內容簡介

本書循序漸進地介紹了機器人的發展、核心功能，並通過一個服務機器人的例子介紹了機器人的完整開發過程。通過本書，讀者可以在了解機器人工作原理的基礎上，快速開發與實現一個有完整的功能的機器人。本書適合作為高校機器人、人工智能及相關專業作為教材，也可供對機器人開發感興趣的讀者閱讀。

  目錄

  前言
*一部分 基礎知識
*1章 機器人概述 2
1.1 機器人的定義和分類 2
1.1.1 機器人的定義 2
1.1.2 服務機器人的分類 3
1.2 現代機器人的發展歷程 3
1.2.1 現代機器人研究初期 3
1.2.2 20世紀70年代 4
1.2.3 20世紀80年代 5
1.2.4 20世紀90年代 7
1.2.5 21世紀 9
1.3 機器人的組成 15
1.3.1 機器人的執行機構 15
1.3.2 驅動裝置 16
1.3.3 傳感裝置 16
1.3.4 控制繫統 16
1.3.5 智能繫統 16
1.3.6 智能人機接口繫統 17
1.4 機器人的關鍵技術 17
1.4.1 自主移動技術 17
1.4.2 感知技術 18
1.4.3 智能決策和控制技術 18
1.4.4 通信技術 18
1.5 機器人的發展趨勢 18
1.5.1 人機交互層次化、人性化 18
1.5.2 與環境的交互智能化 19
1.5.3 資源利用網絡化 19
1.5.4 設計與生產標準化、模塊化、體繫化 19
習題 19
參考文獻 19
*2章 ROS入門 22
2.1 ROS簡介 22
2.1.1 為什麼使用ROS 22
2.1.2 什麼是ROS 23
2.1.3 ROS與計算機操作繫統的區別 23
2.1.4 ROS的主要特點 24
2.2 ROS的安裝與卸載 25
2.2.1 ROS的版本 25
2.2.2 安裝、配置ROS Indigo 25
2.2.3 安裝、配置ROS Melodic 28
2.2.4 卸載ROS 29
2.3 進一步學習的資源 29
習題 30
參考文獻 30
第3章 ROS框架和使用基礎 31
3.1 ROS框架 31
3.1.1 文件繫統級 31
3.1.2 計算圖級 32
3.1.3 社區級 33
3.2 ROS使用基礎 34
3.2.1 catkin概述 34
3.2.2 工作空間及其創建方法 34
3.2.3 創建ROS工程包 37
3.2.4 編譯ROS工程包 37
3.2.5 創建ROS節點 37
3.2.6 編譯運行ROS節點 38
3.2.7 roslaunch的使用 39
3.2.8 創建ROS消息和服務 41
3.2.9 編寫簡單的消息發布器和訂閱器（C++語言實現） 44
3.2.10 編寫簡單的消息發布器和訂閱器（Python語言實現） 47
3.2.11 測試消息發布器和訂閱器 48
3.2.12 編寫簡單的Server和Client（C++語言實現） 49
3.2.13 編寫簡單的Server和Client（Python語言實現） 51
3.2.14 測試簡單的Server和Client 53
習題 54
參考文獻 54
第4章 ROS的調試 55
4.1 ROS調試的常用命令 55
4.2 ROS調試的常用工具 56
4.2.1 使用rqt_console在運行時修改調試級別 57
4.2.2 使用roswtf檢測配置中的潛在問題 59
4.2.3 使用rqt_graph顯示節點狀態圖 59
4.2.4 使用rqt_plot繪制標量數據圖 60
4.2.5 使用image_view顯示二維圖像 61
4.2.6 使用rqt_rviz（rviz）實現3D數據可視化 63
4.2.7 使用rosbag和rqt_bag記錄與回放數據 64
4.2.8 rqt插件與rx應用 65
4.3 ROS基本命令總結 66
4.3.1 創建 ROS 工作空間 66
4.3.2 Package的相關操作 66
4.3.3 節點的相關操作 67
4.3.4 話題的相關操作 67
4.3.5 服務的相關操作 68
4.3.6 rosparam的相關操作 69
4.3.7 bag的相關操作 69
4.3.8 rosmsg的相關操作 70
4.3.9 rossrv的相關操作 70
4.3.10 ROS的其他命令 71
習題 71
*二部分 機器人核心功能的實現
第5章 機器人的安裝與初步使用 75
5.1 Turtlebot機器人簡介 75
5.2 Turtlebot機器人硬件的組成與配置 76
5.3 Turtlebot機器人軟件的安裝與測試 77
5.3.1 從源碼安裝 77
5.3.2 deb安裝方式 78
5.3.3 按照Kobuki基座進行配置 79
5.4 啟動Turtlebot 80
5.5 通過鍵盤手動控制Turtlebot 81
5.6 通過腳本控制Turtlebot 81
5.7 監控Kobuki的電池狀態 82
5.8 Turtlebot機器人的擴展 83
習題 85
參考文獻 85
第6章 機器人視覺功能的實現 86
6.1 視覺傳感器 86
6.1.1 Kinect視覺傳感器 86
6.1.2 Primesense視覺傳感器 87
6.2 驅動程序的安裝與測試 88
6.3 同時運行兩臺Kinect 89
