本书系统性地介绍智能机器人发展历程和核心技术，并详细介绍利用ROS进行机器人编程的实例。本书包括六个章节：第1章整体介绍智能机器人的发展历史、关键技术和发展趋势等；第2章介绍机器人操作系统ROS；第3章介绍智能机器人常用的传感器；第4章讲述机器人的定位和导航方法；第5章和第6章分别讲述两种典型的智能机器人机械臂和四足机器人的基本原理和控制方法。

智能机器人教育需兼顾技术创新与社会责任。本书不仅详细介绍了ROS2、传感器、运动控制等前沿技术，又深入探讨了机器人伦理、人机共生等深度议题。这种技术 人文的双重视角，既能激发学生的工程创造力，又能引导其思考科技边界，为通识教育赋予了更深层的价值内涵。

鲁继文 清华大学长聘教授


本书突破了传统教材重理论轻实践的局限，以ROS生态为纽带，串联传感器数据解析、SLAM建图、机械臂逆运动学求解等核心环节，提供了数学推导-代码实现-系统集成的全流程指导，还详解了四足机器人步态仿真、UR机械臂抓取等案例，充分体现学中做、做中学的工程教育理念，为培养复合型机器人人才提供范本。
徐凯 国防科技大学教授


本书以知其然，亦知其所以然为核心理念，将ROS/ROS2操作系统、多模态传感器原理与机器人运动控制深度融合，构建了从硬件驱动到算法落地的完整知识链条。读者通过本书不仅能够夯实技术地基，还可以通过轮式导航、机械臂抓取等工业级案例实现能力跃迁；同时，本书还设置了仿真与实机双路径实践，非常适合各学科初学者入门，是一本不可多得的优秀教材。

屠长河 山东大学教授


作为面向多学科背景的教材，本书平衡了技术深度与可读性：通过直观的示意图、最小化代码示例降低入门门槛，同时以四足机器人动力学仿真、SLAM实战等高阶内容满足进阶需求。其原理-系统-产业三层内容架构，为机器人技术、自动化、计算机、人工智能等专业学生提供了无缝衔接的机器人技术入口。

张辉 湖南大学教授

PREFACE
前　　言

在当今这个信息时代，人工智能正引领着科技革命的潮流，为各行各业带来深刻的变革。在人工智能领域中，智能机器人作为一颗耀眼的明星，以其卓越的性能和广泛的应用领域，成为创新的焦点和教育的热点。本书旨在为人工智能、计算机科学、自动化等领域的学生和专业人员提供一本系统的专业图书，帮助他们掌握智能机器人的基础理论和方法，了解智能机器人领域的前沿研究、核心技术和创新应用。

第1章智能机器人概述：探索智能机器人的历史演进。从早期的机械装置到现代的智能机器人，为读者描绘生动的机器人发展脉络与智能机器人的关键技术，帮助读者在宏观上了解智能机器人所涉及的内容。

第2章机器人操作系统：介绍机器人的大脑机器人操作系统（ROS）。在这一章中，深入讲解机器人操作系统的特点、功能和应用，从而为构建智能机器人应用系统提供知识框架和开发工具。

第3章机器人传感器：带领读者进入智能机器人的感知世界。通过深入讨论不同类型传感器的原理、技术和应用，帮助读者理解机器人如何感知外部环境，从而做出智能决策和行动。

第4章定位和导航：揭示机器人在空间中精准定位和导航的原理和方法，帮助读者了解机器人如何借助定位和导航技术实现自主移动，为智能机器人应用提供重要的技术支撑。

第5章机械臂的运动控制：探讨工业机器人的典型代表机械臂的动作控制和执行能力，帮助读者了解机械臂的结构、运动学和动力学，以及其如何实现复杂的精准动作，从而为工业、医疗等领域的应用提供解决方案。

第6章四足机器人：介绍机器人领域的创新之一四足机器人的设计。通过学习四足机器人的原理和设计思路，探索如何模仿动物的行走方式，为机器人增添更大的机动性和灵活性。

第7章人形机器人：介绍了人形机器人的内涵与构成，人形机器人的发展现状与政策支持，人形机器人肢体，人形机器人大脑和小脑。人形机器人是目前机器人领域的研究热点。

第8章介绍智能机器人的发展趋势以及在发展过程中所面临的挑战。

鉴于智能机器人的研究仍在快速发展阶段，许多方面尚未达成完整结论或普遍共识。在撰写本书时，力争展现智能机器人的关键技术，并避免给出没有广泛共识的观点和结论。本书的编写组稿工作得到了实验室研究生吴婷、吴林春、程杨、王云鹤等同学的帮助，在此一并表示感谢！由于作者理论水平和实践经验所限，书中不妥之处在所难免，敬请读者批评指正。

