智能机器人系统控制技术

本书以车臂一体机器人为例介绍智能机器人系统控制技术，内容包括机器人概述、机器人结构设计、机器人运动学、机器人动力学、机器人轨迹规划、机器人控制、机器人控制决策硬件系统、机器人软件系统、机器人低层传感器系统、机器人高层传感器系统以及多机器人系统。本书提供机器人开发实例配套的相关资源及电子教案，读者可在华信教育资源网（https://www.hxedu.com.cn）下载。本书可作为高等院校机器人、自动控制、计算机、机械工程和电气工程等专业机器人控制课程的教材，也可供机器人控制工程技术人员参考。

第1章 机器人概述 1 1.1 机器人的历史及发展 1 1.2 常见的机器人类型 3 1.2.1 按应用领域分类 3 1.2.2 按运动形式分类 6 1.3 智能机器人相关技术 8 1.3.1 机器人结构 8 1.3.2 机器人运动学 8 1.3.3 机器人动力学 8 1.3.4 机器人轨迹规划 9 1.3.5 机器人控制 9 1.3.6 机器人硬件系统 9 1.3.7 机器人软件系统 10 1.3.8 机器人智能传感器系统 10 1.4 习题 10 第2章 机器人结构设计 11 2.1 机器人结构 11 2.1.1 机身框架 11 2.1.2 机器人关节 14 2.1.3 机器人连杆 16 2.1.4 减速器及传动系统 17 2.1.5 驱动系统及执行器 18 2.2 机器人结构类型 20 2.2.1 机械臂类型 20 2.2.2 移动机器人类型 22 2.3 机器人结构设计案例 24 2.3.1 三轮全向机器人设计 25 2.3.2 三自由度机械臂设计 27 2.4 习题 28 第3章 机器人运动学 29 3.1 机器人运动学概述 29 3.1.1 机器人运动学内容 29 3.1.2 机器人运动学概念 30 3.2 轮式车体机器人运动学模型 32 3.2.1 轮式车体机器人运动学模型设计步骤 32 3.2.2 三轮全向车体机器人运动学案例 32 3.3 机械臂运动学模型 35 3.3.1 正运动学 35 3.3.2 逆运动学 37 3.3.3 雅可比矩阵 39 3.3.4 三自由度机械臂运动学案例 40 3.3.5 三自由度机械臂雅可比矩阵应用案例 43 3.4 习题 46 第4章 机器人动力学 47 4.1 机器人动力学概述 47 4.1.1 机器人动力学研究内容 47 4.1.2 机器人动力学研究意义 48 4.2 机器人动力学模型 50 4.2.1 牛顿-欧拉模型 50 4.2.2 拉格朗日模型 51 4.2.3 基于关节空间的机器人动力学模型 52 4.3 轮式车体机器人动力学模型 54 4.4 机械臂动力学模型 55 4.5 习题 57 第5章 机器人轨迹规划 58 5.1 机器人轨迹规划概述 58 5.2 关节空间规划和笛卡儿空间规划 59 5.2.1 关节空间规划 59 5.2.2 笛卡儿空间规划 62 5.3 机器人轨迹规划插值方法 64 5.3.1 线性插值 64 5.3.2 多项式插值 64 5.3.3 B样条曲线插值 68 5.3.4 3-5-3多项式插值 70 5.4 轮式车体机器人轨迹规划 71 5.5 三自由度机械臂轨迹规划 73 5.6 习题 74 第6章 机器人控制 75 6.1 机器人控制概述 75 6.2 反馈与闭环控制 76 6.2.1 开环控制 77 6.2.2 闭环控制 77 6.3 被控对象模型 77 6.3.1 传递函数模型 78 6.3.2 状态空间模型 80 6.4 机器人控制方法 81 6.4.1 PID控制 82 6.4.2 模型预测控制 83 6.5 基于李雅普诺夫定理的控制器稳定性分析 87 6.5.1 李雅普诺夫定理 87 6.5.2 李雅普诺夫稳定性分析流程 87 6.5.3 李雅普诺夫机器人控制器设计 88 6.5.4 李雅普诺夫定理在机器人系统中的应用 90 6.6 机器人控制算法设计实例 90 6.6.1 三轮全向机器人小车控制算法设计案例 90 6.6.2 三自由度机械臂控制算法设计案例 92 6.7 习题 94 第7章 机器人控制决策硬件系统 95 7.1 机器人控制决策硬件系统概述 95 7.2 智能机器人硬件整体架构 95 7.3 智能机器人硬件系统案例 96 7.3.1 车体嵌入式微控制器系统 97 7.3.2 机械臂嵌入式微控制器板 97 7.3.3 嵌入式微处理器决策处理平台 98 7.4 习题 98 第8章 机器人软件系统 99 8.1 机器人软件系统概述 99 8.2 ROS 99 8.2.1 ROS的特点 100 8.2.2 ROS的版本 101 8.2.3 ROS 2 DDS通信 103 8.3 ROS软件框架 104 8.3.1 ROS 2文件系统 104 8.3.2 ROS 2计算图 107 8.4 ROS 2的通信机制 109 8.4.1 发布-订阅模型 109 8.4.2 服务通信模型 111 8.4.3 动作通信模型 113 8.5 ROS 2中的常用组件 116 8.5.1 launch文件 116 8.5.2 TF工具 119 8.5.3 RViz可视化工具 121 8.5.4 RQt工具箱 123 8.5.5 rosbag数据记录与回放 124 8.5.6 Gazebo 126 8.5.7 Nav2 128 8.5.8 MoveIt 2 129 8.5.9 行为树 130 8.6 micro-ROS 131 8.6.1 micro-ROS架构 131 8.6.2 micro-ROS主要组件 132 8.6.3 micro-ROS机器人开发实例 134 8.7 习题 136 第9章 机器人低层传感器系统 137 9.1 机器人低层传感器系统概述 137 9.2 姿态传感器 137 9.2.1 姿态传感器数据处理 138 9.2.2 多传感器融合 139 9.3 超声波传感器 143 9.3.1 超声波测距电路设计 144 9.3.2 超声波测距数据处理 145 9.3.3 多超声波传感器测距 145 9.4 红外传感器 146 9.4.1 传统的红外障碍物检测模块 146 9.4.2 高级的红外测距模块 147 9.5 碰撞传感器及电池电压测量传感器 148 9.5.1 碰撞传感器 148 9.5.2 电池电压测量传感器 148 9.6 ROS 2传感器数据处理 149 9.7 习题 151 第10章 机器人高层传感器系统 152 10.1 机器人高层传感器系统概述 152 10.2 激光传感器 152 10.2.1 激光传感器原理 153 10.2.2 激光传感器种类 155 10.2.3 激光传感器匹配定位方法 159 10.2.4 机器人结合激光应用 163 10.3 视觉传感器 172 10.3.1 视觉传感器概述 172 10.3.2 视觉传感器图像处理 173 10.3.3 视觉定位 176 10.3.4 ROS 2视觉导航案例 187 10.4 习题 188 第11章 多机器人系统 189 11.1 多机器人系统概述 189 11.2 车臂多机器人案例 189 11.2.1 车体和机械臂基于视觉的位置标定 190 11.2.2 车体和机械臂综合决策案例 191 11.3 习题 193 参考文献 194