本书主要介绍智能机器人的产生及发展、典型的机器人系统和智能机器人系统基础、感知系统、导航技术、协作系统、控制与自学习、仿真与软件设计、机电控制系统设计、竞赛及应用等。本书结合“结果导向思维”，应用 OBE 理念编写，凸显了“智能”特色，落实了“思政贯通”教学主线。本书突出“智能化”机器人特色，以“智能”为主轴展开，有助于学生跳出传统工业机器人的单一学习思路，帮助学生全面认知机器人。本书配有在线课程“机器人技术导论”（“智慧树”平台），以及教学大纲、PPT、习题解答、课程思政等资源，读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）下载。本书适合作为高等院校机器人工程、自动化、电子信息与机械电子工程等专业的本科生或硕士生的引导性教材或参考书，也可作为工科学生机器人活动、相关学科竞赛教材，还可供有关工程技术人员参考。

程磊，男，武汉科技大学信息科学与工程学院院长助理、教授、武汉科技大学教学模范、自动化系主任／责任教授，兼任中国人工智能学会青年工作委员会常务委员、中国人工智能学会智能机器人专业委员会常务委员，入选"湖北省新世纪高层次人才工程”，被评为武汉市洪山区十大优秀青年；获国际国内学术奖10项，以及国家、湖北省教学成果奖各1项；承担国家级、省部级教研项目3项；指导学生在"挑战杯”、"创青春”、全国大学生机器人Robocon大赛上获得国家奖7项。

第1 章 智能机器人概论 ............................................................................................... 1
1.1 智能机器人的产生与发展 ............................................................................ 2
1.1.1 机器人的产生 ............................................................................................. 2
1.1.2 机器人的概念 ............................................................................................. 2
1.1.3 机器人的发展历程 ..................................................................................... 3
1.1.4 机器人的应用领域 ..................................................................................... 5
1.1.5 机器人的发展趋势 ..................................................................................... 6
1.2 典型的机器人系统 .......................................................................................... 8
1.2.1 机械系统 ..................................................................................................... 8
1.2.2 驱动系统 ..................................................................................................... 9
1.2.3 感知系统 ..................................................................................................... 9
1.2.4 控制系统 ................................................................................................... 10
1.2.5 通信系统 ................................................................................................... 10
习题1 .......................................................................................................................... 11
第2 章 智能机器人系统基础 .................................................................................... 13
2.1 智能机械臂结构 ............................................................................................. 14
2.1.1 机械臂的分类与作用 ............................................................................... 14
2.1.2 机械臂机构设计 ....................................................................................... 18
2.2 智能机器人行走机构 ................................................................................... 23
2.2.1 轮式行走机构 ........................................................................................... 23
2.2.2 履带式行走机构 ....................................................................................... 25
2.2.3 足式行走机构 ........................................................................................... 27
2.3 智能机器人驱动技术 ................................................................................... 29
2.3.1 驱动电动机 ............................................................................................... 29
2.3.2 驱动控制 ................................................................................................... 33
2.3.3 驱动电源 ................................................................................................... 34
习题2 .......................................................................................................................... 37
第3 章 智能机器人感知系统 .................................................................................... 39
3.1 智能感知系统构成 ........................................................................................ 40
3.1.1 感知系统的组成 ....................................................................................... 41
3.1.2 感知系统的分布 ....................................................................................... 42
3.2 距离感知 .......................................................................................................... 45
3.2.1 声呐测距 ................................................................................................... 45
3.2.2 红外测距 ................................................................................................... 47
3.2.3 超声波测距 ............................................................................................... 48
3.2.4 激光测距 ................................................................................................... 48
3.3 位姿感知 .......................................................................................................... 49
3.3.1 旋转位移测量 ........................................................................................... 49
3.3.2 姿态航向测量 ........................................................................................... 51
3.4 力觉感知 .......................................................................................................... 54
3.4.1 触觉传感器 ............................................................................................... 55
3.4.2 力觉传感器 ............................................................................................... 56
3.4.3 滑觉传感器 ............................................................................................... 57
3.4.4 接近觉传感器 ........................................................................................... 58
3.5 视觉感知 .......................................................................................................... 59
3.5.1 图像采集与图像处理 ............................................................................... 59
3.5.2 视觉系统 ................................................................................................... 61
3.6 听觉感知 .......................................................................................................... 63
3.6.1 语音采集 ................................................................................................... 63
3.6.2 语音识别 ................................................................................................... 64
3.7 嗅觉与味觉感知 ............................................................................................ 65
3.7.1 嗅觉感知 ................................................................................................... 65
3.7.2 味觉感知 ................................................................................................... 67
3.8 多传感器数据融合 ........................................................................................ 68
3.8.1 多传感器数据融合的定义与目的 ........................................................... 68
3.8.2 多传感器数据融合的特点 ....................................................................... 68
3.8.3 数据融合的三个层次 ............................................................................... 68
3.8.4 数据融合方法和融合模式 ....................................................................... 69
