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出版者:Apress

作者:James Floyd Kelly

出品人:

页数:364

译者:

出版时间:2011-12-14

价格:USD 39.99

装帧:Paperback

isbn号码:9781430238041

丛书系列:

图书标签:

• 计算机科学
• Programming
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• 2011
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机械之舞：现代机器人设计与实践 一部深入探索当代机器人技术核心原理、创新设计思路与工程实践的权威指南。 本书旨在为对机器人学、自动化工程及机电一体化充满热情的读者提供一个全面且深入的学习平台。它摒弃了对特定商业套件的依赖，转而聚焦于机器人系统背后最本质、最通用的科学原理和工程方法论。通过详尽的理论阐述、严谨的数学推导以及丰富的实际案例分析，读者将构建起一套坚实的知识体系，能够独立应对从概念设计到原型搭建的复杂挑战。 第一部分：机器人学基础理论的基石 本部分奠定理解复杂机器人系统的理论基础。我们首先探讨运动学的核心——空间描述与变换。详细解析了欧拉角、四元数在描述刚体位姿中的优势与局限性，并引入齐次变换矩阵作为统一描述机器人运动的基础语言。随后，深入讲解运动学分析，从正运动学（求解末端执行器位置）到逆运动学（求解关节角度），针对串联和并联机构的不同特性进行了详细的建模与求解方法介绍，包括解析法和数值法的应用场景。 接着，我们转向动力学。通过拉格朗日-欧拉方程和牛顿-欧拉方程，系统地推导出机器人的运动微分方程。这部分内容着重于理解力和力矩如何驱动机器人的运动，并对惯性矩阵、科里奥利力和重力项进行了细致的剖析，为后续的控制系统设计提供精确的数学模型。 第二部分：传感器、感知与环境交互 机器人要实现自主行为，必须能够准确地感知其所处的环境。本章聚焦于现代机器人系统中关键的感知技术。 测量学与误差分析： 详细讨论了编码器、电位器等内部状态传感器的工作原理、安装精度要求以及系统误差的量化与补偿方法。 外部环境感知： 重点剖析了机器视觉（2D成像处理、三维重建基础）、激光雷达（LiDAR）数据处理流程、超声波和红外传感器的应用局限性。特别是对滤波技术（如卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波）在融合多源异构传感器数据中的应用进行了深入的数学建模和仿真演示。 定位与地图构建（SLAM）： 阐述了机器人学中最为核心的挑战之一——同步定位与地图构建。内容涵盖了特征点提取、数据关联、因子图优化等先进算法框架，帮助读者理解机器人在未知环境中“认识自己”和“认识世界”的技术路径。 第三部分：驱动系统与执行机构的精妙设计 本部分专注于将计算指令转化为物理动作的机电接口。 电机选型与性能评估： 对直流有刷/无刷电机（BLDC）、步进电机和伺服电机的工作特性、扭矩-速度曲线进行了对比分析，指导读者根据任务需求进行最优选择。 传动机构设计： 深入研究了齿轮传动、谐波减速器、皮带与链条系统的效率、背隙（Backlash）控制和寿命预测。特别强调了如何设计低摩擦、高精度的传动链以减小控制系统的稳态误差。 机械结构优化： 从材料科学的角度讨论了结构刚度与质量的权衡，介绍了有限元分析（FEA）在验证机构强度和模态特性中的应用，确保设计的鲁棒性。 第四部分：高级控制理论与算法实现 控制系统是机器人的“大脑”，决定了其动态响应的性能和稳定性。本章是本书的核心，涵盖了从基础PID到复杂自适应控制的全部内容。 经典控制： 详尽讲解了PID控制器的设计、参数整定（如Ziegler-Nichols方法）及其在电机速度和位置环中的应用，并探讨了前馈补偿的引入。 现代控制与状态空间法： 利用状态空间模型，推导了极点配置（Pole Placement）和线性二次型调节器（LQR）的设计方法，用于实现对多自由度系统的最优状态反馈控制。 非线性控制策略： 介绍了处理机器人模型中固有非线性的先进技术，包括滑模控制（SMC）和基于反馈线性化的方法，旨在克服模型不确定性和外部扰动的影响。 轨迹规划与运动控制： 讨论了点对点运动、关节空间轨迹生成、笛卡尔空间路径跟随的算法，以及如何利用样条插值（如三次样条、B样条）生成平滑、符合动力学约束的运动轨迹。 第五部分：系统集成与工程实践 最后一部分将理论与实践紧密结合，指导读者完成整个系统的工程化流程。 嵌入式系统选型与接口： 探讨了高性能微控制器（MCU）和嵌入式计算平台（如基于ARM或FPGA的方案）的选择，以及如何高效地实现实时操作系统（RTOS）下的任务调度。 软件架构设计： 介绍构建模块化、可扩展的机器人软件架构（面向对象设计原则的应用）和通信协议（如CAN, EtherCAT）在分布式控制系统中的部署。 调试与验证： 提供了系统级调试的系统方法论，包括硬件在环（HIL）测试、系统辨识流程，以及如何通过实验数据验证理论模型的准确性，确保最终系统的可靠运行。 本书的特点在于其内容的普适性、深度和前瞻性。它不局限于某一特定应用，而是提供了一个能够应用于工业机械臂、自主移动机器人（AMR）、仿生机器人乃至复杂机电系统的通用工程框架。读者在掌握这些核心技术后，将具备独立设计、开发和优化下一代智能机器人的核心能力。

