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本書(shū)專(zhuān)為入門(mén)讀者編寫(xiě)，通過(guò)由淺入深的方式講解智能機(jī)器人的核心技術(shù)與開(kāi)發(fā)流程。為適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，本書(shū)在第1版的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，增加了部分新技術(shù)的理論以及全部技術(shù)在Ubuntu18.04版本上的具體實(shí)現(xiàn)方法。全書(shū)內(nèi)容分為三部分：首先，介紹概念與相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，包括機(jī)器人的概念、Ubuntu Linux操作系統(tǒng)和ROS知識(shí)；然后，介紹機(jī)器人核心功能的實(shí)現(xiàn)，涵蓋機(jī)器人安裝與初步使用、機(jī)器人視覺(jué)功能、機(jī)器人自主導(dǎo)航功能、機(jī)器人語(yǔ)音交互功能與機(jī)器人機(jī)械臂抓取功能；同時(shí)，介紹機(jī)器人的場(chǎng)景應(yīng)用，通過(guò)幾個(gè)例子全面演示服務(wù)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

本書(shū)注重理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)用價(jià)值顯著，既可作為高等院校計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)器人工程等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)用書(shū)，也可供智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)愛(ài)好者自學(xué)參考。

前　言
自20世紀(jì)中葉現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)興起以來(lái)，該領(lǐng)域經(jīng)歷了跨越式發(fā)展。近年來(lái)，機(jī)器人已從最初的工業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展到醫(yī)療、服務(wù)、航天等多個(gè)領(lǐng)域，深刻改變著人類(lèi)的生產(chǎn)和生活方式。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的協(xié)同推動(dòng)下，機(jī)器人系統(tǒng)正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化和人性化的方向快速發(fā)展，或許在不久后，機(jī)器人就將走進(jìn)人們的生活。
在機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程中，統(tǒng)一、高效的開(kāi)發(fā)平臺(tái)有著極其重要的作用，機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）的出現(xiàn)是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的重要里程碑。2010年，Willow Garage公司推出的開(kāi)源ROS框架，為機(jī)器人研發(fā)提供了標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)。這一系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，支持多語(yǔ)言編程，極大地降低了機(jī)器人開(kāi)發(fā)的技術(shù)門(mén)檻，促進(jìn)了全球范圍內(nèi)的技術(shù)交流與創(chuàng)新。
本書(shū)旨在系統(tǒng)性地介紹智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，為相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)者和從業(yè)者提供專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)。為適應(yīng)機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，本書(shū)在第1版的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，增加了部分新技術(shù)的理論以及全部技術(shù)在Ubuntu18.04和ROS Melodic版本上的具體實(shí)現(xiàn)方法。全書(shū)內(nèi)容分為三部分：第一部分介紹概念與相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，包括機(jī)器人的概念、Ubuntu Linux操作系統(tǒng)和ROS知識(shí)；第二部分介紹機(jī)器人核心功能的實(shí)現(xiàn)，涵蓋機(jī)器人安裝與初步使用、機(jī)器人視覺(jué)功能、機(jī)器人自主導(dǎo)航功能、機(jī)器人語(yǔ)音交互功能與機(jī)器人機(jī)械臂抓取功能；第三部分介紹機(jī)器人的場(chǎng)景應(yīng)用，通過(guò)幾個(gè)例子全面演示服務(wù)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)過(guò)程。
