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基于ROS的機(jī)器人設(shè)計與開發(fā) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030707994
- 條形碼：9787030707994 ; 978-7-03-070799-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
基于ROS的機(jī)器人設(shè)計與開發(fā) 內(nèi)容簡介
本書主要介紹機(jī)器人自航基本原理及其在機(jī)器人操作系統(tǒng)中的開發(fā)與實現(xiàn)。內(nèi)容包括兩部分：**部分（～3章）介紹機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)、機(jī)器人操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識及安裝過程；第二部分（第4～7章）介紹機(jī)器人自航的基礎(chǔ)理論（包括機(jī)器人定位技術(shù)、SLAM技術(shù)和路徑規(guī)劃）及其在ROs中的實現(xiàn)，并以自主開發(fā)小車Aibot為例介紹典型的移動機(jī)器人的搭建過程及自航功能的實現(xiàn)過程。 本書可作為高等學(xué)校機(jī)器人工程、自動化、智能無人系統(tǒng)科學(xué)與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的高年級本科生與研究生教材，也可作為移動機(jī)器人開發(fā)者的參考書籍。
基于ROS的機(jī)器人設(shè)計與開發(fā) 目錄
目錄
第1章 機(jī)器人概述 1
1.1 機(jī)器人簡介 1
1.1.1 機(jī)器人的概念 1
1.1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷程 2
1.1.3 機(jī)器人的分類 6
1.2 移動機(jī)器人簡介 7
1.2.1 移動機(jī)器人整體框架 7
1.2.2 移動機(jī)器人的感知 8
1.2.3 移動機(jī)器人的控制 8
1.2.4 移動機(jī)器人的導(dǎo)航 9
1.2.5 移動機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃 10
1.2.6 機(jī)器人操作系統(tǒng) 11
1.3 移動機(jī)器人發(fā)展 11
1.3.1 移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 11
1.3.2 移動機(jī)器人的發(fā)展趨勢 13
第2章 ROS簡介 15
2.1 ROS 概述 15
2.1.1 ROS 的產(chǎn)生 15
2.1.2 ROS 的發(fā)展 16
2.1.3 設(shè)計目標(biāo) 16
2.2 ROS 主要特點(diǎn) 17
2.3 ROS 組織結(jié)構(gòu) 19
2.3.1 計算圖級 19
2.3.2 文件系統(tǒng)級 22
2.3.3 社區(qū)級 23
2.4 工作環(huán)境的搭建 23
2.4.1 ROS 的安裝 24
2.4.2 ROS 安裝常見問題及解決 30
第3章 ROS基礎(chǔ) 33
3.1 基本概念 33
3.1.1 工作空間 33
3.1.2 文件系統(tǒng) 34
3.2 工作空間的搭建 34
3.2.1 創(chuàng)建工作空間 34
3.2.2 創(chuàng)建功能包 36
3.3 ROS 的運(yùn)行 37
3.3.1 主題通信 37
3.3.2 服務(wù)通信 41
3.3.3 動作編程 44
3.4 常用命令與工具 49
3.4.1 基本命令匯總 49
3.4.2 launch 文件 51
3.4.3 TF 工具箱 52
3.4.4 Qt 工具箱 56
3.4.5 RViz 可視化工具 59
3.4.6 Gazebo 可視化工具 60
3.5 操作小海龜 61
3.6 ROS 編程實例 66
第4章 機(jī)器人定位技術(shù) 69
4.1 定位技術(shù)概述 69
