《微小型仿生机器鼠设计与控制》 - 台灣·大書城 - 石青，李昌 - 北京理工大学出版社

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『簡體書』微小型仿生机器鼠设计与控制

書城自編碼： 3518272
分類：簡體書→大陸圖書→教材→研究生/本科/专科教材
作者：石青，李昌
國際書號(ISBN)： 9787568280334
出版社：北京理工大学出版社
出版日期： 2020-06-01

頁數/字數： /
書度/開本： 16开釘裝：平装

售價：NT$ 468

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編輯推薦：

本书不仅适用于普通高等院校机械、自动化、机电工程相关专业研究生及高年级本科生的机器人学习课程，也可作为广大致力于机器人研究的科研人员和技术工作者了解模拟动物机器人基础知识及关键技术的参考资料和辅助读物。

內容簡介：

本书围绕微小型仿生机器鼠的系统设计与运动控制，结合仿生技术和智能控制方法，对仿生机器鼠的研制过程和运动行为控制进行了系统阐述。书中重点突出了动物在仿生机器人设计与控制中的应用价值，实现了机器人学、动物行为学、仿生学的深度融合，创新性强，对仿生机器人前沿研究具有较强的参考价值与实践指导意义。

關於作者：

石青，北京理工大学副教授、博导。2012年在日本早稻田大学获博士学位，主要从事仿生机器人及其生物医学应用研究。近年来，围绕仿生机器人与动物行为交互开展深入系统研究，提出了行为仿生表达仿生交互建模的新方法，解决了微小型仿生机器人行为能力弱、交互建模难等核心问题，部分成果在脑科学、动物实验装置等方面的研究得到了成功应用；迄今为止，发表录用SCI论文40余篇；获2016年度北京市科技新星、Advanced Robotics最佳期刊论文奖、国际会议IEEE ICRA 2014等优秀论文奖或提名奖10项；主持国家重点研发计划国际合作专项、国家自然科学基金等省部级以上项目10余项；在ICBS2016、ICRA Workshop等国际会议上作特邀报告6次；担任国际期刊IEEE Trans. Medical Robotics & Bionics、ROBOMECH Journal 编委以及IEEE CBS 2017 Program Cochair等国际学术职位。

第1章绪论 1
1.1 仿生机器人研究概述 1
1.2 微小型仿生机器人研究概述 4
1.2.1 微小型仿生机器人简介 4
1.2.2 国内外研究现状 4
1.3 仿生机器鼠简介 8
1.3.1 仿生机器鼠研究意义 8
1.3.2 国内外研究现状 8
1.3.3 仿生机器鼠研究存在问题及解决思路 11
参考文献 15
第2章机器鼠的生物学基础分析 1
2.1 行为学研究中常见实验鼠品系及其应用 1
2.1.1 Long-Evans实验鼠 2
2.1.2 Wistar实验鼠 2
2.1.3 Sprague-Dawley实验鼠 3
2.2 实验鼠骨骼-肌肉生理结构 3
2.2.1 骨骼整体观 4
2.2.2 头颈部 4
2.2.3 前肢与后肢 5
2.2.4 脊柱与尾部 5
2.3 实验鼠感知系统分析 6
2.3.1 触觉系统 6
2.3.2 发声与听觉系统 8
2.3.3 视觉系统 11
2.4 典型动作分析 13
2.4.1 观察与分析方法 13
2.4.2 个体动作 16
2.4.3 群体动作 18
参考文献 20
第3章机器鼠仿生结构设计 23
3.1 结构仿生设计思路 23
3.1.1 设计原则 23
3.1.2 设计流程与自由度规划 23
3.1.3 常用设计软件 27
3.2 腰部机构设计 28
3.2.1 腰部运动条件分析 28
3.2.2 差速齿轮腰部机构 29
3.2.3 连杆传动腰部机构 30
3.3 腿足机构设计 36
3.3.1 机构原理 36
3.3.2 整机驱动选择 37
3.3.3 结构设计 38
3.3.4 仿真校核 39
3.4 其他部位机构设计 40
3.4.1 头部结构 40
3.4.2 轮式机器鼠前肢结构 41
3.4.3 轮式底座结构 42
3.5 总体结构 44
3.5.1 轮式机器鼠 44
3.5.2 足式机器鼠 45
参考文献 45
第4章机器鼠感知模块 48
4.1 感知模块设计思路 48
4.1.1 设计原则 48
4.1.2 设计流程与需求分析 48
4.2 视觉感知系统 50
4.2.1 系统设计 50
4.2.2 实验测试 53
4.3 触觉感知系统 61
4.3.1 系统设计 61
4.3.2 实验测试 68
4.4 听觉感知系统 72
4.4.1 系统设计 72
4.4.2 实验测试 81
参考文献 83
第5章机器鼠运动控制 85
5.1 机器人学基础 85
5.1.1 齐次坐标变换与D-H坐标系 85
5.1.2 运动学基础 88
5.1.3 速度与雅可比矩阵 90
5.1.4 动力学基础 92
5.2 轮式机器鼠的机器人学分析 94
5.2.1 运动坐标系 94
5.2.2 运动学分析 96
5.2.3 动力学分析 100
5.3 轮式机器鼠运动控制 101
5.3.1 关节PI控制 101
5.3.2 俯仰运动 103
5.3.3 偏航运动 107
5.3.4 转弯运动 110
5.4 足式机器鼠的机器人学分析 118
5.4.1 运动学分析 118
5.4.2 稳定性分析 120
5.5 足式机器鼠运动控制 122
5.5.1 CPG步态控制原理 122
5.5.2 行走控制 129
参考文献 133
第6章机器鼠自主行为控制 135
6.1 运动性能指标 135
6.1.1 仿生性 135
6.1.2 稳定性 138
6.1.3 机动性 142
6.2 仿生相似性评估 143
6.2.1 静态相似性评估 143
6.2.2 动态相似性评估 144
6.3 双目视觉伺服控制 148
6.3.1 深度信息获取 148
6.3.2 双目视觉SLAM 152
6.3.3 目标识别与分类 159
6.4 面向交互的行为控制方法 168
6.4.1 虚拟阻抗模型介绍 168
6.4.2 自主交互行为控制 169
6.4.3 实验与测试 173
参考文献 175
第7章机器鼠与实验鼠行为交互 177
7.1 机器人-动物行为交互简介 177
7.1.1 概述 177
7.1.2 国内外相关研究 178
7.2 机器鼠-单实验鼠行为交互 179
7.2.1 实验方法 180
7.2.2 实验结果 186
7.2.3 讨论与展望 192
7.3 机器鼠-多实验鼠行为交互 192
7.3.1 实验方法 193
7.3.2 实验结果 197
7.3.3 讨论与展望 201
参考文献 202

