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引言1

第1篇 机器人学基础8

第1章 运动学8

1.1 概述8

1.2 位置与姿态表示8

1.3 关节运动学16

1.4 几何表示20

1.5 工作空间21

1.6 正向运动学21

1.7 逆向运动学23

1.8 正向微分运动学24

1.9 逆向微分运动学25

1.10 静力变换25

1.11 结论与扩展阅读25

参考文献26

第2章 动力学28

2.1 概述29

2.2 空间矢量记法30

2.3 正则方程35

2.4 刚体系统动力学模型36

2.5 运动树40

2.6 运动环46

2.7 结论与扩展阅读49

参考文献51

第3章 机构与驱动54

3.1 概述54

3.2 系统特征55

3.3 运动学与动力学56

3.4 串联机器人58

3.5 并联机器人59

3.6 机械结构61

3.7 关节机构62

3.8 机器人的性能67

3.9 结论与扩展阅读68

参考文献69

第4章 传感与估计71

4.1 感知过程72

4.2 传感器73

4.3 估计过程76

4.4 表示方法85

4.5 结论与扩展阅读86

参考文献87

第5章 运动规划89

5.1 运动规划的概念89

5.2 基于抽样的规划91

5.3 替代算法93

5.4 微分约束96

5.5 扩展与变化99

5.6 高级问题101

5.7 结论与扩展阅读104

参考文献104

第6章 运动控制108

6.1 运动控制简介109

6.2 关节空间与操作空间控制110

6.3 独立关节控制111

6.4 PID控制112

6.5 跟踪控制114

6.6 计算转矩控制116

6.7 自适应控制119

6.8 最优和鲁棒控制121

6.9 数字化实现124

6.10 学习控制126

参考文献127

第7章 力控制130

7.1 背景130

7.2 间接力控制132

7.3 交互作业137

7.4 力／运动混合控制142

7.5 结论与扩展阅读146

参考文献147

第8章 机器人体系结构与程序设计150

8.1 概述150

8.2 发展历程151

8.3 体系结构组件155

8.4 案例研究——GRACE160

8.5 机器人体系结构设计艺术162

8.6 结论与扩展阅读163

参考文献163

第9章 机器人智能推理方法167

9.1 知识表示与推理167

9.2 机器人的知识表示问题171

9.3 动作规划173

9.4 机器人学习177

9.5 结论与扩展阅读178

参考文献179

第2篇 机器人结构184

第10章 性能评价与设计标准184

10.1 机器人设计流程184

10.2 工作空间标准185

10.3 灵巧性指标188

10.4 其他性能指标191

参考文献194

第11章 运动学冗余机械臂196

11.1 概述196

11.2 面向任务的运动学198

11.3 微分逆运动学200

11.4 冗余度求解的优化法204

11.5 冗余度求解的任务增广法205

11.6 二阶冗余度求解207

11.7 循环性208

11.8 超冗余机械臂208

11.9 结论与扩展阅读211

参考文献212

第12章 并联机器人215

12.1 定义215

12.2 并联机构的型综合216

12.3 运动学217

12.4 速度和精度分析218

12.5 奇异分析219

12.6 工作空间分析220

12.7 静力学分析和静平衡221

12.8 动力学分析222

12.9 设计222

12.10 应用实例223

12.11 结论与扩展阅读223

参考文献223

第13章 具有柔性元件的机器人228

13.1 具有柔性关节的机器人228

13.2 具有柔性连杆的机器人244

参考文献252

第14章 模型识别255

14.1 概述255

14.2 运动学标定257

14.3 惯性参数估计262

14.4 可辨识性和数值调整265

14.5 结论与扩展阅读270

参考文献271

第15章 机器人手273

15.1 基本概念273

15.2 机器人手的设计274

15.3 驱动与传感技术278

15.4 机器人手的建模与控制280

15.5 应用与发展趋势283

15.6 结论与扩展阅读284

参考文献284

第16章 有腿机器人286

16.1 历史概述286

16.2 周期性行走的分析288

16.3 采用正动力学的双足机器人控制290

16.4 采用ZMP方法的双足机器人294

16.5 多腿机器人299

16.6 其他的有腿机器人304

16.7 性能指标305

16.8 结论与未来发展趋势307

参考文献307

第17章 轮式机器人310

17.1 概述310

17.2 轮式机器人的移动性311

17.3 轮式移动机器人的状态空间模型316

17.4 轮式机器人的结构特性319

17.5 轮式机器人的结构321

17.6 结论325

参考文献325

第18章 微型和纳米机器人326

