第1章緒論 001 1.1智能機(jī)器人簡介 001 1.1.1智能機(jī)器人概念 001 1.1.2智能機(jī)器人組成 002 1.2生物電信號(hào)簡介 002 1.2.1中樞神經(jīng)系統(tǒng)-外周神經(jīng)系統(tǒng)-肌肉系統(tǒng)簡介 002 1.2.2腦電信號(hào)簡介 003 1.2.3肌電信號(hào)簡介 003 1.3人機(jī)交互簡介 004 1.3.1信息感知簡介 004 1.3.2交互控制簡介 004 1.3.3交互界面簡介 005 1.4本書總體內(nèi)容框架 005 第2章智能機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 007 2.1自由度計(jì)算 007 2.1.1構(gòu)件無約束下的自由度數(shù) 007 2.1.2構(gòu)件有約束下的自由度數(shù)計(jì)算 008 2.2連桿機(jī)構(gòu) 010 2.2.1連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟 010 2.2.2曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及其演化 011 2.2.3連桿機(jī)構(gòu)在機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 012 2.2.4機(jī)構(gòu)組合方法 012 2.3蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠與滑動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu) 014 2.3.1蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)、圓錐齒輪機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用 014 2.3.2滑動(dòng)絲杠、行星滾珠絲杠機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用 016 2.3.3蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和圓錐齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方向與傳動(dòng)比計(jì)算 017 2.4直齒輪、斜齒輪、齒輪齒條傳動(dòng)與帶傳動(dòng) 017 2.4.1直齒輪、斜齒輪、齒輪齒條傳動(dòng)與帶傳動(dòng)特點(diǎn) 017 2.4.2直齒輪斜齒輪傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)與帶傳動(dòng)傳動(dòng)比 018 2.4.3直齒輪、斜齒輪、齒輪齒條與帶傳動(dòng)在機(jī)器人中的應(yīng)用 019 2.5鋼絲繩傳動(dòng)與套索傳動(dòng) 020 2.5.1鋼絲繩傳動(dòng)基本類型 020 2.5.2鋼絲繩傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn) 020 2.5.3套索傳動(dòng) 021 2.5.4套索傳動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn) 022 2.5.5鋼絲繩傳動(dòng)和套索傳動(dòng)在機(jī)器人中的應(yīng)用 025 2.6滾動(dòng)軸承 026 2.6.1滾動(dòng)軸承作用 026 2.6.2滾動(dòng)軸承主要類型 026 2.6.3滾動(dòng)軸承安裝注意事項(xiàng) 026 2.6.4滾動(dòng)軸承游隙調(diào)整注意事項(xiàng) 028 2.7軸上零件設(shè)計(jì)與固定 029 2.7.1軸向定位/固定方式 029 2.7.2周向定位/固定方式 030 2.7.3軸的防水防塵設(shè)計(jì) 031 2.7.4常見軸上零件錯(cuò)誤匯總 032 2.8機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟示例說明 032 2.9機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)前沿研究工作案例分析與總結(jié) 033 2.9.1組合法 033 2.9.2改進(jìn)與擴(kuò)展法 034 2.9.3仿生法 034 2.9.4新驅(qū)動(dòng)形式法 034 第3章智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 036 3.