机器人手册（原书第2版） 第2卷 机器人技术

《机器人手册》（原书第2版）第2卷 机器人技术共分三篇：传感与感知、操作与交互、移动与环境。第3篇传感与感知详细介绍了机器人不同的感知形态和跨时空的传感数据融合技术，主要用于生成机器人模型以及外部环境，涵盖力、触觉传感器，惯性传感器、GPS和里程计，声呐传感器，距离传感器等常用的机器人传感器，三维视觉导航与抓取，视觉对象类识别，视觉伺服，以及多传感数据融合。第4篇操作与交互讲解了与机器人操作与交互相关的技术，其中机器人操作技术主要涉及面向操作任务的运动、接触建模与操作、抓取、协同操作臂、移动操作与主动操作感知等问题；机器人交互技术重点讨论触觉技术、遥操作机器人、网络机器人等。第5篇移动与环境介绍了环境建模、同步定位与建图、运动规划与避障，不同作业环境下的机器人，包括腿式机器人、轮式机器人、崎岖地形下机器人、水下机器人、飞行机器人的建模与控制，以及多移动机器人系统。本手册可供机器人、人工智能、机械工程、自动化、计算机等领域的科研技术人员使用，也可供高等院校相关专业师生参考，还可供机器人业余爱好者阅读

第2版前言
经过2002—2008年为期六年的不懈努力，Springer《机器人手册》终于出版，这是一本聚集大量活跃的科学家和研究人员的集体智慧，充分反映学科基础与前沿发展的独特的综合参考资料。本手册自出版以来非常成功，受到业内的广泛好评。不断有新的研究人员被机器人技术吸引进来，同时为机器人学这一跨学科领域的进一步发展做出贡献。
手册出版之后，很快就在机器人学领域树立起一座丰碑。在过去的七年中，它一直是Springer所有工程书籍中的畅销书，章节下载量排名首位（每年将近4万）。2011年，在所有Springer图书中下载量排名第四。2009年2月，手册被美国出版商协会（AAP）授予PROSE杰出物理科学与数学奖及工程与技术奖。
机器人领域的快速发展以及不断诞生的新研究领域，促使我们于2011年着手第2版的撰写工作，其目的不仅是更新原手册内容，还包括对已有内容的扩展。编辑委员会（David Orin、Frank Park、Henrik Christensen、Makoto Kaneko、Raja Chatila、Alex Zelinsky和Daniela Rus）在过去的四年中积极热心地协调着作者，并将手册的组织架构分为三大部分7个主题（即7篇内容），通过内容重组以实现4个主要目标：
1）对机器人学基础内容进行扩展。
2）强化各类不同机器人系统的设计。
3）扩展移动机器人方面的内容。
4）丰富各类现代机器人的应用。
这样，不仅对第1版中全部64章进行了修订，还针对新的主题增加了16章内容，新一代的作者也加盟到手册的创作团队中。手册主体内容在2015年春季完成后，又经过广泛的审查和反馈后，2015年秋正式完工。此时，记录在我们文件夹中的往返电子邮件已从第1版时的10000个又创纪录地增加了12000多个。其成果同样令人震撼：整个手册内容包括7篇80章，由229位作者撰写，超过2300页，内含1375幅插图和9411篇参考文献。
第2版中还有一个主要新增的内容，即多媒体资源，并专门为此成立了一个编辑小组，由Torsten Krger牵头，Gianluca Antonelli、Dongjun Lee、Dezhen Song和Stefano Stramigioli也参与其中。在这样一群充满活力的年轻学者的努力下，多媒体项目与手册项目齐头并进。多媒体编辑团队根据（各章）作者的建议，如他们对视频质量的要求和与本章内容的相关性，为每一章精心选择视频。此外，手册的责任编辑还专门制作了教程视频，读者可以直接从手册的每篇导读部分进行访问，为此还创立了一个开放的多媒体网站，即http://handbookofrobotics.org，这些视频由IEEE机器人与自动化学会和Google共同管理。该网站已经被看作是一项传播性项目，反映新的机器人技术对国际社会的贡献。
我们对手册扩展小组的成员，特别是项目中新人的不懈努力深表感谢！还想对Springer公司的Judith Hinterberg、Werner Skolaut和Thomas Ditzinger的大力支持，以及Anne Strohbach和le-tex公司员工非常专业的排版工作表示感谢和赞赏。在《机器人手册》（第1版）出版八年后，它的第2版与读者见面，这已经完全超越了手册对机器人这个群体本身的价值。我们深信，本手册将继续吸引新的研究人员进入机器人领域，并作为激发灵感的有效资源，在这个引人入胜的领域中蓬勃发展。自手册第1版创作团队成立以来，合作精神不断激励着我们这个团队。在《手册——简史》()中有趣地记录了这一点。手册第2版的完成同样受到了相同的精神鼓舞，并让我们坚持不懈：-)现在提醒机器人团队的同仁保持;-)。
意大利那不勒斯 布鲁诺·西西利亚诺（Bruno Siciliano）
美国斯坦福大学 欧沙玛·哈提卜（Oussama Khatib)
2016年1月

