本書旨在為機器人工程專業(yè)的低年級學(xué)生了解和認識專業(yè)提供參考,為學(xué)生的后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。全書共分10章。第1章為緒論,介紹了本書的目的和意義,機器人工程專業(yè)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀、專業(yè)內(nèi)涵、人才培養(yǎng)與知識體系,機器人工程專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的關(guān)系,以及機器人工程專業(yè)的學(xué)習(xí)方法。第2章主要介紹了機器人的起源與發(fā)展歷史、概念與特點、組成與分類,典型的機器人結(jié)構(gòu),以及機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢與未來。第3章介紹了機器人在各行業(yè)中的應(yīng)用。第4章介紹了機器人硬件系統(tǒng),包括機器人系統(tǒng)組成、典型運動機構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)和機器人傳感裝置。第5章介紹了機器人軟件系統(tǒng),主要包括機器人編程語言與編程系統(tǒng)、離線編程、仿真軟件和機器人操作系統(tǒng)。第6章介紹了智能機器人。第7章概述了人工智能的定義、起源與發(fā)展及其三大學(xué)派,介紹了機器學(xué)習(xí)的發(fā)展史和幾種機器學(xué)習(xí)算法。第8章介紹了機器人的SLAM與路徑、軌跡規(guī)劃。第9章介紹了機器人控制技術(shù)。第10章介紹了國內(nèi)外從事機器人研究的機構(gòu)和企業(yè),可以讓讀者對其有一個初步的了解和認識。
本書可作為普通高等院校機器人工程、自動化和智能制造等專業(yè)的教材,也可作為機器人技術(shù)愛好者的入門讀物。
本書配有教師課件和習(xí)題答案,歡迎選用本書作教材的教師登錄www.cmpedu.com注冊下載,或發(fā)郵件至jinacmp@163.com索取。
圖書在版編目(CIP)數(shù)據(jù)
本書力求系統(tǒng)、全面、準確地介紹機器人工程的學(xué)科內(nèi)涵、知識體系和機器人工程專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的關(guān)系,圖文并茂地闡述機器人工程的相關(guān)知識和技術(shù)。
機器人被稱為“最高意義上的自動化”,是集機械、電子、自動化、計算機、傳感器和人工智能等多學(xué)科及前沿技術(shù)于一身的設(shè)備,素有“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”之譽,機器人的研發(fā)、制造和應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志。近年來,全球機器人市場規(guī)模快速增長,我國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,連續(xù)多年成為世界最大機器人消費國。機器人應(yīng)用市場的持續(xù)高漲,有力拉動了我國機器人產(chǎn)業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)及系統(tǒng)集成。伴隨著各地工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展加速、轉(zhuǎn)型升級,由政府力推、企業(yè)力行的“機器換人”潮正在加快部署,完全由機器人來代替人工進行生產(chǎn)的“黑燈工廠”不斷涌現(xiàn)。
機器人工程相關(guān)人才的培育已成為我國工業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的迫切需求。機器人工程專業(yè)是順應(yīng)國家建設(shè)需求和國際發(fā)展趨勢、推動行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的典型新工科專業(yè),是集新穎性、實踐性和綜合性于一體的多領(lǐng)域交叉的前沿學(xué)科。
本書力求系統(tǒng)、全面、準確地介紹機器人工程的學(xué)科內(nèi)涵、知識體系和機器人工程專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的關(guān)系,圖文并茂地闡述機器人工程的相關(guān)知識和技術(shù)。通過本書的學(xué)習(xí),讀者可以對機器人工程專業(yè)有較為全面的認識,了解本專業(yè)學(xué)科知識和相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的交叉融合現(xiàn)狀。
全書共分10章。第1章為緒論,介紹了本書的目的和意義,機器人工程專業(yè)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀、
