服務機器人系統設計

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陳萬米
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具体描述

  本書基於服務機器人的發展現狀和技術要點,系統講述了服務機器人系統設計的關鍵技術。主要內容包括:機器人的産生與發展、服務機器人的移動機構、服務機器人的機械臂、服務機器人的驅動與控制、服務機器人的運動分析、服務機器人的路徑規劃、服務機器人的感知、服務機器人的操作系統、服務機器人未來展望。

  本書注重理論與實踐的結合,在講解服務機器人系統設計關鍵技術的基礎上,通過實例解析對理論知識進行應用性講解,增強了本書的可讀性與實用性。

  本書可為從事機器人研究和應用工作的技術人員提供幫助,也適合大專院校相關科系師生學習參考。
现代城市规划与可持续发展:理论、实践与未来展望 图书简介 本书深入探讨了当代城市规划的核心议题,聚焦于如何在快速城市化进程中实现环境、社会与经济效益的和谐统一,构建更具韧性、包容性和可持续性的城市空间。不同于侧重技术实现的著作,本书着眼于宏观理论框架的构建、跨学科思维的整合,以及全球视野下的最佳实践分析。 第一部分:城市发展的理论基石与范式演进 本部分追溯了城市规划思想的演变历程,从早期的田园城市运动、现代主义的理性规划,到后现代对地方性与社会公平的重新审视。 第一章:经典理论的重构与当代语境 探讨霍华德、柯布西耶等奠基人思想在21世纪的适用性与局限性。重点分析了生态城市主义(Eco-Urbanism)和紧凑城市(Compact City)理论如何应对资源稀缺和气候变化挑战。我们详细剖析了“生成性城市”(Generative City)的概念,强调城市作为复杂适应系统的自组织能力,以及规划师在其中应扮演的“催化剂”而非“独裁者”的角色。引入了城市地理学中关于空间正义(Spatial Justice)的讨论,审视规划决策如何加剧或缓解社会隔离。 第二章:韧性城市与风险管理 聚焦于如何设计能够抵御和快速恢复自然灾害、经济冲击乃至流行病的城市系统。本书不再将韧性视为简单的抗灾能力,而是将其提升为一种系统性的、动态的适应能力。具体内容涵盖: 基础设施的冗余设计: 分析多路径、多层级供水、能源和交通系统的耦合与解耦策略。 社会资本在危机中的作用: 通过案例研究,阐释社区网络的密度和信任度如何影响灾后恢复速度。 基于自然的解决方案(NbS): 详细介绍湿地恢复、绿色屋顶和透水铺装在城市防洪和降温中的生态工程应用及其规划整合难度。 第二部分:可持续性维度下的实践挑战 本部分将理论转化为可操作的规划工具和政策框架,重点关注资源效率、交通转型和社区参与的深度整合。 第三章:零碳目标与城市能源转型 本书跳出了传统的建筑节能范畴,着重于城市尺度的能源系统重构。深入研究了: 区域能源规划(District Energy Planning): 如何利用热电联产(CHP)和地热能系统实现城市级的能源优化。 分布式可再生能源的并网挑战: 探讨微电网技术在城市空间中的部署限制、监管障碍及社会接受度问题。 交通电气化与城市形态的相互作用: 分析电动汽车普及背景下,对停车需求、路权分配和公共空间设计的深远影响。 第四章:城市流动性:从交通导向到人本导向 本章对传统的以汽车为中心的交通规划进行了批判性反思,倡导多模式、公平可及的城市流动性网络。核心议题包括: “15分钟城市”的量化评估模型: 建立超越简单距离测量的指标体系,评估步行、骑行和公共交通的可达性、安全性和舒适性。 共享经济与城市空间: 分析网约车、共享单车等新业态对城市街道的侵占与重塑,并提出相应的管理规范。 慢行系统的设计心理学: 探讨街道尺度、植被覆盖、照明设计如何影响行人的感知安全和出行意愿,强调设计中的行为引导作用。 第五章:土地利用的再思考:密度、混合与棕地再生 探讨在全球高地价压力下,如何平衡“宜居密度”与“宜居性”。本章对混合土地使用进行了细致的解构: 功能混合的垂直与水平策略: 分析不同功能在同一建筑体或街区中叠加的最佳比例和时间错位管理。 棕地(Brownfield)的生态修复与价值重估: 深入研究污染场地在环境修复过程中如何融入公共空间和混合居住功能的设计流程,以及相关的风险评估和治理技术。 增量开发与存量更新的平衡: 侧重于对既有建成环境的适应性再利用(Adaptive Reuse),减少对新增土地的侵占,提升现有城市资产的价值。 第三部分:治理、参与和未来趋势 本部分关注规划实施过程中的制度保障、民主参与机制以及新兴技术对城市治理的赋能。 第六章:协同治理与跨界协作 现代城市规划的复杂性要求超越传统的部门壁垒。本章深入分析了不同治理模式的有效性: 公私伙伴关系(PPP)的深度整合: 探讨在基础设施、公共空间维护等领域中,如何设计出更公平、更透明的合作框架,避免私有化倾向对公共利益的损害。 流域尺度的管理实践: 以水资源管理为例,说明跨行政区划的协同治理在生态系统服务维护中的关键作用。 规划的全球对标与本土化: 分析不同文化背景下的规划法律和审批流程差异,强调“引进吸收”而非“生搬硬套”。 第七章:数字赋能与智慧规划的伦理考量 本书对“智慧城市”概念进行了审慎的考察,关注数据驱动决策的潜力和风险。 城市信息模型(CIM)的应用: 探讨三维建模、BIM与GIS的集成如何提升规划方案的预判能力和可视化水平。 公民科学与众包数据在规划中的角色: 分析普通市民通过移动设备收集的环境质量、出行习惯等数据如何成为补充官方数据的有力工具。 数据隐私与算法偏见: 重点讨论在利用传感器网络和大数据进行城市管理时,如何设计保障公民隐私的机制,并识别和消除可能导致规划决策歧视性的算法偏差。 第八章:面向未来的城市愿景 总结并展望规划领域的前沿方向,包括循环经济在城市设计中的落地、太空城市概念对地球规划的反思,以及如何培养具备全球视野和跨学科素养的新一代城市规划师。本书强调,可持续的未来城市需要规划师从“工程师”转变为“生态系统设计师”和“社会创新推动者”。 本书旨在为城市规划师、公共政策制定者、环境工程师以及关注城市未来的研究者和学生,提供一套全面、深刻且具有前瞻性的理论框架和实践指南。它鼓励读者超越具体的工具和技术,去思考城市作为复杂生命体的本质,以及我们共同塑造其命运的责任。