4.2 激光雷達(dá)定位技術(shù) 69
4.2.1 激光雷達(dá)的工作原理 70
4.2.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù) 71
4.2.3 激光雷達(dá)定位 76
4.3 里程計定位技術(shù) 77
4.4 視覺定位技術(shù) 80
4.4.1 視覺里程計定位 80
4.4.2 視覺標(biāo)記碼定位 82
4.5 基于天然信源的定位技術(shù) 84
4.5.1 慣性導(dǎo)航 84
4.5.2 地磁定位 87
4.6 基于外置信源的定位技術(shù) 88
4.6. GPS 定位技術(shù) 88
4.6. UWB 定位技術(shù) 91
4.6. Wi-Fi 定位技術(shù) 94
4.6. 藍(lán)牙定位技術(shù) 96
4.6. 蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) 98
4.6. 超聲波定位技術(shù) 99
4.7 多傳感器融合定位技術(shù) 100
4.7.1 位姿描述與坐標(biāo)變換 101
4.7.2 卡爾曼濾波 106
4.7.3 多傳感器融合 107
第5章 機(jī)器人SLAM技術(shù) 111
5.1 SLAM 概述 111
5.1.1 SLAM 經(jīng)典框架 111
5.1.2 SLAM 問題引出 112
5.1.3 粒子濾波SLAM 113
5.1.4 FastSLAM 116
5.1.5 ROS 中SLAM 的實現(xiàn) 118
5.2 Gmapping 119
5.2.1 Gmapping 算法原理 119
5.2.2 Gmapping 算法實現(xiàn) 122
5.2.3 Gmapping 的節(jié)點(diǎn)配置與運(yùn)行 125
5.2.4 Gmapping 建圖仿真 128
5.3 Cartographer 130
5.3.1 Cartographer 功能包 131
5.3.2 Cartographer 的節(jié)點(diǎn)配置與運(yùn)行 133
5.3.3 Cartographer 建圖仿真 136
5.4 Hector-slam 137
5.4.1 Hector-slam 功能包 137
5.4.2 Hector-slam 的節(jié)點(diǎn)配置與運(yùn)行 138
5.4.3 Hector-slam 建圖仿真 141
第6章 機(jī)器人路徑規(guī)劃 144
6.1 路徑規(guī)劃概述 144
6.2 移動機(jī)器人路徑規(guī)劃算法 146
6.2.1 全局路徑規(guī)劃算法 146
6.2.2 局部路徑規(guī)劃算法 151
6.3 路徑規(guī)劃功能包 153
6.3.1 路徑規(guī)劃框架 153
6.3.2 move_base 、amcl 功能包 156
6.4 代價地圖的配置 157
6.5 局部規(guī)劃器的配置 158
6.6 機(jī)器人路徑規(guī)劃功能的Gazebo 仿真 160
第7章 Aibot機(jī)器人自主導(dǎo)航實例 164
7.1 Aibot 機(jī)器人介紹 164
7.1.1 Aibot 機(jī)器人硬件平臺 164
7.1.2 Aibot 機(jī)器人電路設(shè)計 166
7.1.3 Aibot 機(jī)器人底層運(yùn)動控制程序 167
7.2 多傳感器融合定位 169
7.2.1 融合框架 169
7.2.2 里程計模型 170
7.2.3 IMU 數(shù)據(jù)解算 171
7.2.4 IMU 數(shù)據(jù)與里程計數(shù)據(jù)融合 171
7.3 Aibot 機(jī)器人的自主導(dǎo)航 173
7.3.1 Aibot 機(jī)器人導(dǎo)航流程 173
7.3.2 自主導(dǎo)航的軟件實現(xiàn)方案 174
7.3.3 通信模塊的軟件實現(xiàn) 176
7.3.4 傳感器數(shù)據(jù)處理模塊的軟件實現(xiàn) 180
7.3.5 運(yùn)動控制的軟件實現(xiàn) 186
7.3.6 建圖與路徑規(guī)劃模塊的軟件實現(xiàn) 186
7.4 遠(yuǎn)程控制Aibot 導(dǎo)航 187