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ) 036 3.1.1質(zhì)點(diǎn)和剛體 036 3.1.2基、坐標(biāo)系與位置變換 036 3.1.3旋轉(zhuǎn)矩陣與姿態(tài)變換 037 3.1.4位置、速度、加速度、相對(duì)位置 040 3.1.5叉乘與斜對(duì)稱算子 040 3.1.6角速度、角加速度 041 3.1.7相對(duì)速度、相對(duì)加速度 041 3.1.8齊次變換 042 3.2機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué) 043 3.2.1機(jī)器人桿件與關(guān)節(jié)DH 描述 043 3.2.2標(biāo)準(zhǔn)DH 法 044 3.2.3MDH 法 045 3.2.4正運(yùn)動(dòng)學(xué)與工作空間 047 3.2.5逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 055 3.3機(jī)器人動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 061 3.3.1雅克比矩陣 061 3.3.2牛頓歐拉方程 063 3.3.3機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程應(yīng)用案例 065 3.4機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真相關(guān)庫介紹 073 3.4.1Matlab robot toolbox 073 3.4.2Mujoco 075 3.5機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)前沿研究工作案例分析與總結(jié) 079 3.5.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)理論研究或應(yīng)用 079 3.5.2冗余自由度機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題 080 3.5.3人體運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建 080 3.5.4結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)/強(qiáng)化學(xué)習(xí) 080 第4章智能機(jī)器人信息感知常用傳感器 081 4.1力傳感器 081 4.1.1拉壓力傳感器 082 4.1.2薄膜力傳感器 085 4.1.3三維力傳感器 086 4.2力矩傳感器 088 4.2.1靜態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器 088 4.2.2動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩傳感器 089 4.2.3六維力/力矩傳感器 090 4.3角度傳感器 093 4.3.1霍爾傳感器/霍爾編碼器 093 4.3.2光電編碼器 095 4.3.3磁編碼器 096 4.3.4薄膜彎曲傳感器 097 4.4姿態(tài)傳感器 097 4.4.1慣性測量單元 097 4.4.2基于IMU 的動(dòng)作捕捉設(shè)備 099 4.4.3基于視覺的動(dòng)作捕捉設(shè)備 099 4.5EEG 傳感器 100 4.5.1EEG 生理機(jī)理 100 4.5.2濕式/干式電極片 100 4.5.3EEG 傳感器示例電路 101 4.5.4商用EEG 采集設(shè)備簡介 101 4.6sEMG 傳感器 103 4.6.1sEMG 生理機(jī)理 103 4.6.2sEMG 傳感器示例電路 103 4.6.3商用干式/濕式/高密度sEMG 傳感器簡介 105 4.7智能機(jī)器人傳感器前沿研究工作案例分析與總結(jié) 105 4.7.1應(yīng)用場景創(chuàng)新 105 4.7.2多傳感器融合 106 4.7.3仿生傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用 106 4.7.4材料科學(xué) 106 第5章生物電信號(hào)處理基礎(chǔ) 107 5.1信號(hào)處理基礎(chǔ) 107 5.1.1各種形式的傅里葉變換與傅里葉級(jí)數(shù) 107 5.1.2有限沖激響應(yīng)濾波器和無限沖激響應(yīng)濾波器 111 5.1.3低通、高通、帶通、陷波濾波器 115 5.1.4Nyquis-t Shannon 采樣定理 121 5.2時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻域分析、成分分析 122 5.2.1時(shí)域分析方法 122 