護理機器人

本書主要闡述護理機器人技術及其應用。全書共11章，第1章簡要介紹了護理機器人的基本概念；第2章介紹了護理機器人機械系統設計；第3章介紹了機器人的運動學與動力學；第4章介紹了護理機器人傳感器技術；第5章介紹了護理機器人視覺；第6章介紹了護理機器人語音識別技術；第7章介紹了護理機器人生命體徵監護技術；第8章介紹了護理機器人控制技術；第9章介紹了護理機器人的可靠性與安全性設計；第10章介紹了護理機器人的人機工程學設計；第11章簡要介紹了護理機器人的應用實例。 本書可供從事護理機器人有關工作的工程技術人員參考，也可供高校師生教學參考用書。

第1章 緒論

1.1 護理機器人的基本概念 1

1.1.1 護理機器人的定義 1

1.1.2 護理機器人的分類 1

1.2 護理機器人的特點及基本結構 5

1.2.1 護理機器人的特點 5

1.2.2 護理機器人的基本結構 6

1.3 護理機器人的發展歷程及其發展趨勢 6

1.3.1 國外護理機器人的發展狀況 6

1.3.2 國內護理機器人的發展狀況 8

1.3.3 護理機器人的發展趨勢 10

1.4 護理機器人的關鍵技術 10

本章小結 12

參考文獻 12

第2章 護理機器人機械系統設計

2.1 概述 13

2.2 結構設計 13

2.2.1 系統分析 13

2.2.2 運動參數的確定 14

2.2.3 護理機器人結構設計實例 14

2.3 驅動單元 15

2.3.1 驅動方式 15

2.3.2 步進電動機驅動系統 16

2.3.3 伺服電動機驅動系統 18

2.4 減速單元 21

2.4.1 行星齒輪減速器 21

2.4.2 諧波減速器 25

2.4.3 RV減速器 26

2.5 傳動機構 27

2.5.1 直線傳動機構 27

2.5.2 旋轉傳動機構 28

2.6 機械本體 30

2.6.1 機身設計 30

2.6.2 行走機構設計 32

本章小結 35

參考文獻 36

第3章 機器人的運動學與動力學

3.1 概述 37

3.2 機器人運動學 37

3.2.1 剛體在空間中的位姿描述 37

3.2.2 齊次座標變換 38

3.2.3 變換方程 40

3.3 機器人逆運動學 42

3.4 機器人動力學 43

3.4.1 機器人的速度雅可比矩陣 44

3.4.2 機器人的力雅可比矩陣 47

3.4.3 機器人的動力學分析 49

3.5 機器人動力學建模與仿真 50

3.5.1 機器人動力學建模 50

3.5.2 機器人動力學仿真 50

本章小結 51

參考文獻 51

第4章 護理機器人傳感器技術

4.1 概述 52

4.1.1 特點與分類 52

4.1.2 發展趨勢 53

4.2 內部傳感器 54

4.2.1 位移傳感器 54

4.2.2 速度和加速度傳感器 60

4.3 外部傳感器 61

4.3.1 觸覺傳感器 62

4.3.2 應力傳感器 63

4.3.3 接近度傳感器 64

4.3.4 其他傳感器 66

4.4 護理機器人多傳感器信息融合 66

4.4.1 概述 66

4.4.2 多傳感器信息融合技術基礎 67

4.4.3 多傳感器信息融合實例 71

本章小結 73

參考文獻 73

第5章 護理機器人視覺

5.1 概述 74

5.2 座標系與三維變換 74

5.2.1 座標系 74

5.2.2 三維變換 77

5.3 攝像機視覺模型 81

5.3.1 單目視覺模型 81

5.3.2 雙目視覺模型 82

5.4 攝像機標定技術 83

5.4.1 攝像機畸變模型 83

5.4.2 攝像機標定算法 84

5.5 攝像機視覺圖像處理技術 88

5.5.1 圖像分割與輪廓提取 88

5.5.2 表示與描繪 95

5.5.3 目標識別 99

5.5.4 神經網絡 102

5.5.5 比例估計 107

5.6 幾何測量 109

5.6.1 單目測量距離 109

5.6.2 單目測量角度 111

5.6.3 雙目測量距離 111

5.7 洗浴機器人洗頭裝置定位實例 112

5.7.1 系統結構與定位原理 112

5.7.2 攝像機選擇與標定 113

5.7.3 頭頂輪廓提取與偏移量計算 114

本章小結 115

參考文獻 115

第6章 護理機器人語音識別技術

6.1 概述 116

6.1.1 語音識別的基本原理 116

6.1.2 語音識別的方法 116