18.1 概述326

18.2 规模328

18.3 微米-纳米级上的驱动器329

18.4 微米-纳米级上的传感器330

18.5 制造332

18.6 微装配334

18.7 微型机器人技术339

18.8 纳米机器人技术342

18.9 结论351

参考文献352

第3篇 传感与感知362

第19章 力和触觉传感器362

19.1 传感器类型363

19.2 触觉信息处理369

19.3 集成的需求374

19.4 总结和展望374

参考文献375

第20章 惯性传感器、全球定位系统和里程仪380

20.1 里程仪380

20.2 陀螺仪系统381

20.3 加速度仪385

20.4 惯性传感器套装385

20.5 全球定位系统386

20.6 全球定位系统和惯导的集成390

20.7 扩展阅读390

20.8 市场上的现有硬件390

参考文献391

第21章 声呐感测392

21.1 声呐原理392

21.2 声呐波束图394

21.3 声速396

21.4 波形396

21.5 换能器技术397

21.6 反射物体模型398

21.7 伪影399

21.8 TOF测距399

21.9 回声波形编码402

21.10 回声波形处理404

21.11 CTFM声呐405

21.12 多脉冲声呐407

21.13 声呐环408

21.14 运动影响409

21.15 仿生声呐411

21.16 总结412

参考文献412

第22章 距离传感器415

22.1 距离传感的基础知识415

22.2 距离配准423

22.3 导航与地形分类429

22.4 结论与扩展阅读431

参考文献432

第23章 三维视觉及识别435

23.1 三维视觉和基于视觉的实时定位与地图重建436

23.2 识别441

23.3 结论及扩展阅读447

参考文献447

第24章 视觉伺服与视觉跟踪451

24.1 视觉伺服的基本要素451

24.2 基于图像的视觉伺服452

24.3 基于位置的视觉伺服459

24.4 先进方法460

24.5 性能优化与规划462

24.6 3-D参数估计464

24.7 目标跟踪464

24.8 关节空间控制的Eye-in-Hand和Eye-to-Hand系统465

24.9 结论466

参考文献466

第25章 多传感器数据融合469

25.1 多传感器数据融合方法469

25.2 多传感器融合架构480

25.3 应用484

25.4 结论487

参考文献488

第4篇 操作与接口493

第26章 面向操作任务的运动493

26.1 概述493

26.2 任务级控制495

26.3 操作规划498

26.4 装配运动503

26.5 集成反馈控制和规划507

26.6 结论与扩展阅读510

参考文献511

第27章 接触环境的建模与作业517

27.1 概述517

27.2 刚体接触运动学518

27.3 力和摩擦力521

27.4 考虑摩擦时的刚体力学523

27.5 推操作526

27.6 接触面及其建模527

27.7 摩擦限定面528

27.8 抓取和夹持器设计中的接触问题531

27.9 结论与扩展阅读532

参考文献533

第28章 抓取536

28.1 背景536

28.2 模型与定义536

28.3 可控制的转动和扭转541

28.4 约束分析544

28.5 范例549

28.6 结论与扩展阅读557

参考文献558

第29章 合作机械手561

29.1 发展历史概述561

29.2 运动学和静力学562

29.3 协同工作空间565

29.4 动力学及负载分配566

29.5 工作空间分析568

29.6 控制568

29.7 结论与扩展阅读571

参考文献571

第30章 触觉学574

30.1 概述574

30.2 触觉装置设计578

30.3 触觉再现580

30.4 触觉界面的控制和稳定582

30.5 触觉显示583

30.6 结论与展望586

参考文献587

第31章 遥操作机器人591

31.1 综述591

31.2 遥操作机器人系统及其应用592

31.3 控制结构595

31.4 双向控制和力反馈控制599

31.5 结论602

参考文献602

第32章 网络遥操作机器人605

32.1 综述与背景605

32.2 简要回顾606

32.3 通信与网络607

32.4 结论与展望613

参考文献614

第33章 人体机能增强型外骨骼616

33.1 外骨骼系统简述616

33.2 上肢外骨骼618

33.3 智能辅助装置619

33.4 用于上肢外骨骼增强的控制结构620

33.5 智能辅助装置的应用621

33.6 下肢外骨骼622

33.7 外骨骼的控制策略623

33.8 下肢外骨骼设计中的要点626

33.9 现场就绪的外骨骼系统630

33.10 结论与扩展阅读631

参考文献631

第5篇 移动式和分布式机器人637

第34章 轮式机器人运动控制637

34.1 背景637

34.2 控制模型639

