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