書(shū)中案例源自作者團(tuán)隊(duì)在RoboCup（機(jī)器人世界杯）中的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。讀者可通過(guò)機(jī)工教育服務(wù)網(wǎng)和華章分社小程序獲取配套的實(shí)踐資源以進(jìn)行實(shí)操訓(xùn)練，進(jìn)而深入理解技術(shù)原理，掌握開(kāi)發(fā)技能。
鑒于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，加之作者水平有限，書(shū)中難免存在不足之處。誠(chéng)摯歡迎讀者提出寶貴意見(jiàn)，共同推動(dòng)智能機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。

目　錄
前言
第一部分　概念與相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)
第1章　機(jī)器人的概念2
1.1　機(jī)器人相關(guān)定義和分類(lèi)2
1.1.1　機(jī)器人相關(guān)定義2
1.1.2　服務(wù)機(jī)器人的分類(lèi)3
1.2　現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷程4
1.2.1　現(xiàn)代機(jī)器人研究初期4
1.2.2　20世紀(jì)70年代5
1.2.3　20世紀(jì)80年代6
1.2.4　20世紀(jì)90年代8
1.2.5　21世紀(jì)初10
1.2.6　21世紀(jì)第二個(gè)十年14
1.2.7　21世紀(jì)20年代18
1.3　機(jī)器人的組成20
1.3.1　執(zhí)行機(jī)構(gòu)20
1.3.2　驅(qū)動(dòng)裝置21
1.3.3　傳感裝置21
1.3.4　控制系統(tǒng)21
1.3.5　智能系統(tǒng)21
1.3.6　智能人機(jī)接口系統(tǒng)22
1.4　機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)22
1.5　機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)23
習(xí)題24
第2章　Ubuntu Linux操作系統(tǒng)25
2.1　Linux和Ubuntu簡(jiǎn)介25
2.1.1　Linux簡(jiǎn)介25
2.1.2　Ubuntu簡(jiǎn)介26
2.1.3　Ubuntu的文件系統(tǒng)27
2.2　Ubuntu的安裝28
2.2.1　Ubuntu18.04系統(tǒng)啟動(dòng)盤(pán)
　　　的制作28
2.2.2　Ubuntu18.04的安裝35
2.3　shell命令39
2.3.1　Ubuntu的終端39
2.3.2　基礎(chǔ)的shell命令40
習(xí)題49
第3章　ROS入門(mén)50
3.1　ROS簡(jiǎn)介50
3.1.1　為什么使用ROS50
3.1.2　什么是ROS51
3.1.3　ROS與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)
　　　的區(qū)別51
3.1.4　ROS的主要特點(diǎn)52
3.2　ROS的安裝與卸載53
3.2.1　ROS的版本53
3.2.2　安裝和配置ROS Melodic53
3.2.3　安裝和配置ROS Noetic56
3.2.4　卸載ROS57
3.3　進(jìn)一步學(xué)習(xí)資源57
習(xí)題58
第4章　ROS框架和使用基礎(chǔ)59
4.1　ROS框架59
4.1.1　文件系統(tǒng)級(jí)59
4.1.2　計(jì)算圖級(jí)60
4.1.3　社區(qū)級(jí)61
4.2　ROS使用基礎(chǔ)62
4.2.1　catkin簡(jiǎn)介62
4.2.2　工作空間及其創(chuàng)建方法62
4.2.3　創(chuàng)建ROS工程包65
4.2.4　編譯ROS工程包65
4.2.5　創(chuàng)建ROS節(jié)點(diǎn)65
4.2.6　編譯運(yùn)行ROS節(jié)點(diǎn)66
4.2.7　roslaunch的使用67
4.2.8　創(chuàng)建ROS消息和服務(wù)69
4.2.9　編寫(xiě)簡(jiǎn)單的消息發(fā)布
　　　器和訂閱器（C 語(yǔ)言
　　　實(shí)現(xiàn)）72
4.2.10　編寫(xiě)簡(jiǎn)單的消息發(fā)布
　　　　器和訂閱器（Python
　　　　語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)）74
4.2.11　測(cè)試簡(jiǎn)單的消息發(fā)布器
