前言

機(jī)器人學(xué)（Robotics）作為一門高度交叉的前沿學(xué)科，涉及自動控制、機(jī)械工程、材料科學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、電子科學(xué)及人工智能等多門學(xué)科，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

隨著社會的發(fā)展，人們對機(jī)器人的要求越來越高，不僅希望機(jī)器人可以在家庭、學(xué)校、醫(yī)院等環(huán)境中成為人們的助手，更希望機(jī)器人能夠逐步代替人們在眾多復(fù)雜、未知甚至危險的環(huán)境中發(fā)揮重要作用，如搜索救援、月球探索、爆炸物探測、軍事戰(zhàn)斗等，這就要求機(jī)器人具備較高的智能。因此，機(jī)器人學(xué)與人工智能有著十分密切的關(guān)系。

智能機(jī)器人幾乎是伴隨著人工智能而產(chǎn)生的。一方面，智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展需要人工智能技術(shù)的支撐，不斷發(fā)展的人工智能技術(shù)也有助于智能機(jī)器人性能的提升；另一方面，智能機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展又為人工智能技術(shù)的發(fā)展帶來了新的推動力，并提供了一個很好的試驗與應(yīng)用場所。也就是說，智能機(jī)器人作為人工智能技術(shù)呈現(xiàn)的載體，促進(jìn)了問題求解、任務(wù)規(guī)劃、知識表示和智能系統(tǒng)等理論與技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

現(xiàn)實中的機(jī)器人，其外形往往是多種多樣的，有些在外形上和人的外形類似，被稱為類人機(jī)器人或人形機(jī)器人，這類機(jī)器人可以模仿人們執(zhí)行某些任務(wù)時的行為，如行走、拾取、搬運(yùn)等；有些機(jī)器人在外形上和人的外形相差很大，如無人駕駛車輛就是一種典型代表。

智能機(jī)器人所處的環(huán)境往往是未知的、難以預(yù)測的，在研究智能機(jī)器人過程中，主要會涉及多傳感器信息融合、導(dǎo)航與定位、路徑規(guī)劃、智能控制、多機(jī)器人協(xié)同、人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)。

本書從一個相對系統(tǒng)化的角度對智能機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹，希望能為從事智能機(jī)器人研究、開發(fā)和應(yīng)用的人員提供參考。

本書共9章，各章內(nèi)容安排如下：

第1章為緒論。本章首先從機(jī)器人學(xué)和機(jī)器人三定律入手，介紹了國內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展情況，以及機(jī)器人的發(fā)展歷程；然后在此基礎(chǔ)上介紹機(jī)器人的一些基本概念，如機(jī)器人的定義與特點、結(jié)構(gòu)與分類；接著介紹了人工智能的發(fā)展，并對機(jī)器人學(xué)與人工智能的關(guān)系進(jìn)行分析；最后介紹了機(jī)器人學(xué)的知識圖譜和研究方向。

第2章為機(jī)器人學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。機(jī)器人學(xué)的研究離不開各物體間以及物體與機(jī)器人間的空間關(guān)系。本章主要介紹這些空間關(guān)系的表示和變換方法，如位置、方位和位姿的表示，坐標(biāo)變換，以及通用旋轉(zhuǎn)變換。

第3章為智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)是從體系層面對智能機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的表述。本章首先介紹了智能機(jī)器人常見的三種體系結(jié)構(gòu)，即慎思式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；然后給出了針對一些特殊場景和特殊應(yīng)用的新型體系結(jié)構(gòu)；最后對機(jī)器人操作系統(tǒng)進(jìn)行了簡要的介紹。

第4章為智能機(jī)器人中的傳感器。在智能機(jī)器人系統(tǒng)中，傳感器是指那些起到內(nèi)部反饋控制作用或感知與外部環(huán)境的相互作用的裝置。智能機(jī)器人中的傳感器可以分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器，本章首先對常見的內(nèi)部傳感器和外部傳感器進(jìn)行了介紹，然后重點介紹了視覺傳感器和距離傳感器。

第5章為環(huán)境感知與建模。即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）是機(jī)器人感知環(huán)境的重要技術(shù)。本章首先介紹了SLAM中的常用模型，然后介紹了地圖構(gòu)建中的常用地圖，接著介紹了機(jī)器人的定位技術(shù)，最后對SLAM的研究方法、現(xiàn)狀及方向進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

第6章為路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃是機(jī)器人技術(shù)的主要研究內(nèi)容之一。路徑規(guī)劃是指基于環(huán)境地圖，在一定的約束條件下，搜索一條最優(yōu)可通行路徑。本章首先簡單介紹了環(huán)境地圖常用的表示方法，然后介紹了路徑規(guī)劃技術(shù)，最后對幾種常用的全局路徑規(guī)劃算法和局部路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

第7章為機(jī)器人控制。對機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行控制，使其按預(yù)定方式運(yùn)動，是設(shè)計機(jī)器人的目的。本章首先介紹了機(jī)器人控制的基礎(chǔ)理論，即對機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)進(jìn)行描述；然后圍繞機(jī)器人的具體控制問題展開了論述，重點介紹了機(jī)器人的傳統(tǒng)控制方法和智能控制方法。

第8章為多機(jī)器人協(xié)同。在面對一些大型的復(fù)雜場景以及對處理能力和實時性要求較高的任務(wù)時，單機(jī)器人越來越難以勝任，因此多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)成為機(jī)器人學(xué)的一個重要研究課題。本章首先對多機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了概述，然后對多機(jī)器人系統(tǒng)的三個主要研究內(nèi)容，即多機(jī)器人的協(xié)同感知、協(xié)同作業(yè)和協(xié)同編隊，進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

第9章為智能機(jī)器人的HRI。人-機(jī)器人交互（HRI）技術(shù)是人機(jī)交互（HCI）技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展，已成為機(jī)器人領(lǐng)域的重要研究方向之一。本章先對HCI技術(shù)進(jìn)行了概述，然后介紹了HRI相關(guān)理論，最后對智能HRI的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述。

本書除了署名的作者，劉華峰、董文杰、洪洋、張佳程等研究生也參與了部分章節(jié)的編寫。

限于作者水平，本書難免會有疏漏和不足之處，敬請廣大讀者朋友批評指正。

作者2020年5月于南京