机器人技术与智能系统

机器人技术与智能系统的发展使图书市场对相关的书籍产生了大量的需求，本书针对相应的市场需求，介绍了机器人学及其所运用的人工智能等领域的关键技术。本书具有以下特色： （1）内容层次清晰，系统新颖 从机器人的基础知识逐渐过渡到机械结构、驱动系统、传感器系统、控制系统等的设计，然后结合前面的知识介绍了多种机器人的设计及应用，又介绍了机器人新技术与系统及其机器人的技术发展路线，内容系统新颖。 （2）列举大量工程实例，实用性强 列举了15种机器人在不同领域的应用，包括焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人、移动式搬运机器人、医疗机器人、看护机器人等，并对机器人产业链、机器人工作站的设计与应用，非常实用。 （3）展望新技术，形成新的发展思路 介绍了机器人新技术与系统，包括机器人认知与心理学、生物学与仿生技术、感触控制技术、交互沟通控制技术等。指明了机器人技术发展路线图，包括制造转型、用户服务、医疗保健、公共安全、空间探索等领域机器人技术发展与研究路线。

随着科学技术的发展和社会的进步，机器人作为集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，不仅广泛应用于工业生产和制造领域，而且在航空、海洋探测、危险或恶劣环境，以及日常生活和教育娱乐中获得了大量应用，并不断改变着人们的生产生活方式。机器人已经成为现代高科技的应用载体，而且迅速发展成为一门相对独立研究的交叉技术学科，形成了特有的理论研究和学术发展方向。本书从机器人学及其所运用的人工智能等领域的关键技术出发，在内容安排上突出科学性和系统性，注重理论与工程实际的结合、基础知识与现代技术的结合、系统设计与应用的结合。
本书共分8章，第1章主要介绍机器人的基础知识，包括机器人的产生与发展、定义、分类，机器人关键技术，机器人系统的设计方法和机器人的应用；第2章主要介绍机器人的机械结构，包括机器人的基本组成及主要技术参数、移动机构、传动机构以及机器人的位姿问题；第3章主要介绍机器人的驱动系统，包括常用的驱动方式如液压驱动、气压驱动、步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动等，还介绍了一些新型驱动器；第4章主要介绍机器人的传感器系统，包括常用传感器的分类、功能与要求及选择条件，机器人内部与外部传感器的类型与工作原理，典型内外部传感器的原理及应用，多传感器信息融合技术；第5章主要介绍机器人的控制系统，包括控制系统概述，工业机器人控制的分类，机器人位置控制、运动轨迹控制，机器人动作与知觉，机器人软件等内容；第6章主要介绍机器人的设计与应用，包括焊接机器人、装配机器人、喷漆机器人、移动式搬运机器人、医疗机器人、看护机器人、救援机器人、建筑机器人、洁净与真空机器人、清洁机器人、农业机器人、太空机器人、个人交通工具、水下机器人、无人飞行器等，并对机器人产业链、机器人工作站的设计与应用做了介绍；第7章主要介绍机器人新技术与系统，包括机器人认知与心理学、生物学与仿生技术、感触控制技术、交互沟通控制技术等；第8章主要介绍美国机器人技术发展路线图，包括制造转型、用户服务、医疗保健、公共安全、空间探索等领域机器人技术发展与研究路线。
本书可作为科研工作者和工程技术人员的参考书，也可作为高等院校机器人工程、智能制造工程、机械电子工程及相近专业师生的参考书。
本书由陈继文、姬帅、杨红娟、郑忠才、于复生、李坤、郭新华、范文利、逄波编写。周京国、李凯凯协助整理了部分素材。感谢山东建筑大学机电工程学院、山东省绿色制造工艺及其智能装备工程技术研究中心、山东省起重机械健康智能诊断工程研究中心、山东省绿色建筑协同创新中心的支持。本书在编写过程中，参阅了相关的文献资料成果，在此一并致以深深的感谢。
本书也承蒙国家自然科学基金项目( 61303087)、山东省重点研发计划项目（2019GGX104095）、山东省研究生教育创新计划项目（SDYY16027）、山东省研究生导师能力提升计划项目（SDYY18130）、山东省绿色建筑协同创新中心创新团队支持计划项目(X18024Z)的支持。
由于编著者水平所限，书中存在不足之处，恳请广大读者给予批评指正。

