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第1篇 基础 3

第1章　机器人概述 3

1.1 机器人 3

1.1.1 机器人定义 3

1.1.2 逻辑学定义 5

1.2　机器人的历史 6

1.3　工业机器人 13

1.3.1 什么是工业机器人 13

1.3.2 工业机器人的历史 13

1.4　机器人的构成及功能 15

参考文献 18

第2章　数学基础 19

2.1 矩阵理论 19

2.1.1 矩阵、行列式和逆矩阵 19

2.1.2　特征值、特征向量和对角化 21

2.1.3 复数矩阵 22

2.2 向量空间 22

2.2.1 向量空间与线性映射 22

2.2.2 坐标变换 24

2.2.3 投影与投影矩阵 24

2.3 向量分析 25

2.3.1 内积 25

2.3.2 外积 25

2.3.3 多重积 26

2.3.4 向量的种类 26

2.4　坐标变换与齐次变换 26

2.4.1 齐次变换与齐次坐标 27

2.4.2 齐次变换矩阵的构成要素 27

2.4.3 坐标变换和运动描述 29

2.5　解析几何 29

2.5.1 基础知识 30

2.5.2 几何算法 31

2.6 拓扑几何 32

2.6.1 流形 32

2.6.2 机器人的构形空间 33

2.6.3　机器人的路径、速度、距离 35

2.7 图论 36

2.7.1 图及其描述 36

2.7.2　树、有根树、双叉树 38

2.7.3 图与网络 39

参考文献 39

第3章　力学基础 41

3.1 质点运动 41

3.1.1　位置、速度、加速度和轨道 41

3.1.2 相对运动 41

3.2 刚体运动 42

3.2.1 自由度、位移及速度 42

3.2.2 平面运动的运动学 43

3.3 刚体力学 45

3.3.1 静力学 45

3.3.2 运动的传递特性（transmissibili-ty） 46

3.3.3 动力学 47

3.3.4 具体例子 49

3.3.5 分析力学 50

参考文献 51

第4章　控制基础 52

4.1 控制引论 52

4.1.1 什么是控制 52

4.1.2 控制系统的结构 52

4.1.3 控制系统设计 53

4.2 建模 54

4.2.1 被控对象 54

4.2.2 数学模型 54

4.2.3 稳定性 59

4.2.4 考察 60

4.3　反馈控制系统设计 60

4.3.1 状态空间法 60

4.3.2 传递函数法 62

4.3.3 频域传递函数 63

4.4　控制理论简介 65

4.4.1 最优控制（LQ控制，H∞控制） 65

4.4.2 自适应控制 66

4.4.3 学习控制 66

4.4.4 其他 66

参考文献 67

第5章　计算机科学基础 68

5.1 算法设计与分析 68

5.2　计算机结构 70

5.2.1 计算机结构的定义和分类 70

5.2.2　指令系统结构 71

5.2.3 硬件结构的定义 71

5.2.4 结构的确定方法 72

5.2.5 嵌入式处理器结构 72

5.3　计算机语言 73

5.3.1 计算机语言概述 73

5.3.2 机器人系统要求的语言功能 73

5.3.3 计算机语言的特点 74

5.4　实时处理 76

5.4.1 实时处理的特点 76

5.4.2 时间约束 76

5.4.3 时间预测性 76

5.4.4 实时操作系统 77

5.4.5 分散实时处理 78

5.4.6 实时系统的构建 78

5.5 通信 78

5.5.1 什么是通信 78

5.5.2 模拟信号与数字信号 78

5.5.3 信号传输方式 78

5.5.4 数据传输方式 79

5.5.5 数据传输模式 79

5.5.6 通信协议 79

5.5.7 机器人系统中的通信 80

参考文献 80

第2篇　元器件 85

第1章　传感器 85

1.1 传感器的基本工作原理和分类 85

1.2　内传感器 90

1.2.1 概述 90

1.2.2 位置·角度的检测 91

1.2.3 速度和角速度的测量 95

1.2.4 加速度和角加速度的测量 95

1.2.5 姿态角的检测 97

1.2.6 固定坐标位置和绝对坐标的位置检测 99

1.3 外传感器 99

1.3.1 视觉传感器 99

1.3.2　触觉传感器 104

1.3.3 力觉传感器 112

1.3.4　接近觉传感器 117

1.3.5 距离传感器 122

1.3.6 听觉传感器、味觉传感器及嗅觉传感器 126

1.3.7 特殊传感器 128

参考文献 130

第2章　驱动器 136

2.1 电动驱动器 136

2.1.1　步进电机 136

2.1.2 直流（DC）伺服电机 139

2.1.3　交流（AC）伺服电机 143

2.1.4 直接驱动（DD）电机 145

2.2　液压驱动器 147

2.2.1 伺服阀的结构和特性 148

2.2.2 液压伺服马达及其动态特性 150

2.2.3 电液伺服马达 150

2.3　气动驱动器 151

