智能機(jī)器人教育需兼顧技術(shù)創(chuàng)新與社會(huì)責(zé)任。本書不僅詳細(xì)介紹了ROS2、傳感器、運(yùn)動(dòng)控制等前沿技術(shù)，又深入探討了機(jī)器人倫理、人機(jī)共生等深度議題。這種技術(shù) 人文的雙重視角，既能激發(fā)學(xué)生的工程創(chuàng)造力，又能引導(dǎo)其思考科技邊界，為通識(shí)教育賦予了更深層的價(jià)值內(nèi)涵。
魯繼文 清華大學(xué)長(zhǎng)聘教授
本書突破了傳統(tǒng)教材重理論輕實(shí)踐的局限，以ROS生態(tài)為紐帶，串聯(lián)傳感器數(shù)據(jù)解析、SLAM建圖、機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解等核心環(huán)節(jié)，提供了數(shù)學(xué)推導(dǎo)-代碼實(shí)現(xiàn)-系統(tǒng)集成的全流程指導(dǎo)，還詳解了四足機(jī)器人步態(tài)仿真、UR機(jī)械臂抓取等案例，充分體現(xiàn)學(xué)中做、做中學(xué)的工程教育理念，為培養(yǎng)復(fù)合型機(jī)器人人才提供范本。
徐凱 國(guó)防科技大學(xué)教授
本書以知其然，亦知其所以然為核心理念，將ROS/ROS2操作系統(tǒng)、多模態(tài)傳感器原理與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制深度融合，構(gòu)建了從硬件驅(qū)動(dòng)到算法落地的完整知識(shí)鏈條。讀者通過本書不僅能夠夯實(shí)技術(shù)地基，還可以通過輪式導(dǎo)航、機(jī)械臂抓取等工業(yè)級(jí)案例實(shí)現(xiàn)能力躍遷；同時(shí)，本書還設(shè)置了仿真與實(shí)機(jī)雙路徑實(shí)踐，非常適合各學(xué)科初學(xué)者入門，是一本不可多得的優(yōu)秀教材。
屠長(zhǎng)河 山東大學(xué)教授
作為面向多學(xué)科背景的教材，本書平衡了技術(shù)深度與可讀性：通過直觀的示意圖、最小化代碼示例降低入門門檻，同時(shí)以四足機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真、SLAM實(shí)戰(zhàn)等高階內(nèi)容滿足進(jìn)階需求。其原理-系統(tǒng)-產(chǎn)業(yè)三層內(nèi)容架構(gòu)，為機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)、人工智能等專業(yè)學(xué)生提供了無縫銜接的機(jī)器人技術(shù)入口。
張輝 湖南大學(xué)教授
PREFACE
前 言
在當(dāng)今這個(gè)信息時(shí)代，人工智能正引領(lǐng)著科技革命的潮流，為各行各業(yè)帶來深刻的變革。在人工智能領(lǐng)域中，智能機(jī)器人作為一顆耀眼的明星，以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為創(chuàng)新的焦點(diǎn)和教育的熱點(diǎn)。本書旨在為人工智能、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)化等領(lǐng)域的學(xué)生和專業(yè)人員提供一本系統(tǒng)的專業(yè)圖書，幫助他們掌握智能機(jī)器人的基礎(chǔ)理論和方法，了解智能機(jī)器人領(lǐng)域的前沿研究、核心技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用。
第1章智能機(jī)器人概述：探索智能機(jī)器人的歷史演進(jìn)。從早期的機(jī)械裝置到現(xiàn)代的智能機(jī)器人，為讀者描繪生動(dòng)的機(jī)器人發(fā)展脈絡(luò)與智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，幫助讀者在宏觀上了解智能機(jī)器人所涉及的內(nèi)容。
第2章機(jī)器人操作系統(tǒng)：介紹機(jī)器人的大腦機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）。在這一章中，深入講解機(jī)器人操作系統(tǒng)的特點(diǎn)、功能和應(yīng)用，從而為構(gòu)建智能機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)提供知識(shí)框架和開發(fā)工具。
第3章機(jī)器人傳感器：帶領(lǐng)讀者進(jìn)入智能機(jī)器人的感知世界。通過深入討論不同類型傳感器的原理、技術(shù)和應(yīng)用，幫助讀者理解機(jī)器人如何感知外部環(huán)境，從而做出智能決策和行動(dòng)。
第4章定位和導(dǎo)航：揭示機(jī)器人在空間中精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航的原理和方法，幫助讀者了解機(jī)器人如何借助定位和導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，為智能機(jī)器人應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。
