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智能机器人应用开发

作译者：魏彦,连国云,贺培

出版时间：2024-03 千字数：402 版次：01-01 页数：268

开本：16开装帧： I S B N ：9787121474484

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纸质书定价：￥51.8

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目 录
工作场景 1 智能机器人系统搭建 
工作项目 1 智能机器人认知与组成架构 ............................................................................................... 2 
1.1 智能机器人的发展现状与发展趋势 ............................................................................................ 2 
1.1.1 智能机器人产业链 ................................................................................................................... 2 
1.1.2 智能机器人的产业格局 ........................................................................................................... 3 
1.1.3 智能机器人的发展趋势 ........................................................................................................... 6 
1.2 智能机器人关键技术 ...................................................................................................................... 6 
1.3 典型的智能机器人及智能机器人的组成 ................................................................................... 9 
1.3.1 典型的智能机器人 ................................................................................................................... 9 
1.3.2 智能机器人的组成 ................................................................................................................. 11 
1.4 智能机器人实训平台 .................................................................................................................... 13 
工作项目 1 练习 ....................................................................................................................................... 19 
工作项目 2 智能机器人运动控制 ........................................................................................................... 21 
2.1 ROS 通信方式 ................................................................................................................................. 21 
2.2 底盘控制节点.................................................................................................................................. 22 
2.2.1 kobuki 功能包架构 ................................................................................................................. 22 
2.2.2 底盘控制节点启动代码 ......................................................................................................... 23 
2.3 速度话题消息.................................................................................................................................. 24 
2.4 多种控制方式的优先级 ................................................................................................................ 24 
工作项目 2 练习 ....................................................................................................................................... 28 
工作项目 3 智能机器人环境建图 ........................................................................................................... 30 
3.1 SLAM ................................................................................................................................................ 30 
3.1.1 地图 ......................................................................................................................................... 30 
3.1.2 算法 ......................................................................................................................................... 32 
 智能机器人应用开发 
3.2 Cartographer ..................................................................................................................................... 32 
3.2.1 Cartographer 简介 ................................................................................................................... 32 
3.2.2 Cartographer 安装 ................................................................................................................... 34 
工作项目 3 练习 ....................................................................................................................................... 43 
工作项目 4 智能机器人自主导航 ........................................................................................................... 45 
4.1 Navigation 自主导航 ...................................................................................................................... 45 
4.1.1 Navigation 架构 ...................................................................................................................... 45 
4.1.2 自适应蒙特卡洛定位节点 ..................................................................................................... 50 
4.2 参数含义 .......................................................................................................................................... 51 
4.2.1 amcl 定位节点参数 ................................................................................................................ 51 
4.2.2 代价地图公用参数 ................................................................................................................. 52 
4.2.3 全局代价地图参数 ................................................................................................................. 53 
4.2.4 局部代价地图参数 ................................................................................................................. 53 
4.3 参数配置示例.................................................................................................................................. 54 
4.3.1 amcl 定位算法节点 ................................................................................................................ 54 
4.3.2 代价地图公用参数 ................................................................................................................. 55 
4.3.3 全局代价地图参数 ................................................................................................................. 56 
4.3.4 局部代价地图参数 ................................................................................................................. 56 
4.3.5 运动规划器 planner 参数 ....................................................................................................... 57 
4.3.6 导航节点启动文件 ................................................................................................................. 58 
4.4 Navigation 多点导航 ...................................................................................................................... 59 
4.4.1 导航节点动作通信 ................................................................................................................. 59 
4.4.2 多点导航节点实现 ................................................................................................................. 61 
工作项目 4 练习 ....................................................................................................................................... 67 
工作项目 5 智能机器人自主无线充电.................................................................................................. 70 
5.1 无线充电技术原理 ......................................................................................................................... 70 
5.1.1 电磁感应式 ............................................................................................................................. 70 
5.1.2 微波辐射式 ............................................................................................................................. 70 
5.1.3 磁耦合谐振式 ......................................................................................................................... 71 
5.2 自主无线充电案例 ......................................................................................................................... 72 
5.2.1 自主无线充电硬件系统 ......................................................................................................... 72 
5.2.2 自主无线充电软件系统 ......................................................................................................... 73 
工作项目 5 练习 ....................................................................................................................................... 80 
- VI -
 目录 
工作场景 2 智能机器人能力展现 
工作项目 6 智能机器人避障 .................................................................................................................... 84 
6.1 传感器测距 ...................................................................................................................................... 84 
6.1.1 超声波测距原理 ..................................................................................................................... 84 
6.1.2 激光雷达测距原理 ................................................................................................................. 85 
6.2 智能机器人避障案例 .................................................................................................................... 86 
6.2.1 超声波避障案例 ..................................................................................................................... 86 
6.2.2 激光雷达避障案例 ................................................................................................................. 93 
工作项目 6 练习 ..................................................................................................................................... 106 
工作项目 7 智能机器人语音控制 ......................................................................................................... 109 
7.1 语音处理技术................................................................................................................................ 109 
7.1.1 语音模块 ............................................................................................................................... 110 
7.1.2 语音合成 ............................................................................................................................... 113 
