本書共11章,分別從力觸覺感知系統原理、設計方法、分析、建模、研製和應用等方面展開闡述,對力觸覺感知系統的設計和研製、建模方法研究、多維力/力矩資訊的智慧資訊處理模型的建立、高精度標定和解耦方法等內容進行了重點講解。
 
本書注重實際的力觸覺系統的設計和應用,使讀者在瞭解了機器人力觸覺感知技術的基本原理和研究現狀的同時,對力觸覺感知系統的實際開發有深入的瞭解。

本書圖文並茂、實際應用性強,適合機器人技術相關方向的研究者和大專院校師生學習,也適合智慧新技術領域的從業人員參考。

王耀南，湖南大學，電氣與資訊工程學院院長，先後主持完成了國家“863”計畫項目、國家自然科學基金專案、國家“九五”、“十五”重大專案、國家火炬計劃項目、德國洪堡傑出青年基金和DFG基金專案、歐盟第五框架專案、德國科研教育部（BMBF）國際合作專案、德國航太研究中心（DLR）國際合作重大項目、教育部跨世紀人才基金、湖南省“十五”重大專項、省部級專案等20多項。

第1章　緒論 1
　1.1　概述　/ 2
　1.2　智慧型機器人感知技術的發展　/ 4
　1.3　智慧型機器人資訊獲取概述　/ 7
　參考文獻　/ 8

第2章　智慧型機器人感知系統 10
　2.1　概述　/ 11
　2.2　智慧型機器人多維力/力矩資訊感知獲取　/ 15
　　　2.2.1　智慧型機器人多維力/力矩感測器研究現狀　/ 15
　　　2.2.2　智慧型機器人多維力/力矩感測器的分類　/ 19
　　　2.2.3　電阻式多維力/力矩感測器檢測原理　/ 19
　　　2.2.4　智慧型機器人多維力/力矩感測器的發展　/ 20
　2.3　智慧型機器人觸覺感知技術　/ 23
　　　2.3.1　壓電式觸覺感測器　/ 23
　　　2.3.2　壓阻式觸覺感測器　/ 25
　　　2.3.3　電容式觸覺感測器　/ 26
　　　2.3.4　其他觸覺感測器　/ 28
　　　2.3.5　觸覺感測器的應用　/ 30
　　　2.3.6　觸覺感測器的發展趨勢　/ 33
　　　2.3.7　存在問題　/ 40
　參考文獻　/ 40

第3章　力敏導電橡膠的理論基礎 44
　3.1　概述　/ 45
　3.2　導電橡膠的導電性　/ 46
　　　3.2.1　基礎理論　/ 46
　　　3.2.2　導電機理　/ 47
　3.3　導電橡膠的力敏特性　/ 49
　　　3.3.1　壓敏特性　/ 50
　　　3.3.2　外力-電阻計算模型　/ 51
　3.4　力敏導電橡膠的應用　/ 56
　　　3.4.1　力敏導電橡膠的特色應用　/ 56
　　　3.4.2　力敏導電橡膠在觸覺感測器中的應用　/ 57
　參考文獻　/ 60

第4章　柔性三維觸覺感測器的結構研究 62
　4.1　概述　/ 63
　4.2　整體三層式結構　/ 65
　　　4.2.1　陣列結構及力學模型　/ 65
　　　4.2.2　局限性分析　/ 68
　4.3　整體兩層式結構　/ 69
　　　4.3.1　陣列結構及力學模型　/ 69
　　　4.3.2　局限性分析　/ 74
　4.4　改進型兩層式結構　/ 74
　　　4.4.1　陣列結構及力學模型　/ 74
　　　4.4.2　模擬實驗　/ 80
　　　4.4.3　局限性分析　/ 82
　參考文獻　/ 83

第5章　整體兩層網狀式結構的柔性三維觸覺感測器研究 84
　5.1　概述　/ 85
　5.2　整體兩層對稱式網狀結構的感測器研究　/ 85
　　　5.2.1　陣列結構　/ 85
　　　5.2.2　行列掃描電路　/ 87
　　　5.2.3　感測器的解耦　/ 89
　5.3　整體兩層非對稱式網狀結構的感測器研究　/ 100
　　　5.3.1　陣列結構　/ 100
　　　5.3.2　單點受力模型　/ 101
　　　5.3.3　多點受力模型　/ 103
　　　5.3.4　解耦實驗　/ 105
　5.4　基於隧道效應模型的感測器研究　/ 116
　　　5.4.1　敏感單元的製作流程　/ 118
　　　5.4.2　受力分析　/ 120
　　　5.4.3　解耦方法探討　/ 124
　參考文獻　/ 125

