本书围绕机器人将从为工业生产服务扩展到人们的日常生活领域所面临的技术课题，介绍轮式移动机器人自主控制的关键技术、理论方法和应用，提出机器人各功能模块的技术和实现方法，并介绍移动机器入学的各个方面，包括硬件设计、轮子设计、运动学分析、传感器、感知、定位、导航，以及机器人图形化编程控制系统。本书总结作者几年来在机器人方面的科研和教学工作，较系统地把轮式自主移动机器人所涉及的关键技术集合成一个整体，既适合各高等院校自动化、机器人学等专业的本科生，也适合从事移动机器人和服务机器人的研究、开发和应用的科技人员参考。
上海科技专著出版资金资助 上海交通大学学术出版基金资助 轮式自主移动机器人 曹其新张蕾编著 上文通大字出版社 内容提要 本书围绕机器人将从为工业生产服务扩展到人们的日常生活领域所面临的技术 课题,介绍轮式移动机器人自主控制的关键技术、理论方法和应用,提出机器人各功 能模块的技术和实现方法,并介绍移动机器人学的各个方面,包括硬件设计、轮子设 计、运动学分析、传感器、感知、定位、导航,以及机器人图形化编程控制系统。本书总 结作者几年来在机器人方面的科研和教学工作,较系统地把轮式自主移动机器人所 涉及的关键技术集合成一个整体,既适合各高等院校自动化、机器人学等专业的本科 生,也适合从事移动机器人和服务机器人的研究、开发和应用的科技人员参考 图书在版编目(CIP)数据 轮式自主移动机器人/曹其新,张蕾编著.一上海: 上海交通大学出版社,2012 ISBN978-7-313-07665-6 I.轮..Ⅱ.①曹..②张..Ⅲ.移动式机 器人Ⅳ.TP242 中国版本图书馆CIP数据核字(2011)第159694号 轮式自主移动机器人 曹其新张蕾编著 上大拿出版社出版发行 (上海市番禺路951号邮政编码200030) 电话:64071208出版人:韩建民 常熟市华通印刷有限公司印刷全国新华书店经销 开本:787mm×960mm1/16印张:16插页:3字数:299千字 2012年1月第1版2012年1月第1次印刷 ISBN978-7-313-07665-6/TP定价:68.00元 版权所有侵权必究 告读者:如发现本书有质量问题请与印刷厂质量科联系 联系电话:0512-52391383 出版说明 科学技术是第一生产力。21世纪, 科学技术和生产力必将发生新的革命性 突破。 为贯彻落实“科教兴国”和“科教兴 市”战略,上海市科学技术委员会和上海 市新闻出版局于2000年设立“上海科技 专著出版资金”,资助优秀科技著作在上 海出版。 本书出版受“上海科技专著出版资 金”资助。 上海科技专著出版资金管理委员会 前 我国制定的“十一五”、“十二五”以及中长期发展规划中把智能机器人技术 作为重点发展方向,并以家用机器人、危险作业机器人和医疗机器人等作为突破 口,促进我国智能机器人产业的发展。因此,随着全球的机器人应用产业重心从 制造业向非制造业的转移,机器人技术的研究重点也从结构式环境下工作的固 定式机械臂、机械手转向非结构未知环境下自主移动式平台和机器人智能化 尤其是近几年来,人民生活水平不断提高,人口老龄化问题日益严峻,服务机器 人需求的崛起给机器人技术与产业带来了空前的发展机遇,比尔·盖茨先生预 言,服务机器人产业即将重复个人计算机产业崛起的道路,使机器人成为我们日常 生活的一部分。而与服务机器人领域密切相关的就是轮式自主移动机器人的关键 技术 本书在介绍轮式移动机器人研究现状的基础上,系统地描述轮式机器人所涉 及的基础知识和关键技术。全书共分7章,第1章叙述轮式移动机器人概况,从发 展、定义、种类和用途讨论轮式移动机器人将使“家家都有机器人”成为可能。第2 章从几种典型轮子和布置介绍了轮式移动机器人的构造和特征。第3章介绍轮式 移动机器人的运动控制,内容包括运动学和动力学建模、运动控制和硬件驱动装 置。第4章介绍轮式移动机器人的感知与识别。第5章讨论轮式移动机器人的定 位、导航和路径规划技术。第6章介绍轮式移动机器人的集成技术、软件编程与仿 真技术。最后一章介绍轮式移动机器人的应用实例探讨在设计开发及应用轮式 移动机器人时要考虑的因素、关键技术和实现步骤。 本书是作者近年来从事轮式移动机器人研究和教学取得成果的总结并参考和 引用了国内外相关文献和研究成果基础上编著而成的,具有较好的基础性、系统性 和实用性,可作为本科生高年级学生和研究生教材,也适合从事轮式移动机器人研 究、开发和应用的科技人员学习参考。 