目　錄
前言
第一部分　概念與相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)
第1章　機(jī)器人的概念2
1.1　機(jī)器人相關(guān)定義和分類2
1.1.1　機(jī)器人相關(guān)定義2
1.1.2　服務(wù)機(jī)器人的分類3
1.2　現(xiàn)代機(jī)器人的發(fā)展歷程4
1.2.1　現(xiàn)代機(jī)器人研究初期4
1.2.2　20世紀(jì)70年代5
1.2.3　20世紀(jì)80年代6
1.2.4　20世紀(jì)90年代8
1.2.5　21世紀(jì)初10
1.2.6　21世紀(jì)第二個(gè)十年14
1.2.7　21世紀(jì)20年代18
1.3　機(jī)器人的組成20
1.3.1　執(zhí)行機(jī)構(gòu)20
1.3.2　驅(qū)動(dòng)裝置21
1.3.3　傳感裝置21
1.3.4　控制系統(tǒng)21
1.3.5　智能系統(tǒng)21
1.3.6　智能人機(jī)接口系統(tǒng)22
1.4　機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)22
1.5　機(jī)器人的發(fā)展趨勢23
習(xí)題24
第2章　Ubuntu Linux操作系統(tǒng)25
2.1　Linux和Ubuntu簡介25
2.1.1　Linux簡介25
2.1.2　Ubuntu簡介26
2.1.3　Ubuntu的文件系統(tǒng)27
2.2　Ubuntu的安裝28
2.2.1　Ubuntu18.04系統(tǒng)啟動(dòng)盤
　　　的制作28
2.2.2　Ubuntu18.04的安裝35
2.3　shell命令39
2.3.1　Ubuntu的終端39
2.3.2　基礎(chǔ)的shell命令40
習(xí)題49
第3章　ROS入門50
3.1　ROS簡介50
3.1.1　為什么使用ROS50
3.1.2　什么是ROS51
3.1.3　ROS與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)
　　　的區(qū)別51
3.1.4　ROS的主要特點(diǎn)52
3.2　ROS的安裝與卸載53
3.2.1　ROS的版本53
3.2.2　安裝和配置ROS Melodic53
3.2.3　安裝和配置ROS Noetic56
3.2.4　卸載ROS57
3.3　進(jìn)一步學(xué)習(xí)資源57
習(xí)題58
第4章　ROS框架和使用基礎(chǔ)59
4.1　ROS框架59
4.1.1　文件系統(tǒng)級59
4.1.2　計(jì)算圖級60
4.1.3　社區(qū)級61
4.2　ROS使用基礎(chǔ)62
4.2.1　catkin簡介62
4.2.2　工作空間及其創(chuàng)建方法62
4.2.3　創(chuàng)建ROS工程包65
4.2.4　編譯ROS工程包65
4.2.5　創(chuàng)建ROS節(jié)點(diǎn)65
4.2.6　編譯運(yùn)行ROS節(jié)點(diǎn)66
4.2.7　roslaunch的使用67
4.2.8　創(chuàng)建ROS消息和服務(wù)69
4.2.9　編寫簡單的消息發(fā)布
　　　器和訂閱器（C 語言
　　　實(shí)現(xiàn)）72
4.2.10　編寫簡單的消息發(fā)布
　　　　器和訂閱器（Python
　　　　語言實(shí)現(xiàn)）74
4.2.11　測試簡單的消息發(fā)布器
　　　　和訂閱器76
4.2.12　編寫簡單的服務(wù)器和客
　　　　戶端（C 語言實(shí)現(xiàn)）77
4.2.13　編寫簡單的服務(wù)器和
　　　　客戶端（Python語言
　　　　實(shí)現(xiàn)）79
4.2.14　測試簡單的服務(wù)器和
　　　　客戶端80
習(xí)題81
第5章　ROS的調(diào)試82
5.1　常用的ROS調(diào)試命令82
5.2　常用的ROS調(diào)試工具84
5.2.1　使用rosconsole在運(yùn)行
　　　時(shí)修改調(diào)試級別84
5.2.2　使用roswtf檢測信號(hào)的
　　　潛在問題86
5.2.3　使用rqt_graph顯示節(jié)
　　　點(diǎn)狀態(tài)圖87
5.2.4　使用rqt_plot繪制標(biāo)量
　　　數(shù)據(jù)圖88
5.2.5　使用image_view顯示
