本書介紹機(jī)器人綜合設(shè)計與實踐的相關(guān)內(nèi)容，是一本將串聯(lián)型機(jī)器人技術(shù)、并聯(lián)型機(jī)器人技術(shù)、移動機(jī)器人技術(shù)有機(jī)集成的教材。本書主要運用機(jī)器人的智能感知技術(shù)、自主定位與導(dǎo)航技術(shù)、運動與控制技術(shù)、控制系統(tǒng)與元件等知識內(nèi)容，設(shè)計、構(gòu)建并實現(xiàn)具備完整避障作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)，旨在指導(dǎo)學(xué)生將機(jī)器人理論知識應(yīng)用于設(shè)計與實踐環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生對新知識、新技術(shù)的興趣，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力、獨立思考能力及團(tuán)隊分工協(xié)作能力的目的。通過學(xué)習(xí)本書，學(xué)生能進(jìn)一步掌握機(jī)器人系統(tǒng)的理論知識和工程綜合設(shè)計能力，為將來的專業(yè)發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。本書具有理論性、設(shè)計性與實踐性相結(jié)合的特點，特別適合作為高年級本科生和研究生的機(jī)器人學(xué)習(xí)教材，也適合作為從事機(jī)器人研究、開發(fā)和應(yīng)用的科技人員的參考書。
樊澤明，博士后，教授。1990-09至1994-07，空軍電訊工程學(xué)院，讀大學(xué)；1994-08 至 1996-08，西安聯(lián)合機(jī)電設(shè)備廠，工作；1996-09至1999-02，西安工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，讀碩士；1999-03至2002-10，西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，讀博士；2002-11至2005-09，西安理工大學(xué)自動化學(xué)院，副教授/博士后；2005-10至2018-06，西北工業(yè)大學(xué)，副教授；2018-07至2021-06，西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，教授。個人/集體榮譽：（1）校級最滿意教師、校級"三育人先進(jìn)個人”、校級先進(jìn)工作者多次；（2）省級一流課程負(fù)責(zé)人：2門。教學(xué)成果獲獎情況：（1）陜西省教學(xué)成果獎，一等獎，排名第一；（2）國家級教學(xué)競賽，一等獎，排名第一（該獎項全國一等獎12項、二等獎40項、三等獎197項）；（3）全國高校教師實驗設(shè)備創(chuàng)新大賽，銀獎，排名第一（該獎項全國金獎1項、銀獎3項、銅獎6項）；（4）陜西首屆高校課堂教學(xué)創(chuàng)新大賽，優(yōu)秀獎；（5）校級教學(xué)成果，一等獎，排名第一；（6）校級教學(xué)成果，二等獎,3項，排名第一；（7）陜西省第三屆研究生電子設(shè)計競賽，優(yōu)秀指導(dǎo)教師獎；（8）指導(dǎo)學(xué)生獲國家級、省部級獎20余項。出版著作情況：《機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)》（機(jī)械工業(yè)出版社、2021年）、《機(jī)器人控制技術(shù)及智能控制方法》（西北工業(yè)大學(xué)出版社、2020年）。
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)器人的起源與發(fā)展 1
1.1.1 機(jī)器人的起源 1
1.1.2 機(jī)器人的發(fā)展 2
1.2 機(jī)器人的分類 3
1.2.1 按機(jī)器人的連接方式分類 3
1.2.2 按機(jī)器人的移動性分類 5
1.2.3 按機(jī)器人的控制方式分類 8
1.2.4 按機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)分類 9
1.2.5 按機(jī)器人的智能程度分類 9
1.2.6 按機(jī)器人的用途分類 9
1.3 本書綜述 10
1.3.1 機(jī)器人運動學(xué)設(shè)計與實踐 10
1.3.2 機(jī)器人感知和物體識別設(shè)計與實踐 12
