智能機(jī)器人創(chuàng)新實踐
前言
�r 為何寫作本書
機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。當(dāng)前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，正極大地改變著人類生產(chǎn)和生活的方式，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展注入了強(qiáng)勁動力。
目前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了美、德、日、韓、中五大機(jī)器人市場。這五大市場占據(jù)了全球工業(yè)機(jī)器人市場的74％。其中，美國是世界上最早使用工業(yè)機(jī)器人的國家，德國是歐洲最大的機(jī)器人市場，兩國的產(chǎn)業(yè)政策都以功能型產(chǎn)業(yè)政策為主。韓國和日本的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步雖晚，但是政府倡導(dǎo)的選擇型產(chǎn)業(yè)政策使得兩國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速崛起，在全球機(jī)器人密度排名中，韓國、日本分別位列第一、第四。為了實現(xiàn)我國機(jī)器人技術(shù)對發(fā)達(dá)國家的趕超，機(jī)器人被列為《中國制造2025》十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。到2025 年，我國將成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地，一批機(jī)器人核心技術(shù)和高端產(chǎn)品將取得突破，整機(jī)綜合指標(biāo)將達(dá)到國際先進(jìn)水平，關(guān)鍵零部件性能和系統(tǒng)可靠性將達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。
黨的二十大報告指出：“加快實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略。堅持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，加快實現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。”
為實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，一方面，在2021年12月工業(yè)和信息化部等15部門同步聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出：到2025年，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營收年均增速超20%；到2035年，機(jī)器人將成為人民生活重要組成部分。該規(guī)劃部署了提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力、夯實產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)、增加高端產(chǎn)品供給、拓展應(yīng)用深度廣度、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)五項主要任務(wù)。
另一方面，國家加強(qiáng)對機(jī)器人技術(shù)人才的培養(yǎng)力度。根據(jù)近五年公布的普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知，截至2022年3月，全國共有322所高校成功備案“機(jī)器人工程”專業(yè)，440所高校成功備案“人工智能”專業(yè)，265所高校成功備案“智能制造工程”專業(yè)。如果再考慮自動化、智能科學(xué)與技術(shù)等新工科專業(yè)的建設(shè)需求，全國開設(shè)機(jī)器人相關(guān)課程的專業(yè)數(shù)量接近2000個，每年參加機(jī)器人相關(guān)課程學(xué)習(xí)與實踐的本科生人數(shù)接近10萬人。
黨的二十大報告指出：“深入實施人才強(qiáng)國戰(zhàn)略。培養(yǎng)造就大批德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)人才，是國家和民族長遠(yuǎn)發(fā)展大計。”
本書希望能夠為我國機(jī)器人專業(yè)、人工智能專業(yè)等與機(jī)器人產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的專業(yè)人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)一份微薄的力量。本書主要以機(jī)器人為應(yīng)用對象，更多地從實驗案例角度（而非學(xué)術(shù)研究角度）出發(fā)，詳細(xì)介紹基于ROS和百度EasyDL平臺的智能機(jī)器人開發(fā)過程，詳細(xì)剖析智能機(jī)器人開發(fā)實踐所需的基本知識與技術(shù)實現(xiàn)過程。本書編寫的初衷是為了總結(jié)我們近年來在智能機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)和實驗方面的教學(xué)建設(shè)成果，向本領(lǐng)域初學(xué)者分享我們的一些學(xué)習(xí)經(jīng)驗。
本書的編寫特色如下：
特色1本書以“國產(chǎn)機(jī)器人平臺+國產(chǎn)AI開放平臺”為實驗項目開發(fā)平臺，實現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)與人工智能技術(shù)的有機(jī)組合，融入了智能制造、智能物流的元素。本書既體現(xiàn)了機(jī)器人工程、人工智能、智能制造工程等交叉融合專業(yè)的特色，又展現(xiàn)了國產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品的優(yōu)秀性能，有利于激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和自信心，有利于培養(yǎng)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。
特色2本書服務(wù)于專業(yè)綜合實踐教學(xué)的實際需求，以案例式教學(xué)為授課方式，體現(xiàn)了“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教育理念。本書能夠幫助教師從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式等方面推進(jìn)課程思政教育，全面貫徹黨的教育方針。
特色3本書提供的5個實驗項目來自于實際的加工生產(chǎn)場景，生動形象，趣味性強(qiáng)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對專業(yè)培養(yǎng)的滿意度和認(rèn)同感，體現(xiàn)創(chuàng)新教育新范式。
�r 如何閱讀本書
本書內(nèi)容包含8個章節(jié)，按照知識結(jié)構(gòu)，可以劃分為4個部分。讀者既可以按照章節(jié)順序逐步學(xué)習(xí)，也可以選擇其中部分章節(jié)單獨(dú)學(xué)習(xí)。教師可以根據(jù)實驗設(shè)備和課程學(xué)時的具體情況安排教學(xué)和實驗內(nèi)容，本書建議的學(xué)時安排如圖1所示。
圖1本書建議的學(xué)時安排
第1部分是本書第1章，主要介紹機(jī)器人的定義、機(jī)器人發(fā)展史、現(xiàn)代機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用分類、Dobot魔術(shù)師機(jī)器人與機(jī)械臂基礎(chǔ)知識、DashGO D1智能移動平臺與移動機(jī)器人基礎(chǔ)知識、百度EasyDL開發(fā)平臺與基本操作等。第1部分內(nèi)容是本書的機(jī)器人理論知識基礎(chǔ)，以具體的機(jī)器人平臺為示例，幫助讀者建立從理論到應(yīng)用的聯(lián)系。
第2部分是本書的第2、3章，其中第2章主要介紹Ubuntu系統(tǒng)安裝和Linux系統(tǒng)常用操作命令，第3章主要介紹ROS安裝、ROS基礎(chǔ)知識、ROS常用操作、ROS下相機(jī)的使用、移動機(jī)器人RViz與Gazebo仿真等。第2部分內(nèi)容是本書的開發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)，以相機(jī)和移動機(jī)器人仿真為示例，幫助讀者熟悉和掌握ROS的使用。
第3部分是本書的第4、5章，其中第4章主要介紹Dobot碼垛機(jī)器人項目、EasyDL模型的編譯與使用、Dobot-demo的編譯和使用、TF樹的發(fā)布與坐標(biāo)變換和Dobot碼垛機(jī)器人實驗操作，第5章主要介紹聲控分揀機(jī)器人項目簡介、EasyDL物體檢測模型的編譯與使用、EasyDL語音識別模型的編譯與使用和聲控分揀機(jī)器人實驗操作等。第3