7.4.1 遠(yuǎn)程控制Aibot 建圖 189
7.4.2 控制Aibot 小車進(jìn)行自主路徑規(guī)劃 192
7.5 搭建導(dǎo)航機(jī)器人注意事項 193
7.5. 編碼器協(xié)方差設(shè)置 193
7.5. 靜態(tài)坐標(biāo)變換的發(fā)布 194
7.5. 節(jié)點(diǎn)的通信關(guān)系 195
7.5. 機(jī)器人導(dǎo)航中的TF 樹 195
7.5. 導(dǎo)航錯誤排查 197
參考文獻(xiàn) 198
第1章 機(jī)器人概述 1
1.1 機(jī)器人簡介 1
1.1.1 機(jī)器人的概念 1
1.1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷程 2
1.1.3 機(jī)器人的分類 6
1.2 移動機(jī)器人簡介 7
1.2.1 移動機(jī)器人整體框架 7
1.2.2 移動機(jī)器人的感知 8
1.2.3 移動機(jī)器人的控制 8
1.2.4 移動機(jī)器人的導(dǎo)航 9
1.2.5 移動機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃 10
1.2.6 機(jī)器人操作系統(tǒng) 11
1.3 移動機(jī)器人發(fā)展 11
1.3.1 移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 11
1.3.2 移動機(jī)器人的發(fā)展趨勢 13
第2章 ROS簡介 15
2.1 ROS 概述 15
2.1.1 ROS 的產(chǎn)生 15
2.1.2 ROS 的發(fā)展 16
2.1.3 設(shè)計目標(biāo) 16
2.2 ROS 主要特點(diǎn) 17
2.3 ROS 組織結(jié)構(gòu) 19
2.3.1 計算圖級 19
2.3.2 文件系統(tǒng)級 22
2.3.3 社區(qū)級 23
2.4 工作環(huán)境的搭建 23
2.4.1 ROS 的安裝 24
2.4.2 ROS 安裝常見問題及解決 30
第3章 ROS基礎(chǔ) 33
3.1 基本概念 33
3.1.1 工作空間 33
3.1.2 文件系統(tǒng) 34
3.2 工作空間的搭建 34
3.2.1 創(chuàng)建工作空間 34
3.2.2 創(chuàng)建功能包 36
3.3 ROS 的運(yùn)行 37
3.3.1 主題通信 37
3.3.2 服務(wù)通信 41
3.3.3 動作編程 44
3.4 常用命令與工具 49
3.4.1 基本命令匯總 49
3.4.2 launch 文件 51
3.4.3 TF 工具箱 52
3.4.4 Qt 工具箱 56
3.4.5 RViz 可視化工具 59
3.4.6 Gazebo 可視化工具 60
3.5 操作小海龜 61
3.6 ROS 編程實例 66
第4章 機(jī)器人定位技術(shù) 69
4.1 定位技術(shù)概述 69
4.2 激光雷達(dá)定位技術(shù) 69
4.2.1 激光雷達(dá)的工作原理 70
4.2.2 激光雷達(dá)數(shù)據(jù) 71
4.2.3 激光雷達(dá)定位 76
4.3 里程計定位技術(shù) 77
4.4 視覺定位技術(shù) 80
4.4.1 視覺里程計定位 80
4.4.2 視覺標(biāo)記碼定位 82
4.5 基于天然信源的定位技術(shù) 84
4.5.1 慣性導(dǎo)航 84
4.5.2 地磁定位 87
4.6 基于外置信源的定位技術(shù) 88
4.6. GPS 定位技術(shù) 88
4.6. UWB 定位技術(shù) 91
4.6. Wi-Fi 定位技術(shù) 94
4.6. 藍(lán)牙定位技術(shù) 96
4.6. 蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) 98
4.6. 超聲波定位技術(shù) 99
4.7 多傳感器融合定位技術(shù) 100
4.7.1 位姿描述與坐標(biāo)變換 101
4.7.2 卡爾曼濾波 106
4.7.3 多傳感器融合 107
第5章 機(jī)器人SLAM技術(shù) 111