希望本书能够激发读者对智能机器人领域的浓厚兴趣，为未来的研究和工作奠定坚实的基础。祝愿每一位阅读本书的读者都能在智能机器人的世界中找到属于自己的探索方向和创新之路。

邹 勤
武汉大学计算机学院/机器人系教授，博士生导师，人工智能研究所副所长，IEEE/CCF高级会员。武汉大学与美国南卡罗来纳大学联合培养博士。研究领域为机器视觉与机器人 (实验室网址：http://mvr.whu.edu.cn )，在机器视觉工业检测方面作出了创新成果和应用，获科技进步奖一等奖(2009)、国家技术发明二等奖(2015)和湖北省自然科学二等奖 (2019)。在IJCV、IEEE TIP、 IEEE TNNLS、 ICLR、 CVPR、 ICRA 等国际期刊和会议上发表论文90篇，单篇最高引用超1000次；担任SCI SIVP期刊编委、中国图象图形学学会（CSIG）三维视觉专业委员会委员、中国计算机学会（CCF）智能机器人专业委员会委员。主持研发武汉大学首款仿人机器人灵犀1号。

陈 驰
武汉大学测绘遥感信息工程全国重点实验室教授，博士生导师，入选国家级高层次青年人才；担任IEEE 1937.6国际标准组秘书长、国际数字地球学会激光雷达专委会委员。长期从事机器人系统感知、定位、导航与建图等关键技术的研究与装备的研制，主持国家自然科学基金重点项目（联合基金）地下空间无人集群协同自主探索与3D感知定位制图；在测绘遥感、机器人等领域发表SCI等论文60余篇，授权国家发明专利20余项，参与制定国家标准1项、国际标准2项；获国际摄影测量与遥感学（ISPRS）优秀论文奖、美国摄影测量与遥感学会（ASPRS）优秀论文奖、测绘科技进步特等奖、湖北省科技进步奖。蝉联无人系统地下挑战赛冠军、ICCV恶劣环境无人系统竞赛全球冠

