智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐
前言
�r 為何寫(xiě)作本書(shū)
機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。當(dāng)前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，正極大地改變著人類(lèi)生產(chǎn)和生活的方式，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。
目前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了美、德、日、韓、中五大機(jī)器人市場(chǎng)。這五大市場(chǎng)占據(jù)了全球工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的74％。其中，美國(guó)是世界上最早使用工業(yè)機(jī)器人的國(guó)家，德國(guó)是歐洲最大的機(jī)器人市場(chǎng)，兩國(guó)的產(chǎn)業(yè)政策都以功能型產(chǎn)業(yè)政策為主。韓國(guó)和日本的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步雖晚，但是政府倡導(dǎo)的選擇型產(chǎn)業(yè)政策使得兩國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速崛起，在全球機(jī)器人密度排名中，韓國(guó)、日本分別位列第一、第四。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)機(jī)器人技術(shù)對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的趕超，機(jī)器人被列為《中國(guó)制造2025》十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一。到2025 年，我國(guó)將成為全球機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新策源地、高端制造集聚地和集成應(yīng)用新高地，一批機(jī)器人核心技術(shù)和高端產(chǎn)品將取得突破，整機(jī)綜合指標(biāo)將達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，關(guān)鍵零部件性能和系統(tǒng)可靠性將達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品水平。
黨的二十大報(bào)告指出：“加快實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略。堅(jiān)持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。”
為實(shí)現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，一方面，在2021年12月工業(yè)和信息化部等15部門(mén)同步聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出：到2025年，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)營(yíng)收年均增速超20%；到2035年，機(jī)器人將成為人民生活重要組成部分。該規(guī)劃部署了提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力、夯實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)、增加高端產(chǎn)品供給、拓展應(yīng)用深度廣度、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)五項(xiàng)主要任務(wù)。
另一方面，國(guó)家加強(qiáng)對(duì)機(jī)器人技術(shù)人才的培養(yǎng)力度。根據(jù)近五年公布的普通高等學(xué)校本科專(zhuān)業(yè)備案和審批結(jié)果的通知，截至2022年3月，全國(guó)共有322所高校成功備案“機(jī)器人工程”專(zhuān)業(yè)，440所高校成功備案“人工智能”專(zhuān)業(yè)，265所高校成功備案“智能制造工程”專(zhuān)業(yè)。如果再考慮自動(dòng)化、智能科學(xué)與技術(shù)等新工科專(zhuān)業(yè)的建設(shè)需求，全國(guó)開(kāi)設(shè)機(jī)器人相關(guān)課程的專(zhuān)業(yè)數(shù)量接近2000個(gè)，每年參加機(jī)器人相關(guān)課程學(xué)習(xí)與實(shí)踐的本科生人數(shù)接近10萬(wàn)人。
黨的二十大報(bào)告指出：“深入實(shí)施人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略。培養(yǎng)造就大批德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)人才，是國(guó)家和民族長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展大計(jì)�！�
本書(shū)希望能夠?yàn)槲覈?guó)機(jī)器人專(zhuān)業(yè)、人工智能專(zhuān)業(yè)等與機(jī)器人產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)貢獻(xiàn)一份微薄的力量。本書(shū)主要以機(jī)器人為應(yīng)用對(duì)象，更多地從實(shí)驗(yàn)案例角度（而非學(xué)術(shù)研究角度）出發(fā)，詳細(xì)介紹基于ROS和百度EasyDL平臺(tái)的智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程，詳細(xì)剖析智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)實(shí)踐所需的基本知識(shí)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本書(shū)編寫(xiě)的初衷是為了總結(jié)我們近年來(lái)在智能機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)方面的教學(xué)建設(shè)成果，向本領(lǐng)域初學(xué)者分享我們的一些學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。
本書(shū)的編寫(xiě)特色如下：
特色1本書(shū)以“國(guó)產(chǎn)機(jī)器人平臺(tái)+國(guó)產(chǎn)AI開(kāi)放平臺(tái)”為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)與人工智能技術(shù)的有機(jī)組合，融入了智能制造、智能物流的元素。本書(shū)既體現(xiàn)了機(jī)器人工程、人工智能、智能制造工程等交叉融合專(zhuān)業(yè)的特色，又展現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品的優(yōu)秀性能，有利于激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和自信心，有利于培養(yǎng)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。
特色2本書(shū)服務(wù)于專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)踐教學(xué)的實(shí)際需求，以案例式教學(xué)為授課方式，體現(xiàn)了“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教育理念。本書(shū)能夠幫助教師從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方式等方面推進(jìn)課程思政教育，全面貫徹黨的教育方針。
特色3本書(shū)提供的5個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)自于實(shí)際的加工生產(chǎn)場(chǎng)景，生動(dòng)形象，趣味性強(qiáng)，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)的滿(mǎn)意度和認(rèn)同感，體現(xiàn)創(chuàng)新教育新范式。
�r 如何閱讀本書(shū)
本書(shū)內(nèi)容包含8個(gè)章節(jié)，按照知識(shí)結(jié)構(gòu)，可以劃分為4個(gè)部分。讀者既可以按照章節(jié)順序逐步學(xué)習(xí)，也可以選擇其中部分章節(jié)單獨(dú)學(xué)習(xí)。教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和課程學(xué)時(shí)的具體情況安排教學(xué)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，本書(shū)建議的學(xué)時(shí)安排如圖1所示。
圖1本書(shū)建議的學(xué)時(shí)安排
第1部分是本書(shū)第1章，主要介紹機(jī)器人的定義、機(jī)器人發(fā)展史、現(xiàn)代機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用分類(lèi)、Dobot魔術(shù)師機(jī)器人與機(jī)械臂基礎(chǔ)知識(shí)、DashGO D1智能移動(dòng)平臺(tái)與移動(dòng)機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)、百度EasyDL開(kāi)發(fā)平臺(tái)與基本操作等。第1部分內(nèi)容是本書(shū)的機(jī)器人理論知識(shí)基礎(chǔ)，以具體的機(jī)器人平臺(tái)為示例，幫助讀者建立從理論到應(yīng)用的聯(lián)系。
第2部分是本書(shū)的第2、3章，其中第2章主要介紹Ubuntu系統(tǒng)安裝和Linux系統(tǒng)常用操作命令，第3章主要介紹ROS安裝、ROS基礎(chǔ)知識(shí)、ROS常用操作、ROS下相機(jī)的使用、移動(dòng)機(jī)器人RViz與Gazebo仿真等。第2部分內(nèi)容是本書(shū)的開(kāi)發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)，以相機(jī)和移動(dòng)機(jī)器人仿真為示例，幫助讀者熟悉和掌握ROS的使用。
第3部分是本書(shū)的第4、5章，其中第4章主要介紹Dobot碼垛機(jī)器人項(xiàng)目、EasyDL模型的編譯與使用、Dobot-demo的編譯和使用、TF樹(shù)的發(fā)布與坐標(biāo)變換和Dobot碼垛機(jī)器人實(shí)驗(yàn)操作，第5章主要介紹聲控分揀機(jī)器人項(xiàng)目簡(jiǎn)介、EasyDL物體檢測(cè)模型的編譯與使用、EasyDL語(yǔ)音識(shí)別模型的編譯與使用和聲控分揀機(jī)器人實(shí)驗(yàn)操作等。第3