本书主要阐述护理机器人技术及其应用。全书共11章，第1章简要介绍了护理机器人的基本概念；第2章介绍了护理机器人机械系统设计；第3章介绍了机器人的运动学与动力学；第4章介绍了护理机器人传感器技术；第5章介绍了护理机器人视觉；第6章介绍了护理机器人语音识别技术；第7章介绍了护理机器人生命体征监护技术；第8章介绍了护理机器人控制技术；第9章介绍了护理机器人的可靠性与安全性设计；第10章介绍了护理机器人的人机工程学设计；第11章简要介绍了护理机器人的应用实例。 本书可供从事护理机器人有关工作的工程技术人员参考，也可供高校师生教学参考用书。

前言 随着人们生活水平不断提高以及医疗公共卫生事业快速发展，世界上许多国家已经步入老龄化社会。高龄老年人的自我照料能力差，护理费用高、劳动强度大，护理条件急需改善。为此，国内外许多学者专家针对这些问题进行了大量的研究，也提供了许多性能可靠、价格低廉的自动化护理设备，改善了老年人的生活质量，体现了对老年群体的关怀。关爱老年群体，提高生命质量，实现健康老龄化，为老年人提供更加安全舒适的产品和服务，已成为衡量社会进步和科技发展水平的重要标志。 护理机器人作为一个全新的课题，涉及计算机技术、电子技术、自动控制技术、机械工程、人机工程学和人工智能等多个学科领域，旨在缓解老龄化社会带来的巨大压力，将人们从繁重的护理劳动中解脱出来，改善护理条件，提高老年人的生活质量，促进人类社会和谐发展。目前，世界上许多国家的科学家、企业和科研院所，如美国的Endorphin公司、瑞士的Hocoma公司、意大利的ChineSport公司和斯洛文尼亚的卢布尔雅那大学等，对于护理机器人的研究产生了极大的热情，政府部门也纷纷制定和实施相应的发展战略。我国也将护理机器人列为优先支持和鼓励的研究领域，浙江大学、哈尔滨工业大学以及河南科技大学等许多单位都在进行护理机器人的研究、开发和应用工作。 本书将利用自身研究经历，结合和借鉴国内外优秀研究成果，对护理机器人的基本概念和基本理论，以及对机器人技术所涵盖的各个知识领域，包括机械系统、动力学和运动学、传感技术、视觉技术、语音识别技术、生命体征监护技术、控制技术、可靠性与安全性设计、人机工程学设计及护理机器人的典型应用等内容做了深入的阐述。 本书由河南科技大学胡志刚教授担任筹划并负责全书统稿工作，由河南科技大学张晓兰、杜喆、何琳、付东辽、李振伟、李华杰和王伟等老师等参与撰写。其中，第1章由胡志刚撰写；第2、4章由杜喆撰写；第3、6章由何琳撰写；第5章由李振伟撰写；第7、8章由张晓兰撰写；第9章由李华杰撰写；第10章由王伟撰写；第11章由付东辽撰写。 此外，本书在编写过程中，河南科技大学提供了良好的科研和工作条件，在此向参与和支持本书出版的教师及河南科技大学的领导致以衷心的感谢。 感谢国家国际科技合作项目“个人卫生护理机器人关键技术研究”（项目编号：2011DFA10440-3）的支持和资助。 本书编写过程中参阅了同行专家学者和一些科研院所的教材、资料和文献，在此向文献作者致以诚挚感谢。由于编者水平有限，书中难免存在不当之处和谬误，敬请各位专家及广大读者给予批评指正。 编著者 2015年1月

目录 第1章 绪论 1.1 护理机器人的基本概念 1 1.1.1 护理机器人的定义 1 1.1.2 护理机器人的分类 1 1.2 护理机器人的特点及基本结构 5 1.2.1 护理机器人的特点 5 1.2.2 护理机器人的基本结构 6 1.3 护理机器人的发展历程及其发展趋势 6 1.3.1 国外护理机器人的发展状况 6 1.3.2 国内护理机器人的发展状况 8 1.3.3 护理机器人的发展趋势 10 1.4 护理机器人的关键技术 10 本章小结 12 参考文献 12 第2章 护理机器人机械系统设计 2.1 概述 13 2.2 结构设计 13 2.2.1 系统分析 13 2.2.2 运动参数的确定 14 2.2.3 护理机器人结构设计实例 14 2.3 驱动单元 15 2.3.1 驱动方式 15 2.3.2 步进电动机驱动系统 16 2.3.3 伺服电动机驱动系统 18 2.4 减速单元 21 2.4.1 行星齿轮减速器 21 2.4.2 谐波减速器 25 2.4.3 RV减速器 26 2.5 传动机构 27 2.5.1 直线传动机构 27 2.5.2 旋转传动机构 28 2.6 机械本体 30 2.6.1 机身设计 30 2.6.2 行走机构设计 32 本章小结 35 参考文献 36 第3章 机器人的运动学与动力学 3.1 概述 37 3.2 机器人运动学 37 3.2.1 刚体在空间中的位姿描述 37 3.2.2 齐次坐标变换 38 3.2.3 变换方程 40 3.3 机器人逆运动学 42 3.4 机器人动力学 43 3.4.1 机器人的速度雅可比矩阵 44 3.4.2 机器人的力雅可比矩阵 47 3.4.3 机器人的动力学分析 49 3.5 机器人动力学建模与仿真 50 3.5.1 机器人动力学建模 50 3.5.2 机器人动力学仿真 50 本章小结 51 参考文献 51 第4章 护理机器人传感器技术 4.1 概述 52 4.1.1 特点与分类 52 4.1.2 发展趋势 53 4.2 内部传感器 54 4.2.1 位移传感器 54 4.2.2 速度和加速度传感器 60 4.3 外部传感器 61 4.3.1 触觉传感器 62 4.3.2 应力传感器 63 4.3.3 接近度传感器 64 4.3.4 其他传感器 66 4.4 护理机器人多传感器信息融合 66 4.4.1 概述 66 4.4.2 多传感器信息融合技术基础 