空间几何所有证明题及空间机器人的研究现状和发展趋势

空间机器人空间几何证明A1ED1C1BA1ED1C1B1DCBA求证：平面。2、已知中,面,,求证：面．3、正方体中，求证：（1）；4、正方体ABCD—A1B1C1D1中．(1)求证：平面A1BD∥平面B1D1C；AA1AB1BC1CD1DGEF5、如图，在正方体中，、、分别是、、的中点.求证：平面∥平面.6、如图，在正方体中，是的中点.（1）求证：平面；（2）求证：平面平面.7、如图，在四棱锥中，底面是且边长为的菱形，侧面是等边三角形，且平面垂直于底面．（1）若为的中点，求证：平面；3.证明：连接交于，连接，∵为的中点，为的中点∴为三角形的中位线∴又在平面内，在平面外∴平面。考点：线面平行的判定4.证明：°又面面又面考点：线面垂直的判定5.证明：（1）连结，设，连结∵是正方体是平行四边形∴A1C1∥AC且又分别是的中点，∴O1C1∥AO且是平行四边形面，面∴C1O∥面（2）面又，同理可证，又面考点：线面平行的判定（利用平行四边形），线面垂直的判定考点：线面垂直的判定7.证明：(1)由B1B∥DD1，得四边形BB1D1D是平行四边形，∴B1D1∥BD， 又BD平面B1D1C，B1D1平面B1D1C， ∴BD∥平面B1D1C． 同理A1D∥平面B1D1C． 而A1D∩BD＝D，∴平面A1BD∥平面B1CD．(2)由BD∥B1D1，得BD∥平面EB1D1．取BB1中点G，∴AE∥B1G． 从而得B1E∥AG，同理GF∥AD．∴AG∥DF．∴B1E∥DF．∴DF∥平面EB1D1．∴平面EB1D1∥平面FBD．考点：线面平行的判定（利用平行四边形）9.证明：（1）取的中点，连结，∵是的中点，∴，∵平面，∴平面∴是在平面内的射影，取的中点，连结，∵∴，又，∴[来源:学§科§网] ∴，∴，由三垂线定理得 （2）∵，∴，∴，∵平面.∴，且，∴考点：三垂线定理10.证明：∵、分别是、的中点，∥又平面，平面∥平面∵四边形为平行四边形，∥又平面，平面∥平面，平面∥平面考点：线面平行的判定（利用三角形中位线）证明：（1）设，∵、分别是、的中点，∥又平面，平面，∥平面（2）∵平面，平面，又，，平面，平面，平面平面考点：线面平行的判定（利用三角形中位线），面面垂直的判定12.证明：在中，，∵平面，平面，又，平面（2）为与平面所成的角在，，在中，在中，，考点：线面垂直的判定,构造直角三角形13.证明：（1）为等边三角形且为的中点，又平面平面，平面（2）是等边三角形且为的中点，且，，平面，平面，（3）由，∥，又，∥，为二面角的平面角在中，，考点：线面垂直的判定,构造直角三角形,面面垂直的性质定理，二面角的求法（定义法）14.证明：取AB的中点Ｆ，连结CF，DF．∵，∴．∵，∴．又，∴平面CDF．∵平面CDF，∴．又，，∴平面ABE，．∵，，，∴平面BCD．考点：线面垂直的判定《机器人技术基础》课程论文空间机器人的研究现状和发展趋势学生姓名XXX学生班级材控学生学号U201111xxx手机号码xxxxxxxxxxxxx华中科技大学材料科学与工程学院

空间机器人的研究现状和发展趋势（华中科技大学材料科学与工程学院武汉）摘要：空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。由于空间机器人的重要作用，可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。按照用途的不同，空间机器人可以分为舱内／舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。本文结合最新文献对各类对空间机器人的在国际上最新的研究状况进行了详细的分析与介绍，并进行了国内外空间机器人发展的横向对比。鉴于空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段，我国在空间机器人方面的研究亟需奋起直追。文章最后，结合空间机器人现今各研究方向的最新研究情况，对其发展趋势做出了总结和展望。关键词：空间机器人；舱内／舱外服务机器人；自由飞行机器人；星球探测机器人1引言（introduction）随着人类对于空间的不断探索，宇航科学与技术这一研究领域变得日益重要。