著者信息

图书目录

第1 章 緒論
1.1 機器人的定義、應用與發展
1.1.1 機器人的應用
1.1.2 機器人的發展
1.2 服務機器人
1.3 服務機器人的結構與分類
1.3.1 服務機器人的結構
1.3.2 服務機器人的分類
1.4 服務機器人控制的主要內容
參考文獻

第2 章 服務機器人的移動機構
2.1 移動機構
2.1.1 單輪移動機構
2.1.2 兩輪差動配合小萬向輪機構
2.1.3 全向輪式移動機構
2.1.4 履帶式移動機構
2.1.5 足式機構
2.2 設計舉例
2.2.1 輪式移動服務機器人底盤
2.2.2 雙足步行機器人
2.2.3 履帶式機器人底盤
參考文獻

第3 章 服務機器人的執行單元
3.1 服務機器人的機械臂
3.1.1 四自由度機械臂
3.1.2 六自由度機械臂
3.2 機械手
3.2.1 二指機械手
3.2.2 三指機械手
3.2.3 五指機械手
3.3 其他執行單元
3.3.1 腕部
3.3.2 其他機械手
3.3.3 其他機械臂
參考文獻

第4 章 服務機器人的驅動與控制
4.1 電機的選擇與分類
4.2 電機的控制
4.2.1 直流電機的基本特性
4.2.2 轉速控制
4.2.3 轉向控制
4.2.4 電機控制實例
4.3 服務機器人的控制
4.3.1 經典PID 控制
4.3.2 智能PID 整定概述
參考文獻

第5 章 服務機器人的運動分析
5.1 服務機器人的位置運動學
5.1.1 位置方位描述
5.1.2 位置信息與傳感器
5.1.3 座標變換
5.1.4 齊次變換及運算
5.2 服務機器人的微分運動與動力學分析
5.2.1 底盤運動學分析——雙輪
5.2.2 底盤運動學分析——全向輪
5.3 服務機器人的正逆運動學問題
5.3.1 剛體的描述
5.3.2 正逆運動學問題
5.3.3 機械臂的正逆運動學
參考文獻

