特種機器人技術

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郭彤穎
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具体描述

  特種機器人是除工業機器人之外的、用於非製造業並服務於人類的各種機器人的總稱。

  特種機器人的研究涉及機器視覺、模式識別、人工智慧、智慧控制、感測器技術、電腦技術、機械電子和仿生學等諸多學科的理論和技術,是一門高度交叉的尖端科技學科。

  本書系統地介紹了特種機器人的基礎知識、路徑規劃算法,以及廢墟搜救機器人和文字問答機器人的應用實例,內容涉及近幾年機器人領域的研究熱門問題,是作者多年來在該領域研究成果的積累和總結。主要內容有機器人的定義與分類,特種機器人的發展現狀及核心技術;主要應用領域:機器人的驅動系統、機構和傳感技術,移動機器人的定位算法和路徑規劃算法,廢墟搜救機器人的系統組成和自主運動控制研究,文字問答機器人的體系結構、關鍵技術和典型應用等。

  本書可作爲從事特種機器人研究和開發及應用的科學研究工作者和工程技術人員的參考書,也可作爲控制科學與工程、計算機科學與技術、機械電子工程等學科研究生或高年級本科生的教材。
现代光学系统设计与优化 书籍简介 本书深入探讨了现代光学系统的设计、分析与优化技术,旨在为光学工程师、科研人员以及相关领域的学生提供一份全面、实用的技术参考。全书内容涵盖了从基础的光学原理到前沿的复杂系统设计方法,力求在理论深度与工程实践之间找到最佳平衡点。 第一部分:光学基础与成像理论 本部分首先回顾了经典几何光学和物理光学的基本原理,包括光线追迹、反射、折射定律、以及波动光学的基本概念,如衍射和干涉。重点阐述了成像系统的核心要素,如焦距、数值孔径(NA)、视场角以及不同类型的像差。 几何光学基础: 详细分析了透镜、反射镜的性能参数,以及如何使用光线追迹方法计算简单系统的性能。讨论了光学系统设计中常用的优化目标函数。 波动光学与衍射限制: 阐述了光波的波动特性在现代高分辨率成像中的重要性。深入分析了衍射极限对成像质量的制约,并介绍了点扩散函数(PSF)、调制传递函数(MTF)的计算方法及其在系统性能评估中的应用。 像差理论与校正: 详细讲解了五种主要的一阶和二阶像差(球差、彗差、像散、场曲、畸变)的成因和数学描述。针对这些像差,系统地介绍了经典的校正方法,如利用非球面设计、双胶合透镜组合以及利用特定光束整形技术来抑制像差。 第二部分:光学系统设计方法论 本部分聚焦于将理论转化为可制造和可验证的实际设计方案的工程流程。强调了从需求定义到最终优化的完整设计周期管理。 系统规范与需求分析: 阐述了如何根据应用需求(如工作波段、分辨率、信噪比、工作距离)来确定初始的设计参数。讨论了公差分析在设计初期对可行性的影响。 自由曲面与衍射光学元件(DOE): 介绍了传统球面和柱面设计无法满足的高性能要求下,自由曲面透镜和反射镜的理论基础、构造方法和优化技巧。同时,深入探讨了DOE在色散校正、光束整形和系统小型化中的应用。 序列光线追迹与优化: 详细介绍了主流光学设计软件(如Zemax、Code V)中的操作流程和优化算法。讲解了如何设置合理的优化目标、约束条件,并应用如阻尼最小二乘法、全局优化算法来寻找最佳系统结构。强调了对局部最小值陷阱的识别与规避。 公差分析与制造可行性: 这是连接设计与制造的关键环节。本章讲解了蒙特卡洛分析、灵敏度分析等方法,用于评估制造误差、装配误差对系统性能的影响。提供了如何设定合理的公差范围,以确保批量生产的成品率。 第三部分:特定应用领域的光学系统设计 本部分将前述理论应用于几个关键的现代光学技术领域,展示了不同应用场景下的设计挑战与解决方案。 高分辨率显微成像系统: 针对生物医学成像需求,设计了共聚焦显微镜、衍射限制照明系统和高数值孔径物镜的设计。重点讨论了如何克服工作距离限制、实现深场成像和三维重建。 激光系统与光束整形: 聚焦于高功率激光器和光通信中的光束质量控制。介绍了拉盖尔(Laguerre)光束、平顶光束的产生方法,以及如何使用像传播(ABCD)矩阵理论来分析和设计激光腔体。讨论了非线性光学效应在光束处理中的应用。 遥感与空间光学系统: 阐述了适用于大视场、长焦距遥感器的设计特点,如离轴三反系统(Off-axis Three-Mirror Anastigmat, TMA)的优势与设计难点。讨论了极端温度环境下的热光学分析与补偿策略。 光刻与投影系统: 深入分析了步进式光刻机中投影物镜的设计挑战,特别是对掩模误差的敏感性、波前畸变控制以及高数值孔径下的照明系统设计。 第四部分:先进光学制造与检测技术 设计完成后,本部分关注如何将蓝图变为现实,以及如何对复杂光学元件进行精确测量。 现代光学元件制造技术: 概述了精密研磨抛光、数控研磨(CNC Grinding)、离子束抛光(Ion Beam Figuring, IBF)等先进制造工艺。讨论了对非球面、自由曲面进行高精度加工的技术要求和挑战。 光学元件镀膜技术: 讲解了单层、多层增透膜、高反射膜的设计原理,以及如何通过薄膜应力控制来保证元件的平整度。 波前测量与检测: 详细介绍了干涉仪在光学元件检测中的应用,包括相移干涉法、谢尔(Shack-Hartmann)传感器等现代波前测量技术。强调了如何将测量结果反馈到优化流程中,实现设计与制造的闭环控制。 全书结构严谨,图文并茂,配有大量的工程实例和计算分析,是光学工程领域专业人士不可或缺的参考手册。