编著者

本书系统地介绍了机器人技术与智能系统的基础知识、工作原理以及设计与应用实例。全书共分8章,主要内容有：机器人的定义与分类，机器人的基本组成、技术参数、移动机构和传动机构，机器人的液压驱动、气压驱动、步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动等，机器人传感器的类型与工作原理、多传感器信息融合，机器人位置控制、运动轨迹控制、动作与知觉及相关的机器人软件等，不同领域机器人的设计与应用，机器人新技术与系统，美国机器人技术发展路线图。本书从机器人学及其所运用的人工智能等领域的关键技术出发，在内容安排上突出科学性与系统性，注重理论与工程实际的结合、基础知识与现代技术的结合、系统设计与应用的结合。
本书可作为科研工作者和工程技术人员的参考书，也可作为高等院校机器人工程、智能制造工程、机械电子工程及相近专业师生的参考书。

第1章　绪论 1
　1.1　机器人的产生与发展 1
 1.1.1　机器人的由来 1
 1.1.2　现代机器人的发展史 2
 1.1.3　我国机器人发展现状 3
 1.1.4　机器人发展相关政策 4
　1.2　机器人的定义 5
　1.3　机器人的分类 6
　1.4　机器人关键技术 10
 1.4.1　感知与学习 10
 1.4.2　规划与决策 11
 1.4.3　动力学与控制 11
 1.4.4　人机交互 12
　1.5　机器人系统的设计方法 13
　1.6　机器人的应用 14
 1.6.1　工业应用 14
 1.6.2　无人驾驶 15
 1.6.3　室内服务 15
 1.6.4　物流运输 17
 1.6.5　极端环境 17
 1.6.6　军事应用 19
 1.6.7　医疗应用 20
 1.6.8　灾难救援 21
 1.6.9　机器人大赛 22

第2章　机器人的机械结构 24
　2.1　机器人的基本组成 24
 2.1.1　机构 24
 2.1.2　驱动系统 24
 2.1.3　感受系统 24
 2.1.4　控制系统 26
 2.1.5　人机交互系统 27
 2.1.6　机器人-环境交互系统 27
　2.2　机器人的技术参数 27
　2.3　机器人的移动机构 31
 2.3.1　车轮式移动机构 31
 2.3.2　履带式移动机构 34
 2.3.3　腿足式移动机构 36
 2.3.4　其他形式的移动机构 36
　2.4　机器人的传动机构 37
 2.4.1　丝杠传动机构 37
 2.4.2　带传动与链传动机构 37
 2.4.3　齿轮传动机构 38
 2.4.4　谐波传动机构 41
 2.4.5　凸轮与连杆传动机构 42
　2.5　机器人的位姿问题 43
 2.5.1　机器人坐标系 43
 2.5.2　圆柱坐标式主体机构位姿问题举例 44
 2.5.3　球坐标式主体机构位姿问题举例 45

第3章　机器人的驱动系统 47
　3.1　机器人的驱动方式 47
 3.1.1　机器人驱动方式 47
 3.1.2　驱动系统的性能 48
　3.2　液压与气压驱动系统 49
　3.3　电气驱动系统 51
　3.4　新型驱动器 53
 3.4.1　微型致动器 53
 3.4.2　RC伺服电机 55
 3.4.3　ER/MR流体 58
 3.4.4　人工肌肉、高分子致动器 60