5.1 SLAM 概述 111
5.1.1 SLAM 經(jīng)典框架 111
5.1.2 SLAM 問題引出 112
5.1.3 粒子濾波SLAM 113
5.1.4 FastSLAM 116
5.1.5 ROS 中SLAM 的實現(xiàn) 118
5.2 Gmapping 119
5.2.1 Gmapping 算法原理 119
5.2.2 Gmapping 算法實現(xiàn) 122
5.2.3 Gmapping 的節(jié)點(diǎn)配置與運(yùn)行 125
5.2.4 Gmapping 建圖仿真 128
5.3 Cartographer 130
5.3.1 Cartographer 功能包 131
5.3.2 Cartographer 的節(jié)點(diǎn)配置與運(yùn)行 133
5.3.3 Cartographer 建圖仿真 136
5.4 Hector-slam 137
5.4.1 Hector-slam 功能包 137
5.4.2 Hector-slam 的節(jié)點(diǎn)配置與運(yùn)行 138
5.4.3 Hector-slam 建圖仿真 141
第6章 機(jī)器人路徑規(guī)劃 144
6.1 路徑規(guī)劃概述 144
6.2 移動機(jī)器人路徑規(guī)劃算法 146
6.2.1 全局路徑規(guī)劃算法 146
6.2.2 局部路徑規(guī)劃算法 151
6.3 路徑規(guī)劃功能包 153
6.3.1 路徑規(guī)劃框架 153
6.3.2 move_base 、amcl 功能包 156
6.4 代價地圖的配置 157
6.5 局部規(guī)劃器的配置 158
6.6 機(jī)器人路徑規(guī)劃功能的Gazebo 仿真 160
第7章 Aibot機(jī)器人自主導(dǎo)航實例 164
7.1 Aibot 機(jī)器人介紹 164
7.1.1 Aibot 機(jī)器人硬件平臺 164
7.1.2 Aibot 機(jī)器人電路設(shè)計 166
7.1.3 Aibot 機(jī)器人底層運(yùn)動控制程序 167
7.2 多傳感器融合定位 169
7.2.1 融合框架 169
7.2.2 里程計模型 170
7.2.3 IMU 數(shù)據(jù)解算 171
7.2.4 IMU 數(shù)據(jù)與里程計數(shù)據(jù)融合 171
7.3 Aibot 機(jī)器人的自主導(dǎo)航 173
7.3.1 Aibot 機(jī)器人導(dǎo)航流程 173
7.3.2 自主導(dǎo)航的軟件實現(xiàn)方案 174
7.3.3 通信模塊的軟件實現(xiàn) 176
7.3.4 傳感器數(shù)據(jù)處理模塊的軟件實現(xiàn) 180
7.3.5 運(yùn)動控制的軟件實現(xiàn) 186
7.3.6 建圖與路徑規(guī)劃模塊的軟件實現(xiàn) 186
7.4 遠(yuǎn)程控制Aibot 導(dǎo)航 187
7.4.1 遠(yuǎn)程控制Aibot 建圖 189
7.4.2 控制Aibot 小車進(jìn)行自主路徑規(guī)劃 192
7.5 搭建導(dǎo)航機(jī)器人注意事項 193
7.5. 編碼器協(xié)方差設(shè)置 193
7.5. 靜態(tài)坐標(biāo)變換的發(fā)布 194
7.5. 節(jié)點(diǎn)的通信關(guān)系 195
7.5. 機(jī)器人導(dǎo)航中的TF 樹 195
7.5. 導(dǎo)航錯誤排查 197
參考文獻(xiàn) 198
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基于ROS的機(jī)器人設(shè)計與開發(fā) 節(jié)選
