人形机器人原理与实践

在严谨的学术论述中融入生动的案例分析，并通过丰富的图表帮助读者理解复杂概念。无论是机器人领域的初学者，还是经验丰富的研究者，都能从本书中获得启发。

配套资源丰富，提供授课电子课件、教学大纲、知识图谱、思维导图等，利于教师开展教学活动。

本书系统梳理了人形机器人的核心理论与技术应用，全书共10章，涵盖从基础理论到技术应用的完整知识体系。第1章和第2章阐述了人形机器人的发展背景、数学基础、驱动方式和传感器分类，为人形机器人的运动学和控制奠定了基础。第3~5章讲述了情感交互核心技术，聚焦情感特征提取与处理、情感计算模型和多模态情感表达技术。第6~10章讲述了人形机器人工程实践，详细阐述了硬件系统设计、操作系统、人机交互设计及运动规划，结合医疗护理机器人等案例展现人形机器人技术落地场景。

本书既包含数学推导与算法细节，又通过实际案例与图表解析复杂概念，兼顾理论深度与实践指导性，内容由浅入深、通俗易懂、实用性强，适合机器人学、人工智能、计算机科学等领域的研究者、工程师及高年级本科生与研究生阅读。

前言

第1章绪论

1.1背景与意义

1.2发展历史

1.2.1国外人形机器人发展历史

1.2.2国内人形机器人发展历史

1.3人形机器人行业的技术挑战

1.4基础知识

1.4.1人形机器人的基本构成

1.4.2人形机器人的基本工作原理

1.4.3人形机器人的主要用途

1.5本章小结

第2章人形机器人基础

2.1数学基础

2.1.1空间向量运算

2.1.2姿态与位置描述

2.1.3旋转矩阵与姿态角

2.1.4齐次坐标变换

2.1.5位姿变换

2.2驱动方式

2.2.1液压驱动

2.2.2气压驱动

2.2.3电驱动

2.3传感器分类

2.3.1速度传感器

2.3.2测距传感器

2.3.3视觉传感器

2.4本章小结

第3章情感特征提取与处理

3.1语音情感特征提取方法

3.1.1Mel频率倒谱系数

3.1.2线性预测系数

3.1.3线性预测倒谱系数

3.1.4线谱频率

3.1.5离散小波变换

3.1.6感知线性预测

3.2面部表情情感特征提取

3.2.1基于几何特征的方法

3.2.2基于模板匹配的方法

3.2.3基于特征脸的方法

3.2.4基于弹性图匹配的方法

3.2.5基于小波分析的特征提取方法

3.2.6基于多种特征融合的方法

3.3生理信号情感特征提取

3.4情感特征抽取

3.4.1主成分分析法

3.4.2线性判别分析法

3.4.3多维尺度分析法

3.4.4等距映射法

3.5情感特征选择

3.6本章小结

第4章情感计算基础

4.1情感计算的基本概念

4.2情感计算的理论基础

4.3情感建模

4.3.1离散情感模型

4.3.2维度情感模型

4.3.3OCC情感模型

4.3.4其他情感模型

4.4情感计算数据集

4.4.1文本数据集

4.4.2语音/音频数据集

4.4.3视觉数据集

4.4.4生理数据集

4.4.5多模态数据集

4.5多模态情感分析

4.5.1多个物理模态融合

4.5.2多种生理模态融合的情感分析

4.5.3物理-生理模态融合的情感分析

4.6影像因素分析

4.6.1不同信号对单一情感识别的影响

4.6.2模态组合及融合策略对多模态情感分析的影响

4.6.3基于ML和基于DL的模型对情感计算的影响

4.6.4一些潜在因素对情感计算的影响

4.7情感计算面临的挑战

4.8本章小结

第5章情感表达基础

5.1情感生成与表达

5.1.1情感语音合成

5.1.2面部表情合成

5.1.3肢体语言情感的合成与表达

5.2其他情感表达方式

5.3多模态情感表达

5.3.1表达方式

5.3.2关键技术

5.3.3应用场景

5.4模糊氛围场建模

5.4.1模糊氛围场的概念与基础

5.4.2人机交互模糊氛围场建模技术的方法与步骤

5.5基于模糊层次分析法的氛围场模型

5.5.1模糊层次分析法的基本原理与特点

5.5.2基于模糊层次分析法的氛围场模型构建

5.5.3基于模糊层次分析法的氛围场模型应用案例

5.6本章小结

第6章人形机器人硬件系统

6.1机器人硬件设计方案制定与设计流程

6.1.1机器人的运动关节特点

6.1.2整机构型的构建流程

6.2机器人动力源、驱动元件介绍与选择

6.2.1机器人常用动力源

6.2.2减速器选择

6.2.3伺服驱动器类型

6.3机器人转动机构

6.3.1转动机构的设计原理

6.3.2转动机构的分类

6.3.3转动机构的控制系统

6.3.4转动机构的应用实例

6.3.5转动机构的挑战与发展趋势

6.4机器人升降机构

6.4.1升降机构的设计原理

6.4.2升降机构的分类体系

6.4.3性能对比与选型指南

6.4.4升降机构的前沿技术发展

6.5本章小结

第7章人形机器人操作系统

7.1嵌入式系统

7.1.1处理器技术

7.1.2IC技术

7.1.3设计/验证技术

7.2嵌入式系统的开发环境

7.3控制系统的组成

7.4硬件驱动系统

7.5底层电路设计

7.5.1硬件架构设计

7.5.2典型案例分析

7.5.3设计挑战与未来趋势

7.6硬件驱动系统搭建

7.6.1硬件驱动系统的核心组件

7.6.2驱动系统搭建流程

7.6.3关键技术挑战与未来趋势

7.7操作系统

7.7.1ROS简介

7.7.2ROS框架

7.8应用案例

7.8.1医疗护士助理机器人整体情况

7.8.2即时定位与地图构建

7.8.3自主导航与实时避障

7.8.4药物运送与存取测试

7.9本章小结

第8章人机交互系统

8.1人机交互方式

8.1.1语音交互

8.1.2动作交互

8.1.3脑机交互

8.2设计进程

8.2.1阶段1：结构设计

8.2.2阶段2：交互设计

8.2.3阶段3：视觉设计

8.3设计框架

8.3.1以用户为中心的设计

8.3.2参与式设计

8.3.3敏捷交互设计

8.4设计方法

8.4.1思维能力和创造力

8.4.2调查、访谈和讨论组

8.4.3人种学研究

8.4.4场景开发与脚本

8.4.5原型法

8.5设计工具、实践和模式

8.5.1设计工具

8.5.2实践方法

8.5.3设计模式

8.6设计指南和标准

8.7本章小结

第9章人形机器人机械结构设计

9.1人体结构特点

9.2人形机器人自由度设计

9.3关节电机选型

9.4人形机器人头部设计方案

9.4.1眉骨设计

9.4.2眼睛设计

9.4.3嘴巴设计

9.4.4脖子设计

9.5人形机器人双臂设计

9.6人形机器人其他部分设计

9.6.1身体及腿部设计

9.6.2外壳设计

9.6.3皮肤设计

9.7人形机器人加工及组装

9.8本章小结

第10章人形机器人控制系统设计及运动规划

10.1人形机器人控制系统设计

10.1.1硬件驱动系统设计

10.1.2操作系统设计

10.2交互系统设计

10.3人形机器人实物展示

10.4机器人运动学基础

10.5双冗余度机械臂运动规划

10.5.1双冗余度机械臂运动规划方案建立

10.5.2神经网络求解器

10.5.3仿真与实验分析

10.6本章小结

参考文献