內容試閱：

利用动物行为和动作规律研究仿生机器人是国际前沿热点，也是我国国家科技战略的重要方向。仿生机器人是仿生学的技术综合和重要应用，也是仿生学与机器人领域应用需求的产物。丰富多彩的动物界一直以来就是科学创新的重要源泉，因而对仿生机器人的研究提供了源源不断的研究思路，于是模拟各种动物的仿生机器人不断涌现。
鼠类具有体型小巧灵活、运动姿态多样、多重灵敏感知等特性，可为仿生机器人结构设计和控制研究提供新思路和新方法，具备很好的研究价值。通过研制体积小、重量轻、隐蔽性强的仿生机器鼠，可以担任狭窄空间检测、军事侦察等重要任务，应用前景广阔。同时，实验鼠是动物行为、神经科学等生物医学最主要的实验对象，在当今所有的实验动物中实验鼠的使用比例最高。但是，由于实验鼠的行为可控性和复制性较低，很难按照预定的模式产生相应的行为反应，通过研制高仿生程度机器鼠，可以减少动物之间的不确定性，并且能提高交互过程中实验动物行为的可控性与再现性，在生物医学具有重要意义。基于上述原因，自从20世纪90年代，日本早稻田大学通过研制微小型移动机器人来探究实验鼠的行为规律，拉开了仿生机器鼠研究的序幕。世界多个研究机构及大学纷纷加入到仿生机器鼠的研究队伍中，并推动这个领域快速发展。
本书主要基于作者及其科研团队在微小型仿生机器鼠方面的10多年的理论与技术积累，围绕行为仿生机理、执行感知单元及仿生交互等核心问题，介绍了机器鼠仿生结构、仿生感知单元、运动控制及行为交互等方面的创新性研究成果。从基本概念、基础理论、研究方法、研究方案和实验验证等，开展了微小型仿生机器鼠的设计与控制方面的基础理论和关键技术的系统论述。书中部分内容是已经公开发表的学术论文，部分内容则是作者对微小型仿生机器鼠技术的深度思考和见解。
全书内容分为7章，第1章是绪论，主要介绍了微小型仿生机器人的基本概念和研究意义，并概括了仿生机器鼠的研发展历程及国内外研究现状；第2章通过分析动物运动的驱动结构和原理、生物感知与行为，给出了仿生机器鼠研究的基本方法和思路；第3章以机器鼠仿生结构设计为出发点，详细介绍了腰部、腿足等关键部位的设计、加工及组装；第4章阐述了机器鼠的仿生感知模块设计，包括视觉感知、微纤毛触须感知、听觉反馈感知系统等；第5章主要研究机器鼠的仿生运动控制，阐述了轮式机器鼠的俯仰和偏航控制及足式机器鼠的步态控制；第6章重点研究了机器鼠的自主行为控制，给出了机器鼠仿生转向控制、虚拟阻抗模型控制及基于双目视觉的行为控制方法；第7章聚焦于机器鼠与实验鼠的行为交互研究，先后实现了机器鼠实验鼠行为交互及机器鼠多实验鼠行为交互的实验验证。
本书主要由石青、李昌撰写。科研团队的同事、博士生及硕士生参与了部分章节的资料整理工作，特别感谢高子航、贾广禄、魏子厚、麻孟超、王圣杰、高俊辉、陈勰、邹明杰、郝熠等。本书的编写与出版得到国家自然科学基金（61773058,61627808）、国家重点研发计划（2017YFE0117000）的资助，在此表示衷心的感谢。此外，感谢那些参加了项目研究的团队人员、博士研究生和硕士研究生。
由于作者水平有限，时间仓促，书中难免存在疏漏及不妥之处，敬请广大读者和专家不吝批评指正。

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