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这本书的封面，那一个酷炫的乐高机器人，仿佛正从纸面跃出，吸引着我的目光。我一直是个乐高爱好者，从小就沉迷于用那些积木搭建各种模型，但总觉得它们缺少了点“灵魂”，只能静静地陈列。而LEGO MINDSTORMS NXT这个名字，就像一把神奇的钥匙，为我打开了通往智能世界的大门。我渴望知道，这本书将如何把我从一个简单的积木搭建者，带入到机器人编程的奇妙旅程。我希望它能提供足够详尽的指导，即便我对编程和电子领域知之甚少，也能循序渐进地理解和掌握。我期待着，书中会有大量的实践案例，让我能够亲手去搭建，去组装，去调试，去赋予我的机器人生命。我想象着，当我能够用自己搭建的机器人完成一些有趣的指令，比如移动、感应、甚至执行一些简单的游戏任务时，那种成就感将是多么的满足。而且，我一直认为，学习最有效的方式就是动手实践。我希望这本书能够将乐高积木的趣味性与机器人技术的科学性完美结合，让我在玩乐中学习，在挑战中成长。这本书，对我来说，不仅仅是一本技术教程，更是一次关于创造、关于探索、关于实现科技梦想的精彩冒险。

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当我拿到这本书时，一股强烈的探索欲就被点燃了。封面上的乐高机器人，那硬朗的线条和充满科技感的配色，仿佛在诉说着无限的可能性。我一直对乐高积木情有独钟，它们是童年梦想的载体，但总觉得它们只能停留在静态的艺术品。而LEGO MINDSTORMS NXT这个书名，像一道闪电，击中了我的好奇心。它预示着，我将有机会让这些积木“活”起来。我迫切地想知道，这本书会如何带领我踏入这个充满智慧的机器人世界。我希望它能提供一套完整且易于理解的学习路径，从最基础的机械原理，到复杂的编程逻辑。我设想，书中会有大量的图文并茂的教程，详细指导我如何组装机器人，以及如何编写代码，让它实现各种预设的功能。我渴望能够亲手搭建一个属于自己的机器人，然后通过编程赋予它生命，让它听从我的指令，完成各种有趣的任务。这种从零开始创造的成就感，对我来说是无与伦比的。而且，我一直相信，学习的最好方式就是实践。我希望这本书能够提供丰富的项目案例，让我能够在搭建和编程的过程中，不断地尝试，不断地犯错，然后不断地修正，最终获得成功。这本书，对我来说，不仅仅是一本关于技术指导的书，更是一次关于创造、关于探索、关于实现梦想的旅程。