專業(yè)內(nèi)涵、人才培養(yǎng)與知識體系,機器人工程專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的關(guān)系,以及機器人工程專業(yè)的學(xué)習(xí)方法。第2章主要介紹了機器人的起源與發(fā)展歷史、概念與特點、組成與分類,典型的機器人結(jié)構(gòu),以及機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢與未來。第3章介紹了機器人在各行業(yè)中的應(yīng)用。第4章介紹了機器人硬件系統(tǒng),包括機器人系統(tǒng)組成、典型運動機構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)和機器人傳感裝置。第5章介紹了機器人軟件系統(tǒng),主要包括機器人編程語言與編程系統(tǒng)、離線編程、仿真軟件和機器人操作系統(tǒng)。第6章介紹了智能機器人。第7章概述了人工智能的定義、起源與發(fā)展及其三大學(xué)派,介紹了機器學(xué)習(xí)的發(fā)展史和幾種機器學(xué)習(xí)算法。第8章介紹了機器人的SLAM與路徑、軌跡規(guī)劃。第9章介紹了機器人控制技術(shù)。第10章介紹了國內(nèi)外從事機器人研究的機構(gòu)和企業(yè),可以讓讀者對其有一個初步的了解和認識。
本書可作為普通高等院校機器人工程專業(yè)為一年級新生開設(shè)的機器人工程專業(yè)導(dǎo)論課程的教材或參考書,學(xué)時以16學(xué)時為宜,讓學(xué)生在大學(xué)一開始就能了解自己所學(xué)專業(yè)的基本情況,認識機器人技術(shù)在我國國民經(jīng)濟中的地位和作用,熟悉需要學(xué)習(xí)掌握什么樣的知識和技能,從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性,使其積極投身于大學(xué)四年的學(xué)習(xí)中去。
在本書的編寫過程中,作者參閱了大量的文獻資料和在線資源,許多教授、專家和學(xué)者提供了寶貴的資料,
研究生侯鵬、馬闖、韓司聰、魏金波、李瑞雪、高松、胡衛(wèi)軍、李圓和劉爽等結(jié)合學(xué)習(xí)和科研,為本書的編寫查閱文獻、整理資料,參與了部分內(nèi)容的撰寫,高級工程師陳潔對全書進行了審核,在此一并深表感謝。
機器人工程專業(yè)涉及機械、控制、計算機、信息、材料和生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科知識,范圍很廣,限于編者水平,書中難免存在疏漏和不足,敬請廣大讀者批評指正!
高等院校教師
第1章緒論1
1.1本書目的與意義1
1.2機器人工程專業(yè)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀2
1.2.1國外發(fā)展歷史與現(xiàn)狀2
1.2.2國內(nèi)發(fā)展歷史與現(xiàn)狀3
1.3機器人工程專業(yè)的學(xué)科內(nèi)涵、人才培養(yǎng)
與知識體系3
1.3.1機器人工程專業(yè)的學(xué)科內(nèi)涵3
1.3.2機器人工程專業(yè)的人才培養(yǎng)4
1.3.3機器人工程專業(yè)的知識體系5
1.4機器人工程專業(yè)與相關(guān)專業(yè)的關(guān)系8
1.4.1與機械類專業(yè)的關(guān)系8
1.4.2與自動化類專業(yè)的關(guān)系9
1.4.3與儀器類專業(yè)的關(guān)系9
1.4.4與計算機類專業(yè)的關(guān)系10
1.4.5與電子信息類專業(yè)的關(guān)系11
1.4.6與電氣類專業(yè)的關(guān)系11
1.4.7與人工智能相關(guān)專業(yè)的關(guān)系12
1.5機器人工程專業(yè)學(xué)習(xí)方法13
1.5.1大學(xué)課程這樣學(xué)13
1.5.2科技實踐揭秘14
1.5.3大學(xué)生活你我談14
1.6與機器人相關(guān)的大學(xué)生學(xué)科競賽15
1.7本章總結(jié)20
第2章機器人概述21
2.1機器人的起源與發(fā)展歷史21
2.2機器人的概念與特點31
2.2.1機器人的概念31
2.2.2機器人的特點32
2.3機器人的組成與分類34
2.3.1機器人系統(tǒng)的組成34
2.3.2機器人分類35
2.4典型機器人剖析42
2.5機器人的優(yōu)缺點43
2.6機器人的自由度43
2.7機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢44
2.8機器人的未來46
2.9本章總結(jié)47
第3章機器人在各行業(yè)中的應(yīng)用48
3.1在工業(yè)中的應(yīng)用48
3.2在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用51
3.3在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用55
3.4在軍事上的應(yīng)用62
3.5在煤炭行業(yè)中的應(yīng)用70
3.6新興應(yīng)用領(lǐng)域75
3.7本章總結(jié)77
第4章機器人硬件系統(tǒng)78
4.1機器人系統(tǒng)組成78
4.2機器人典型的運動機構(gòu)79
4.2.1腿式行走機構(gòu)80
4.2.2履帶式行走機構(gòu)81
4.2.3輪式行走機構(gòu)81
4.2.4復(fù)合式行走機構(gòu)82
4.3機器人驅(qū)動系統(tǒng)82
