機器人綜合設計與實踐

本書介紹機器人綜合設計與實踐的相關內容，是一本將串聯型機器人技術、並聯型機器人技術、移動機器人技術有機集成的教材。本書主要運用機器人的智能感知技術、自主定位與導航技術、運動與控制技術、控制系統與元件等知識內容，設計、構建並實現具備完整避障作業的機器人系統，旨在指導學生將機器人理論知識應用於設計與實踐環節，增強學生對新知識、新技術的興趣，達到培養學生動手實踐能力、獨立思考能力及團隊分工協作能力的目的。通過學習本書，學生能進一步掌握機器人系統的理論知識和工程綜合設計能力，為將來的專業發展打下良好的基礎。本書具有理論性、設計性與實踐性相結合的特點，特別適合作為高年級本科生和研究生的機器人學習教材，也適合作為從事機器人研究、開發和應用的科技人員的參考書。

第1章 緒論 1
1.1 機器人的起源與發展 1
1.1.1 機器人的起源 1
1.1.2 機器人的發展 2
1.2 機器人的分類 3
1.2.1 按機器人的連接方式分類 3
1.2.2 按機器人的移動性分類 5
1.2.3 按機器人的控制方式分類 8
1.2.4 按機器人的幾何結構分類 9
1.2.5 按機器人的智能程度分類 9
1.2.6 按機器人的用途分類 9
1.3 本書綜述 10
1.3.1 機器人運動學設計與實踐 10
1.3.2 機器人感知和物體識別設計與實踐 12
1.3.3 機器人定位和地圖構建設計與實踐 12
1.3.4 機器人規劃和避障設計與實踐 12
1.3.5 機器人控制設計與實踐 12
1.4 本章小結 12
習題1 13
第2章 機器人綜合設計與實踐平臺 14
2.1 引言 14
2.2 硬件系統 16
2.2.1 雙目視覺系統 17
2.2.2 雙臂作業系統 18
2.2.3 腰部3-RPS並聯機構 19
2.2.4 移動小車平臺 19
2.3 軟件系統 20
2.3.1 機器人模型 20
2.3.2 機器人通信 22
2.4 本章小結 23
習題2 23
第3章 機器人正運動學綜合設計與實踐 24
3.1 機器人正運動學理論基礎 24
3.1.1 機器人Standard-DH坐標系 24
3.1.2 機器人Modified-DH坐標系 26
3.1.3 相鄰兩連桿坐標系的位姿表達 27
3.1.4 相鄰兩連桿坐標系的位姿確定 27
3.1.5 機器人正運動學 29
3.2 機器人正運動學綜合設計 30
3.2.1 感知系統正運動學 31
3.2.2 主作業系統正運動學 34
3.2.3 輔助作業系統正運動學 36
3.2.4 3-RPS並聯機構正運動學 37
3.3 機器人正運動學綜合實踐 40
3.3.1 模擬模型建立 40
3.3.2 正運動學模擬 42
3.3.3 正運動學實踐 43
3.4 本章小結 46
習題3 47
第4章 機器人逆運動學綜合設計與實踐 48
4.1 機器人逆運動學理論基礎 48
4.1.1 逆運動學定義 48
4.1.2 機器人逆運動學的解 48
4.2 機器人逆運動學綜合設計 49
4.2.1 主作業系統逆運動學 50
4.2.2 輔助作業系統逆運動學 61
4.2.3 3-RPS並聯機構逆運動學 62
4.3 機器人逆運動學綜合實踐 64
4.4 本章小結 67
習題4 67
第5章 機器人視覺感知與SLAM 69
5.1 概述 69
5.2 機器人視覺感知系統理論基礎 70
5.2.1 相機成像模型 70
5.2.2 坐標系之間的轉換關系 71
5.3 機器人視覺感知系統綜合設計 73
5.3.1 攝像頭選擇 73
5.3.2 攝像頭標定 74
5.3.3 視覺里程計設計 75
5.3.4 特徵點檢測算法選擇 75
5.3.5 相機的運動估計 79
5.3.6 閉環檢測及關鍵幀選取策略 81
