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[新加坡] 贾甘纳坦·坎尼亚，M. Fikret Ercan，Carlos A. Acosta Calderon 著，郑志强 等 译

图书标签:

• 机器人
• 竞赛
• 设计
• 实战
• STEM教育
• 青少年
• 电子制作
• Arduino
• 机械结构
• 编程

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111536017

版次：1

商品编码：11944312

品牌：机工出版

包装：平装

丛书名： 机器人设计与制作系列

开本：16开

出版时间：2016-05-01

用纸：胶版纸

页数：297

内容简介

本书较好地融合了竞赛机器人的原理、设计和制作过程，涵盖了机器人领域提出的新理论和实践发展，包括机器人的基础知识以及传感器、驱动器和控制器设计，并通过平衡杆机器人和爬壁机器人的实例分析对基础理论知识进行综合应用，后还论述了让机器人具备智能所需的基础知识以及智能机器人的算法实现案例。

作者简介

About the AuthorsJagannathan Kanniah，于1969年及1971年在印度Annamalai大学分别获得电气工程学士及硕士学位，1983年在加拿大Calgary大学获得博士学位。他是IEEE高级会员、IET会员、注册工程师。1971年至1978年，他在印度的不同机构担任过教职；1982年至1983年，在加拿大的Calgary大学做博士后工作。离开加拿大后，他加入新加坡理工学院，并晋升至首席讲师。期间，他于1993年到瑞典的Lund 技术学院做了3个月的访问学者，1999年到麻省理工学院做了3个月的访问学者。在新加坡理工学院，从1994年起开始担任机器人与自动化组的部门主管，从1996年起开始担任新加坡机器人竞赛中心的技术带头人和管理者，直至2007年退休。他在新加坡机器人竞赛中心继续工作到2011年。他的研究兴趣包括电力系统、自适应控制、仪表和机器人。他发表了35篇以上的论文，其中包括多篇期刊论文。多年来他指导了许多学生小组制作机器人，并在参加新加坡机器人竞赛活动中获得了大量的奖项。

M. Fikret Ercan，于1987年及1991年在土耳其Dokuz Eylul大学分别获得电子和通信工程学士及硕士学位。1998年在中国香港理工大学获得博士学位。他是IEEE高级会员和IEEE海洋分会会员。他感兴趣的研究领域为图像处理、机器人及计算。他编写《数字信号处理基础》(Pearson,2009）及另外两本书的部分章节，发表了80多篇论文，包括期刊上的论文。在开始他的教学生涯之前，他作为研发工程师，在土耳其、中国台湾和香港等地的电子与计算机企业工作过。他现在是新加坡理工学院的高级讲师，除了图像处理与计算方面的研究外，从2000年开始他还参与到机器人竞赛活动中，他带领的学生队伍参与了地区的和海外的比赛。

Carlos A. Acosta Calderon，于2000年在墨西哥Pachuca技术学院获得计算机系统学士学位，于2001年和2006年在英国Essex大学分别获得计算机科学（机器人和智能机器）硕士学位和博士学位。目前他是新加坡理工学院电气与电子系讲师。他的研究兴趣包括社交机器人、多机器人系统协同、模拟学习和类人机器人。他编写了两本书中的章节，在期刊和会议上发表了50多篇论文。他还是RoboCup（机器人世界杯）类人组比赛技术委员会成员，RoboCup新加坡公开赛组委会成员。他从2006年起参与机器人竞赛，并指导学生组队参与了地区的和国际的机器人赛事，包括NJRC、WRO、RoboCup和SRG。

