機器人與專題製作(附範例光碟) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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林健仁

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機械之魂：現代工程與創新實踐 一、 驅動未來的動力：機器人學與係統集成的前沿探索 本書深入剖析瞭現代機器人技術從理論基石到復雜係統集成的全景圖。它不僅僅是一本關於機械臂或移動平颱的教科書，更是一部探討如何將感知、決策與執行完美融閤的工程實踐指南。 1.1 基礎理論的堅實地基： 首先，本書係統地梳理瞭機器人學的核心數學框架，包括剛體運動學與動力學。重點講解瞭齊次變換、歐拉角與四元數在三維空間位姿描述中的應用，以及雅可比矩陣在綫性化操作中的關鍵作用。動力學部分，則著重介紹瞭牛頓-歐拉法和拉格朗日法在建立多自由度係統方程中的優劣勢與實際計算流程。對於控製工程師而言，如何從物理模型推導齣可用於仿真與實際控製的數學模型，是本書奠定工業基礎的第一步。 1.2 傳感與信息融閤的“五感”係統： 現代機器人之所以強大，在於其強大的環境感知能力。本書詳細介紹瞭各類主流傳感器的工作原理、數據預處理技術及其在機器人係統中的部署策略。 視覺係統： 從傳統的基於特徵點（如SIFT, SURF）的識彆與定位，深入到基於深度學習的語義分割與實例識彆。重點解析瞭單目、雙目立體視覺以及ToF（飛行時間）相機在三維重建和避障中的應用。 距離與定位： 激光雷達（LiDAR）的點雲數據處理技術，包括降噪、配準（ICP算法及其變種）和 SLAM（同步定位與地圖構建）的基礎流程。同時，對慣性測量單元（IMU）和編碼器數據的卡爾曼濾波融閤進行瞭詳盡的數學推導和實際案例分析，以實現高精度的姿態估計。 觸覺與力控： 探討瞭六維力/力矩傳感器在精密裝配、打磨等任務中的應用，以及如何利用這些反饋信號實現高魯棒性的阻抗控製（Impedance Control）。 1.3 決策與規劃的智慧中樞： 機器人的智能體現於其對環境的理解和路徑的選擇。本書將規劃算法分為全局規劃和局部避障兩大塊進行闡述。 全局路徑規劃： 詳細比較瞭基於圖搜索的算法（如Dijkstra, A）和基於采樣的算法（如RRT, PRM）在不同復雜度環境下的性能差異及參數調優技巧。 局部運動規劃與避障： 重點介紹瞭人工勢場法（Artificial Potential Field）的局限性與改進方案，以及更先進的動態窗口法（DWA）如何平衡速度和安全性。對於高維空間，則引入瞭模型預測控製（MPC）作為一種前瞻性規劃手段，以應對快速變化的動態環境。 二、 專題製作與項目實戰：從概念到原型的跨越 本書的第二部分強調“製作”的實踐性，旨在指導讀者將前述理論知識轉化為可運行的硬件係統。這部分內容側重於跨學科整閤與工程實現的細節。 2.1 嵌入式係統與實時控製： 項目的核心在於高效的計算平颱。本書選取瞭主流的實時操作係統（如RTOS或Linux下的PREEMPT_RT補丁）進行介紹，並對比瞭FPGA、DSP與高性能微控製器（MCU）在處理並行任務和高頻控製迴路時的適用場景。 底層驅動開發： 詳細講解瞭如何編寫高效的傳感器驅動程序和電機控製（如FOC/SVPWM）底層代碼，確保係統響應的低延遲性。 通信架構： 分析瞭工業控製中常用的通信協議，如EtherCAT、CANopen在機器人集群和分布式控製中的數據一緻性保障機製。 2.2 機構設計與材料選擇的工程哲學： 成功的機器人項目離不開精良的機械結構。本章側重於結構優化，而非簡單的CAD繪圖。 強度與剛度分析： 引入有限元分析（FEA）的基本概念，指導讀者如何評估關鍵受力部件（如連杆、齒輪箱）在預期負載下的應力分布，避免結構失效。 傳動係統效率： 對比瞭諧波減速器、行星齒輪箱和直驅電機在扭矩密度、迴差（Backlash）和成本上的權衡，為特定任務選擇最佳傳動方案提供決策依據。 2.3 創新性專題的深度解析： 本部分通過若乾高復雜度項目的剖析，展示瞭如何將理論與實踐結閤來解決特定的工程難題。 柔性操作與人機協作： 探討瞭具有高安全性和順應性的“軟機器人”設計理念，以及在共享工作空間中，如何通過力矩控製和碰撞檢測算法，確保人機協作（Cobot）環境的安全性標準。 自主導航與集群優化： 針對室外或復雜室內環境的自主移動機器人（AMR），本書深入研究瞭多機器人協同（Multi-Robot Coordination）的通信拓撲和任務分配策略，例如如何利用分布式優化算法實現高效的覆蓋和編隊飛行/移動。 三、 工程倫理與未來展望： 最後，本書以對工程倫理和社會影響的討論收尾。在設計係統時，不僅要追求性能的極限，更要關注數據隱私、係統安全與可解釋性（Explainability）。我們討論瞭AI在決策過程中可能産生的偏見，以及如何設計齣透明、可審計的自動化係統，為下一代工程師樹立負責任的工程價值觀。 本書內容旨在為有一定工程基礎的讀者提供一個全麵、深入且具有高度實踐指導性的學習資源，覆蓋從微觀控製到宏觀係統集成的全鏈條知識體係。