智能机器人导论

本书《对智能机器人所涉及的结构设计、控制系统、感知与决策、运动规划等关键技术进行了详细阐述，并对新技术的发展现状及应用进行了分析，深入浅出，使读者对智能机器人有系统全面的认识。本书具有以下特色：（1）内容全面、系统性强。涵盖了智能机器人关键技术及在不同领域的应用前景，内容详实。（2）兼顾基础性与前沿性。对于智能机器人相关内容的描述，既包含相关基础知识，又包含前沿研究成果，满足不同读者的需求。（3）对应用场景描述清晰。详细描述了智能机器人在各个领域中的应用成果及所用到的关键技术，提升了读者对智能机器人的了解。

本书对智能机器人的关键技术及应用进行了较为全面的阐述。全书共分10章，包括绪论、机器人机构设计、机器人感知系统、智能机器人控制技术、机器人运动规划、工业机器人、智能服务机器人、智能特种机器人、群体机器人和智能机器人发展趋势。全书给出了智能机器人相关的大量案例，使读者能够较为全面地了解智能机器人所涉及的关键技术、应用场景及使用效果，同时对智能机器人发展脉络及未来发展趋势有一个详细的了解。本书是机器人工程、智能制造工程等相关专业的教材，也可作为机器人行业的工程技术人员的参考书。

张自强，北京工业大学，副教授，男，工学博士，毕业于北京航空航天大学机器人研究所，现为北京工业大学材料与制造学部副教授，博士生导师，北京市杰出青年科学基金获得者。围绕机器人与机构学，长期从事机器人构型设计与运动规划方面的研究，在多约束条件下串联机构及单自由度机构构型设计、复杂环境下刚柔耦合仿生机器人运动规划、冗余度机械臂运动规划等方面取得了一定的研究成果，同时开展大型机械装备应用研究，服务国家重大需求。作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目及青年项目、北京市自然科学基金面上项目等国家及省部级项目近十项，同时主持和参与多项横向课题。近年来以一作（通讯作者）在国内外知名期刊上发表SCI/EI论文近30篇，获得全国商业科技进步奖二等奖1项（排名二）。

第1章　绪论 1
1.1  概述 2
1.2  智能机器人的定义 4
1.3  机器人的发展历程 5
1.3.1  机器人的发展历史及现状 5
1.3.2  中国机器人的发展历程 9
1.4  智能机器人的组成及分类 12
1.4.1  智能机器人系统组成 12
1.4.2  机器人的分类 14
1.5  本章小结 18
参考文献 19

第2章　机器人机构设计 20
2.1  机器人机构设计概述 21
2.2  机器人机构的基本知识 21
2.2.1  机构的基本组成 21
2.2.2  运动链、机构与机器人 23
2.2.3  机器人机构的分类 24
2.3  串联机器人机构 26
2.3.1  机构组成及特点 26
2.3.2  串联机构运动学分析 29
2.4  并联/混联机构 34
2.4.1  并联机构 34
2.4.2  混联机构 37
2.5  新型机构 38
2.5.1  柔性机构 38
2.5.2  软体机构 47
2.5.3  微操作机器人 54
2.6  本章小结 58
参考文献 59

第3章　机器人感知系统 60
3.1  机器人的感知系统概述 61
3.1.1  感知系统的概念 61
3.1.2  感知系统的组成 61
3.1.3  感知系统的交互作用 62
3.2  传感器及其功能 62
3.2.1  传感器定义与组成 63
3.2.2  传感器基本特性与指标 63
3.2.3  机器人传感器简介 72
3.2.4  新型智能传感器 90
3.3  感知信息的处理技术 93
3.3.1  视觉信息感知技术 93
3.3.2  听觉信息感知技术 101
3.3.3  多传感器信息融合技术 105
3.4  本章小结 112
参考文献 113

