服務機器人系統設計 (電子書)

第1 章 緒論
1.1 機器人的定義、應用與發展
1.1.1 機器人的應用
1.1.2 機器人的發展
1.2 服務機器人
1.3 服務機器人的結構與分類
1.3.1 服務機器人的結構
1.3.2 服務機器人的分類
1.4 服務機器人控制的主要內容
參考文獻

第2 章 服務機器人的移動機構
2.1 移動機構
2.1.1 單輪移動機構
2.1.2 兩輪差動配合小萬向輪機構
2.1.3 全向輪式移動機構
2.1.4 履帶式移動機構
2.1.5 足式機構
2.2 設計舉例
2.2.1 輪式移動服務機器人底盤
2.2.2 雙足步行機器人
2.2.3 履帶式機器人底盤
參考文獻

第3 章 服務機器人的執行單元
3.1 服務機器人的機械臂
3.1.1 四自由度機械臂
3.1.2 六自由度機械臂
3.2 機械手
3.2.1 二指機械手
3.2.2 三指機械手
3.2.3 五指機械手
3.3 其他執行單元
3.3.1 腕部
3.3.2 其他機械手
3.3.3 其他機械臂
參考文獻

第4 章 服務機器人的驅動與控制
4.1 電機的選擇與分類
4.2 電機的控制
4.2.1 直流電機的基本特性
4.2.2 轉速控制
4.2.3 轉向控制
4.2.4 電機控制實例
4.3 服務機器人的控制
4.3.1 經典PID 控制
4.3.2 智能PID 整定概述
參考文獻

第5 章 服務機器人的運動分析
5.1 服務機器人的位置運動學
5.1.1 位置方位描述
5.1.2 位置信息與傳感器
5.1.3 座標變換
5.1.4 齊次變換及運算
5.2 服務機器人的微分運動與動力學分析
5.2.1 底盤運動學分析——雙輪
5.2.2 底盤運動學分析——全向輪
5.3 服務機器人的正逆運動學問題
5.3.1 剛體的描述
5.3.2 正逆運動學問題
5.3.3 機械臂的正逆運動學
參考文獻

第6 章 服務機器人的路徑規劃
6.1 服務機器人的路徑規劃分類
6.1.1 離線路徑規劃
6.1.2 在線路徑規劃
6.1.3 其他路徑規劃算法
6.2 經典路徑規劃方法
6.2.1 人工勢場法
6.2.2 A* 算法
6.2.3 遺傳算法
6.3 服務機器人路徑規劃優化
6.3.1 人工勢場法的改進
6.3.2 A* 算法的改進
6.3.3 遺傳算法的改進
6.3.4 服務機器人路徑規劃技術發展
參考文獻

第7 章 服務機器人的感知
7.1 服務機器人的感知
7.1.1 內部感知單元
7.1.2 外部感知單元
7.1.3 特殊感知單元
7.2 機器視覺
7.2.1 機器視覺的組成
7.2.2 機器視覺的工作原理
7.2.3 機器視覺在服務機器人上的應用
參考文獻

第8 章 服務機器人的操作系統
8.1 服務機器人的操作系統概述
8.1.1 服務機器人操作系統的概述
8.1.2 服務機器人操作系統的關鍵技術
8.2 ROS 及其應用
8.2.1 ROS 的基本概念
8.2.2 ROS 的應用
參考文獻

第9 章 發展與展望
9.1 發展
9.2 比賽促進技術提升
9.3 未來展望
參考文獻

 

序

　　不知不覺間，出現了很多既熟悉又陌生的新型裝備，如進入到家庭環境的自動掃地機，陪伴老年人與小孩的陪護機器，為病人送藥送飯的護士助手，為病人實施多種複雜手術的輔助機器，提供實時自適應導航的智慧輪椅，給高樓提供清潔輔助的清潔機器，能幫助人類探索外太空、探索海底的機器，以及帶有智慧的滅火消防砲等。以上各類帶有智慧的機器都可以稱為服務機器人，也就是說，除了工業機器人之外的通過半自主或完全自主運作，為人類的健康或設備的良好狀態提供服務的機器人。

　　從人類社會的發展過程可揭示出機器人發展的規律，即工業機器人發展到一定的階段，爆發式地出現服務機器人。由於服務機器人的應用場合多（除工業以外的應用場合），其種類或樣式多種多樣，形成百花齊放的格局，除上面提到的清潔機器人、陪護機器人、助老機器人、手術機器人、助殘機器人之外，還包括各種娛樂機器人、舞蹈機器人、導遊機器人、導購機器人、安保機器人、排險機器人、消防機器人、體育機器人、祕書機器人、建築機器人、玩具機器人、分揀機器人以及加油機器人、農業機器人等。

　　服務機器人的主要技術包括，為滿足不同應用場合的機械、材料、本體結構、執行單元、驅動電路與運動控制系統；帶有智慧的環境感知傳感器和信號處理方法；包括模糊控制、神經網路、進化計算等的智慧控制方法；具有機器人自定位與導航功能的SLAM技術；在工作空間中能找到一條從起始狀態到目標狀態、可以避開障礙物的路徑規劃方法以及智慧機器人的操作系統等。

　　本書較為系統地講述了服務機器人技術的相關理論與製作實例，對機器人的機械系統、執行單元、傳感器、驅動與控制機構等分章節敘述，同時對機器人的座標變換、運動分析、路徑規劃以及機器人的操作系統也做了講解。

　　本書理論介紹與製作實例相輔相成，體現了理論與實踐相結合的特色。根據機器人操作系統的特殊情況，介紹了ROS系統，使服務機器人技術的內容更加全面，爭取給中國更多的服務機器人從業人員與服務機器人愛好者提供幫助。

　　本書共分9章。第1章闡述了機器人的産生與發展，服務機器人的定義、結構與分類、服務機器人技術的主要內容等；第2章敘述了服務機器人的移動機構，包括單輪、兩輪差動、全向輪式、履帶式、足式等移動機構以及部分移動機構的設計舉例；第3章敘述了服務機器人的機械臂（四自由度與六自由度的機械臂），二指、三指、五指機械手，其他執行單元（如腕部等）；第4章敘述了服務機器人的驅動與控制，包括服務機器人中廣泛使用的直流電機的PWM驅動原理與電路實現、服務機器人的PID參數的整定與智慧控制等；第5章敘述了服務機器人的運動分析，包括服務機器人的位置運動學、微分運動與動力學分析、服務機器人的正逆運動學問題及軌跡規劃實例等；第6章敘述了服務機器人的路徑規劃（包括離線規劃與在線規劃），智慧規劃（包括人工勢場法、A*算法、遺傳算法以及優化算法等）；第7章敘述了服務機器人的感知，包括機器人的內部感知單元、外部感知單元和特殊感知單元，服務機器人的資訊處理方法，重點敘述了機器視覺的組成、工作原理與應用；第8章介紹了服務機器人的操作系統ROS，包括ROS的基本概念、系統架構、系統工具，以及ROS在移動底座、導航與路徑規劃、語音識別、機器視覺等方面的應用實例；第9章對服務機器人以及相關技術的發展進行了展望。

　　服務機器人技術內容十分廣泛，涉及諸多學科領域。由於作者的水平所限、經驗不足，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。