第1章 機(jī)器人概述 隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，計算機(jī)、自動控制以及人工智能等技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人的研究也取得了巨大的突破。機(jī)器人就是按照預(yù)定程序，執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)的智能化機(jī)械設(shè)備。通過接收并執(zhí)行人類的命令，機(jī)器人可以輔助甚至取代人類做一些工作，也可以按照預(yù)定的規(guī)則來運(yùn)行，進(jìn)而在加工制造業(yè)、建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)等行業(yè)中發(fā)揮重要作用。如今，隨著機(jī)器人自身性能的不斷完善，其應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，從特定的工業(yè)加工場景，逐漸擴(kuò)展到智慧農(nóng)業(yè)、物流運(yùn)輸、城市安防，乃至國防安全等領(lǐng)域。因此，機(jī)器人已經(jīng)得到了世界各國的普遍關(guān)注，所涉及的機(jī)器人系統(tǒng)和其關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)也成為當(dāng)今科學(xué)與應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。 1.1 機(jī)器人簡介 1.1.1 機(jī)器人的概念 “機(jī)器人”一詞*早并不是一個嚴(yán)格的專業(yè)名詞。機(jī)器人*早出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代初期捷克的一個科幻話劇中，該劇虛構(gòu)了一種名為Robota(捷克語，意為苦力)的機(jī)器，可以聽從主人的命令并從事各種勞動。實際上，直到20世紀(jì)50年代才出現(xiàn)真正能夠代替人類進(jìn)行生產(chǎn)活動的機(jī)器人。此后，隨著機(jī)械、電氣、控制以及計算機(jī)等相關(guān)科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人開始大量應(yīng)用于汽車制造業(yè)、電子制造業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)中。 雖然機(jī)器人作為名詞被提出以及**臺工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)都是近100年發(fā)生的事情，但是人類渴望擁有機(jī)器人的夢想?yún)s要回溯到3000多年前。據(jù)歷史記載，早在西周時期，我國的偃師就研制出了能歌善舞的伶人。春秋末期，魯班(稱為“木匠祖師爺”)使用竹子和木料制造出一只木鳥，相傳它能在空中飛行，并且可以“三日不下”。國外曾經(jīng)出現(xiàn)了自動玩偶(現(xiàn)存*早的是200年前的少女玩偶，陳列在瑞士努薩蒂爾歷史博物館里)，這些玩偶是用齒輪和發(fā)條制成的，也曾在歐洲風(fēng)靡一時。由于當(dāng)時技術(shù)條件的限制，玩偶體型都較大。 近代以來，隨著**、二次工業(yè)革命的發(fā)展以及各種機(jī)械裝置的發(fā)明與應(yīng)用，世界各地出現(xiàn)了越來越多的機(jī)器人玩具。它們本質(zhì)上都是一類由凸輪、連桿組成的機(jī)械往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。此后，機(jī)器人的研究與開發(fā)漸漸受到更多人的關(guān)注，機(jī)器人開始沿著實用化的方向發(fā)展。 對于機(jī)器人的概念，我們主要從兩個層面進(jìn)行理解，一個是通俗意義上的機(jī)器人，另一個就要涉及技術(shù)層面了。 (1)從通俗意義上講，機(jī)器人是一個可以自動完成工作的自動化裝置。它既可以接收人類的命令，也可以執(zhí)行已編制的程序，還可以按照基于人工智能技術(shù)制定的規(guī)則運(yùn)行。 (2)從技術(shù)層面上分析，機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、運(yùn)動控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合機(jī)電系統(tǒng)。