摩擦觸覺感知機理與靈巧抓取應用 李遠哲 9787302678960 【台灣高等教育出版社】

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書名：摩擦觸覺感知機理與靈巧抓取應用
ISBN：9787302678960
出版社：清華大學
著編譯者：李遠哲
頁數：xxx
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書號：1741609
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內容簡介
觸覺不僅是人進行感知與交互的重要生理功能，也是機器人實現精確運動、靈巧抓取和人機交互的重要基礎。對人手的觸覺感知和靈巧抓取行為的深入研究，將極大啟發和促進機器人觸覺傳感與物體操縱技術的發展。目前，人們對觸覺的生理學基礎已經有了比較系統的認識，但是對觸覺感知與皮膚界面力學的關係的認識卻不夠深入。
本書圍繞人手摩擦觸覺感知機理與機械手靈巧抓取應用，以水介質中固體摩擦行為機理為理論基礎，以界面接觸力的高時空分辨表徵方法為技術支撐，系統開展了人手抓取過程的摩擦觸覺感知機理與抓取反饋控制策略研究，並基於揭示的感知機理、控制策略和設計的觸覺傳感裝置，實現了觸覺反饋的機械手靈巧抓取應用。本書所展示的研究工作內容豐富詳實，涉及理論研究、技術研究、應用研究等多個方面，充分體現了多學科交叉融合的特點。
本書對於摩擦學、表界面科學、觸覺機理、視觸覺傳感技術等相關領域的研究人員和學者具有較為廣泛的借鑒啟發意義。

作者簡介
李遠哲，1996年3月出生于河南省駐馬店市泌陽縣。2013年9月考入西安交通大學機械工程學院機械工程專業，2017年7月本科畢業並獲得工學學士學位。2017年9月免試進入清華大學機械工程系攻讀博士學位，導師為田煜教授，2022年7月畢業並獲得工學博士學位。博士期間發表包括《Science Advances》在內多篇SCI論文，博士學位論文獲2022年清華大學優秀博士學位論文。2022年9月至今，于日本東京大學機械工程系從事博士後特任研究員工作，研究興趣包括摩擦學、觸覺傳感、傳熱學等。

目錄

第1章 緒論
1 1選題背景與研究意義
1 2人體觸覺感知機理研究進展
1 2 1觸覺的生理學基礎
1 2 2抓取過程的觸覺反饋
1 2 3摩擦觸覺的相關性研究
1 3界面摩擦行為機理研究進展
1 3 1固體摩擦機理
1 3 2非穩態摩擦行為
1 3 3水對固體摩擦的影響
1 4觸覺傳感與靈巧機械手研究進展
1 4 1視觸覺傳感技術
1 4 2觸覺反饋的靈巧手
1 5問題分析與研究內容
1 5 1問題分析
1 5 2研究內容
第2章 實驗裝置及方法
2 1引言
2 2實驗材料選擇
2 2 1摩擦材料的準備
2 2 2硅膠樣品的製備
2 3表面測試分析方法
2 3 1表面形貌分析方法
2 3 2表面成分分析方法
2 3 3表面潤濕性分析方法
2 4界面力學實驗分析方法
2 4 1可控環境的摩擦磨損實驗裝置
2 4 2原子力顯微鏡及實驗方法
2 5圖像採集分析系統
2 5 1結構與硬件組成
2 5 2基本圖像處理算法
2 5 3基於圖像的形變場測量
2 6本章 小結
第3章 潤濕依賴性的表面力對水潤滑影響
3 1引言
3 2潤濕性對不同潤滑狀態的影響
3 2 1固—液界面作用的熱力學度量
3 2 2潤濕性影響的Stribeck曲線
3 3潤濕性對邊界潤滑的影響
3 3 1邊界潤滑的潤濕依賴性
3 3 2水中粘附力的潤濕依賴性
3 3 3潤濕性影響邊界潤滑的熱力學模型
3 3 4熱力學模型的實驗驗證
3 4摩擦潤濕依賴性的物理本質與應用
3 4 1潤濕依賴性的表面力機制
3 4 2潤濕性對受限粘度的可能影響
3 4 3模型對界面力學行為的指導
3 5本章 小結
第4章 基於立體視覺的界面三維接觸應力動態測量
4 1引言
4 2基本原理與設計原型
4 2 1裝置結構與組成
4 2 2測量流程與原理
4 2 3接觸應力的求解算法
4 3性能表徵與典型案例
4 3 1分辨率與精度表徵
4 3 2粘著接觸應力測量
4 3 3滾動摩擦應力測量
4 4蝸牛爬行機理研究
4 4 1蝸牛爬行的運動學特徵
4 4 2蝸牛爬行的動力學特徵
4 4 3蝸牛空間攀爬的多尺度吸盤機制
4 5本章 小結
第5章 人手抓取的摩擦觸覺感知機理與反饋控制策略
5 1引言
5 2手指摩擦行為研究
5 2 1手指皮膚的基本力學特徵
5 2 2手指皮膚的粗糙摩擦模型
5 2 3手指的摩擦各向異性
5 3基於摩擦觸覺感知的人手抓取行為
5 3 1人手主動抓取行為研究
5 3 2基於界面微滑的抓取反饋機制
5 4本章 小結
第6章 基於視觸覺傳感的機械手靈巧抓取
6 1引言
6 2基於視覺的多軸力傳感裝置
6 2 1設計原理與結構組成
6 2 2基於雙目視覺的空間位姿求解
6 2 3基於特徵擬合的多軸力測量
6 2 4性能表徵與評估
6 3基於視覺的滑移傳感裝置
6 3 1設計原理和結構組成
6 3 2滑移測量原理與判據
6 3 3滑移判據的驗證
6 4摩擦觸覺反饋的靈巧抓取系統
6 4 1基於多軸力傳感的變質量物體抓取
6 4 2基於微滑感知的未知物體靈巧抓取
6 5本章 小結
第7章 結論與展望
7 1本書完成的主要工作
7 2本書主要貢獻與創新點
7 3未來工作展望
參考文獻
個人簡歷、在學期間完成的相關學術成果
致謝

