智能機器人技術導論

本書主要介紹智能機器人的產生及發展、典型的機器人系統和智能機器人系統基礎、感知系統、導航技術、協作系統、控制與自學習、模擬與軟件設計、機電控制系統設計、競賽及應用等。本書結合“結果導向思維”，應用 OBE 理念編寫，凸顯了“智能”特色，落實了“思政貫通”教學主線。本書突出“智能化”機器人特色，以“智能”為主軸展開，有助於學生跳出傳統工業機器人的單一學習思路，幫助學生全面認知機器人。本書配有在線課程“機器人技術導論”（“智慧樹”平臺），以及教學大綱、PPT、習題解答、課程思政等資源，讀者可登錄華信教育資源網（www.hxedu.com.cn）下載。本書適合作為高等院校機器人工程、自動化、電子信息與機械電子工程等專業的本科生或碩士生的引導性教材或參考書，也可作為工科學生機器人活動、相關學科競賽教材，還可供有關工程技術人員參考。

第1 章 智能機器人概論 ............................................................................................... 1
1.1 智能機器人的產生與發展 ............................................................................ 2
1.1.1 機器人的產生 ............................................................................................. 2
1.1.2 機器人的概念 ............................................................................................. 2
1.1.3 機器人的發展歷程 ..................................................................................... 3
1.1.4 機器人的應用領域 ..................................................................................... 5
1.1.5 機器人的發展趨勢 ..................................................................................... 6
1.2 典型的機器人系統 .......................................................................................... 8
1.2.1 機械系統 ..................................................................................................... 8
1.2.2 驅動系統 ..................................................................................................... 9
1.2.3 感知系統 ..................................................................................................... 9
1.2.4 控制系統 ................................................................................................... 10
1.2.5 通信系統 ................................................................................................... 10
習題1 .......................................................................................................................... 11
第2 章 智能機器人系統基礎 .................................................................................... 13
2.1 智能機械臂結構 ............................................................................................. 14
2.1.1 機械臂的分類與作用 ............................................................................... 14
2.1.2 機械臂機構設計 ....................................................................................... 18
2.2 智能機器人行走機構 ................................................................................... 23
2.2.1 輪式行走機構 ........................................................................................... 23
2.2.2 履帶式行走機構 ....................................................................................... 25
2.2.3 足式行走機構 ........................................................................................... 27
2.3 智能機器人驅動技術 ................................................................................... 29
2.3.1 驅動電動機 ............................................................................................... 29
2.3.2 驅動控制 ................................................................................................... 33
2.3.3 驅動電源 ................................................................................................... 34
習題2 .......................................................................................................................... 37
第3 章 智能機器人感知系統 .................................................................................... 39
3.1 智能感知系統構成 ........................................................................................ 40
3.1.1 感知系統的組成 ....................................................................................... 41
3.1.2 感知系統的分佈 ....................................................................................... 42
3.2 距離感知 .......................................................................................................... 45
3.2.1 聲吶測距 ................................................................................................... 45
3.2.2 紅外測距 ................................................................................................... 47
3.2.3 超聲波測距 ............................................................................................... 48
3.2.4 激光測距 ................................................................................................... 48
3.3 位姿感知 .......................................................................................................... 49
3.3.1 旋轉位移測量 ........................................................................................... 49
3.3.2 姿態航向測量 ........................................................................................... 51
3.4 力覺感知 .......................................................................................................... 54
3.4.1 觸覺傳感器 ............................................................................................... 55
3.4.2 力覺傳感器 ............................................................................................... 56
3.4.3 滑覺傳感器 ............................................................................................... 57
3.4.4 接近覺傳感器 ........................................................................................... 58
3.5 視覺感知 .......................................................................................................... 59
3.5.1 圖像採集與圖像處理 ............................................................................... 59
3.5.2 視覺系統 ................................................................................................... 61
3.6 聽覺感知 .......................................................................................................... 63
3.6.1 語音採集 ................................................................................................... 63
3.6.2 語音識別 ................................................................................................... 64
3.7 嗅覺與味覺感知 ............................................................................................ 65
3.7.1 嗅覺感知 ................................................................................................... 65
3.7.2 味覺感知 ................................................................................................... 67
3.8 多傳感器數據融合 ........................................................................................ 68
3.8.1 多傳感器數據融合的定義與目的 ........................................................... 68
3.8.2 多傳感器數據融合的特點 ....................................................................... 68
3.8.3 數據融合的三個層次 ............................................................................... 68
3.8.4 數據融合方法和融合模式 ....................................................................... 69
3.8.5 多傳感器數據融合的應用 ....................................................................... 71
