描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787122329950丛书名: “中国制造2025”出版工程
1、本书基于服务机器人的发展现状和技术要点，系统讲述了服务机器人系统设计的关键技术。
2、以浅显的图文并茂的方法讲解复杂的算法理论。
3、本书注重理论与实践的结合，在讲解服务机器人系统设计关键技术的基础上，通过实例解析对理论知识进行应用性讲解。
4、本书对机器人的机械系统、执行单元、传感器、驱动与控制机构、坐标变换、运动分析、路径规划以及机器人的操作系统等做了详细讲解。
本书基于服务机器人的发展现状和技术要点, 系统讲述了服务机器人系统设计的关键技术。主要内容包括: 机器人的产生与发展、服务机器人的移动机构、服务机器人的机械臂、服务机器人的驱动与控制、服务机器人的运动分析、服务机器人的路径规划、服务机器人的感知、服务机器人的操作系统、服务机器人未来展望。
本书注重理论与实践的结合, 在讲解服务机器人系统设计关键技术的基础上, 通过实例解析对理论知识进行应用性讲解, 增强了本书的可读性与实用性。
本书可为从事机器人研究和应用工作的技术人员提供帮助, 也适合高等院校相关专业师生学习参考。
第1 章 绪论 / 1
1.1 机器人的定义、应用与发展 / 2
1.1.1 机器人的应用 / 2
1.1.2 机器人的发展 / 4
1.2 服务机器人 / 8
1.3 服务机器人的结构与分类 / 10
1.3.1 服务机器人的结构 / 10
1.3.2 服务机器人的分类 / 12
1.4 服务机器人控制的主要内容 / 18
参考文献 / 19
第2 章 服务机器人的移动机构 / 20
2.1 移动机构 / 21
2.1.1 单轮移动机构 / 21
2.1.2 两轮差动配合小万向轮机构 / 22
2.1.3 全向轮式移动机构 / 23
2.1.4 履带式移动机构 / 23
2.1.5 足式机构 / 24
2.2 设计举例 / 26
2.2.1 轮式移动服务机器人底盘 / 26
2.2.2 双足步行机器人 / 29
2.2.3 履带式机器人底盘 / 31
参考文献 / 35
第3 章 服务机器人的执行单元 / 36
3.1 服务机器人的机械臂 / 37
3.1.1 四自由度机械臂 / 39
3.1.2 六自由度机械臂 / 42
3.2 机械手 / 46
3.2.1 二指机械手 / 46
3.2.2 三指机械手 / 49
3.2.3 五指机械手 / 52
3.3 其他执行单元 / 53
3.3.1 腕部 / 53
3.3.2 其他机械手 / 54
3.3.3 其他机械臂 / 55
参考文献 / 55
第4 章 服务机器人的驱动与控制 / 56
4.1 电机的选择与分类 / 57
4.2 电机的控制 / 61
4.2.1 直流电机的基本特性 / 61
4.2.2 转速控制 / 61
4.2.3 转向控制 / 64
4.2.4 电机控制实例 / 68
4.3 服务机器人的控制 / 70
4.3.1 经典PID 控制 / 70
4.3.2 智能PID 整定概述 / 74
参考文献 / 79
第5 章 服务机器人的运动分析 / 80
5.1 服务机器人的位置运动学 / 81
5.1.1 位置方位描述 / 81
5.1.2 位置信息与传感器 / 82
5.1.3 坐标变换 / 86
5.1.4 齐次变换及运算 / 92
5.2 服务机器人的微分运动与动力学分析 / 94
5.2.1 底盘运动学分析——双轮 / 94
5.2.2 底盘运动学分析——全向轮 / 96
5.3 服务机器人的正逆运动学问题 / 104
5.3.1 刚体的描述 / 105
5.3.2 正逆运动学问题 / 106
5.3.3 机械臂的正逆运动学 / 107
参考文献 / 111
第6 章 服务机器人的路径规划 / 112
6.1 服务机器人的路径规划分类 / 113
6.1.1 离线路径规划 / 114
6.1.2 在线路径规划 / 115
6.1.3 其他路径规划算法 / 117
6.2 经典路径规划方法 / 118
6.2.1 人工势场法 / 118
6.2.2 A* 算法 / 122
6.2.3 遗传算法 / 128
6.3 服务机器人路径规划优化 / 135
6.3.1 人工势场法的改进 / 135
6.3.2 A* 算法的改进 / 137
6.3.3 遗传算法的改进 / 140
6.3.4 服务机器人路径规划技术发展 / 142
参考文献 / 143
第7 章 服务机器人的感知 / 145
7.1 服务机器人的感知 / 147
7.1.1 内部感知单元 / 148
7.1.2 外部感知单元 / 151
7.1.3 特殊感知单元 / 156
7.2 机器视觉 / 158
7.2.1 机器视觉的组成 / 159
7.2.2 机器视觉的工作原理 / 161
7.2.3 机器视觉在服务机器人上的应用 / 168
