智能机器人技术导论

章 智能机器人概论 ............................................................................................... 1
1.1 智能机器人的产生与发展 ............................................................................ 2
1.1.1 机器人的产生 ............................................................................................. 2
1.1.2 机器人的概念 ............................................................................................. 2
1.1.3 机器人的发展历程 ..................................................................................... 3
1.1.4 机器人的应用领域 ..................................................................................... 5
1.1.5 机器人的发展趋势 ..................................................................................... 6
1.2 典型的机器人系统 .......................................................................................... 8
1.2.1 机械系统 ..................................................................................................... 8
1.2.2 驱动系统 ..................................................................................................... 9
1.2.3 感知系统 ..................................................................................................... 9
1.2.4 控制系统 ................................................................................................... 10
1.2.5 通信系统 ................................................................................................... 10
习题1 .......................................................................................................................... 11
第2 章 智能机器人系统基础 .................................................................................... 13
2.1 智能机械臂结构 ............................................................................................. 14
2.1.1 机械臂的分类与作用 ............................................................................... 14
2.1.2 机械臂机构设计 ....................................................................................... 18
2.2 智能机器人行走机构 ................................................................................... 23
2.2.1 轮式行走机构 ........................................................................................... 23
2.2.2 履带式行走机构 ....................................................................................... 25
2.2.3 足式行走机构 ........................................................................................... 27
2.3 智能机器人驱动技术 ................................................................................... 29
2.3.1 驱动电动机 ............................................................................................... 29
2.3.2 驱动控制 ................................................................................................... 33
2.3.3 驱动电源 ................................................................................................... 34
习题2 .......................................................................................................................... 37
第3 章 智能机器人感知系统 .................................................................................... 39
3.1 智能感知系统构成 ........................................................................................ 40
3.1.1 感知系统的组成 ....................................................................................... 41
3.1.2 感知系统的分布 ....................................................................................... 42
3.2 距离感知 .......................................................................................................... 45
3.2.1 声呐测距 ................................................................................................... 45
3.2.2 红外测距 ................................................................................................... 47
3.2.3 超声波测距 ............................................................................................... 48
3.2.4 激光测距 ................................................................................................... 48
3.3 位姿感知 .......................................................................................................... 49
3.3.1 旋转位移测量 ........................................................................................... 49
3.3.2 姿态航向测量 ........................................................................................... 51
3.4 力觉感知 .......................................................................................................... 54
3.4.1 触觉传感器 ............................................................................................... 55
3.4.2 力觉传感器 ............................................................................................... 56
3.4.3 滑觉传感器 ............................................................................................... 57
3.4.4 接近觉传感器 ........................................................................................... 58
3.5 视觉感知 .......................................................................................................... 59
3.5.1 图像采集与图像处理 ............................................................................... 59
3.5.2 视觉系统 ................................................................................................... 61
3.6 听觉感知 .......................................................................................................... 63
3.6.1 语音采集 ................................................................................................... 63
3.6.2 语音识别 ................................................................................................... 64
3.7 嗅觉与味觉感知 ............................................................................................ 65
3.7.1 嗅觉感知 ................................................................................................... 65
3.7.2 味觉感知 ................................................................................................... 67
3.8 多传感器数据融合 ........................................................................................ 68
3.8.1 多传感器数据融合的定义与目的 ........................................................... 68
3.8.2 多传感器数据融合的特点 ....................................................................... 68
3.8.3 数据融合的三个层次 ............................................................................... 68
3.8.4 数据融合方法和融合模式 ....................................................................... 69
3.8.5 多传感器数据融合的应用 ....................................................................... 71
习题3 .......................................................................................................................... 72
第4 章 智能机器人导航技术 .................................................................................... 74