著者信息

图书目录

第1 章 緒論
1.1 機器人的定義與分類
1.1.1 機器人的定義
1.1.2 機器人的分類
1.2 機器人的發展歷程及趨勢
1.2.1 機器人的發展歷程
1.2.2 機器人的發展趨勢
1.3 特種機器人的發展現狀和核心技術
1.3.1 全球特種機器人發展現狀
1.3.2 中國特種機器人發展現狀
1.3.3 特種機器人核心技術
1.4 特種機器人的主要應用領域

第2 章 特種機器人的驅動系統和機構
2.1 機器人的基本組成
2.2 常用驅動器
2.2.1 液壓驅動
2.2.2 氣壓驅動
2.2.3 電氣驅動
2.2.4 新型驅動
2.3 常見傳動機構
2.3.1 直線傳動機構
2.3.2 旋轉運動機構
2.3.3 減速傳動機構
2.4 機械臂
2.5 機械手
2.6 常見移動機構
2.6.1 車輪式移動機構
2.6.2 履帶式移動機構
2.6.3 腿足式移動機構
2.6.4 其他形式的移動機構

第3 章 特種機器人的感測技術
3.1 概述
3.1.1 特種機器人對感測器的要求
3.1.2 常用感測器的特性
3.1.3 機器人感測器的分類
3.2 力覺感測器
3.3 觸覺感測器
3.4 視覺感測器
3.5 聽覺感測器
3.6 嗅覺感測器
3.7 接近度感測器
3.8 智慧感測器
3.8.1 智慧感測器概述
3.8.2 智慧感測器的功能與特點
3.8.3 智慧感測器在機器人中的應用
3.9 無線感測器網路技術
3.9.1 無線感測器網路的特點
3.9.2 無線感測器網路體系結構
3.9.3 無線感測器網路的關鍵技術
3.9.4 硬體與軟體平臺
3.9.5 無線感測器網路與Internet 的互聯