第6 章 服務機器人的路徑規劃
6.1 服務機器人的路徑規劃分類
6.1.1 離線路徑規劃
6.1.2 在線路徑規劃
6.1.3 其他路徑規劃算法
6.2 經典路徑規劃方法
6.2.1 人工勢場法
6.2.2 A* 算法
6.2.3 遺傳算法
6.3 服務機器人路徑規劃優化
6.3.1 人工勢場法的改進
6.3.2 A* 算法的改進
6.3.3 遺傳算法的改進
6.3.4 服務機器人路徑規劃技術發展
參考文獻

第7 章 服務機器人的感知
7.1 服務機器人的感知
7.1.1 內部感知單元
7.1.2 外部感知單元
7.1.3 特殊感知單元
7.2 機器視覺
7.2.1 機器視覺的組成
7.2.2 機器視覺的工作原理
7.2.3 機器視覺在服務機器人上的應用
參考文獻

第8 章 服務機器人的操作系統
8.1 服務機器人的操作系統概述
8.1.1 服務機器人操作系統的概述
8.1.2 服務機器人操作系統的關鍵技術
8.2 ROS 及其應用
8.2.1 ROS 的基本概念
8.2.2 ROS 的應用
參考文獻

第9 章 發展與展望
9.1 發展
9.2 比賽促進技術提升
9.3 未來展望
參考文獻

 

图书序言

  • ISBN:9786263321076
  • 規格:平裝 / 218頁 / 17 x 23 x 1.09 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读



  不知不覺間,出現了很多既熟悉又陌生的新型裝備,如進入到家庭環境的自動掃地機,陪伴老年人與小孩的陪護機器,為病人送藥送飯的護士助手,為病人實施多種複雜手術的輔助機器,提供實時自適應導航的智慧輪椅,給高樓提供清潔輔助的清潔機器,能幫助人類探索外太空、探索海底的機器,以及帶有智慧的滅火消防砲等。以上各類帶有智慧的機器都可以稱為服務機器人,也就是說,除了工業機器人之外的通過半自主或完全自主運作,為人類的健康或設備的良好狀態提供服務的機器人。

  從人類社會的發展過程可揭示出機器人發展的規律,即工業機器人發展到一定的階段,爆發式地出現服務機器人。由於服務機器人的應用場合多(除工業以外的應用場合),其種類或樣式多種多樣,形成百花齊放的格局,除上面提到的清潔機器人、陪護機器人、助老機器人、手術機器人、助殘機器人之外,還包括各種娛樂機器人、舞蹈機器人、導遊機器人、導購機器人、安保機器人、排險機器人、消防機器人、體育機器人、祕書機器人、建築機器人、玩具機器人、分揀機器人以及加油機器人、農業機器人等。

  服務機器人的主要技術包括,為滿足不同應用場合的機械、材料、本體結構、執行單元、驅動電路與運動控制系統;帶有智慧的環境感知傳感器和信號處理方法;包括模糊控制、神經網路、進化計算等的智慧控制方法;具有機器人自定位與導航功能的SLAM技術;在工作空間中能找到一條從起始狀態到目標狀態、可以避開障礙物的路徑規劃方法以及智慧機器人的操作系統等。

  本書較為系統地講述了服務機器人技術的相關理論與製作實例,對機器人的機械系統、執行單元、傳感器、驅動與控制機構等分章節敘述,同時對機器人的座標變換、運動分析、路徑規劃以及機器人的操作系統也做了講解。

  本書理論介紹與製作實例相輔相成,體現了理論與實踐相結合的特色。根據機器人操作系統的特殊情況,介紹了ROS系統,使服務機器人技術的內容更加全面,爭取給中國更多的服務機器人從業人員與服務機器人愛好者提供幫助。

