自由漂浮机器人是一种基座不受固定约束的空间机器人系统，其核心原理基于动量守恒和非完整约束特性，主要特点及原理如下：
1. 基本定义与工作模式
定义：自由漂浮机器人由机械臂和自由移动的基座（如航天器平台）组成，基座位置和姿态不受主动控制，仅受机械臂运动的耦合影响。
工作模式：分为自由漂浮（基座位姿均不受控）、自由飞行（基座姿态受控）、基座位姿固定及机动状态四种。
2. 动力学与运动学特性
动量守恒：系统在无外力作用下满足线动量和角动量守恒，机械臂运动会导致基座姿态变化，形成动力学耦合。
非完整约束：因动量守恒，基座姿态与关节运动历史相关，无法通过位置级运动学直接描述，需依赖速度级建模。
广义雅可比矩阵：包含动力学参数的雅可比矩阵，用于描述末端速度与关节角速度的关系，其推导需结合系统质量分布。
3. 建模方法
运动学建模：
正向运动学：通过Whitney矢量积法或螺旋理论，计算末端速度与角速度。
逆向运动学：采用阻尼最小二乘法或数值迭代法，解决因非完整约束导致的逆解复杂性。
动力学建模：
牛顿-欧拉法：基于刚体动力学分析各连杆受力与力矩。
拉格朗日法：通过系统动能与势能建立方程，适用于多自由度系统。
4. 控制与规划挑战
路径规划：需避免动力学奇异（即雅可比矩阵秩缺失），常用方法包括五次多项式轨迹规划或遗传算法。
柔顺控制：通过阻抗/导纳控制实现与环境的安全交互，适应接触丰富的任务场景。
无逆运动学规划：如GB-RRT算法，直接考虑微分约束，避免传统逆运动学的连通域问题。
5. 典型应用与工具
仿真工具：如MATLAB的Spacedyn工具箱，支持自由漂浮机器人的动力学分析与数值仿真。
空间任务：包括在轨捕获、维修等，需兼顾末端位姿精度与基座扰动最小化。
示例模型参数（6自由度空间机器人）
| 部件 | Mass(kg) | 惯性参数 (kg·m²) |
||-||
| 基座 | | I=30, Iyy=... |
| 机械臂连杆 | 2-6 | 详见具体质量分布 |
自由漂浮机器人的研究重点在于解决动力学耦合与非完整约束带来的控制难题，其模型原理为空间机器人技术提供了理论基础。