空间探索已经不再仅仅是具有国家荣誉的象征，它已经成为设计科学发展、未来资源乃至国家安全的重大问题。尽管载人航天活动已经有几十年的发展历史，但对于人类来说，太空的高辐射、高真空、极端温度和微重力等危险环境因素仍是太空探索的技术难点。目前，在进行舱外作业时，宇航员必须穿上价格昂贵且厚重的宇航服。与人类宇航员相比，空间机器人在轨作业系统具有多方面的优越性：它不需要复杂的生命支持系统；适应空间环境；可以长时间工作；可以降低成本；提高空间探索的效率。空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。由于空间机器人的重要作用，美国、日本、加拿大、德国等发达国家都在大力度支持不同用途空间机器人的研究。可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。我国空间技术在快速发展，仅2010年就发射了近20颗卫星。陆续发射了“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”宇宙飞船，并进行了无人交会对接。下一步还将发射“天宫二号”，并争取在2020年建立长期有人居住空间站。为了实现这个空间战略目标，目前我国正加紧空间机器人的研究计划，这些研究计划的成功实施对进一步发展太空科技，提升战略地位具有十分重要的意义。空间机器人的研究涉及机械学、电子学、力学等多种学科和技术，研究主题很多。本文仅仅综述一下各类空间机器人的研究现状，并结合国内外最新研究成果，对空间机器人的发展趋势进行了预测。2空间机器人的研究现状（ResearchstatusofSpaceRobot）2.1空间机器人的起源机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。在几千年人类智慧沉淀之后的今天，机器人几经进入了全新的时代：随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。图SEQ图表\*ARABIC1图SEQ图表\*ARABIC1空间机器人系统2.2空间机器人的分类根据不同的划分标准和原则，空间机器人有多种分类方法。其中，按照用途的不同，空间机器人可以分为舱内／舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。下面将依次介绍这几种行星探测机器人的研究状况。2.2.1舱内／舱外服务机器人(Intravehicular/ExtravehiculaRobot)作为空间站舱内使用的机器人，舱内服务机器人主要用来协助航天员进行舱内科学实验以及空间站的维护。舱内服务机器人可以降低科学实验载荷对航天员的依赖性，在航天员不在场或不参与的情况下也能对科学实验载荷进行照管。舱内服务机器人要求质量轻、体积小，且具有足够的灵活性和操作能力。作为空间站（或者航天飞机）舱外使用的机器人，舱外服务机器人（如图2所示）主要用来提供空间在轨服务，包括小型卫星的维护、空间装配、加工和科学实验等。空间环境是非常恶劣的，如强辐射、高温差和超真空等，这些因素给人类宇航员在太空的生存和活动带来很大的影响和威胁；同时出舱作业的费用是相当昂贵的。因此，舱外服务机器人的研究和实验图SEQ图表\*ARABIC2图SEQ图表\*ARABIC2舱外服务机器人1．加拿的空间遥操作机器人系统图SEQ图表\*ARABIC3SRMS系统图SEQ图表\*ARABIC3SRMS系统图SEQ图表\*ARABIC4MSS系统加拿大耗资10亿美元研制的空间站移动服务系统(MobileServicingSystem,MSS)，如图4所示。MSS由3部分组成：长17m的7自由度机械臂系统(SpaceStation，sRemoteManipulatorSystem,SSRMS)、专用的灵巧机械手(SpecialPurposeDexterousManipulator,SPDM)和移动平台系统(MobileBaseSystem,MBS)。在遥操作图SEQ图表\*ARABIC4MSS系统2．德国航宇中心的ROTEX实验德国宇航中心(DLR)研制的基于多传感器的小型空间机器人系统(ROTEX)如图5所示，是世界上第一个实现地面遥操作的舱内空间机器人实验系统，其主要目标是验证大时延条件下的地一空遥操作。