4.3.1關(guān)節(jié)與驅(qū)動方式82
4.3.2驅(qū)動系統(tǒng)的分類83
4.4機器人傳感裝置84
4.4.1機器人傳感器分類85
4.4.2內(nèi)部傳感器85
4.4.3外部傳感器90
4.5本章總結(jié)95
第5章機器人軟件系統(tǒng)97
5.1機器人編程語言與編程系統(tǒng)97
5.1.1機器人語言系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)97
5.1.2機器人編程語言98
5.2機器人離線編程100
5.2.1機器人離線編程的特點和主要
內(nèi)容100
5.2.2機器人離線編程仿真系統(tǒng)
HOLPSS101
5.3機器人仿真軟件102
5.3.1MATLAB/Simulink機器人
工具箱103
5.3.2CoppeliaSim103
5.3.3Gazebo103
5.4機器人操作系統(tǒng)104
5.4.1ROS起源與發(fā)展歷程104
5.4.2ROS主要特性106
5.4.3ROS層次架構(gòu)107
5.5本章總結(jié)111
第6章智能機器人112
6.1智能機器人概述112
6.2人工智能技術(shù)在機器人中的應(yīng)用113
6.2.1智能感知技術(shù)113
6.2.2智能導(dǎo)航與規(guī)劃技術(shù)116
6.2.3智能控制與操作118
6.2.4機器人智能交互119
6.3智能機器人發(fā)展展望121
6.4本章總結(jié)122
第7章人工智能概述123
7.1人工智能的定義124
7.2人工智能的起源與發(fā)展125
7.3人工智能的三大學(xué)派128
7.4機器學(xué)習(xí)130
7.4.1機器學(xué)習(xí)發(fā)展史130
7.4.2監(jiān)督學(xué)習(xí)131
7.4.3無監(jiān)督學(xué)習(xí)132
7.4.4弱監(jiān)督學(xué)習(xí)132
7.4.5深度學(xué)習(xí)133
7.5人工智能的發(fā)展趨勢134
7.6本章總結(jié)135
第8章SLAM與路徑、軌跡規(guī)劃136
8.1SLAM概念與框架137
8.1.1SLAM概念137
8.1.2SLAM框架140
8.1.3機器人工程中用到的地圖142
8.2激光SLAM主流方案143
8.3視覺SLAM主流方案146
8.4路徑規(guī)劃147
8.4.1全局路徑規(guī)劃148
8.4.2局部路徑規(guī)劃149
8.5軌跡規(guī)劃149
8.6ROS機器人導(dǎo)航152
8.7本章總結(jié)153
第9章機器人控制技術(shù)154
9.1機器人控制方法簡介154
9.2機器人常用的控制方法155
9.3位置控制156
9.4力控制157
9.5基于視覺的控制157
9.6本章總結(jié)158
第10章機器人研究機構(gòu)和企業(yè)
介紹159
10.1機器人研究機構(gòu)159
10.1.1國外機器人研究機構(gòu)159
10.1.2國內(nèi)機器人研究機構(gòu)162
10.2部分機器人企業(yè)介紹167
10.3本章總結(jié)172
附錄173
參考文獻177
前言￥
第1章ROS概述1
1.1ROS簡介1
1.2ROS的安裝6
本章小結(jié)8
本章習(xí)題9
第2章Ubuntu系統(tǒng)基礎(chǔ)10
2.1Ubuntu簡介10
2.2目錄和文件系統(tǒng)11
2.3常用命令12
本章小結(jié)15
本章習(xí)題15
第3章Python語言基礎(chǔ)16
3.1Python簡介16
3.2基本語法16
3.3常用語句20
3.4函數(shù)與模塊21
3.5類與對象22
本章小結(jié)23
本章習(xí)題23
第4章ROS架構(gòu)與體系24
4.1ROS架構(gòu)簡介24
4.2ROS文件系統(tǒng)級24
4.3ROS計算圖級28
4.4ROS開源社區(qū)級34
本章小結(jié)35
本章習(xí)題35
第5章ROS編程基礎(chǔ)36
5.1工作空間和功能包的創(chuàng)建與編譯36
5.2消息文件和服務(wù)文件的創(chuàng)建與編譯39
5.3消息發(fā)布節(jié)點與主題訂閱節(jié)點的
編寫(C++)43
5.4消息發(fā)布節(jié)點與主題訂閱節(jié)點的
編寫(Python)50
5.5服務(wù)器端與客戶端程序的
編寫(C++)55
5.6服務(wù)器端與客戶端程序的
編寫(Python)62
5.7啟動文件的編寫66
5.8調(diào)試工具68
5.9可視化工具73
5.10坐標變換工具76
本章小結(jié)81
本章習(xí)題81
第6章機器人傳感系統(tǒng)82
6.1RGB-D相機82
6.2激光雷達傳感器84
6.3IMU傳感器86
6.4GPS傳感器89
本章小結(jié)92
本章習(xí)題92
第7章機器人視覺系統(tǒng)93
7.1OpenCV概述93
7.2在ROS中使用OpenCV的方法97
7.3PCL概述106
7.4在ROS中使用PCL的方法109
7.5與計算機視覺相關(guān)的ROS功能包113
本章小結(jié)115
本章習(xí)題115
第8章機器人建模與仿真116
8.1機器人模型描述格式——URDF116
8.
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