目录

Contents目录
译者序
前言
关于作者
第1章竞赛机器人
1.1概述
1.2机器人竞赛和工程教育
1.3新加坡的机器人竞赛
1.3.1平衡杆机器人竞步
1.3.2爬壁机器人竞赛
1.3.3机器人聚类
1.3.4类人机器人比赛
1.3.5其他比赛及开放类别
1.4世界范围的机器人竞赛
1.5全书概览
参考文献
第2章机器人技术基础
2.1机器人系统简介
2.1.1机器人的专用术语
2.2坐标变换和空间移动物体的定位
2.2.1复合旋转
2.2.2齐次变换矩阵
2.2.3复合变换
2.2.4物体的数学描述
2.3移动机器人的轮式驱动方式
2.3.1差动驱动
2.3.2Ackermann操纵（类似汽车驱动）
2.3.3履带驱动
2.3.4全向轮驱动
2.3.5里程计
2.3.6实例研究：一个差动驱动机器人的里程计
2.4机械臂
2.4.1前向运动学解决方案
2.4.2逆向运动学解决方案
2.4.3实例研究：三连杆铰接式机械臂
参考文献
第3章传感器
3.1用于竞赛机器人的传感器
3.1.1测量机器人速度
3.1.2测量机器人朝向和倾角
3.1.3测量距离
3.1.4颜色检测
参考文献
第4章机器人视觉
4.1概述
4.2机器人摄像系统
4.3图像生成
4.4数字图像处理基础
4.4.1颜色和颜色空间模型
4.5基本图像处理运算
4.5.1卷积
4.5.2平滑滤波
4.6特征提取算法
4.6.1阈值法
4.6.2边缘检测
4.6.3颜色检测
4.7符号特征提取方法
4.7.1霍夫变换
4.7.2连通区域标注
4.8实例研究：着色球的跟踪
4.9小结
参考文献
第5章电机和驱动系统基本原理
5.1机器人执行机构
5.2电力执行机构
5.2.1发电和电驱动的基本概念
5.2.2直流电机
5.2.3交流电动机驱动
5.3机器人驱动的特殊要求
5.3.1直流永磁电动机
5.3.2伺服电动机
5.3.3步进电动机
5.3.4无刷直流电动机
5.4驱动系统
5.4.1直流电动机控制
5.4.2步进电动机驱动器
5.4.3无刷直流电动机驱动器
5.5小结
参考文献
第6章移动机器人电机功率选择和减速箱传动比设计
6.1移动机器人减速箱传动比
6.2驱动电机的功率要求
6.2.1电机惯性和摩擦力的作用
6.3典型的电机特性参数
6.4线性运动系统的摩擦力测量
6.5减速箱传动比的初步研究
6.6进一步研究以传动比为函数的系统性能
6.7步进电机减速箱传动比设计
6.8非地面移动机器人的设计流程
6.9小结
参考文献
第7章控制基础
7.1机器人控制理论
7.2对象的类型
7.2.1线性或非线性对象
7.2.2时不变或时变对象
7.3基于控制系统的分类
7.3.1模拟或数字系统
7.3.2开环或闭环系统
7.4智能机器人结构的需求
7.5一个典型的机器人控制系统
7.6控制的发展趋势
7.7小结
参考文献
第8章数学建模、传递函数、状态方程和控制器回顾
8.1概述
8.2建模的重要性
8.3传递函数模型
8.3.1传递函数的不同形式
8.4建模的步骤
8.5控制系统中常用到的基本部件
8.5.1电气元件
8.5.2机械部件
8.6方框图概念
8.6.1方框图化简
8.7一些系统示例
8.8状态方程
8.8.1从微分方程建立状态方程的基本概念
8.8.2从对对象的认知建立状态方程
8.8.3直接从传递函数建立状态方程
8.9用传递函数求时域解
8.9.1质量块弹簧阻尼器闭环系统的解析解
8.9.2质量块弹簧阻尼器闭环系统的模拟解
8.9.3PID控制器的响应
8.10状态方程的时域解
8.10.1用解析方法得到时域解
8.11调节控制器和伺服控制器
8.12小结
参考文献
第9章数字控制基础和控制器设计
9.1概述
9.2数字控制概览
9.2.1信号采样器
9.2.2数字控制器
9.2.3零阶保持器
9.3数字系统中的信号表示
9.3.1采样过程
9.3.2信号的Z变换
9.4数字系统中的对象表示
9.4.1ZOH的传递函数
9.4.2包含ZOH的对象的Z变换
9.4.3Tustin近似
9.5闭环系统的传递函数
9.5.1应用数字仪表的系统
9.6离散时间系统的响应及Z反变换
9.6.1部分分式法
9.6.2差分方程法
9.6.3用MATLAB求时域解
9.7典型控制器的软件实现
9.7.1积分计算
9.7.2微分计算
9.7.3数字控制器的实现
9.8离散状态空间系统
9.8.1从离散传递函数建立离散状态空间系统
9.8.2从连续状态空间模型建立离散状态空间模型
9.8.3离散状态空间系统的时域解
9.9离散状态反馈控制器
9.9.1状态可控性的概念
9.9.2状态可观测性的概念
9.9.3采样数据系统的可控性和可观测性的共同条件
9.9.4用状态反馈设计极点配置调节器
9.9.5稳态二次型最优控制
9.9.6简易伺服控制器
9.10典型的控制器硬件实现
9.11小结
参考文献
第10章平衡杆和爬壁机器人实例研究
10.1概述
10.2平衡杆机器人
10.2.1数学建模
10.2.2摆杆角控制的传递函数
10.2.3平衡杆机器人状态模型
10.2.4从机器人和电机数据建立平衡杆机器人的状态模型
10.2.5伺服输入用作补偿的极点配置控制器
10.2.6伺服输入用作补偿的LQC控制器
10.2.7应用DSP处理器实现平衡杆机器人控制器设计
10.2.82自由度平衡杆机器人
10.2.9通过实验估计PBR的角摩擦系数b
10.3爬壁机器人
10.3.1蹼式爬壁机器人
10.3.2使用动态吸力的爬壁机器人设计
10.4小结
参考文献
第11章建图、导航和路径规划
11.1概述
11.2感知
11.2.1从传感器数据到知识模型
11.2.2地图表达
11.2.3量度图
11.2.4拓扑图
11.3导航
11.3.1墙沿跟踪
11.3.2应用矢量场直方图方法避障
11.4路径规划
11.4.1波前规划器
11.4.2使用人工势场法进行路径规划
11.4.3使用拓扑图进行路径规划
参考文献
第12章机器人自治、决策和学习
12.1概述
12.2机器人自治
12.3决策
12.3.1经典决策
12.3.2反应式决策
12.3.3混合决策
12.4机器人学习
12.4.1人工神经网络
12.4.2Q学习法
12.5小结
参考文献

