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内容简介

本书主要分析ROS的核心功能实现原理，探讨基于ROS的智能机器人软件系统优化开发方法与实现技术。本书主要分为四部分：智能机器人发展现状和ROS基本框架;ROS核心功能包集实现原理及源码分析;基于ROS的服务、工业智能机器人开发;ROS优化及智能机器人软件展望。

作者简介

周兴社，从事计算机专业教学30余年，主讲计算机操作系统、嵌入式计算系统、分布式计算系统等课程；早期主编过《计算机操作系统》教材，不少大学采用；担任计算机学院院长15年之久，兼任软件与微电子学院院长10年，曾任教育部计算机教学指导委员会委员、对计算机类高等教育有较深刻的认识和一定的研究；主持的“国际化工程型软件人才培养”获得国家教学成果二等奖；主持的“嵌入式系统创新人才培养模式”获得省教学成果一等奖；作为负责人之一的计算机操作系统课程为精品课程；教学团队为省级教学团队。

目录

前言
第1章智能机器人及其发展概述 1
1.1智能机器人概念及其特点 1
1.1.1智能机器人概念 1
1.1.2智能机器人的发展 2
1.1.3智能机器人的特点 3
1.2智能机器人的组成 3
1.2.1智能机器人的硬件组成 3
1.2.2智能机器人的软件系统 7
1.3智能机器人的分类 10
1.3.1服务智能机器人 11
1.3.2工业智能机器人 14
第2章ROS体系架构 18
2.1ROS框架 18
2.1.1ROS简介 18
2.1.2ROS整体架构分析 20
2.1.3名称系统 27
2.2ROS 2.0框架 28
2.2.1ROS 2.0简介 28
2.2.2ROS与ROS 2.0之间的主要区别 29
2.3本章小结 31
第3章ROS通信机制 32
3.1ROS通信机制概述 32
3.1.1ROS通信机制概念 32
3.1.2ROS通信机制的基本要素 32
3.1.3ROS通信机制的分类 33
3.2基于主题的异步数据流通信 33
3.2.1简介 33
3.2.2异步数据流的实现基础 34
3.2.3异步数据流的实现过程 42
3.2.4回调函数处理 47
3.3基于服务的同步RPC通信 50
3.3.1简介 50
3.3.2同步RPC通信的实现过程 51
3.4基于参数服务器的数据传递 55
3.4.1简介 55
3.4.2具体实现过程 57
3.5本章小结 58
第4章ROS坐标变换体系及其实现 60
4.1机器人运动学基本原理 60
4.1.1空间坐标系的描述和转换 60
4.1.2机器人的正运动学 65
4.2ROS tf 69
4.3tf原理分析 70
4.3.1相关数据结构 70
4.3.2tf关键模块的实现 80
4.4特定机器人的ROS tf应用实例 85
4.4.1tf外部接口 85
4.4.2ROS tf在UR5上的应用 85
4.5本章小结 87
第5章ROS任务调度与有限状态机实现 88
5.1ROS 任务调度接口设计 88
5.1.1action的设计与编译 88
5.1.2基于主题的ActionClient与ActionServer的交互设计 89
5.1.3ActionClient与ActionServer的交互过程 90
5.1.4action状态变换 91
5.1.5actionlib的任务调度策略 93
5.1.6actionlib接口的具体实现 95
5.2ROS有限状态机的SMACH 98
5.2.1有限状态机的基本原理 98
5.2.2SMACH概述 100
5.2.3SMACH状态描述 102
5.2.4SMACH容器设计与实现 107
5.2.5SMACH主要处理构件分析 111
5.2.6状态机的具体实现 113
5.3本章小结 115
第6章ROS运动规划及其实现 116
6.1智能机器人运动控制概述 116
6.2ROS MoveIt包介绍 117
6.2.1用户接口 117
6.2.2ROS MoveIt参数配置 118
6.2.3ROS MoveIt机器人接口 119
6.2.4ROS MoveIt运动规划实现 120
6.3运动规划库 121
6.3.1运动规划库概述 121
6.3.2MoveIt运动规划
编程用例 122
6.3.3规划接口定义 123
6.3.4OMPL接口分析 124
6.4RRT算法 125
6.4.1基本RRT算法描述 125
6.4.2RRT算法的性能分析 127
6.4.3RRT算法的几种优化 128
6.4.4CRRT算法 129
6.5本章小结 130
第7章基于ROS的智能机器人系统开发方法 131
7.1ROS实时化 131
7.1.1混合实时ROS体系结构RGMP-ROS 131
7.1.2案例分析 133
7.1.3结合OROCOS的实时性实现 135
7.2遗产代码的ROS集成 136
7.2.1ROSlink简介 136
7.2.2ROSlink实现概述 137
7.2.3ROSlink设计原理 138
7.3机器人任务级编程 141
7.3.1简介 142
7.3.2功能可见性模板示例 142
7.3.3实现架构 143
7.3.4Rviz用户界面 144
7.4本章小结 146
第8章基于ROS的服务智能机器人设计 147
8.1服务智能机器人的基本情况 147
8.1.1服务智能机器人的现状及分类 147
8.1.2服务智能机器人的关键技术 148
8.2ROS导航功能包集介绍 149
8.2.1概述 149
8.2.2实现过程 151
8.3基于ROS的服务智能机器人设计案例 153
8.3.1先锋3DX机器人——利用ROS实现建图、定位和自主导航 153
8.3.2基于ROS的足球机器人设计（以NAO机器人为例） 157
8.3.3基于ROS的多机器人协作AAL体系架构 159
8.3.4基于ROS的助老服务机器人设计 162
8.4本章小结 167
第9章基于ROS的工业智能机器人设计 168
9.1工业智能机器人及其软件开发挑战 168
9.1.1工业智能机器人 168
9.1.2工业智能机器人软件开发挑战 168
9.2ROS-Industrial 169
9.2.1ROS-Industrial简介 169
9.2.2ROS-Industrial项目 169
9.3基于ROS-Industrial的工业智能机器人开发实例 177
9.3.1基于ROS-Industrial的智能喷涂机器人设计 177
9.3.2工业机械臂Descartes运动规划 179
9.3.3特定工业机器人MotoPlus-ROS增量运动实现 181
9.4本章小结 188
第10章智能机器人软件平台及其未来发展 189
10.1其他智能机器人软件平台 189
10.1.1微软机器人软件平台 189
10.1.2ABB智能机器人软件平台 190
10.1.3服务机器人软件体系框架SAFSR 193
10.2智能机器人软件未来的发展方向 194
10.2.1多传感器信息融合 194
10.2.2人机协作 195
10.2.3人工智能深化应用 196
10.2.4多机器人协作 197
10.3云机器人软件平台 198
10.3.1云机器人发展背景 198
10.3.2云机器人系统结构与计算模型 199
10.3.3Rapyuta机器人云平台 202
10.3.4云机器人面临的挑战 206
参考文献 207