7.1.3 语音识别 ............................................................................................................................... 114 
7.2 语音控制运动案例 ....................................................................................................................... 120 
7.2.1 语音控制运动思路 ............................................................................................................... 120 
7.2.2 识别语法与节点实现 ........................................................................................................... 121 
工作项目 7 练习 ..................................................................................................................................... 127 
工作项目 8 智能机器人目标跟随 ......................................................................................................... 129 
8.1 基于视觉的目标跟随 .................................................................................................................. 129 
8.1.1 目标跟随算法 ....................................................................................................................... 129 
8.1.2 目标跟随技术现状 ............................................................................................................... 130 
8.2 基于深度摄像头的目标跟随 ..................................................................................................... 131 
8.2.1 深度摄像头启动 ................................................................................................................... 131 
8.2.2 目标跟随节点 ....................................................................................................................... 133 
工作项目 8 练习 ..................................................................................................................................... 136 
工作项目 9 智能机器人的机械臂运动控制 ...................................................................................... 139 
9.1 机械臂的运动控制系统 .............................................................................................................. 139 
9.1.1 笛卡儿空间路径规划 ........................................................................................................... 140 
9.1.2 运动学逆解 ........................................................................................................................... 140 
9.1.3 关节空间路径规划 ............................................................................................................... 140 
9.1.4 轨迹插补 ............................................................................................................................... 141 
- VII -
 智能机器人应用开发 
9.1.5 伺服控制器 ........................................................................................................................... 141 
9.2 机械臂运动控制的实现方式 ..................................................................................................... 142 
9.2.1 MoveIt ................................................................................................................................... 142 
9.2.2 手写的运动控制解算包 ....................................................................................................... 146 
工作项目 9 练习 ..................................................................................................................................... 155 
工作项目 10 智能机器人的机械臂视觉抓取 .................................................................................... 157 
10.1 机械臂视觉抓取概述 ................................................................................................................ 157 
10.1.1 机械臂与摄像头的相对位置 ............................................................................................. 157 
10.1.2 摄像头启动与内参标定 ..................................................................................................... 159 
10.1.3 物体识别定位 ..................................................................................................................... 162 
10.2 机械臂视觉抓取案例 ................................................................................................................ 163 
10.2.1 机械臂视觉抓取思路 ......................................................................................................... 163 
10.2.2 视觉抓取节点实现 ............................................................................................................. 164 
工作项目 10 练习 ................................................................................................................................... 174 
工作项目 11 智能机器人目标检测....................................................................................................... 176 
11.1 目标检测 ...................................................................................................................................... 176 
11.1.1 目标检测的发展 ................................................................................................................. 176 
11.1.2 目标检测相关概念 ............................................................................................................. 177 
11.2 目标检测模型 ............................................................................................................................. 179 
11.3 OpenVINO 简介 ......................................................................................................................... 179 
11.4 目标检测案例 ............................................................................................................................. 180 
工作项目 11 练习 ................................................................................................................................... 187 
工作项目 12 智能机器人戴口罩人脸识别 ........................................................................................ 189 
12.1 人脸识别概述 ............................................................................................................................. 189 
12.2 人脸识别发展历史 ..................................................................................................................... 190 
12.3 人脸识别的难点 ......................................................................................................................... 190 
12.4 人脸识别的用途 ......................................................................................................................... 190 
工作项目 12 练习 ................................................................................................................................... 200 
工作场景 3 智能机器人应用场景开发 
工作项目 13 智能机器人仓储应用场景开发 .................................................................................... 204 
13.1 智慧物流 ...................................................................................................................................... 204 
13.1.1 由来 ..................................................................................................................................... 204 
- VIII -
 目录 
13.1.2 体系架构 ............................................................................................................................. 205 
13.2 仓储应用场景开发案例 ............................................................................................................ 206 
13.2.1 功能分析 ............................................................................................................................. 206 
13.2.2 功能开发接口 ..................................................................................................................... 207 
13.2.3 应用场景开发 ..................................................................................................................... 207 
工作项目 13 练习 ................................................................................................................................... 218 
工作项目 14 智能机器人导游应用场景开发 .................................................................................... 222 
14.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 222 
14.2 应用开发接口 ............................................................................................................................. 223 
14.3 应用场景开发 ............................................................................................................................. 223 
工作项目 14 练习 ................................................................................................................................... 233 
工作项目15 智能机器人家政服务应用场景开发 .................................................................................. 238 
15.1 功能分析 ...................................................................................................................................... 238 
15.2 应用开发接口 ............................................................................................................................. 239 
15.2.1 导航动作服务接口 ............................................................................................................. 239 
15.2.2 二维码识别定位话题接口 ................................................................................................. 239 
15.2.3 机械臂服务接口 ................................................................................................................. 239 
15.2.4 语音处理通信接口 ............................................................................................................. 239 
15.3 应用场景开发 ............................................................................................................................. 239 
15.3.1 编程思路 ............................................................................................................................. 239 
15.3.2 节点启动与实现 ................................................................................................................. 240 
工作项目 15 练习 ................................................................................................................................... 254 
- IX