4.1 导航系统的概念 ............................................................................................. 75
4.2 导航系统的分类 ............................................................................................. 75
4.3 地图构造 .......................................................................................................... 77
4.3.1 拓扑图 ....................................................................................................... 77
4.3.2 特征图 ....................................................................................................... 78
4.3.3 网格图 ....................................................................................................... 79
4.3.4 直接表征法 ............................................................................................... 79
4.3.5 机器人地图构造的意义 ........................................................................... 80
4.4 定位介绍 .......................................................................................................... 81
4.4.1 相对定位 ................................................................................................... 81
4.4.2 定位 ................................................................................................... 83
4.4.3 机器人感知 ............................................................................................... 86
4.5 机器人定位 ...................................................................................................... 87
4.5.1 外部信标定位 ........................................................................................... 87
4.5.2 三边定位法 ............................................................................................... 87
4.5.3 空间信标定位 ........................................................................................... 88
4.6 自主移动机器人导航定位 .......................................................................... 89
4.6.1 视觉导航定位 ........................................................................................... 89
4.6.2 光反射导航定位 ....................................................................................... 89
4.6.3 GNSS 定位 ................................................................................................ 90
4.6.4 超声波导航定位 ....................................................................................... 90
4.7 路径规划 .......................................................................................................... 91
4.7.1 工作空间与位形空间 ............................................................................... 91
4.7.2 路径规划方法 ........................................................................................... 92
4.7.3 基于地图的全局路径规划算法 ............................................................... 93
4.7.4 基于传感器的局部路径规划 ................................................................... 97
4.8 机器人与无线传感器网络 .......................................................................... 99
4.8.1 无线传感器网络基本理论 ....................................................................... 99
4.8.2 移动机器人在无线传感器网络中的应用 ............................................. 100
习题4 ........................................................................................................................ 101
第5章 智能机器人协作系统 .................................................................................. 103
5.1 智能机器人通信系统 ................................................................................. 104
5.1.1 现代通信系统介绍 ................................................................................. 104
5.1.2 机器人通信系统 ..................................................................................... 105
5.2 多机器人系统 ............................................................................................... 107
5.2.1 多机器人系统的优点 ............................................................................. 107
5.2.2 多机器人系统的研究方向 ..................................................................... 108
5.2.3 几种典型的多机器人系统 ..................................................................... 112
5.2.4 多机器人协同运行 ................................................................................. 113
5.3 多智能体系统 ............................................................................................... 115
5.3.1 多智能体系统的基本概念 ..................................................................... 115
5.3.2 应用领域 ................................................................................................. 116
5.3.3 一致性问题 ............................................................................................. 116
5.4 人机协作 ........................................................................................................ 117
5.4.1 协作机器人的兴起 ................................................................................. 117
5.4.2 人机协作 ................................................................................................. 118
5.4.3 优点与不足 ............................................................................................. 120
5.4.4 人机协作的实现 ..................................................................................... 121
习题5 ........................................................................................................................ 122
第6章 智能机器人的控制与自学习 .................................................................... 124
6.1 PID 控制 ......................................................................................................... 125
6.1.1 PID 控制原理 ......................................................................................... 125
6.1.2 机器人PID 控制 .................................................................................... 127
6.2 基于行为的控制法 ...................................................................................... 129
6.2.1 基本概念 ................................................................................................. 129
6.2.2 基于行为的控制法的发展 ..................................................................... 131
6.3 模糊控制 ........................................................................................................ 132
6.3.1 模糊控制基础知识 ................................................................................. 132
6.3.2 模糊控制的基本原理 ............................................................................. 135
6.3.3 机器人系统的模糊控制 ......................................................................... 136
6.4 自适应控制 .................................................................................................... 137
6.4.1 自适应控制的提出 ................................................................................. 138
6.4.2 自适应控制的基本理论 ......................................................................... 139
6.4.3 自适应控制的应用 ................................................................................. 142