第4 章 基於視覺的移動機器人定位技術
4.1 移動機器人視覺系統
4.1.1 機器人視覺的基本概念
4.1.2 移動機器人視覺系統的主要應用領域
4.1.3 移動機器人單目視覺系統
4.1.4 移動機器人雙目視覺概述
4.2 攝影機標定方法
4.2.1 離線標定方法
4.2.2 改進的節點提取算法
4.2.3 實驗結果
4.3 路標的設計與識別
4.3.1 邊框的設計與識別
4.3.2 圖案的設計與識別
4.4 基於路標的定位系統
4.4.1 單路標定位系統
4.4.2 多路標定位系統
4.4.3 誤差分析
4.4.4 實驗驗證
4.5 移動機器人定位分析
4.5.1 Monte Carlo 定位算法
4.5.2 機器人的實驗環境
4.5.3 定位誤差實驗

第5 章 基於算法融合的移動機器人路徑規劃
5.1 常用的路徑規劃方法
5.2 基於人工勢場和A*算法融合的機器人路徑規劃
5.2.1 人工勢場法
5.2.2 A*算法
5.2.3 人工勢場和A*算法融合
5.2.4 仿真研究
5.3 基於人工勢場和蟻群算法的機器人路徑規劃
5.3.1 蟻群算法
5.3.2 改進的人工勢場法
5.3.3 基於勢場力引導的蟻群算法
5.3.4 仿真研究

第6 章 廢墟搜救機器人
6.1 廢墟搜救機器人概述
6.1.1 廢墟搜救機器人研究意義
6.1.2 廢墟搜救機器人研究趨勢
6.2 廢墟搜救機器人硬體系統
6.2.1 廢墟搜救機器人硬體構成
6.2.2 可變形搜救機器人硬體系統
6.2.3 可變形搜救機器人運動學模型
6.3 廢墟搜救機器人控制系統
6.3.1 廢墟搜救機器人控制系統的要求
6.3.2 層次化分布式模組化控制系統結構設計
6.4 廢墟搜救機器人控制站系統
6.4.1 廢墟搜救機器人控制站系統特點
6.4.2 廢墟搜救機器人控制站系統結構
6.4.3 廢墟搜救機器人控制站工作模式
6.5 顛簸環境下廢墟搜救機器人自主運動
6.5.1 顛簸環境對廢墟搜救機器人的運動影響
6.5.2 顛簸環境下廢墟搜救機器人運動學模型
6.5.3 顛簸環境下模糊控制器分析與設計
6.5.4 仿真研究

第7 章 文本問答機器人
7.1 文本問答機器人概述
7.1.1 文本問答機器人的概念與特點
7.1.2 文本問答機器人的發展歷程
7.1.3 文本問答機器人的分類
7.1.4 文本問答機器人的評價指標
7.2 文本問答機器人體系結構
7.2.1 文本問答機器人基本原理
7.2.2 文本問答機器人體系結構
7.2.3 文本問答機器人問題分析
7.2.4 文本問答機器人資訊檢索
7.2.5 文本問答機器人答案抽取
7.3 文本問答機器人關鍵技術
7.3.1 中文分詞技術
7.3.2 詞性標注技術
7.3.3 去停用詞技術
7.3.4 特徵提取技術
7.3.5 問題分類技術
7.3.6 答案提取技術
7.4 基於互聯網的文本問答機器人的典型應用
7.4.1 基於FAQ 的受限域文本問答機器人系統結構
7.4.2 基於FAQ 的受限域文本問答機器人系統功能
7.4.3 基於FAQ 的受限域文本問答機器人系統特點
7.4.4 基於FAQ 的受限域文本問答機器人應用領域

參考文獻

 

图书序言

  • ISBN:9786263321120
  • 規格:平裝 / 242頁 / 17 x 23 x 1.21 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读



  自1950年代末第一臺工業機器人誕生以來,機器人不僅廣泛應用於工業生産和製造業領域,而且在航空航太、海洋探測、建築領域、危險或惡劣環境,以及日常生活和教育娱樂等非製造業領域中得到了大量應用。特種機器人是除工業機器人之外的、用於非製造業並服務於人類的各種機器人的總稱。

