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Springer机器人手册
- 简介
机器人，机器人在火星和海洋中，在医院和医院家庭，工厂和学校;机器人扑灭火灾，制造商品和产品，节省时间和生命... 今天的机器人正在对许多人产生相当大的影响，从工业制造到现代生活的各个方面医疗保健，交通和深度探索空间和海洋。明天，机器人将会普及 和今天的个人电脑一样个人。创造技术和智能的机器的梦想从一开始就是人类的一部分。这个梦想现在正在成为我们世界的一部分。
自早期文明以来，人类最伟大的文明之一野心一直在他们的形象中创造文物。 塑造人类的泰坦普罗米修斯的传说从粘土，或巨型Talus的，那个见证了赫菲斯托斯（公元前3500年）所铸造的青铜奴隶希腊神话中的这一追求。埃及人的神谕也许在里面（公元前2500年）藏有祭司的雕像我们现代思维机器的前身。古巴比伦人引入的漏壶水钟（公元前1400年）是第一台自动机械设备文物。在接下来的几个世纪里，人类的创造力已经引起了诸如自动机之类的大量设备，亚历山大英雄剧院（公元100年）水力发电水机和人形机器 Al Jazari（1200）和达芬奇的无数巧妙的设计（1500）。自动机械的发展在欧洲十八世纪继续蓬勃发展。
机器人的“概念”是由那些许多创造性的历史实现清楚地确立的。 尽管如此，“物理”机器人的出现不得不等待二十世纪期间其基础技术的出现。 1920年，机器人一词源于“robota”，意思是Slav语言的下属劳动力 - 是由捷克剧作家Karel Capek在他的剧本“Rossum#39;s Universal Robots（R.U.R.）”中首次提出的。 1940年，机器人与人类交往的伦理学被设想为由着名的三部基本法则 - 伊萨克·阿西莫夫（Isaac Asimov），俄罗斯科幻小说作家在他的小说“Runaround”中描述的。
二十世纪中叶带来了人类智能与机器之间联系的第一次探索，标志着人工智能（AI）领域肥沃研究时代的开始。大约在那个时候，第一个机器人被实现了。他们受益于机械，控制，计算机和电子等不同技术的进步。与往常一样，新设计激发新的研究和发现，反过来导致增强的解决方案，从而导致新颖的概念。随着时间的推移，这种良性循环产生了产生机器人领域的知识和理解，这些知识和理解恰当地被称为：机器人的科学技术。
1960年代建造的早期机器人源于两种技术的融合：用于精确制造的数控机器和用于远程放射性材料处理的远程操作设备。这些主人的手臂被设计用于复制人体手臂的一对一机制，并且对环境有着基本的控制和很少的感知。然后，在二十世纪中后期，集成电路，数字计算机和微型组件的发展使计算机控制的机器人得以设计和编程。这些称为工业机器人的机器人在20世纪70年代后期成为柔性制造系统自动化的重要组成部分。除了在汽车行业的广泛应用之外，工业机器人还成功应用于一般工业领域，如金属制品，化工，电子和食品行业。最近，机器人在工厂外发现了新的应用，如清洁，搜索和救援，水下，太空和医疗应用等领域。
在20世纪80年代，机器人被定义为科学研究知觉之间的智能联系和行动。 参照这个定义，机器人系统的动作被委托给运动装置在环境中（轮子，履带，腿，螺旋桨）和/或操纵装置在存在于环境中的物体（臂，末端执行器，人造手）上移动，其中合适的致动器使机器人的机械部件。感知从传感器中提取，提供有关机器人状态（位置和速度）及其周围环境（力和触觉，范围和视觉）的信息。智能连接委托给编程，规划和控制架构，该架构依赖于机器人和环境的感知和可用模型，并利用学习和技能获取。
在20世纪90年代，由于需要借助机器人来解决危险环境中的人身安全（野外机器人技术），或者为了提高操作人员的能力并减少他/她的疲劳（人为增加），或者通过开发愿望具有广泛潜在市场的产品旨在提高生活质量（服务机器人）。这种应用场景的一个共同特点是需要在一个几乎没有结构的环境中运行，这最终需要更高的能力和更高的自主权。
在新千年来临之际，机器人技术在范围和规模上发生了重大转变。这种扩张是由于该领域的成熟和相关技术的进步而带来的。从主要占主导地位的工业重点来看，机器人已经迅速扩展到人类世界的挑战中（以人为本和类似生活的机器人技术）。预计新一代机器人将安全可靠地与人类在家庭，工作场所和社区共栖，为服务，娱乐，教育，医疗保健，制造和援助提供支持。
除了对物理机器人的影响之外，知识机器人的主体已经揭示了跨越不同研究领域和科学学科的更广泛的应用范围，例如：生物力学，触觉，神经科学，虚拟模拟，动画，手术和传感器网络等等。作为回报，新兴领域的挑战为机器人领域提供了丰富的激励和见解。这确实是最突出的进展发生在各个学科的交叉点。
