人與智能機器人的交互過程要求機器人能夠獲取人類的運動意圖，而這離不開對人類生物電信號的解析與應用，因此衍生出生物電信號控制與處理相關理論和方法，用于實現(xiàn)人與智能機器人的智能信息感知與人機交互。本書側重于生-機-電機器人系統(tǒng)的結構設計、硬件設計、控制算法及生物信號在醫(yī)療、康復等領域的應用，涵蓋智能機器人機構設計基礎、運動學與動力學基礎、信息感知常用傳感器、生物電信號處理基礎、控制基礎、構型設計、信息感知與人機交互、腦電控制、肌電控制、多模態(tài)生物電信號控制、嵌入式系統(tǒng)設計、上位機系統(tǒng)設計，涉及康復機器人、外骨骼機器人、智能假肢、仿人機器人這四類智能機器人設備及其人機交互控制相關理論方法。
本書配套資源豐富，可供機器人、生物醫(yī)學等領域的技術工作者閱讀參考，也可作為高等院校相關專業(yè)師生的教學參考書。
肖飛云，合肥工業(yè)大學機械工程學院副教授，研究方向為康復機器人、外骨骼機器人和生物電信號處理，主持了國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、合肥市自然科學基金等項目，發(fā)表論文30余篇，授權發(fā)明專利4項，軟件著作權2項。
第1章緒論 001
1.1智能機器人簡介 001
1.1.1智能機器人概念 001
1.1.2智能機器人組成 002
1.2生物電信號簡介 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腦電信號簡介 003
1.2.3肌電信號簡介 003
1.3人機交互簡介 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章智能機器人機構設計基礎 007
2.1自由度計算 007
2.1.1構件無約束下的自由度數(shù) 007
2.1.2構件有約束下的自由度數(shù)計算 008
2.2連桿機構 010
2.2.1連桿機構設計步驟 010
2.2.2曲柄搖桿機構、曲柄滑塊機構及其演化 011
2.2.3連桿機構在機器人機構設計中的應用 012
2.2.4機構組合方法 012
2.3蝸輪蝸桿機構、圓錐齒輪機構、滾珠絲杠與滑動絲杠機構 014
2.3.1蝸輪蝸桿機構、圓錐齒輪機構、滾珠絲杠機構特點與應用 014
2.3.2滑動絲杠、行星滾珠絲杠機構特點及應用 016
2.3.3蝸輪蝸桿機構和圓錐齒輪機構傳動方向與傳動比計算 017
2.4直齒輪、斜齒輪、齒輪齒條傳動與帶傳動 017
2.4.1直齒輪、斜齒輪、齒輪齒條傳動與帶傳動特點 017
2.4.2直齒輪斜齒輪傳動、齒輪齒條傳動與帶傳動傳動比 018
2.4.3直齒輪、斜齒輪、齒輪齒條與帶傳動在機器人中的應用 019
2.5鋼絲繩傳動與套索傳動 020
2.5.1鋼絲繩傳動基本類型 020
2.5.2鋼絲繩傳動優(yōu)缺點 020
2.5.3套索傳動 021
2.5.4套索傳動優(yōu)缺點 022
2.5.5鋼絲繩傳動和套索傳動在機器人中的應用 025
2.6滾動軸承 026
2.6.1滾動軸承作用 026
2.6.2滾動軸承主要類型 026
2.6.3滾動軸承安裝注意事項 026
2.6.4滾動軸承游隙調(diào)整注意事項 028
2.7軸上零件設計與固定 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軸的防水防塵設計 031
2.7.4常見軸上零件錯誤匯總 032
2.8機器人機構設計步驟示例說明 032
2.9機器人機構設計前沿研究工作案例分析與總結 033
2.9.1組合法 033
2.9.2改進與擴展法 034
2.9.3仿生法 034
2.9.4新驅(qū)動形式法 034
第3章智能機器人運動學與動力學基礎 036
3.1機器人運動學基礎 036
3.1.1質(zhì)點和剛體 036
3.1.2基、坐標系與位置變換 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、相對位置 040
3.1.5叉乘與斜對稱算子 040
3.1.6角速度、角加速度 041
3.1.7相對速度、相對加速度 041
3.1.8齊次變換 042
3.2機器人系統(tǒng)運動學 043
3.2.1機器人桿件與關節(jié)DH 描述 043
3.2.2標準DH 法 044
3.2.3MDH 法 045
3.2.4正運動學與工作空間 047
3.2.5逆運動學 055
3.3機器人動力學基礎 061
3.3.1雅克比矩陣 061
3.3.2牛頓歐拉方程 063
3.3.3機器人動力學方程應用案例 065
3.4機器人運動學與動力學仿真相關庫介紹 073
3.4.1Matlab robot toolbox 073
3.4.2Mujoco 075
3.5機器人運動學與動力學前沿研究工作案例分析與總結 079
3.5.1機器人運動學與動力學理論研究或應用 079
3.5.2冗余自由度機器人逆運動學問題 080
3.5.3人體運動學或動力學模型構建 080
3.5.4結合機器學習/強化學習 080
第4章智能機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 的動作捕捉設備 099
4.4.3基于視覺的動作捕捉設備 099