2.3.1 气动技术概述 151

2.3.2 气动系统的基本组成 151

2.3.3 气压驱动器的分类 152

2.3.4 气动系统的组成 154

2.3.5 气压驱动器的控制 155

2.3.6 气动驱动器的应用 156

2.4　特殊驱动器 157

2.4.1 压电元件 157

2.4.2　超声波电机 158

2.4.3　形状记忆元件 160

2.4.4　橡胶驱动器 162

2.4.5　静电驱动器 165

2.4.6 氢气吸留合金驱动器 167

2.4.7　磁流体驱动器 169

2.4.8　ER流体 171

2.4.9　高分子驱动器 172

2.4.10　光学驱动器 174

参考文献 175

第3章　动力源 178

3.1 固定式机器人的动力源 178

3.1.1 电动机器人 178

3.1.2 液压驱动机器人 179

3.1.3 气动驱动机器人 180

3.2　移动式机器人的动力源 183

3.2.1 电缆方式 183

3.2.2 电池供电方式 184

3.2.3 微波（电磁能）供电方式 185

3.2.4　发动机供电方式 185

3.2.5 气动动力源方式 186

3.3　电池 186

3.3.1 化学电池 187

3.3.2 太阳能电池 192

3.4 放大器 192

3.4.1　运算放大器 192

3.4.2　功率放大器 194

参考文献 196

第4章　机构 198

4.1 运动传动机构 198

4.1.1 齿轮传动 198

4.1.2 丝杠-螺母系统传动 200

4.1.3 带、链、钢丝传动 201

4.1.4　流体传动 202

4.1.5 杆、连杆及凸轮传动 202

4.1.6　特殊减速机构 203

4.2　关节 204

4.2.1 转动关节 204

4.2.2　移动关节 206

参考文献 207

第5章　材料 208

5.1　机器人材料 208

5.1.1 机器人自身材料的特性 208

5.1.2　结构材料 208

5.1.3 轻质材料 209

5.1.4 复合材料 210

5.1.5 刚性材料 212

5.1.6 抗振材料 213

5.1.7 变形功能材料 214

5.1.8 其他材料 214

5.1.9 结束语 215

5.2　传感器材料 215

5.2.1 金属材料 215

5.2.2　半导体材料 217

5.2.3 有机材料 219

5.2.4 无机材料 220

5.2.5 复合材料 222

参考文献 223

第3篇 机器人的机构及控制第1章　概述 223

1.1 机器人的机构 227

1.2　机器人的控制 227

1.3　今后的发展方向 228

参考文献 228

第2章　手臂机构和控制 230

2.1 手臂机构 230

2.1.1 手臂的基本构造及种类 230

2.1.2 关节的驱动方式 233

2.1.3 特殊的关节结构 234

2.2　手臂运动学 235

2.2.1 坐标变换的基础 235

2.2.2 正运动学方程式 240

2.2.3 雅可比矩阵的计算 244

2.2.4　逆运动学的解法 246

2.2.5 奇异点 250

2.2.6 其他方法（基于李代数的运动分析） 251

2.3　手臂力学 256

2.3.1 手臂静力学 256

2.3.2 运动学与静力学的对偶性 257

2.3.3 手臂动力学 258

2.3.4 动态模型的基本特性 265

2.3.5 正动力学问题和高效计算 266

2.3.6 笛卡儿空间的动力学模型 267

2.3.7 闭式链机构的动力学 267

2.3.8 受末端约束的机器人手臂动力学 269

2.4　手臂的控制 270

2.4.1　运动控制 270

2.4.2 力控制 283

2.5　并联机构 292

2.5.1 概念 292

2.5.2 历史 293

2.5.3　主要的机构 293

2.5.4 运动分析 293

2.5.5 并联机构与串联机构的对比　 297

2.5.6 应用设备 297

2.6 柔性臂 298

2.6.1 柔性臂的力学 298

2.6.2 柔性臂的控制 304

2.7　控制理论的应用 309

2.7.1 自适应控制 309

2.7.2 最优控制 313

2.7.3 学习控制 318

2.7.4 非线性控制 321

2.8　手臂机构的设计和评价 326

2.8.1 描述方法 326

2.8.2　设计步骤 326

2.8.3 单自由度设计 327

2.8.4 多自由度的评价 331

2.8.5 非力学条件方面的设计 332

2.8.6　功能评价 332

2.8.7　可靠性评价 333

2.8.8 面向新的设计 335

参考文献 335

第3章　手部机构和控制 344

3.1　手部的分类 344

3.2　特殊末端执行器 345

3.3　机械手 346

3.4　手指与对象物接触的力学及运动学 349

3.4.1 接触形态的分类 349

3.4.2 对象物的力学和运动学 352

3.4.3 手指的力学及运动学 352

3.4.4 点接触的公式以及滑动和滚动（补充说明） 354