ROTEX系统具有六自由度，可达工作空间为1m3。ROTEX系统的主要特点是具有多种感知功能：在机械臂末端有刚性和柔性六维力／力矩传感器各1个，同时还具有触觉传感器、9个激光测距传感器和1对微型立体摄像机。图SEQ图表\*ARABIC图SEQ图表\*ARABIC5ROTEX系统3．DLR和NASA的机器人宇航员机器人宇航员的概念最早是由DLR在1997年提出的。当时的背景是：一颗刚刚发射的卫星TV-SAT-I在进入轨道后，其太阳能电池板不能自动打开，而卫星所在的轨道是载人航天无法到达的轨道。因此，DLR提出在移动卫星上安装两个轻型机器人手臂、两个多指灵巧手及一对摄像机组成机器人宇航员，去接近、捕获和维修故障卫星。DLR第三代轻型臂采用全模块化的设计思想。整个臂的质量为13~14kg，负荷约10kg，功耗小于100w，长约1.2m，最大关节速度约180°/s。它具有七自由度，采用易于折叠的反对称构型，球形腕关节使机器人具有高度的灵活性。驱动系统采用优化设计的高性能ROBODrive电机，其质量和功耗只相当于普通商业电机的一半。图SEQ图表\*ARABIC6ROKVISS系统图SEQ图表\*ARABIC6ROKVISS系统自1993年，NASA开展了空间遥机器人的大型研究计划，该计划将空间遥机器人分为3个主要的应用领域：在轨装配与维修；科学负载服务和星球表面探测。目前研究工作主要集中在在轨装配维修机器人和星球表面探测机器人两个方面。在NASA的计划中明确提出，采用虚拟现实的人机接口技术和大时延遥操作技术是空间要机器人的关键技术。图SEQ图表\*ARABIC7Robonaut计划图SEQ图表\*ARABIC7Robonaut计划2.2.2自由飞行机器人(FreeFlyingSpaceRobot,FFSR)图SEQ图表\*ARABIC8自由飞行机器人自由飞行机器人图SEQ图表\*ARABIC8自由飞行机器人1．美国DARPA的“轨道快车”项目图SEQ图表\*ARABIC9图SEQ图表\*ARABIC9轨道快车概念“轨道快车”项目包括一颗用于在轨服务的ASTRO卫星和一颗名为NextSat的客户卫星。ASTRO卫星上配备机械臂和对接机构，用于捕捉和维护客户卫星。这个机械臂由已成功开发SRMS和SSRMS的加拿大MDA机器人公司负责开发，长3m。2007年3月，美国把ASTRO和NextSat发射到轨道上并进行了相关试验。在试验中，ASTRO首先接近NextSat卫星到10~20cm的距离；然后ASTRO上的对接机构与NextSat卫星上的相应对接装置进行连接。随着“软捕获”的实现，ASTRO的对接机构把NextSat拉到锁紧螺栓上，使后者处于被锁紧的状态，以便对电路和流体管路的接头进行连接；同时ASTRO将接管NextSat的姿态控制功能。ASTRO还验证了另外一种对接方法——采用机械臂进行初始捕获。机械臂末端手爪“柔和”地抓住NextSat，然后把这颗卫星拉到对接机构的操作范围之内，由该对接机构对两颗卫星进行最后的连接。两颗卫星一旦对接成功，ASTRO就可以通过流体管路将燃料输送给NextSat，ASTRO上的机械臂可以把自身携带的轨道替换单元转移到NextSat上。采用机械臂实现捕获的一个优点是可以从几米远的地方抓住客户卫星，并缓慢地将其导人到“捕获通道”中。如果不采用机械臂进行初始对接，服务卫星的推进器必须点火以到达指定的对接位置，然而推进剂产生的气体可能污染客户卫星上的灵敏仪器。另一优点是服务卫星可以采用并列飞行的方式进行捕获，没有必要如对接机构捕获一样，把自身置于客户卫星可能发生碰撞的航向上。如果在捕获过程中发生故障，服务卫星将无碰撞地飞过客户卫星。2．日本的ETS—Ⅶ卫星图SEQ图表\*ARABIC10ETS-VII图SEQ图表\*ARABIC10ETS-VII系统ETS—Ⅶ的机械臂有6个自由度．长约2m．质量约150kg。每一个关节由直流无刷电机和谐波齿轮进行驱动，电机的旋转角度通过旋转变压器测量得到，手臂的末端定位精度为1.3mm，移动速度为50mm/s，负载能力超过40N。机械臂的末端手爪上安装有一对立体摄像机，机械臂的第一个关节处装有一个监视摄像机。ETS-Ⅶ的操作模式有两种：基于3D图形预测仿真的遥操作模式和遥编程模式。