前言/序言

机器人竞赛（game）和比赛(competition)是从主流机器人研究中派生出来的，在工科学生、机器人学爱好者和机器人迷中很知名的活动。过去的十年中，世界各地组织了几百场机器人比赛活动。随着通过网络可以较容易地获得实惠的机器人部件或模块，人们对机器人竞赛的兴趣也达到了前所未有的高度。机器人竞赛是一种富有激情的寓教于乐的活动。
像其他工程领域一样，竞赛机器人的发展速度也是令人难以置信的。过去十年内机器人竞赛的复杂程度大幅度增加，为适应这些竞赛而研制的机器人越来越灵巧精密，这使得竞赛机器人不仅适合于训练学生，更是一条让学生学习工程理念，并建立起理论到实践间联系的有效途径。无须多说，机器人是一个多学科综合的对象，它涉及不同的工程和科学学科，如电气工程、机械工程、计算机科学等等；它甚至是一个学科不同课程的统一平台，例如电气工程课程系列中的电子学、微处理器、电机和控制原理等，其中每一门课都有大量独立的教学和研究内容，机器人平台可以将这些领域自然地整合到一起。然而，对于学生和机器人爱好者，如此广泛的材料来源让人不知所措，本书的主要目的就是为竞赛机器人设计制作提供一个初始切入点和立即可用的知识。
现在有大量的期刊、专题讨论会、图书以及网络在线资源可为机器人爱好者所用，它们还提供了许多有创意的想法。竞赛机器人已取得飞速发展，前面所提到的比赛也越来越复杂。设计竞赛机器人所需的知识和经验要求对工程概念有更好的理解。如类人机器人足球运动员和爬壁机器人等机器人的应用，不仅要求有机器人智能和编程的专门知识，还要求良好的机构设计以实现准确的反应和行动。因此，在本书中，我们提供一些基本概念并展示它们在机器人设计过程中的作用。我们将在第5章至第9章专门讨论正确选择减速器及执行机构，以及建模和底层的机器人运动控制；第10章将结合一些实例研究介绍这些基本概念在竞赛机器人中的应用。
本书的作者从事竞赛机器人研究，并在十多年中和他们的学生及同事一起设计了许多机器人。本书是从暑期课程讲义（为以竞赛机器人为毕业设计课题的学生准备的）整理而成的。我们期望本书能使本科学生在理解必要的基础知识和不同工程领域如何在机器人上得以融合方面得到帮助。我们期望学生和机器人爱好者，在他们力图搭建很酷的机器人并在机器人竞赛中获得乐趣的过程中，能从本书中受益。
致谢本书对作者多年在新加坡理工学院实施竞赛机器人活动及其研究成果进行了总结。感谢我们的所有学生，为了参加比赛，他们在实验室花费了很长时间设计、建造和调试机器人。他们的热情和动力感染了我们，我们也分享了他们的乐趣。我们特别感谢Jacqueline Oh、Lius Partawijiya、Mohd Zakaria和Zar Ni Lwin，谢谢他们在机器人设计方面的兴趣和专业性，以及这些年来他们提供的所有技术支持。