第5章機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制：探討工業(yè)機(jī)器人的典型代表機(jī)械臂的動(dòng)作控制和執(zhí)行能力，幫助讀者了解機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，以及其如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的精準(zhǔn)動(dòng)作，從而為工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用提供解決方案。
第6章四足機(jī)器人：介紹機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新之一四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)。通過學(xué)習(xí)四足機(jī)器人的原理和設(shè)計(jì)思路，探索如何模仿動(dòng)物的行走方式，為機(jī)器人增添更大的機(jī)動(dòng)性和靈活性。
第7章人形機(jī)器人：介紹了人形機(jī)器人的內(nèi)涵與構(gòu)成，人形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與政策支持，人形機(jī)器人肢體，人形機(jī)器人大腦和小腦。人形機(jī)器人是目前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
第8章介紹智能機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)以及在發(fā)展過程中所面臨的挑戰(zhàn)。
鑒于智能機(jī)器人的研究仍在快速發(fā)展階段，許多方面尚未達(dá)成完整結(jié)論或普遍共識(shí)。在撰寫本書時(shí)，力爭(zhēng)展現(xiàn)智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，并避免給出沒有廣泛共識(shí)的觀點(diǎn)和結(jié)論。本書的編寫組稿工作得到了實(shí)驗(yàn)室研究生吳婷、吳林春、程楊、王云鶴等同學(xué)的幫助，在此一并表示感謝！由于作者理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所限，書中不妥之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
希望本書能夠激發(fā)讀者對(duì)智能機(jī)器人領(lǐng)域的濃厚興趣，為未來的研究和工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。祝愿每一位閱讀本書的讀者都能在智能機(jī)器人的世界中找到屬于自己的探索方向和創(chuàng)新之路。
鄒 勤
武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院/機(jī)器人系教授，博士生導(dǎo)師，人工智能研究所副所長(zhǎng)，IEEE/CCF高級(jí)會(huì)員。武漢大學(xué)與美國(guó)南卡羅來納大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器視覺與機(jī)器人 (實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)址：http://mvr.whu.edu.cn )，在機(jī)器視覺工業(yè)檢測(cè)方面作出了創(chuàng)新成果和應(yīng)用，獲科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(2009)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)(2015)和湖北省自然科學(xué)二等獎(jiǎng) (2019)。在IJCV、IEEE TIP、 IEEE TNNLS、 ICLR、 CVPR、 ICRA 等國(guó)際期刊和會(huì)議上發(fā)表論文90篇，單篇最高引用超1000次；擔(dān)任SCI SIVP期刊編委、中國(guó)圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)（CSIG）三維視覺專業(yè)委員會(huì)委員、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）智能機(jī)器人專業(yè)委員會(huì)委員。主持研發(fā)武漢大學(xué)首款仿人機(jī)器人靈犀1號(hào)。
陳 馳