4.5EEG 傳感器 100
4.5.1EEG 生理機理 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 采集設備簡介 101
4.6sEMG 傳感器 103
4.6.1sEMG 生理機理 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智能機器人傳感器前沿研究工作案例分析與總結 105
4.7.1應用場景創(chuàng)新 105
4.7.2多傳感器融合 106
4.7.3仿生傳感器設計與應用 106
4.7.4材料科學 106
第5章生物電信號處理基礎 107
5.1信號處理基礎 107
5.1.1各種形式的傅里葉變換與傅里葉級數(shù) 107
5.1.2有限沖激響應濾波器和無限沖激響應濾波器 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時域分析、頻域分析、時頻域分析、成分分析 122
5.2.1時域分析方法 122
5.2.2頻域分析方法 124
5.2.3時頻域分析方法 125
5.2.4成分分析 132
5.3信號模態(tài)分解 136
5.3.1信號模態(tài)分解概述 136
5.3.2經(jīng)驗模態(tài)分解 136
5.3.3變分模態(tài)分解 137
5.3.4經(jīng)驗小波變換 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 盲源信號分離 151
5.4.6EEG 模式識別 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 與關節(jié)力矩/關節(jié)角度映射 159
5.5.6sEMG 模式識別 163
5.6生物電信號處理前沿研究工作案例分析與總結 167
5.6.1新型生物電信號特征提取方法 167
5.6.2建立具有生理機理特性支撐的生物電信號建模方法 167
5.6.3結合新型人工智能方法開展模式識別或連續(xù)信號映射方法研究 167
5.6.4考慮特定場景或因素的生物電信號應用研究 168
第6章智能機器人控制基礎 169
6.1現(xiàn)代控制理論基礎 169
6.1.1矩陣基礎 169
6.1.2控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式 172
6.1.3機器人狀態(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 176
6.2.2比例微分＋重力補償控制方法 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、擴展觀測器 186
6.3.3自抗擾控制組成 203
6.4阻抗控制與導納控制 207
6.4.1阻抗與導納概念 207
6.4.2阻抗控制 207
6.4.3導納控制 210
6.5智能機器人控制方法前沿研究工作案例分析與總結 217
6.5.1結合人工智能方法的控制方法研究 217
6.5.2考慮應用場景特定因素的控制方法研究 218
6.5.3將生物電信號引入到機器人控制中的研究 218
6.5.4針對特定結構機器人對應控制方法研究 219
6.5.5對經(jīng)典方法的改進 219
第7章智能機器人構型設計 220
7.1人體肢體生物結構與運動學分析 220
7.1.1人體上肢生物結構與運動學分析 220
7.1.2人體下肢生物結構與運動學分析 224
7.1.3人體手部生物結構與運動學分析 226
7.1.4人體足部生物結構與運動學分析 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)動形式 231
7.3.1回轉(zhuǎn)伺服電機 231
7.3.2直線伺服電機 231
7.3.3液壓驅(qū)動 232
7.3.4氣壓驅(qū)動 232
7.4構型分類 233
7.4.1串聯(lián) 234
7.4.2并聯(lián) 234
7.4.3混聯(lián) 234
7.5康復機器人與外骨骼機器人分類、傳動形式與設計要點 235
7.5.1類型 235
7.5.2傳動形式 237
7.5.3設計要點與思路 241
7.6智能假肢分類、傳動形式與設計要點 245
7.6.1類型 245
7.6.2傳動形式 245
7.6.3設計要點與思路 247
7.7人形機器人分類、傳動形式與設計要點 248
7.7.1類型 249
7.7.2傳動形式 249
7.7.3設計要點與思路 251
7.8智能機器人構型前沿研究工作案例分析與總結 252
7.8.1仿生構型 252
7.8.2新型驅(qū)動形式或傳動形式 252
7.8.3結構重構和機構變胞 253
7.8.4重力平衡 253
7.8.5柔性關節(jié) 253
第8章智能機器人信息感知與人機交互 254
8.1人體信息感知器官與信息處理機制 254
8.1.1人體視覺及大腦處理視覺信息的機制 254
8.1.2人體聽覺及大腦處理聽覺信息的機制 256
8.1.3人體觸覺及大腦處理觸覺信息的機制 258
8.1.4人體肌肉及肌肉控制生理機制 259
8.1.5大腦皮層與中樞神經(jīng)系統(tǒng) 261
8.2智能機器人信息感知 263