它集成了傳感器、計算機(jī)、自動控制以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中*活躍的領(lǐng)域之一。 1.1.2 機(jī)器人的發(fā)展歷程 1956年，美國的發(fā)明家德沃爾(Devol)和物理學(xué)家恩格爾伯格(Engelberger)成立了世界上**家機(jī)器人公司，名為Unimation。此后三年，兩人又成功發(fā)明了世界上**臺工業(yè)機(jī)器人——Unimate(尤尼梅特)，含義為“萬能自動”。該機(jī)器人的功能與人的手臂類似，可以用來進(jìn)行搬運(yùn)、拼裝、點(diǎn)焊、噴漆等工作。 1969年，舍曼發(fā)明了斯坦福臂，如圖1-1所示，這是一種機(jī)器人臂。斯坦福臂是世界上**批完全由計算機(jī)程序控制的機(jī)器人，它的發(fā)明是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的里程碑事件。雖然斯坦福臂僅是用于教育的六軸關(guān)節(jié)機(jī)器人，但其計算機(jī)程序控制技術(shù)開啟了工業(yè)機(jī)器人的新篇章。 圖1-2 WABOT-1機(jī)器人 圖1-1 斯坦福臂 20世紀(jì)70年代初期，日本在仿人機(jī)器人方面走在世界前列，日本早稻田大學(xué)是日本研究機(jī)器人較早的大學(xué)之一。1967年，該校的加藤實驗室啟動了極具影響力的WABOT項目，并于1972年誕生了WABOT-1，如圖1-2所示。該機(jī)器人為具有仿人功能的兩足機(jī)器人。機(jī)器人高約2m，重160kg，擁有肢體控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)和對話系統(tǒng)，還有四肢，全身共26個關(guān)節(jié)，可以自主導(dǎo)航和自由移動，甚至可以測量物體之間的距離。手部還裝有觸覺傳感器，這意味著它能抓住和運(yùn)輸物體。WABOT-1是世界上**個全尺寸人形智能機(jī)器人，加藤一郎后來被譽(yù)為“仿人機(jī)器人之父”。 1973年，德國庫卡公司發(fā)布了**個具有六個機(jī)電驅(qū)動軸的工業(yè)機(jī)器人Famulus。1976年，機(jī)器人Viking 1和Viking 2登陸火星，它們是眾所周知的火星漫游者的先驅(qū)。特別之處是它們由熱電發(fā)電機(jī)提供動力(該發(fā)電機(jī)利用衰變钚釋放的熱量提供電能)。1976年，東京工業(yè)大學(xué)發(fā)明了Shigeo-Hirose軟鉗機(jī)器人，它可以自動適應(yīng)抓取物體的外部形狀，其設(shè)計思想源于對自然界柔性結(jié)構(gòu)的仿生研究，如象鼻等。 20世紀(jì)80年代，機(jī)器人正式進(jìn)入了普通民眾的消費(fèi)市場，大部分都是簡單的玩具。其中，機(jī)器人玩具OmniBot 2000風(fēng)靡一時，如圖1-3所示。該機(jī)器人具有遠(yuǎn)程控制功能，配備了一個托盤，用于擺放飲料和零食。另一個備受追捧的機(jī)器人玩具是任天堂的R.O.B，它是任天堂娛樂系統(tǒng)的機(jī)器人播放器，可以響應(yīng)六種不同的命令。 1989年，麻省理工學(xué)院成功研制了一種名為Genghis(成吉思汗)的六足機(jī)器人，如圖1-4所示，它擁有12個伺服電機(jī)和22個傳感器，足式運(yùn)動可以幫助它穿越各種不平整的地形，被認(rèn)為是具有里程碑意義的機(jī)器人之一。 圖1-3 機(jī)器人玩具OmniBot 2000 圖1-4 六足機(jī)器人Genghis 1997年，旅居者號Sojourner漫游車(以非裔美國人活動家Truth的名字命名)登陸火星(圖1-5)，該車探索了約250m2的火星表面，并回傳了550張火星照片。 2000年，美國麻省理工學(xué)院人工智能實驗室仿人機(jī)器人小組研制了一款*早出現(xiàn)的社交機(jī)器人Kismet，能夠識別和模擬人的情緒。同年，本田的人形機(jī)器人ASIMO登上舞臺，如圖1-6所示，該機(jī)器人是一種智能仿人機(jī)器人，它能夠散步、交談、跟陌生人握手等。 圖1-5 機(jī)器人Sojourner 圖1-6 機(jī)器人ASIMO 21世紀(jì)初，“勇氣號”機(jī)器人被美國國家航空航天局送到火星表面。