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出版者:高等教育出版社

作者:姜大源

出品人:

页数:172

译者:

出版时间:2005-6

价格:21.00元

装帧:

isbn号码:9787040170429

丛书系列:

图书标签:

• 单片机
• 嵌入式系统
• 微控制器
• 电子技术
• C语言
• 汇编语言
• 硬件开发
• 电路设计
• 传感器应用
• 实践教程

现代机器人学基础与应用 书籍简介 本书旨在为读者系统地介绍现代机器人学的基础理论、核心技术以及前沿应用。内容覆盖了从机器人学的基本概念、数学建模到复杂的控制算法和感知技术，力求构建一个全面且深入的知识体系。 第一部分：机器人学基础 本部分奠定了读者理解后续高级主题的理论基石。 第一章：机器人学的历史、分类与基本构成 本章追溯了机器人技术的发展历程，从早期的工业机械臂到现代的高度自主化机器人系统。详细阐述了机器人的主要分类标准，包括移动性（如轮式、履带式、仿生式）、操作性（如串联、并联机构）以及应用领域（如工业、医疗、服务、探索）。随后，深入剖析了现代机器人系统的标准结构：机械结构（连杆、关节、末端执行器）、驱动系统（电机、减速器、执行器）、传感系统（内部状态反馈与外部环境感知）以及控制核心。着重讨论了高精度、高可靠性驱动系统的设计原则及其对系统性能的决定性影响。 第二章：机器人运动的数学描述 这是理解机器人动力学与控制的关键章节。本章从欧几里得空间的基础开始，引入旋转矩阵、变换矩阵等工具，用于描述机器人末端执行器在三维空间中的位置和姿态（位姿）。 齐次变换与坐标系转换： 详细介绍如何利用 $4 imes4$ 齐次变换矩阵对机器人各个连杆之间的位姿关系进行统一描述。 欧拉角与旋转向量： 讨论不同角度表示法（如 ZYX 欧拉角、RPY 角）的优缺点，特别是欧拉角的万向锁问题，并引入更鲁棒的四元数表示法。 DH 参数法： 系统性地讲解 Denavit-Hartenberg (DH) 参数法的建立过程，这是建立机器人运动学模型的标准方法。 运动学分析： 区分正运动学（已知关节角度求末端位姿）和逆运动学（已知末端位姿求所需关节角度）。逆运动学部分将侧重分析复杂多自由度机械臂的解析解和数值解求解策略，包括基于雅可比矩阵的迭代法。 第二章的重点在于为后续的动力学分析提供精确的几何基础和数学工具。 第三章：机器人动力学建模 本章关注机器人运动的“力学”层面，即描述力和力矩如何导致机器人的运动（加速度）。 拉格朗日-欧拉方法： 详细推导基于拉格朗日方程的机器人动力学模型，该方法适用于具有复杂耦合效应的关节系统。重点展示如何推导出包含惯性矩阵、科氏力和离心力项、以及重力项的完整微分方程组。 牛顿-欧拉迭代法： 介绍自底向上（从基座到末端）或自顶向下（从末端到基座）的迭代算法，用于高效计算关节力矩。此方法在实时控制中具有计算效率高的优势。 雅可比矩阵在动力学中的应用： 阐述雅可比矩阵不仅用于速度转换，也是连接关节空间力和末端操作空间力的桥梁。深入探讨雅可比矩阵的奇异性及其在控制中的影响。 第二部分：感知与导航 本部分聚焦于机器人如何理解和适应其运行环境。 第四章：机器人传感技术 机器人通过传感器获取外部世界的信息。本章详细考察了用于定位、测距和环境建模的关键传感器。 内部传感器： 编码器（光学、磁性）、角位移传感器（Resolver）、力/力矩传感器（六维力传感器）的工作原理、精度及噪声特性。 