3.8.5 多传感器数据融合的应用 ....................................................................... 71
习题3 .......................................................................................................................... 72
第4 章 智能机器人导航技术 .................................................................................... 74
4.1 导航系统的概念 ............................................................................................. 75
4.2 导航系统的分类 ............................................................................................. 75
4.3 地图构造 .......................................................................................................... 77
4.3.1 拓扑图 ....................................................................................................... 77
4.3.2 特征图 ....................................................................................................... 78
4.3.3 网格图 ....................................................................................................... 79
4.3.4 直接表征法 ............................................................................................... 79
4.3.5 机器人地图构造的意义 ........................................................................... 80
4.4 定位介绍 .......................................................................................................... 81
4.4.1 相对定位 ................................................................................................... 81
4.4.2 绝对定位 ................................................................................................... 83
4.4.3 机器人感知 ............................................................................................... 86
4.5 机器人定位 ...................................................................................................... 87
4.5.1 外部信标定位 ........................................................................................... 87
4.5.2 三边定位法 ............................................................................................... 87
4.5.3 空间信标定位 ........................................................................................... 88
4.6 自主移动机器人导航定位 .......................................................................... 89
4.6.1 视觉导航定位 ........................................................................................... 89
4.6.2 光反射导航定位 ....................................................................................... 89
4.6.3 GNSS 定位 ................................................................................................ 90
4.6.4 超声波导航定位 ....................................................................................... 90
4.7 路径规划 .......................................................................................................... 91
4.7.1 工作空间与位形空间 ............................................................................... 91
4.7.2 路径规划方法 ........................................................................................... 92
4.7.3 基于地图的全局路径规划算法 ............................................................... 93
4.7.4 基于传感器的局部路径规划 ................................................................... 97
4.8 机器人与无线传感器网络 .......................................................................... 99
4.8.1 无线传感器网络基本理论 ....................................................................... 99
4.8.2 移动机器人在无线传感器网络中的应用 ............................................. 100
习题4 ........................................................................................................................ 101
第5章 智能机器人协作系统 .................................................................................. 103
5.1 智能机器人通信系统 ................................................................................. 104
5.1.1 现代通信系统介绍 ................................................................................. 104
5.1.2 机器人通信系统 ..................................................................................... 105
5.2 多机器人系统 ............................................................................................... 107
5.2.1 多机器人系统的优点 ............................................................................. 107
5.2.2 多机器人系统的研究方向 ..................................................................... 108
5.2.3 几种典型的多机器人系统 ..................................................................... 112
5.2.4 多机器人协同运行 ................................................................................. 113
5.3 多智能体系统 ............................................................................................... 115
5.3.1 多智能体系统的基本概念 ..................................................................... 115
5.3.2 应用领域 ................................................................................................. 116
5.3.3 一致性问题 ............................................................................................. 116
5.4 人机协作 ........................................................................................................ 117
5.4.1 协作机器人的兴起 ................................................................................. 117
5.4.2 人机协作 ................................................................................................. 118
5.4.3 优点与不足 ............................................................................................. 120
5.4.4 人机协作的实现 ..................................................................................... 121
习题5 ........................................................................................................................ 122
第6章 智能机器人的控制与自学习 .................................................................... 124
6.1 PID 控制 ......................................................................................................... 125
6.1.1 PID 控制原理 ......................................................................................... 125
6.1.2 机器人PID 控制 .................................................................................... 127
6.2 基于行为的控制法 ...................................................................................... 129
6.2.1 基本概念 ................................................................................................. 129
6.2.2 基于行为的控制法的发展 ..................................................................... 131
6.3 模糊控制 ........................................................................................................ 132
6.3.1 模糊控制基础知识 ................................................................................. 132
6.3.2 模糊控制的基本原理 ............................................................................. 135
6.3.3 机器人系统的模糊控制 ......................................................................... 136
6.4 自适应控制 .................................................................................................... 137
6.4.1 自适应控制的提出 ................................................................................. 138