習題3 .......................................................................................................................... 72
第4 章 智能機器人導航技術 .................................................................................... 74
4.1 導航系統的概念 ............................................................................................. 75
4.2 導航系統的分類 ............................................................................................. 75
4.3 地圖構造 .......................................................................................................... 77
4.3.1 拓撲圖 ....................................................................................................... 77
4.3.2 特徵圖 ....................................................................................................... 78
4.3.3 網格圖 ....................................................................................................... 79
4.3.4 直接表徵法 ............................................................................................... 79
4.3.5 機器人地圖構造的意義 ........................................................................... 80
4.4 定位介紹 .......................................................................................................... 81
4.4.1 相對定位 ................................................................................................... 81
4.4.2 絕對定位 ................................................................................................... 83
4.4.3 機器人感知 ............................................................................................... 86
4.5 機器人定位 ...................................................................................................... 87
4.5.1 外部信標定位 ........................................................................................... 87
4.5.2 三邊定位法 ............................................................................................... 87
4.5.3 空間信標定位 ........................................................................................... 88
4.6 自主移動機器人導航定位 .......................................................................... 89
4.6.1 視覺導航定位 ........................................................................................... 89
4.6.2 光反射導航定位 ....................................................................................... 89
4.6.3 GNSS 定位 ................................................................................................ 90
4.6.4 超聲波導航定位 ....................................................................................... 90
4.7 路徑規劃 .......................................................................................................... 91
4.7.1 工作空間與位形空間 ............................................................................... 91
4.7.2 路徑規劃方法 ........................................................................................... 92
4.7.3 基於地圖的全局路徑規劃算法 ............................................................... 93
4.7.4 基於傳感器的局部路徑規劃 ................................................................... 97
4.8 機器人與無線傳感器網絡 .......................................................................... 99
4.8.1 無線傳感器網絡基本理論 ....................................................................... 99
4.8.2 移動機器人在無線傳感器網絡中的應用 ............................................. 100
習題4 ........................................................................................................................ 101
第5章 智能機器人協作系統 .................................................................................. 103
5.1 智能機器人通信系統 ................................................................................. 104
5.1.1 現代通信系統介紹 ................................................................................. 104
5.1.2 機器人通信系統 ..................................................................................... 105
5.2 多機器人系統 ............................................................................................... 107
5.2.1 多機器人系統的優點 ............................................................................. 107
5.2.2 多機器人系統的研究方向 ..................................................................... 108
5.2.3 幾種典型的多機器人系統 ..................................................................... 112
5.2.4 多機器人協同運行 ................................................................................. 113
5.3 多智能體系統 ............................................................................................... 115
5.3.1 多智能體系統的基本概念 ..................................................................... 115
5.3.2 應用領域 ................................................................................................. 116
5.3.3 一致性問題 ............................................................................................. 116
5.4 人機協作 ........................................................................................................ 117
5.4.1 協作機器人的興起 ................................................................................. 117
5.4.2 人機協作 ................................................................................................. 118
5.4.3 優點與不足 ............................................................................................. 120
5.4.4 人機協作的實現 ..................................................................................... 121
習題5 ........................................................................................................................ 122
第6章 智能機器人的控制與自學習 .................................................................... 124
6.1 PID 控制 ......................................................................................................... 125
6.1.1 PID 控制原理 ......................................................................................... 125
6.1.2 機器人PID 控制 .................................................................................... 127
6.2 基於行為的控製法 ...................................................................................... 129
6.2.1 基本概念 ................................................................................................. 129
6.2.2 基於行為的控製法的發展 ..................................................................... 131
6.3 模糊控制 ........................................................................................................ 132
6.3.1 模糊控制基礎知識 ................................................................................. 132
6.3.2 模糊控制的基本原理 ............................................................................. 135
6.3.3 機器人系統的模糊控制 ......................................................................... 136
6.4 自適應控制 .................................................................................................... 137
6.4.1 自適應控制的提出 ................................................................................. 138
6.4.2 自適應控制的基本理論 ......................................................................... 139