5.2.2頻域分析方法 124 5.2.3時(shí)頻域分析方法 125 5.2.4成分分析 132 5.3信號(hào)模態(tài)分解 136 5.3.1信號(hào)模態(tài)分解概述 136 5.3.2經(jīng)驗(yàn)?zāi)�態(tài)分解 136 5.3.3變分模態(tài)分解 137 5.3.4經(jīng)驗(yàn)小波變換 141 5.4EEG 采集與處理 144 5.4.1EEG 類型 144 5.4.2EEG 采集 146 5.4.3EEG 去噪與濾波 148 5.4.4EEG 特征提取 149 5.4.5EEG 盲源信號(hào)分離 151 5.4.6EEG 模式識(shí)別 152 5.5sEMG 采集與處理 154 5.5.1sEMG 采集 154 5.5.2sEMG 去噪 154 5.5.3sEMG 特征提取 156 5.5.4sEMG 分解 158 5.5.5sEMG 與關(guān)節(jié)力矩/關(guān)節(jié)角度映射 159 5.5.6sEMG 模式識(shí)別 163 5.6生物電信號(hào)處理前沿研究工作案例分析與總結(jié) 167 5.6.1新型生物電信號(hào)特征提取方法 167 5.6.2建立具有生理機(jī)理特性支撐的生物電信號(hào)建模方法 167 5.6.3結(jié)合新型人工智能方法開展模式識(shí)別或連續(xù)信號(hào)映射方法研究 167 5.6.4考慮特定場景或因素的生物電信號(hào)應(yīng)用研究 168 第6章智能機(jī)器人控制基礎(chǔ) 169 6.1現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ) 169 6.1.1矩陣基礎(chǔ) 169 6.1.2控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式 172 6.1.3機(jī)器人狀態(tài)空間一般形式 172 6.1.4穩(wěn)定性與李雅普諾夫方法 174 6.2PID 控制 176 6.2.1PID 控制基礎(chǔ) 176 6.2.2比例微分＋重力補(bǔ)償控制方法 177 6.2.3比例積分＋名義模型＋魯棒控制方法 178 6.2.4伺服電機(jī)電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的PID 控制 183 6.3自抗擾控制 185 6.3.1PID 與自抗擾 185 6.3.2過渡過程、跟蹤微分器、非光滑反饋、擴(kuò)展觀測器 186 6.3.3自抗擾控制組成 203 6.4阻抗控制與導(dǎo)納控制 207 6.4.1阻抗與導(dǎo)納概念 207 6.4.2阻抗控制 207 6.4.3導(dǎo)納控制 210 6.5智能機(jī)器人控制方法前沿研究工作案例分析與總結(jié) 217 6.5.1結(jié)合人工智能方法的控制方法研究 217 6.5.2考慮應(yīng)用場景特定因素的控制方法研究 218 6.5.3將生物電信號(hào)引入到機(jī)器人控制中的研究 218 6.5.4針對(duì)特定結(jié)構(gòu)機(jī)器人對(duì)應(yīng)控制方法研究 219 6.5.5對(duì)經(jīng)典方法的改進(jìn) 219 第7章智能機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì) 220 7.1人體肢體生物結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 220 7.1.1人體上肢生物結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 220 7.1.2人體下肢生物結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 224 7.1.3人體手部生物結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 226 7.1.4人體足部生物結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 227 7.2自由度解析 229 7.2.1上肢 229 7.2.2下肢 230 7.2.3手部 230 7.3驅(qū)動(dòng)形式 231 7.3.1回轉(zhuǎn)伺服電機(jī) 231 7.3.2直線伺服電機(jī) 231 7.3.3液壓驅(qū)動(dòng) 232 7.3.4氣壓驅(qū)動(dòng) 232 7.4構(gòu)型分類 233 7.4.1串聯(lián) 234 7.4.2并聯(lián) 234 7.4.3混聯(lián) 234 7.5康復(fù)機(jī)器人與外骨骼機(jī)器人分類、傳動(dòng)形式與設(shè)計(jì)要點(diǎn) 235 7.5.1類型 235 7.5.2傳動(dòng)形式 