本书专为入门读者编写，通过由浅入深的方式讲解智能机器人的核心技术与开发流程。为适应机器人技术的迅猛发展，本书在第1版的基础上进行了修订，增加了部分新技术的理论以及全部技术在Ubuntu18.04版本上的具体实现方法。全书内容分为三部分：首先，介绍概念与相关基础知识，包括机器人的概念、Ubuntu Linux操作系统和ROS知识；然后，介绍机器人核心功能的实现，涵盖机器人安装与初步使用、机器人视觉功能、机器人自主导航功能、机器人语音交互功能与机器人机械臂抓取功能；同时，介绍机器人的场景应用，通过几个例子全面演示服务机器人的开发过程。

本书注重理论与实践相结合，实用价值显著，既可作为高等院校计算机科学、机器人工程等相关专业的教学用书，也可供智能机器人开发爱好者自学参考。

1.本书面向初学者，系统介绍智能机器人的原理和开发方法。首先，介绍智能机器人的概念与基础技术知识；然后，介绍机器人核心功能的实现方法；最后，介绍机器人的开发案例与应用场景。这种层层递进的方式，有利于帮助读者建立对机器人系统的认识，再逐步掌握智能机器人核心功能的开发方法。
2.本书贯彻理论联系实际的编写原则，立足实践，融合工程方法。书中的案例源自作者团队在RoboCup（机器人世界杯）中的获奖项目。读者按照本书的指导，采用配套资源，可实现自己的智能机器人功能。
3.本书的讲授基于开源机器人操作系统ROS，该开源操作系统容易获取、使用方便，通过案例实践能够帮助读者掌握主流软件框架的先进理念和开发方法。此外，书中强调开发的要点和难点，这些工程经验对读者顺利完成开发具有画龙点睛的作用。

前　言
自20世纪中叶现代机器人技术兴起以来，该领域经历了跨越式发展。近年来，机器人已从最初的工业应用扩展到医疗、服务、航天等多个领域，深刻改变着人类的生产和生活方式。在计算机技术、互联网和人工智能的协同推动下，机器人系统正朝着智能化、网络化和人性化的方向快速发展，或许在不久后，机器人就将走进人们的生活。
在机器人的发展过程中，统一、高效的开发平台有着极其重要的作用，机器人操作系统（ROS）的出现是机器人技术发展的重要里程碑。2010年，Willow Garage公司推出的开源ROS框架，为机器人研发提供了标准化平台。这一系统采用分布式架构和模块化设计，支持多语言编程，极大地降低了机器人开发的技术门槛，促进了全球范围内的技术交流与创新。
本书旨在系统性地介绍智能机器人开发的关键技术，为相关领域的学习者和从业者提供专业指导。为适应机器人技术的迅猛发展，本书在第1版的基础上进行了修订，增加了部分新技术的理论以及全部技术在Ubuntu18.04和ROS Melodic版本上的具体实现方法。全书内容分为三部分：第一部分介绍概念与相关基础知识，包括机器人的概念、Ubuntu Linux操作系统和ROS知识；第二部分介绍机器人核心功能的实现，涵盖机器人安装与初步使用、机器人视觉功能、机器人自主导航功能、机器人语音交互功能与机器人机械臂抓取功能；第三部分介绍机器人的场景应用，通过几个例子全面演示服务机器人的开发过程。
书中案例源自作者团队在RoboCup（机器人世界杯）中的获奖项目。读者可通过机工教育服务网和华章分社小程序获取配套的实践资源以进行实操训练，进而深入理解技术原理，掌握开发技能。
鉴于机器人技术发展迅速，加之作者水平有限，书中难免存在不足之处。诚挚欢迎读者提出宝贵意见，共同推动智能机器人技术的进步与发展。

段峰，南开大学人工智能学院教授，研究领域为脑科学与机器人，在脑肌电稳定识别技术、单元化生产线的人机共融技术方面取得了系列成果。累计发表论文100余篇，出版英文专著2部，授权专利9项。教学上，长期从事机器人相关课程的教学，并担任南开大学机器人团队的指导教师，所指导的团队连续三年获得连续三年获得日本机器人世界公开赛服务机器人项目冠军，以及华为杯中国大学生智能设计竞赛全国总冠军等奖项。