1.3.3 機(jī)器人定位和地圖構(gòu)建設(shè)計與實踐 12
1.3.4 機(jī)器人規(guī)劃和避障設(shè)計與實踐 12
1.3.5 機(jī)器人控制設(shè)計與實踐 12
1.4 本章小結(jié) 12
習(xí)題1 13
第2章 機(jī)器人綜合設(shè)計與實踐平臺 14
2.1 引言 14
2.2 硬件系統(tǒng) 16
2.2.1 雙目視覺系統(tǒng) 17
2.2.2 雙臂作業(yè)系統(tǒng) 18
2.2.3 腰部3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu) 19
2.2.4 移動小車平臺 19
2.3 軟件系統(tǒng) 20
2.3.1 機(jī)器人模型 20
2.3.2 機(jī)器人通信 22
2.4 本章小結(jié) 23
習(xí)題2 23
第3章 機(jī)器人正運動學(xué)綜合設(shè)計與實踐 24
3.1 機(jī)器人正運動學(xué)理論基礎(chǔ) 24
3.1.1 機(jī)器人Standard-DH坐標(biāo)系 24
3.1.2 機(jī)器人Modified-DH坐標(biāo)系 26
3.1.3 相鄰兩連桿坐標(biāo)系的位姿表達(dá) 27
3.1.4 相鄰兩連桿坐標(biāo)系的位姿確定 27
3.1.5 機(jī)器人正運動學(xué) 29
3.2 機(jī)器人正運動學(xué)綜合設(shè)計 30
3.2.1 感知系統(tǒng)正運動學(xué) 31
3.2.2 主作業(yè)系統(tǒng)正運動學(xué) 34
3.2.3 輔助作業(yè)系統(tǒng)正運動學(xué) 36
3.2.4 3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)正運動學(xué) 37
3.3 機(jī)器人正運動學(xué)綜合實踐 40
3.3.1 仿真模型建立 40
3.3.2 正運動學(xué)仿真 42
3.3.3 正運動學(xué)實踐 43
3.4 本章小結(jié) 46
習(xí)題3 47
第4章 機(jī)器人逆運動學(xué)綜合設(shè)計與實踐 48
4.1 機(jī)器人逆運動學(xué)理論基礎(chǔ) 48
4.1.1 逆運動學(xué)定義 48
4.1.2 機(jī)器人逆運動學(xué)的解 48
4.2 機(jī)器人逆運動學(xué)綜合設(shè)計 49
4.2.1 主作業(yè)系統(tǒng)逆運動學(xué) 50
4.2.2 輔助作業(yè)系統(tǒng)逆運動學(xué) 61
4.2.3 3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆運動學(xué) 62
4.3 機(jī)器人逆運動學(xué)綜合實踐 64
4.4 本章小結(jié) 67
習(xí)題4 67
第5章 機(jī)器人視覺感知與SLAM 69
5.1 概述 69
5.2 機(jī)器人視覺感知系統(tǒng)理論基礎(chǔ) 70
5.2.1 相機(jī)成像模型 70
5.2.2 坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 71
5.3 機(jī)器人視覺感知系統(tǒng)綜合設(shè)計 73
5.3.1 攝像頭選擇 73
5.3.2 攝像頭標(biāo)定 74
5.3.3 視覺里程計設(shè)計 75
5.3.4 特征點檢測算法選擇 75
5.3.5 相機(jī)的運動估計 79
5.3.6 閉環(huán)檢測及關(guān)鍵幀選取策略 81
5.3.7 位姿圖優(yōu)化 84
5.4 機(jī)器人視覺感知系統(tǒng)綜合實踐 86
5.4.1 特征點匹配對比分析實踐 86
5.4.2 誤匹配特征點剔除的實驗及分析改進(jìn)實踐 95
5.4.3 建圖的要求及分類 98
5.5 本章小結(jié) 100
習(xí)題5 100
第6章 機(jī)器人目標(biāo)識別綜合設(shè)計與實踐 101
6.1 概述 101
6.2 機(jī)器人目標(biāo)識別理論基礎(chǔ) 101
6.2.1 傳統(tǒng)的物體識別 101
6.2.2 基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法 103
6.3 機(jī)器人目標(biāo)識別綜合設(shè)計 110
6.3.1 邊界框的預(yù)測 111
6.3.2 損失函數(shù) 112
6.3.3 特征提取網(wǎng)絡(luò) 113
6.3.4 多種網(wǎng)絡(luò)對比效果 114