　　　　和訂閱器76
4.2.12　編寫(xiě)簡(jiǎn)單的服務(wù)器和客
　　　　戶端（C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)）77
4.2.13　編寫(xiě)簡(jiǎn)單的服務(wù)器和
　　　　客戶端（Python語(yǔ)言
　　　　實(shí)現(xiàn)）79
4.2.14　測(cè)試簡(jiǎn)單的服務(wù)器和
　　　　客戶端80
習(xí)題81
第5章　ROS的調(diào)試82
5.1　常用的ROS調(diào)試命令82
5.2　常用的ROS調(diào)試工具84
5.2.1　使用rosconsole在運(yùn)行
　　　時(shí)修改調(diào)試級(jí)別84
5.2.2　使用roswtf檢測(cè)信號(hào)的
　　　潛在問(wèn)題86
5.2.3　使用rqt_graph顯示節(jié)
　　　點(diǎn)狀態(tài)圖87
5.2.4　使用rqt_plot繪制標(biāo)量
　　　數(shù)據(jù)圖88
5.2.5　使用image_view顯示
　　　二維圖像89
5.2.6　使用RViz實(shí)現(xiàn)3D數(shù)據(jù)
　　　可視化90
5.2.7　使用rosbag和rqt_bag
　　　記錄與回放數(shù)據(jù)91
5.2.8　rqt插件與rx應(yīng)用93
5.3　ROS基本命令總結(jié)94
5.3.1　創(chuàng)建ROS工作空間94
5.3.2　package相關(guān)操作94
5.3.3　節(jié)點(diǎn)相關(guān)操作95
5.3.4　話題相關(guān)操作95
5.3.5　服務(wù)相關(guān)操作96
5.3.6　rosparam相關(guān)操作97
5.3.7　bag相關(guān)操作97
5.3.8　rosmsg相關(guān)操作98
5.3.9　rossrv相關(guān)操作99
5.3.10　ROS的其他命令99
習(xí)題99
第二部分　機(jī)器人核心
功能的實(shí)現(xiàn)
第6章　機(jī)器人安裝與初步使用103
6.1　TurtleBot機(jī)器人簡(jiǎn)介103
6.2　TurtleBot機(jī)器人的硬件組成
　　與配置104
6.3　TurtleBot機(jī)器人的軟件安裝
　　與測(cè)試105
6.3.1　ROS Melodic版本的
　　　安裝方法105
6.3.2　ROS Noetic版本的安
　　　裝方法107
6.3.3　安裝后的配置107
6.4　啟動(dòng)TurtleBot108
6.5　通過(guò)鍵盤(pán)手動(dòng)控制TurtleBot109
6.6　通過(guò)腳本控制TurtleBot110
6.7　監(jiān)控Kobuki電池狀態(tài)110
6.8　TurtleBot機(jī)器人的擴(kuò)展111
習(xí)題113
第7章　機(jī)器人視覺(jué)功能的實(shí)現(xiàn)114
7.1　視覺(jué)傳感器114
7.1.1　Kinect視覺(jué)傳感器115
7.1.2　RealSense視覺(jué)傳感器115
7.2　驅(qū)動(dòng)的安裝與測(cè)試116
7.3　同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)Kinect119
7.4　同時(shí)運(yùn)行Kinect與RealSense121
7.5　在ROS中使用OpenCV
　　處理RGB圖像122
7.5.1　在ROS中安裝
　　　OpenCV122
7.5.2　在ROS代碼中使用
　　　OpenCV122
7.5.3　理解ROS-OpenCV
　　　轉(zhuǎn)換架構(gòu)123
7.5.4　ROS節(jié)點(diǎn)示例125
7.6　點(diǎn)云庫(kù)及其使用128
7.6.1　點(diǎn)云及點(diǎn)云庫(kù)簡(jiǎn)介128
7.6.2　PCL數(shù)據(jù)類(lèi)型129
7.6.3　訂閱和發(fā)布點(diǎn)云消息130
7.6.4　在ROS中使用PCL
　　　教程132
7.6.5　PCL的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用
　　　檢測(cè)門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)137
習(xí)題137
第8章　機(jī)器人視覺(jué)功能的實(shí)現(xiàn)
　　　　進(jìn)階138
8.1　機(jī)器人跟隨功能的實(shí)現(xiàn)138
8.1.1　理論基礎(chǔ)138
8.1.2　跟隨功能的運(yùn)行和測(cè)試139
8.2　機(jī)器人揮手識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)142
8.2.1　機(jī)器人揮手識(shí)別功能的
　　　實(shí)現(xiàn)框架及難點(diǎn)分析142
8.2.2　基于AdaBoost和Cascade
　　　算法的人臉檢測(cè)143
8.2.3　用模板匹配算法識(shí)別
　　　人手145
8.2.4　基于YCrCb顏色空間的
　　　膚色分割146
8.2.5　揮手識(shí)別功能的運(yùn)行和
