智能機器人與具身智能

目錄

 

 

 

 

 

 

 

第1部分智能機器人

 

第1章機器人構成

 

1.1機器人分類

 

1.1.1機器人起源和定義

 

1.1.2機器人系統構成

 

1.1.3機器人的分類

 

1.2機器人的構型

 

1.2.1串聯機器人

 

1.2.2並聯機器人

 

1.2.3移動機器人

 

習題

 

第2章機器人學基礎

 

2.1剛體運動描述

 

2.1.1數學基礎

 

2.1.2歐拉角與RPY角

 

2.1.3軸角表示法

 

2.1.4齊次變換矩陣

 

2.1.5基於旋量的運動與力表示

 

2.2運動學

 

2.2.1基於DH法的正運動學

 

2.2.2基於旋量法的正運動學

 

2.2.3基於解析解的逆運動學

 

2.2.4基於數值解的逆運動學

 

2.3動力學

 

2.3.1剛體動力學表達

 

2.3.2逆動力學

 

2.3.3正動力學

 

習題

 

 

第3章機器人感知與傳感

 

3.1機器人感知系統

 

3.1.1機器人感知概念及系統組成

 

3.1.2機器人傳感器分類

 

3.1.3機器人感知技術發展趨勢

 

3.2傳感器基本知識

 

3.2.1傳感器的定義與基本組成

 

3.2.2傳感器的基本分類

 

3.2.3傳感器特性與指標

 

3.3機器人視覺感知

 

3.3.1攝像機模型

 

3.3.2雙目立體視覺技術

 

3.3.3結構光三維視覺技術

 

3.4傳感器標定技術

 

3.4.1視覺標定的基本概念

 

3.4.2常見的視覺標定算法

 

3.4.3總結和展望

 

3.5傳感器特征信息提取

 

3.5.1特征提取的概念

 

3.5.2經典特征提取算法

 

3.6目標識別與環境感知

 

3.6.1二維目標檢測

 

3.6.2三維目標檢測

 

3.6.3語義場景理解

 

3.7多傳感器融合方法

 

3.7.1多傳感器融合的目標

 

3.7.2多傳感器融合的層次

 

3.7.3多傳感器融合的主要方法

 

3.7.4總結與展望

 

3.8其他傳感器

 

3.8.1速度傳感器

 

3.8.2加速度傳感器

 

3.8.3慣性傳感器

 

3.8.4觸覺傳感器

 

3.8.5嗅覺傳感器

 

3.8.6接近覺傳感器

 

習題

 

第4章運動控制

 

4.1運動控制簡介

 

4.1.1運動控制系統組成

 

4.1.2運動控制系統分類

 

4.2動態系統與控制系統

 

4.2.1動態系統

 

4.2.2控制系統

 

4.3動態系統建模

 

4.3.1拉普拉斯變換

 

4.3.2傳遞函數

 

4.3.3狀態空間方程

 

4.4線性系統的時域響應分析

 

4.4.1一階系統的時域響應分析

 

4.4.2二階系統的時域響應分析

 

4.5系統穩定性

 

4.5.1穩定性與李雅普諾夫方程

 

4.5.2傳遞函數穩定性分析

 

4.5.3狀態空間方程穩定性分析

 

4.6比例積分微分控制器

 

4.7移動機器人運動解算

 

4.7.1兩輪差分模型

 

4.7.2四輪麥克納姆輪模型

 

4.7.3四輪阿克曼模型

 

4.8機器人關節系統

 

4.8.1關節系統組成

 

4.8.2機器人一體化關節模組

 

4.8.3關節模組對比

 

4.8.4典型應用案例

 

4.9強化學習驅動的控制方法

 

4.9.1強化學習簡介

 

4.9.2QLearning和DQN算法

 

4.9.3DQN控制的一階倒立擺系統

 

4.10模型預測控制在人形機器人中的應用

 

習題

 

第5章導航與路徑規劃

 

5.1概述

 

5.1.1建圖與定位問題描述

 

