智能机器人

智能机器人教育需兼顾技术创新与社会责任。本书不仅详细介绍了ROS2、传感器、运动控制等前沿技术，又深入探讨了机器人伦理、人机共生等深度议题。这种“技术+人文的双重视角，既能激发学生的工程创造力，又能引导其思考科技边界，为通识教育赋予了更深层的价值内涵。<br>
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——鲁继文 清华大学长聘教授 <br>
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本书突破了传统教材重理论轻实践的局限，以ROS生态为纽带，串联传感器数据解析、SLAM建图、机械臂逆运动学求解等核心环节，提供了“数学推导-代码实现-系统集成”的全流程指导，还详解了四足机器人步态仿真、UR机械臂抓取等案例，充分体现“学中做、做中学”的工程教育理念，为培养复合型机器人人才提供范本。<br>
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——徐凯 国防科技大学教授<br>
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本书以“知其然，亦知其所以然”为核心理念，将ROS/ROS2操作系统、多模态传感器原理与机器人运动控制深度融合，构建了从硬件驱动到算法落地的完整知识链条。读者通过本书不仅能够夯实技术地基，还可以通过轮式导航、机械臂抓取等工业级案例实现能力跃迁；同时，本书还设置了仿真与实机双路径实践，非常适合各学科初学者入门，是一本不可多得的优秀教材。<br>
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——屠长河 山东大学教授<br>
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作为面向多学科背景的教材，本书平衡了技术深度与可读性：通过直观的示意图、最小化代码示例降低入门门槛，同时以四足机器人动力学仿真、SLAM实战等高阶内容满足进阶需求。其“原理-系统-产业”三层内容架构，为机器人技术、自动化、计算机、人工智能等专业学生提供了无缝衔接的机器人技术入口。<br>
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——张辉 湖南大学教授<br>

本书系统性地介绍智能机器人发展历程和核心技术，并详细介绍利用ROS进行机器人编程的实例。本书包括六个章节：第1章整体介绍智能机器人的发展历史、关键技术和发展趋势等；第2章介绍机器人操作系统ROS；第3章介绍智能机器人常用的传感器；第4章讲述机器人的定位和导航方法；第5章和第6章分别讲述两种典型的智能机器人——机械臂和四足机器人的基本原理和控制方法。