34.3 面向完整性系统的控制方法的适应性641

34.4 非完整系统的特定方法643

34.5 补充材料和参考文献指南657

参考文献658

第35章 运动规划和避障661

35.1 非完整移动机器人：运动规划满足控制理论662

35.2 运动学约束与可控性662

35.3 运动规划和小规模控制663

35.4 局部转向函数与小规模的控制性664

35.5 机器人和拖车667

35.6 近似方法668

35.7 从路径规划到避障669

35.8 避障定义669

35.9 避障技术670

35.10 避障中机器人的外形特征、运动学和动力学675

35.11 整合规划—反应676

35.12 结论、未来发展方向与扩展阅读678

参考文献679

第36章 环境建模681

36.1 历史性回顾681

36.2 室内和结构化环境的建模682

36.3 自然环境和地形建模686

36.4 动态环境692

36.5 结论与扩展阅读693

参考文献693

第37章 同时定位与建图696

37.1 概述696

37.2 SLAM：问题定义697

37.3 三种主要的SLAM方法699

37.4 结论和未来的挑战707

37.5 扩展阅读建议708

参考文献708

第38章 基于行为的系统712

38.1 机器人控制方法712

38.2 基于行为的系统的基本原理714

38.3 基础行为716

38.4 基于行为系统中的表示法716

38.5 基于行为系统中的学习717

38.6 后续工作720

38.7 结论与扩展阅读723

参考文献723

第39章 分布式和单元式机器人727

39.1 运动模块化727

39.2 机器人操纵的模块化730

39.3 几何重组型机器人系统的模块化731

39.4 鲁棒性模块化732

39.5 结论与扩展阅读733

参考文献733

第40章 多机器人系统735

40.1 背景735

40.2 多机器人系统的体系结构736

40.3 通信738

40.4 群体机器人739

40.5 不均匀系统740

40.6 任务分配742

40.7 学习743

40.8 应用744

40.9 结论与扩展阅读746

参考文献746

第41章 网络机器人752

41.1 概述752

41.2 技术发展水平和潜力754

41.3 研究面临的挑战756

41.4 控制757

41.5 控制通信757

41.6 感知通信758

41.7 感知控制759

41.8 通信控制760

41.9 结论与扩展阅读761

参考文献761

第6篇 野外和服务机器人768

第42章 工业机器人768

42.1 工业机器人的历史概述769

42.2 典型应用和机器人结构773

42.3 运动学和机构学779

42.4 任务描述——示教和编程780

42.5 末端执行器和系统集成783

42.6 结论和长期挑战786

参考文献787

第43章 水下机器人789

43.1 海洋机器人学的重要工程应用789

43.2 水下机器人理论791

43.3 水下机器人应用803

43.4 结论与扩展阅读804

参考文献804

第44章 空中机器人807

44.1 背景807

44.2 空中机器人的历史808

44.3 空中机器人的应用809

44.4 当前的挑战811

44.5 空中机器人的基本概念812

44.6 入门级的空中机器人：内环控制815

44.7 活跃的研究领域817

44.8 结论与扩展阅读820

参考文献820

第45章 空间机器人与系统824

45.1 轨道机器人系统的历史和发展825

45.2 表面机器人系统的历史发展和进步829

45.3 数学建模835

45.4 轨道和表面机器人系统的未来发展方向845

45.5 结论与扩展阅读848

参考文献848

第46章 农林机器人852

46.1 定义852

46.2 林业853

46.3 机器人在开阔田地中的应用856

46.4 园艺业857

46.5 畜牧业858

46.6 无人机860

46.7 结论与发展方向860

参考文献860

第47章 建筑机器人863

47.1 概述863

47.2 经济因素867

47.3 应用868

47.4 目前尚未解决的技术问题875

47.5 发展方向876

47.6 结论与扩展阅读877

参考文献877

第48章 危险作业机器人880

48.1 危险环境的操作：机器人技术解决方案需求880

48.2 应用881

48.3 促成技术890

48.4 结论896

参考文献897

第49章 采矿机器人900

49.1 背景900

49.2 开采金属矿904

49.3 地下煤矿开采910

49.4 露天煤矿开采913

49.5 结论与扩展阅读916

参考文献916

第50章 搜救机器人919

50.1 概述919

50.2 灾难的特性和对机器人的影响921

50.3 在灾难环境中机器人的实际应用923

50.4 机器人的前景和概念927

50.5 评价和基准930

50.6 基础问题和开放问题932