67 4.4.3 多传感器信息融合实例 71 本章小结 73 参考文献 73 第5章 护理机器人视觉 5.1 概述 74 5.2 坐标系与三维变换 74 5.2.1 坐标系 74 5.2.2 三维变换 77 5.3 摄像机视觉模型 81 5.3.1 单目视觉模型 81 5.3.2 双目视觉模型 82 5.4 摄像机标定技术 83 5.4.1 摄像机畸变模型 83 5.4.2 摄像机标定算法 84 5.5 摄像机视觉图像处理技术 88 5.5.1 图像分割与轮廓提取 88 5.5.2 表示与描绘 95 5.5.3 目标识别 99 5.5.4 神经网络 102 5.5.5 比例估计 107 5.6 几何测量 109 5.6.1 单目测量距离 109 5.6.2 单目测量角度 111 5.6.3 双目测量距离 111 5.7 洗浴机器人洗头装置定位实例 112 5.7.1 系统结构与定位原理 112 5.7.2 摄像机选择与标定 113 5.7.3 头顶轮廓提取与偏移量计算 114 本章小结 115 参考文献 115 第6章 护理机器人语音识别技术 6.1 概述 116 6.1.1 语音识别的基本原理 116 6.1.2 语音识别的方法 116 6.2 语音信号的预处理 117 6.2.1 语音采样与量化 117 6.2.2 使用MATLAB处理语音信号 118 6.2.3 去除噪声 120 6.3 语音信号的分析与处理 120 6.3.1 语音信号的时域处理 120 6.3.2 语音信号的频域处理 122 6.3.3 端点检测 127 6.4 隐马尔可夫基本原理及其在语音识别中的应用 129 6.4.1 隐马尔可夫模型 130 6.4.2 HMM在语音识别中的应用 131 6.5 语音识别芯片 133 6.5.1 UniLite芯片的结构和参考设计 133 6.5.2 基于UniLite芯片的嵌入式语音识别技术 134 6.5.3 典型应用举例 135 6.6 语音情感识别技术 135 6.7 汉语语音与口型匹配技术 136 6.7.1 汉语语音与口型匹配的基本机理 136 6.7.2 汉语语音口型的几何匹配 138 6.7.3 汉语语音与口型的时间匹配 140 本章小结 141 参考文献 142 第7章 护理机器人的生命体征监护技术 7.1 概述 143 7.2 生命体征参数测量原理 144 7.2.1 心电的测量 144 7.2.2 脉搏波的测量 145 7.2.3 血压的测量 147 7.2.4 血氧饱和度的测量 151 7.2.5 其他监护参数的测量 154 7.3 生命体征监护系统设计 155 7.3.1 信号检测 156 7.3.2 信号模拟处理 157 7.3.3 信号数字处理 159 7.4 生命体征监护系统实例 159 7.4.1 连续血压监护系统原理框图 160 7.4.2 连续血压监护系统硬件设计 160 7.4.3 连续血压监护系统软件设计 162 本章小结 166 参考文献 166 第8章 护理机器人控制技术 8.1 概述 167 8.2 护理机器人控制方式与策略 168 8.3 护理机器人位置控制 172 8.3.1 单关节位置控制 172 8.3.2 多关节位置控制 177 8.4 护理机器人的速度和加速度控制 177 8.5 力（力矩）控制 178 8.5.1 机器人的柔顺 178 8.5.2 柔顺控制的种类 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 专家系统与专家控制系统 182 8.7.3 神经网络控制系统 185 本章小结 186 参考文献 186 第9章 护理机器人可靠性与安全性设计 9.1 护理机器人可靠性预计与可靠性分配 187 9.1.1 可靠性预计 187 9.1.2 可靠性分配 190 9.1.3 护理机器人失效分析 191 9.2 故障树分析 197 9.2.1 故障事件因果关系分析的演绎方法与归纳方法 197 9.2.2 故障树分析法的特点与应用 197 9.2.3 故障树分析法的步骤 198 9.2.4 故障树名词术语和符号 198 9.2.5 建立故障树的原则 200 9.2.6 故障树结构函数 200 9.2.7 故障树分析 202 9.3 护理机器人安全性 208 9.3.1 安全性概述 208 9.3.2 安全性评价 209 9.3.3 安全性设计 214 9.3.4 安全性实现 217 9.3.5 护理机器人的安全使用 222 本章小结 222 参考文献 223 第10章 护理机器人的人机工程学设计 10.1 老年人生理特征的变化及其影响 224 10.2 人机工程学在护理机器人设计中的作用 225 10.3 护理机器人人机工程通用设计法则 226 10.3.1 安全设计原则 226 10.3.2 简易操作原则 227 10.3.3 舒适性设计原则 227 10.4 适应老年人的护理机器人人机工程设计流程 228 10.4.1 确定护理机器人的工作流程 228 10.4.2 确定护理机器人的作业空间 229 10.4.3 确定护理机器人的人机尺寸 229 10.4.4 护理机器人的外观内饰设计 230 10.4.5 护理机器人的安置环境设计 232 10.4.6 护理机器人样机设计分析 233 本章小结 239 参考文献 239 第11章 应用实例 11.1 卫生护理机器人 240 11.2 辅助站立机器人 243 11.3 导盲机器人 245 11.4 智能轮椅 247 本章小结 249 参考文献 249