該機(jī)器人安裝了高性能計算機(jī)和高清攝像頭，這代表移動機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)進(jìn)入了新階段。2005年，受陸軍研究實驗室支持，波士頓動力公司發(fā)布了新一代“機(jī)械狗”BigDog軍用移動機(jī)器人，如圖1-7所示。它設(shè)計成一種軍用負(fù)重機(jī)器人野獸，身體上裝有50個傳感器。BigDog不使用輪子，而是使用四條腿進(jìn)行運(yùn)動，從而使它在復(fù)雜地形中保持了良好的通行能力。該機(jī)器人可以在戰(zhàn)場上為士兵運(yùn)送補(bǔ)給物品，具有較強(qiáng)的載重和平衡能力，能夠避開復(fù)雜地形中的各種障礙進(jìn)而完成任務(wù)。 2019年，麻省理工學(xué)院新推出的機(jī)器人Cheetah(獵豹)如圖1-8所示，從外形上來看，它就像一只看不到腦袋的獵豹。該機(jī)器人擁有超強(qiáng)的運(yùn)動能力，可以完成360°的后空翻動作，是首*實現(xiàn)了后空翻的四足機(jī)器人。它的行走速度大約是普通人行走速度的兩倍。該機(jī)器人具有自平衡能力，即使被推倒也能快速恢復(fù)站立姿態(tài)。 圖1-7 波士頓“機(jī)械狗”BigDog 圖1-8 機(jī)器人Cheetah(獵豹) 我國工業(yè)機(jī)器人始于20世紀(jì)70年代初，前后經(jīng)歷了搖籃期、成長期和高速發(fā)展期。70年代初，在時任中國科學(xué)院(中科院)沈陽自動化研究所所長蔣新松教授的推動和倡導(dǎo)下，我國開展了中國機(jī)器人技術(shù)方面的早期探索和研究，在機(jī)器人控制算法和控制系統(tǒng)設(shè)計等方面取得了一定的突破。 1977年，我國**個以機(jī)器人為主題的全國機(jī)械手技術(shù)交流大會在浙江嘉興召開；其后的幾年間，我國開始不斷與國際上的機(jī)器人專家展開學(xué)術(shù)交流，從而加快了我國機(jī)器人發(fā)展的腳步。此后，多個省市對機(jī)器人及其相關(guān)應(yīng)用工程項目進(jìn)行了專項扶持，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)就在國家和地方支持下對焊接機(jī)器人展開了研發(fā)。 1982～1984年，中科院沈陽自動化研究所成功建成了機(jī)器人工程中心，主要研發(fā)智能機(jī)器人和水下機(jī)器人。1985年，上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所自主研制了“上海一號”弧焊機(jī)器人，這是中國**臺6自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人。1988年，該所完成了“上海三號”機(jī)器人的研制。20世紀(jì)80年代末，國防科技大學(xué)開始組織對汽車無人駕駛技術(shù)的攻關(guān)，并于1992年研制出國內(nèi)**輛無人駕駛汽車。 1994年，中科院沈陽自動化研究所聯(lián)合多家單位成功研制了我國**臺無纜水下機(jī)器人“探索者號”。整個機(jī)器人由水上和水下兩個部分組成，包含載體、電控、聲學(xué)、導(dǎo)航等系統(tǒng)，涉及水聲通信、自動駕駛、導(dǎo)航定位、多傳感器融合、高效深潛、水面收放等多項先進(jìn)技術(shù)。它的成功研制標(biāo)志著我國水下機(jī)器人技術(shù)已慢慢走向成熟。在“探索者號”的基礎(chǔ)上，中科院近年來又研制出了高級智能水下機(jī)器人——“大黃魚”。它擁有著萌萌的外觀和高超的深潛技術(shù)，而其*大的亮點(diǎn)就是可以自主決策是繼續(xù)航行還是回收。經(jīng)過水下實驗后，“大黃魚”也成為海洋科考的新利器。 進(jìn)入21世紀(jì)，我國機(jī)器人的研究邁向全面發(fā)展時期。國防科技大學(xué)歷時10年，于2000年成功研制出了我國**個仿人機(jī)器人——“先行者”。就像其名字描述的那樣，“先行者”可以實現(xiàn)行走的功能，它行走時較靈活，既可以穩(wěn)步前進(jìn)，又可以自如地轉(zhuǎn)彎、上坡，還可以適應(yīng)一些小偏差、不確定的環(huán)境。