237 7.5.3設(shè)計(jì)要點(diǎn)與思路 241 7.6智能假肢分類、傳動(dòng)形式與設(shè)計(jì)要點(diǎn) 245 7.6.1類型 245 7.6.2傳動(dòng)形式 245 7.6.3設(shè)計(jì)要點(diǎn)與思路 247 7.7人形機(jī)器人分類、傳動(dòng)形式與設(shè)計(jì)要點(diǎn) 248 7.7.1類型 249 7.7.2傳動(dòng)形式 249 7.7.3設(shè)計(jì)要點(diǎn)與思路 251 7.8智能機(jī)器人構(gòu)型前沿研究工作案例分析與總結(jié) 252 7.8.1仿生構(gòu)型 252 7.8.2新型驅(qū)動(dòng)形式或傳動(dòng)形式 252 7.8.3結(jié)構(gòu)重構(gòu)和機(jī)構(gòu)變胞 253 7.8.4重力平衡 253 7.8.5柔性關(guān)節(jié) 253 第8章智能機(jī)器人信息感知與人機(jī)交互 254 8.1人體信息感知器官與信息處理機(jī)制 254 8.1.1人體視覺及大腦處理視覺信息的機(jī)制 254 8.1.2人體聽覺及大腦處理聽覺信息的機(jī)制 256 8.1.3人體觸覺及大腦處理觸覺信息的機(jī)制 258 8.1.4人體肌肉及肌肉控制生理機(jī)制 259 8.1.5大腦皮層與中樞神經(jīng)系統(tǒng) 261 8.2智能機(jī)器人信息感知 263 8.2.1關(guān)節(jié)角度 263 8.2.2彎曲角度 264 8.2.3關(guān)節(jié)力矩 264 8.2.4末端力和力觸覺 265 8.2.5人機(jī)交互力-氣壓傳感器陣列、薄膜力傳感器陣列 265 8.2.6視覺 266 8.2.7聽覺 267 8.2.8sEMG 267 8.2.9EEG 268 8.3智能機(jī)器人人機(jī)交互 268 8.3.1交互形式 269 8.3.2反饋形式 269 8.3.3交互關(guān)鍵技術(shù) 271 8.3.4交互安全技術(shù) 272 8.4智能機(jī)器人信息感知與人機(jī)交互前沿研究工作案例分析與總結(jié) 275 8.4.1人信息處理的機(jī)制模擬 275 8.4.2感知反饋 275 8.4.3人機(jī)交互 275 8.4.4不同應(yīng)用場景下的信息感知與人機(jī)交互 276 第9章智能機(jī)器人EEG 控制 277 9.1智能機(jī)器人EEG 控制框架 277 9.2輪椅EEG 狀態(tài)控制 278 9.2.1融合P300 和自主導(dǎo)航的輪椅腦電控制方法 278 9.2.2混合P300 和運(yùn)動(dòng)想象的輪椅腦電控制方法 279 9.3外骨骼EEG 控制 281 9.3.1基于SSVEP 的外骨骼離散運(yùn)動(dòng)控制方法 281 9.3.2基于SSVEP 的外骨骼連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制方法 282 9.4智能假肢EEG 控制 284 9.4.1具有功能性電刺激反饋回路的智能假肢EEG 控制 284 9.4.2集成AR 的智能假肢EEG 控制 286 9.5人形機(jī)器人EEG 控制 289 9.5.1基于運(yùn)動(dòng)想象的人形機(jī)器人EEG 控制 289 9.5.2人形機(jī)器人EEG＋EOG 信號(hào)混合控制 292 9.6智能機(jī)器人EEG 控制前沿研究工作案例分析與總結(jié) 295 9.6.1結(jié)合常規(guī)軌跡規(guī)劃和控制算法 295 9.6.2多種腦電處理方法組合的控制算法預(yù)處理方法或開發(fā)新的范式 295 9.6.3腦電處理方法和其他方法的結(jié)合 295 第10章智能機(jī)器人sEMG 控制 296 10.1智能機(jī)器人sEMG 控制框架 296 10.2外骨骼sEMG 控制 298 10.2.1基于sEMG 的外骨骼阻抗控制 298 10.2.2比例肌電位置控制 301 10.2.3比例肌電力矩控制 309 10.2.4外骨骼自抗擾肌電控制 310 10.3仿生手肌電控制 314 10.3.1仿生手肌肉協(xié)同控制 314 10.3.2仿生手摩斯編碼sEMG 控制 318 10.4仿人機(jī)器人sEMG 控制 322 10.4.1基于sEMG 的仿人機(jī)器人協(xié)同作業(yè)控制 322 10.4.2自適應(yīng)阻抗的人機(jī)協(xié)作控制 325 10.5智能機(jī)器人sEMG 控制前沿研究工作案例分析與總結(jié) 327 10.5.1多自由度sEMG 連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制 327 10.5.2精確肌肉收縮反饋回路控制方法研究 327 10.5.3特定應(yīng)用場景下的控制方法研究 327 10.5.4肌肉運(yùn)動(dòng)控制方法研究 