第6章　柔性三維觸覺感測器的標定研究 126
　6.1　概述　/ 127
　6.2　標定平臺的設計　/ 128
　6.3　標定實驗　/ 130
　6.4　基於BP神經網路的柔性三維觸覺感測器標定　/ 134
　　　6.4.1　BP神經網路　/ 134
　　　6.4.2　利用BP神經網路實現感測器標定　/ 136
　參考文獻　/ 143

第7章　機器人力覺資訊獲取的研究 144
　7.1　電阻式多維力/力矩感測器檢測原理　/ 145
　7.2　電容式多維力/力矩感測器檢測原理　/ 149
　7.3　壓電式多維力/力矩感測器檢測原理　/ 151
　7.4　光纖光柵式多維力/力矩感測器檢測原理　/ 155
　7.5　力覺感測器性能評價指標　/ 156
　7.6　機器人微型指尖少維力/力矩資訊獲取的研究　/ 157
　　　7.6.1　四維指尖力/力矩感測器結構　/ 157
　　　7.6.2　五維力/力矩感測器結構　/ 160
　　　7.6.3　靜、動力學模擬及分析　/ 162
　　　7.6.4　應變片布片及組橋　/ 173
　　　7.6.5　標定及校準實驗設計與維間解耦　/ 177
　　　7.6.6　感測器精度性能評價　/ 179
　　　7.6.7　機器人微型四維指尖力/力矩資訊獲取實例　/ 181
　參考文獻　/ 184

第8章　機器人多維力/力矩感測器解耦方法的研究 185
　8.1　靜態線性解耦　/ 187
　　　8.1.1　直接求逆法（n=6） 　/ 187
　　　8.1.2　最小二乘法（n＞6） 　/ 187
　8.2　靜態非線性解耦　/ 188
　　　8.2.1　基於BP神經網路的多維力/力矩感測器解耦　/ 188
　　　8.2.2　基於支援向量機SVR的多維力/力矩感測器解耦　/ 189
　　　8.2.3　基於極限學習機的多維力/力矩感測器解耦　/ 192
　　　8.2.4　稀疏電壓耦合貢獻的極限學習機解耦（MIVSV-ELM） 　/ 195
　8.3　實驗　/ 197
　　　8.3.1　標定實驗　/ 197
　　　8.3.2　解耦實驗　/ 199
　　　8.3.3　BP、SVR 及ELM三種非線性解耦演算法的對比分析　/ 204
　參考文獻　/ 205

第9章　基於力覺感知的三維座標測量系統 206
　9.1　接觸式三維座標測量和補償原理　/ 208
　　　9.1.1　基於五維力/力矩感測器的三維座標測量原理　/ 208
　　　9.1.2　三維座標測量彈性變形補償　/ 208
　　　9.1.3　三維座標測量綜合不確定度　/ 209
　9.2　基於五維力/力矩感測器的探測頭系統設計　/ 210
　　　9.2.1　集成式五維力/力矩感測器的設計　/ 210
　　　9.2.2　模擬驅動的集成式五維力/力矩感測器的設計　/ 211
　9.3　五維力/力矩感測器的研製　/ 213
　9.4　五維力/力矩感測器的標定　/ 216
　參考文獻　/ 218

第10章　仿人機器人足部多維力/力矩感測器的設計與研究 219
　10.1　概述　/ 220
　10.2　基於Stewart的六維力/力矩感測器概述　/ 221
　　　10.2.1　Stewart並聯機構簡介　/ 221
　　　10.2.2　基於Stewart並聯機構的六維力感測器概述　/ 222
　10.3　仿人機器人新型足部設計及六維力/力矩消息獲取實現　/ 226
　　　10.3.1　仿人機器人足部概述　/ 226
　　　10.3.2　基於並聯機構的新型足部機構設計　/ 226
　　　10.3.3　運動學分析　/ 228
　　　10.3.4　剛度分析　/ 231
　　　10.3.5　足部力/力矩資訊獲取　/ 233
　10.4　基於柔性並聯機構的六維力/力矩感測器　/ 238
　　　10.4.1　新型關節設計　/ 238
　　　10.4.2　基於柔性並聯機構的六維力/力矩感測器結構　/ 240
　參考文獻　/ 241