第4章　机器人的传感器系统 64
　4.1　机器人常用传感器 64
 4.1.1　机器人需要的感觉能力 64
 4.1.2　机器人传感器的分类 66
　4.2　机器人传感器的要求与选择 66
　4.3　常用机器人内部传感器 67
 4.3.1　机器人的位置检测传感器 67
 4.3.2　机器人的运动检测传感器 69
　4.4　常用机器人外部传感器 74
 4.4.1　机器人触觉传感器 74
 4.4.2　机器人接近觉传感器 77
 4.4.3　测距仪 79
 4.4.4　机器人力觉传感器 82
 4.4.5　机器人滑觉传感器 84
 4.4.6　机器人视觉传感器 86
 4.4.7　味觉与嗅觉传感器 88
 4.4.8　GPS与GNSS 90
　4.5　多传感器信息融合 92

第5章　机器人的控制系统 95
　5.1　控制系统概述 95
 5.1.1　机器人控制系统的基本功能 95
 5.1.2　机器人控制系统的组成 95
 5.1.3　机器人控制的主要技术 96
 5.1.4　工业机器人控制的特点 98
　5.2　工业机器人控制的分类 99
 5.2.1　位置控制方式 99
 5.2.2　速度控制方式 99
 5.2.3　力（力矩）控制方式 100
　5.3　工业机器人的位置控制 100
　5.4　工业机器人的运动轨迹控制 100
 5.4.1　路径和轨迹 101
 5.4.2　轨迹规划 101
　5.5　机器人动作 104
 5.5.1　二足步行 104
 5.5.2　被动步行与基于动态控制 106
 5.5.3　机器学习与统计决定行动 107
 5.5.4　运动规划 110
　5.6　机器人知觉 113
 5.6.1　同步定位与建图 113
 5.6.2　动作识别理解 115
 5.6.3　人脸识别 117
 5.6.4　粒子滤波器 120
 5.6.5　动作捕捉 123
　5.7　机器人软件 125

第6章　机器人的设计与应用 130
　6.1　焊接机器人 130
　6.2　装配机器人 135
　6.3　喷漆机器人 138
　6.4　移动式搬运机器人 141
　6.5　医疗机器人 144
　6.6　看护机器人 146
　6.7　救援机器人 147
　6.8　建筑机器人 149
　6.9　洁净与真空机器人 151
　6.10　清洁机器人 154
　6.11　农业机器人 156
　6.12　太空机器人 158
　6.13　个人交通工具 160
　6.14　水下机器人 162
　6.15　无人飞行器 163
　6.16　机器人产业链 165
　6.17　机器人工作站的设计与应用 170

第7章　机器人新技术与系统 179
　7.1　机器人认知与心理学 179
 7.1.1　认知发展机器人学 179
 7.1.2　机器人的心理学 180
　7.2　机器人生物学与仿生技术 182
 7.2.1　分子机器人学 182
 7.2.2　生物体与机器人的融合 185
 7.2.3　仿生学 186
 7.2.4　仿人机器人 187
 7.2.5　人体辅助技术 188
 7.2.6　强化服 190
 7.2.7　软体机器人 192
　7.3　机器人感触控制技术 193
 7.3.1　认知型BMI下的外部机器控制系统 193
 7.3.2　机器人听觉 193
 7.3.3　触觉反馈装置 195
　7.4　机器人交互沟通控制技术 197
 7.4.1　沟通型机器人 197
 7.4.2　数字人技术 200
 7.4.3　双子机器人 202
 7.4.4　人机交互技术 203
　7.5　机器人其他技术 205
 7.5.1　并联机构 205
 7.5.2　操控装置与机械手 207
 7.5.3　高速操控装置 209
 7.5.4　微型机器人 211
 7.5.5　智慧城市 214
 7.5.6　机器人设计与安全技术 216

第8章　美国机器人技术发展路线图 220
　8.1　制造转型 220
　8.2　用户服务 222
　8.3　医疗保健 223
　8.4　公共安全 226
　8.5　空间探索 230
　8.6　研究路线 234

参考文献 244