機器人學經典教程

第1章 機器人學的定義 1

第2章 機器人簡史 5
2.1 控制理論 5
2.2 控制論 5
2.2.1 「機械龜」 6
2.2.2 Braitenberg的「車型機器人」 8
2.3 人工智能 9

第3章 機器人的組成部分 15
3.1 具身化 16
3.2 感知 16
3.3 行動 18
3.4 腦力和體力 19
3.5 自主 20

第4章 效應器和執行器 23
4.1 主動驅動與被動驅動 23
4.2 執行器的類型 24
4.3 電機 25
4.3.1 直流電機 25
4.3.2 齒輪裝置 26
4.3.3 伺服電機 28
4.4 自由度 29

第5章 運動 35
5.1 穩定性 35
5.1.1 靜態穩定性 37
5.1.2 動態穩定性 37
5.2 運動步態 38
5.2.1 步態 38
5.2.2 三角步態和交替三角步態 39
5.2.2 疊波步態 39
5.3 輪子和轉向裝置 40
5.3.1 完整性 41
5.3.2 差動驅動 41
5.4 停留在途中vs到達目的地 41

第6章 操作 45
6.1 末端效應器 45
6.2 遙操作 46
6.3 為什麼操作是很困難的 47

第7章 傳感器 53
7.1 處理層次 56

第8章 簡單的傳感器 63
8.1 主動型傳感器與被動型傳感器 63
8.2 開關 63
8.3 光學傳感器 65
8.3.1 偏振光 66
8.3.2 反射式光傳感器 67
8.3.3 反射光傳感器 68
8.3.4 紅外線 69
8.3.5 光的調制解調技術 70
8.3.6 光束中斷傳感器 70
8.3.7 轉軸編碼器 70
8.4 電阻位置傳感器 73

第9章 復雜的傳感器 75
9.1 超聲波或聲納探測 75
9.1.1 聲納以前都做了什麼？聲納還能用在什麼地方 77
9.1.2 鏡面反射 78
9.2 激光傳感 80
9.3 視覺感知 82
9.3.1 攝像機 83
9.3.2 邊緣檢測 84
9.3.3 基於模型的視覺 86
9.3.4 運動視覺 87
9.3.5 立體視覺 87
9.3.6 紋理、陰影、輪廓 88
9.3.7 生物視覺 89
9.3.8 機器人視覺 89

第10章 反饋控制 93
10.1 反饋控制或閉環控制 93
10.2 誤差的諸多層面 94
10.3 一個反饋控制機器人的例子 95
10.4 反饋控制的類型 97
10.4.1 比例控制 97
10.4.2 微分控制 98
10.4.3 積分控制 98
10.4.4 PD和PID控制 99
10.5 前饋或開環控制 100

第11章 控制架構 103
11.1 誰需要控制架構 103
11.2 機器人的編程語言 105
11.3 架構是什麼 106
11.3.1 時間 107
11.3.2 模塊化 107
11.3.3 表示 108

第12章 表示 109
12.1 制作地圖的多種方法 109
12.2 機器人能表示什麼 111
12.3 表示的開銷 111

第13章 審慎控制 113
13.1 規划的概念 113
13.2 規划成本 115

第14章 反應控制 119
14.1 行動選擇 123
14.2 包容式體系結構 124
14.3 如何確定行為的順序 126

第15章 混合控制 131
15.1 處理世界／地圖／任務的變化 133
15.2 計划以及重新計划 133
15.3 避免重新計划 133
15.4 在線以及離線規划 134

第16章 基於行為的控制 137
16.1 分布式表征 140
16.2 一個例子：分布式地圖構建 141
16.2.1 機器人托托（Toto） 141
16.2.2 托托的導航 141
16.2.3 托托的地標檢測 142
16.2.4 托托的地圖構建行為 143
16.2.5 托托行為地圖中的路徑規划 145
16.2.6 托托地圖的后續工作 146

第17章 行為協調 151
17.1 行為仲裁：做出選擇 151
17.2 行為融合：概括 152

第18章 突現行為 157
18.1 一個例子：突現的沿牆移動 157
18.2 整體大於各部分的總和 158
18.3 突現的組件 158
18.4 期待意想不到的事情 159
18.5 對驚喜的預測 159
18.6 好的與壞的突現行為 160
18.7 體系結構以及突現 161

第19章 導航 163
19.1 定位 164
19.2 搜索以及路徑規划 166
19.3 定位與地圖構建 167
19.4 覆蓋 168

第20章 群機器人 171
20.1 團隊合作的益處 172
20.2 團隊合作的挑戰 173
20.3 群體與團隊類型 174
20.4 通信 176
20.5 讓一個團隊同場競技 180
20.5.1 我是領導：集中控制 181
20.5.2 團隊一起完成任務：分布控制 181
20.6 多機器人控制的架構 182

第21章 更上一層樓：學習 185
21.1 強化學習 186
21.1.1 探索 186
21.1.2 探索vs利用 186
21.1.3 控制策略 187
21.2 監督式學習 189
21.3 模仿學習／示范學習 190
21.3.1 人機交互 190
21.3.2 感受任務 192
21.4 學會與遺忘 193
21.4.1 遺忘 193
21.4.2 終身學習 194

第22章 機器人的未來 195
22.1 空間機器人 197
22.2 外科手術機器人 198
22.2.1 觸覺學 198
22.2.2 納米機器人 199
22.3 自重構機器人 199
22.4 人形機器人 200
22.5 社交機器人以及人機交互 200
22.6 服務機器人、行為輔助機器人以及康復訓練機器人 201
22.6.1 服務機器人 201
22.6.2 行為輔助機器人 201
22.6.3 康復訓練機器人 202
22.6.4 社會輔助機器人 202
22.7 教育機器人 203
22.7.1 STEM課題 204
22.7.2 教育機器人 205
22.8 倫理意蘊 205