第11章　水下機器人腕部六維力/力矩資訊獲取 243
　11.1　概述　/ 244
　11.2　水下特殊環境下的力感知關鍵技術　/ 244
　11.3　水下機器人腕部六維力/力矩感測器設計　/ 245
　　　11.3.1　系統構造及檢測原理　/ 245
　　　11.3.2　感測器靜態力學分析　/ 247
　　　11.3.3　感測器布片及組橋　/ 252
　　　11.3.4　感測器精度性能評價　/ 255
　11.4　水下六維力/力矩感測器擴展： 超薄六維力/力矩感測器　/ 257
　11.5　水下機器人腕部六維力/力矩資訊獲取應用實例　/ 261
　參考文獻　/ 262

附錄　多維力感測器解耦演算法代碼 263

操控智慧化是機器人技術領域研究和發展的主要趨勢之一，而系統的感知和回饋是高級智慧行為的必要手段。力觸覺感知系統能獲取機器人作業時與外界環境之間的相互作用力，進而實現機器人的力覺、觸覺和滑覺等資訊的感知。

本書在作者所在的機器人感知技術團隊的多項國家和省部級科研課題（NSFC.6167316，HunanNSFC.2016JJ3045，IRT2018003）成果的基礎上，詳細介紹機器人的力觸覺感知系統。
 
本書共11章，分別從力觸覺感知系統原理、設計方法、分析、建模、研製和應用展開闡述。第1章為緒論，簡單介紹了智慧型機器人感知技術的發展；第2章概括地介紹了機器人力覺和觸覺感知技術，包括感知技術的基本原理、常見的分類和研究現狀；第3章闡述了力敏導電橡膠的基礎理論和研究現狀，對其導電性和導電機理進行了初步探討，分析了導電橡膠的力敏特性，並介紹了力敏導電橡膠在觸覺感測器及其他領域中的應用；第4章對基於力敏導電橡膠觸覺感知系統設計方法展開了論述，並通過三種具有整體多層結構的多維觸覺感測器詳細介紹了觸覺感知系統設計方法，感測器的受力分析模型的建立方法，並通過相應的指標描述了設計的三種結構的優缺點；第5章在第4章的基礎上，設計了一種基於力敏導電橡膠的可整體液體成型的兩層非對稱式網狀感測器敏感單元結構，其兼有柔韌性和檢測三維力的能力，基於導電橡膠材料的隧道效應計算模型對感測器的物理模型進行了改進，建立了更加符合橡膠材料實際性質的三維力檢測模型；第6章對柔性三維觸覺感測器的標定方法進行了研究，並設計了基於BP神經網路的觸覺感測器標定方法；第7章介紹了常見的電阻式、電容式、光電式和壓電式多維力/力矩感測器的檢測原理，並通過指尖四維力/力矩感測器的設計闡述了力覺感知系統的設計方法和步驟；第8章介紹了常見的多維力覺感知系統的標定和解耦演算法，通過實例分析了各種解耦演算法的性能；第9～11章分別通過基於力覺感知的三維座標測量系統、仿人機器人足部多維力/力矩感測器的設計與研究、水下機器人腕部六維力/力矩資訊獲取等介紹了力覺感知系統的應用。

本書由湖南大學王耀南（第1章和第2章）、昆明船舶設備研究試驗中心徐菲（第3～6章）、湖南大學梁橋康（第7～11章）編著。全書由梁橋康負責統稿和審校。中國科學院合肥物質科學研究院研究員葛運建為本書的編寫提供了很多的指導和幫助。此外，湖南大學伍萬能、龍建勇等為本書相關章節的標定和解耦實驗做了大量工作。

本書適合機器人技術相關方向的研究者和學生閱讀和參考，也適合智慧新技術領域的從業人員參考學習。作者希望通過本書的介紹，吸引更多的有志青年選擇智慧型機器人感知系統作為自己的研究方向，從事機器人感知、人機交互和人工智慧等相關的職業，並積極加入機器人技術、仿生感知與新型感測器、信號獲取與處理、人工智慧及其應用領域的研究隊伍。

限於作者水準，書中疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。
編著者