前言
機器人學(Robotics)作為一門高度交叉的前沿學科,涉及自動控制、機械工程、材料科學、計算機科學、電子科學及人工智能等多門學科,是現(xiàn)代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一。
隨著社會的發(fā)展,人們對機器人的要求越來越高,不僅希望機器人可以在家庭、學校、醫(yī)院等環(huán)境中成為人們的助手,更希望機器人能夠逐步代替人們在眾多復雜、未知甚至危險的環(huán)境中發(fā)揮重要作用,如搜索救援、月球探索、爆炸物探測、軍事戰(zhàn)斗等,這就要求機器人具備較高的智能。因此,機器人學與人工智能有著十分密切的關系。
智能機器人幾乎是伴隨著人工智能而產(chǎn)生的。一方面,智能機器人技術的發(fā)展需要人工智能技術的支撐,不斷發(fā)展的人工智能技術也有助于智能機器人性能的提升;另一方面,智能機器人技術的發(fā)展又為人工智能技術的發(fā)展帶來了新的推動力,并提供了一個很好的試驗與應用場所。也就是說,智能機器人作為人工智能技術呈現(xiàn)的載體,促進了問題求解、任務規(guī)劃、知識表示和智能系統(tǒng)等理論與技術的進一步發(fā)展。
現(xiàn)實中的機器人,其外形往往是多種多樣的,有些在外形上和人的外形類似,被稱為類人機器人或人形機器人,這類機器人可以模仿人們執(zhí)行某些任務時的行為,如行走、拾取、搬運等;有些機器人在外形上和人的外形相差很大,如無人駕駛車輛就是一種典型代表。
智能機器人所處的環(huán)境往往是未知的、難以預測的,在研究智能機器人過程中,主要會涉及多傳感器信息融合、導航與定位、路徑規(guī)劃、智能控制、多機器人協(xié)同、人機交互等關鍵技術。
本書從一個相對系統(tǒng)化的角度對智能機器人的相關技術進行了介紹,希望能為從事智能機器人研究、開發(fā)和應用的人員提供參考。
本書共9章,各章內(nèi)容安排如下:
第1章為緒論。本章首先從機器人學和機器人三定律入手,介紹了國內(nèi)外機器人的發(fā)展情況,以及機器人的發(fā)展歷程;然后在此基礎上介紹機器人的一些基本概念,如機器人的定義與特點、結構與分類;接著介紹了人工智能的發(fā)展,并對機器人學與人工智能的關系進行分析;最后介紹了機器人學的知識圖譜和研究方向。
第2章為機器人學的數(shù)學基礎。機器人學的研究離不開各物體間以及物體與機器人間的空間關系。本章主要介紹這些空間關系的表示和變換方法,如位置、方位和位姿的表示,坐標變換,以及通用旋轉(zhuǎn)變換。
第3章為智能機器人體系結構。體系結構是從體系層面對智能機器人系統(tǒng)結構進行的表述。本章首先介紹了智能機器人常見的三種體系結構,即慎思式系統(tǒng)結構、反應式系統(tǒng)結構和混合式系統(tǒng)結構;然后給出了針對一些特殊場景和特殊應用的新型體系結構;最后對機器人操作系統(tǒng)進行了簡要的介紹。
第4章為智能機器人中的傳感器。在智能機器人系統(tǒng)中,傳感器是指那些起到內(nèi)部反饋控制作用或感知與外部環(huán)境的相互作用的裝置。智能機器人中的傳感器可以分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器,本章首先對常見的內(nèi)部傳感器和外部傳感器進行了介紹,然后重點介紹了視覺傳感器和距離傳感器。
第5章為環(huán)境感知與建模。即時定位與地圖構建(SLAM)是機器人感知環(huán)境的重要技術。本章首先介紹了SLAM中的常用模型,然后介紹了地圖構建中的常用地圖,接著介紹了機器人的定位技術,最后對SLAM的研究方法、現(xiàn)狀及方向進行了詳細的介紹。
第6章為路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃是機器人技術的主要研究內(nèi)容之一。路徑規(guī)劃是指基于環(huán)境地圖,在一定的約束條件下,搜索一條最優(yōu)可通行路徑。本章首先簡單介紹了環(huán)境地圖常用的表示方法,然后介紹了路徑規(guī)劃技術,最后對幾種常用的全局路徑規(guī)劃算法和局部路徑規(guī)劃算法進行了詳細的介紹。
第7章為機器人控制。對機器人的運動進行控制,使其按預定方式運動,是設計機器人的目的。本章首先介紹了機器人控制的基礎理論,即對機器人的運動學和動力學進行描述;然后圍繞機器人的具體控制問題展開了論述,重點介紹了機器人的傳統(tǒng)控制方法和智能控制方法。
第8章為多機器人協(xié)同。在面對一些大型的復雜場景以及對處理能力和實時性要求較高的任務時,單機器人越來越難以勝任,因此多機器人協(xié)作系統(tǒng)成為機器人學的一個重要研究課題。本章首先對多機器人系統(tǒng)進行了概述,然后對多機器人系統(tǒng)的三個主要研究內(nèi)容,即多機器人的協(xié)同感知、協(xié)同作業(yè)和協(xié)同編隊,進行了詳細的介紹。
第9章為智能機器人的HRI。人-機器人交互(HRI)技術是人機交互(HCI)技術在機器人領域的發(fā)展,已成為機器人領域的重要研究方向之一。本章先對HCI技術進行了概述,然后介紹了HRI相關理論,最后對智能HRI的關鍵技術進行了論述。
本書除了署名的作者,劉華峰、董文杰、洪洋、張佳程等研究生也參與了部分章節(jié)的編寫。
限于作者水平,本書難免會有疏漏和不足之處,敬請廣大讀者朋友批評指正。
作者2020年5月于南京