5.1.2地圖表示與構建

 

5.1.3基於先驗地圖的定位

 

5.1.4SLAM系統

 

5.2機器人規劃與導航

 

5.2.1引言

 

5.2.2路徑規劃算法

 

5.2.3路徑跟蹤控制

 

5.2.4機器人導航技術

 

習題

 

第6章決策與任務規劃

 

6.1機器人任務規劃問題的建模

 

6.1.1概述

 

6.1.2經典任務規劃建模方法

 

6.1.3馬爾可夫決策任務規劃模型

 

6.1.4經典任務規劃問題實例

 

6.2機器人任務規劃問題的求解

 

6.2.1精確求解算法

 

6.2.2啟發式搜索算法

 

6.2.3機器學習方法

 

6.3多智能機器人任務規劃應用實例——農業機器人自主作業

 

6.3.1農機任務規劃問題建模與評價指標計算

 

6.3.2基於有序多變異遺傳算法的任務規劃

 

6.3.3基於深度強化學習的任務規劃算法

 

6.4總結

 

習題

 

第2部分具 身 智 能

 

第7章具身智能概論

 

7.1前言

 

7.2具身智能的定義

 

7.3具身智能的特點與發展現狀

 

7.3.1具身智能的特點

 

7.3.2具身智能的發展現狀

 

7.3.3具身智能的主要任務與關鍵技術

 

7.3.4多模態感知技術

 

7.3.5世界認知理解技術

 

7.3.6智能自主決策技術

 

7.3.7運動操作聯合規劃技術

 

7.4具身智能的主要應用與挑戰

 

7.4.1具身智能的主要應用

 

7.4.2具身智能發展面臨的問題與挑戰

 

習題

 

第8章具身多模態大模型

 

8.1機器人語言指令與動作決策對齊

 

8.1.1大語言模型在具身環境的應用困境

 

8.1.2語言指令動作決策對齊方法

 

8.1.3語言指令動作決策模型對齊實驗

 

8.2機器人動作控制多模態模型

 

8.2.1RT1與多模態動作控制

 

8.2.2動作控制多模態模型設計方法

 

8.2.3動作控制多模態模型實驗

 

8.3視覺語言動作一體化端到端多模態模型

 

8.3.1視覺語言模型概念與不足

 

8.3.2視覺語言動作大模型方法

 

8.3.3視覺語言動作大模型實驗

 

8.3.4總結與討論

 

8.4細粒度語言控制動作生成

 

8.4.1語言與動作關聯

 

8.4.2細粒度語言控制動作模型方法

 

8.4.3細粒度語言控制動作模型實驗

 

習題

 

第9章具身交互學習

 

9.1跨平臺具身知識學習

 

9.1.1跨平臺學習現狀

 

9.1.2跨平臺異構預訓練方案

 

9.1.3跨平臺異構預訓練實驗

 

9.2具身世界模型

 

9.2.1世界模型概念簡述

 

9.2.2具身世界模型設計方案

 

9.2.3具身世界模型實驗

 

9.3視覺感知引導動作優化方法

 

9.3.1語言模型引導動作的缺陷

 

9.3.2視覺語言模型引導的動作學習方案

 

9.3.3視覺語言模型引導的動作學習實驗

 

9.4關鍵點引導細粒度動作規劃

 

9.4.1機器人動作約束的挑戰

 

9.4.2關鍵點引導的機器人動作約束表示

 

9.4.3關鍵點引導的機器人動作約束實驗

 

習題

 

第10章自主導航與決策

 

10.1引言

 

10.1.1自主導航的定義與意義

 

10.1.2導航與決策的關聯

 

10.2環境感知與傳感器技術

 

10.2.1傳感器的作用與分類

 

10.2.2傳感器數據融合

 

10.2.3環境建模與特征提取

 

10.3定位與地圖構建

 

10.3.1SLAM基礎

 

10.3.2主流SLAM方法

 

10.4路徑規劃

 

10.4.1路徑規劃的概念與分類

 

10.4.2實時路徑調整與決策

 