6.4 機(jī)器人目標(biāo)識別綜合實踐 115
6.4.1 加深網(wǎng)絡(luò)層級 115
6.4.2 基于圖像金字塔的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu) 117
6.4.3 K-means先驗框聚類 119
6.5 本章小結(jié) 119
習(xí)題6 120
第7章 機(jī)器人路徑規(guī)劃綜合設(shè)計與實踐 121
7.1 概述 121
7.2 機(jī)器人路徑規(guī)劃理論基礎(chǔ) 121
7.3 機(jī)器人路徑規(guī)劃綜合設(shè)計 122
7.3.1 二維空間全局路徑規(guī)劃 122
7.3.2 三維空間內(nèi)路徑規(guī)劃 126
7.4 機(jī)器人路徑規(guī)劃綜合實踐 131
7.4.1 二維空間內(nèi)路徑規(guī)劃實踐 131
7.4.2 三維空間內(nèi)路徑仿真實驗 134
7.4.3 路徑平滑處理 136
7.5 本章小結(jié) 137
習(xí)題7 137
第8章 機(jī)器人軌跡規(guī)劃綜合設(shè)計與實踐 138
8.1 概述 138
8.2 機(jī)器人軌跡規(guī)劃理論基礎(chǔ) 138
8.3 機(jī)器人軌跡規(guī)劃綜合設(shè)計 139
8.3.1 關(guān)節(jié)空間下的軌跡規(guī)劃 139
8.3.2 工作空間下的軌跡規(guī)劃 141
8.3.3 機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃 146
8.4 機(jī)器人軌跡規(guī)劃綜合實踐 149
8.4.1 關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃 149
8.4.2 工作空間軌跡規(guī)劃 151
8.4.3 雙臂協(xié)調(diào)抓取任務(wù) 152
8.5 本章小結(jié) 155
習(xí)題8 155
第9章 機(jī)器人控制綜合設(shè)計與實踐 156
9.1 概述 156
9.2 機(jī)器人控制理論基礎(chǔ) 156
9.2.1 機(jī)器人控制器 156
9.2.2 機(jī)器人控制變量 157
9.2.3 機(jī)器人控制層次 157
9.2.4 機(jī)器人控制技術(shù) 159
9.3 機(jī)器人控制綜合設(shè)計 160
9.3.1 機(jī)器人驅(qū)動器空間控制綜合設(shè)計 162
9.3.2 機(jī)器人關(guān)節(jié)空間控制綜合設(shè)計 169
9.3.3 機(jī)器人工作空間控制綜合設(shè)計 173
9.4 機(jī)器人控制綜合實踐 175
9.4.1 機(jī)器人驅(qū)動器空間控制綜合實踐 175
9.4.2 機(jī)器人關(guān)節(jié)空間控制綜合實踐 177
9.4.3 機(jī)器人工作空間控制綜合實踐 182
9.5 本章小結(jié) 188
習(xí)題9 188
第10章 機(jī)器人綜合實踐 189
10.1 概述 189
10.1.1 軟、硬件系統(tǒng)介紹 189
10.1.2 軟件系統(tǒng) 190
10.2 SLAM系統(tǒng)性能分析 190
10.2.1 Tum數(shù)據(jù)集性能測試分析 190
10.2.2 建圖實驗 193
10.3 目標(biāo)物識別及三維環(huán)境重建實踐 197
10.3.1 實驗數(shù)據(jù)集及相關(guān)參數(shù)說明 197
10.3.2 目標(biāo)物、環(huán)境障礙物識別效果 198
10.3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能測試 199
10.3.4 環(huán)境障礙物三維重建實驗 202
10.4 目標(biāo)物抓取實驗 205
10.4.1 抓取實驗示例 205
10.4.2 誤差校正 208
10.4.3 雙臂抓取實驗 211
10.5 本章小結(jié) 212
習(xí)題10 212
參考文獻(xiàn) 213
附錄A 網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù) 216
附錄B P-R曲線繪制代碼 233
附錄C 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程代碼 238
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