第4章　智能机器人控制技术 114
4.1  智能机器人控制系统概述 115
4.1.1  智能机器人控制系统特点 115
4.1.2  控制理论的发展历程 116
4.2  机器人传统控制技术 119
4.2.1  位置控制 120
4.2.2  力控制 125
4.3  机器人智能控制技术 132
4.3.1  智能控制概述 132
4.3.2  模糊控制 138
4.3.3  神经网络控制 145
4.3.4  专家控制 154
4.4  本章小结 160
参考文献 161

第5章　机器人运动规划 162
5.1  机器人运动规划概述 163
5.2  机械臂运动规划 163
5.2.1  笛卡儿空间运动规划 163
5.2.2  关节空间运动规划 167
5.2.3  典型任务下的运动规划 175
5.3  移动机器人运动规划 186
5.3.1  静态环境下的规划 187
5.3.2  动态环境下的规划 193
5.4  本章小结 194
参考文献 195

第6章　工业机器人 196
6.1  工业机器人概述 197
6.2  工业机器人的组成 198
6.2.1  机器人本体 198
6.2.2  常用的附件 199
6.3  机器人驱动系统 201
6.3.1  典型驱动方式 201
6.3.2  新型驱动方式 205
6.4  关键零部件 207
6.4.1  谐波减速器 207
6.4.2  RV减速器 214
6.4.3  控制器 221
6.4.4  示教器 223
6.5  工业机器人技术标准 224
6.6  工业机器人的典型应用 227
6.6.1  焊接机器人 227
6.6.2  码垛机器人 233
6.6.3  装配机器人 235
6.7  本章小结 239
参考文献 240

第7章　智能服务机器人 241
7.1  智能服务机器人概述 242
7.2  护理机器人 243
7.2.1  护理机器人概述 243
7.2.2  护理机器人关键技术 243
7.2.3  护理机器人的分类及应用 244
7.2.4  护理机器人未来发展趋势 270
7.3  手术机器人 270
7.3.1  手术机器人概述 270
7.3.2  手术机器人关键技术 271
7.3.3  手术机器人的分类及应用 271
7.3.4  手术机器人未来发展趋势 290
7.4  康复机器人 292
7.4.1  康复机器人概述 292
7.4.2  康复机器人关键技术 293
7.4.3  康复机器人的分类及应用 293
7.4.4  康复机器人未来发展趋势 304
7.5  本章小结 305
参考文献 305

第8章　智能特种机器人 308
8.1  智能特种机器人概述 309
8.2  共性关键技术 309
8.3  空间机器人 310
8.3.1  空间机械臂 311
8.3.2  星球探测机器人 316
8.4  搜救机器人 320
8.4.1  搜救机器人分类 320
8.4.2  空中搜索机器人 320
8.4.3  地面搜救机器人 322
8.4.4  搜救机器人发展趋势 325
8.5  巡检机器人 326
8.5.1  巡检机器人概述 326
8.5.2  巡检机器人分类 326
8.5.3  典型巡检机器人 327
8.5.4  巡检机器人发展趋势 332
8.6  仿生机器人 332
8.6.1  仿生机器人分类 333
8.6.2  陆地仿生机器人 333
8.6.3  水下仿生机器人 342
8.6.4  空中仿生机器人 346
8.6.5  跨介质仿生机器人 349
8.6.6  仿生机器人发展趋势 350
8.7  其他特种机器人 351
8.7.1  折纸机器人 351
8.7.2  微纳机器人 356
8.8  本章小结 359
参考文献 360

第9章　群体机器人 362
9.1  群体机器人概述 362
9.2  群体机器人关键技术 363
9.3  典型群体机器人系统 363
9.3.1  同构群体机器人系统 364
9.3.2  异构群体机器人系统 366
9.4  群体机器人展望 369
9.5  本章小结 370
参考文献 371

