智能機器人教育需兼顧技術(shù)創(chuàng)新與社會責(zé)任。本書不僅詳細介紹了ROS2、傳感器、運動控制等前沿技術(shù)，又深入探討了機器人倫理、人機共生等深度議題。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，為通識教育賦予了更深層的價值內(nèi)涵。
魯繼文 清華大學(xué)長聘教授
本書突破了傳統(tǒng)教材重理論輕實踐的局限，以ROS生態(tài)為紐帶，串聯(lián)傳感器數(shù)據(jù)解析、SLAM建圖、機械臂逆運動學(xué)求解等核心環(huán)節(jié)，提供了數(shù)學(xué)推導(dǎo)-代碼實現(xiàn)-系統(tǒng)集成的全流程指導(dǎo)，還詳解了四足機器人步態(tài)仿真、UR機械臂抓取等案例，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)合型機器人人才提供范本。
徐凱 國防科技大學(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)傳感器原理與機器人運動控制深度融合，構(gòu)建了從硬件驅(qū)動到算法落地的完整知識鏈條。讀者通過本書不僅能夠夯實技術(shù)地基，還可以通過輪式導(dǎo)航、機械臂抓取等工業(yè)級案例實現(xiàn)能力躍遷；同時，本書還設(shè)置了仿真與實機雙路徑實踐，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，同時以四足機器人動力學(xué)仿真、SLAM實戰(zhàn)等高階內(nèi)容滿足進階需求。其原理-系統(tǒng)-產(chǎn)業(yè)三層內(nèi)容架構(gòu)，為機器人技術(shù)、自動化、計算機、人工智能等專業(yè)學(xué)生提供了無縫銜接的機器人技術(shù)入口。
張輝 湖南大學(xué)教授
PREFACE
前 言
在當(dāng)今這個信息時代，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)新的焦點和教育的熱點。本書旨在為人工智能、計算機科學(xué)、自動化等領(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器人的基礎(chǔ)理論和方法，了解智能機器人領(lǐng)域的前沿研究、核心技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用。
第1章智能機器人概述：探索智能機器人的歷史演進。從早期的機械裝置到現(xiàn)代的智能機器人，為讀者描繪生動的機器人發(fā)展脈絡(luò)與智能機器人的關(guān)鍵技術(shù)，幫助讀者在宏觀上了解智能機器人所涉及的內(nèi)容。
第2章機器人操作系統(tǒng)：介紹機器人的大腦機器人操作系統(tǒng)（ROS）。在這一章中，深入講解機器人操作系統(tǒng)的特點、功能和應(yīng)用，從而為構(gòu)建智能機器人應(yīng)用系統(tǒng)提供知識框架和開發(fā)工具。
第3章機器人傳感器：帶領(lǐng)讀者進入智能機器人的感知世界。通過深入討論不同類型傳感器的原理、技術(shù)和應(yīng)用，幫助讀者理解機器人如何感知外部環(huán)境，從而做出智能決策和行動。
第4章定位和導(dǎo)航：揭示機器人在空間中精準定位和導(dǎo)航的原理和方法，幫助讀者了解機器人如何借助定位和導(dǎo)航技術(shù)實現(xiàn)自主移動，為智能機器人應(yīng)用提供重要的技術(shù)支撐。
第5章機械臂的運動控制：探討工業(yè)機器人的典型代表機械臂的動作控制和執(zhí)行能力，幫助讀者了解機械臂的結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和動力學(xué)，以及其如何實現(xiàn)復(fù)雜的精準動作，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章四足機器人：介紹機器人領(lǐng)域的創(chuàng)新之一四足機器人的設(shè)計。通過學(xué)習(xí)四足機器人的原理和設(shè)計思路，探索如何模仿動物的行走方式，為機器人增添更大的機動性和靈活性。
第7章人形機器人：介紹了人形機器人的內(nèi)涵與構(gòu)成，人形機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與政策支持，人形機器人肢體，人形機器人大腦和小腦。人形機器人是目前機器人領(lǐng)域的研究熱點。
第8章介紹智能機器人的發(fā)展趨勢以及在發(fā)展過程中所面臨的挑戰(zhàn)。
鑒于智能機器人的研究仍在快速發(fā)展階段，許多方面尚未達成完整結(jié)論或普遍共識。在撰寫本書時，力爭展現(xiàn)智能機器人的關(guān)鍵技術(shù)，并避免給出沒有廣泛共識的觀點和結(jié)論。本書的編寫組稿工作得到了實驗室研究生吳婷、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踐經(jīng)驗所限，書中不妥之處在所難免，敬請讀者批評指正。
希望本書能夠激發(fā)讀者對智能機器人領(lǐng)域的濃厚興趣，為未來的研究和工作奠定堅實的基礎(chǔ)。祝愿每一位閱讀本書的讀者都能在智能機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)計算機學(xué)院/機器人系教授，博士生導(dǎo)師，人工智能研究所副所長，IEEE/CCF高級會員。武漢大學(xué)與美國南卡羅來納大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士。研究領(lǐng)域為機器視覺與機器人 (實驗室網(wǎng)址：http://mvr.whu.edu.cn )，在機器視覺工業(yè)檢測方面作出了創(chuàng)新成果和應(yīng)用，獲科技進步獎一等獎(2009)、國家技術(shù)發(fā)明二等獎(2015)和湖北省自然科學(xué)二等獎 (2019)。在IJCV、IEEE TIP、 IEEE TNNLS、 ICLR、 CVPR、 ICRA 等國際期刊和會議上發(fā)表論文90篇，單篇最高引用超1000次；擔(dān)任SCI SIVP期刊編委、中國圖象圖形學(xué)學(xué)會（CSIG）三維視覺專業(yè)委員會委員、中國計算機學(xué)會（CCF）智能機器人專業(yè)委員會委員。主持研發(fā)武漢大學(xué)首款仿人機器人靈犀1號。
陳 馳