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这本书给我的第一印象就是它的厚重感，不只是纸张的用料，更是一种知识和经验的积累。封面上的乐高机器人，那种流线型的设计和金属质感，立刻勾起了我内心深处对科技和机械的好奇。我一直觉得乐高积木有着无穷的创造力，但总觉得它们缺乏“灵魂”。而LEGO MINDSTORMS NXT这个名字，就如同一个神秘的咒语，预示着即将到来的智能世界。我迫不及待地想知道，这本书会如何把我带入这个神奇的领域。我希望它能像一位耐心的老师，一步一步地引导我，从最基础的硬件搭建，到最核心的编程逻辑。我期待着，书中会有大量的实际操作案例，让我能够亲手去尝试，去搭建，去调试，去解决遇到的每一个问题。我幻想着用自己的双手，创造出一个能够感知周围环境，能够执行复杂指令的机器人，这本身就是一种令人兴奋的成就。而且，我一直认为，学习编程和机器人技术，最重要的是激发兴趣。我希望这本书能够巧妙地将乐高积木的趣味性与机器人技术的严谨性相结合，让我在快乐中学习，在挑战中进步。我期待着，通过这本书，我能够掌握一套完整的机器人开发流程，并且能够将我的创意转化为实际的机器人作品。这本书，对我来说，不仅仅是一本技术手册，更是一个通往未来科技世界的敲门砖。

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当我拿到这本书时，一种莫名的兴奋感油然而生。封面上的乐高机器人，那种机械的精密和科技的未来感，深深地吸引了我。我一直对乐高积木情有独钟，但总觉得它们只能停留在静态的创造，而这本书，LEGO MINDSTORMS NXT，似乎为我打开了一扇通往动态世界的大门。我好奇这本书会如何把我从一个简单的乐高爱好者，带入到机器人编程的奇妙旅程。我希望它能提供清晰易懂的讲解，即便我没有任何编程基础，也能循序渐进地掌握核心概念。我设想，书中会有丰富的图文并茂的教程，详细展示如何搭建机器人，以及如何为它编写各种指令，让它执行不同的任务。我非常期待能够亲手搭建一个属于自己的机器人，然后通过编程赋予它生命，让它按照我的意愿去行动，去探索。这种从无到有的创造过程，对我来说充满了巨大的吸引力。而且，我一直觉得，学习编程和机器人技术，不应该是枯燥乏味的理论灌输，而应该充满乐趣和挑战。我希望这本书能够将乐高特有的趣味性与科技知识相结合，让我在玩乐中学习，在实践中成长。我期待着，通过这本书，我能够解锁更多关于机器人技术的知识，并且能够运用这些知识，创造出更加令人惊叹的作品。这本书，对我而言，不仅仅是一本技术指南，更是一次充满惊喜和挑战的探索之旅。

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当我捧起这本书，一种沉甸甸的期待感便涌上心头。封面上的乐高机器人，那种机械的精巧与科技的未来感扑面而来，瞬间唤醒了我内心深处对创造的热情。我从小就热爱乐高，用那些积木搭建出无数的奇思妙想，但总觉得它们缺少了一点“生命”。LEGO MINDSTORMS NXT这个书名，就像一道曙光，指引我进入了一个全新的领域，一个可以将静态积木变成动态智能机器人的世界。我迫切地想要知道，这本书会如何带领我，从基础的机械搭建，到精妙的编程控制。我希望它能提供清晰、详尽的步骤，即便我是一个新手，也能轻松掌握。我憧憬着，能够亲手搭建出一个属于自己的机器人，让它不仅仅是一个模型，更能按照我的指令去行动，去完成各种有趣的挑战。这种将想法变为现实的过程，对我来说具有无穷的魅力。而且，我一直认为，学习的过程应该是充满乐趣的。我希望这本书能够巧妙地将乐高积木的玩乐性与机器人技术的科学性融为一体，让我在探索中获得知识，在实践中提升能力。这本书，对我来说，不仅仅是一本技术手册，更是一次激发创造力、实现科技梦想的非凡之旅。

