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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 SHRDRU594

5.6.4 STRIPS595

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 StateNet598

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 802.11742

8.3.2 蓝牙743

8.4　LAN743

8.5　WAN744

8.5.1 ISDN744

8.5.2　帧转接744

8.5.3　ATM744

8.5.4　传送延迟744

8.6　互联网745

8.6.1　WWW745

8.6.2 安全745

8.6.3 VPN746

8.6.4　QoS746

8.7 内部LAN747

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CPU759

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　AGV928

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 ITS1028

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 ROV1073

4.3.4 AUV1073

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