智能機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論

章 智能機(jī)器人概論 ............................................................................................... 1
1.1 智能機(jī)器人的產(chǎn)生與發(fā)展 ............................................................................ 2
1.1.1 機(jī)器人的產(chǎn)生 ............................................................................................. 2
1.1.2 機(jī)器人的概念 ............................................................................................. 2
1.1.3 機(jī)器人的發(fā)展歷程 ..................................................................................... 3
1.1.4 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域 ..................................................................................... 5
1.1.5 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) ..................................................................................... 6
1.2 典型的機(jī)器人系統(tǒng) .......................................................................................... 8
1.2.1 機(jī)械系統(tǒng) ..................................................................................................... 8
1.2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ..................................................................................................... 9
1.2.3 感知系統(tǒng) ..................................................................................................... 9
1.2.4 控制系統(tǒng) ................................................................................................... 10
1.2.5 通信系統(tǒng) ................................................................................................... 10
習(xí)題1 .......................................................................................................................... 11
第2 章 智能機(jī)器人系統(tǒng)基礎(chǔ) .................................................................................... 13
2.1 智能機(jī)械臂結(jié)構(gòu) ............................................................................................. 14
2.1.1 機(jī)械臂的分類與作用 ............................................................................... 14
2.1.2 機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................................................................................... 18
2.2 智能機(jī)器人行走機(jī)構(gòu) ................................................................................... 23
2.2.1 輪式行走機(jī)構(gòu) ........................................................................................... 23
2.2.2 履帶式行走機(jī)構(gòu) ....................................................................................... 25
2.2.3 足式行走機(jī)構(gòu) ........................................................................................... 27
2.3 智能機(jī)器人驅(qū)動(dòng)技術(shù) ................................................................................... 29
2.3.1 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) ............................................................................................... 29
2.3.2 驅(qū)動(dòng)控制 ................................................................................................... 33
2.3.3 驅(qū)動(dòng)電源 ................................................................................................... 34
習(xí)題2 .......................................................................................................................... 37
第3 章 智能機(jī)器人感知系統(tǒng) .................................................................................... 39
3.1 智能感知系統(tǒng)構(gòu)成 ........................................................................................ 40
3.1.1 感知系統(tǒng)的組成 ....................................................................................... 41
3.1.2 感知系統(tǒng)的分布 ....................................................................................... 42
3.2 距離感知 .......................................................................................................... 45
3.2.1 聲吶測(cè)距 ................................................................................................... 45
3.2.2 紅外測(cè)距 ................................................................................................... 47
3.2.3 超聲波測(cè)距 ............................................................................................... 48
3.2.4 激光測(cè)距 ................................................................................................... 48
3.3 位姿感知 .......................................................................................................... 49
3.3.1 旋轉(zhuǎn)位移測(cè)量 ........................................................................................... 49
3.3.2 姿態(tài)航向測(cè)量 ........................................................................................... 51
3.4 力覺感知 .......................................................................................................... 54
3.4.1 觸覺傳感器 ............................................................................................... 55
3.4.2 力覺傳感器 ............................................................................................... 56
3.4.3 滑覺傳感器 ............................................................................................... 57
3.4.4 接近覺傳感器 ........................................................................................... 58
3.5 視覺感知 .......................................................................................................... 59
3.5.1 圖像采集與圖像處理 ............................................................................... 59
3.5.2 視覺系統(tǒng) ................................................................................................... 61
3.6 聽覺感知 .......................................................................................................... 63
3.6.1 語(yǔ)音采集 ................................................................................................... 63
3.6.2 語(yǔ)音識(shí)別 ................................................................................................... 64
3.7 嗅覺與味覺感知 ............................................................................................ 65
3.7.1 嗅覺感知 ................................................................................................... 65
3.7.2 味覺感知 ................................................................................................... 67
3.8 多傳感器數(shù)據(jù)融合 ........................................................................................ 68
3.8.1 多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義與目的 ........................................................... 68
3.8.2 多傳感器數(shù)據(jù)融合的特點(diǎn) ....................................................................... 68
3.8.3 數(shù)據(jù)融合的三個(gè)層次 ............................................................................... 68
3.8.4 數(shù)據(jù)融合方法和融合模式 ....................................................................... 69
3.8.5 多傳感器數(shù)據(jù)融合的應(yīng)用 ....................................................................... 71
習(xí)題3 .......................................................................................................................... 72
第4 章 智能機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù) .................................................................................... 74
