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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——GRACE 160

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