目　錄
前言
第一部分　概念與相關基礎知識
第1章　機器人的概念2
1.1　機器人相關定義和分類2
1.1.1　機器人相關定義2
1.1.2　服務機器人的分類3
1.2　現(xiàn)代機器人的發(fā)展歷程4
1.2.1　現(xiàn)代機器人研究初期4
1.2.2　20世紀70年代5
1.2.3　20世紀80年代6
1.2.4　20世紀90年代8
1.2.5　21世紀初10
1.2.6　21世紀第二個十年14
1.2.7　21世紀20年代18
1.3　機器人的組成20
1.3.1　執(zhí)行機構20
1.3.2　驅動裝置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　智能人機接口系統(tǒng)22
1.4　機器人的關鍵技術22
1.5　機器人的發(fā)展趨勢23
習題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　基礎的shell命令40
習題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與計算機操作系統(tǒng)
　　　的區(qū)別51
3.1.4　ROS的主要特點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　進一步學習資源57
習題58
第4章　ROS框架和使用基礎59
4.1　ROS框架59
4.1.1　文件系統(tǒng)級59
4.1.2　計算圖級60
4.1.3　社區(qū)級61
4.2　ROS使用基礎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65
4.2.6　編譯運行ROS節(jié)點66
4.2.7　roslaunch的使用67
4.2.8　創(chuàng)建ROS消息和服務69
4.2.9　編寫簡單的消息發(fā)布
　　　器和訂閱器（C 語言
　　　實現(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　編寫簡單的服務器和客
　　　　戶端（C 語言實現(xiàn)）77
4.2.13　編寫簡單的服務器和
　　　　客戶端（Python語言
　　　　實現(xiàn)）79
4.2.14　測試簡單的服務器和
　　　　客戶端80
習題81
第5章　ROS的調試82
5.1　常用的ROS調試命令82
5.2　常用的ROS調試工具84
5.2.1　使用rosconsole在運行
　　　時修改調試級別84
5.2.2　使用roswtf檢測信號的
　　　潛在問題86
5.2.3　使用rqt_graph顯示節(jié)
　　　點狀態(tài)圖87
5.2.4　使用rqt_plot繪制標量
　　　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應用93
5.3　ROS基本命令總結94
5.3.1　創(chuàng)建ROS工作空間94
5.3.2　package相關操作94
5.3.3　節(jié)點相關操作95
5.3.4　話題相關操作95
5.3.5　服務相關操作96
5.3.6　rosparam相關操作97
5.3.7　bag相關操作97
5.3.8　rosmsg相關操作98
5.3.9　rossrv相關操作99
5.3.10　ROS的其他命令99
習題99
第二部分　機器人核心
功能的實現(xiàn)
第6章　機器人安裝與初步使用103
6.1　TurtleBot機器人簡介103
6.2　TurtleBot機器人的硬件組成
　 　與配置104
6.3　TurtleBot機器人的軟件安裝
　 　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TurtleBot108
6.5　通過鍵盤手動控制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機器人的擴展111
習題113
第7章　機器人視覺功能的實現(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　驅動的安裝與測試116
7.3　同時運行兩臺Kinect119
7.4　同時運行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
　　　轉換架構123
7.5.4　ROS節(jié)點示例125
7.6　點云庫及其使用128
7.6.1　點云及點云庫簡介128
7.6.2　PCL數(shù)據(jù)類型129
7.6.3　訂閱和發(fā)布點云消息130
7.6.4　在ROS中使用PCL
　　　教程132
7.6.5　PCL的一個簡單應用
　　　檢測門的開關狀態(tài)137
習題137
第8章　機器人視覺功能的實現(xiàn)
　　　　進階138
8.1　機器人跟隨功能的實現(xiàn)138
8.1.1　理論基礎138
8.1.2　跟隨功能的運行和測試139
8.2　機器人揮手識別功能的實現(xiàn)142
8.2.1　機器人揮手識別功能的
　　 　實現(xiàn)框架及難點分析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　揮手識別功能的運行和
　　 　測試147
8.3　機器人物體識別與定位功能的
　　　　 實現(xiàn)147
8.3.1　基于Hue直方圖的滑動
　　　　　　窗口模板匹配方法147
8.3.2　基于空間點云數(shù)據(jù)的物
　　　　　　體定位方法148
8.3.3　物體識別與定位的實現(xiàn)
　　　　　　和測試149
8.4　機器人人臉及性別識別功能的
　　　　 實現(xiàn)151
8.4.1　基于OpenCV的傳統(tǒng)人臉
　　　　　　識別與性別識別方法151
8.4.2　基于OpenCV的人臉識
　　　　　　別與性別識別的運行和
　　　　　　測試152
8.4.3　基于Dlib庫的人臉識別
　　　　　　方法153
8.4.4　基于Dlib庫的人臉識別
　　　　　　方法的運行和測試153
8.4.5　基于YOLO的物體識別
　　　　　　方法158
習題160
第9章　機器人自主導航功能161
9.1　機器人自主導航關鍵技術161
9.1.1　機器人的定位與建圖161
9.1.2　路徑規(guī)劃164
9.2　Kobuki基座模型運動學
　　　　 分析167
9.3　導航工程包集169
9.4　導航工程包集使用基礎169
9.4.1　導航工程包集在機器人
　　　　　　上的安裝與配置169
9.4.2　機器人tf配置176
9.4.3　基礎導航調試指南181
9.4.4　通過ROS發(fā)布里程計
　　　　　　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
　　　　　　地圖的自主導航196
習題197
第10章　機器人語音交互功能的
　　　　　基礎理論198
10.1　語音識別198
10.1.1　聲學模型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　機器人語音交互功能的
　　　　 　實現(xiàn)PocketSphinx209
11.1　硬件設備209
11.2　PocketSphinx語音識別系統(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
　　　　識別211
習題215
第12章　機器人機械臂抓取功能的
　　　　　實現(xiàn)216
12.1　機械臂硬件組裝216
12.2　機械臂運動學分析217
12.3　機械臂舵機ID設置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　機械臂抓取功能的
　　　　實現(xiàn)227
習題231
第三部分　機器人的場景應用
第13章　機器人綜合應用案例一：
　　　 　 長命令識別與多任務
　　　 　 執(zhí)行234
13.1　案例目標234
13.2　語音識別命令234
13.3　在家居環(huán)境中自主導航235
13.4　物體識別與抓取236
習題237
第14章　機器人綜合應用案例二：
　　　　　跟隨與協(xié)助主人238
14.1　案例目標238
14.2　語音識別命令238
14.3　跟隨與自主導航239
14.4　檢測與識別人臉240
第15章　機器人綜合應用案例三：
　　　　　顧客揮手示意機器人點餐241
15.1　案例目標241
15.2　機器人即時建圖242
15.3　機器人識別揮手并移向揮手人242
15.4　語音識別菜單243
15.5　自主導航回到吧臺243
參考文獻245