8.2.1關節(jié)角度 263
8.2.2彎曲角度 264
8.2.3關節(jié)力矩 264
8.2.4末端力和力觸覺 265
8.2.5人機交互力-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智能機器人人機交互 268
8.3.1交互形式 269
8.3.2反饋形式 269
8.3.3交互關鍵技術 271
8.3.4交互安全技術 272
8.4智能機器人信息感知與人機交互前沿研究工作案例分析與總結 275
8.4.1人信息處理的機制模擬 275
8.4.2感知反饋 275
8.4.3人機交互 275
8.4.4不同應用場景下的信息感知與人機交互 276
第9章智能機器人EEG 控制 277
9.1智能機器人EEG 控制框架 277
9.2輪椅EEG 狀態(tài)控制 278
9.2.1融合P300 和自主導航的輪椅腦電控制方法 278
9.2.2混合P300 和運動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 的外骨骼離散運動控制方法 281
9.3.2基于SSVEP 的外骨骼連續(xù)運動控制方法 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人形機器人EEG 控制 289
9.5.1基于運動想象的人形機器人EEG 控制 289
9.5.2人形機器人EEG＋EOG 信號混合控制 292
9.6智能機器人EEG 控制前沿研究工作案例分析與總結 295
9.6.1結合常規(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合 295
第10章智能機器人sEMG 控制 296
10.1智能機器人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仿人機器人sEMG 控制 322
10.4.1基于sEMG 的仿人機器人協(xié)同作業(yè)控制 322
10.4.2自適應阻抗的人機協(xié)作控制 325
10.5智能機器人sEMG 控制前沿研究工作案例分析與總結 327
10.5.1多自由度sEMG 連續(xù)運動控制 327
10.5.2精確肌肉收縮反饋回路控制方法研究 327
10.5.3特定應用場景下的控制方法研究 327
10.5.4肌肉運動控制方法研究 328
10.5.5新型肌肉活動檢測方法及其控制應用研究 328
第11章智能機器人多模態(tài)生物電信號控制 329
11.1智能機器人多模態(tài)生物電信號控制基本框架 329
11.2外骨骼多模態(tài)生物電信號控制 330
11.3假肢多模態(tài)生物電信號控制 334
11.3.1結合視覺、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仿人機器人多模態(tài)生物電信號控制 341
11.5智能機器人多模態(tài)生物電信號控制前沿研究工作案例分析與總結 344
11.5.1多模態(tài)信號反饋 344
11.5.2多模態(tài)信號協(xié)作 344
11.5.3生物模擬的多模態(tài)信號處理的控制方法 345
第12章智能機器人嵌入式系統(tǒng)設計 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 348
12.2.1變量、數(shù)組、結構體、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 存儲和外部RAM 存儲 363
12.3.8系統(tǒng)擴展接口 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 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定時器 378
12.5.4DMA 380
12.6智能機器人神經(jīng)信號控制與處理嵌入式系統(tǒng)開發(fā)案例 381
12.6.1套索傳動平臺PID 控制＋遲滯前饋補償嵌入式系統(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章智能機器人上位機系統(tǒng)設計 410
13.1上位機軟件系統(tǒng)開發(fā)介紹 410
13.1.1上位機系統(tǒng)重要性 410
13.1.2上位機系統(tǒng)開發(fā)基本框架 411
13.1.3python IDE 和環(huán)境搭建 412
13.2上位機軟件系統(tǒng)編程基礎 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上位機軟件系統(tǒng)界面設計基礎 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IP 通信 428
13.4智能機器人神經(jīng)信號控制與處理軟件系統(tǒng)開發(fā)案例 432
13.4.1生物電信號采集與顯示軟件案例 432
13.4.2套索傳動平臺控制上位機軟件系統(tǒng)案例 440
參考文獻 445
縮略詞列表 457
書單推薦