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这本书的封面设计就让我眼前一亮，那是一个栩栩如生的乐高机器人，充满了机械的精致感和未来的科技感。我一直以来都对乐高积木情有独钟，它们是童年时期最美好的回忆，但总觉得它们只能停留在静态的组合。而LEGO MINDSTORMS NXT这个书名，就像一把钥匙，为我打开了一个全新的世界，一个可以赋予积木生命和智慧的世界。我非常好奇，这本书会如何一步一步地引导我，从一个普通的乐高爱好者，成长为一个能够设计和编程机器人的创客。我希望它能够提供清晰易懂的讲解，即使我对编程和电子技术一无所知，也能轻松上手。我期待着，书中会有大量的实际操作案例，详细展示如何搭建各种功能的机器人，以及如何编写不同的程序，让它们执行各种指令。我憧憬着，能够亲手搭建出一个属于自己的机器人，然后通过编程，让它完成一些有趣的任务，比如行走、避障、甚至是完成一些简单的游戏。这种从零开始创造的成就感，对我来说是无与伦比的。而且，我一直觉得，学习的最好方式就是“玩中学”。我希望这本书能够将乐高积木的趣味性与机器人技术的严谨性巧妙地结合起来，让我在快乐中学习，在挑战中成长。这本书，对我而言，不仅仅是一本技术指南，更是一次关于创造、关于探索、关于实现科技梦想的奇妙旅程。

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我迫不及待地翻开了这本书，感觉就像打开了一个全新的世界。封面上的乐高机器人，充满未来感的线条和鲜艳的色彩，一下子就吸引了我。我一直是个乐高迷，从小就喜欢用那些积木搭建各种各样的模型，但总觉得少了点什么，好像它们只能停留在静态的展示。这本书的名字，LEGO MINDSTORMS NXT，就像一把钥匙，打开了我一直以来对“会动的乐高”的想象。我非常好奇，它到底是如何将那些看似简单的积木，变成拥有智能的机器人的？书中会不会有详细的步骤，一步一步地引导我完成搭建，并且教会我如何给机器人编程？我希望它不仅仅是讲解理论，更重要的是能够提供大量的实例，让我能够亲手去实践，去体验那种将想法变成现实的成就感。我设想着，当我能够用自己搭建的机器人完成一些有趣的任务时，那种喜悦一定会是无与伦比的。这本书，对我来说，不只是一本技术书籍，更是一本关于创造和探索的书。它让我看到了，原来乐高积木不仅仅是玩具，更可以成为学习科学、技术、工程和数学（STEM）的绝佳工具。我期待着，通过这本书，我能够掌握一些基础的编程知识，并且能够将它们应用到实际的机器人搭建中。我希望它能激发我更多的创造力，让我能够设计出更复杂、更智能的机器人。而且，我对这本书的“NXT”部分特别感兴趣，这代表着它所使用的技术是什么？是否是当前比较前沿的？我希望它能够引领我进入一个更加广阔的机器人世界。

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这本书我拿在手里，感觉沉甸甸的，不光是纸张的厚度，更是知识的重量。封面上的乐高机器人，那种科技感和趣味感扑面而来，瞬间勾起了我内心深处那个曾经对机械和编程的懵懂的好奇心。我一直对乐高积木情有独钟，但总觉得它们只是玩具，缺少了点“智慧”。当我看到这本书的名字，LEGO MINDSTORMS NXT，我眼前一亮，这不正是我一直在寻找的那个桥梁吗？它将我熟悉的积木世界，与那个听起来有些高深的编程和机器人技术连接了起来。我迫不及待地翻开第一页，想看看它究竟会带我进入一个怎样的新天地。我尤其好奇，这本书会如何循序渐进地讲解那些复杂的概念，会不会让像我这样没有专业背景的读者也能轻松上手。我希望它不只是罗列枯燥的代码和机械原理，而是能融入更多乐高特有的那种“玩中学”的乐趣，让我在搭建和编程的过程中，真正体会到创造的快乐。这本书就像一个藏宝图，我期待着它能指引我发现隐藏在乐高积木深处的无限可能。我想知道，我能不能用它搭建出自己想象中的那个机器人，然后赋予它生命，让它按照我的指令去行动。这种可能性，想想就让人兴奋不已。而且，我一直觉得，学习编程和机器人技术，不应该只局限于书本上的理论，更重要的是实践。这本书是否能提供足够多的案例和项目，让我能够真正地动手去实践，去调试，去解决问题？我希望它不仅仅是一个教程，更是一个激发我创造力的催化剂。我期待着，这本书能让我摆脱“只搭不玩”的乐高体验，进入一个更具互动性和挑战性的新领域。

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