微重力环境下特殊挑战的深入见解。传统工业机器人的HRI研究多基于地面环境的视觉和触觉反馈，但在失重状态下，宇航员的物理交互方式会发生根本性变化，比如力的传递和意图的表达都更依赖于辅助工具和通讯协议。因此，我希望这本书能够探讨一些前沿的、针对空间场景定制的HRI模型，比如如何设计直观的头戴式显示（HUD）提示系统来指导宇航员对机器人进行远程或近距离的干预和协作。我期待看到关于安全边界设置的讨论，确保在紧急情况下，宇航员能够迅速接管控制权，同时又不至于因为误操作造成设备损坏。如果书中能引用一些关于空间站内虚拟现实辅助操作的案例研究，那就完美了，这能极大地丰富我们的研讨内容，提供超越传统手册指导的新视角。

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