CONTENTS
目　　录

前言
第1章　智能机器人概述 …………………1
1.1　机器人简介 ……………………………1
1.2　机器人的发展 …………………………2
1.2.1　世界机器人发展历史 ……… 3
1.2.2　我国机器人发展计划 …… 19
1.2.3　全球机器人发展浪潮 …… 20
1.3　智能机器人分类 ……………………22
1.3.1　按应用功能分类 ………… 22
1.3.2　按智能级别分类 ………… 24
1.3.3　按行动方式分类 ………… 25
1.4　智能机器人关键技术 ……………33
1.4.1　环境感知与理解 ………… 33
1.4.2　定位与导航 ……………… 34
1.4.3　控制与决策 ……………… 40
1.4.4　人机交互 ………………… 40
1.4.5　意识与情感 ……………… 41
1.4.6　机器人伦理 ……………… 42
第2章　机器人操作系统 ………………44
2.1　ROS的发展历史 …………………44
2.2　ROS基础 ……………………………47
2.2.1　ROS的功能定位 ……… 47
2.2.2　ROS的设计目标 ……… 49
2.2.3　ROS的相关概念 ……… 49
2.2.4　ROS计算图 ……………… 50
2.2.5　ROS的文件系统 ……… 53
2.2.6　ROS社区 ………………… 54
2.3　ROS程序设计 ………………………54
2.3.1　ROS的安装 ……………… 54
2.3.2　ROS的通信机制 ……… 56
2.3.3　ROS的工作空间 ……… 58
2.3.4　ROS的常用命令 ……… 59
2.3.5　launch文件 ……………… 62
2.4　ROS程序设计实践　………………63
2.4.1　ROS hello world ………… 64
2.4.2　主题通信案例：文本
消息传递 ………………… 66
2.4.3　服务通信案例：整数
相加 ……………………… 68
2.5　ROS前沿：ROS2 …………………73
2.5.1　ROS1的天然缺陷 ……… 73
2.5.2　ROS2相较于ROS1的提升
和改进 …………………… 74
2.5.3　ROS2中的DDS中间层 … 74
2.5.4　ROS2中的QoS策略 …… 75
2.5.5　ROS1与ROS2的应用 … 75
第3章　机器人传感器 …………………78
3.1　机器人传感器基础 …………………79
3.2　视觉传感器 …………………………81
3.2.1　CCD图像传感器 ……… 81
3.2.2　CMOS图像传感器 …… 84
3.2.3　彩色相机 ………………… 88
3.2.4　深度相机　………………… 89
3.3　距离传感器 …………………………115
3.3.1　超声波传感器 …………… 115
3.3.2　激光传感器　 …………… 117
3.3.3　红外传感器 ……………… 126
3.3.4　里程计 …………………… 127
3.4　惯性传感器 …………………………128
3.4.1　加速度计 ………………… 129
3.4.2　陀螺仪 …………………… 133
3.4.3　磁力计 …………………… 136
3.5　声敏传感器（听觉） ………………137
3.6　气敏传感器（嗅觉） ………………138
3.7　化学传感器（味觉） ………………140
3.8　压敏、温敏流体传感器（触觉） …142
第4章　定位和导航 ……………………148
4.1　机器人定位与导航 …………………148
4.1.1 定位与导航的基本概念 … 148
4.1.2　机器人定位技术 ………… 153
4.1.3　机器人导航技术 ………… 159
4.2　基于SLAM的定位与导航 ………162
4.2.1　视觉SLAM ……………… 162
4.2.2　激光雷达SLAM ………… 169
4.3　ROS导航算法实战 ………………177
4.3.1　Gmapping ………………… 177
4.3.2　Cartographer …………… 182
4.4　四轮机器人导航实例 ………… 186
4.4.1　建图实战 ………………… 186
4.4.2　创建launch文件 ……… 190
4.4.3　导航实战 ………………… 191
第5章　机械臂的运动控制 ……………192
5.1　机械臂简介 …………………………192
5.1.1　机械臂的发展 …………… 192
5.1.2　机械臂的组成结构 ……… 198
5.1.3　机械臂的运动学模型 … 198
5.2　MoveIt！控制机械臂 ……………205
5.2.1　MoveIt！体系结构 …… 206
5.2.2　MoveIt！配置助手 …… 207
5.2.3　MoveIt！运动规划 …… 214
5.3　UR机械臂抓取实例 ………………218
5.3.1　坐标系统的转换 ………… 218
5.3.2 配置UR机械臂 ………… 222
5.3.3　机械臂抓取的实现 ……… 226
第6章　四足机器人 ……………………230
6.1　四足机器人简介 ……………………230
6.1.1　四足机器人发展历史 … 230
6.1.2　四足机器人发展现状 … 238
6.2　四足机器人运动控制 ……………240
6.2.1　四足机器人的结构设计 … 240
6.2.2 四足机器人运动学模型 … 245
6.2.3　运动学正逆解问题 ……… 246
6.2.4　姿态控制仿真 …………… 254
6.3　四足机器人运动控制实例 ………264
6.3.1　ROS下的四足机器人 … 264
6.3.2　四足机器人仿真模型的
搭建 ……………………… 265
6.3.3　四足机器人仿真模型的
改进 ……………………… 270
6.3.4　Unitree robots四足机器人
仿真 ……………………… 274
第7章　人形机器人 ……………………277
7.1　人形机器人的内涵与构成 ………277
7.2　人形机器人的发展现状与政策
支持 …………………………………279
7.2.1　全球人形机器人的发展
现状 ……………………… 279
7.2.2　国家政策和战略 ………… 286
7.3　人形机器人肢体 ……………………288
7.3.1　人形机器人肢体设计 …… 288
7.3.2　关节和运动机构 ………… 289
7.3.3　躯干和四肢结构 ………… 300
7.3.4　材料选择与制造技术 …… 301
7.4　人形机器人大脑和小脑 …………301
7.4.1　人形机器人大脑 ………… 301
7.4.2　人形机器人小脑 ………… 318
第8章　智能机器人发展趋势与挑战 …321
8.1　智能机器人发展趋势 ……………321
8.1.1　技术创新趋势 …………… 321
8.1.2　国际合作趋势 …………… 330
8.2　智能机器人面临的挑战 …………331
参考文献 ………………………………………334