6.5 神经网络 ........................................................................................................ 143
6.5.1 神经网络基础知识 ................................................................................. 144
6.5.2 神经网络的结构 ..................................................................................... 146
6.5.3 神经网络的学习 ..................................................................................... 151
6.6 机器学习 ........................................................................................................ 152
6.6.1 什么是机器学习 ..................................................................................... 152
6.6.2 机器学习与机器人控制 ......................................................................... 154
6.6.3 机器学习的应用 ..................................................................................... 157
习题6 ........................................................................................................................ 157
第7章 智能机器人仿真与软件设计 .................................................................... 159
7.1 智能机器人虚拟仿真 ................................................................................. 160
7.1.1 机器人虚拟仿真的意义 ......................................................................... 160
7.1.2 机器人虚拟仿真的对象 ......................................................................... 160
7.1.3 机器人建模与仿真 ................................................................................. 161
7.2 SolidWorks 机器人建模 ............................................................................. 161
7.2.1 SolidWorks 软件的特点 ......................................................................... 161
7.2.2 工件设计 ................................................................................................. 163
7.2.3 用SolidWorks 搭建机器人模型 ............................................................ 165
7.3 机器人操作系统ROS ................................................................................ 168
7.3.1 ROS 简介 ................................................................................................ 168
7.3.2 ROS 总体框架 ........................................................................................ 170
7.3.3 ROS 中的常用功能 ................................................................................ 174
7.3.4 应用ROS 的机器人 ............................................................................... 175
7.4 RobotStudio ................................................................................................... 175
7.4.1 RobotStudio 软件的功能介绍 ................................................................ 176
7.4.2 RobotStudio 软件的使用 ........................................................................ 177
习题7 ........................................................................................................................ 182
第8章 智能机器人机电控制系统设计 ............................................................... 183
8.1 智能机器人MCU 控制系统 .................................................................... 184
8.1.1 16 位MCU 机器人控制系统 ................................................................. 184
8.1.2 32 位MCU 机器人控制系统 ................................................................. 189
8.2 工业机器人PLC 控制 ................................................................................ 192
8.2.1 自动装配工作站 ..................................................................................... 193
8.2.2 自动装配工作站的结构设计 ................................................................. 194
8.2.3 自动装配工作站控制系统 ..................................................................... 195
8.2.4 自动装配工作站的硬件系统 ................................................................. 197
8.2.5 自动装配工作站的软件系统 ................................................................. 199
习题8 ........................................................................................................................ 200
第9 章 智能机器人竞赛 ........................................................................................... 202
9.1 RoboCon ......................................................................................................... 203
9.1.1 大赛简介 ................................................................................................. 203
9.1.2 抢攀珠穆朗玛峰 ..................................................................................... 203
9.1.3 “快马加鞭” ............................................................................................. 204
9.2 RoboMaster .................................................................................................... 205
9.2.1 大赛简介 ................................................................................................. 205
9.2.2 机甲大师高校系列赛 ............................................................................. 206
9.2.3 机甲大师 对抗赛 ............................................................................. 206
9.2.4 机甲大师高校单项赛 ............................................................................. 207
9.2.5 机甲大师高校人工智能挑战赛 ............................................................. 208
9.3 全国大学生工程训练综合能力竞赛 ...................................................... 210
9.3.1 竞赛简介 ................................................................................................. 210
9.3.2 智能+赛道 .............................................................................................. 211
习题9 ........................................................................................................................ 213
0 章 智能机器人应用 ........................................................................................ 214
10.1 智能巡检机器人 ........................................................................................ 215
10.2 仿生机器人 ................................................................................................. 220
10.2.1 运动机理仿生 ....................................................................................... 220
10.2.2 仿生机器人实例 ................................................................................... 222
10.3 无人机 ........................................................................................................... 226
10.3.1 常见飞行器的分类 ............................................................................... 226
10.3.2 无人机的基本构成 ............................................................................... 228
10.3.3 无人机应用现状 ................................................................................... 231
10.3.4 无人机实例 ........................................................................................... 232
习题10 ...................................................................................................................... 235