外部环境传感器： 激光雷达 (LiDAR)： 从基础的 ToF（Time-of-Flight）原理到二维和三维激光扫描仪的数据结构与点云处理。 视觉系统： 单目、立体视觉的基本几何原理。介绍深度学习在图像识别、目标跟踪中的应用，以及事件相机（Event Camera）在新兴领域的潜力。 惯性测量单元 (IMU)： 陀螺仪、加速度计和磁力计的融合与姿态解算（如卡尔曼滤波）。 第五章：机器人定位与地图构建（SLAM） 同步定位与地图构建（SLAM）是移动机器人的核心挑战。 定位基础： 介绍里程计模型（Odometry）的误差累积问题，以及滤波技术（扩展卡尔曼滤波 EKF、粒子滤波 PF）在状态估计中的应用。 特征提取与匹配： 讨论如何从传感器数据中提取可重复的、鲁棒的环境特征点（如 LiDAR 中的角点、视觉中的 SIFT/SURF/ORB 特征）。 图优化 SLAM： 重点讲解基于图优化的现代 SLAM 框架（如 Graph-SLAM）。阐述如何将传感器观测转换为约束，并通过最小化误差函数（如高斯-牛顿法）同时优化地图节点和机器人位姿，实现全局一致性。 第六章：路径规划与运动控制 本章旨在解决“机器人如何从 A 点移动到 B 点”的问题。 全局路径规划： 讨论基于搜索的方法（如 Dijkstra、A、Theta 算法）在离散化地图上的应用。 采样规划器： 深入讲解概率路线图（PRM）和快速探索随机树（RRT/RRT）在复杂高维空间中的高效性，及其渐进最优性分析。 局部避障与轨迹跟踪： 引入动态窗口法（DWS）和势场法等实时避障策略。针对轨迹跟踪，详细分析 PID 控制器、前馈控制以及模型预测控制（MPC）在保证跟踪精度和系统稳定方面的优势和局限性。 第三部分：先进控制与应用 本部分探讨现代机器人系统的智能控制策略和实际应用案例。 第七章：机器人控制系统设计 本章从控制理论的角度，深入研究实现精确运动控制的算法。 反馈线性化控制： 讨论如何利用系统的动力学模型，通过控制律将非线性系统转化为线性系统进行控制，实现对笛卡尔空间的精确力矩控制。 阻抗/导纳控制： 重点分析接触操作（如打磨、装配）中至关重要的交互式控制模式。详细推导阻抗控制器的设计，使其能够精确模拟期望的弹簧-阻尼特性。 基于模型预测的控制 (MPC)： 阐述 MPC 如何在实时优化框架内，预测系统未来状态，并求解当前时刻的最优控制输入，特别适用于具有输入约束和状态约束的复杂动态系统。 第八章：人机协作与柔顺操作 随着机器人进入人类工作环境，安全性和交互性成为核心。 安全规范与力控： 介绍 ISO 等标准对人机协作（Cobot）的要求，以及基于力矩控制的安全交互机制。 操作技能学习： 探讨模仿学习（Imitation Learning）和强化学习（Reinforcement Learning）在机器人技能习得中的最新进展。分析如何利用示教数据或环境交互，使机器人自主发现最优控制策略。 第九章：特种机器人系统实例 本章通过具体的应用案例，巩固前述理论知识。 仿人机器人与双足行走： 探讨维持双足行走稳定性的关键技术，如零力矩点（ZMP）理论及其在步态规划中的应用。 柔性与软体机器人： 介绍基于材料科学的机器人形态，以及它们在医疗介入和精细抓取中的独特优势与控制挑战。 无人机系统（UAV）： 针对多旋翼无人机的空气动力学建模、姿态估计、以及在复杂环境下的自主导航与编队控制技术。 本书的理论深度适中，兼顾了工程实践性，是从事机器人研发、自动化工程、机电一体化等领域研究人员和工程师的理想参考书。学习本书后，读者将具备构建、调试和优化复杂机器人系统的核心能力。