CONTENTS<br />目　　录<br /><br />前言<br />第1章　智能机器人概述 …………………1<br />1.1　机器人简介 ……………………………1<br />1.2　机器人的发展 …………………………2<br />1.2.1　世界机器人发展历史 ……… 3<br />1.2.2　我国机器人发展计划 …… 19<br />1.2.3　全球机器人发展浪潮 …… 20<br />1.3　智能机器人分类 ……………………22<br />1.3.1　按应用功能分类 ………… 22<br />1.3.2　按智能级别分类 ………… 24<br />1.3.3　按行动方式分类 ………… 25<br />1.4　智能机器人关键技术 ……………33<br />1.4.1　环境感知与理解 ………… 33<br />1.4.2　定位与导航 ……………… 34<br />1.4.3　控制与决策 ……………… 40<br />1.4.4　人机交互 ………………… 40<br />1.4.5　意识与情感 ……………… 41<br />1.4.6　机器人伦理 ……………… 42<br />第2章　机器人操作系统 ………………44<br />2.1　ROS的发展历史 …………………44<br />2.2　ROS基础 ……………………………47<br />2.2.1　ROS的功能定位 ……… 47<br />2.2.2　ROS的设计目标 ……… 49<br />2.2.3　ROS的相关概念 ……… 49<br />2.2.4　ROS计算图 ……………… 50<br />2.2.5　ROS的文件系统 ……… 53<br />2.2.6　ROS社区 ………………… 54<br />2.3　ROS程序设计 ………………………54<br />2.3.1　ROS的安装 ……………… 54<br />2.3.2　ROS的通信机制 ……… 56<br />2.3.3　ROS的工作空间 ……… 58<br />2.3.4　ROS的常用命令 ……… 59<br />2.3.5　launch文件 ……………… 62<br />2.4　ROS程序设计实践　………………63<br />2.4.1　ROS hello world ………… 64<br />2.4.2　主题通信案例：文本<br />消息传递 ………………… 66<br />2.4.3　服务通信案例：整数<br />相加 ……………………… 68<br />2.5　ROS前沿：ROS2 …………………73<br />2.5.1　ROS1的天然缺陷 ……… 73<br />2.5.2　ROS2相较于ROS1的提升<br />和改进 …………………… 74<br />2.5.3　ROS2中的DDS中间层 … 74<br />2.5.4　ROS2中的QoS策略 …… 75<br />2.5.5　ROS1与ROS2的应用 … 75<br />第3章　机器人传感器 …………………78<br />3.1　机器人传感器基础 …………………79<br />3.2　视觉传感器 …………………………81<br />3.2.1　CCD图像传感器 ……… 81<br />3.2.2　CMOS图像传感器 …… 84<br />3.2.3　彩色相机 ………………… 88<br />3.2.4　深度相机　………………… 89<br />3.3　距离传感器 …………………………115<br />3.3.1　超声波传感器 …………… 115<br />3.3.2　激光传感器　 …………… 117<br />3.3.3　红外传感器 ……………… 126<br />3.3.4　里程计 …………………… 127<br />3.4　惯性传感器 …………………………128<br />3.4.1　加速度计 ………………… 129<br />3.4.2　陀螺仪 …………………… 133<br />3.4.3　磁力计 …………………… 136<br />3.5　声敏传感器（听觉） ………………137<br />3.6　气敏传感器（嗅觉） ………………138<br />3.7　化学传感器（味觉） ………………140<br />3.8　压敏、温敏流体传感器（触觉） …142<br />第4章　定位和导航 ……………………148<br />4.1　机器人定位与导航 …………………148<br />4.1.1 定位与导航的基本概念 … 148<br />4.1.2　机器人定位技术 ………… 153<br />4.1.3　机器人导航技术 ………… 159<br />4.2　基于SLAM的定位与导航 ………162<br />4.2.1　视觉SLAM ……………… 162<br />4.2.2　激光雷达SLAM ………… 169<br />4.3　ROS导航算法实战 ………………177<br />4.3.1　Gmapping ………………… 177<br />4.3.2　Cartographer …………… 182<br />4.4　四轮机器人导航实例 ………… 186<br />4.4.1　建图实战 ………………… 186<br />4.4.2　创建launch文件 ……… 190<br />4.4.3　导航实战 ………………… 191<br />第5章　机械臂的运动控制 ……………192<br />5.1　机械臂简介 …………………………192<br />5.1.1　机械臂的发展 …………… 192<br />5.1.2　机械臂的组成结构 ……… 198<br />5.1.3　机械臂的运动学模型 … 198<br />5.2　MoveIt！控制机械臂 ……………205<br />5.2.1　MoveIt！体系结构 …… 206<br />5.2.2　MoveIt！配置助手 …… 207<br />5.2.3　MoveIt！运动规划 …… 214<br />5.3　UR机械臂抓取实例 ………………218<br />5.3.1　坐标系统的转换 ………… 218<br />5.3.2 配置UR机械臂 ………… 222<br />5.3.3　机械臂抓取的实现 ……… 226<br />第6章　四足机器人 ……………………230<br />6.1　四足机器人简介 ……………………230<br />6.1.1　四足机器人发展历史 … 230<br />6.1.2　四足机器人发展现状 … 238<br />6.2　四足机器人运动控制 ……………240<br />6.2.1　四足机器人的结构设计 … 240<br />6.2.2 四足机器人运动学模型 … 245<br />6.2.3　运动学正逆解问题 ……… 246<br />6.2.4　姿态控制仿真 …………… 254<br />6.3　四足机器人运动控制实例 ………264<br />6.3.1　ROS下的四足机器人 … 264<br />6.3.2　四足机器人仿真模型的<br />搭建 ……………………… 265<br />6.3.3　四足机器人仿真模型的<br />改进 ……………………… 270<br />6.3.4　Unitree robots四足机器人<br />仿真 ……………………… 274<br />第7章　人形机器人 ……………………277<br />7.1　人形机器人的内涵与构成 ………277<br />7.2　人形机器人的发展现状与政策<br />支持 …………………………………279<br />7.2.1　全球人形机器人的发展<br />现状 ……………………… 279<br />7.2.2　国家政策和战略 ………… 286<br />7.3　人形机器人肢体 ……………………288<br />7.3.1　人形机器人肢体设计 …… 288<br />7.3.2　关节和运动机构 ………… 289<br />7.3.3　躯干和四肢结构 ………… 300<br />7.3.4　材料选择与制造技术 …… 301<br />7.4　人形机器人大脑和小脑 …………301<br />7.4.1　人形机器人大脑 ………… 301<br />7.4.2　人形机器人小脑 ………… 318<br />第8章　智能机器人发展趋势与挑战 …321<br />8.1　智能机器人发展趋势 ……………321<br />8.1.1　技术创新趋势 …………… 321<br />8.1.2　国际合作趋势 …………… 330<br />8.2　智能机器人面临的挑战 …………331<br />参考文献 ………………………………………334<br /><br />