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