10.5決策機制與優化

 

10.5.1高級決策建模

 

10.5.2強化學習在導航中的應用

 

10.6自主導航與決策的應用案例

 

10.6.1典型場景應用

 

10.6.2未來發展趨勢

 

習題

 

第11章規劃與控制

 

11.1具身規劃與控制基礎概念

 

11.1.1具身認知與具身智能的概述

 

11.1.2規劃與控制的基本概念

 

11.1.3規劃與控制的關系

 

11.2運動規劃

 

11.2.1運動規劃問題的定義和分類

 

11.2.2經典運動規劃算法

 

11.2.3運動規劃的優化方法

 

11.3操作規劃

 

11.3.1操作規劃的任務和挑戰

 

11.3.2操作規劃方法

 

11.3.3運動與操作聯合規劃

 

11.4智能控制

 

11.4.1智能控制的特點

 

11.4.2智能控制的主要方式

 

11.5具身規劃與控制的融合

 

11.5.1規劃與控制的閉環系統

 

11.5.2感知與規劃控制的集成

 

11.5.3具身系統的自主學習與適應

 

11.6應用案例分析

 

11.6.1工業機器人的具身規劃與控制應用

 

11.6.2服務機器人的具身規劃與控制

 

11.6.3自動駕駛中的具身規劃與控制

 

習題

 

第12章多智能體交互與協作

 

12.1引言

 

12.1.1多智能體系統

 

12.1.2典型應用場景

 

12.2多智能體系統的核心理論

 

12.2.1博弈論與協作決策

 

12.2.2分布式優化與共識算法

 

12.2.3群體智能與自組織行為

 

12.3多智能體協作與決策

 

12.3.1多智能體協作框架

 

12.3.2多智能體決策算法

 

12.4多智能體通信與協調

 

12.4.1通信協議與信息共享

 

12.4.2任務分配與角色動態調整

 

12.4.3沖突消解與容錯機制

 

12.5協作學習與知識融合

 

12.5.1聯邦學習與隱私保護

 

12.5.2遷移學習與知識共享

 

12.5.3多智能體強化學習

 

習題

 

第3部分典 型 應 用

 

第13章具身移動機器人

 

13.1具身移動機器人系統

 

13.1.1感知系統

 

13.1.2定位與導航系統

 

13.1.3決策系統

 

13.1.4執行系統

 

13.1.5通信與交互系統

 

13.1.6控制系統

 

13.1.7軟件與算法系統

 

13.2自動駕駛應用

 

13.2.1發展歷程

 

13.2.2分級標準

 

13.2.3技術架構介紹

 

13.2.4發展現狀

 

13.3工業機器人應用

 

13.3.1發展歷史

 

13.3.2典型應用

 

13.3.3總結與展望

 

13.4倉儲及物流機器人

 

13.4.1發展歷程

 

13.4.2倉儲及物流機器人的分類

 

13.4.3未來展望

 

13.5家庭服務機器人

 

13.5.1發展歷程

 

13.5.2典型應用

 

13.5.3展望

 

習題

 

第14章具身人形機器人

 

14.1人形機器人的發展歷程

 

14.1.1國際人形機器人的發展

 

14.1.2中國人形機器人的發展

 

14.2人形機器人的機械結構

 

14.2.1人形機器人頭部

 

14.2.2人形機器人四肢

 

14.2.3人形機器人軀體

 

14.2.4人形機器人的應用領域

 

習題

 

 

第15章具身特種機器人

 

15.1手術機器人

 

15.1.1典型的手術機器人

 

15.1.2手術機器人的自主化研究進展

 

15.2康復機器人

 

15.2.1典型的康復機器人

 

15.2.2康復機器人的自主化研究進展

 

15.3微納米機器人

 

15.3.1典型的微納米機器人

 

15.3.2微納米機器人的自主化研究進展

 

15.4水下機器人

 

15.4.1遙控水下機器人

 

15.4.2自主水下機器人

 

習題

 

參考文獻

 

附錄A