　　　測(cè)試147
8.3　機(jī)器人物體識(shí)別與定位功能的
　　　　實(shí)現(xiàn)147
8.3.1　基于Hue直方圖的滑動(dòng)
　　　　　　窗口模板匹配方法147
8.3.2　基于空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的物
　　　　　　體定位方法148
8.3.3　物體識(shí)別與定位的實(shí)現(xiàn)
　　　　　　和測(cè)試149
8.4　機(jī)器人人臉及性別識(shí)別功能的
　　　　實(shí)現(xiàn)151
8.4.1　基于OpenCV的傳統(tǒng)人臉
　　　　　　識(shí)別與性別識(shí)別方法151
8.4.2　基于OpenCV的人臉識(shí)
　　　　　　別與性別識(shí)別的運(yùn)行和
　　　　　　測(cè)試152
8.4.3　基于Dlib庫(kù)的人臉識(shí)別
　　　　　　方法153
8.4.4　基于Dlib庫(kù)的人臉識(shí)別
　　　　　　方法的運(yùn)行和測(cè)試153
8.4.5　基于YOLO的物體識(shí)別
　　　　　　方法158
習(xí)題160
第9章　機(jī)器人自主導(dǎo)航功能161
9.1　機(jī)器人自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)161
9.1.1　機(jī)器人的定位與建圖161
9.1.2　路徑規(guī)劃164
9.2　Kobuki基座模型運(yùn)動(dòng)學(xué)
　　　　分析167
9.3　導(dǎo)航工程包集169
9.4　導(dǎo)航工程包集使用基礎(chǔ)169
9.4.1　導(dǎo)航工程包集在機(jī)器人
　　　　　　上的安裝與配置169
9.4.2　機(jī)器人tf配置176
9.4.3　基礎(chǔ)導(dǎo)航調(diào)試指南181
9.4.4　通過(guò)ROS發(fā)布里程計(jì)
　　　　　　測(cè)量信息184
9.4.5　通過(guò)ROS發(fā)布傳感器
　　　　　　數(shù)據(jù)流188
9.5　在TurtleBot上配置并使用導(dǎo)航
　　　　工程包集195
9.5.1　使用TurtleBot創(chuàng)建
　　　　　　SLAM地圖195
9.5.2　使用TurtleBot已知
　　　　　　地圖的自主導(dǎo)航196
習(xí)題197
第10章　機(jī)器人語(yǔ)音交互功能的
　　　　　基礎(chǔ)理論198
10.1　語(yǔ)音識(shí)別198
10.1.1　聲學(xué)模型199
10.1.2　語(yǔ)言模型202
10.2　語(yǔ)義理解206
10.3　語(yǔ)音合成207
第11章　機(jī)器人語(yǔ)音交互功能的
　　　　　實(shí)現(xiàn)PocketSphinx209
11.1　硬件設(shè)備209
11.2　PocketSphinx語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)
　　　簡(jiǎn)介210
11.3　安裝和測(cè)試PocketSphinx
　　　Melodic版本211
11.3.1　安裝PocketSphinx211
11.3.2　測(cè)試PocketSphinx語(yǔ)音
　　　　識(shí)別211
習(xí)題215
第12章　機(jī)器人機(jī)械臂抓取功能的
　　　　　實(shí)現(xiàn)216
12.1　機(jī)械臂硬件組裝216
12.2　機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析217
12.3　機(jī)械臂舵機(jī)ID設(shè)置218
12.4　使用USB2Dynamixel
　　　控制TurtleBot Arm223
12.4.1　安裝和測(cè)試dynamixel_
　　　　　motor軟件包223
12.4.2　機(jī)械臂抓取功能的
　　　　實(shí)現(xiàn)227
習(xí)題231
第三部分　機(jī)器人的場(chǎng)景應(yīng)用
第13章　機(jī)器人綜合應(yīng)用案例一：
　　　　長(zhǎng)命令識(shí)別與多任務(wù)
　　　　執(zhí)行234
13.1　案例目標(biāo)234
13.2　語(yǔ)音識(shí)別命令234
13.3　在家居環(huán)境中自主導(dǎo)航235
13.4　物體識(shí)別與抓取236
習(xí)題237
第14章　機(jī)器人綜合應(yīng)用案例二：
　　　　　跟隨與協(xié)助主人238
14.1　案例目標(biāo)238
14.2　語(yǔ)音識(shí)別命令238
14.3　跟隨與自主導(dǎo)航239
14.4　檢測(cè)與識(shí)別人臉240
第15章　機(jī)器人綜合應(yīng)用案例三：
　　　　　顧客揮手示意機(jī)器人點(diǎn)餐241
15.1　案例目標(biāo)241
15.2　機(jī)器人即時(shí)建圖242
15.3　機(jī)器人識(shí)別揮手并移向揮手人242
15.4　語(yǔ)音識(shí)別菜單243
15.5　自主導(dǎo)航回到吧臺(tái)243
參考文獻(xiàn)245

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