內容簡介
機器人在人們的日常生活中幾乎隨處可見,因此機器人學也日漸成為非常重要的技術領域。盡管機器人學是一個復雜的學科,但有一些優秀的工具可以幫助你設計項目,創建齣簡單易用的界麵接口。
《機器人係統設計與製作:Python語言實現》詳細介紹如何從零開始搭建自主移動機器人,並使用Python進行編程。由機器人的概念開始,然後過渡到機器人仿真和三維建模,在成功進行機器人仿真之後,將介紹搭建導航機器人原型所需要的硬件組件。此外,還討論瞭各種各樣的機器人軟件框架,以及如何使用Pvthon語言來編程實現機器人及其框架的設計。而且還介紹瞭如何創建一個基於GUI的機器人控製應用程序,可以使用按鈕和幻燈片對機器人進行控製。
作者簡介
郎坦·約瑟夫,電子工程師、機器人發燒友、機器視覺專傢、嵌入式程序員,還是印度0botiCS實驗室創始人兼CEO。他在大學時曾負責一個項目並製作瞭一個可以與人交流的社交機器人,由此開始對機器人、圖像處理和Python産生興趣。
畢業以後,他在一傢機器人和圖像處理的初創公司效力瞭三年,在這個過程中學習瞭流行的機器人軟件平颱(例如機器人操作係統(ROS)、V-REP和Actin(一個機器人仿真工具))和圖像處理庫(例如OpenCV、OpenNl和PCL)。他精通機器人三維設計、Arauino和Stellaris Launchpad的嵌入式編程。
之後,他創立瞭Qbotics Labs公司,專注於研究如何創造偉大的産品,主要涉及可穿戴技術、機器人、機器視覺、綠色科技以及在綫教育等領域。在印度舉辦的PyCon2013會議上,他做瞭有關使用Python開發學習機器人的主題演講。
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目錄
前言
第1章 機器人學概述
1.1 什麼是機器人
1.1.1 術語機器人的來曆
1.1.2 現代機器人定義
1.2 機器人從哪兒來
1.3 機器人上都有什麼
1.3.1 肢體
1.3.2 傳感器
1.3.3 執行器
1.3.4 控製器
1.4 如何製作機器人
1.4.1 反應式控製
1.4.2 分級(協商)控製
1.4.3 混閤控製
1.5 本章小結
第2章 服務機器人的機械設計
2.1 服務機器人的設計需求
2.2 機器人的傳動裝置
2.2.1 選擇電機和輪子
2.2.2 設計小結
2.2.3 機器人底盤設計
2.3 安裝LibreCAD、Blender和Mes
2.3.1 安裝Lib
2.3.2 安裝Bl
2.3.3 安裝Me
2.4 用LibreCAD生成機器人的二維CAD圖
2.4.1 底座設計
2.4.2 底座連接杆設計
2.4.3 輪子、電機和電機夾具設計
2.4.4 腳輪設計
2.4.5 中間層設計
2.4.6 頂層設計
2.5 用Blender製作機器人的三維模型
2.5.1 Blender中的Python腳本語言
2.5.2 Blender中的Python API介紹
2.5.3 機器人建模中的Python腳本
2.6 習題
2.7 本章小結
第3章 用ROS和Gazebo進行機器人仿真
3.1 什麼是機器人仿真
3.1.1 機器人數學建模
3.1.2 ROS和Gazebo簡介
3.1.3 在Ubuntu 14.04.2下安裝ROS I
3.1.4 在酒店環境下進行ChefBot和TurtleBot仿真
3.2 習題
3.3 本章小結
第4章 設計ChefBot的硬件部分
4.1 ChefBot硬件的規格標準
4.2 機器人的硬件架構框圖
4.2.1 電機和編碼器
4.2.2 電機驅動器
4.2.3 嵌入式控製闆
4.2.4 超聲傳感器
4.2.5 慣性測量單元
4.2.6 K
4.2.7 中央處理單元
4.2.8 揚聲器/麥剋風
4.2.9 電源/電池
4.3 ChefBot硬件的工作原理
4.4 習題
4.5 本章小結
第5章 機器人執行機構與車輪編碼器
5.1 直流減速電機接入Tiva C開發闆
5.1.1 差速傳動輪式機器人
5.1.2 安裝Energia集成開發環境
5.1.3 電機接口代碼
5.2 正交編碼器接入Tiva C開發闆
5.2.1 編碼器數據的處理
5.2.2 正交編碼器接口代碼
5.3 Dynamixel執行機構
5.4 習題
5.5 本章小結
第6章 機器人傳感器
6.1 超聲測距傳感器
6.2 紅外接近傳感器
6.3 慣性測量單元
6.3.1 慣性導航
6.3.2 MPU 6050接入Tiva C開發闆
6.3.3 在Energia中編寫接口代碼
6.4 利用Energia將支持DMP的MPU 6050接入開發闆
6.5 習題
6.6 本章小結
第7章 視覺傳感器在Python和ROS中的編程方法
7.1 機器人視覺傳感器清單和圖像處理庫
7.2 OpenCV、OpenNI和PCL簡介
7.2.1 什麼是Op
7.2.2 什麼是Op
7.2.3 什麼?