武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授，博士生導(dǎo)師，入選國(guó)家級(jí)高層次青年人才；擔(dān)任IEEE 1937.6國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組秘書長(zhǎng)、國(guó)際數(shù)字地球?qū)W會(huì)激光雷達(dá)專委會(huì)委員。長(zhǎng)期從事機(jī)器人系統(tǒng)感知、定位、導(dǎo)航與建圖等關(guān)鍵技術(shù)的研究與裝備的研制，主持國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（聯(lián)合基金）地下空間無人集群協(xié)同自主探索與3D感知定位制圖；在測(cè)繪遙感、機(jī)器人等領(lǐng)域發(fā)表SCI等論文60余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，參與制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)；獲國(guó)際攝影測(cè)量與遙感學(xué)（ISPRS）優(yōu)秀論文獎(jiǎng)、美國(guó)攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)（ASPRS）優(yōu)秀論文獎(jiǎng)、測(cè)繪科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)、湖北省科技進(jìn)步獎(jiǎng)。蟬聯(lián)無人系統(tǒng)地下挑戰(zhàn)賽冠軍、ICCV惡劣環(huán)境無人系統(tǒng)競(jìng)賽全球冠
CONTENTS
目 錄
前言
第1章 智能機(jī)器人概述 …………………1
1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介 ……………………………1
1.2 機(jī)器人的發(fā)展 …………………………2
1.2.1 世界機(jī)器人發(fā)展歷史 ……… 3
1.2.2 我國(guó)機(jī)器人發(fā)展計(jì)劃 …… 19
1.2.3 全球機(jī)器人發(fā)展浪潮 …… 20
1.3 智能機(jī)器人分類 ……………………22
1.3.1 按應(yīng)用功能分類 ………… 22
1.3.2 按智能級(jí)別分類 ………… 24
1.3.3 按行動(dòng)方式分類 ………… 25
1.4 智能機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù) ……………33
1.4.1 環(huán)境感知與理解 ………… 33
1.4.2 定位與導(dǎo)航 ……………… 34
1.4.3 控制與決策 ……………… 40
1.4.4 人機(jī)交互 ………………… 40
1.4.5 意識(shí)與情感 ……………… 41
1.4.6 機(jī)器人倫理 ……………… 42
第2章 機(jī)器人操作系統(tǒng) ………………44
2.1 ROS的發(fā)展歷史 …………………44
2.2 ROS基礎(chǔ) ……………………………47
2.2.1 ROS的功能定位 ……… 47
2.2.2 ROS的設(shè)計(jì)目標(biāo) ……… 49
2.2.3 ROS的相關(guān)概念 ……… 49
2.2.4 ROS計(jì)算圖 ……………… 50
2.2.5 ROS的文件系統(tǒng) ……… 53
2.2.6 ROS社區(qū) ………………… 54
2.3 ROS程序設(shè)計(jì) ………………………54
2.3.1 ROS的安裝 ……………… 54
2.3.2 ROS的通信機(jī)制 ……… 56
2.3.3 ROS的工作空間 ……… 58
2.3.4 ROS的常用命令 ……… 59
2.3.5 launch文件 ……………… 62
2.4 ROS程序設(shè)計(jì)實(shí)踐 ………………63
2.4.1 ROS hello world ………… 64
2.4.2 主題通信案例：文本
消息傳遞 ………………… 66
2.4.3 服務(wù)通信案例：整數(shù)
相加 ……………………… 68
2.5 ROS前沿：ROS2 …………………73
2.5.1 ROS1的天然缺陷 ……… 73
2.5.2 ROS2相較于ROS1的提升
和改進(jìn) …………………… 74
2.5.3 ROS2中的DDS中間層 … 74
2.5.4 ROS2中的QoS策略 …… 75
2.5.5 ROS1與ROS2的應(yīng)用 … 75
第3章 機(jī)器人傳感器 …………………78
3.1 機(jī)器人傳感器基礎(chǔ) …………………79
3.2 視覺傳感器 …………………………81
3.2.1 CCD圖像傳感器 ……… 81
3.2.2 CMOS圖像傳感器 …… 84
3.2.3 彩色相機(jī) ………………… 88
3.2.4 深度相機(jī) ………………… 89
3.3 距離傳感器 …………………………115
3.3.1 超聲波傳感器 …………… 115
3.3.2 激光傳感器 …………… 117
3.3.3 紅外傳感器 ……………… 126
3.3.4 里程計(jì) …………………… 127
3.4 慣性傳感器 …………………………128
3.4.1 加速度計(jì) ………………… 129
3.4.2 陀螺儀 …………………… 133
3.4.3 磁力計(jì) …………………… 136
3.5 聲敏傳感器（聽覺） ………………137
3.6 氣敏傳感器（嗅覺） ………………138
3.7 化學(xué)傳感器（味覺） ………………140
3.8 壓敏、溫敏流體傳感器（觸覺） …142
第4章 定位和導(dǎo)航 ……………………148
4.1 機(jī)器人定位與導(dǎo)航 …………………148
4.1.1 定位與導(dǎo)航的基本概念 … 148
4.1.2 機(jī)器人定位技術(shù) ………… 153