4.1 導(dǎo)航系統(tǒng)的概念 ............................................................................................. 75
4.2 導(dǎo)航系統(tǒng)的分類 ............................................................................................. 75
4.3 地圖構(gòu)造 .......................................................................................................... 77
4.3.1 拓?fù)鋱D ....................................................................................................... 77
4.3.2 特征圖 ....................................................................................................... 78
4.3.3 網(wǎng)格圖 ....................................................................................................... 79
4.3.4 直接表征法 ............................................................................................... 79
4.3.5 機(jī)器人地圖構(gòu)造的意義 ........................................................................... 80
4.4 定位介紹 .......................................................................................................... 81
4.4.1 相對(duì)定位 ................................................................................................... 81
4.4.2 定位 ................................................................................................... 83
4.4.3 機(jī)器人感知 ............................................................................................... 86
4.5 機(jī)器人定位 ...................................................................................................... 87
4.5.1 外部信標(biāo)定位 ........................................................................................... 87
4.5.2 三邊定位法 ............................................................................................... 87
4.5.3 空間信標(biāo)定位 ........................................................................................... 88
4.6 自主移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位 .......................................................................... 89
4.6.1 視覺導(dǎo)航定位 ........................................................................................... 89
4.6.2 光反射導(dǎo)航定位 ....................................................................................... 89
4.6.3 GNSS 定位 ................................................................................................ 90
4.6.4 超聲波導(dǎo)航定位 ....................................................................................... 90
4.7 路徑規(guī)劃 .......................................................................................................... 91
4.7.1 工作空間與位形空間 ............................................................................... 91
4.7.2 路徑規(guī)劃方法 ........................................................................................... 92
4.7.3 基于地圖的全局路徑規(guī)劃算法 ............................................................... 93
4.7.4 基于傳感器的局部路徑規(guī)劃 ................................................................... 97
4.8 機(jī)器人與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) .......................................................................... 99
4.8.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本理論 ....................................................................... 99
4.8.2 移動(dòng)機(jī)器人在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 ............................................. 100
習(xí)題4 ........................................................................................................................ 101
第5章 智能機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng) .................................................................................. 103
5.1 智能機(jī)器人通信系統(tǒng) ................................................................................. 104
5.1.1 現(xiàn)代通信系統(tǒng)介紹 ................................................................................. 104
5.1.2 機(jī)器人通信系統(tǒng) ..................................................................................... 105
5.2 多機(jī)器人系統(tǒng) ............................................................................................... 107
5.2.1 多機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) ............................................................................. 107
5.2.2 多機(jī)器人系統(tǒng)的研究方向 ..................................................................... 108
5.2.3 幾種典型的多機(jī)器人系統(tǒng) ..................................................................... 112
5.2.4 多機(jī)器人協(xié)同運(yùn)行 ................................................................................. 113
5.3 多智能體系統(tǒng) ............................................................................................... 115
5.3.1 多智能體系統(tǒng)的基本概念 ..................................................................... 115
5.3.2 應(yīng)用領(lǐng)域 ................................................................................................. 116
5.3.3 一致性問(wèn)題 ............................................................................................. 116
5.4 人機(jī)協(xié)作 ........................................................................................................ 117
5.4.1 協(xié)作機(jī)器人的興起 ................................................................................. 117
5.4.2 人機(jī)協(xié)作 ................................................................................................. 118
5.4.3 優(yōu)點(diǎn)與不足 ............................................................................................. 120
5.4.4 人機(jī)協(xié)作的實(shí)現(xiàn) ..................................................................................... 121
習(xí)題5 ........................................................................................................................ 122
第6章 智能機(jī)器人的控制與自學(xué)習(xí) .................................................................... 124
6.1 PID 控制 ......................................................................................................... 125
6.1.1 PID 控制原理 ......................................................................................... 125
6.1.2 機(jī)器人PID 控制 .................................................................................... 127
6.2 基于行為的控制法 ...................................................................................... 129
6.2.1 基本概念 ................................................................................................. 129
6.2.2 基于行為的控制法的發(fā)展 ..................................................................... 131
6.3 模糊控制 ........................................................................................................ 132
6.3.1 模糊控制基礎(chǔ)知識(shí) ................................................................................. 132
6.3.2 模糊控制的基本原理 ............................................................................. 135
6.3.3 機(jī)器人系統(tǒng)的模糊控制 ......................................................................... 136
6.4 自適應(yīng)控制 .................................................................................................... 137
6.4.1 自適應(yīng)控制的提出 ................................................................................. 138
6.4.2 自適應(yīng)控制的基本理論 ......................................................................... 139
6.4.3 自適應(yīng)控制的應(yīng)用 ................................................................................. 142
