服务机器人理论设计实践与应用

本书围绕服务机器人技术展开, 内容分为9章, 分别为绪论、服务机器人感知系统、服务机器人运动学、服务机器人开发平台、服务机器人移动系统、服务机器人机械臂控制、服务机器人视觉系统、服务机器人语音系统、服务机器人的应用与发展。

目录 第1章 绪论 1 1.1  机器人的起源与发展 1 1.1.1 机器人的起源 1 1.1.2 机器人的发展 2 1.1.3 机器人智能化和网络化的发展趋势 4 1.2  机器人的定义与分类 5 1.2.1 机器人的定义 5 1.2.2 机器人的分类 5 1.3  服务机器人的应用 7 1.3.1 服务机器人的特点与分类 7 1.3.2 个人/家庭服务机器人 8 1.3.3 专业服务机器人 9 1.4  服务机器人的系统构成 11 第2章 服务机器人感知系统 13 2.1  服务机器人感知系统简介 13 2.1.1 传感器的结构 13 2.1.2 传感器的分类 13 2.2  运动与姿态感知 14 2.2.1 IMU传感器 14 2.2.2 光电编码器 18 2.2.3 倾角传感器 20 2.2.4 轮式里程计 22 2.3  场景环境感知 22 2.3.1 激光雷达传感器 22 2.3.2 超声波测距传感器 27 2.3.3 红外测距传感器 29 2.3.4 毫米波雷达传感器 31 2.3.5 SLAM定位传感器 32 2.4  触觉与力觉感知 33 2.4.1 触觉传感器 34 2.4.2 阵列触觉传感器 36 2.4.3 六轴力/力矩传感器 37 2.5  空间位置感知 38 2.5.1 GNSS定位 38 2.5.2 RTK定位 40 2.5.3 UWB定位 41 2.6  智能传感器 43 2.6.1 视觉智能传感器 43 2.6.2 语音智能传感器 45 第3章 服务机器人运动学 47 3.1  服务机器人位姿的描述 47 3.1.1 平移向量和旋转矩阵 47 3.1.2 轴角表示的旋转矩阵 48 3.2  坐标系变换 50 3.2.1 平移变换 50 3.2.2 旋转变换 51 3.2.3 平移和旋转变换 52 3.2.4 齐次坐标 53 3.3  服务机器人移动单元运动学 53 3.3.1 两轮差速移动机器人 53 3.3.2 阿克曼移动机器人 55 3.3.3 麦克纳姆轮移动机器人 57 3.3.4 四轮驱动移动机器人 63 3.4  服务机器人操作单元运动学 66 3.4.1 关节 66 3.4.2 D-H参数和连杆坐标系 67 3.4.3 机械臂运动学方程 70 3.4.4 机械臂正运动学 70 3.4.5 机械臂逆运动学 72 第4章 服务机器人开发平台 78 4.1  服务机器人开发平台概述 78 4.2  ROS平台的基本架构及概念 78 4.2.1 ROS文件系统级 79 4.2.2 ROS计算图级 81 4.2.3 ROS开源社区级 82 4.3  可视化和调试工具 82 4.3.1 使用GDB调试ROS节点 83 4.3.2 调试信息 83 4.3.3 监控整个系统 84 4.3.4 数据可视化 86 4.4  3D建模与仿真 86 4.4.1 URDF文件 86 4.4.2 Xacro及其他建模方式 91 4.4.3 Arbotix移动控制 96 4.4.4 小车模型仿真 98 4.4.5 机械臂仿真 104 第5章 服务机器人移动系统 110 5.1  概述 110 5.2  SLAM算法 110 5.2.1 占据栅格地图 110 5.2.2 粒子滤波定位算法 114 5.2.3 AMCL 118 5.2.4 从FastSLAM算法到Gmapping 120 5.2.5 常见SLAM算法对比 123 5.3  视觉SLAM算法 125 5.3.1 视觉传感器 126 5.3.2 开源算法 127 5.4  移动机器人导航算法 129 5.4.1 全局路径规划算法 129 5.4.2 局部路径规划算法 134 5.5  移动机器人的运动控制 138 5.5.1 跟踪控制 139 5.5.2 点镇定控制 141 5.6  ROS应用 142 5.6.1 SLAM建图 142 5.6.2 地图保存与地图读取 144 5.6.3 定位 147 5.6.4 路径规划 148 5.6.5 导航建图 153 第6章 服务机器人机械臂控制 155 6.1  机械臂运动规划 155 6.1.1 概述 155 6.1.2 关节空间的轨迹规划 156 6.1.3 笛卡儿空间的轨迹规划