【现货速发】机器人交互技术

前言

机器人是一类能灵活地完成特定操作和运动任务，可再编程的多功能操作器。目前，机器人已经在工业、服务、特种等领域代替人类或协助人类完成多种任务，发挥了重要作用。当前，世界各国纷纷出台机器人发展战略，如美国“国家机器人计划2.0”、欧盟“2020地平线机器人项目”、日本“机器人新战略”等，抢占机器人发展制高点。*总书记在2014年两院院士大会上指出机器人是“制造业皇冠的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志，我国出台了“机器人产业发展规划2016—2020”。
机器人交互技术是研究人与机器人之间交互的技术，是一门涉及人与计算机交互，人工智能，机器人，自然语言理解、设计以及社会科学的多学科交叉技术。受当前智能水平发展限制，对于复杂环境下工作任务多变的服务机器人和特种机器人，完全自主的机器人还难以实现。因此，利用机器人交互技术，尤其是结合近年来快速发展的人机交互设备、语音识别、手势等交互手段，充分发挥人类的高级规划智能和机器人执行智能，实现人机优势互补，对于提高机器人复杂环境的适应性和操作便捷性具有重要意义，成为机器人领域的研究热点。
本书共10章，涉及机器人交互技术的概况、感知认知基础、图形仿真、手柄交互、语音交互、体感交互、表情交互等内容。第1章简述机器人交互技术的概念、研究内容、发展历史，介绍典型的机器人交互技术应用。第2章介绍机器人交互技术涉及的感知和认知基础相关内容，主要阐述人的感知基础、知觉特性、认知过程，讨论机器人交互的设计原则。第3章介绍人与机器人交互框架，主要包括机器人交互框架、以用户为中心的机器人交互以及多模式交互。第4章研究机器人与人的图形交互仿真，重点介绍虚拟图形建模、虚拟模型运动仿真以及碰撞检测。第5章介绍人与机械臂之间通过键盘、鼠标和手柄的交互设计方法，主要包括键盘、空间鼠标、力反馈手柄等交互方式的原理和实现。第6章介绍人与机器人灵巧手之间通过数据手套的交互设计方法，主要包括典型数据手套、运动映射、力反馈映射等的原理和实现。第7章针对人机协作机器人的物理交互安全进行介绍，主要包括物理交互伤害概述、安全评价指标、物理安全实现方法等。第8章介绍基于手势视觉识别的机器人交互技术，主要包括手势的感知、表述、数据集、图像特征以及手势视觉识别方法。第9章介绍基于肢体动作识别的机器人交互，主要包括人体动作表述、图像运动特征、动作数据集、肢体动作识别以及交互实例。第10章介绍基于人脸表情识别的机器人交互，重点介绍面部表情特征、表情数据集、人脸表情特征检测、表情识别方法及交互实例。
本书第1~2章、第4~7章主要由蒋再男博士编写，第3章、第8~10章主要由王珂博士编写。除了作者之外，李重阳、杨帆、吴菲、刘大翔、刘阳、李雪婧、包敏杰等也进行了大量工作，在此一并表示感谢。
 机器人交互技术是一门不断发展的交叉学科，人工智能、虚拟现实等技术发展不断地对机器人交互技术产生影响，加上编写时间有限，书中难免有些不妥或考虑不周之处，恳请广大读者批评指正。
编著者2019年10月

本书共10章，内容包括绪论，感知和认知基础，人与机器人交互框架，机器人图形交互，基于鼠标/键盘/手柄的机器人交互，基于数据手套的机器人灵巧手交互，人机物理交互安全技术，基于手势视觉识别的机器人交互，基于肢体动作识别的机器人交互，以及基于人脸表情识别的机器人交互等。 本书对机器人常用的人机交互技术进行了系统概述，可作为机器人工程专业的本科生和研究生教材。本书也可作为从事机器人研究、开发和应用的科技人员的参考书。