328 10.5.5新型肌肉活動(dòng)檢測方法及其控制應(yīng)用研究 328 第11章智能機(jī)器人多模態(tài)生物電信號(hào)控制 329 11.1智能機(jī)器人多模態(tài)生物電信號(hào)控制基本框架 329 11.2外骨骼多模態(tài)生物電信號(hào)控制 330 11.3假肢多模態(tài)生物電信號(hào)控制 334 11.3.1結(jié)合視覺、語音、肌電的假肢控制方法 334 11.3.2多模態(tài)反饋的假肢控制方法 339 11.4仿人機(jī)器人多模態(tài)生物電信號(hào)控制 341 11.5智能機(jī)器人多模態(tài)生物電信號(hào)控制前沿研究工作案例分析與總結(jié) 344 11.5.1多模態(tài)信號(hào)反饋 344 11.5.2多模態(tài)信號(hào)協(xié)作 344 11.5.3生物模擬的多模態(tài)信號(hào)處理的控制方法 345 第12章智能機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 346 12.1嵌入式系統(tǒng)開發(fā)介紹 346 12.1.1嵌入式系統(tǒng)重要性 346 12.1.2嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基本框架 347 12.2嵌入式系統(tǒng)C/C＋＋基礎(chǔ) 348 12.2.1變量、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、數(shù)據(jù)移位、注釋 348 12.2.2判斷語句 352 12.2.3與、或、非 355 12.2.4循環(huán) 355 12.2.5函數(shù) 357 12.2.6中斷 358 12.3嵌入式最小系統(tǒng) 358 12.3.1主芯片 359 12.3.2電源 359 12.3.3晶振 360 12.3.4復(fù)位 360 12.3.5SWD 程序調(diào)試與下載接口 361 12.3.6串口通信接口 362 12.3.7外部Flash 存儲(chǔ)和外部RAM 存儲(chǔ) 363 12.3.8系統(tǒng)擴(kuò)展接口 363 12.4嵌入式系統(tǒng)電路原理圖與PCB 圖 363 12.4.1原理圖繪制 363 12.4.2PCB 繪制 364 12.4.3嵌入式系統(tǒng)電路原理圖和PCB 圖繪制示例 365 12.5嵌入式系統(tǒng)重要模塊與外設(shè) 367 12.5.1ADC 模塊 367 12.5.2串行通信-串口、SPI、I2C、RS485 和CAN 368 12.5.3定時(shí)器 378 12.5.4DMA 380 12.6智能機(jī)器人神經(jīng)信號(hào)控制與處理嵌入式系統(tǒng)開發(fā)案例 381 12.6.1套索傳動(dòng)平臺(tái)PID 控制＋遲滯前饋補(bǔ)償嵌入式系統(tǒng)開發(fā)示例 381 12.6.2具有串口屏交互的仿生手嵌入式系統(tǒng)開發(fā)示例 396 第13章智能機(jī)器人上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 410 13.1上位機(jī)軟件系統(tǒng)開發(fā)介紹 410 13.1.1上位機(jī)系統(tǒng)重要性 410 13.1.2上位機(jī)系統(tǒng)開發(fā)基本框架 411 13.1.3python IDE 和環(huán)境搭建 412 13.2上位機(jī)軟件系統(tǒng)編程基礎(chǔ) 413 13.2.1變量、列表、元組、字符串與注釋 413 13.2.2判斷語句if 415 13.2.3與、或、非 415 13.2.4循環(huán) 416 13.2.5函數(shù)與類 418 13.2.6進(jìn)程和線程 421 13.2.7文件夾創(chuàng)建與讀寫 423 13.2.8程序打包 423 13.3上位機(jī)軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 424 13.3.1Pyside2 和QT designer 424 13.3.2Qt designer 常用控件 425 13.3.3PyQtGraph 426 13.3.4自定義控件屬性 427 13.3.5動(dòng)態(tài)加載ui 文件與控件引用 427 13.3.6串口通信、WIFI 通信和網(wǎng)絡(luò)IP 通信 428 13.4智能機(jī)器人神經(jīng)信號(hào)控制與處理軟件系統(tǒng)開發(fā)案例 432 13.4.1生物電信號(hào)采集與顯示軟件案例 432 13.4.2套索傳動(dòng)平臺(tái)控制上位機(jī)軟件系統(tǒng)案例 440 參考文獻(xiàn) 445 縮略詞列表 457