3.5　抓握系统的构成及分类 354

3.5.1　抓握系统 355

3.5.2 抓握系统的构成 355

3.5.3 抓握系统中的运动约束 356

3.6　形封闭（form closure）和力封闭（force closure） 357

3.6.1　形封闭 357

3.6.2 力封闭 358

3.6.3 被动约束和主动约束 360

3.7　刚性控制 360

3.7.1 基本内容 360

3.7.2 向抓握系统扩展 361

3.8　动态控制 363

3.9　稳定抓握的力学关系 364

3.9.1 摩擦效应对抓握稳定性的影响 364

3.9.2 考虑摩擦的二维稳定抓握模型 364

3.10　机构设计举例 365

参考文献 369

第4章　移动机构 372

4.1 车轮式移动机构 372

4.1.1 各种车轮式移动机构 372

4.1.2 车轮式移动机构的构成要素　 375

4.1.3　机构 380

4.1.4　运动学 385

4.1.5 力学 389

4.1.6 动力学 394

4.1.7 控制 395

4.2　履带式移动机构 399

4.2.1 构造 400

4.2.2　基础知识 402

4.3 双足移动机器人的机构和控制　 403

4.3.1　双足机器人的机构 403

4.3.2 双足机器人的力学 408

4.3.3　双足机器人的控制 416

4.4 多足机器人的机构和控制 430

4.4.1 术语 430

4.4.2 移动方式的分类 431

4.4.3 腿数与移动方式的关系 432

4.4.4　设计概念 432

4.4.5　腿部机构 434

4.4.6　脚部机构 435

4.4.7　躯体结构 436

4.4.8 多足机器人机构和控制稳定性 437

4.4.9　单足机器人 438

4.4.10 四足机器人 440

4.4.11 六足机器人 443

4.4.12 其他腿数的机器人 444

4.4.13 多足机器人适应不平整地面的手段 444

4.4.14 控制系统 446

4.4.15 多足机器人的研究动向和课题 447

4.5　形形色色的移动机构 447

4.5.1 混合式移动机构 447

4.5.2　蛇形（超冗余）机构 450

4.5.3 壁面吸附式移动机构 452

4.5.4 交互攀缘形机器人 453

4.6　水下机器人 454

4.7 空中机器人 459

4.7.1　理论基础 459

4.7.2 各种空中机器人 463

参考文献 468

第4篇 智能技术 477

第1章　视觉信息识别 477

1.1　机器人视觉 477

1.1.1 机器人视觉的定位 477

1.1.2 机器人视觉的构成 477

1.1.3 机器人视觉的功能 478

1.2　视觉输入装置 478

1.2.1 视觉输入装置的构成 478

1.2.2　视觉输入的方式 478

1.2.3　像素存取 480

1.2.4　灵巧传感器 481

1.2.5　特殊图像 481

1.2.6 人为现象 482

1.3　二维处理 482

1.3.1 概述 482

1.3.2 图像变换方法及基本的预处理 482

1.3.3 图像特征的提取及特征量的测量 486

1.4　多维图像处理 491

1.4.1 立体视觉 491

1.4.2 距离图像处理 494

1.4.3 运动图像处理 496

1.5 主动视觉 498

1.5.1 什么是主动视觉 498

1.5.2 主动视觉传感器 499

1.5.3 主动视觉的控制机构 499

1.5.4 传感器融合与主动视觉 500

1.6 实时视觉 501

1.6.1 什么是实时视觉 501

1.6.2 实时视觉的历史 501

1.6.3 实时视觉的特征 502

1.6.4 实时视觉系统的构成方法 502

1.6.5 实时视觉的应用 503

1.7　机器视觉在生产技术中的应用 503

1.7.1 多样化的机器视觉 503

1.7.2 图像处理的产业应用和机器视觉简史 503

1.7.3 工厂外的机器视觉 505

1.7.4 智能制造系统（IMS）中的新机器视觉 507

1.7.5　结束语 507

参考文献 508

第2章　语音信息处理 512

2.1　语音识别 512

2.1.1 语音识别装置的分类 512

2.1.2 语音识别系统的构成 512

2.1.3 语音的特征提取 513

2.1.4　音响模型 513

2.1.5　语言模型 514

2.1.6　译码器 515

2.1.7 噪声的消除 515

2.1.8 对说话者的适应 516

2.1.9 远距离发话者的语音识别 516

2.2　语音合成 516

2.2.1　语音的特征 517

2.2.2 语音信号的模型化 517

2.2.3　语音合成的分类 518

2.2.4 TTS的构成要素 518

2.2.5 文本分析 519

2.2.6 韵律生成 519

2.2.7　语音合成单元 521

2.2.8　语音信号处理 522

2.3　语音应用系统 523

2.3.1 支持人机界面的语音技术 523

2.3.2 语音识别的应用 524

