智能機器人系統控制技術

第1章 機器人概述 1
1.1 機器人的歷史及發展 1
1.2 常見的機器人類型 3
1.2.1 按應用領域分類 3
1.2.2 按運動形式分類 6
1.3 智能機器人相關技術 8
1.3.1 機器人結構 8
1.3.2 機器人運動學 8
1.3.3 機器人動力學 8
1.3.4 機器人軌跡規劃 9
1.3.5 機器人控制 9
1.3.6 機器人硬件系統 9
1.3.7 機器人軟件系統 10
1.3.8 機器人智能傳感器系統 10
1.4 習題 10
第2章 機器人結構設計 11
2.1 機器人結構 11
2.1.1 機身框架 11
2.1.2 機器人關節 14
2.1.3 機器人連桿 16
2.1.4 減速器及傳動系統 17
2.1.5 驅動系統及執行器 18
2.2 機器人結構類型 20
2.2.1 機械臂類型 20
2.2.2 移動機器人類型 22
2.3 機器人結構設計案例 24
2.3.1 三輪全向機器人設計 25
2.3.2 三自由度機械臂設計 27
2.4 習題 28

第3章 機器人運動學 29
3.1 機器人運動學概述 29
3.1.1 機器人運動學內容 29
3.1.2 機器人運動學概念 30
3.2 輪式車體機器人運動學模型 32
3.2.1 輪式車體機器人運動學模型設計步驟 32
3.2.2 三輪全向車體機器人運動學案例 32
3.3 機械臂運動學模型 35
3.3.1 正運動學 35
3.3.2 逆運動學 37
3.3.3 雅可比矩陣 39
3.3.4 三自由度機械臂運動學案例 40
3.3.5 三自由度機械臂雅可比矩陣應用案例 43
3.4 習題 46
第4章 機器人動力學 47
4.1 機器人動力學概述 47
4.1.1 機器人動力學研究內容 47
4.1.2 機器人動力學研究意義 48
4.2 機器人動力學模型 50
4.2.1 牛頓-歐拉模型 50
4.2.2 拉格朗日模型 51
4.2.3 基於關節空間的機器人動力學模型 52
4.3 輪式車體機器人動力學模型 54
4.4 機械臂動力學模型 55
4.5 習題 57
第5章 機器人軌跡規劃 58
5.1 機器人軌跡規劃概述 58
5.2 關節空間規劃和笛卡兒空間規劃 59
5.2.1 關節空間規劃 59
5.2.2 笛卡兒空間規劃 62
5.3 機器人軌跡規劃插值方法 64
5.3.1 線性插值 64
5.3.2 多項式插值 64
5.3.3 B樣條曲線插值 68
5.3.4 3-5-3多項式插值 70
5.4 輪式車體機器人軌跡規劃 71

5.5 三自由度機械臂軌跡規劃 73
5.6 習題 74
第6章 機器人控制 75
6.1 機器人控制概述 75
6.2 反饋與閉環控制 76
6.2.1 開環控制 77
6.2.2 閉環控制 77
6.3 被控對象模型 77
6.3.1 傳遞函數模型 78
6.3.2 狀態空間模型 80
6.4 機器人控制方法 81
6.4.1 PID控制 82
6.4.2 模型預測控制 83
6.5 基於李雅普諾夫定理的控制器穩定性分析 87
6.5.1 李雅普諾夫定理 87
6.5.2 李雅普諾夫穩定性分析流程 87
6.5.3 李雅普諾夫機器人控制器設計 88
6.5.4 李雅普諾夫定理在機器人系統中的應用 90
6.6 機器人控制算法設計實例 90
6.6.1 三輪全向機器人小車控制算法設計案例 90
6.6.2 三自由度機械臂控制算法設計案例 92
6.7 習題 94
第7章 機器人控制決策硬件系統 95
7.1 機器人控制決策硬件系統概述 95
7.2 智能機器人硬件整體架構 95
7.3 智能機器人硬件系統案例 96
7.3.1 車體嵌入式微控制器系統 97
7.3.2 機械臂嵌入式微控制器板 97
7.3.3 嵌入式微處理器決策處理平臺 98
7.4 習題 98
第8章 機器人軟件系統 99
8.1 機器人軟件系統概述 99
8.2 ROS 99
8.2.1 ROS的特點 100
8.2.2 ROS的版本 101
8.2.3 ROS 2 DDS通信 103
8.3 ROS軟件框架 104
8.3.1 ROS 2文件系統 104
8.3.2 ROS 2計算圖 107
8.4 ROS 2的通信機制 109
8.4.1 發布-訂閱模型 109
8.4.2 服務通信模型 111
8.4.3 動作通信模型 113
8.5 ROS 2中的常用組件 116
8.5.1 launch文件 116
8.5.2 TF工具 119
8.5.3 RViz可視化工具 121
8.5.4 RQt工具箱 123
8.5.5 rosbag數據記錄與回放 124
8.5.6 Gazebo 126
8.5.7 Nav2 128
8.5.8 MoveIt 2 129
8.5.9 行為樹 130
8.6 micro-ROS 131
8.6.1 micro-ROS架構 131
8.6.2 micro-ROS主要組件 132
8.6.3 micro-ROS機器人開發實例 134
8.7 習題 136
第9章 機器人低層傳感器系統 137
9.1 機器人低層傳感器系統概述 137
9.2 姿態傳感器 137
9.2.1 姿態傳感器數據處理 138
9.2.2 多傳感器融合 139
9.3 超聲波傳感器 143
9.3.1 超聲波測距電路設計 144
9.3.2 超聲波測距數據處理 145
9.3.3 多超聲波傳感器測距 145
9.4 紅外傳感器 146
9.4.1 傳統的紅外障礙物檢測模塊 146
9.4.2 高級的紅外測距模塊 147
9.5 碰撞傳感器及電池電壓測量傳感器 148
9.5.1 碰撞傳感器 148
9.5.2 電池電壓測量傳感器 148
9.6 ROS 2傳感器數據處理 149
9.7 習題 151
第10章 機器人高層傳感器系統 152
10.1 機器人高層傳感器系統概述 152
10.2 激光傳感器 152
10.2.1 激光傳感器原理 153
10.2.2 激光傳感器種類 155
10.2.3 激光傳感器匹配定位方法 159
10.2.4 機器人結合激光應用 163
10.3 視覺傳感器 172
10.3.1 視覺傳感器概述 172
10.3.2 視覺傳感器圖像處理 173
10.3.3 視覺定位 176
10.3.4 ROS 2視覺導航案例 187
10.4 習題 188
第11章 多機器人系統 189
11.1 多機器人系統概述 189
11.2 車臂多機器人案例 189
11.2.1 車體和機械臂基於視覺的位置標定 190
11.2.2 車體和機械臂綜合決策案例 191
11.3 習題 193
參考文獻 194