目　录
前言
第一部分　概念与相关基础知识
第1章　机器人的概念2
1.1　机器人相关定义和分类2
1.1.1　机器人相关定义2
1.1.2　服务机器人的分类3
1.2　现代机器人的发展历程4
1.2.1　现代机器人研究初期4
1.2.2　20世纪70年代5
1.2.3　20世纪80年代6
1.2.4　20世纪90年代8
1.2.5　21世纪初10
1.2.6　21世纪第二个十年14
1.2.7　21世纪20年代18
1.3　机器人的组成20
1.3.1　执行机构20
1.3.2　驱动装置21
1.3.3　传感装置21
1.3.4　控制系统21
1.3.5　智能系统21
1.3.6　智能人机接口系统22
1.4　机器人的关键技术22
1.5　机器人的发展趋势23
习题24
第2章　Ubuntu Linux操作系统25
2.1　Linux和Ubuntu简介25
2.1.1　Linux简介25
2.1.2　Ubuntu简介26
2.1.3　Ubuntu的文件系统27
2.2　Ubuntu的安装28
2.2.1　Ubuntu18.04系统启动盘
　　　的制作28
2.2.2　Ubuntu18.04的安装35
2.3　shell命令39
2.3.1　Ubuntu的终端39
2.3.2　基础的shell命令40
习题49
第3章　ROS入门50
3.1　ROS简介50
3.1.1　为什么使用ROS50
3.1.2　什么是ROS51
3.1.3　ROS与计算机操作系统
　　　的区别51
3.1.4　ROS的主要特点52
3.2　ROS的安装与卸载53
3.2.1　ROS的版本53
3.2.2　安装和配置ROS Melodic53
3.2.3　安装和配置ROS Noetic56
3.2.4　卸载ROS57
3.3　进一步学习资源57
习题58
第4章　ROS框架和使用基础59
4.1　ROS框架59
4.1.1　文件系统级59
4.1.2　计算图级60
4.1.3　社区级61
4.2　ROS使用基础62
4.2.1　catkin简介62
4.2.2　工作空间及其创建方法62
4.2.3　创建ROS工程包65
4.2.4　编译ROS工程包65
4.2.5　创建ROS节点65
4.2.6　编译运行ROS节点66
4.2.7　roslaunch的使用67
4.2.8　创建ROS消息和服务69
4.2.9　编写简单的消息发布
　　　器和订阅器（C 语言
　　　实现）72
4.2.10　编写简单的消息发布
　　　　器和订阅器（Python
　　　　语言实现）74
4.2.11　测试简单的消息发布器
　　　　和订阅器76
4.2.12　编写简单的服务器和客
　　　　户端（C 语言实现）77
4.2.13　编写简单的服务器和
　　　　客户端（Python语言
　　　　实现）79
4.2.14　测试简单的服务器和
　　　　客户端80
习题81
第5章　ROS的调试82
5.1　常用的ROS调试命令82
5.2　常用的ROS调试工具84
5.2.1　使用rosconsole在运行
　　　时修改调试级别84
5.2.2　使用roswtf检测信号的
　　　潜在问题86
5.2.3　使用rqt_graph显示节
　　　点状态图87
5.2.4　使用rqt_plot绘制标量
　　　数据图88
5.2.5　使用image_view显示
　　　二维图像89
5.2.6　使用RViz实现3D数据
　　　可视化90
5.2.7　使用rosbag和rqt_bag
　　　记录与回放数据91
5.2.8　rqt插件与rx应用93
5.3　ROS基本命令总结94
5.3.1　创建ROS工作空间94
5.3.2　package相关操作94
5.3.3　节点相关操作95
5.3.4　话题相关操作95
5.3.5　服务相关操作96
5.3.6　rosparam相关操作97
5.3.7　bag相关操作97
5.3.8　rosmsg相关操作98
5.3.9　rossrv相关操作99
5.3.10　ROS的其他命令99
习题99
第二部分　机器人核心
功能的实现
第6章　机器人安装与初步使用103
6.1　TurtleBot机器人简介103
6.2　TurtleBot机器人的硬件组成
　 　与配置104
6.3　TurtleBot机器人的软件安装
　 　与测试105
6.3.1　ROS Melodic版本的
　　 　安装方法105
6.3.2　ROS Noetic版本的安
　　 　装方法107
6.3.3　安装后的配置107
6.4　启动TurtleBot108
6.5　通过键盘手动控制TurtleBot109
6.6　通过脚本控制TurtleBot110
6.7　监控Kobuki电池状态110
6.8　TurtleBot机器人的扩展111
习题113
第7章　机器人视觉功能的实现114
7.1　视觉传感器114
7.1.1　Kinect视觉传感器115
7.1.2　RealSense视觉传感器115
7.2　驱动的安装与测试116