2.3.3 面向通用微处理器的语音中间软件 526

2.3.4 网络应用 528

2.3.5　会话机器人的应用 529

参考文献 530

第3章　触觉和力觉识别 534

3.1 触觉的平面信息识别 534

3.1.1 触觉信息处理（tactile signal processing） 534

3.1.2 触觉图像的几何学性质 534

3.1.3 被抓取物体的断面形状识别　 535

3.1.4 二维分布载荷的中心位置检测 536

3.2　触觉的立体信息识别 536

3.2.1 触觉传感器的三维触觉图像的获取 536

3.2.2 基于物体表面局部触觉图像的识别 538

3.3　触觉的物性信息识别 538

3.3.1 接触型知觉的物性信息识别　 538

3.3.2 触觉传感器的物性信息识别　 539

3.4　触觉的抓握信息识别 541

3.5　力觉信息识别 542

3.5.1 接触信息的测量 542

3.5.2 抓取物体的位姿估计和形状识别 543

参考文献 544

第4章　传感器高级应用 547

4.1　传感器融合 547

4.1.1　传感器融合的分类 548

4.1.2 采用的算法 548

4.1.3 基本融合算法的程式化 549

4.1.4　机器人学的传感器融合 550

4.2　行为理解 550

4.2.1　行为理解的概况 550

4.2.2　行为理解研究举例 551

4.2.3 行为理解的现状和未来 553

4.3　视觉反馈控制 553

4.3.1 分级控制 553

4.3.2　静态视觉反馈控制 554

4.3.3 动态视觉反馈控制 554

4.4　触觉反馈控制 555

4.4.1 触觉顺序控制 555

4.4.2 触觉反馈控制 556

4.4.3 基于触觉传感器的灵巧性的实现 557

4.4.4 多触觉传感器控制 558

4.5　力觉反馈控制 558

4.5.1 接触点的检测算法 559

4.5.2　对象物形状测量 560

4.5.3 考察与小结 561

参考文献 561

第5章　规划 564

5.1 符号处理与推理 564

5.1.1　人工智能 564

5.1.2 问题的解决 565

5.1.3　框架问题 568

5.2 学习 569

5.2.1 什么是学习 569

5.2.2 有教师的学习 571

5.2.3 无教师的学习 572

5.2.4 以环境为教师的学习 573

5.2.5 模仿学习 575

5.3　软计算 576

5.3.1 模糊系统 577

5.3.2　神经元计算 578

5.3.3　进化计算 580

5.3.4 强化学习 582

5.3.5 智能技术的统一与融合 583

5.4　算法理论的行动规划 583

5.4.1 机器人行动规划问题 584

5.4.2 路径图法 584

5.4.3　单元分解法 586

5.4.4 若干已得到证明的困难问题　 588

5.4.5　结束语 588

5.5　试探的行动规划 588

5.5.1 试探的行动规划的基础 589

5.5.2 近似单元分割法（网格法） 590

5.5.3 路径图法 591

5.5.4 人工势场 592

5.6　作业规划与偏差校正 594

5.6.1 作业规划 594

5.6.2 作业规划中问题的分级 594

5.6.3 SHRDRU 594

5.6.4 STRIPS 595

5.6.5　装配树 595

5.6.6 AND/OR图 596

5.6.7 接触状态图 596

5.6.8　偏差校正 597

5.6.9 基于相似度评价的偏差校正　 598

5.6.10 StateNet 598

5.6.11 状态相似度评价的问题 599

参考文献 599

第6章　自主移动 603

6.1 自身位置的识别 603

6.1.1　航位推算法 603

6.1.2 基于外界观测的自身位置推测 604

6.1.3　GPS（人造卫星定位系统） 605

6.1.4　观测误差的修正 608

6.2 自主移动环境模型 610

6.2.1 模型化环境信息 610

6.2.2 环境地图的表示方法 610

6.2.3 环境地图的生成 611

6.3 室内导航 612

6.3.1 引言 612

6.3.2　基于模型的导航（model based navigation） 613

6.3.3 基于传感器的导航（sensor based navigation） 614

6.3.4　未知环境的搜索 614

6.3.5 室内导航研究的最新动向 615

6.4 室外导航 616

6.4.1 室外导航所必需的功能 616

6.4.2 地图信息 617

6.4.3 安全行走 618

6.4.4 室外导航的具体事例 619

6.5　水上导航 620

参考文献 621

第5篇 系统技术 627

第1章　机器人系统 627

1.1 机器人系统的构成 627

1.1.1 机器人系统的构成 627

1.1.2　机器人的软件构成 629

1.1.3　机器人系统的标定 630

1.1.4 机器人系统的通信接口 630

1.2　作业示教方法 631