前言/序言
在全球新一輪科技革命和產業變革的浪潮中，發展智能機器人技術已成為提升國家製造業核心競爭力的重大戰略。面向精密製造、醫療護理、空間探測、深海作業等前沿領域，工業機器人、服務機器人和特種機器人的創新發展不僅關乎我國製造業轉型升級的迫切需求，更是搶佔未來科技制高點的重要舉措。在這一背景下，提升機器人的環境適應能力、靈巧操作性能、人機交互水平及作業安全性，已成為當前機器人技術發展的關鍵課題。其中，觸覺感知技術作為實現上述功能的重要基礎，是智能機器人和電子皮膚等領域備受關注的研究重點，也是亟待突破的技術難點。
李遠哲博士的研究工作立足摩擦學基礎理論，對觸覺產生機理和靈巧抓取行為進行了系統性探索。其研究構建了觸覺感知與反饋的界面力學理論框架，在界面摩擦機理、三維接觸應力測量方法、人手抓取行為規律以及機械手觸覺反饋控制等方面取得了創新性突破，為智能機器人系統的感知技術與交互技術發展開闢了新路徑。
觸覺的產生依賴於皮膚與外界的接觸和摩擦。針對水環境下的界面摩擦問題，研究揭示了邊界潤滑狀態下范德華吸引力與水合排斥力的競爭機制，建立了潤濕性與界面黏附/摩擦行為的定量關係模型。基於這一理論突破，成功實現了不依賴特殊官能團的結構化表面水下黏附抓取功能，為複雜環境下的界面行為調控提供了新的理論支撐。
觸覺信息本質是皮膚界面接觸應力的時間—空間分佈。在觸覺信息獲取技術方面，針對接觸應力高時空分辨率測量的技術瓶頸，創新性地提出了基於雙目立體視覺與彈性力學模型的界面三維接觸應力測量方法。所研製的原型裝置實現了10 ms時間分辨率與10 μm空間分辨率的高精度測量，突破了傳統測量手段在維度和分辨率上的局限。這一技術突破不僅幫助加深了對界面黏附演變、滾動摩擦來源、生物運動機制等現象的理解，也為摩擦學、生物學和仿生機器人等交叉學科的發展提供了有力工具。
在靈巧操作應用方面，基於界面摩擦理論與接觸應力測量技術，系統研究了人手摩擦觸覺感知機理與抓取行為規律。研究構建了皮膚摩擦的載荷—方向—幾何特性量化模型，揭示了人手抓取的增量反饋加載策略與微滑感知調控機制。基於這些發現，成功研製了兩種新型觸覺力傳感裝置，建立了觸覺反饋的機器人靈巧抓取控制範式，實現了機械手在動態載荷下不依賴先驗視覺信息的可靠抓取，為未來開發具有人手級別靈巧度的機械手奠定了重要研究基礎。
李遠哲博士的研究工作兼具創新性與系統性，構建了觸覺感知的界面力學定量理論框架，深化了對觸覺形成機制及人手抓取調控規律的理解。其研究成果在先進觸覺傳感與靈巧抓取控制技術的研究中具有重要的理論價值和應用潛力。本書的出版將為相關領域的研究者提供廣泛和有益的參考，助力智能感知與機器人技術的持續探索與應用實踐。
田煜，博士
清華大學機械工程系長聘教授
清華大學高端裝備界面科學與技術全國重點實驗室副主任
教育部長江學者特聘教授
國家傑出青年基金獲得者

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