7.3　同时运行两台Kinect119
7.4　同时运行Kinect与RealSense121
7.5　在ROS中使用OpenCV
　　 处理RGB图像122
7.5.1　在ROS中安装
　　　OpenCV122
7.5.2　在ROS代码中使用
　　　OpenCV122
7.5.3　理解ROS-OpenCV
　　　转换架构123
7.5.4　ROS节点示例125
7.6　点云库及其使用128
7.6.1　点云及点云库简介128
7.6.2　PCL数据类型129
7.6.3　订阅和发布点云消息130
7.6.4　在ROS中使用PCL
　　　教程132
7.6.5　PCL的一个简单应用
　　　检测门的开关状态137
习题137
第8章　机器人视觉功能的实现
　　　　进阶138
8.1　机器人跟随功能的实现138
8.1.1　理论基础138
8.1.2　跟随功能的运行和测试139
8.2　机器人挥手识别功能的实现142
8.2.1　机器人挥手识别功能的
　　 　实现框架及难点分析142
8.2.2　基于AdaBoost和Cascade
　　 　算法的人脸检测143
8.2.3　用模板匹配算法识别
　　 　人手145
8.2.4　基于YCrCb颜色空间的
　　 　肤色分割146
8.2.5　挥手识别功能的运行和
　　 　测试147
8.3　机器人物体识别与定位功能的
　　　　 实现147
8.3.1　基于Hue直方图的滑动
　　　　　　窗口模板匹配方法147
8.3.2　基于空间点云数据的物
　　　　　　体定位方法148
8.3.3　物体识别与定位的实现
　　　　　　和测试149
8.4　机器人人脸及性别识别功能的
　　　　 实现151
8.4.1　基于OpenCV的传统人脸
　　　　　　识别与性别识别方法151
8.4.2　基于OpenCV的人脸识
　　　　　　别与性别识别的运行和
　　　　　　测试152
8.4.3　基于Dlib库的人脸识别
　　　　　　方法153
8.4.4　基于Dlib库的人脸识别
　　　　　　方法的运行和测试153
8.4.5　基于YOLO的物体识别
　　　　　　方法158
习题160
第9章　机器人自主导航功能161
9.1　机器人自主导航关键技术161
9.1.1　机器人的定位与建图161
9.1.2　路径规划164
9.2　Kobuki基座模型运动学
　　　　 分析167
9.3　导航工程包集169
9.4　导航工程包集使用基础169
9.4.1　导航工程包集在机器人
　　　　　　上的安装与配置169
9.4.2　机器人tf配置176
9.4.3　基础导航调试指南181
9.4.4　通过ROS发布里程计
　　　　　　测量信息184
9.4.5　通过ROS发布传感器
　　　　　　数据流188
9.5　在TurtleBot上配置并使用导航
　　　　 工程包集195
9.5.1　使用TurtleBot创建
　　　　　　SLAM地图195
9.5.2　使用TurtleBot已知
　　　　　　地图的自主导航196
习题197
第10章　机器人语音交互功能的
　　　　　基础理论198
10.1　语音识别198
10.1.1　声学模型199
10.1.2　语言模型202
10.2　语义理解206
10.3　语音合成207
第11章　机器人语音交互功能的
　　　　 　实现PocketSphinx209
11.1　硬件设备209
11.2　PocketSphinx语音识别系统
　　　简介210
11.3　安装和测试PocketSphinx
　　　Melodic版本211
11.3.1　安装PocketSphinx211
11.3.2　测试PocketSphinx语音
　　　　识别211
习题215
第12章　机器人机械臂抓取功能的
　　　　　实现216
12.1　机械臂硬件组装216
12.2　机械臂运动学分析217
12.3　机械臂舵机ID设置218
12.4　使用USB2Dynamixel
　　　控制TurtleBot Arm223
12.4.1　安装和测试dynamixel_
　　　　　motor软件包223
12.4.2　机械臂抓取功能的
　　　　实现227
习题231
第三部分　机器人的场景应用
第13章　机器人综合应用案例一：
　　　 　 长命令识别与多任务
　　　 　 执行234
13.1　案例目标234
13.2　语音识别命令234
13.3　在家居环境中自主导航235
13.4　物体识别与抓取236
习题237
第14章　机器人综合应用案例二：
　　　　　跟随与协助主人238
14.1　案例目标238
14.2　语音识别命令238
14.3　跟随与自主导航239
14.4　检测与识别人脸240
第15章　机器人综合应用案例三：
　　　　　顾客挥手示意机器人点餐241
15.1　案例目标241
15.2　机器人即时建图242
15.3　机器人识别挥手并移向挥手人242
15.4　语音识别菜单243
15.5　自主导航回到吧台243
参考文献245