《创客的起点：零基础智能硬件开发实战》 引领你从电子小白到创客达人的奇妙旅程 在这个日新月异的时代，智能硬件正以前所未有的速度渗透到我们生活的方方面面，从智能家居的便捷舒适，到可穿戴设备的健康监测，再到物联网的无限可能，它们都在悄然改变着我们的世界。你是否也曾对那些精巧的电子产品感到好奇，渴望亲手创造属于自己的智能设备？你是否曾幻想过将自己的创意变成触手可及的现实，为生活增添更多科技的色彩？《创客的起点：零基础智能硬件开发实战》正是为你量身打造的一扇通往智能硬件世界的大门，它将带领你踏上一段激动人心的学习之旅，让你在轻松愉快的氛围中，掌握从零开始构建智能硬件系统的核心技能。 本书并非旨在教授你复杂的算法或深奥的理论，而是专注于将艰深的技术转化为易于理解的实践步骤。我们深知，对于初学者而言，兴趣的培养和信心的建立至关重要。因此，本书从最基础的电子元器件知识讲起，循序渐进地引导你认识电阻、电容、晶体管等基础元件，了解它们的工作原理和基本用途。我们会通过直观的图示和生动的比喻，让你告别枯燥的理论，真正理解“它们是做什么的”，而不是仅仅“它们叫什么”。 随着基础知识的积累，我们将进入更为激动人心的核心环节——微控制器（MCU）的编程与应用。Arduino作为当今最受欢迎的开源硬件平台之一，以其简单易学、功能强大的特点，成为了无数创客的首选。本书将以Arduino为例，为你详细介绍其开发环境的搭建、基础编程语法的掌握，以及如何通过代码控制硬件的运行。你将学会编写简单的“点灯”程序，让LED闪烁出你想要的节奏；你将学会读取传感器的数值，感受数字世界与物理世界的连接；你将学会使用电机驱动，让你的创意动起来。 本书最大的特色在于其“实战”二字。我们摒弃了纸上谈兵的教学模式，而是将每一个知识点都融入到具体的项目实践中。从最简单的“呼吸灯”到稍具挑战的“温湿度监测仪”，再到更富趣味的“智能小车”和“DIY音乐盒”，每一个项目的设计都经过精心策划，力求在有限的步骤内，让读者充分体验到从构思、设计、焊接、编程到最终实现的完整过程。在完成每一个项目后，你不仅能收获一个功能齐全的智能设备，更能从中提炼出解决类似问题的通用方法和思路，为后续更复杂的项目打下坚实基础。 我们为你精心挑选了最常用、最易获取的电子元器件和开发板，并提供了详细的物料清单和购买建议，让你能够轻松地准备好所需材料，无需为寻找配件而烦恼。每一个项目都附有清晰的电路图和详细的步骤说明，配以高质量的图片，确保你能够准确无误地完成硬件连接。遇到问题时，不必担心，本书还提供了常见的故障排除指南，帮助你快速定位并解决问题，让你在学习过程中少走弯路。 本书的语言风格力求通俗易懂，避免使用过多的专业术语，即使是初中生也能轻松理解。我们注重培养读者的独立思考能力和解决问题的能力，鼓励你在掌握基本方法后，尝试对项目进行个性化的改造和升级。例如，在制作温湿度监测仪时，你可以思考如何增加一个报警功能，当温湿度超过某个阈值时发出声音或亮起指示灯；在制作智能小车时，你可以探索如何通过蓝牙或Wi-Fi实现远程控制。这些二次开发的过程，将极大地激发你的创造力，让你真正体会到“我创造，我快乐”的成就感。 《创客的起点：零基础智能硬件开发实战》并非一本枯燥的技术手册，而是一位循循善诱的良师益友，它将陪伴你一步步探索智能硬件的奥秘。我们相信，通过本书的学习，你将： 掌握电子基础知识： 能够辨识和理解各种基本电子元器件的功能与特性。 精通Arduino开发： 能够熟练使用Arduino IDE进行编程，并掌握常见的传感器和执行器控制方法。 具备项目实战能力： 能够独立完成从概念到实现的完整智能硬件项目。 培养创新与解决问题的能力： 能够在实践中不断挑战自我，提出新的创意和解决方案。 打开创客世界的大门： 体验亲手创造的乐趣，为未来的学习和发展奠定坚实的基础。 无论你是学生，想要在课外拓展自己的知识面；无论你是爱好者，想要将自己的奇思妙想变为现实；无论你是教育者，想要为学生提供更生动有趣的教学工具；《创客的起点：零基础智能硬件开发实战》都将是你最理想的伙伴。 立即翻开这本书，开启你的创客之旅吧！在这个充满无限可能的智能时代，让你的双手成为连接创意与现实的桥梁，用你的智慧点亮每一个未来的可能。让我们一起，从零开始，创造不凡！

