描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787122332769丛书名: “中国制造2025”出版工程
本书共11章, 分别从力触觉感知系统原理、设计方法、分析、建模、研制和应用等方面展开阐述, 对力触觉感知系统的设计和研制、建模方法研究、多维力/力矩信息的智能信息处理模型的建立、高精度标定和解耦方法等内容进行了重点讲解。本书注重实际的力触觉系统的设计和应用, 使读者在了解了机器人力触觉感知技术的基本原理和研究现状的同时, 对力触觉感知系统的实际开发有深入的了解。
本书图文并茂、实际应用性强, 适合机器人技术相关方向的研究者和大专院校师生学习,也适合智能新技术领域的从业人员参考。
第1章 绪论 1
1.1 概述 / 2
1.2 智能机器人感知技术的发展 / 4
1.3 智能机器人信息获取概述 / 7
参考文献 / 8
第2章 智能机器人感知系统 10
2.1 概述 / 11
2.2 智能机器人多维力/力矩信息感知获取 / 15
2.2.1 智能机器人多维力/力矩传感器研究现状 / 15
2.2.2 智能机器人多维力/力矩传感器的分类 / 19
2.2.3 电阻式多维力/力矩传感器检测原理 / 19
2.2.4 智能机器人多维力/力矩传感器的发展 / 20
2.3 智能机器人触觉感知技术 / 23
2.3.1 压电式触觉传感器 / 23
2.3.2 压阻式触觉传感器 / 25
2.3.3 电容式触觉传感器 / 26
2.3.4 其他触觉传感器 / 28
2.3.5 触觉传感器的应用 / 30
2.3.6 触觉传感器的发展趋势 / 33
2.3.7 存在问题 / 40
参考文献 / 40
第3章 力敏导电橡胶的理论基础 44
3.1 概述 / 45
3.2 导电橡胶的导电性 / 46
3.2.1 基础理论 / 46
3.2.2 导电机理 / 47
3.3 导电橡胶的力敏特性 / 49
3.3.1 压敏特性 / 50
3.3.2 外力-电阻计算模型 / 51
3.4 力敏导电橡胶的应用 / 56
3.4.1 力敏导电橡胶的特色应用 / 56
3.4.2 力敏导电橡胶在触觉传感器中的应用 / 57
参考文献 / 60
第4章 柔性三维触觉传感器的结构研究 62
4.1 概述 / 63
4.2 整体三层式结构 / 65
4.2.1 阵列结构及力学模型 / 65
4.2.2 局限性分析 / 68
4.3 整体两层式结构 / 69
4.3.1 阵列结构及力学模型 / 69
4.3.2 局限性分析 / 74
4.4 改进型两层式结构 / 74
4.4.1 阵列结构及力学模型 / 74
4.4.2 仿真实验 / 80
4.4.3 局限性分析 / 82
参考文献 / 83
第5章 整体两层网状式结构的柔性三维触觉传感器研究 84
5.1 概述 / 85
5.2 整体两层对称式网状结构的传感器研究 / 85
5.2.1 阵列结构 / 85
5.2.2 行列扫描电路 / 87
5.2.3 传感器的解耦 / 89
5.3 整体两层非对称式网状结构的传感器研究 / 100
5.3.1 阵列结构 / 100
5.3.2 单点受力模型 / 101
5.3.3 多点受力模型 / 103
5.3.4 解耦实验 / 105
5.4 基于隧道效应模型的传感器研究 / 116
5.4.1 敏感单元的制作流程 / 118
5.4.2 受力分析 / 120
5.4.3 解耦方法探讨 / 124
参考文献 / 125
第6章 柔性三维触觉传感器的标定研究 126
6.1 概述 / 127
6.2 标定平台的设计 / 128
6.3 标定实验 / 130
6.4 基于BP神经网络的柔性三维触觉传感器标定 / 134
6.4.1 BP神经网络 / 134
6.4.2 利用BP神经网络实现传感器标定 / 136
参考文献 / 143
第7章 机器人力觉信息获取的研究 144
7.1 电阻式多维力/力矩传感器检测原理 / 145
7.2 电容式多维力/力矩传感器检测原理 / 149
7.3 压电式多维力/力矩传感器检测原理 / 151
7.4 光纤光栅式多维力/力矩传感器检测原理 / 155
7.5 力觉传感器性能评价指标 / 156
7.6 机器人微型指尖少维力/力矩信息获取的研究 / 157
7.6.1 四维指尖力/力矩传感器结构 / 157
7.6.2 五维力/力矩传感器结构 / 160
7.6.3 静、动力学仿真及分析 / 162
7.6.4 应变片布片及组桥 / 173
7.6.5 标定及校准实验设计与维间解耦 / 177
7.6.6 传感器精度性能评价 / 179
7.6.7 机器人微型四维指尖力/力矩信息获取实例 / 181
参考文献 / 184
第8章 机器人多维力/力矩传感器解耦方法的研究 185
8.1 静态线性解耦 / 187
8.1.1 直接求逆法（n=6） / 187
8.1.2 小二乘法（n＞6） / 187
8.2 静态非线性解耦 / 188
8.2.1 基于BP神经网络的多维力/力矩传感器解耦 / 188
8.2.2 基于支持向量机SVR的多维力/力矩传感器解耦 / 189
8.2.3 基于极限学习机的多维力/力矩传感器解耦 / 192
8.2.4 稀疏电压耦合贡献的极限学习机解耦（MIVSV-ELM）
/ 195
8.3 实验 / 197
8.3.1 标定实验 / 197