7.3 使用ROS、OpenCV和OpenNI進行Kinect的Python編程
7.3.1 啓動OpenNI驅動的方法
7.3.2 OpenCV的ROS接口
7.4 使用Kinect、ROS、OpenNI和PCL處理點雲
7.5 將點雲轉換為激光雷達數據
7.6 使用ROS和Kinect實現SLAM算法
7.7 習題
7.8 本章小結
第8章 使用Python和ROS實現語音識彆及閤成
8.1 語音識彆技術
8.1.1 語音識彆係統框圖
8.1.2 語音識彆庫
8.1.3 Windows語音識彆開發平颱
8.1.4 語音閤成
8.1.5 語音閤成庫
8.2 在Ubuntu 14.04.2中使用Python實現語音識彆及閤成
8.2.1 在Ubuntu 14.04.2中安裝Pocket Sphinx及其Python綁定
8.2.2 在Ubuntu 14.04.2中使用Pocket Sphinx的Python綁定
8.2.3 輸齣結果
8.3 在Ubuntu 14.04.2中使用Pocket Sphinx、GStreamer及Python實現實時語音識彆
8.4 在Ubuntu 14.04.2中使用Julius及Python實現語音識彆
8.4.1 Julius語音識彆器和Python模塊的安裝
8.4.2 Python-Julius客戶端代碼
8.4.3 在Pocket Sphinx、Julius中提高語音識彆的準確度
8.4.4 在Ubuntu 14.04.2中安裝eSpeak和Fest
8.5 在Windows中使用Python實現語音識彆及閤成
8.6 在ROS Indigo中使用Python實現語音識彆
8.7 在ROS Indigo中使用Python實現語音閤成
8.8 習題
8.9 本章小結
第9章 使用Python在ChefBot中應用人工智能
9.1 ChefBot中的交互係統框圖
9.2 AIML介紹
9.3 PyAIML介紹
9.3.1 在Ubuntu 14.04.2上安裝Py
9.3.2 從源碼中安裝Py
9.4 使用AIML和Python進行開發
9.5 使用A.L.I.C.E AIML文件進行開發
9.5.1 將AIML文件載入內存
9.5.2 載入AIML文件並將其存為brain文件
9.5.3 使用Bootsrtap方法載入AIML文件和brain文件
9.6 將PyAIML集成到ROS中
9.6.1 aiml_serve
9.6.2 aiml_clien
9.6.3 aiml_tts_clien
9.6.4 aiml_speech_recog_clien
9.6.5 start_chat.la
9.6.6 start_tts_chat.la
9.6.7 start_speech_chat.la
9.7 習題
9.8 本章小結
第10章 對ChefBot硬件進行集成並使用Python與ROS對接
10.1 構建ChefBot硬件
10.2 ChefBot PC配置及ChefBot ROS開發包設置
10.3 將ChefBot傳感器接入Tiva C開發闆
10.4 為ChefBot編寫一個ROS Python驅動
10.5 理解ChefBot ROS啓動文件
10.6 使用ChefBot Python節點和啓動文件
10.6.1 在ROS中使用SLAM構建房間地圖
10.6.2 使用ROS實現定位和導航
10.7 習題
10.8 本章小結
第11章 使用Qt和Python設計機器人的圖形用戶界麵
11.1 在Ubuntu 14.04.2 LTS中安裝
11.2 在Qt中使用Python綁定進行開發
11.2.1
11.2.2 Py
11.3 使用PyQt和PySide進行開發
11.3.1 Qt設計器的介紹
11.3.2 Qt的信號與槽機製
11.3.3 將UI文件轉化為Python代碼
11.3.4 為PyQt代碼添加槽定義
11.3.5 運行Hello World GUI應用
11.4 使用ChefBot的控製GUI進行開發
11.5 習題
11.6 本章小結
第12章 ChefBot的標定和測試
12.1 使用ROS標定Xbox Ki
12.1.1 標定Kinect的RGB相機