6.4.3 自適應控制的應用 ................................................................................. 142
6.5 神經網絡 ........................................................................................................ 143
6.5.1 神經網絡基礎知識 ................................................................................. 144
6.5.2 神經網絡的結構 ..................................................................................... 146
6.5.3 神經網絡的學習 ..................................................................................... 151
6.6 機器學習 ........................................................................................................ 152
6.6.1 什麽是機器學習 ..................................................................................... 152
6.6.2 機器學習與機器人控制 ......................................................................... 154
6.6.3 機器學習的應用 ..................................................................................... 157
習題6 ........................................................................................................................ 157
第7章 智能機器人模擬與軟件設計 .................................................................... 159
7.1 智能機器人虛擬模擬 ................................................................................. 160
7.1.1 機器人虛擬模擬的意義 ......................................................................... 160
7.1.2 機器人虛擬模擬的對象 ......................................................................... 160
7.1.3 機器人建模與模擬 ................................................................................. 161
7.2 SolidWorks 機器人建模 ............................................................................. 161
7.2.1 SolidWorks 軟件的特點 ......................................................................... 161
7.2.2 工件設計 ................................................................................................. 163
7.2.3 用SolidWorks 搭建機器人模型 ............................................................ 165
7.3 機器人操作系統ROS ................................................................................ 168
7.3.1 ROS 簡介 ................................................................................................ 168
7.3.2 ROS 總體框架 ........................................................................................ 170
7.3.3 ROS 中的常用功能 ................................................................................ 174
7.3.4 應用ROS 的機器人 ............................................................................... 175
7.4 RobotStudio ................................................................................................... 175
7.4.1 RobotStudio 軟件的功能介紹 ................................................................ 176
7.4.2 RobotStudio 軟件的使用 ........................................................................ 177
習題7 ........................................................................................................................ 182
第8章 智能機器人機電控制系統設計 ............................................................... 183
8.1 智能機器人MCU 控制系統 .................................................................... 184
8.1.1 16 位MCU 機器人控制系統 ................................................................. 184
8.1.2 32 位MCU 機器人控制系統 ................................................................. 189
8.2 工業機器人PLC 控制 ................................................................................ 192
8.2.1 自動裝配工作站 ..................................................................................... 193
8.2.2 自動裝配工作站的結構設計 ................................................................. 194
8.2.3 自動裝配工作站控制系統 ..................................................................... 195
8.2.4 自動裝配工作站的硬件系統 ................................................................. 197
8.2.5 自動裝配工作站的軟件系統 ................................................................. 199
習題8 ........................................................................................................................ 200
第9 章 智能機器人競賽 ........................................................................................... 202
9.1 RoboCon ......................................................................................................... 203
9.1.1 大賽簡介 ................................................................................................. 203
9.1.2 搶攀珠穆朗瑪峰 ..................................................................................... 203
9.1.3 “快馬加鞭” ............................................................................................. 204
9.2 RoboMaster .................................................................................................... 205
9.2.1 大賽簡介 ................................................................................................. 205
9.2.2 機甲大師高校系列賽 ............................................................................. 206
9.2.3 機甲大師超級對抗賽 ............................................................................. 206
9.2.4 機甲大師高校單項賽 ............................................................................. 207
9.2.5 機甲大師高校人工智能挑戰賽 ............................................................. 208
9.3 全國大學生工程訓練綜合能力競賽 ...................................................... 210
9.3.1 競賽簡介 ................................................................................................. 210
9.3.2 智能+賽道 .............................................................................................. 211
習題9 ........................................................................................................................ 213
第10 章 智能機器人應用 ........................................................................................ 214
10.1 智能巡檢機器人 ........................................................................................ 215
10.2 仿生機器人 ................................................................................................. 220
10.2.1 運動機理仿生 ....................................................................................... 220
10.2.2 仿生機器人實例 ................................................................................... 222
10.3 無人機 ........................................................................................................... 226
10.3.1 常見飛行器的分類 ............................................................................... 226
10.3.2 無人機的基本構成 ............................................................................... 228
10.3.3 無人機應用現狀 ................................................................................... 231
10.3.4 無人機實例 ........................................................................................... 232
習題10 ...................................................................................................................... 235