第10章　智能机器人发展趋势 372
10.1  智能机器人发展概述 372
10.2  智能机器人关键技术 373
10.3  智能机器人产业发展 376
10.3.1  重点产品 376
10.3.2  关键零部件 377
10.4  智能机器人伦理 378
10.4.1  社会服务方面 378
10.4.2  人机安全方面 379
10.4.3  伦理道德方面 380
10.5  本章小结 380
参考文献 380

智能机器人是先进制造与新一代信息技术融合的前沿方向，是全球科技竞争与产业升级的重要领域。工业和信息化部等多部门印发的《“十四五”智能制造发展规划》中明确指出，到2025年，中国将成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地，机器人产业营业收入年均增长超过20%，制造业机器人密度实现翻番。为此，有必要大力发展智能机器人技术，不断推动智能机器人在生产生活中的应用。
智能机器人的研发涉及机构设计、环境感知、智能控制、运动规划等关键技术，与机械工程、控制工程、计算机科学与技术、仪器科学与技术、材料科学与工程等多个学科息息相关，是一个多学科交叉融合系统。从应用角度而言，智能机器人种类繁多、结构形式多样，可应用于工业、农业、服务业、航空航天、军事等众多领域，可根据不同领域的特殊需求进行定制化设计，代替人完成特定的复杂任务。
近年来，机器人领域相关专业书籍种类繁多，但主要聚焦机器人某一细分领域所涉及的关键技术及应用，对于智能机器人整体发展现状及趋势进行系统描述的书籍相对较少，为此，笔者编写了《智能机器人导论》一书。在编写的过程中，主要遵循以下原则：
① 系统性与全面性。力求对智能机器人的关键技术、应用场景、发展趋势等内容进行较为系统的概述，以尽力展现智能机器人领域的全貌。
② 基础性与前沿性。作为智能机器人领域的入门类书籍，对内容的描述力求深入浅出，突出其基础性作用。同时，兼顾智能机器人的前沿性，对智能机器人所涉及的尖端技术进行分析。
③ 工程化与实用性。以实际应用案例为背景，结合智能机器人关键技术，对其现阶段应用领域及应用效果进行分析，使读者了解智能机器人具体应用现状及前景。
本书共10章。第1章对机器人的发展历程及机器人的组成和分类进行概述，使读者对智能机器人有一个宏观认识。第2～5章对智能机器人所涉及的关键技术进行详细阐述，第2章介绍了机器人的机构设计技术，主要包括串联机构、并联机构及其他新型机器人机构；第3章介绍了智能机器人的感知系统，主要包括各类典型传感器及感知信息的处理方法；第4章介绍了智能机器人的控制技术，主要包括位置控制、力控制等传统控制技术，以及模糊控制、神经网络控制和专家控制等智能控制技术；第5章介绍了智能机器人的运动规划，主要包括机械臂运动规划及移动机器人运动规划。第6～9章对智能机器人的实际应用场景及应用效果进行了详细阐述，第6章介绍了工业机器人的基本组成及应用场景；第7章介绍了智能机器人在服务领域的应用，包括护理机器人、手术机器人、康复机器人等；第8章介绍了智能机器人在特种领域的应用，包括空间机器人、搜救机器人、巡检机器人、仿生机器人，以及折纸机器人、微纳机器人等其他类型机器人；第9章介绍了群体机器人的关键技术及应用。第10章在对智能机器人前沿热点技术进行阐述的基础上，对其未来发展趋势进行了展望。
本书第1～3章由宁萌撰写；第4～6章由张锐撰写；第7～10章由张自强撰写。本书由张自强统稿与审校。北京工业大学的王智、杨尚昆、康天宇、刘晓朔、吴启才，以及江南大学的王雨芊、马泓睿、陈义亮、蔡礼扬参与了部分内容的编写，在此表示衷心的感谢。同时，本书在编写过程中，引用并参考了大量机器人领域相关专业书籍及文献，在此一并表示感谢。
《智能机器人导论》一书涉及众多专业领域，由于编者水平有限，若有不妥之处，敬请各位同行和广大读者批评指正。

编者