成立于2000年的新松機(jī)器人自動化股份有限公司研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的上百種機(jī)器人產(chǎn)品，涉及服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人和移動機(jī)器人等。 2003年，清華大學(xué)在室外機(jī)器人研究平臺THMR-Ⅲ的基礎(chǔ)上研發(fā)出智能車THMR-Ⅴ，如圖1-9(a)所示，它能夠利用多傳感器融合信息進(jìn)行局部和全局規(guī)劃，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的車道線自動跟蹤、遠(yuǎn)程視覺遙控等功能。2009年，由國家自然科學(xué)基金委員會主辦的“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”在西安拉開帷幕，此后該項賽事持續(xù)舉辦，不斷展示我國智能車研究的*新進(jìn)展。2015年，百度開始大規(guī)模投入無人駕駛汽車技術(shù)研發(fā)，隨后發(fā)布了一項名為“阿波羅”的新計劃，目的就是面向汽車行業(yè)提供一套完整、開放、安全的開源軟件平臺，幫助車企快速搭建一套屬于自己的自動駕駛系統(tǒng)。 圖1-9 國內(nèi)機(jī)器人成果 2018年，浙江大學(xué)發(fā)布了自主研制的四足機(jī)器人——“絕影”，如圖1-9(b)所示。它具有較強(qiáng)的感知和運(yùn)動能力，掌握了跑跳、爬梯、自主蹲下再站起來等許多能力，即使摔倒在地，也能夠自動調(diào)整身體方位重新站立。2019年“玉兔二號”月球車(圖1-9(c))與2021年“祝融號”火星車(圖1-9(d))的成功著陸，標(biāo)志著我國在空間探測領(lǐng)域取得巨大進(jìn)展，它們不僅搭載著多種探測儀器，還可以通過與中繼衛(wèi)星的通信完成環(huán)境感知與路徑規(guī)劃功能，安全到達(dá)指定地點(diǎn)。 1.1.3 機(jī)器人的分類 從結(jié)構(gòu)上看，機(jī)器人包含傳感器、操作器、控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動等部分。但是由于機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境、移動方式的不同，其具體的實現(xiàn)形式也是千差萬別的。因此，下面將從不同的角度對機(jī)器人的類別進(jìn)行探討。 (1)根據(jù)移動方式來分，機(jī)器人可分為輪式、履帶式、足式、爬行式和特殊式(如吸附式、軌道式)等類型。輪式機(jī)器人可以在平坦路面上高速移動。缺點(diǎn)是在松軟路面上輪子容易打滑，且無法適應(yīng)復(fù)雜地形。履帶式機(jī)器人的履帶與地面接觸面積大、較平穩(wěn)，能更好地適應(yīng)松軟地形，如沙地、泥地。缺點(diǎn)是對高低落差較大的地形無能為力。足式機(jī)器人適于凹凸不平的地面環(huán)境，幾乎可以適應(yīng)各種復(fù)雜地形。缺點(diǎn)是行進(jìn)速度較慢，且重心高，易側(cè)翻。蛇形機(jī)器人屬于爬行式，它具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性好等特點(diǎn)，能夠在彎曲的狹小空間移動，并可攀爬障礙物。特殊式機(jī)器人主要適應(yīng)特殊場合，如管道爬行。 (2)根據(jù)功能和用途來分，機(jī)器人可分為工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人和特種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人具有一定的自動能力，可依靠自身的動力能源和控制能力實現(xiàn)各種工業(yè)加工制造功能，常見于工業(yè)多關(guān)節(jié)機(jī)械手
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