12.1.2 標定Kinect IR相機
12.2 輪式裏程計的標定
12.2.1 裏程計誤差分析
12.2.2 誤差校正
12.3 標定MPU
12.4 使用GUI測試機器人
12.5 習題
12.6 本章小結
踏入智能世界:機器人係統設計與製作的奇妙之旅 在這充滿無限可能的時代,機器人已不再是科幻作品中的遙遠幻想,而是深刻影響我們生活方方麵麵的現實力量。從工業生産綫的精密手臂,到服務行業的貼心助手,再到探索未知領域的先鋒,機器人的身影無處不在,它們正在以前所未有的速度重塑著我們的世界。那麼,如何纔能真正理解並掌握這股強大的技術浪潮呢?答案就蘊藏在這本《機器人係統設計與製作》之中,它將帶領你踏上一場深入探究機器人核心奧秘的奇妙旅程。 本書並非一本泛泛而談的科普讀物,也不是一本僅停留在理論層麵、枯燥乏味的學術專著。相反,它是一份精心打磨的實踐指南,一本讓你從零開始,逐步構建屬於自己的機器人係統的“藍圖”與“工具箱”。我們深知,真正的理解來自於親手實踐,來自於解決一個個實際問題的挑戰。因此,本書的核心在於“設計”與“製作”,它將引導你掌握從構思到實現,將抽象的智能轉化為具象的運動和交互的全過程。 一、 洞悉機器人設計之道:從概念到藍圖 任何一個偉大的工程都始於一個清晰的設計。在本書中,我們將首先深入剖析機器人設計的核心要素。這包括但不限於: 機器人的定義與分類: 我們將從宏觀視角齣發,理解不同類型的機器人,如工業機器人、服務機器人、特種機器人、人形機器人等,瞭解它們的結構特點、工作原理和應用領域。這有助於你確立自己的項目方嚮,明確機器人的“使命”。 機械結構設計: 機器人首先是物理的存在,它的運動能力和穩定性離不開精巧的機械設計。本書將引導你學習如何選擇閤適的材料、設計連杆機構、驅動係統(如電機、舵機)、傳感器集成方案,以及考慮承重、自由度、運動範圍等關鍵參數。我們將探討常見的機械結構,如並聯機器人、串聯機器人、移動平颱設計等,並分析其優缺點。 電子係統搭建: 機器人的“大腦”和“神經係統”由各種電子元件構成。本書將詳細講解如何選擇和連接微控製器(如Arduino、Raspberry Pi)、電機驅動器、傳感器接口電路、電源管理模塊等。你將學習到如何繪製簡單的電路圖,理解不同電子元件的功能和通信方式,為機器人的“活起來”奠定堅實基礎。 動力學與控製理論基礎: 為瞭讓機器人能夠精確、穩定地運動,理解其動力學特性至關重要。本書將用通俗易懂的方式介紹牛頓定律、運動方程等基礎概念,並引入PID控製、模糊控製等經典控製算法。你將瞭解如何根據機器人的物理模型設計控製器,實現期望的運動軌跡,以及如何處理外部乾擾和不確定性。 傳感器技術應用: 傳感器是機器人感知世界的“眼睛”和“耳朵”。本書將詳細介紹各類常用傳感器的原理、選型、接口方式和數據處理方法,包括但不限於: 視覺傳感器: 攝像頭、深度相機,用於環境感知、目標識彆和定位。 測距傳感器: 超聲波傳感器、紅外傳感器、激光雷達(LiDAR),用於避障和環境測繪。 姿態與運動傳感器: IMU(慣性測量單元,包含加速度計、陀螺儀)、編碼器,用於測量機器人的姿態、速度和位置。 觸覺與力覺傳感器: 用於感知接觸和力,實現更精細的操作。 其他傳感器: 溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等,根據具體應用場景選擇。 我們將重點講解如何從傳感器讀取原始數據,並進行必要的濾波、校準和特徵提取,為後續的決策和控製提供高質量的信息。 二、 掌握機器人製作的實踐技巧:從代碼到實體 理論的基石必須與實踐的磚瓦相結閤,纔能建造齣真正的機器人。本書將把抽象的設計概念轉化為具體的製作步驟,讓你在動手實踐中鞏固知識,提升技能。 硬件選型與采購: 基於你的設計方案,本書將提供詳盡的硬件選型建議,包括微控製器、電機、傳感器、傳動部件、電池、結構件等。我們將指導你如何權衡性能、成本和易用性,以及在哪裏可以便捷地獲取這些組件。 機械部件的組裝與調試: 你將學習到如何使用常見的工具,如螺絲刀、鉗子、烙鐵等,將機械零件精確地組裝起來。我們將強調細節的重要性,如連接的牢固性、傳動的順暢性,以及如何進行初步的機械調試,確保各個部件能夠按照設計意圖協同工作。 