第1章 绪论 1
1.1 服务机器人的基本概念与发展历程 1
1.1.1 服务机器人的定义 1
1.1.2 服务机器人的分类 2
1.1.3 服务机器人的发展历程 2
1.2 服务机器人的研究领域 3
1.2.1 机械结构设计与驱动 3
1.2.2 感知系统与技术 7
1.2.3 控制技术 11
1.2.4 人机工程 13
1.2.5 应用研究 14
1.3 服务机器人的特点与基本结构 15
1.3.1 服务机器人的特点 15
1.3.2 服务机器人的基本机构 16
1.4 几类典型的服务机器人 17
1.4.1 清洁机器人 17
1.4.2 医用机器人 18
1.4.3 康复机器人 20
1.4.4 导游机器人 21
1.4.5 家政机器人 22
1.5 服务机器人控制的基本方法与发展趋势 22
1.5.1 服务机器人的运动控制结构 22
1.5.2 服务机器人的运动控制方法 23
1.5.3 服务机器人控制的发展趋势 27
参考文献 28
第2章 移动式服务机器人的结构与工作原理 31
2.1 总体结构 31
2.1.1 上位机子系统 31
2.1.2 感知子系统 35
2.1.3 控制子系统 36
2.1.4 人机交互子系统 38
2.1.5 移动平台和服务执行机构 39
2.1.6 电源子系统 40
2.2 移动机构 41
2.2.1 轮式移动机构 41
2.2.2 履带式移动机构 52
2.2.3 腿足式移动机构 54
2.3 服务执行机构——机械手 56
2.3.1 机械手定义及相关术语 57
2.3.2 典型机械手结构 58
2.3.3 移动机械手的特点 60
2.4 室内移动式服务机器人的工作原理 61
2.4.1 工作原理 61
2.4.2 工作特点 63
本章小结 65
参考文献 66
第3章 运动学与动力学模型 67
3.1 机械系统的运动约束 67
3.1.1 完整约束与非完整约束 67
3.1.2 广义坐标 68
3.1.3 位形空间 69
3.1.4 Pfaffian型非完整约束系统的可控性判据 71
3.1.5 示例——单轮滚动约束 72
3.2 移动平台运动学模型 73
3.2.1 差分驱动平台 73
3.2.2 导向驱动轮式平台 75
3.2.3 全方位轮式平台 80
3.3 移动平台动力学模型 84
3.3.1 双轮差动移动平台 84
3.3.2 履带式移动平台 88
3.4 操作手臂的运动学模型 95
3.4.1 正向运动学 96
3.4.2 逆向运动学 100
3.4.3 PArm的欠自由度逆向运动学 106
3.4.4 实验与结果 107
3.5 操作手臂的动力学模型 110
3.5.1 两连杆操作手的等效动力学模型 110
3.5.2 操作手的动力学模型 111
3.6 移动操作手臂的运动学模型 113
3.6.1 Pioneer2的运动学模型 113
3.6.2 移动操作手臂的正向运动学 116
3.6.3 移动操作手臂的逆向运动学 117
3.6.4 仿真与结果 119
本章小结 123
参考文献 123
第4章 感知与控制体系结构 125
4.1 内部传感器 125
4.1.1 旋转编码器 125
4.1.2 陀螺仪 130
4.1.3 地磁传感器——磁罗盘 136
4.1.4 GPS系统 141
4.2 外部非视觉传感器 143
4.2.1 接触觉传感器 143
4.2.2 压觉传感器 143
4.2.3 滑觉传感器 144
4.2.4 力觉传感器 145
4.2.5 开关式接近觉传感器 149
4.2.6 测距传感器 149
4.3 机器人视觉 155
4.3.1 机器人视觉系统组成 156
4.3.2 机器人视觉系统分类 158
4.3.3 成像模型 162
4.3.4 视觉测距 168
4.3.5 视觉特征 171
4.3.6 视觉系统信息处理单元 177
4.4 控制体系结构 179
4.4.1 分层式体系结构 179
4.4.2 包容式体系结构 181
4.4.3 混合式体系结构 182
4.4.4 运动控制模式 184
本章小结 186
参考文献 186
第5章 人机交互 190
5.1 概述 190
5.2 遥操作控制 192
5.2.1 遥操作体系结构 193
5.2.2 人机交互机制 195
5.2.3 网络通信 199