6.2 語音信號的預處理 117

6.2.1 語音採樣與量化 117

6.2.2 使用MATLAB處理語音信號 118

6.2.3 去除噪聲 120

6.3 語音信號的分析與處理 120

6.3.1 語音信號的時域處理 120

6.3.2 語音信號的頻域處理 122

6.3.3 端點檢測 127

6.4 隱馬爾可夫基本原理及其在語音識別中的應用 129

6.4.1 隱馬爾可夫模型 130

6.4.2 HMM在語音識別中的應用 131

6.5 語音識別芯片 133

6.5.1 UniLite芯片的結構和參考設計 133

6.5.2 基於UniLite芯片的嵌入式語音識別技術 134

6.5.3 典型應用舉例 135

6.6 語音情感識別技術 135

6.7 漢語語音與口型匹配技術 136

6.7.1 漢語語音與口型匹配的基本機理 136

6.7.2 漢語語音口型的幾何匹配 138

6.7.3 漢語語音與口型的時間匹配 140

本章小結 141

參考文獻 142

第7章 護理機器人的生命體徵監護技術

7.1 概述 143

7.2 生命體徵參數測量原理 144

7.2.1 心電的測量 144

7.2.2 脈搏波的測量 145

7.2.3 血壓的測量 147

7.2.4 血氧飽和度的測量 151

7.2.5 其他監護參數的測量 154

7.3 生命體徵監護系統設計 155

7.3.1 信號檢測 156

7.3.2 信號模擬處理 157

7.3.3 信號數字處理 159

7.4 生命體徵監護系統實例 159

7.4.1 連續血壓監護系統原理框圖 160

7.4.2 連續血壓監護系統硬件設計 160

7.4.3 連續血壓監護系統軟件設計 162

本章小結 166

參考文獻 166

第8章 護理機器人控制技術

8.1 概述 167

8.2 護理機器人控制方式與策略 168

8.3 護理機器人位置控制 172

8.3.1 單關節位置控制 172

8.3.2 多關節位置控制 177

8.4 護理機器人的速度和加速度控制 177

8.5 力（力矩）控制 178

8.5.1 機器人的柔順 178

8.5.2 柔順控制的種類 179

8.6 温度控制 180

8.7 智能控制 181

8.7.1 模糊控制 181

8.7.2 專家系統與專家控制系統 182

8.7.3 神經網絡控制系統 185

本章小結 186

參考文獻 186

第9章 護理機器人可靠性與安全性設計

9.1 護理機器人可靠性預計與可靠性分配 187

9.1.1 可靠性預計 187

9.1.2 可靠性分配 190

9.1.3 護理機器人失效分析 191

9.2 故障樹分析 197

9.2.1 故障事件因果關係分析的演繹方法與歸納方法 197

9.2.2 故障樹分析法的特點與應用 197

9.2.3 故障樹分析法的步驟 198

9.2.4 故障樹名詞術語和符號 198

9.2.5 建立故障樹的原則 200

9.2.6 故障樹結構函數 200

9.2.7 故障樹分析 202

9.3 護理機器人安全性 208

9.3.1 安全性概述 208

9.3.2 安全性評價 209

9.3.3 安全性設計 214

9.3.4 安全性實現 217

9.3.5 護理機器人的安全使用 222

本章小結 222

參考文獻 223

第10章 護理機器人的人機工程學設計

10.1 老年人生理特徵的變化及其影響 224

10.2 人機工程學在護理機器人設計中的作用 225

10.3 護理機器人人機工程通用設計法則 226

10.3.1 安全設計原則 226

10.3.2 簡易操作原則 227

10.3.3 舒適性設計原則 227

10.4 適應老年人的護理機器人人機工程設計流程 228

10.4.1 確定護理機器人的工作流程 228

10.4.2 確定護理機器人的作業空間 229

10.4.3 確定護理機器人的人機尺寸 229

10.4.4 護理機器人的外觀內飾設計 230

10.4.5 護理機器人的安置環境設計 232

10.4.6 護理機器人樣機設計分析 233

本章小結 239

參考文獻 239

第11章 應用實例

11.1 衞生護理機器人 240

11.2 輔助站立機器人 243

11.3 導盲機器人 245

11.4 智能輪椅 247

本章小結 249

參考文獻 249