8.3.2 解耦实验 / 199
8.3.3 BP、SVR 及ELM三种非线性解耦算法的对比分析 / 204
参考文献 / 205
第9章 基于力觉感知的三维坐标测量系统 206
9.1 接触式三维坐标测量和补偿原理 / 208
9.1.1 基于五维力/力矩传感器的三维坐标测量原理 / 208
9.1.2 三维坐标测量弹性变形补偿 / 208
9.1.3 三维坐标测量综合不确定度 / 209
9.2 基于五维力/力矩传感器的探测头系统设计 / 210
9.2.1 集成式五维力/力矩传感器的设计 / 210
9.2.2 仿真驱动的集成式五维力/力矩传感器的设计 / 211
9.3 五维力/力矩传感器的研制 / 213
9.4 五维力/力矩传感器的标定 / 216
参考文献 / 218
第10章 仿人机器人足部多维力/力矩传感器的设计与研究 219
10.1 概述 / 220
10.2 基于Stewart的六维力/力矩传感器概述 / 221
10.2.1 Stewart并联机构简介 / 221
10.2.2 基于Stewart并联机构的六维力传感器概述 / 222
10.3 仿人机器人新型足部设计及六维力/力矩消息获取实现 / 226
10.3.1 仿人机器人足部概述 / 226
10.3.2 基于并联机构的新型足部机构设计 / 226
10.3.3 运动学分析 / 228
10.3.4 刚度分析 / 231
10.3.5 足部力/力矩信息获取 / 233
10.4 基于柔性并联机构的六维力/力矩传感器 / 238
10.4.1 新型关节设计 / 238
10.4.2 基于柔性并联机构的六维力/力矩传感器结构 / 240
参考文献 / 241
第11章 水下机器人腕部六维力/力矩信息获取 243
11.1 概述 / 244
11.2 水下特殊环境下的力感知关键技术 / 244
11.3 水下机器人腕部六维力/力矩传感器设计 / 245
11.3.1 系统构造及检测原理 / 245
11.3.2 传感器静态力学分析 / 247
11.3.3 传感器布片及组桥 / 252
11.3.4 传感器精度性能评价 / 255
11.4 水下六维力/力矩传感器扩展： 超薄六维力/力矩传感器 / 257
11.5 水下机器人腕部六维力/力矩信息获取应用实例 / 261
参考文献 / 262
附录 多维力传感器解耦算法代码
263
操控智能化是机器人技术领域研究和发展的主要趋势之一，而系统的感知和反馈是高级智能行为的必要手段。力触觉感知系统能获取机器人作业时与外界环境之间的相互作用力，进而实现机器人的力觉、触觉和滑觉等信息的感知。
本书在作者所在的机器人感知技术团队的多项国家和省部级科研课题（NSFC.6167316，Hunan NSFC.2016JJ3045，IRT 2018003）成果的基础上，详细介绍机器人的力触觉感知系统。本书共11章，分别从力触觉感知系统原理、设计方法、分析、建模、研制和应用展开阐述。第1章为绪论，简单介绍了智能机器人感知技术的发展；第2章概括地介绍了机器人力觉和触觉感知技术，包括感知技术的基本原理、常见的分类和研究现状；第3章阐述了力敏导电橡胶的基础理论和研究现状，对其导电性和导电机理进行了初步探讨，分析了导电橡胶的力敏特性，并介绍了力敏导电橡胶在触觉传感器及其他领域中的应用；第4 章对基于力敏导电橡胶触觉感知系统设计方法展开了论述，并通过三种具有整体多层结构的多维触觉传感器详细介绍了触觉感知系统设计方法，传感器的受力分析模型的建立方法，并通过相应的指标描述了设计的三种结构的优缺点；第5章在第4章的基础上，设计了一种基于力敏导电橡胶的可整体液体成型的两层非对称式网状传感器敏感单元结构，其兼有柔韧性和检测三维力的能力，基于导电橡胶材料的隧道效应计算模型对传感器的物理模型进行了改进，建立了更加符合橡胶材料实际性质的三维力检测模型；第6章对柔性三维触觉传感器的标定方法进行了研究，并设计了基于BP神经网络的触觉传感器标定方法；第7章介绍了常见的电阻式、电容式、光电式和压电式多维力/力矩传感器的检测原理，并通过指尖四维力/力矩传感器的设计阐述了力觉感知系统的设计方法和步骤；第8章介绍了常见的多维力觉感知系统的标定和解耦算法，通过实例分析了各种解耦算法的性能；第9～11章分别通过基于力觉感知的三维坐标测量系统、仿人机器人足部多维力/力矩传感器的设计与研究、水下机器人腕部六维力/力矩信息获取等介绍了力觉感知系统的应用。
本书由湖南大学王耀南（第1章和第2章）、昆明船舶设备研究试验中心徐菲（第3～6章）、湖南大学梁桥康（第7～11章）编著。全书由梁桥康负责统稿和审校。中国科学院合肥物质科学研究院研究员葛运建为本书的编写提供了很多的指导和帮助。此外，湖南大学伍、龙建勇等为本书相关章节的标定和解耦实验做了大量工作。
本书适合机器人技术相关方向的研究者和学生阅读和参考，也适合智能新技术领域的从业人员参考学习。作者希望通过本书的介绍，吸引更多的有志青年选择智能机器人感知系统作为自己的研究方向，从事机器人感知、人机交互和人工智能等相关的职业，并积极加入机器人技术、仿生感知与新型传感器、信号获取与处理、人工智能及其应用领域的研究队伍。
限于作者水平，书中疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。
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