4.1.3 機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù) ………… 159
4.2 基于SLAM的定位與導(dǎo)航 ………162
4.2.1 視覺SLAM ……………… 162
4.2.2 激光雷達(dá)SLAM ………… 169
4.3 ROS導(dǎo)航算法實(shí)戰(zhàn) ………………177
4.3.1 Gmapping ………………… 177
4.3.2 Cartographer …………… 182
4.4 四輪機(jī)器人導(dǎo)航實(shí)例 ………… 186
4.4.1 建圖實(shí)戰(zhàn) ………………… 186
4.4.2 創(chuàng)建launch文件 ……… 190
4.4.3 導(dǎo)航實(shí)戰(zhàn) ………………… 191
第5章 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制 ……………192
5.1 機(jī)械臂簡(jiǎn)介 …………………………192
5.1.1 機(jī)械臂的發(fā)展 …………… 192
5.1.2 機(jī)械臂的組成結(jié)構(gòu) ……… 198
5.1.3 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 … 198
5.2 MoveIt！控制機(jī)械臂 ……………205
5.2.1 MoveIt！體系結(jié)構(gòu) …… 206
5.2.2 MoveIt！配置助手 …… 207
5.2.3 MoveIt！運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 …… 214
5.3 UR機(jī)械臂抓取實(shí)例 ………………218
5.3.1 坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換 ………… 218
5.3.2 配置UR機(jī)械臂 ………… 222
5.3.3 機(jī)械臂抓取的實(shí)現(xiàn) ……… 226
第6章 四足機(jī)器人 ……………………230
6.1 四足機(jī)器人簡(jiǎn)介 ……………………230
6.1.1 四足機(jī)器人發(fā)展歷史 … 230
6.1.2 四足機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 … 238
6.2 四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制 ……………240
6.2.1 四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) … 240
6.2.2 四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 … 245
6.2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解問題 ……… 246
6.2.4 姿態(tài)控制仿真 …………… 254
6.3 四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制實(shí)例 ………264
6.3.1 ROS下的四足機(jī)器人 … 264
6.3.2 四足機(jī)器人仿真模型的
搭建 ……………………… 265
6.3.3 四足機(jī)器人仿真模型的
改進(jìn) ……………………… 270
6.3.4 Unitree robots四足機(jī)器人
仿真 ……………………… 274
第7章 人形機(jī)器人 ……………………277
7.1 人形機(jī)器人的內(nèi)涵與構(gòu)成 ………277
7.2 人形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與政策
支持 …………………………………279
7.2.1 全球人形機(jī)器人的發(fā)展
現(xiàn)狀 ……………………… 279
7.2.2 國(guó)家政策和戰(zhàn)略 ………… 286
7.3 人形機(jī)器人肢體 ……………………288
7.3.1 人形機(jī)器人肢體設(shè)計(jì) …… 288
7.3.2 關(guān)節(jié)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) ………… 289
7.3.3 軀干和四肢結(jié)構(gòu) ………… 300
7.3.4 材料選擇與制造技術(shù) …… 301
7.4 人形機(jī)器人大腦和小腦 …………301
7.4.1 人形機(jī)器人大腦 ………… 301
7.4.2 人形機(jī)器人小腦 ………… 318
第8章 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)與挑戰(zhàn) …321
8.1 智能機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) ……………321
8.1.1 技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì) …………… 321
8.1.2 國(guó)際合作趨勢(shì) …………… 330
8.2 智能機(jī)器人面臨的挑戰(zhàn) …………331
參考文獻(xiàn) ………………………………………334
書單推薦