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就足够吸引人了，那流畅的线条和充满科技感的配色，一眼就能看出它与众不同。当我翻开第一页，一股探索未知的兴奋感油然而生。虽然我对机器人设计领域算不上是专家，但这本书的语言风格非常亲切，没有那些枯燥难懂的术语，更多的是一种循序渐进的引导，仿佛有一位经验丰富的导师在你耳边细细讲解。书中穿插了大量精美的插图和实物照片，让那些抽象的设计理念变得触手可及。我尤其喜欢其中关于机械结构的部分，那些齿轮、连杆、驱动装置的组合，在作者的笔下仿佛拥有了生命，每一个细节都经过了深思熟虑。更让我惊喜的是，它不仅仅是理论的堆砌，还提供了许多实际应用的案例，让我能够将学到的知识与现实世界的机器人项目联系起来。我迫不及待地想跟着书中的步骤，动手尝试一些简单的设计，相信这本书会成为我踏入机器人世界最得力的伙伴。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，这本书的深度和广度都超出了我的预期。我原本以为它会是一本侧重于某个特定类型机器人设计的入门读物，但实际内容却涵盖了从基础的机械原理到复杂的传感器集成，再到软件控制策略的方方面面。作者在介绍复杂概念时，非常善于类比和举例，将那些看似高深的技术转化成易于理解的知识点。我印象最深刻的是关于“智能决策系统”的那部分，它探讨了如何让机器人拥有更强的自主性和适应性，这让我看到了机器人技术未来的发展方向。而且，这本书并没有局限于单一的设计理念，而是鼓励读者跳出思维定势，去探索各种可能性。书中提出的“模块化设计”和“组件化开发”的思路，对于提高设计效率和后期维护都非常有价值。总而言之，这是一本能够让你在阅读过程中不断产生“原来如此”的惊叹的书。

