本书作为机器人领域的入门教材，旨在为初学者学习机器人相关知识和技术提供一个全面而深入的视角。首先，通过概述机器人的发展历史、应用分类和技术组成，帮助读者建立对机器人技术的初步认识。其次，对研制机器人所涉及的核心关键技术做了系统性阐述。本书共8章，全面深入地介绍了机器人技术的不同组成部分，包括机器人的机械结构、动力系统、传感技术、微控制器、机器视觉、机器人规划和定位与建图，指导读者搭建机器人躯体、组建感知和控制系统，并对移动机器人运动进行定位和规划，这些都是构建一个功能完备的机器人不可或缺的要素。 　　本书适合作为普通高校机器人、自动化、人工智能、智能制造等专业的教材，为学生进一步深入学习机器人相关知识奠定基础。本书也可作为相关工程技术人员的参考资料。 　　本书配有电子课件，请选用本书作教材的教师登录www.cmpedu.com注册后下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。

高等院校教师

序
前言
第1章 绪论1
1.1 机器人的定义与分类1
1.2 机器人的发展与应用2
1.3 机器人关键技术6
本章小结7
习题8
参考文献8
第2章 机器人机构9
2.1 机构设计概述9
2.1.1 基本概念10
2.1.2 设计流程11
2.1.3 设计准则12
2.2 机构传动13
2.2.1 渐开线的形成14
2.2.2 主要参数及计算14
2.2.3 定常传动比与中心距15
2.2.4 齿轮轮系16
2.2.5 机器人齿轮传动应用案例17
2.2.6 连杆机构及特点18
2.2.7 平面四连杆类型18
2.2.8 平面四连杆机构的计算20
2.3 轴系21
2.3.1 滚动轴承21
2.3.2 滑动轴承22
2.3.3 轴系安装与使用23
2.4 紧固与联接 24
2.4.1 键联接24
2.4.2 销联接25
2.4.3 胶接26
2.4.4 紧定螺钉联接26
2.4.5 联轴器联接27
本章小结27
习题27
参考文献28
第3章 机器人驱动29
3.1 驱动的功能与类型29
3.1.1 驱动的功能29
3.1.2 驱动的类型31
3.2 直流电机的工作原理36
3.2.1 有刷直流电机37
3.2.2 无刷直流电机38
3.2.3 电机的控制模型39
3.3 直流电机驱动40
3.3.1 电机调速原理40
3.3.2 脉宽调制技术41
3.3.3 直流电机驱动器43
3.4 直流电机伺服控制44
3.4.1 开环控制45
3.4.2 闭环控制46
3.4.3 伺服的替代方案48
3.5 驱动的选型50
本章小结55
习题56
参考文献56
第4章 机器人传感器58
4.1 机器人传感器概述58
4.1.1 机器人传感器的定义与作用58
4.1.2 机器人传感器的分类60
4.1.3 机器人传感器的性能61
4.1.4 机器人传感器信号处理63
4.1.5 机器人传感器系统展望64
4.2 机器人位置姿态传感器65
4.2.1 机器人位置传感器65
4.2.2 机器人姿态传感器69
4.3 机器人运动传感器71
4.3.1 机器人速度传感器71
4.3.2 机器人加速度传感器72
4.3.3 机器人角速度传感器72
4.3.4 基于卡尔曼滤波的运动学传感器抗噪应用案例73
4.4 机器人测距传感器76
4.4.1 超声波测距传感器76
4.4.2 激光测距传感器77
4.4.3 红外测距传感器79
4.4.4 其他测距传感器80
4.5 视觉传感器80
4.5.1 视觉传感器分类及工作原理80
4.5.2 标定方法82
4.5.3 基于视觉YOLOv5的喷码识别应用案例86
4.6 力触觉传感器87
4.6.1 力触觉传感器分类与工作原理87
4.6.2 多维力触觉信号解耦方法90
4.6.3 基于光纤光栅式六维力传感器的设计案例92
4.7 机器人其他传感器93
本章小结94
习题94
参考文献95