1.2.1 作业示教法的分类 631

1.2.2 示教信息的使用方法 635

参考文献 638

第2章　机器人的建模与标定 638

2.1 机器人的建模 639

2.1.1 机械手的运动学模型 639

2.1.2 基底参数的分析 640

2.2　机器人的标定 641

2.2.1　机构参数的标定 641

2.2.2　基底参数的辨识方法 643

参考文献 644

第3章　机器人控制器 645

3.1 控制器 645

3.1.1 机器人控制器的定义 645

3.1.2 控制器的功能与分层递阶结构 645

3.1.3　工业机器人控制器 648

3.2　软伺服 649

3.2.1 运动系统的伺服控制 649

3.2.2 伺服驱动器（放大器）的应用　 651

3.3　开放式控制器 651

3.3.1 开放性的现状 651

3.3.2 机器人分层递阶结构与开放式控制器的开放性 651

3.3.3 开放式接口举例 652

3.4　PC控制器 653

3.4.1 PC控制器的结构 653

3.4.2 PC控制器的接口 653

3.4.3 采用PC控制器的机器人 654

3.5　遥控脑 654

3.5.1 广义遥控脑的含义 654

3.5.2　遥控脑的现状 654

参考文献 655

第4章　机器人编程 656

4.1 机器人编程的种类与特点 656

4.1.1　机器人编程 656

4.1.2　机器人语言的处理流程 657

4.1.3　机器人语言的智能处理级 658

4.2　机器人语言的功能 659

4.2.1 机器人语言对机器人动作的控制 659

4.2.2　机器人语言的命令集 660

4.2.3 动作数据结构 662

4.2.4　机器人语言的周边技术 664

4.3　示教与编程 665

4.3.1 演示示教 666

4.3.2　传感器反馈示教 667

4.3.3　移动机器人编程 668

参考文献 669

第5章　机器人仿真 671

5.1　概述 671

5.1.1 仿真技术的作用 671

5.1.2　机器人仿真技术的分类 671

5.2　支持机器人设计的仿真技术 672

5.2.1 机器人动力学系统的运动分析仿真 672

5.2.2 控制系统的仿真 676

5.3　数学公式处理与仿真 679

5.3.1 机器人数学公式处理系统的历史 679

5.3.2 机器人数学公式处理系统的研究课题 680

5.3.3 基于Gr？bner基底的逆运动学解法 681

5.3.4　基本参数的分析 683

5.4　模型与图形学 684

5.4.1 三维形状的表示 684

5.4.2　形状处理 687

5.4.3 三维图形学 689

5.4.4 利用形状信息的实例 690

5.5　编程仿真技术 691

5.5.1 动作仿真 691

5.5.2　传感器的仿真 691

5.5.3　软件集成开发环境 693

5.6　各种仿真工具 694

5.6.1 引言 694

5.6.2　机构设计的支持工具 694

5.6.3　编程支持工具 696

5.6.4　结束语 698

参考文献 698

第6章　操纵型机器人 703

6.1 操纵型机器人系统的特征 703

6.1.1 什么是操纵型机器人 703

6.1.2 操纵型机器人的操纵方式 705

6.1.3 双向控制与单向控制 705

6.1.4　机器人学和虚拟现实与遥控的关系 707

6.1.5 操纵型机器人发展方向 708

6.2　操纵型机器人的分类 708

6.2.1 机械式主从机械手 708

6.2.2　伺服型机械手 709

6.2.3 计算机嵌入型（异构主从系统） 709

6.2.4　机器人技术融合型（遥控机器人学） 710

6.2.5 网络时代的遥控机器人学 712

6.3　操纵型机器人的控制理论 713

6.3.1 主从系统的建模 713

6.3.2　双向控制和稳定性 714

6.3.3 时间延迟通信环境下的双向控制 716

6.4 临场感操纵型机器人系统 717

6.4.1 临场感技术 717

6.4.2 视觉信息和听觉信息的立体再现 721

6.4.3 触觉信息的再现技术 723

6.5　智能远程作业系统 723

6.5.1 智能远程作业系统的基础 723

6.5.2 智能远程作业系统的历史 724

6.5.3 远程作业系统的智能化趋 726

参考文献 727

第7章　人机界面 730

7.1　人机交互 730

7.1.1 交互方式的分类 730

7.1.2　人机界面的具体例子 730

7.1.3　界面的构筑方法 731

7.2　虚拟现实与机器人 732

7.2.1 虚拟现实技术的动向 732

7.2.2　VR模型介入型远程操纵系统　 732

7.2.3 空间共享系统 733

7.3　多模态界面 734

7.4　手势界面 734

7.5　泛在自主体界面 735

7.5.1　泛在自主体 735

7.5.2　人的活动识别 735

7.5.3 人的活动履历的积累 736

7.5.4 人活动的能动性支持 737

参考文献 737

第8章　机器人与通信系统 737