为了克服大时延对遥操作性能的影响，在ETS—Ⅶ机器人实验中采用了多项技术解决大时延问题。建立了基于模型的遥操作系统，该系统采用混合的力／位置策略控制机械臂的期望力和期望位置。基于此系统，对安装在ETS—Ⅶ上的机械臂进行地面遥操作，成功实现了销孔装配等实验。3．英国卫星服务系统图SEQ图表\*ARABIC图SEQ图表\*ARABIC11在轨卫星修复系统对地静止卫星通常装备远地点控制发动机，它的连接基座具有很高的结构强度。该抓取方法的原理是：对接机构探针深深地插入到锥形喷口中，然后在发动机燃烧室内展开，从而在内部实现抓取。但是在探针插入的过程中，有可能发生碰撞，致使卫星远离抓取操作器。为了防止这种情况发生，提出了一种基于图像的控制方法，防止探针在插入过程中与锥形喷口发生接触。根据英国轨道修复公司的统计，与通信卫星相关的费用包括成本费用、发射费用、保险费用和操作费用，一总费用超过2亿5千万美金，而卫星每年产生的回报将超过5千万美金．如果采用ConeXpressORS对远程通信卫星进行燃料补给，可以使通信卫星的寿命延长10年或更多。ConeXpressORS还具有卫星的结构，易于由火箭发射。由于它与远程通信卫星的对接接口选择了远地点控制发动机的锥形喷口，因此它适用于目前所有的远程通信卫星。英国轨道修复公司已经选定了大约50颗远程通信卫星作为延长其寿命的目标。2.2.3星球探测机器人(PlanetaryExplorationRobot)图SEQ图表\*ARABIC12星球探测机器人星球探测机器人图SEQ图表\*ARABIC12星球探测机器人1997年，美国发射了火星探路者，其中载有火星漫游机器人索杰纳(Sojourner)。索杰纳质量为11.5kg，外形尺寸为60cm×40cm×35cm，最大速度为0.01m/s。它携带的科学仪器有：①成像仪，含有24个滤光片，对可见光到近红外光的辐射都敏感；②仅粒子X射线分光仪，用仪粒子轰击探测目标，分析反射的x射线光谱，从而获知目标的化学成分；③一套气象仪器，用于研究火星的大气。该机器入主要用于科学实验，验证导航和运动性能。操作方式为遥操作模式和半自主模式。在遥操作模式下，索遥操作模式和半自主模式。在遥操作模式下，索杰纳接收地面控制人员的控制命令序列，在每个命令周期执行一个命令。2003年，美国NASA发射了火星探测漫游者勇气号(MarsRoverSpirit,MARS)，如图所示。勇气号长1.6m，重174kg。所携带的计算机每秒能执行约2000万条指令。火星可伸出一个桅杆式结构，并具有可拍摄火星表面彩色照片的全景照相机，不断向地面控铺发回火星岩石、土壤和大气的信息并拍摄大量图片。在火星车上装有一个机械臂，称为大，位系统(InstrumentPositioningSystem,IPS)。该机械臂有5个自由度（肩部2个，肘部1个，腕部2个），重量约4kg，负载能力为2kg。在机械臂的末端安装有一个相当锤子的工具，能在火星岩石上打出直径45mm、深5mm的洞，从而为研究岩石的内部结成分提供了条件。MARS具有自主导航功能，可以自行躲避障碍物。日本空间局计划向月球发射的无人探测器包括轨道器、着陆器和漫游者。安装在月球漫游车Micro5上面的微型机械臂有5个自由度，每个关节由超声电机驱动。该机械臂安装展望镜和取样工具，并且可以操作仪器设备。2.3我国空间机器人的研究概况图SEQ图表\*ARABIC13中国EMR空间机器人我国的空间机器人的研究起步较晚，国内的一些研究所和高校，在“八五”期间进行了空间机器人基础项目以及地面仿真平台的研制工作。国家高技术领域演示项目——“图SEQ图表\*ARABIC13中国EMR空间机器人空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段。随着我国空间实验室“天宫二号”目标飞行器提上日程，大型空间机械臂研制也在加快进行。通过参考国外成熟的技术和发展经验，发展具有自己空间特色的机器人技术无疑将产生巨大的经济及社会效益。3空间机器人发展趋势(DevelopmentdirectionsofSpaceRobot)综观国际空间机器人领域的发展现状，空间机器人呈现出以下几个发展趋势:(1)空间机器人由舱内作业(ROTEX)走向舱外服务(ETS—Ⅶ)。(2)空间机