  特種機器人的研究涉及機器視覺、模式識別、人工智慧、智慧控制、感測器技術、電腦技術、機械電子和仿生學等諸多學科的理論和技術,是一門高度交叉的前端學科。為了順應機器人從傳統的工業機器人逐步走向千家萬户的發展趨勢,展示特種機器人的廣闊應用領域,本書綜合應用多個相關學科的知識,系統地講解了特種機器人的基礎知識、算法研究和應用實例,反映了特種機器人學的基礎知識以及與其相關的先進理論和技術。算法研究部分主要是針對目前應用最為廣泛的移動機器人開展的研究,應用實例部分介紹了目前比較前端的廢墟搜救機器人和文本問答機器人的系統組成和關鍵技術,大量篇幅介紹作者的研究成果。希望讀者通過閲讀和學習這本書,能夠感受到從事特種機器人相關研究的樂趣。

  本書共分7章,第1章主要講解機器人的基礎知識,包括機器人的定義與分類、發展歷程及趨勢,特種機器人的發展現狀和核心技術及主要應用領域;第2章主要介紹特種機器人的驅動系統、傳動機構、手臂和移動機構;第3章講解特種機器人的常用感測器,以及最近幾年發展起來的智慧感測器和無線感測網路技術;第4章在分析移動機器人視覺系統特點基礎上,開展了攝影機標定方法研究、路標的設計與識別、基於路標的視覺定位研究和算法實現;第5章在介紹常用的移動機器人路徑規劃方法基礎上,開展了基於算法融合的移動機器人路徑規劃研究;第6章講述廢墟搜救機器人的控制系統和如何實現移動機器人的自主運動;第7章闡明文本問答機器人的體系結構和關鍵技術,並詳細闡述了基於互聯網的文本問答機器人的典型應用。

  本書第1章、第2章由郭彤穎、王海忱撰寫,第3章由郭彤穎、張輝撰寫,第4章由張令濤、關麗榮、張輝撰寫,第5章由郭彤穎、劉雍、劉偉、趙昆、李寧寧撰寫,第6章由朱林倉、郭彤穎、劉冬莉撰寫,第7章由朱林倉、郭彤穎撰寫,有關術語中英文對照由郭彤穎、王德廣撰寫。全書由郭彤穎統稿。

  由於機器人技術一直處於不斷發展之中,鑑於作者水平有限,難以全面、完整地對當前的研究前端和熱點問題一一進行探討。書中存在不妥之處,敬請讀者給予批評指正。

用户评价

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翻閱這本書的時候,最讓我感到驚豔的是它對於「結構設計與材料科學」的整合討論。通常我們談機器人,很容易就聚焦在軟體和演算法上,但這本書卻很強調機械本體的重要性。它沒有直接給出標準的機械結構設計藍圖,而是從力學的角度出發,探討不同關節結構(像是旋轉關節、滑動關節)在承受不同負載時的應力分佈問題。我特別喜歡它比較不同材料(例如航太級鋁合金與碳纖維複合材料)在相同設計下的性能差異分析,特別是關於重量比和剛性的權衡,這對於設計輕量化、高承載的機器人至關重要。書中還附帶了不少有限元素分析(FEA)的基礎概念,雖然不是專門的FEA教材,但足以讓讀者理解如何利用模擬軟體來驗證設計的可靠性。對於從事機構設計的朋友來說,這本書提供的是一種思維框架,教你如何從材料特性出發,倒推合理的機械設計參數,而不是一味地追求複雜度。