6.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ........................................................................................................ 143
6.5.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識(shí) ................................................................................. 144
6.5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) ..................................................................................... 146
6.5.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí) ..................................................................................... 151
6.6 機(jī)器學(xué)習(xí) ........................................................................................................ 152
6.6.1 什么是機(jī)器學(xué)習(xí) ..................................................................................... 152
6.6.2 機(jī)器學(xué)習(xí)與機(jī)器人控制 ......................................................................... 154
6.6.3 機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用 ..................................................................................... 157
習(xí)題6 ........................................................................................................................ 157
第7章 智能機(jī)器人仿真與軟件設(shè)計(jì) .................................................................... 159
7.1 智能機(jī)器人虛擬仿真 ................................................................................. 160
7.1.1 機(jī)器人虛擬仿真的意義 ......................................................................... 160
7.1.2 機(jī)器人虛擬仿真的對(duì)象 ......................................................................... 160
7.1.3 機(jī)器人建模與仿真 ................................................................................. 161
7.2 SolidWorks 機(jī)器人建模 ............................................................................. 161
7.2.1 SolidWorks 軟件的特點(diǎn) ......................................................................... 161
7.2.2 工件設(shè)計(jì) ................................................................................................. 163
7.2.3 用SolidWorks 搭建機(jī)器人模型 ............................................................ 165
7.3 機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS ................................................................................ 168
7.3.1 ROS 簡(jiǎn)介 ................................................................................................ 168
7.3.2 ROS 總體框架 ........................................................................................ 170
7.3.3 ROS 中的常用功能 ................................................................................ 174
7.3.4 應(yīng)用ROS 的機(jī)器人 ............................................................................... 175
7.4 RobotStudio ................................................................................................... 175
7.4.1 RobotStudio 軟件的功能介紹 ................................................................ 176
7.4.2 RobotStudio 軟件的使用 ........................................................................ 177
習(xí)題7 ........................................................................................................................ 182
第8章 智能機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................... 183
8.1 智能機(jī)器人MCU 控制系統(tǒng) .................................................................... 184
8.1.1 16 位MCU 機(jī)器人控制系統(tǒng) ................................................................. 184
8.1.2 32 位MCU 機(jī)器人控制系統(tǒng) ................................................................. 189
8.2 工業(yè)機(jī)器人PLC 控制 ................................................................................ 192
8.2.1 自動(dòng)裝配工作站 ..................................................................................... 193
8.2.2 自動(dòng)裝配工作站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................. 194
8.2.3 自動(dòng)裝配工作站控制系統(tǒng) ..................................................................... 195
8.2.4 自動(dòng)裝配工作站的硬件系統(tǒng) ................................................................. 197
8.2.5 自動(dòng)裝配工作站的軟件系統(tǒng) ................................................................. 199
習(xí)題8 ........................................................................................................................ 200
第9 章 智能機(jī)器人競(jìng)賽 ........................................................................................... 202
9.1 RoboCon ......................................................................................................... 203
9.1.1 大賽簡(jiǎn)介 ................................................................................................. 203
9.1.2 搶攀珠穆朗瑪峰 ..................................................................................... 203
9.1.3 “快馬加鞭” ............................................................................................. 204
9.2 RoboMaster .................................................................................................... 205
9.2.1 大賽簡(jiǎn)介 ................................................................................................. 205
9.2.2 機(jī)甲大師高校系列賽 ............................................................................. 206
9.2.3 機(jī)甲大師 對(duì)抗賽 ............................................................................. 206
9.2.4 機(jī)甲大師高校單項(xiàng)賽 ............................................................................. 207
9.2.5 機(jī)甲大師高校人工智能挑戰(zhàn)賽 ............................................................. 208
9.3 全國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽 ...................................................... 210
9.3.1 競(jìng)賽簡(jiǎn)介 ................................................................................................. 210
9.3.2 智能+賽道 .............................................................................................. 211
習(xí)題9 ........................................................................................................................ 213
0 章 智能機(jī)器人應(yīng)用 ........................................................................................ 214
10.1 智能巡檢機(jī)器人 ........................................................................................ 215
10.2 仿生機(jī)器人 ................................................................................................. 220
10.2.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)理仿生 ....................................................................................... 220
10.2.2 仿生機(jī)器人實(shí)例 ................................................................................... 222
10.3 無(wú)人機(jī) ........................................................................................................... 226
10.3.1 常見飛行器的分類 ............................................................................... 226
10.3.2 無(wú)人機(jī)的基本構(gòu)成 ............................................................................... 228
10.3.3 無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀 ................................................................................... 231
10.3.4 無(wú)人機(jī)實(shí)例 ........................................................................................... 232
習(xí)題10 ...................................................................................................................... 235