5.2.4 机器人控制实现 200
5.3 语音交互 203
5.3.1 语音识别 203
5.3.2 语音合成 209
5.4 手姿识别与控制 210
5.4.1 概述 210
5.4.2 数据手套CAS-Glove 211
5.4.3 基于模糊推理网络的手姿识别 215
5.4.4 手姿控制实现 221
5.5 手势识别 223
5.5.1 人手三维跟踪 223
5.5.2 基于FSMM的手势识别 230
本章小结 235
参考文献 235
第6章 移动平台的定位与导航 237
6.1 基于里程计的定位 237
6.1.1 基于速度的定位 237
6.1.2 基于运动轨迹的定位 238
6.1.3 实验与仿真结果 240
6.2 基于惯性传感器的定位 243
6.2.1 基于惯性传感器的定位原理 243
6.2.2 仿真与结果 244
6.3 视觉定位 245
6.3.1 摄像机模型 245
6.3.2 全局视觉定位 246
6.3.3 立体视觉定位 247
6.3.4 基于PnP的视觉定位 249
6.3.5 基于天花板的视觉推算定位 251
6.3.6 实验与结果 253
6.4 超声定位 256
6.4.1 基于天花板超声网络的移动机器人全局定位 256
6.4.2 基于超声灯塔的移动机器人全局定位 257
6.4.3 基于车载超声发射和接收器的定位 260
6.5 地图匹配定位 262
6.5.1 地图构建 262
6.5.2 基于栅格地图的蒙特卡罗定位 263
6.5.3 基于特征地图的线段匹配定位 265
6.6 基于多种传感信息的定位 266
6.6.1 定位结果校正 266
6.6.2 混合定位 266
6.6.3 信息融合定位 269
6.6.4 仿真与结果 271
6.7 路标与灯塔导航 279
6.7.1 人工路标导航 279
6.7.2 自然路标导航 280
6.7.3 灯塔导航 280
6.8 惯性与罗盘导航 282
6.8.1 惯性导航 282
6.8.2 罗盘导航 284
6.9 视觉导航 285
6.9.1 目标跟踪导航 285
6.9.2 路径跟踪导航 285
6.9.3 基于平行线的视觉导航 286
6.9.4 视觉罗盘 287
6.10 同时定位与地图构建 289
6.10.1 SLAM的流程 289
6.10.2 SLAM涉及的问题 291
本章小结 292
参考文献 293
第7章 路径与运动规划 295
7.1 非完整运动约束下的无障碍点到点运动规划 295
7.2 移动机器人的全局路径规划 300
7.2.1 移动机器人路径规划概述 300
7.2.2 基于图论的全局路径规划 300
7.2.3 基于栅格法的全局路径规划 308
7.3 移动机器人的局部路径规划 316
7.3.1 人工势场法 316
7.3.2 模糊逻辑法 320
7.3.3 动态栅格法 324
7.4 操作手臂的运动规划 326
7.4.1 关节空间的运动规划 327
7.4.2 笛卡儿空间运动规划 331
本章小结 334
参考文献 335
第8章 控制方法与策略 337
8.1 常用控制方法 337
8.1.1 PID控制 337
8.1.2 变结构控制 338
8.1.3 自适应控制 341
8.1.4 模糊控制 342
8.1.5 神经元网络控制 343
8.2 行为控制 344
8.2.1 路径跟踪行为 345
8.2.2 动态目标跟踪和静态目标趋近行为 349
8.2.3 沿墙行走行为 351
8.2.4 穿门和狭窄通道拐弯行为 354
8.2.5 避障、漫游和区域覆盖行为 357
8.3 移动平台趋近目标控制策略 358
8.3.1 移动平台搜索目标 359
8.3.2 移动平台趋近目标 359
8.3.3 移动平台对准目标 362
8.4 机械手趋近目标控制策略 363
8.4.1 机械手趋近目标 363
8.4.2 机械手对准目标 364
本章小结 366
参考文献 366
第9章 典型应用示例 368
9.1 开关门 368
9.1.1 机器人的系统构成 368
9.1.2 开关门 373
9.2 取物 375
9.2.1 任务描述 375
9.2.2 环境地图构建 377
9.2.3 到达目标 378
9.2.4 自主取物 379
9.2.5 返回并放置物品 379
本章小结 380