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| 內容簡介： |
全书共6章，由点到面地阐述人机协作机器人的部分关键理论与技术，主要包括连续运动意图识别、关节时变刚度估计、仿人关节柔性生成、安全避障和双臂动力学建模相关研究。首先，通过研究人体肘关节肌肉驱动特性，提出一种基于力矩补偿的关节仿人柔顺控制方法；然后，分别研究了基于主从任务转化的闭环控制避障算法和无外传感器的非预测性碰撞检测算法；后，提出一种双臂协作机器人动力学建模方法。
本书适合对机器人数学基础、运动学与动力学建模、规划与控制等基础知识有一定了解的高校学生、科研人员或相关行业从业人员参考学习。
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| 目錄：
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第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 协作机器人国内外研究现状 3
1.2.1 仿人关节机理研究国内外现状 6
1.2.2 协作机器人安全避障国内外研究现状 8
1.2.3 双臂协作机器人协调系统模型国内外研究现状 11
1.3 本书概要及展望 14
参考文献 15
第2章 基于生物力学分析的关节柔性机理研究 18
2.1 关节连续运动生成机理研究 18
2.1.1 关节连续运动生理学描述 18
2.1.2 sEMG正向动力学建模 19
2.2 基于Hill模型的肌肉力学建模 20
2.2.1 肌肉活跃度建模 20
2.2.2 肌肉收缩动力学建模 22
2.3 基于生理结构模型的肘关节动力学建模 24
2.3.1 肘关节生理结构建模 24
2.3.2 肘关节动力学建模 25
2.3.3 模型参数辨识 26
2.4 关节连续运动估计实验结果与分析 28
2.4.1 实验方案 28
2.4.2 实验结果 29
2.4.3 结果分析 33
2.5 关节刚度识别方法研究 34
2.5.1 基于扰动实验法的关节刚度估计 34
2.5.2 基于模型估计法的关节刚度估计 35
2.6 基于短程肌肉刚度的骨骼肌时变刚度建模 35
2.6.1 短程肌肉刚度建模 36
2.6.2 骨骼肌时变刚度建模 37
2.7 基于生理模型的肘关节时变刚度建模 38
2.7.1 肘关节刚度生理结构建模 38
2.7.2 肘关节刚度动力学建模 39
2.7.3 模型参数辨识 40
2.8 关节时变刚度估计实验结果与分析 40
2.8.1 实验方案 40
2.8.2 实验结果 41
2.8.3 结果分析 46
本章小结 47
参考文献 48
第3章 基于力矩补偿的机器人柔性关节 50
3.1 融合谐波传动的关节动力学建模 50
3.1.1 关节简化模型 50
3.1.2 关节柔性分析与建模 51
3.1.3 基于谐波传动的关节动力学模型 57
3.2 基于小二乘法的关节参数辨识 60
3.2.1 关节摩擦参数辨识 60
3.2.2 关节刚度辨识 63
3.2.3 关节整体离线参数辨识 65
3.3 基于力反馈的关节零力控制研究 68
3.3.1 关节扭矩估算方法 68
3.3.2 关节重力矩和摩擦力矩补偿 72
3.3.3 基于力矩补偿的关节零力控制实验 75
本章小结 81
参考文献 81
第4章 协作机器人避障算法研究 83
4.1 障碍物的定位研究 83
4.1.1 图像预处理 83
4.1.2 图像处理中的坐标系关系 87
4.1.3 空间点重建 90
4.2 协作机器人避障算法研究 93
4.2.1 避障算法的确定 93
4.2.2 平面三自由度机器人建模 95
4.2.3 避障指标的确定 97
4.2.4 基于主从任务转化的闭环控制避障算法建模 102
4.2.5 仿真实验与分析 111
4.3 避障实验研究 119
4.3.1 软件开发工具 120
4.3.2 实验平台 120
4.3.3 避障实验及分析 123
本章小结 127
参考文献 127
第5章 协作机器人安全碰撞检测研究 129
5.1 柔性关节机器人动力学建模 129
5.2 基于二阶前馈广义动量的机器人碰撞检测算法 132
5.2.1 无外传感器的碰撞检测算法 133
5.2.2 六自由度协作机器人碰撞检测算法仿真 136
5.3 基于加权小二乘滤波算法的参数优化与阈值设定 141
5.3.1 加权线性小二乘滤波参数优化 141
5.3.2 机器人关节电流滤波优化 143
5.3.3 基于小二乘法各关节摩擦辨识 146
5.3.4 基于衡量参数的动态阈值设定 150
5.4 协作机器人碰撞检测实验研究 155
5.4.1 协作机器人碰撞检测平台 155
5.4.2 外力干扰实验验证分析 155
5.4.3 碰撞检测位置实验研究 158
本章小结 164
参考文献 164
第6章 双臂协作机器人相对动力学建模 166
6.1 双臂协作机器人运动学建模 166
6.1.1 双臂协作机器人广义连杆坐标系 166
6.1.2 双臂协作机器人广义连杆变换矩阵 168
6.2 雅可比矩阵求解方法 169
6.2.1 矢量积法 170
6.2.2 微分变换法 170