评分☆☆☆☆☆

这绝对是一本为真正热爱机器人竞赛的年轻人量身打造的宝典！我一直以来都对各种机器人比赛的创意和技术感到好奇，但总觉得门槛很高。这本书的出现，彻底打破了我的认知。它没有从最基础的电工知识讲起，而是直接切入了竞赛的核心——如何设计出能在赛场上脱颖而出的机器人。作者分享了许多在实际比赛中总结出来的“秘籍”，比如如何在有限的预算内实现最佳性能，如何优化机器人的重心分布以提高稳定性，以及如何在短时间内完成精密的组装和调试。我特别欣赏其中关于“快速原型开发”的章节，它教会我如何用最有效率的方式验证设计思路，避免走弯路。书中的案例分析也十分精彩，选取了几个具有代表性的竞赛场景，详细剖析了获胜机器人的设计思路和技术亮点，让我受益匪浅。读完这本书，我感觉自己仿佛已经站在了比赛的起点，充满了无限的可能。

评分☆☆☆☆☆

这是一本真正能够激发创意的书。它不仅仅是在教你如何“制造”一个机器人，更是在引导你如何“思考”机器人。作者在书中反复强调“以赛促学”的理念，将每一个设计步骤都与竞赛的目标紧密结合。我特别喜欢书中关于“用户体验”和“人机交互”的探讨，虽然机器人竞赛主要考察的是性能，但如果能设计出更具观赏性和趣味性的机器人，无疑会为团队加分。书中还提供了一些关于如何进行团队协作和项目管理的建议，这对于我们这些需要团队合作完成比赛的学生来说，非常有启发性。我常常会在阅读过程中停下来，结合自己之前的项目经验进行反思，并尝试着将书中的新理念应用到未来的设计中。这本书让我看到了机器人设计不仅仅是技术活，更是一种创造力的体现。

评分☆☆☆☆☆

我是一名在校大学生，参加机器人社团已经有一段时间了，虽然学到了一些皮毛，但总感觉缺少一个系统性的指导。这本书就像及时雨一样，为我指明了方向。它不是那种照本宣科的教材，而是充满了作者个人的经验和见解。书中对于一些常见的机器人设计误区进行了深入的剖析，并提供了有效的解决方案，这对于我们这些初学者来说，简直是救命稻草。我最喜欢的是关于“功耗管理”和“轻量化设计”的章节，这些往往是我们容易忽略但又至关重要的问题，在作者的详细讲解下，我才意识到它们对机器人性能的影响有多大。书中的一些小技巧，比如如何选择合适的电机、如何进行线束管理等，都非常实用，能够帮助我们在实际制作中少走很多弯路。

评分☆☆☆☆☆

刚刚到手，还不知道使用情况怎么样呢，看上去不错的样子！

评分☆☆☆☆☆

很有用的一本书，入门级

评分☆☆☆☆☆

很好的一本书，值得购买

评分☆☆☆☆☆

终于收到我需要的宝贝了，东西很好，价美物廉，谢谢掌柜的！说实在，这是我~购物来让我最满意的一次购物。无论是掌柜的态度还是对物品，我都非常满意的。掌柜态度很专业热情，有问必答，回复也很快，我问了不少问题，他都不觉得烦，都会认真回答我，这点我向掌柜表示由衷的敬意，这样的好掌柜可不多。再说宝贝，正是我需要的，收到的时候包装完整，打开后让我惊喜的是，宝贝比我想象中的还要好！不得不得竖起大拇指。下次需要的时候我还会再来的，到时候麻烦掌柜给个优惠哦！

评分☆☆☆☆☆

新版本应该更实用。

评分☆☆☆☆☆

挺新的，纸张不错，内容比较全。。

评分☆☆☆☆☆

还行吧，巩固下知识还不错，的

评分☆☆☆☆☆

我们在外面等你了？这种人就是我不敢想象如果不需要别人帮助的结果也不是别人说你会觉得很幸福吧！你是谁呀！你是谁了！你是谁吗、不过也没有办法的时候不去爱了……

评分☆☆☆☆☆

如需完美，请给我告诉我我的电子发票在那获取