目录

第1章绪论

1.1机器人交互概念

1.2机器人交互研究内容

1.3机器人交互发展历史

1.3.1命令行界面交互阶段

1.3.2图形用户界面交互阶段

1.3.3自然和谐的人机交互阶段

1.4机器人交互分类

1.4.1按空间尺度分类

1.4.2按应用分类

1.5人机交互应用

1.5.1工业

1.5.2教育

1.5.3军事

1.5.4文化娱乐

1.5.5体育

1.5.6生活

1.5.7医疗

习题

第2章感知和认知基础

2.1人的感知

2.1.1视觉

2.1.2听觉

2.1.3触觉和力觉

2.1.4内部感觉

2.1.5感觉通道的适用场合

2.1.6刺激强度与感知大小的关系

2.1.7感知与交互体验

2.2知觉的特性

2.2.1知觉的选择性

2.2.2知觉的整体性

2.2.3知觉的理解性

2.2.4知觉的恒常性

2.3认知过程与交互设计原则

2.3.1常见的认知过程

2.3.2影响认知的因素

2.4概念模型及对概念模型的认知

2.4.1概念模型

2.4.2对概念模型的认知

2.5分布式认知

2.5.1基本概念和定义

2.5.2分布式认知理论的特征

2.5.3分布式认知在人机交互中的应用

习题

第3章人与机器人交互框架

3.1交互模式

3.1.1Norman模型

3.1.2Norman模型案例

3.1.3交互系统的评估

3.1.4框架模型

3.1.5交互界面

3.2以用户为中心的HRI

3.2.1PAC交互模型

3.2.2HRI设计要素

3.2.3HRI设计框架

3.3多模式HRI技术

3.3.1交互系统模型

3.3.2交互信息处理

习题

第4章基于Open Inventor机器人图形交互

4.1概述

4.1.1机器人图形交互概述

4.1.2Open Inventor概述

4.2虚拟图形建模

4.2.1形状节点

4.2.2属性节点

4.2.3群组节点

4.3虚拟模型装配

4.3.1模型装配结构

4.3.2程序实现

4.4虚拟模型仿真

4.4.1仿真流程

4.4.2程序实现

4.5碰撞检测方法

4.5.1概述

4.5.2轴向包围盒

4.5.3包围球

4.6机器人图形交互实例

4.6.1机器人虚拟环境建模

4.6.2基于OBB碰撞检测实现

4.6.3打开卫星天线图形交互仿真

习题

第5章基于键盘/鼠标/手柄的机器人交互

5.1概述

5.1.1鼠标

5.1.2键盘

5.1.3控制杆

5.2基于鼠标/键盘的机器人交互

5.2.1机器人运动学模型

5.2.2交互实例

5.3基于空间鼠标的机器人交互

5.3.1空间鼠标介绍

5.3.2基本流程

5.3.3程序实现

5.3.4交互实例

5.4基于Omega7力反馈手柄的机器人交互

5.4.1Omega7介绍

5.4.2基本流程

5.4.3程序实现

5.4.4交互实例

5.5基于HAPTION力反馈手柄的机器人交互

5.5.1HAPTION介绍

5.5.2基本流程

5.5.3程序实现

5.5.4交互实例

习题

第6章基于数据手套的机器人灵巧手交互

6.1数据手套概述

6.1.1数据手套

6.1.2常见数据手套

6.2数据手套程序开发

6.2.1基本流程

6.2.2编程实例

6.3机器人灵巧手介绍

6.3.1机器人灵巧手机械系统

6.3.2机器人灵巧手电气系统

6.4数据手套交互控制灵巧手方法

6.4.1关节空间的位置映射

6.4.2笛卡儿空间的指尖位置映射

6.4.3力觉临场感映射

6.5交互实例

习题

第7章人机物理交互安全技术

7.1人机物理交互概述

7.2人机物理交互伤害概述

7.3安全评价指标

7.3.1头部伤害指数

7.3.2颈部伤害指数

7.3.3胸部伤害指数

7.4物理性人机交互安全实现方法

7.4.1设计实现物理性人机交互安全

7.4.2轨迹规划和控制实现物理性人机交互安全

7.5物理性人机交互未来发展的方向

习题

第8章基于手势视觉识别的机器人交互

8.1概述

8.2手势感知

8.2.1接触式交互设备

8.2.2视觉设备

8.3手势表述

8.3.1手势定义

8.3.2手势分类

8.3.3手势表达

8.4手势数据集

8.5手势图像特征

8.5.1手势颜色特征

8.5.2手势小波特征

8.6手势视觉识别

8.6.1静态手势识别

8.6.2动态手势识别

8.7基于手势的机器人交互实例

习题

第9章基于肢体动作识别的机器人交互

9.1概述

9.2动作表述

9.2.1人体结构表示

9.2.2Kinect传感器

9.2.3图像全局表示方法

9.2.4局部表示方法

9.3人体图像运动特征

9.3.1光流

9.3.2运动历史图

9.3.3能量运动历史图

9.4动作数据集

9.4.1KTH动作数据库

9.4.2Weizmann动作数据库

9.4.3UCF Sports动作数据库

9.4.4HMDB动作数据库

9.4.5UCF101动作数据库

9.5人体肢体动作识别

9.5.1卷积神经网络

9.5.2肢体动作双通道CNN识别

9.5.3双通道卷积神经网络融合

9.6肢体动作识别实验

9.6.1动作数据集

9.6.2实验结果及分析

9.7基于肢体动作识别的机器人交互实例

习题

第10章基于人脸表情识别的机器人交互

10.1概述

10.2面部表情特征

10.3表情数据集

10.3.1JAFFE数据库

10.3.2FEEDTUM

10.3.3MMI数据集

10.3.4CohnKanade数据集

10.4人脸表情特征检测

10.4.1人脸区域检测

10.4.2人脸表情特征提取

10.4.3ASM模型构建

10.5人脸表情识别

10.5.1基于ASM及SVM的表情识别

10.5.2基于Gabor及SVM人脸表情识别

10.6基于表情的机器人头部交互实例

10.6.1仿人头部表情再现机构

10.6.2机器人表情再现系统

10.6.3机器人头部表情再现

习题

参考文献

本书共10章，内容包括绪论，感知和认知基础，人与机器人交互框架，机器人图形交互，基于鼠标/键盘/手柄的机器人交互，基于数据手套的机器人灵巧手交互，人机物理交互安全技术，基于手势视觉识别的机器人交互，基于肢体动作识别的机器人交互，以及基于人脸表情识别的机器人交互等。 本书对机器人常用的人机交互技术进行了系统概述，可作为机器人工程专业的本科生和研究生教材。本书也可作为从事机器人研究、开发和应用的科技人员的参考书。

本书是新工科机器人工程专业规划教材，由哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室组织编写。