8.1　通信接口 740

8.2　通信方式 741

8.2.1　层次结构 741

8.2.2 协议 742

8.3 无线 742

8.3.1 IEEE 802.11 742

8.3.2 蓝牙 743

8.4　LAN 743

8.5　WAN 744

8.5.1 ISDN 744

8.5.2　帧转接 744

8.5.3　ATM 744

8.5.4　传送延迟 744

8.6　互联网 745

8.6.1　WWW 745

8.6.2 安全 745

8.6.3 VPN 746

8.6.4　QoS 746

8.7 内部LAN 747

8.7.1 目的 747

8.7.2 规格 750

8.8　通信接口系统描述 753

8.8.1 背景 753

8.8.2 开放式网络接口 754

参考文献 756

第9章　机器人系统设计论 756

9.1 系统体系结构设计 758

9.1.1 引言 758

9.1.2　机器人系统的实时性和响应时间 758

9.1.3　机器人系统与体系结构 759

9.1.4 集中CPU和分布CPU 759

9.1.5 事件驱动的机器人动作决定的支持 760

9.1.6 事件驱动处理和中断 760

9.1.7 开发环境和OS，软件结构的实现 761

9.1.8 机器人系统体系结构举例 761

9.2　结构设计 762

9.2.1 结构材料 762

9.2.2　结构设计基础 763

9.2.3　实际结构设计 766

9.3　控制系统设计 770

9.3.1 集中控制和分布控制系统 770

9.3.2 电子系统的构成 771

9.3.3　驱动器的控制 773

9.3.4 实际控制器系统设计 774

9.4　通信及信息处理设计 777

9.4.1　通信的作用 777

9.4.2　信息交换模型 777

9.4.3　通信相关问题 779

9.4.4　信息处理设计 780

参考文献 781

第10章　分布系统 783

10.1 分布式机器人系统概述 783

10.2　可重构机器人 784

10.3　多台机器人协调控制 785

10.3.1 单一物体的操作 786

10.3.2 分布协调控制算法 786

10.4　群体机器人系统 788

10.4.1 群体机器人系统的定义 788

10.4.2 自主分布式群体机器人系统的分类 788

10.4.3　群体智能 788

10.4.4　创发协调 789

10.4.5 创发协调设计的可能性 789

10.5　分布规划 790

10.5.1 分布规划问题的分类 790

10.5.2　动作规划技术 790

10.5.3 搜索与扫描规划技术 791

10.5.4　作业规划技术 791

10.6　分布感知 791

10.6.1 多智能体的分布感知 791

10.6.2 分布视觉的感知 792

10.6.3 分布视觉的基本问题 792

10.6.4　展望 792

10.7　环境智能化技术 792

10.7.1 智能数据载体及其应用 793

10.7.2 机器人房间——环境型机器人 794

10.7.3 智能空间（空间智能化） 796

10.8　创发机器人学 797

10.8.1 功能的创发和系统 798

10.8.2 创发系统 798

10.8.3　创发机器人学 799

参考文献 799

第11章　机器人的可靠性、安全性、可维护性以及与人共存性 799

11.1 系统可靠性的定义与度量 804

11.1.1 可靠性和可维护性的定义与度量 804

11.1.2 数据与故障分析 805

11.1.3 可靠性设计与试验 806

11.2　机器人的可靠性 807

11.2.1 故障分析和故障对策 807

11.2.2 可靠性设计和评价 808

11.2.3 工业机器人的安全性 808

11.3　人为错误 810

11.3.1 人类行动模式和特点 810

11.3.2 人为错误的结构 812

11.3.3 人为错误的对策 813

11.4 共存系统的安全性 813

11.4.1 危险分析和降低风险的步骤 813

11.4.2 共存作业形态的安全概念与技术 814

11.4.3 协调作业形态的安全概念与技术 815

11.5　基于共存系统的协调动作和行动 816

11.5.1 人与机器人的协调 816

11.5.2 人体肌肉骨骼运动系统的特点 817

11.5.3 手动控制方式 819

11.5.4 协调控制方式 822

11.6　共存系统亲和性的表现 824

11.6.1 亲和性的表现 824

11.6.2 安全与协调作业意图的推断 825

参考文献 827

第6篇 新一代机器人基础技术第1章　拟人机器人 827

1.1 拟人机器人的硬件 833

1.2 拟人机器人的运动控制与动作规划 839

1.2.1 步行模式生成器、反馈控制 839

1.2.2 运动规划与全身运动 841

1.3　仿人作业 844

1.3.1 仿人手臂和手 844

1.3.2　仿人远程操作 848

1.4 以拟人机器人为媒介的认知科学研究 850

1.4.1 以拟人机器人为媒介的认知科学研究的意义 850