近十年来,本书作者在机器人研究中获得多项研究基金和项目的资助,其中有 国家自然科学基金、国家“863”计划项目、教育部博士点基金、教育部重大项目培育 基金、教育部机械系统与振动国家重点实验室基金,以及株式会社安川电机等项目 的资助,作者在此表示感谢。 在本书编著过程中,研究组的栾楠、冷春涛顾嘉俊、张镇、黄彦文、陈培华、邓 成呈等具体参加了实验材料的提供、内容的翻译和编写工作。编写过程中还得到 轮式自主移动机器人 了众多老师、专家、朋友和学生的热情鼓励和帮助,为此表示衷心的感谢 由于作者水平所限和编写时间仓促,缺点和不足之处,殷切希望广大读者批评 指正。 曹其新张蕾 2011年5月 目录 第1章绪论 1.1什么是轮式移动机器人 1.2轮式移动机器人的种类 1.3轮式移动机器人的用途 11689 1.4轮式移动机器人的研究内容… 参考文献 第2章轮式移动机器人的构造和特征… 2.1轮式移动机器人的构成 ………14 2.1.1构成要素… ……14 2.1.2基本构型……… …16 2.2典型的轮式移动机器人结构……………… 20 2.2.1传统轮… 2.2.2全方位轮…… 21 2.2.3近期新概念轮… ··,* 26 2.3轮子设计实例研究… 2.3.1双轮差速移动机器人… 28 2.3.2全方位轮式移动机器人… 参考文献 ,·,,普,,,,,果来, 第3章轮式移动机器人的运动控制……… 3.1运动学建模… 3.1.1机器人坐标系……… 3.1.2双轮差速移动机器人运动学模型………… 39 3.1.3全方位移动机器人运动学模型 3.2动力学建模 3.2.1双轮差速移动机器人动力学模型… 3.2.2全方位移动机器人动力学模型… …44 3.3硬件驱动装置… 轮式自主移动机器人 3.3.1驱动电机 3.3.2位置和速度传感器 ………55 3.3.3运动控制与驱动器…… 3.4运动控制算法……… 61 3.4.1传统控制算法… 3.4.2现代控制算法… 67 3.5运动控制实例…… 3.5.1系统结构介绍 3.5.2全方位移动机器人的状态方程… 3.5.3模糊滑模变结构控制方法 7777 3.5.4实验结果……… 参考文献…………………………… …83 第4章机器人的感知与环境识别 ……85 4.1轮式移动机器人内传感器 4.1.1位置角度传感器………………… 4.1.2速度和角速度传感器……………………… 4.1.3加速度和角加速度传感器…………… 4.1.4姿态角的检测……… 92 4.2轮式移动机器人外传感器……………………… 4.2.1触觉与接近感知传感器… 4.2.2测距传感器 4.2.3视觉传感器… 4.2.4导航相关的传感器…………… …102 4.3轮式移动机器人中的多传感器信息融合…………………105 4.3.1多传感器信息融合的常用方法……………………………105 4.3.2多传感器信息融合在移动机器人中的应用 参考文献 第5章移动机器人的定位、导航与规划…… 112 5.1定位… …112 5.1.1环境地图的表示方法……… …………………113 5.1.2定位的常用方法 116 5.1.3基于概率方法的定位……………………… 121 3 5.1.4同时定位和地图创建 127 5.2导航……………………………………… ……………131 5.2.1无地图的导航…… 5.2.2基于地图的导航 5.3路径规划……………………… 5.3.1路径规划的常用方法………… 5.3.2智能路径规划算法 142 5.3.3非平坦地形的可通过性分析… …143 5.4一个基于异构视觉的自主导航实例……… 147 5.4.1异构视觉系统构建 …147 5.4.2自主机器人移动平台……………… 149 5.4.3自主移动机器人导航的实现…… ……150 参考文献… 第6章机器人的编程与仿真…… 6.1机器人语言…………… …………164 6.1.1机器人语言描述 164 6.1.2机器人语言的种类和特点 6.2示教与编程 …167 6.2.1在线示教与编程 6.2.2离线示教与编程 168 6.2.3虚拟示教与编程 6.3机器人仿真 6.3.1三维建模软件 6.3.2三维图形仿真技术 172 6.3.3动力学仿真软件 176 6.3.4常见的动力学发动机 6.3.5移动机器人的动力学仿真…………………………………181 6.4机器人仿真实例 6.4.1移动服务机器人的仿真控制系统…… 6.4.2移动服务机器人系统的仿真过程 186 参考文献 ……………190 第7章轮式移动机器人应用实例………… …192