6.4 同時運行Kinect與Primesense 92
6.5 在ROS中使用OpenCV處理RGB圖像 92
6.5.1 在ROS中安裝OpenCV 92
6.5.2 在ROS代碼中使用OpenCV 93
6.5.3 理解ROS-OpenCV 轉換架構 93
6.5.4 ROS節點示例 96
6.6 點雲庫及其使用 99
6.6.1 點雲及點雲庫簡介 99
6.6.2 PCL的數據類型 99
6.6.3 發布和訂閱點雲消息 101
6.6.4 如何在ROS中使用PCL教程 102
6.6.5 PCL的一個簡單應用——檢測門的開關狀態 108
習題 109
參考文獻 109
第7章 機器人視覺功能的實現進階 110
7.1 機器人跟隨功能的實現 110
7.1.1 理論基礎 110
7.1.2 跟隨功能的運行測試 111
7.2 機器人揮手識別功能的實現 114
7.2.1 機器人揮手識別的實現框架及難點分析 115
7.2.2 基於AdaBoost和Cascade算法的人臉檢測 116
7.2.3 用模板匹配算法識別人手 118
7.2.4 基於YCrCb顏色空間的膚色分割 119
7.2.5 揮手識別功能的運行測試 119
7.3 機器人的物體識別與定位功能的實現 120
7.3.1 基於Hue直方圖的滑動窗口模板匹配方法 120
7.3.2 基於空間點雲數據的物體定位方法 121
7.3.3 物體識別與定位的實現和測試 122
7.4 服務機器人人臉與性別識別功能的實現 123
7.4.1 基於OpenCV的傳統人臉與性別識別方法 123
7.4.2 基於OpenCV的人臉與性別識別功能的運行測試 124
7.4.3 基於Dlib庫的人臉識別方法 126
7.4.4 基於Dlib庫的人臉識別功能的運行測試 126
7.5 使用TensorFlow識別手寫數字 131
7.5.1 TensorFlow簡介 131
7.5.2 安裝TensorFlow 132
7.5.3 TensorFlow的基本概念 133
7.5.4 使用TensorFlow進行手寫數字識別 135
習題 138
參考文獻 138
第8章 機器人自主導航功能 139
8.1 機器人自主導航的關鍵技術 139
8.1.1 機器人的定位與建圖 139
8.1.2 路徑規劃 142
8.2 Kobuki基座模型的運動學分析 145
8.3 導航工程包集 147
8.3.1 導航工程包集概述 147
8.3.2 硬件需求 147
8.4 導航工程包集的使用基礎 147
8.4.1 導航工程包集在機器人上的安裝與配置 147
8.4.2 機器人tf配置 155
8.4.3 基礎導航調試指南 160
8.4.4 通過ROS發布裡程計測量信息 163
8.4.5 通過ROS發布傳感器數據流 168
8.5 在Turtlebot上配置並使用導航工程包集 174
8.5.1 使用Turtlebot創建SLAM地圖 174
8.5.2 使用Turtlebot已知地圖進行自主導航 175
習題 177
參考文獻 177
第9章 機器人語音交互功能的基礎理論 179
9.1 語音識別 179
9.1.1 聲學模型 180
9.1.2 語言模型 183
9.2 語義理解 187
9.3 語音合成 188
參考文獻 189
*10章 機器人語音交互功能的實現——PocketSphinx 191
10.1 硬件設備 191
10.2 PocketSphinx語音識別繫統簡介 191
10.3 在Indigo上安裝、測試PocketSphinx 193
10.3.1 PocketSphinx的安裝 193
10.3.2 安裝語音合成的聲音庫 194
10.3.3 利用在線工具建立語言模型 195
10.4 在melodic上安裝、測試PocketSphinx 197
10.4.1 在melodic版本上安裝PocketSphinx 197
10.4.2 PocketSphinx語音識別的測試 197
習題 201
*11章 機器人機械臂抓取功能的實現 202
11.1 機械臂硬件的組成 202
11.2 機械臂運動學分析 203
11.3 機械臂舵機ID的設置 204
11.4 使用USB2Dynamixel控制turtlebotArm 208
11.4.1 安裝、測試dynamixel_motor軟件包 208
11.4.2 機械臂抓取功能的實現 212
習題 216
第三部分 機器人的應用
*12章 機器人綜合應用案例一：長命令識別與多任務執行 218
12.1 案例目標 218
12.2 語音識別任務 219
12.3 在家居環境中自主導航 220
12.4 物體識別與抓取 221
習題 221
*13章 機器人綜合應用案例二：跟隨與協助用戶 222
13.1 案例目標 222
13.2 語音識別命令 222
13.3 跟隨與自主導航 223
13.4 檢測與識別人臉 225
*14章 機器人綜合應用案例三：顧客揮手示意機器人點餐 226
14.1 案例目標 226
14.2 機器人即時建圖 227
14.3 機器人識別揮手並移向揮手人 228
14.4 語音識別菜單 229
14.5 自主導航回到吧臺 229