1.4.2　研究实例介绍 851

1.4.3 用于认知科学研究的拟人机器人所必须具备的硬件与软件　 852

参考文献 853

第2章　微机器人学 857

2.1 微驱动器 857

2.1.1 压电微驱动器 858

2.1.2　静电微驱动器 858

2.1.3 电磁微驱动器 859

2.1.4 形状记忆合金微驱动器 860

2.1.5　超磁致伸缩微驱动器 861

2.1.6 高分子微驱动器 861

2.1.7　光微驱动器 861

2.2　微传感器 862

2.2.1 应变微传感器 862

2.2.2　加速度微传感器 862

2.2.3 压力微传感器 863

2.3　微操作 863

2.3.1　微操作种类 863

2.3.2　接触式操作 864

2.3.3 非接触式操作 867

2.4　微机器人系统 872

2.4.1 管内移动机器人 872

2.4.2　微动机器人 873

2.4.3 医疗用微机械 873

2.4.4 微工厂 874

2.5 纳米操作 874

参考文献 876

第3章　仿生机器人 881

3.1 假臂与假腿（四肢的修复） 881

3.1.1 假腿 881

3.1.2 假臂 883

3.1.3 假腿与假臂的发展动向 884

3.2 人工心脏 885

3.2.1 人工心脏技术的发展动向 885

3.2.2 人工心脏的性能要求 885

3.2.3 人工心脏的血泵机构和单元技术 886

3.2.4　血液相容性评价法 887

3.2.5 展望 888

3.3　人工中耳（听觉修复） 888

3.3.1 耳的结构与功能 888

3.3.2 失聪的种类 888

3.3.3 人工中耳 888

3.3.4 人工中耳的结构、原理和性能　 889

3.3.5 安全性 890

3.4　人工视觉（视觉代偿） 890

3.4.1 视觉功能的修复 890

3.4.2　视觉代偿原理 891

3.4.3　各种视觉代偿仪 891

3.4.4 视觉代偿中的机电一体化 892

3.5 人工关节 892

3.5.1 生物学条件 892

3.5.2 力学条件 893

3.5.3 其他条件 893

3.5.4　人工关节的设计 893

3.5.5 下一代人工关节 894

3.6 人工肌肉 895

3.6.1 微型化与表面张力 895

3.6.2 肌动球蛋白（actomyosin）的运动功能 895

3.6.3 微型化可能的新原理 896

3.6.4 结束语 897

参考文献 897

第7篇 机器人在制造业中的应用第1章　工业工程概论 897

1.1 方法工程 901

1.2　人机工程学 905

1.2.1 人机工程学的必要性 905

1.2.2　何谓人机工程学 906

1.2.3 人机工程学的研究内容 907

1.2.4 人机工程学的发展趋势 908

1.3　制造工序设计 909

1.3.1 生产工序和工序设计 909

1.3.2 工序设计的环境 909

1.3.3 工序设计的精度 911

1.4　设施的设计 911

1.4.1 设施设计的周边技术 912

1.4.2　布局类型 912

1.4.3 设施布局的方法 912

1.4.4 SLP概述 913

1.5　经济工程学 914

1.5.1 损益拐点的分析 914

1.5.2 工序设计的经济性研究 914

1.5.3 资金的时间价值与经济性评价 915

1.6　面向技术人员的定量方法论 915

1.6.1 工序分析 915

1.6.2 流程图分析 916

1.6.3　运行分析 917

1.6.4　动作分析 918

1.6.5 复合活动分析 919

1.6.6 时间的研究 919

参考文献 920

第2章　机器人在制造业中的应用 920

2.1 工业机器人总论 922

2.1.1 工业机器人构成 922

2.1.2 工业机器人软件 922

2.2　通用机械手总论 923

2.2.1 工业机器人的使用状况 923

2.2.2 工业机器人技术 926

2.2.3　机器人的有关规格 927

2.3　AGV 928

2.3.1 FA工厂自动化 928

2.3.2 AGV的种类 928

2.3.3 引导方式 929

2.3.4　移动方式 930

2.3.5　装卸方式 930

2.3.6　搬运系统 931

2.3.7 应用系统 932

参考文献 932

第3章　各种作业与机器人 932

3.1　物料搬运 933

3.1.1 铸造 933

3.1.2　树脂成型加工 934

3.1.3 冲压 936

3.1.4　机械加工 938

3.2 焊接 939

3.2.1 弧焊 939

3.2.2 点焊 942

3.2.3 激光焊接·切断、激光热加工　 944

3.2.4 等离子弧焊和等离子切割 944

3.3 喷涂 946

3.3.1 普通喷涂 946

3.3.2 密封材料的喷涂 948

3.4 去毛刺 950

3.4.1 毛刺造成的主要事故举例 950

3.4.2 去毛刺成本最小化的主要事项 950

3.4.3 去毛刺系统应具备的功能和关键技术 951