武漢大學(xué)測繪遙感信息工程全國重點實驗室教授，博士生導(dǎo)師，入選國家級高層次青年人才；擔(dān)任IEEE 1937.6國際標準組秘書長、國際數(shù)字地球?qū)W會激光雷達專委會委員。長期從事機器人系統(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，主持國家自然科學(xué)基金重點項目（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；在測繪遙感、機器人等領(lǐng)域發(fā)表SCI等論文60余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利20余項，參與制定國家標準1項、國際標準2項；獲國際攝影測量與遙感學(xué)（ISPRS）優(yōu)秀論文獎、美國攝影測量與遙感學(xué)會（ASPRS）優(yōu)秀論文獎、測繪科技進步特等獎、湖北省科技進步獎。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)競賽全球冠
CONTENTS
目 錄
前言
第1章 智能機器人概述 …………………1
1.1 機器人簡介 ……………………………1
1.2 機器人的發(fā)展 …………………………2
1.2.1 世界機器人發(fā)展歷史 ……… 3
1.2.2 我國機器人發(fā)展計劃 …… 19
1.2.3 全球機器人發(fā)展浪潮 …… 20
1.3 智能機器人分類 ……………………22
1.3.1 按應(yīng)用功能分類 ………… 22
1.3.2 按智能級別分類 ………… 24
1.3.3 按行動方式分類 ………… 25
1.4 智能機器人關(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 人機交互 ………………… 40
1.4.5 意識與情感 ……………… 41
1.4.6 機器人倫理 ……………… 42
第2章 機器人操作系統(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)計目標 ……… 49
2.2.3 ROS的相關(guān)概念 ……… 49
2.2.4 ROS計算圖 ……………… 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 ………………………54
2.3.1 ROS的安裝 ……………… 54
2.3.2 ROS的通信機制 ……… 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)計實踐 ………………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 …………………… 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 機器人傳感器 …………………78
3.1 機器人傳感器基礎(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 ………………… 88
3.2.4 深度相機 ………………… 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 …………………… 127
3.4 慣性傳感器 …………………………128
3.4.1 加速度計 ………………… 129
3.4.2 陀螺儀 …………………… 133
3.4.3 磁力計 …………………… 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 機器人定位技術(shù) ………… 153
4.1.3 機器人導(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SLAM ………… 169
4.3 ROS導(dǎo)航算法實戰(zhàn) ………………177
4.3.1 Gmapping ………………… 177
4.3.2 Cartographer …………… 182
4.4 四輪機器人導(dǎo)航實例 ………… 186
4.4.1 建圖實戰(zhàn) ………………… 186
4.4.2 創(chuàng)建launch文件 ……… 190
4.4.3 導(dǎo)航實戰(zhàn) ………………… 191
第5章 機械臂的運動控制 ……………192
5.1 機械臂簡介 …………………………192
5.1.1 機械臂的發(fā)展 …………… 192
5.1.2 機械臂的組成結(jié)構(gòu) ……… 198
5.1.3 機械臂的運動學(xué)模型 … 198
5.2 MoveIt！控制機械臂 ……………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！運動規(guī)劃 …… 214
5.3 UR機械臂抓取實例 ………………218
5.3.1 坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換 ………… 218
5.3.2 配置UR機械臂 ………… 222
5.3.3 機械臂抓取的實現(xiàn) ……… 226
第6章 四足機器人 ……………………230
6.1 四足機器人簡介 ……………………230
6.1.1 四足機器人發(fā)展歷史 … 230
6.1.2 四足機器人發(fā)展現(xiàn)狀 … 238
6.2 四足機器人運動控制 ……………240
6.2.1 四足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 … 240
6.2.2 四足機器人運動學(xué)模型 … 245
6.2.3 運動學(xué)正逆解問題 ……… 246
6.2.4 姿態(tài)控制仿真 …………… 254
6.3 四足機器人運動控制實例 ………264
6.3.1 ROS下的四足機器人 … 264
6.3.2 四足機器人仿真模型的
搭建 ……………………… 265
6.3.3 四足機器人仿真模型的
改進 ……………………… 270
6.3.4 Unitree robots四足機器人
仿真 ……………………… 274
第7章 人形機器人 ……………………277
7.1 人形機器人的內(nèi)涵與構(gòu)成 ………277
7.2 人形機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與政策
支持 …………………………………279
7.2.1 全球人形機器人的發(fā)展
現(xiàn)狀 ……………………… 279
7.2.2 國家政策和戰(zhàn)略 ………… 286
7.3 人形機器人肢體 ……………………288
7.3.1 人形機器人肢體設(shè)計 …… 288
7.3.2 關(guān)節(jié)和運動機構(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 人形機器人大腦和小腦 …………301
7.4.1 人形機器人大腦 ………… 301
7.4.2 人形機器人小腦 ………… 318
第8章 智能機器人發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn) …321
8.1 智能機器人發(fā)展趨勢 ……………321
8.1.1 技術(shù)創(chuàng)新趨勢 …………… 321
8.1.2 國際合作趨勢 …………… 330
8.2 智能機器人面臨的挑戰(zhàn) …………331
參考文獻 ………………………………………334
書單推薦