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这本关于单片机技术的书，内容之详尽，简直让我这个初学者有些望而生畏，但同时又充满了探索的欲望。我原以为这会是一本枯燥乏味的教科书，充斥着晦涩难懂的术语和密密麻麻的寄存器说明，但翻开之后才发现，作者在讲解复杂的概念时，总能找到一个非常巧妙的切入点，将抽象的理论与实际应用紧密结合起来。比如，在讲解定时器和计数器的工作原理时，作者没有停留在简单的硬件描述上，而是通过好几个生动的小案例，模拟了在不同应用场景下，如何精确地配置这些模块来实现特定的功能，那种代入感极强，让我仿佛置身于一个电子设计实验室中，亲手调试着每一个参数。书中的图示和流程图绘制得非常清晰，即便是第一次接触中断控制的读者，也能通过那张层层递进的流程图，迅速掌握中断的触发、响应和返回机制。不过，对于那些追求极致深度的资深工程师来说，可能需要阅读更多的参考手册来补充一些底层细节，但这对于绝大多数希望系统学习单片机原理和应用的读者来说，绝对是一本不可多得的宝典，它架设了一座从零基础到能够独立完成中小型项目之间的坚实桥梁。

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这本书的排版和印刷质量也值得一提，这对于长时间阅读技术文档的读者来说，是非常重要的体验。纸张的厚度和光泽度适中，长时间阅读下来眼睛不会感到过度疲劳，而且书中大量的代码示例和原理图的线条清晰锐利，即使用放大镜查看细节，也不会出现模糊不清的现象。特别是那些关于ADC（模数转换器）采样过程的波形图，曲线的平滑度和细节的还原度都做得非常好，这对于理解采样定理和量化误差至关重要。此外，书中的附录部分也做得相当人性化，它不仅仅是简单地罗列了常用指令集，还提供了一个非常实用的“常见错误及排查指南”，列举了诸如上电复位时序错误、看门狗定时器配置不当等几种最容易让新手抓狂的问题，并给出了简洁的解决思路。这种从读者痛点出发的内容组织方式，使得这本书更像一位经验丰富的导师陪伴在侧，随时准备提供关键帮助，而不是一本冷冰冰的参考资料。

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这本书对于理解高级功能模块的应用，如PWM（脉冲宽度调制）和中断服务程序的嵌套处理，展现出了一种非凡的组织能力。PWM那一章，作者没有直接展示复杂的占空比计算公式，而是先通过一个日常生活中水龙头出水量的比喻，形象地解释了PWM的核心概念——等效输出。随后，作者才引入了精确的周期和占空比的计算方法，并提供了两个实战案例：一个是控制舵机角度，另一个是实现一个简单的调光电路。这两个案例不仅涵盖了不同精度的要求，还展示了如何利用硬件定时器的不同模式来灵活生成所需的波形。关于中断的章节，作者尤其强调了“中断优先级和嵌套的危险性”，通过一个灾难性的程序崩溃案例，警示读者在设计复杂系统时必须预先考虑中断之间的协作关系。这种“先给人看后果，再教人怎么避免”的叙事手法，非常有效地加深了读者的印象，使得我在编写包含多个中断源的程序时，变得更加谨慎和有条理，极大地提升了我对实时系统设计鲁棒性的认识。

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我花了整整一个周末的时间来研读这本书的关于串行通信的部分，不得不说，作者在阐述RS-232、I2C和SPI这些通信协议时的功力深厚，语言的组织极具条理性和逻辑性。他没有像某些书籍那样将这些协议的原理和硬件电路混在一起讲得一团糟，而是采用了“先理论后实践，再对比分析”的策略。首先，他用非常精炼的语言勾勒出每种协议的物理层和数据链路层的核心差异，比如时钟信号的有无、数据传输的方向性等，这帮助我快速建立了宏观的认知框架。接着，书中详细对比了在不同应用场景下，选择I2C还是SPI的优劣，这种基于权衡的分析，远比单纯的知识点罗列更有价值，因为它教会了我如何“设计”，而不是仅仅“实现”。我尤其欣赏作者在讲解波特率计算和校验位生成时，那种深入到每一个时钟周期的细致讲解，每一个公式的推导都清晰可见，让人没有丝毫的困惑感。读完这一章，我立刻就能拿起开发板，尝试编写程序来与外部传感器进行高效的数据交换，这种知识的即时转化能力，是衡量一本技术书籍好坏的关键标准之一。

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坦白讲，我对这本书最初的期望值并不高，毕竟市面上关于单片机入门的书籍多如牛毛，大多只是对芯片手册的重新排版。然而，这本书最大的亮点在于其对“嵌入式思维”的培养。它不仅仅关注“如何点亮一个LED”这种初级操作，而是着力于讲解“为什么需要软件模拟一个定时器”以及“在资源受限的环境下如何优化代码的执行效率”。书中对C语言在嵌入式开发中的应用，特别是位操作和内存管理的讨论，非常到位。作者似乎非常懂得初学者在面对指针和位域操作时容易产生的恐惧，所以他设计了一系列由浅入深的练习，比如如何用掩码和移位操作来控制特定寄存器的某一位，而不是依赖于预定义的宏定义。这种训练，极大地增强了我对底层硬件操作的直觉和信心。更让我印象深刻的是，书中对“代码可移植性”的探讨，作者强调了不要过度依赖特定型号芯片的内部特性，而是应该构建一个抽象层，这对于我未来转向更复杂的处理器架构具有长远的指导意义，体现了作者深厚的工程素养。

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