　　　二維圖像89
5.2.6　使用RViz實(shí)現(xiàn)3D數(shù)據(jù)
　　　可視化90
5.2.7　使用rosbag和rqt_bag
　　　記錄與回放數(shù)據(jù)91
5.2.8　rqt插件與rx應(yīng)用93
5.3　ROS基本命令總結(jié)94
5.3.1　創(chuàng)建ROS工作空間94
5.3.2　package相關(guān)操作94
5.3.3　節(jié)點(diǎn)相關(guān)操作95
5.3.4　話題相關(guān)操作95
5.3.5　服務(wù)相關(guān)操作96
5.3.6　rosparam相關(guān)操作97
5.3.7　bag相關(guān)操作97
5.3.8　rosmsg相關(guān)操作98
5.3.9　rossrv相關(guān)操作99
5.3.10　ROS的其他命令99
習(xí)題99
第二部分　機(jī)器人核心
功能的實(shí)現(xiàn)
第6章　機(jī)器人安裝與初步使用103
6.1　TurtleBot機(jī)器人簡介103
6.2　TurtleBot機(jī)器人的硬件組成
　 　與配置104
6.3　TurtleBot機(jī)器人的軟件安裝
　 　與測試105
6.3.1　ROS Melodic版本的
　　 　安裝方法105
6.3.2　ROS Noetic版本的安
　　 　裝方法107
6.3.3　安裝后的配置107
6.4　啟動(dòng)TurtleBot108
6.5　通過鍵盤手動(dòng)控制TurtleBot109
6.6　通過腳本控制TurtleBot110
6.7　監(jiān)控Kobuki電池狀態(tài)110
6.8　TurtleBot機(jī)器人的擴(kuò)展111
習(xí)題113
第7章　機(jī)器人視覺功能的實(shí)現(xiàn)114
7.1　視覺傳感器114
7.1.1　Kinect視覺傳感器115
7.1.2　RealSense視覺傳感器115
7.2　驅(qū)動(dòng)的安裝與測試116
7.3　同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)Kinect119
7.4　同時(shí)運(yùn)行Kinect與RealSense121
7.5　在ROS中使用OpenCV
　　 處理RGB圖像122
7.5.1　在ROS中安裝
　　　OpenCV122
7.5.2　在ROS代碼中使用
　　　OpenCV122
7.5.3　理解ROS-OpenCV
　　　轉(zhuǎn)換架構(gòu)123
7.5.4　ROS節(jié)點(diǎn)示例125
7.6　點(diǎn)云庫及其使用128
7.6.1　點(diǎn)云及點(diǎn)云庫簡介128
7.6.2　PCL數(shù)據(jù)類型129
7.6.3　訂閱和發(fā)布點(diǎn)云消息130
7.6.4　在ROS中使用PCL
　　　教程132
7.6.5　PCL的一個(gè)簡單應(yīng)用
　　　檢測門的開關(guān)狀態(tài)137
習(xí)題137
第8章　機(jī)器人視覺功能的實(shí)現(xiàn)
　　　　進(jìn)階138
8.1　機(jī)器人跟隨功能的實(shí)現(xiàn)138
8.1.1　理論基礎(chǔ)138
8.1.2　跟隨功能的運(yùn)行和測試139
8.2　機(jī)器人揮手識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)142
8.2.1　機(jī)器人揮手識(shí)別功能的
　　 　實(shí)現(xiàn)框架及難點(diǎn)分析142
8.2.2　基于AdaBoost和Cascade
　　 　算法的人臉檢測143
8.2.3　用模板匹配算法識(shí)別
　　 　人手145
8.2.4　基于YCrCb顏色空間的
　　 　膚色分割146
8.2.5　揮手識(shí)別功能的運(yùn)行和
　　 　測試147
8.3　機(jī)器人物體識(shí)別與定位功能的
　　　　 實(shí)現(xiàn)147
8.3.1　基于Hue直方圖的滑動(dòng)
　　　　　　窗口模板匹配方法147
8.3.2　基于空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的物
　　　　　　體定位方法148
8.3.3　物體識(shí)別與定位的實(shí)現(xiàn)
　　　　　　和測試149