前言/序言

近年来，随着机电一体化、嵌入式系统及人工智能等科学技术的快速发展，智能机器人的研究与应用在全球范围内方兴未艾。在世界主要科技强国近年陆续出台的科技与产业发展规划中，工业、农业、服务、特种等各类智能机器人均作为核心技术受到了前所未有的重视，智能机器人应用已经成为衡量一个国家工业化和信息化发展水平的重要标志。
智能机器人具备的自主感知、运动规划、动作控制和协同活动等能力不仅取决于智能机器人所配置的硬件平台，也与其软件系统功能和性能密切相关。机器人操作系统是各类智能机器人的基础性运行与开发软件平台，其在屏蔽智能机器人异构硬件资源的基础上，支撑实现了智能机器人运行控制与管理，以及应用软件的开发，是构成各类智能机器人控制和任务软件系统的重要组成部分。
作为开放源码的机器人运行支撑软件和开发工具集，机器人操作系统ROS（Robot Operating System）不仅具有智能机器人的环境感知、运动控制、操作管理及多机协同等运行支撑功能，而且可以支持智能机器人应用软件和系统的功能验证、环境仿真及可视演示等高效开发活动。由于ROS具有分布式架构、多语言支持、易于扩展、持续发展等特点，其已成为各类智能机器人运行与开发的主流通用软件平台。本书主要分析ROS的核心功能实现原理，探讨基于ROS的智能机器人软件系统优化开发方法与实现技术，旨在为相关专业的本科生和研究生学习提供原理性教材，并为从事智能机器人技术研发、系统集成及领域应用的技术人员提供专业化的技术参考。
本书共分为10章，由周兴社统编和审核；杨刚负责第1和第10章的编写以及部分章节的完善；王岚参编了第2、3、7章，并整理了各章的图表；曾闹闹参编了第4、8章；张森参编了第5、9章；刘添福参编了第6章和第10章的部分内容；袁艺文参编了第5章的部分内容；闫小成参编了第6章的部分内容。在此，主编对各位参编者的贡献表示感谢，并感谢机械工业出版社编辑的辛勤工作。
我国在《经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中将智能机器人定位为战略性新兴产业，并提出大力发展工业机器人、服务机器人、手术机器人和军用机器人，推动人工智能技术应用；“国家创新驱动战略”将“智能制造与机器人”列为国家重大专项；《中国制造2025》将智能机器人列为核心技术。相信在未来十年，乃至更长的时间内，我国智能机器人技术与产业必将获得快速发展，智能机器人领域应用将会出现百花齐放的局面，从而促进工业进步，满足特种需求，服务人民生活。本书若能为此尽些绵薄之力，我们将会倍感欣慰。

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