第5章 机器人微控制器96
5.1 机器人微控制器概述96
5.1.1 微控制器的定义96
5.1.2 微控制器的发展历史97
5.1.3 微控制器的性能指标99
5.1.4 微控制器的发展趋势100
5.2 微控制器原理101
5.2.1 微控制器的组成101
5.2.2 微控制器的工作过程104
5.3 微控制器模块与接口技术107
5.3.1 通用输入/输出107
5.3.2 定时器/计数器108
5.3.3 中断109
5.3.4 串行通信110
5.4 Arduino微控制器113
5.4.1 Arduino微控制器概述113
5.4.2 Arduino微控制器接口113
5.4.3 Arduino微控制器编程115
5.4.4 Arduino微控制器应用117
本章小结120
习题121
参考文献121
第6章 机器人视觉122
6.1 机器人视觉简介122
6.1.1 传感器及成像原理122
6.1.2 常见机器人视觉应用123
6.1.3 机器人视觉的挑战124
6.2 图像及相机建模125
6.2.1 图像125
6.2.2 相机建模125
6.2.3 相机标定127
6.3 三维建模128
6.3.1 双目几何128
6.3.2 双目矫正129
6.3.3 双目匹配130
6.4 特征检测与匹配132
6.4.1 特征点132
6.4.2 描述子134
6.4.3 特征匹配及位姿估计137
6.5 物体语义理解137
6.5.1 样例识别137
6.5.2 物体分类139
本章小结140
习题141
参考文献142
第7章 机器人规划143
7.1 机器人规划简介143
7.1.1 运动规划基本概念143
7.1.2 常用导航地图形式146
7.2 基于搜索的路径规划算法153
7.2.1 基于搜索的路径规划算法概述153
7.2.2 深度优先搜索156
7.2.3 广度优先搜索157
7.2.4 贪心算法159
7.2.5 Dijkstra算法159
7.2.6 A*算法161
7.3 基于采样的路径规划算法163
7.3.1 基于采样的路径规划算法概述163
7.3.2 概率路线图算法164
7.3.3 快速探索随机树算法166
7.3.4 RRT*算法及改进算法168
7.4 轨迹优化170
7.4.1 轨迹优化基本介绍170
7.4.2 光滑一维轨迹生成171
7.4.3 Minimum snap轨迹生成172
7.4.4 软约束和硬约束下的轨迹优化174
7.5 应用实例176
7.5.1 基于可行空间的轨迹优化实例176
7.5.2 软约束的轨迹优化实例179
本章小结182
习题182
参考文献183
第8章 机器人定位与建图184
8.1 机器人定位与建图简介184
8.1.1 机器人自主导航基本概念184
8.1.2 机器人定位基本概念185
8.1.3 机器人建图基本概念185
8.1.4 机器人同步定位与建图基本概念186
8.2 机器人定位的主要方法187
8.2.1 基于外部设备感知的定位187
8.2.2 不依赖外部设备感知的自主定位190
8.2.3 贝叶斯滤波框架下的自主定位算法194
8.3 机器人地图的表示197
8.3.1 稀疏特征点地图197
8.3.2 稠密点云地图198
8.3.3 占用栅格地图199
8.3.4 语义地图201
8.3.5 拓扑地图202
8.4 机器人同步定位与建图的常用算法204
8.4.1 基于二维激光雷达的同步定位与建图常用算法204
8.4.2 基于三维激光雷达的同步定位与建图常用算法205
8.4.3 基于视觉的同步定位与建图常用算法206
8.4.4 基于多传感器信息融合的同步定位与建图常用算法207
8.5 机器人定位与建图的挑战与发展趋势210
8.5.1 机器人定位与建图面临的挑战210
8.5.2 机器人定位与建图的发展趋势211
本章小结211
习题212
参考文献212