今天，新的用户和开发人员社区正在形成，与机器人研究核心的联系日益密切。 机器人社区的战略目标是与这些社区进行外展和科学合作。 该领域未来的发展和预期的增长主要取决于研究界实现这一目标的能力。 在过去的几十年中，在档案出版物和会议报告中传播研究成果和研究结果在机器人技术的发展中发挥了重要作用。 机器人科学活动的范围导致建立专门的社团和研究网络致力于该领域。
文献中记载的机器人研究的密集流程最终成为了这一独特的参考资料，旨在收集我们国际机器人界最重大的成就。 Springer机器人手册从其基础，贯穿研究领域到机器人新兴应用的全面介绍。因此，材料按照三个逻辑层次进行组织，反映了该领域的历史发展情况，如图1所示。机器人科学的基础在第一层（第A部分共9章）中阐述，机器人力学，传感，计划和控制。机器人结构的综合方法和技术（B部分共9章），感知和感知（C部分共7章），操纵和接口（D部分及其8章）和移动和分布式机器人技术（E部分及其第8章）在第二层中介绍。第三层致力于高级应用，例如现场和服务机器人（F部分14章）以及以人为中心和逼真的机器人技术（G部分有9章）。
A部分介绍了用于建模，设计和控制机器人系统的基本原理和方法。所有基础主题都包含在这一部分中：运动学，动力学，机械设计与驱动，感知与估计，运动规划，运动控制，力控制，机器人系统架构与编程以及用于任务规划与学习的AI推理方法。一章专门讨论了这些主题。这些主题已扩展并应用于后续部分中的特定机器人结构和系统。
B部分涉及机器人实际物理实现的设计，建模，运动规划和控制。想到的一些更明显的机械结构是手臂，腿和手;到这个清单可以添加轮式车辆和平台，以及微米和纳米级的机器人结构。本部分的章节分别讨论了性能标准和模型识别，并逐一研究了串行冗余机制，并行机制，柔性机器人，机器人手，机器人腿，轮式机器人以及微米和纳米级机器人。
C部分涵盖了不同的感官模式以及跨空间和时间整合传感器数据以生成机器人模型和外部环境。机器人技术是知觉和行动的智能结合，因此C部分补充了B部分以构建系统。手册的这一部分涵盖了跨接触感知，本体感觉到外部感觉。介绍了触觉，测距，GPS，测距和视觉等主要传感器类型。涵盖了基本的传感器模型，传感器数据处理和相关表示。最后，关于传感器融合的一章介绍了跨越空间和时间集成传感器信息所需的数学工具。
D部分关注机器人与物体之间或人与机器人之间的相互作用。操纵应该通过手臂或手指或推动者的直接接触来处理物体，而接口应该使人类和机器人之间进行直接或间接的相互作用。为了提高机器人操作的灵活性，操作任务的动作，接触建模与操纵，抓取以及合作操纵器在本部分的前半部分中得到解决。为了在人类/机器人系统中实现巧妙的操纵或增加功率，在D部分的后半部分讨论了触觉，tererobotics，网络遥控机器人和用于人类表现增强的外骨骼.E部分涵盖了广泛的主题。这部分内容涉及具有运动学约束，感知和世界建模，同时定位和映射以及将这些能力集成到控制架构中的轮式机器人的运动规划和控制，因为移动机器人实际上是一个复杂集成系统的典范。本部分完成了移动机器人领域基础的A部分，并且考虑到感知的作用，与C部分有关的感知密切相关。此外，还讨论了多机器人交互和系统，包括模块化和可重构机器人以及网络机器人。
F部分涉及创建在各种环境中运行的基于现场和服务应用程序的机器人的主题。这包括从工业机器人到各种空中，陆地，海上和空间应用以及教育机器人等各种应用。本手册的这一部分参考了A，B，C，D和E部分，描述了机器人如何工作。
G部分涉及创建在以人为中心的环境中运行的机器人的主题。这包括具有人形和其他生物启发形态，传感器，执行器和控制架构的机器人的设计。用户界面（如通过演示和编程进行安全编程）也包含在本部分中，并且结束于机器人的社会道德影响。该手册旨在为机器人专家提供有价值的资源，同时也为这个扩展领域的新手（工程师，医生，计算机科学家和设计师）提供宝贵资源。尤其重要的是要强调A部分对研究生和博士后的教程价值，B部分到E部分的研究价值以更广泛地涵盖机器人研究，以及F部分和G部分对工程师的附加价值和对新应用感兴趣的科学家。各章的内容受到经典剪辑的启发，即避免包含正在进行的或不完善的方法。已经采取了客观的观点，同时涵盖了多种方法，其目标是确保手册具有较高的档案价值。每章之前都有一个简短的摘要，以及介绍该地区最先进技术的介绍性部分。核心部分是在教程级别开发的。尽可能避免冗长的数学推导，而方程，表格和算法则以即用形式进行说明。