6.4.2 自适应控制的基本理论 ......................................................................... 139
6.4.3 自适应控制的应用 ................................................................................. 142
6.5 神经网络 ........................................................................................................ 143
6.5.1 神经网络基础知识 ................................................................................. 144
6.5.2 神经网络的结构 ..................................................................................... 146
6.5.3 神经网络的学习 ..................................................................................... 151
6.6 机器学习 ........................................................................................................ 152
6.6.1 什么是机器学习 ..................................................................................... 152
6.6.2 机器学习与机器人控制 ......................................................................... 154
6.6.3 机器学习的应用 ..................................................................................... 157
习题6 ........................................................................................................................ 157
第7章 智能机器人仿真与软件设计 .................................................................... 159
7.1 智能机器人虚拟仿真 ................................................................................. 160
7.1.1 机器人虚拟仿真的意义 ......................................................................... 160
7.1.2 机器人虚拟仿真的对象 ......................................................................... 160
7.1.3 机器人建模与仿真 ................................................................................. 161
7.2 SolidWorks 机器人建模 ............................................................................. 161
7.2.1 SolidWorks 软件的特点 ......................................................................... 161
7.2.2 工件设计 ................................................................................................. 163
7.2.3 用SolidWorks 搭建机器人模型 ............................................................ 165
7.3 机器人操作系统ROS ................................................................................ 168
7.3.1 ROS 简介 ................................................................................................ 168
7.3.2 ROS 总体框架 ........................................................................................ 170
7.3.3 ROS 中的常用功能 ................................................................................ 174
7.3.4 应用ROS 的机器人 ............................................................................... 175
7.4 RobotStudio ................................................................................................... 175
7.4.1 RobotStudio 软件的功能介绍 ................................................................ 176
7.4.2 RobotStudio 软件的使用 ........................................................................ 177
习题7 ........................................................................................................................ 182
第8章 智能机器人机电控制系统设计 ............................................................... 183
8.1 智能机器人MCU 控制系统 .................................................................... 184
8.1.1 16 位MCU 机器人控制系统 ................................................................. 184
8.1.2 32 位MCU 机器人控制系统 ................................................................. 189
8.2 工业机器人PLC 控制 ................................................................................ 192
8.2.1 自动装配工作站 ..................................................................................... 193
8.2.2 自动装配工作站的结构设计 ................................................................. 194
8.2.3 自动装配工作站控制系统 ..................................................................... 195
8.2.4 自动装配工作站的硬件系统 ................................................................. 197
8.2.5 自动装配工作站的软件系统 ................................................................. 199
习题8 ........................................................................................................................ 200
第9 章 智能机器人竞赛 ........................................................................................... 202
9.1 RoboCon ......................................................................................................... 203
9.1.1 大赛简介 ................................................................................................. 203
9.1.2 抢攀珠穆朗玛峰 ..................................................................................... 203
9.1.3 “快马加鞭” ............................................................................................. 204
9.2 RoboMaster .................................................................................................... 205
9.2.1 大赛简介 ................................................................................................. 205
9.2.2 机甲大师高校系列赛 ............................................................................. 206
9.2.3 机甲大师超级对抗赛 ............................................................................. 206
9.2.4 机甲大师高校单项赛 ............................................................................. 207
9.2.5 机甲大师高校人工智能挑战赛 ............................................................. 208
9.3 全国大学生工程训练综合能力竞赛 ...................................................... 210
9.3.1 竞赛简介 ................................................................................................. 210
9.3.2 智能+赛道 .............................................................................................. 211
习题9 ........................................................................................................................ 213
第10 章 智能机器人应用 ........................................................................................ 214
10.1 智能巡检机器人 ........................................................................................ 215
10.2 仿生机器人 ................................................................................................. 220
10.2.1 运动机理仿生 ....................................................................................... 220
10.2.2 仿生机器人实例 ................................................................................... 222
10.3 无人机 ........................................................................................................... 226
10.3.1 常见飞行器的分类 ............................................................................... 226
10.3.2 无人机的基本构成 ............................................................................... 228
10.3.3 无人机应用现状 ................................................................................... 231
10.3.4 无人机实例 ........................................................................................... 232
习题10 ...................................................................................................................... 235