8.4　機(jī)器人人臉及性別識(shí)別功能的
　　　　 實(shí)現(xiàn)151
8.4.1　基于OpenCV的傳統(tǒng)人臉
　　　　　　識(shí)別與性別識(shí)別方法151
8.4.2　基于OpenCV的人臉識(shí)
　　　　　　別與性別識(shí)別的運(yùn)行和
　　　　　　測試152
8.4.3　基于Dlib庫的人臉識(shí)別
　　　　　　方法153
8.4.4　基于Dlib庫的人臉識(shí)別
　　　　　　方法的運(yùn)行和測試153
8.4.5　基于YOLO的物體識(shí)別
　　　　　　方法158
習(xí)題160
第9章　機(jī)器人自主導(dǎo)航功能161
9.1　機(jī)器人自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)161
9.1.1　機(jī)器人的定位與建圖161
9.1.2　路徑規(guī)劃164
9.2　Kobuki基座模型運(yùn)動(dòng)學(xué)
　　　　 分析167
9.3　導(dǎo)航工程包集169
9.4　導(dǎo)航工程包集使用基礎(chǔ)169
9.4.1　導(dǎo)航工程包集在機(jī)器人
　　　　　　上的安裝與配置169
9.4.2　機(jī)器人tf配置176
9.4.3　基礎(chǔ)導(dǎo)航調(diào)試指南181
9.4.4　通過ROS發(fā)布里程計(jì)
　　　　　　測量信息184
9.4.5　通過ROS發(fā)布傳感器
　　　　　　數(shù)據(jù)流188
9.5　在TurtleBot上配置并使用導(dǎo)航
　　　　 工程包集195
9.5.1　使用TurtleBot創(chuàng)建
　　　　　　SLAM地圖195
9.5.2　使用TurtleBot已知
　　　　　　地圖的自主導(dǎo)航196
習(xí)題197
第10章　機(jī)器人語音交互功能的
　　　　　基礎(chǔ)理論198
10.1　語音識(shí)別198
10.1.1　聲學(xué)模型199
10.1.2　語言模型202
10.2　語義理解206
10.3　語音合成207
第11章　機(jī)器人語音交互功能的
　　　　 　實(shí)現(xiàn)PocketSphinx209
11.1　硬件設(shè)備209
11.2　PocketSphinx語音識(shí)別系統(tǒng)
　　　簡介210
11.3　安裝和測試PocketSphinx
　　　Melodic版本211
11.3.1　安裝PocketSphinx211
11.3.2　測試PocketSphinx語音
　　　　識(shí)別211
習(xí)題215
第12章　機(jī)器人機(jī)械臂抓取功能的
　　　　　實(shí)現(xiàn)216
12.1　機(jī)械臂硬件組裝216
12.2　機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析217
12.3　機(jī)械臂舵機(jī)ID設(shè)置218
12.4　使用USB2Dynamixel
　　　控制TurtleBot Arm223
12.4.1　安裝和測試dynamixel_
　　　　　motor軟件包223
12.4.2　機(jī)械臂抓取功能的
　　　　實(shí)現(xiàn)227
習(xí)題231
第三部分　機(jī)器人的場景應(yīng)用
第13章　機(jī)器人綜合應(yīng)用案例一：
　　　 　 長命令識(shí)別與多任務(wù)
　　　 　 執(zhí)行234
13.1　案例目標(biāo)234
13.2　語音識(shí)別命令234
13.3　在家居環(huán)境中自主導(dǎo)航235
13.4　物體識(shí)別與抓取236
習(xí)題237
第14章　機(jī)器人綜合應(yīng)用案例二：
　　　　　跟隨與協(xié)助主人238
14.1　案例目標(biāo)238
14.2　語音識(shí)別命令238
14.3　跟隨與自主導(dǎo)航239
14.4　檢測與識(shí)別人臉240
第15章　機(jī)器人綜合應(yīng)用案例三：
　　　　　顧客揮手示意機(jī)器人點(diǎn)餐241
15.1　案例目標(biāo)241
15.2　機(jī)器人即時(shí)建圖242
15.3　機(jī)器人識(shí)別揮手并移向揮手人242
15.4　語音識(shí)別菜單243
15.5　自主導(dǎo)航回到吧臺(tái)243
參考文獻(xiàn)245