50.7 结论与扩展阅读935

参考文献936

第51章 智能车辆938

51.1 为什么要智能车辆？938

51.2 支撑技术940

51.3 路况理解942

51.4 先进驾驶员辅助945

51.5 驾驶员监测949

51.6 自动车辆950

51.7 未来趋势和展望953

51.8 结论与扩展阅读953

参考文献954

第52章 医疗机器人与计算机集成手术957

52.1 核心概念957

52.2 技术961

52.3 系统、研究领域和应用965

52.4 总结和展望972

参考文献973

第53章 康复和医疗保健机器人978

53.1 概述978

53.2 物理疗法与训练机器人981

53.3 残疾人辅助987

53.4 智能假肢和矫形器991

53.5 强化诊断与监控993

53.6 安全、伦理、权利和经济994

53.7 结论与扩展阅读995

参考文献996

第54章 家用机器人1002

54.1 清洁机器人1003

54.2 割草机器人1016

54.3 智能家电1018

54.4 智能住宅1020

54.5 家用机器人：商业价值1022

54.6 结论与扩展阅读1023

参考文献1023

第55章 教育机器人1025

55.1 教育机器人的作用1025

55.2 教育机器人比赛1026

55.3 教育机器人平台1028

55.4 教育机器人控制器与编程环境1031

55.5 机器人与非正式学习场所（如博物馆）1033

55.6 机器人项目的教育评价1036

55.7 总结与扩展阅读1037

参考文献1038

第7篇 以人为中心和类生命机器人1044

第56章 类人机器人1044

56.1 为什么研究类人机器人？1044

56.2 历史和概况1046

56.3 行走1048

56.4 操作1050

56.5 全身的活动1053

56.6 交流1059

56.7 总结与展望1062

参考文献1062

第57章 人-机器人物理交互中的安全性1066

57.1 安全的人-机器人物理交互问题的研究起因1066

57.2 Hands-off人-机器人物理交互的安全性1068

57.3 设计真正安全的机器人1069

57.4 Hands-on人-机器人物理交互的安全性1071

57.5 人-机器人物理交互的安全性标准1074

57.6 结论1075

参考文献1075

第58章 与人交互的社会机器人1078

58.1 社会机器人的表现1079

58.2 多模式通信1081

58.3 表达基于情感的交互1083

58.4 社会认知技巧1087

58.5 结论与扩展阅读1090

参考文献1091

第59章 机器人示范编程1095

59.1 历史1095

59.2 面向工程的方法1097

59.3 面向生物学的学习方法1106

59.4 结论和机器人示范编程中待解决的问题1109

参考文献1110

第60章 基于生物学启发的机器人1115

60.1 研究背景1115

60.2 受仿生启发的机器人形态1116

60.3 受仿生启发的传感器1117

60.4 受仿生启发的执行器1121

60.5 受仿生启发的控制体系结构1126

60.6 能量自主获取1128

60.7 群体机器人学1129

60.8 混合生物的机器人1131

60.9 讨论1132

60.10 结论1133

参考文献1134

第61章 演化机器人1138

61.1 原理1138

61.2 起步1139

61.3 仿真和现实1141

61.4 简单控制器与复杂行为1143

61.5 光识别1144

61.6 计算神经行为学1146

61.7 演化与学习1151

61.8 竞争和协作1152

61.9 演化硬件1154

61.10 结论1156

参考文献1156

第62章 神经机器人学：从视觉到动作1161

62.1 定义1161

62.2 神经行为学的启示1162

62.3 小脑的作用1168

62.4 镜像系统的作用1172

62.5 小结1179

62.6 扩展阅读1179

参考文献1180

第63章 感知机器人1184

63.1 概述1184

63.2 基于样本的对象表示1185

63.3 基于样本的运动表示1191

63.4 基于样本的合成模型：从面部到运动1192

63.5 结论与扩展阅读1195

参考文献1195

第64章 机器人伦理学：机器人学的社会和伦理含义1199

64.1 方法概念1200

64.2 机器人的特殊性1201

64.3 什么是机器人？1201

64.4 机器人接受度的文化差异1202

64.5 从文学到当代的争论1202

64.6 机器人伦理学1202

64.7 伦理和道德1203

64.8 道德理论1203

64.9 科技伦理1203

64.10 实施条件1204

64.11 实施原则1205

64.12 信息和通信技术领域的伦理问题1205

64.13 原则的统一性1206

64.14 道德与职业责任1206

64.15 机器人伦理学分类1207

64.16 结论与扩展阅读1213

参考文献1215