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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-Glove211

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