目录
译者序
作者序一(第1版)
作者序二(第1版)
作者序三(第1版)
作者序四(第1版)
第2版前言
多媒体扩展序
如何访问多媒体内容
主编简介
篇主编简介
多媒体团队简介
作者列表
缩略词列表
第3篇传感与感知
内容导读
第28章力、触觉传感器
28.1概述
28.2传感器类型
28.3触觉信息处理
28.4集成方面的挑战
28.5总结与展望
视频文献
参考文献
第29章惯性传感器、GPS和里程计
29.1里程计
29.2陀螺仪系统
29.3加速度计
29.4惯性传感器套装
29.5基于卫星的定位(GPS和GLS)
29.6GPS-IMU集成
29.7延展阅读
29.8市场上的现有硬件
参考文献
第30章声呐传感器
30.1声呐原理
30.2声呐波束图
30.3声速
30.4波形
30.5换能器技术
30.6反射物体模型
30.7伪影
30.8TOF测距
30.9回声波形编码
30.10回声波形处理
30.11CTFM声呐
30.12多脉冲声呐
30.13声呐环
30.14运动影响
30.15仿生声呐
30.16总结
视频文献
参考文献
第31章距离传感器
31.1距离传感器的基础知识
31.2距离传感器技术
31.3配准
31.4导航、地形分类与测绘
31.5结论与延展阅读
参考文献
第32章三维视觉导航与抓取
32.1几何视觉
32.2三维视觉抓取
32.3结论与延展阅读
视频文献
参考文献
第33章视觉对象类识别
33.1对象类
33.2技术现状回顾
33.3讨论与结论
参考文献
第34章视觉伺服
34.1视觉伺服的基本要素
34.2基于图像的视觉伺服
34.3基于位置的视觉伺服
34.4先进方法
34.5性能优化与规划
34.6三维参数估计
34.7确定s*和匹配问题
34.8目标跟踪
34.9关节空间控制的Eye-in-Hand和
Eye-to-Hand系统
34.10欠驱动机器人
34.11应用
34.12结论
视频文献
参考文献
第35章多传感数据融合
35.1多传感数据融合方法
35.2多传感器融合体系架构
35.3应用
35.4结论
视频文献
参考文献
LⅩⅤⅠⅠLⅩⅤⅠⅠⅠ第4篇操作与交互
内容导读
第36章面向操作任务的运动
36.1概述
36.2任务级的控制
36.3操作规划
36.4装配运动
36.5集成反馈控制和规划
36.6结论与延展阅读
视频文献
参考文献
第37章接触建模与操作
37.1概述
37.2刚体接触运动学
37.3力与摩擦
37.4考虑摩擦时的刚体运动学
37.5推进操作
37.6接触面及其建模
37.7摩擦限定面
37.8抓取和夹持器设计中的接触问题
37.9结论与延展阅读
视频文献
参考文献
第38章抓取
38.1模型与定义
38.2受控的运动旋量与力旋量
38.3柔性抓取
38.4约束分析
38.5实例分析
38.6结论与延展阅读
视频文献
参考文献
第39章协同操作臂
39.1历史回顾
39.2运动学与静力学
39.3协同工作空间
39.4动力学及负载分配
39.5操作空间分析
39.6控制
39.7结论与延展阅读
视频文献
参考文献
第40章移动操作
40.1抓取和操作
40.2控制
40.3运动生成
40.4机器学习
40.5机器感知
40.6总结与延展阅读
视频文献
参考文献
第41章主动操作感知
41.1通过操作的感知
41.2物体定位
41.3了解物体
41.4物体识别
41.5结论
视频文献
参考文献
第42章触觉技术
42.1概述
42.2触觉装置设计
42.3触觉再现
42.4触觉交互的控制和稳定
42.5其他类型的触觉交互
42.6结论与展望
参考文献
第43章遥操作机器人
43.1概述
43.2遥操作机器人系统及其应用
43.3控制架构
43.4双边控制和力反馈控制
43.5遥操作机器人的前沿应用
43.6结论与延展阅读
视频文献
参考文献
第44章网络机器人
44.1概述与背景
44.2简要回顾
44.3通信与网络
44.4网络机器人的属性
44.5云机器人
44.6结论与未来方向
视频文献
参考文献
第5篇移动与环境
内容导读
第45章环境建模
45.1发展历程概述
45.2室内与结构化环境的建模
45.3自然环境与地形建模
45.4动态环境
45.5结论与延展阅读
视频文献
参考文献
第46章同步定位与建图
46.1SLAM：问题的定义
46.2三种主要的SLAM方法
46.3视觉SLAM与RGB-D SLAM
46.4结论与未来挑战
视频文献
参考文献
第47章运动规划与避障
47.1非完整移动机器人：遵循控制理论的
运动规划
47.2运动学约束与可控性
47.3运动规划与短时可控性
47.4局部转向方法与短时可控性
47.5机器人与拖车
47.6近似方法
47.7从运动规划到避障
47.8避障的定义
47.9避障技术
47.10避障机器人的形状特征、运动学与
动力学
47.11规划-反应的集成
47.12结论、未来方向与延展阅读
视频文献
参考文献
第48章腿式机器人的建模与控制
48.1腿式机器人的研究历程
48.2腿部运动的动力学建模
48.3稳定性分析：不跌倒
48.4动态行走与跑步运动的生成
48.5运动与力控制
48.6实现更高效的行走
48.7不同类型的接触行为
48.8结论
参考文献
第49章轮式机器人的建模与控制
49.1背景
49.2控制模型
49.3对于完整约束系统控制方法的
适应性
49.4针对非完整约束系统的方法
49.5非理想轮地接触下的路径跟随
49.6补充材料与文献指南
视频文献
参考文献
第50章崎岖地形下机器人的建模与控制
50.1概述
50.2崎岖地形下的轮式机器人建模
50.3崎岖地形下轮式机器人的控制
50.4崎岖地形下的履带式机器人建