智能机器人技术广泛应用于服务领域，基于该技术研发的服务机器人在医疗、教育、家庭服务、农业、建筑等领域存在巨大的市场潜力和发展空间。仅 2022 年，全球服务机器人市场规模就达到了 513 亿美元，占机器人整体市场规模的 42.3%，并且占比每年仍在保持快速增长。目前，中国服务机器人市场占比暂时低于发达国家，存在巨大的发展空间，预计到 2024 年，中国服务机器人市场占比将达到 41.0%。
智能机器人是一个跨专业、高度综合的新兴产业，它融合了控制理论、电学、机械学、计算机技术、检测技术、网络与通信技术等。从本质上来讲，智能机器人是机器人技术与人工智能技术相结合产生的，催生了一些新的职业岗位。如何学习并掌握智能机器人相关的专业知识和实践技能，培养掌握新技术的技能型人才，是我国应对未来科技浪潮挑战的一个重要课题，也是摆在职业教育工作者面前的一个关键问题。
本书以智能机器人应用场景开发的基本技术实现作为主要内容，以开源机器人操作系统（ROS）作为核心开发平台，沿着智能机器人应用场景开发中的主要技术环节，由浅入深，系统介绍智能机器人应用场景的二次开发。本书采用项目式教材编写模式，以真实的工作项目为载体，力求做到贴近实际工程应用，讲解理论知识准确、到位，着重培养学生的实践技能。全书共分为 3 个工作场景，工作场景 1 为智能机器人系统搭建，以一台典型的智能机器人“小威”为对象，介绍智能机器人的系统架构与基础功能，在这一场景中，共有 5 个工作项目，介绍了智能机器人的组
成架构、运动控制、环境建图、自主导航、自主无线充电等基础功能；工作场景 2 为智能机器人能力展现，介绍智能机器人的功能拓展，在这一场景中，共有 7 个工作项目，介绍了智能机器人避障、语音控制、目标跟随、机械臂运动控制、机械臂视觉抓取、目标检测与戴口罩人脸识别等拓展功能；工作场景 3 为智能机器人应用场景开发，在这一场景中，共有 3 个工作项目，介绍了智能机器人仓储应用场景开发、导游应用场景开发、家政服务
应用场景开发。
本书由校企协同开发，由深圳职业技术大学的魏彦、连国云、管明雷、谢锋然、史虹及广州市威控机器人有限公司的贺培、李钟编写，其中工作项目 1 到工作项目 5 由魏彦编写，工作项目 6 到工作项目 8 由连国云编写，工作项目 9 到工作项目 11 由贺培编写，工作项目 12 由管明雷编写，工作项目 13 由谢锋然编写，工作项目 14 由史虹编写，工作项目 15 由李钟编写。华南理工大学的魏武教授担任本书的主审。广州市威控机器人有限公司的工程师冯嘉鹏、黄志彬、吴玉玲、王帆、赖海琦、龙婷毅也参与了本书的开发，他们在实训案例与项目设计、实训设备开发及技术支持等方面提供了大力支持，在此对他们的贡献表示衷心的感谢！
本书在编写中参考并引用了大量机器人方面的论著、资料，限于篇幅，不能在参考文献中一一列举，在此一并向其作者致以衷心的感谢！由于编者水平有限，书中难免存在不足和疏漏之处，恳请广大读者批评指正。

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