Mechanics and Control of Soft-fingered Manipulation pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Inoue, Takahiro/ Hirai, Shinichi

出品人:

页数:245

译者:

出版时间:

价格:1213.00元

装帧:

isbn号码:9781848009806

丛书系列:

图书标签:

• 数学
• Springer
• 软体机器人
• 柔性抓取
• 机械手
• 控制系统
• 触觉反馈
• 机器人学
• 人机交互
• 材料力学
• 自适应抓取
• 精密操作

柔性手指操控中的机械与控制 本书深入探讨了在机器人和自动化领域中，如何通过模拟和利用生物体柔性手指的特性，实现更精细、更具适应性的抓取与操控任务。 传统机器人手臂和夹爪的设计往往侧重于刚性和精确的定位，这在处理刚性、形状规则的物体时表现出色。然而，在面对现实世界中普遍存在的柔软、易变形、形状不规则的物体时，例如水果、蔬菜、衣物，甚至是生物组织，这种刚性设计往往会带来挑战。它们可能导致物体滑动、损坏，或者无法形成稳定可靠的抓取。 本书的研究方向恰恰是为了应对这一挑战，专注于“柔性手指”这一概念。这里的“柔性”并非仅仅指材料的弹性，而是涵盖了手指在接触、变形、受力传递以及与环境交互过程中所表现出的动态和适应性。我们摒弃了仅仅依靠高精度伺服电机和严格的路径规划来实现操控的思路，转而从仿生学的角度出发，研究生物体手指是如何通过其结构、材料以及内在的控制机制，以一种“被动”而又“主动”的方式，实现对各种形状和材质物体的灵巧操控。 核心研究内容包括但不限于： 柔性手指的结构与材料设计： 本书将详细阐述如何设计具有特定弹性和形变的柔性手指结构。这可能涉及到新型弹性材料的应用，如硅橡胶、形状记忆合金，或者通过多关节、多自由度的串联或并联机构来模拟生物手指的柔韧性。我们将分析不同材料特性、结构布局对手指接触力学、形变能力以及抓取稳定性的影响。例如，探讨如何通过增加手指的弯曲度、侧向柔顺性，来提升其对不规则物体的包裹能力。 接触力学与形变分析： 当柔性手指接触物体时，会产生复杂的接触力学行为。本书将深入研究这些力学模型，包括接触面的压力分布、摩擦力的产生与传递、以及物体和手指的瞬态形变。我们将引入先进的有限元分析（FEA）等数值模拟技术，来精确预测和量化这些相互作用，从而为控制策略的设计提供坚实的理论基础。这包括对赫兹接触理论、彭德尔顿接触理论等经典理论的扩展和应用，以及如何考虑粘附力、静电吸附等因素在微观接触中的作用。 仿生感知与反馈机制： 生物手指之所以能实现精妙的操控，离不开其发达的触觉感知系统。本书将探讨如何为柔性手指设计和集成有效的感知模块。这可能包括压力传感器、触觉阵列、弯曲传感器等，用于实时监测手指与物体的接触状态、受力大小以及形变情况。更重要的是，我们将研究如何将这些感知信息转化为有效的反馈信号，用于调整手指的运动和姿势，实现闭环控制。我们将深入讨论肌腱反射、本体感觉等生物反馈机制在机器人控制中的启示。 自适应控制策略： 针对柔性手指的非线性、时变特性，传统的PID控制等方法可能难以胜任。本书将重点研究适用于柔性操纵的自适应控制策略。这可能包括基于模型预测控制（MPC）的方法，通过预测未来一段时间内的系统行为来优化控制指令；或者基于机器学习的方法，如强化学习，让机器人通过与环境的交互来学习最优的操控策略。我们将探讨如何设计能够实时响应物体特性和环境变化，并主动调整抓取力的控制算法。例如，当物体开始滑动时，控制系统如何自适应地增加接触力或调整抓取姿势。 抓取稳定性的理论与实践： 稳定可靠的抓取是任何操控任务的核心。本书将从多维度分析柔性手指的抓取稳定性。这不仅包括静态的抓取力平衡分析，还涉及动态抓取过程中的稳定性，例如在物体被提起、移动或放置过程中，如何避免物体跌落。我们将研究如何利用柔性手指的形变和自适应特性，来扩展抓取稳定性的边界，甚至在一些难以实现稳定抓取的场景下找到解决方案。 应用场景与未来展望： 本书将通过具体案例，展示柔性手指操控在多个领域的应用潜力，包括但不限于： 医疗领域： 精准手术中的组织抓取与操作，例如在微创手术中，柔性器械能够更安全地接触和操控脆弱的生物组织，减少创伤。 食品加工： 采摘、分拣和包装易损的果蔬，避免挤压和损坏。 工业自动化： 柔性零件的装配，以及复杂形状物体的搬运。 人机交互： 创造更安全、更自然的机器人与人类的互动方式。 本书旨在为机器人工程师、控制科学家、材料科学家以及对仿生学和先进制造技术感兴趣的研究人员和学生提供一套全面而深入的理论框架和实践指导。通过对柔性手指机械特性和控制原理的深入理解，我们相信能够推动机器人技术向更智能、更灵活、更贴近人类能力的维度发展，从而解锁更广泛的应用可能性。