電子綫路的連接與焊接: 本書將提供清晰的電路連接圖,指導你如何安全、可靠地連接微控製器、傳感器、電機驅動器等電子元件。對於需要焊接的部分,我們將提供基礎的焊接技巧和注意事項,幫助你完成牢固且可靠的電路連接。 嵌入式係統編程: 機器人的大腦由嵌入式係統驅動。本書將專注於使用一種廣泛應用於機器人開發的編程語言(如Python)來編寫機器人控製程序。你將學習到: 基礎的編程概念: 變量、數據類型、控製流、函數、類等,為後續的復雜程序開發打下基礎。 硬件接口編程: 如何通過代碼控製GPIO(通用輸入輸齣)引腳,實現對LED的控製、按鍵的讀取。 傳感器數據采集: 如何編寫代碼讀取各種傳感器的數值,並進行初步的數據處理。 電機與舵機控製: 如何通過PWM(脈衝寬度調製)等技術控製電機的轉速和方嚮,以及控製舵機的角度。 通信協議實現: 如何使用UART、I2C、SPI等通信協議,讓不同的模塊之間進行數據交換。 機器人軟件架構與模塊化設計: 隨著機器人功能的增加,一個良好的軟件架構至關重要。本書將引導你學習如何將復雜的機器人軟件分解為可管理的模塊,如感知模塊、決策模塊、控製模塊、通信模塊等。我們將介紹一些常見的軟件設計模式,幫助你構建可維護、可擴展的機器人係統。 仿真與測試: 在將軟件部署到物理機器人之前,使用仿真環境進行測試是高效且安全的方法。本書將介紹如何利用機器人仿真平颱,模擬機器人的運動和環境交互,從而在虛擬環境中調試算法,優化控製策略,發現潛在問題。 高級功能實現: 在掌握瞭基礎之後,本書將進一步拓展你的視野,帶領你探索更高級的機器人功能,例如: 路徑規劃與導航: 讓機器人能夠在復雜環境中自主移動,避開障礙物,到達指定目標。 目標識彆與跟蹤: 利用圖像處理和機器學習技術,讓機器人能夠“看見”並識彆特定的物體。 協作與通信: 實現多個機器人之間的信息共享和協同工作。 人機交互: 設計更加自然和智能的人機交互方式。 三、 Python語言的強大助力:賦能機器人開發 在本書中,我們將重點利用 Python 語言來實現機器人係統的設計與製作。選擇Python並非偶然,它因其簡潔的語法、豐富的庫支持和活躍的社區,已成為機器人開發領域越來越受歡迎的選擇。 易於上手,快速開發: Python的語法清晰明瞭,相比於C++等底層語言,它能讓你更快地將想法轉化為代碼,降低瞭學習門檻,尤其適閤初學者。 豐富的庫生態係統: Python擁有海量的第三方庫,如NumPy(數值計算)、SciPy(科學計算)、OpenCV(計算機視覺)、TensorFlow/PyTorch(深度學習)、ROS(機器人操作係統)等。這些庫極大地簡化瞭復雜的計算、圖像處理、機器學習任務,讓你能夠專注於機器人的核心邏輯。 跨平颱兼容性: Python可以在多種操作係統上運行,這使得你的機器人程序具有良好的移植性。 與硬件的無縫集成: 藉助各種Python庫和接口,你可以輕鬆地與微控製器、傳感器、執行器等硬件進行交互,將軟件功能映射到物理世界。 本書將通過大量的代碼示例,演示如何運用Python來控製硬件、處理傳感器數據、實現算法邏輯,讓你深刻體會到Python在機器人開發中的強大力量。 誰適閤閱讀本書? 本書適閤以下人群: 對機器人技術充滿好奇的初學者: 即使你沒有編程或電子基礎,本書也將循序漸進地引導你入門。 有一定編程基礎,希望深入瞭解機器人領域的學生和愛好者: 本書將帶你從理論到實踐,構建完整的機器人係統。 希望將所學知識應用於實際項目的工程師和研究人員: 本書提供瞭豐富的案例和實用的技巧,能夠幫助你快速啓動和推進項目。 教育工作者: 本書可以作為機器人教學的優秀參考資料,幫助學生動手實踐,激發學習興趣。 結語 《機器人係統設計與製作:Python語言實現》不僅僅是一本書,它是一個邀請,邀請你加入這個充滿活力和創造力的機器人世界。它將為你提供理論的指引、實踐的工具、以及前行的勇氣。通過本書的學習,你將不僅僅學會如何“製作”一個機器人,更能理解其背後的“設計”邏輯,掌握“實現”的技能,最終培養齣解決復雜問題的能力,成為一名真正的“機器人創造者”。現在,就讓我們一起,用雙手和智慧,點亮智能的火花,創造屬於你的未來!