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第1章 绪论 1

1.1 机器人的定义及发展历史 1

1.1.1 什么是机器人 1

1.1.2 为什么要制造机器人 2

1.1.3 机器人的发展历史 3

1.2 机器人的结构与分类 9

1.2.1 机器人的结构 9

1.2.2 机器人的分类 10

1.3 机器人控制的基本要求 12

1.3.1 机器人控制的主要内容 12

1.3.2 机器人控制的学习要求 13

习题 13

第2章 机器人的本体 14

2.1 机器人的机械 14

2.1.1 上肢——臂部、腕部、手部 15

2.1.2 下肢——移动机构 16

2.1.3 躯干——机身 19

2.1.4 关节——传动机构 22

2.2 机器人的硬件 26

2.2.1 处理控制系统 27

2.2.2 驱动器系统 30

2.2.3 传感器系统 37

2.3 机器人的电源系统 44

2.3.1 电池的种类 44

2.3.2 直流稳压电源 48

2.3.3 充电装置 51

2.4 机器人机械制作实例 55

2.4.1 智能小型足球机器人二轮机械结构制作实例 55

2.4.2 智能小型足球机器人四轮全向移动机械设计实例 63

2.4.3 智能中型足球机器人的机械设计实例 66

习题 72

第3章 机器人的信息获取 73

3.1 机器人的传感器 73

3.1.1 常用传感器 75

3.1.2 特殊传感器 81

3.1.3 传感器应用实例 82

3.2 机器人的信息处理 86

3.2.1 常用的数字滤波方法 87

3.2.2 小波变换在数字滤波中的应用 88

3.3 机器视觉 89

3.3.1 机器视觉的组成 90

3.3.2 机器视觉的工作原理 91

3.3.3 机器视觉应用实例 97

习题 101

第4章 机器人的底层控制 102

4.1 电动机的选择与惯量计算 102

4.1.1 电动机选择 102

4.1.2 步进电动机 104

4.1.3 舵机与转向控制 107

4.1.4 惯量计算实例 111

4.2 典型驱动PWM 114

4.2.1 典型驱动 114

4.2.2 PWM驱动原理 118

4.2.3 PWM驱动机器人实例 120

4.3 运动控制与PID 122

4.3.1 电动机正反转分析 122

4.3.2 经典PID控制 126

4.4 智能PID参数整定 128

4.5 机器人底层控制设计实例 132

4.5.1 智能小型足球机器人的底层控制设计实例 132

4.5.2 智能中型足球机器人的底层控制设计实例 139

习题 142

第5章 机器人的运动分析 143

5.1 轮式机器人的空间描述和坐标变换 143

5.1.1 位置方位表示与坐标系描述 143

5.1.2 平移和旋转坐标系 144

5.1.3 机器人运动模型 145

5.1.4 齐次变换及运算 147

5.1.5 机器人传感器的观测模型 148

5.2 运动学建模 150

5.2.1 机器人坐标系 150

5.2.2 双轮差速移动机器人运动学建模实例 151

5.2.3 全方位移动机器人运动学建模实例 152

5.3 动力学建模 154

5.3.1 双轮差速移动机器人动力学模型 155

5.3.2 全方位移动机器人动力学模型 156

5.4 舞动的机器臂——工业机器人 159

5.4.1 刚体的描述 159

5.4.2 坐标变换 160

5.5 机器人运动学方程的建立 163

5.5.1 连杆参数和连杆坐标系 163

5.5.2 连杆变换 165

5.6 六自由度机械臂运动分析实例 166

5.6.1 机械臂运动方程的建立 168

5.6.2 运动学逆解的求解方法 169

5.6.3 运动学逆解的实验验证 172

习题 172

第6章 机器人的路径规划 173

6.1 机器人路径规划方法 173

6.1.1 离线路径规划 174

6.1.2 在线路径规划 175

6.2 智能规划 176

6.2.1 栅格建模法 176

6.2.2 人工势场法 178

6.2.3 遗传算法 180

6.2.4 神经网络算法 185

6.3 机器人路径规划改进与实例 191

6.3.1 人工势场法的改进与实例 191

6.3.2 遗传算法的改进 195

习题 200

第7章 机器人的上层控制 201

7.1 机器人操作系统概述 201

7.1.1 ROS的基本介绍 201

7.1.2 ROS系统架构 205

7.1.3 ROS系统工具 210

7.1.4 ROS的安装与回顾 210

7.2 ROS的应用举例 212

7.2.1 控制移动底座 213

7.2.2 导航、路径规划和SLAM 217

7.2.3 语音识别及语音合成 221

7.2.4 机器人的视觉系统 224

习题 229

第8章 发展与展望 231

8.1 机器人的发展与展望 231

8.2 机器人的应用举例与展望 239

8.2.1 老牌制造业大国德国的“新兵” 240

8.2.2 日本服务型机器人崭露头角 241

8.2.3 在手术台上大显身手的英国“机器人医生” 242

8.2.4 机器人的未来面向家庭 243

8.2.5 机器人离我们还有多远 245

8.3 机器人控制技术的发展 246

8.3.1 机器人技术的发展 246

8.3.2 机器人控制技术的发展与展望 247

8.4 机器人的情感与伦理展望 248

习题 250

参考文献 251