6.2.3 运动学方程求导法 171
6.2.4 矢量解析法 172
6.3 双臂协作机器人相对雅可比矩阵求解研究 174
6.3.1 旋转矩阵变换 175
6.3.2 平移矢量变换 176
6.3.3 双臂协作机器人相对雅可比矩阵 177
6.4 双臂协作机器人动力学建模 180
6.4.1 匀质连杆动能求解方法 180
6.4.2 双臂协作机器人系统动能与位能 181
6.4.3 双臂机器人动力学模型的建立 183
6.5 双臂协作机器人相对动力学建模 186
6.6 基于双臂相对动力学模型的仿真与实验 188
6.6.1 仿真条件设定 188
6.6.2 仿真与实验分析 191
本章小结 194
参考文献 195
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| 內容試閱：
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实现人机协作，使得人机之间的交互活动更加自然柔顺，是目前机器人研究的一个重要方向。本书只针对具有机械臂的协作机器人进行研究讨论，其他类型的机器人暂不做叙述。协作机器人是和人类在共同工作空间中有近距离互动的一类机器人，是在传统工业机器人基础上的进一步提升。根据所具有的机械臂数目，协作机器人可分为单臂协作机器人和双臂协作机器人。本书首先对单臂协作机器人的关键技术进行研究，然后在此基础上对双臂协作机器人协调运动控制算法进行探索。如无特殊说明，本书中提到的协作机器人均指单臂协作机器人，对于双臂协作机器人则在第6章进行专门说明。
本书主要内容如下。
第1章通过介绍目前协作机器人的研究背景和意义，以及对市场已有协作机器人的讨论，阐述人机协作机器人部分关键理论与关键技术的研究现状，对比分析关于协作机器人的一些研究成果，引出研究协作机器人的重要性。
第2章针对关节连续运动的意图识别和关节时变刚度进行研究。关节连续运动意图识别建立了肌电信号与关节角度、关节力矩及时变刚度等连续变量之间的映射关系，在机器人关节柔顺控制中发挥着重要作用。如果仅将关节连续运动的识别结果应用于机器人控制，那么机器人关节运动很难具有柔顺特性。人体关节在日常活动中表现出卓越的柔顺性，尤其是在上肢高精度动作快速转换及下肢步态切换时，人体会潜意识地调节各关节/肌肉刚度。因此，研究相应的人体关节时变刚度识别技术，并将其结果应用于机器人关节运动控制，是实现人机协作高度融合的另一重要内容。
第3章根据第2章对关节连续运动及关节时变刚度的分析研究，揭示无力/力矩传感器下的关节柔性机理。仿人关节的内部没有增加力/力矩传感器，降低了成本且简化了机构设计的难度和布线的复杂度。但是在关节内部添加了值编码器和增量编码器，以及通过谐波减速器来增加关节柔性，从而提供了一种新的关节设计方案并提出了基于谐波减速器的动力学模型，为后面协作机器人针对外力作用的检测提供了理论支撑。
第4章针对协作机器人进行避障技术研究，主要是借助视觉检测的方法来确定障碍物的位置，进行协作机器人的避障规划。视觉检测的功能强大，能够检测协作机器人和工作人员等的位置信息，再将其传递给机器人，使其根据自己的工作状态做出决策。针对传统避障算法的不足提出基于主从任务转化的闭环控制避障算法，并以UR5协作机器人为实验平台对算法进行实验验证，证明该算法具备末端跟踪精度高、计算量小和躲避速度变化连续等优点。
第5章针对协作机器人进行碰撞检测技术研究。因为视觉技术并不是的，再多的位置信息和轨迹规划结果也只是位置层面的反馈，一旦协作机器人的避障效果不理想，则可能发生人机碰撞。又因为没有在仿人柔性关节内部增加力/力矩传感器，所以第3章中的基于关节输入/输出双位置反馈的关节力矩反馈方法就显得尤为重要。第5章除了借用第3章的关节设计和模型外，还专门进行了基于广义动量观测器并结合动态阈值的无外力传感器的碰撞检测研究，从而做到协作机器人能够检测到外力，并进行一系列的碰后策略反应。
在进行了前几章一系列的单臂协作机器人的研究后，为了进一步达到人机协作的目的，第6章介绍了对双臂协作机器人的初步研究。双臂协作机器人动力学建模是研究双臂协调运动的关键所在，难点在于同一系统中建立两机械臂之间的联系，只有解决这一难题，才能为人机协作提供有价值的研究思路。第6章就是对双臂协作机器人的相对动力学模型做了初步分析，在双臂协作机器人两机械臂的协调控制算法方向做出了探索。
综上，协作机器人安全作业技术内容广泛，涉及诸多学科领域，是多学科交叉融合的产物。虽然市面上已有多款产品问世，但目前对协作机器人系统的理论研究尚处于发展阶段，仍有许多问题亟待解决。本书是由作者所在研究团队在和省部级自然科学基金项目支持下，在与人共融协作机器人领域所取得的研究成果上，整理、归纳、撰写而成的。一方面希望能在此基础上与领域内学者展开探讨交流，另一方面也希望能吸引更多的科技工作者投身机器人领域研究工作。
本书由张建华、刘振忠、刘璇撰写，参与本书内容校对、整理工作的有赵岩、李克祥、许晓林、卜必正、蔡灿、田颖、李进、徐永强、娄公飞、王俊辉等。
由于作者水平和经验所限，书中难免存在不妥之处，恳请各位专家和读者批评指正。
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