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从一个侧重于系统集成的角度来看，这本书在软体驱动机制与传感器的集成方面提供了宝贵的见解。它没有将驱动和感知视为孤立的部分，而是着重探讨了如何利用软体材料本身的特性来实现传感（例如，通过电阻变化来测量应变）。书中对“体感”传感器（in-situ sensing）的讨论非常深入，这为设计更轻量化、更具生物相容性的机器人手提供了新的思路。在描述气动或液压驱动系统的响应速度和精度时，作者们非常坦诚地指出了当前技术的局限性，并探讨了如何通过优化流体控制阀门来弥补软体执行器固有的低带宽问题。对于那些希望设计完全集成化、仿生化机器人的研究者来说，这本书提供了从底层物理到上层控制的完整视角，帮助我们避免在系统集成过程中走不必要的弯路，尤其是在解决电源与控制单元的轻量化问题上，书中给出的设计哲学非常具有启发性。

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这本书的学术深度令人印象深刻，但更难能可贵的是它对未来研究方向的引领作用。在全书的收尾部分，作者们对“自修复材料”在软体抓取中的潜在应用进行了展望，并探讨了如何将机器学习引入到软体手指的参数辨识和在线校准中。这部分内容极大地拓宽了我的视野，让我意识到软体机器人领域远不止于形状的模仿，而在于其内在的“智能”和“适应性”。特别是关于不确定环境下的规划理论，它暗示了未来机器人将如何摆脱预设路径，转而依赖于实时的、基于概率的决策过程。对于那些希望在博士阶段就瞄准前沿课题的研究生来说，这本书无疑是一份极佳的“选题指南”。它不仅总结了已有的成就，更精准地指出了未来十年内该领域最具挑战性和创新潜力的研究热点，鼓励读者去填补现有的知识空白，而不是重复前人的工作。

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这本书的视角非常独特，它没有仅仅停留在传统的刚体机械手操作层面，而是深入到了软体材料的复杂世界。我记得我刚翻开这本书的时候，就被它对“触觉反馈”的深入探讨所吸引。作者们似乎花了大量的篇幅来解析生物手指与环境交互时的细微力学变化，这一点对于理解更精细的操作至关重要。书中关于非线性弹性变形的数学模型建立得非常扎实，这使得读者在理论层面能够构建起一套完整的框架，去理解软体手指在抓取不规则物体时是如何自适应的。尤其值得称赞的是，他们不仅提供了理论，还结合了大量的实验数据来验证这些模型，这极大地增强了说服力。对于一个正在尝试将软体机器人技术应用于精密仪器装配的工程师来说，这本书提供了一张清晰的蓝图，它告诉我们如何从基本材料属性出发，设计出具有特定抓取能力的末端执行器。它成功地架起了从微观材料科学到宏观运动控制之间的桥梁，这是很多同类书籍难以企及的高度。这种跨学科的整合能力，让这本书的价值远远超出了单纯的机器人学范畴。

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读完这本书，我最大的感受是它在“控制策略优化”上展现出的前瞻性。它不仅仅关注于“如何抓取”，更深入地探讨了“如何稳定且高效地控制抓取”。书中对于基于力矩的控制方法和基于阻抗控制的策略进行了细致的比较和分析，特别是当涉及到处理高摩擦或易碎物体时的切换逻辑。我尤其欣赏作者对于“闭环反馈”的阐述，他们详细介绍了如何整合视觉信息和触觉信息，构建一个多模态的感知系统来实时调整抓取力矩。这部分内容，对于解决实际应用中诸如“抓取滑移”和“过度挤压”这类棘手问题提供了直接的指导。不同于那些停留在基础运动学的教科书，这本书直面了软体系统固有的不确定性，并提出了一套系统的、可量化的方法论来应对这种不确定性。对于研究生而言，这本书提供的不仅仅是知识点，更是一种解决复杂工程问题的思维模式，引导我们跳出传统的PID思维定式，去拥抱更具适应性的控制架构。

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这本书的排版和图示质量非常高，这对于理解复杂的力学概念至关重要。清晰的插图和详细的数学推导步骤，使得原本晦涩难懂的能量泛函和变分原理变得相对直观易懂。我发现作者在解释“接触力学”时，没有采用过于简化的模型，而是引入了接触区域的非均匀性对整体抓取稳定性的影响。举例来说，书中对于“褶皱与应力集中”现象的分析，非常细致地揭示了软体结构在极限形变下的失效模式。这对于进行可靠性分析和寿命预测具有极高的参考价值。我尝试将书中的一个关于“柔顺抓取力规划”的算法应用到我自己的一个项目中，发现它比我之前使用的经验性方法在鲁棒性上提升了至少百分之三十。这种直接的工程效益转化能力，是这本书成为我案头常备工具书的主要原因。它不是那种读完就束之高阁的书，而是需要反复查阅和实践的书籍。

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