本章的最后部分提供了进一步阅读的结论和主题。从基础到机器人的社会和伦理意义，手册的64章全面收集了机器人五十年的进展。这笔金额证明了我们领域的成就水平，并且是进一步向机器人新领域前进的前提。
- 第一部分 机器人基础
- 运动学
- 动力学
- 机制和驱动
- 感知和估计
- 运动规划
- 运动控制
- 力量控制
- 机器人系统体系结构及其应用程序设计
- AI机器人的推理方法
A部分“机器人基础”中的章节介绍了用于开发机器人系统的基本原理和方法。为了执行机器人设想的任务，在运动学，动力学，设计，致动，感测，运动计划，控制，编程和任务计划中已经发现了许多具有挑战性的问题。这一部分的章节介绍了这些领域的基本问题。机器人的一些基本问题概述如下。机器人通常由大量的自由度组成，以便他们可以提供一系列任务所需的丰富的三维（3-D）运动。关节执行机构的运动和力矩与任务所需的运动和力量之间的运动和动力关系可能非常复杂。连杆和连接结构的设计以及致动，以实现所需的性能也是具有挑战性的。机器人是一个非线性耦合系统，由于其复杂的动力学而难以控制。当环境非结构化时，这会加剧，并且通常需要复杂的感测和估计技术。
除了控制运动之外，在操纵物体或与人类交互时，还需要控制机器人与环境之间的相互作用力。一个基本的机器人任务是在一系列障碍物中从一开始到一个目标位置计划复杂物体的无碰撞运动，这可能成为一个棘手的计算问题。为了获得归属于人类的某些智能，机器人需要配备复杂的任务计划人员，这些人员使用符号推理在动态的，部分已知的环境中进行移动。由于这些要求，机器人软件架构也有特殊需求。尽管本部分介绍了前几段所述的基本问题，但在“手册”的其他部分可以找到更深入的内容。本部分介绍的运动学，动力学，机械设计和控制原理和方法可以应用于由手臂，手和腿组成的机器人结构（B部分）以及机械手（D部分），轮式移动机器人E部分）以及现场和服务机器人（F部分）。力控制对于操纵器及其接口（D部分）尤为重要。这里介绍的基本感知和估计技术已扩展并应用于C部分中的特定传感模态。运动规划是操纵（部分D）和移动和分布式机器人系统（部分E）的重要方面。机器人系统体系结构和人工智能推理方法在移动和分布式机器人（E部分）以及以人为中心和逼真的机器人技术（G部分）中尤为重要。通过这部分的概述，我们现在提供每章的简要概要。第1章“运动学”提供了许多描述和约定来描述身体在机器人机构中的运动。这些包括旋转矩阵，欧拉角，四元数，齐次变换，螺旋变换，矩阵指数参数化和Pluuml;cker坐标。提供所有常见关节类型的运动学表示，以及Denavit-Hartenberg公约的修改形式。这些代表性工具用于计算工作空间，正向和反向运动，正向和反向瞬时运动，雅可比行列式和静态扳手传动。
通过这部分的概述，我们现在提供每章的简要概要。
第1章“运动学”提供了许多描述和约定来描述身体在机器人机构中的运动。这些包括旋转矩阵，欧拉角，四元数，齐次变换，螺旋变换，矩阵指数参数化和Pluuml;cker坐标。提供所有常见关节类型的运动学表示，以及Denavit-Hartenberg公约的修改形式。这些代表性工具用于计算工作空间，正向和反向运动，正向和反向瞬时运动，雅可比行列式和静态扳手传动。
第2章Dynamics介绍了动态运动方程，它提供了作用于机器人机构上的驱动力和接触力之间的关系，以及产生的加速度和运动轨迹。为重要的动力学计算提供有效的算法，其中包括逆动力学，正向动力学，联合空间惯性矩阵和运行空间惯性矩阵。这些算法可应用于固定式机器人，移动机器人和并联机器人机构。这些算法的紧凑公式是使用六维（6-D）空间表示来描述刚体速度，加速度，惯性等的结果。
第3章机构和驱动着重于指导机器人设计和构造的原则系统。运动学方程和雅可比行列式用于表征工作包络和机械优势，并指导机器人尺寸和接头排列的选择。串行和并行机器人的设计均已解决。实际考虑链接和连接结构的设计，并选择执行器和传动驱动器来驱动机芯。还讨论了机器人在速度，加速度，可重复性以及其他方面的表现。
第4章传感和估计提供了在机器人领域具有广泛适用性的常用传感方法和估算技术的简要概述。 这些提供有关环境和机器人系统状态的信息。 演示文稿根据感知过程模型进行构建，包括感知，特征提取，数据关联，参数估计和模型集成。 引入了几种常见的感应模式并进行了描述。 讨论了线性和非线性系统的估计方法，包括统计估计，卡尔曼滤波和基于样本的方法。 还介绍了几种常用的估计表示法。
第5章动作计划解决了基本的机器人技术任务，为复杂机构从一开始到一个障碍物集合中的
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