3.5　装配 954

3.5.1 普通装配（汽车零部件） 954

3.5.2　插装和表面贴装 957

3.5.3　螺钉紧固 959

3.5.4　汽车舣装 962

3.5.5　键合 964

3.6 洁净间 968

3.6.1 晶片操作 969

3.6.2 LCD搬运 971

3.6.3 洁净间无人搬运车（AGV） 973

3.7　测量、检查及试验 977

3.7.1 汽车制造应用事例 978

3.7.2 用于电子设备制造的检测机器人系统 978

3.7.3 油管接头螺纹检测机器人 979

3.7.4 试剂库自动识别系统 979

3.8　工业智能机器人 980

3.8.1 工业智能机器人的目的和作用 980

3.8.2　基于力传感器的机械装配作业 980

3.8.3 基于视觉传感器的周边设备的简化 981

3.8.4 基于传感器的示教简化 983

3.8.5 结论 984

参考文献 984

第4章　机器人与安全 986

4.1 安全规范与规则 986

4.1.1 安全的基本思路 986

4.1.2 安全确认原则与失效保护 987

4.2　与机器人安全相关的法规 988

4.2.1 国际规范（ISO/IEC） 988

4.2.2 日本与机器人相关的法规 988

4.3　具体的应对方法 988

4.3.1 劳动安全卫生规范 988

4.3.2 安全防护的具体方法 989

4.3.3 两种互锁方法 990

4.4　今后的课题 992

第8篇 机器人应用系统第1章　机器人在非制造业领域中的应用 992

1.1 第一产业 995

1.1.1　农业机器人 995

1.1.2　林业机器人 998

1.1.3　水产机器人 1000

1.2　在建筑业中的应用 1005

1.2.1　建筑机器人 1005

1.2.2 土木工程机器人 1010

1.3　在第三产业中的应用 1015

1.3.1 表演娱乐机器人 1015

1.3.2　保安机器人 1019

1.3.3 清扫机器人 1021

1.3.4 带电操作机器人 1023

1.3.5 管道维护机器人 1024

1.3.6 ITS 1028

1.3.7 电影与机器人技术 1032

参考文献 1033

第2章　医疗机器人 1038

2.1 医疗机器人的应用范围 1038

2.2　手术支援机器人 1039

2.2.1 计算机外科和手术支援机器人 1039

2.2.2 手术支援机器人的实例 1041

2.3　福利机器人 1044

2.4　医学教育机器人 1044

2.5　医疗福利机器人的安全性 1044

参考文献 1044

第3章　福利机器人 1046

3.1　福利事业的基础 1046

3.1.1 术语 1046

3.1.2 康复医学 1048

3.2　福利设备、机器人 1049

3.2.1 分类 1049

3.2.2 举例 1049

3.2.3 福利机器人的机能和控制 1053

3.3　精神慰藉机器人 1053

参考文献 1055

第4章 机器人在特殊环境及特殊作业中的应用 1055

4.1　灾害应对机器人 1057

4.1.1 消防机器人（fire fighting robot） 1057

4.1.2 灾害应对机器人（disaster response robot） 1059

4.1.3 与救助机器人相关的比赛（rescue robot contests） 1063

4.2　极限环境作业机器人 1066

4.2.1　极限环境作业 1066

4.2.2 极限作业机器人计划 1067

4.2.3　核设施与机器人 1068

4.3　海洋机器人（水下机器人） 1072

4.3.1 海洋的特殊性 1072

4.3.2 海洋机器人的种类和发展 1072

4.3.3 ROV 1073

4.3.4 AUV 1073

4.4　空间机器人 1077

4.4.1　轨道机器人 1077

4.4.2 轨道机器人的实例 1078

4.4.3 行星机器人 1080

4.4.4　行星机器人的实例 1080

4.5　探雷／排雷机器人 1082

4.5.1 人道目的和排雷 1082

4.5.2　地雷和排雷技术 1082

4.5.3　探雷机器人 1083

参考文献 1086

第5章　机器人在研究与教育领域中的应用 1086

5.1　机器人的研究 1090

5.2　利用机器人开展的研究 1090

5.3　机器人在学习、培训中的应用 1091

5.3.1 教育培训 1091

5.3.2 学习与机器人制作 1091

5.4　机器人对科学技术教育的推动作用 1092

5.4.1 日本的机器人赛事 1092

5.4.2 机器人创造国际比赛大会（RoboFesta） 1094

5.5　机器人的研究开发 1095

参考文献 1095

附录 1099

1 机器人的JIS标准 1099

2 工业机器人的图形符号 1102

3 人体关节的可动范围 1103

4 人体关节、骨骼和肌肉的名称 1105

5 机器人安装空间 1107

6 电气元器件新旧图形符号对照 1109

索引 1111