5.3.7 位姿圖優化 84
5.4 機器人視覺感知系統綜合實踐 86
5.4.1 特徵點匹配對比分析實踐 86
5.4.2 誤匹配特徵點剔除的實驗及分析改進實踐 95
5.4.3 建圖的要求及分類 98
5.5 本章小結 100
習題5 100
第6章 機器人目標識別綜合設計與實踐 101
6.1 概述 101
6.2 機器人目標識別理論基礎 101
6.2.1 傳統的物體識別 101
6.2.2 基於深度學習的目標檢測算法 103
6.3 機器人目標識別綜合設計 110
6.3.1 邊界框的預測 111
6.3.2 損失函數 112
6.3.3 特徵提取網絡 113
6.3.4 多種網絡對比效果 114
6.4 機器人目標識別綜合實踐 115
6.4.1 加深網絡層級 115
6.4.2 基於圖像金字塔的網絡重構 117
6.4.3 K-means先驗框聚類 119
6.5 本章小結 119
習題6 120
第7章 機器人路徑規劃綜合設計與實踐 121
7.1 概述 121
7.2 機器人路徑規劃理論基礎 121
7.3 機器人路徑規劃綜合設計 122
7.3.1 二維空間全局路徑規劃 122
7.3.2 三維空間內路徑規劃 126
7.4 機器人路徑規劃綜合實踐 131
7.4.1 二維空間內路徑規劃實踐 131
7.4.2 三維空間內路徑模擬實驗 134
7.4.3 路徑平滑處理 136
7.5 本章小結 137
習題7 137
第8章 機器人軌跡規劃綜合設計與實踐 138
8.1 概述 138
8.2 機器人軌跡規劃理論基礎 138
8.3 機器人軌跡規劃綜合設計 139
8.3.1 關節空間下的軌跡規劃 139
8.3.2 工作空間下的軌跡規劃 141
8.3.3 機器人雙臂協調運動規劃 146
8.4 機器人軌跡規劃綜合實踐 149
8.4.1 關節空間軌跡規劃 149
8.4.2 工作空間軌跡規劃 151
8.4.3 雙臂協調抓取任務 152
8.5 本章小結 155
習題8 155
第9章 機器人控制綜合設計與實踐 156
9.1 概述 156
9.2 機器人控制理論基礎 156
9.2.1 機器人控制器 156
9.2.2 機器人控制變量 157
9.2.3 機器人控制層次 157
9.2.4 機器人控制技術 159
9.3 機器人控制綜合設計 160
9.3.1 機器人驅動器空間控制綜合設計 162
9.3.2 機器人關節空間控制綜合設計 169
9.3.3 機器人工作空間控制綜合設計 173
9.4 機器人控制綜合實踐 175
9.4.1 機器人驅動器空間控制綜合實踐 175
9.4.2 機器人關節空間控制綜合實踐 177
9.4.3 機器人工作空間控制綜合實踐 182
9.5 本章小結 188
習題9 188
第10章 機器人綜合實踐 189
10.1 概述 189
10.1.1 軟、硬件系統介紹 189
10.1.2 軟件系統 190
10.2 SLAM系統性能分析 190
10.2.1 Tum數據集性能測試分析 190
10.2.2 建圖實驗 193
10.3 目標物識別及三維環境重建實踐 197
10.3.1 實驗數據集及相關參數說明 197
10.3.2 目標物、環境障礙物識別效果 198
10.3.3 神經網絡性能測試 199
10.3.4 環境障礙物三維重建實驗 202
10.4 目標物抓取實驗 205
10.4.1 抓取實驗示例 205
10.4.2 誤差校正 208
10.4.3 雙臂抓取實驗 211
10.5 本章小結 212
習題10 212
參考文獻 213
附錄A 網絡配置參數 216
附錄B P-R曲線繪制代碼 233
附錄C 網絡訓練過程代碼 238