参考文献 / 172
第8 章 服务机器人的操作系统 / 173
8.1 服务机器人的操作系统概述 / 174
8.1.1 服务机器人操作系统的概述 / 174
8.1.2 服务机器人操作系统的关键技术 / 176
8.2 ROS 及其应用 / 178
8.2.1 ROS 的基本概念 / 179
8.2.2 ROS 的应用 / 188
参考文献 / 194
第9 章 发展与展望 / 195
9.1 发展 / 196
9.2 比赛促进技术提升 / 198
9.3 未来展望 / 205
参考文献 / 208
索引 / 209
不知不觉间，出现了很多既熟悉又陌生的新型装备，如进入到家庭环境的自动扫地机，陪伴老年人与小孩的陪护机器，为病人送药送饭的护士助手，为病人实施多种复杂手术的辅助机器，提供实时自适应导航的智能轮椅，给高楼提供清洁辅助的清洁机器，能帮助人类探索外太空、探索海底的机器，以及带有智能的灭火消防炮等。以上各类带有智能的机器都可以称为服务机器人，也就是说，除了工业机器人之外的通过半自主或完全自主运作，为人类的健康或设备的良好状态提供服务的机器人。
从人类社会的发展过程可揭示出机器人发展的规律，即工业机器人发展到一定的阶段，爆发式地出现服务机器人。由于服务机器人的应用场合多（除工业以外的应用场合），其种类或样式多种多样，形成百花齐放的格局，除上面提到的清洁机器人、陪护机器人、助老机器人、手术机器人、助残机器人之外，还包括各种娱乐机器人、舞蹈机器人、导游机器人、导购机器人、安保机器人、排险机器人、消防机器人、体育机器人、秘书机器人、建筑机器人、玩具机器人、分拣机器人以及加油机器人、农业机器人等。
服务机器人的主要技术包括，为满足不同应用场合的机械、材料、本体结构、执行单元、驱动电路与运动控制系统；带有智能的环境感知传感器和信号处理方法；包括模糊控制、神经网络、进化计算等的智能控制方法；具有机器人自定位与导航功能的SLAM 技术；在工作空间中能找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的路径规划方法以及智能机器人的操作系统等。
本书较为系统地讲述了服务机器人技术的相关理论与制作实例，对机器人的机械系统、执行单元、传感器、驱动与控制机构等分章节叙述，同时对机器人的坐标变换、运动分析、路径规划以及机器人的操作系统也做了讲解。
本书理论介绍与制作实例相辅相成，体现了理论与实践相结合的特色。根据机器人操作系统的特殊情况，介绍了ROS 系统，使服务机器人技术的内容更加全面，争取给国内更多的服务机器人从业人员与服务机器人爱好者提供帮助。
本书共分9 章。
第1 章阐述了机器人的产生与发展，服务机器人的定义、结构与分类、服务机器人技术的主要内容等；
第2 章叙述了服务机器人的移动机构，包括单轮、两轮差动、全向轮式、履带式、足式等移动机构以及部分移动机构的设计举例；
第3 章叙述了服务机器人的机械臂（四自由度与六自由度的机械臂），二指、三指、五指机械手，其他执行单元（如腕部等）；
第4 章叙述了服务机器人的驱动与控制，包括服务机器人中广泛使用的直流电机的PWM 驱动原理与电路实现、服务机器人的PID 参数的整定与智能控制等；
第5 章叙述了服务机器人的运动分析，包括服务机器人的位置运动学、微分运动与动力学分析、服务机器人的正逆运动学问题及轨迹规划实例等；
第6 章叙述了服务机器人的路径规划（包括离线规划与在线规划），智能规划（包括人工势场法、A* 算法、遗传算法以及优化算法等）；
第7 章叙述了服务机器人的感知，包括机器人的内部感知单元、外部感知单元和特殊感知单元，服务机器人的信息处理方法，重点叙述了机器视觉的组成、工作原理与应用；
第8 章介绍了服务机器人的操作系统ROS，包括ROS的基本概念、系统架构、系统工具，以及ROS 在移动底座、导航与路径规划、语音识别、机器视觉等方面的应用实例；
第9 章对服务机器人以及相关技术的发展进行了展望。
本书由上海大学机电工程与自动化学院高级工程师、上海大学大学生科技创新实验中心负责人、中国自动化学会机器人竞赛工作委员会副主任陈万米主编，毛登辉、叶立俊、任明宇、刘振、鲁晨奇、汪洋参与了编写。其中，陈万米编写第1、2、9 章，毛登辉编写第3 章，叶立俊编写第4 章，任明宇编写第5
章，刘振编写第6 章，鲁晨奇编写第7 章，汪洋编写第8 章。
本书的编写工作得到了上海大学领导和机电工程与自动化学院相关领导的大力支持，在此表示衷心的感谢！ 特别感谢上海大学费敏锐教授、王小静教授等在本书成稿过程中给予的帮助。
服务机器人技术内容十分广泛，涉及诸多学科领域。由于作者的水平所限、经验不足，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。
陈万米
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