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這本書的封面設計,嗯,說實在話,第一眼看過去並沒有特別吸引人,就是那種教科書的制式風格,線條有點硬邦邦的,藍色和灰色的搭配顯得有點老派。不過,我得承認,內容的紮實度是絕對沒話說的。我記得那時候在學校修相關課程,手邊就缺這樣一本能把理論跟實務銜接得這麼好的參考書。特別是關於機器人感測器融合的部分,作者用了很多篇幅去解釋不同感測器數據如何整合,而且還舉了不少實際的應用案例,像是自動導引車(AGV)在複雜環境下的定位問題。書裡頭的公式推導也相當詳盡,對於我們這種需要打底子的學生來說,真的是救星。雖然有些章節讀起來會比較「硬」,需要反覆咀嚼,但當你真正理解了背後的原理,那種茅塞頓開的感覺是很棒的。總體來說,如果你的目標是想在機器人領域打下堅實的基礎,這本書絕對是值得收藏的。它比較偏學術和工程導向,如果你是想找那種輕鬆入門、趣味性高的讀物,可能就要抱歉了,這本的調性比較嚴謹。

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這本「特種機器人技術」,老實說,讀起來的感覺很不一樣,它更像是一本「領域專案的技術手冊彙編」,而不是單純的學術專論。它並沒有試圖建立一個宏大的理論體系,而是聚焦在幾個特定應用場景下的技術突破。例如,書中有幾章節非常深入地探討了水下機器人(ROV)的耐壓殼設計,以及在渾濁水域中如何利用聲納和光學感測器進行避障與路徑規劃,這些內容的細節之豐富,簡直讓人懷疑作者是不是本身就是某個水下作業團隊的資深工程師。另一個讓我印象深刻的是,它對於「極端環境作業機器人」的倫理與安全規範探討,這在一般技術書籍裡是比較少見的視角。它不只教你怎麼做,還在提醒你「該不該做」以及「如何安全地做」。如果你負責的是那些非傳統、需要克服惡劣環境的機器人項目,這本書裡的專題討論部分,會給你非常實用的參考價值,比那些空泛的技術展望要來得實在多了。

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閱讀這本書的過程中,我必須說,它的章節間的邏輯跳躍性偶爾會讓人稍微迷失一下方向,不像某些經典教材那樣線性的鋪陳。但這也體現了它「特種」的本質——它將不同領域的尖端技術揉合在一起,像是將生物力學的運動模擬應用到仿人機器人的步態生成上,或是將機器學習的強化學習(RL)演算法直接嵌入到機器手臂的抓取策略優化中。特別是關於人機介面(HMI)的部分,它探討了如何設計更直覺的遙控介面,讓操作者能更有效地「感知」到機器人所在環境的回饋,這對於遠端操控系統的效能提升至關重要。我認為這本書的優勢不在於教會你所有基礎知識(基礎知識可能需要搭配其他書籍),而在於它展示了如何將這些基礎知識,經過巧妙的組合與創新,去解決那些真正棘手、需要跨學科知識才能攻克的「特種」難題。它更像是一個高階工程師的筆記,充滿了實戰經驗的沉澱。

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我對這本書的印象,主要停留在它對「控制演算法」的深入剖析。坦白說,市面上談機器人控制的書不少,但很少有能像這樣,把經典的 PID 控制器講到極致,再延伸到更進階的狀態空間模型和最佳控制理論。作者在闡述這些複雜概念時,並沒有一味地堆砌數學符號,而是非常巧妙地穿插了一些產業內部的「眉角」。舉例來說,書中提到在實際的機械手臂上進行即時運算時,記憶體和運算週期的限制會如何影響你選擇控制策略的取捨,這類經驗談在學術著作裡頭是很難得見到的。我當時正好在準備一個需要高精度運動控制的專題,書裡提供的那套基於力/位置混合控制的框架,給了我很大的啟發。而且,作者還花了不少篇幅討論了分散式控制系統的架構設計,對於多機器人協同作業的未來發展趨勢,也有著獨到的見解。如果你是軟體背景出身,想跨足到機器人硬體驅動層面的話,這本書的控制章節,絕對是你不能跳過的一環,它會讓你對「精準」這兩個字有更深層次的理解。

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