  本書共分9章。第1章闡述了機器人的産生與發展,服務機器人的定義、結構與分類、服務機器人技術的主要內容等;第2章敘述了服務機器人的移動機構,包括單輪、兩輪差動、全向輪式、履帶式、足式等移動機構以及部分移動機構的設計舉例;第3章敘述了服務機器人的機械臂(四自由度與六自由度的機械臂),二指、三指、五指機械手,其他執行單元(如腕部等);第4章敘述了服務機器人的驅動與控制,包括服務機器人中廣泛使用的直流電機的PWM驅動原理與電路實現、服務機器人的PID參數的整定與智慧控制等;第5章敘述了服務機器人的運動分析,包括服務機器人的位置運動學、微分運動與動力學分析、服務機器人的正逆運動學問題及軌跡規劃實例等;第6章敘述了服務機器人的路徑規劃(包括離線規劃與在線規劃),智慧規劃(包括人工勢場法、A*算法、遺傳算法以及優化算法等);第7章敘述了服務機器人的感知,包括機器人的內部感知單元、外部感知單元和特殊感知單元,服務機器人的資訊處理方法,重點敘述了機器視覺的組成、工作原理與應用;第8章介紹了服務機器人的操作系統ROS,包括ROS的基本概念、系統架構、系統工具,以及ROS在移動底座、導航與路徑規劃、語音識別、機器視覺等方面的應用實例;第9章對服務機器人以及相關技術的發展進行了展望。

  服務機器人技術內容十分廣泛,涉及諸多學科領域。由於作者的水平所限、經驗不足,書中不足之處在所難免,敬請讀者批評指正。

用户评价

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當我們談論「系統設計」時,資安絕對是個不能迴避的話題,特別是服務型機器人越來越多地被部署在需要處理敏感數據(如醫院病歷、客戶訂單)的環境中。我非常好奇,這本《服務機器人系統設計》在談論「系統」時,是否涵蓋了網路安全與韌體保護的章節。一個設計不良的通訊協定,可能讓機器人輕易被惡意指令劫持,這在服務業中是無法想像的災難。我希望看到,作者能提供一些業界公認的加密標準應用範例,以及如何設計一個具有「自癒能力」的容錯架構,使其在偵測到外部攻擊或內部硬體故障時,能自動切換到安全模式,並向管理者發出警報。這種面向實戰、關注長遠營運風險的設計考量,才是真正成熟的系統工程師會重視的範疇。如果這本書能將資安與可靠性視為系統設計的「基石」而非「附加功能」,那我會毫不猶豫地推薦給所有從事物聯網(IoT)或機器人開發的朋友。

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說真的,市面上的技術書,很多都寫得像教科書一樣枯燥,堆砌著艱澀的數學公式和標準的理論模型,讀起來讓人昏昏欲睡。我比較欣賞那種「實戰導向」的寫法,也就是說,當讀者在實際專案中遇到「A問題」時,能夠立刻翻到對應的章節,找到「B解決方案」,並且理解這個方案背後的設計權衡(Trade-offs)。這個「服務機器人系統設計」,我期待它能有一種「案例拆解」的風格。比如,拿一個常見的餐廳服務機器人作為範例,從需求分析階段開始,一步步剖析:為什麼選擇這種動力學模型?在選擇導航演算法時,為什麼放棄SLAM而採用預建地圖配對?更重要的是,它如何涵蓋軟體版本控制和持續整合/持續部署(CI/CD)在機器人系統更新中的應用。畢竟,機器人是個活的系統,它的軟體生命週期管理,與硬體設計同等重要,甚至更耗費心力。若能看到作者將這些「幕後」的系統工程實務呈現在讀者面前,那真是太棒了。

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最近我身邊不少年輕一輩的朋友,都對進入機器人領域充滿熱情,但往往他們對於軟體架構的理解,還停留在單純的函式庫調用層面。讀到「服務機器人系統設計」這個書名,我就在想,這本書會不會是他們從「寫程式」跨越到「做工程師」的敲門磚?現在的機器人應用,早就不是單打獨鬥的時代了,感測器融合、即時決策、安全規範、使用者介面(HMI)的親和力,每一個環節都是一門大學問。如果這本書能提供一些業界前輩走過的「坑」,例如在處理機器人與人類的物理互動時,如何設計一套健壯的異常處理機制,讓我少走一些冤枉路,那這本書的價值就不只是知識的傳遞,更是經驗的傳承了。我特別希望它能花點篇幅講講,在台灣這樣高密度人居的環境下,服務機器人如何有效避開雜亂的障礙物,並且在緊急情況下能立即「凍結」而非盲目執行指令。光是這些細節,就足以讓一本技術書籍脫穎而出,變得真正實用。

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這本書,坦白說,我還沒翻開,但光看這個書名「服務機器人系統設計」,就足以讓我這個在科技業打滾多年的老工程師,心頭湧起一陣既期待又有點擔憂的情緒。我們都知道,服務型機器人這塊市場,從餐廳送餐、醫院導引,到家庭照護,簡直是百家爭鳴,每家廠商都有自己的「獨門祕笈」。但說實在話,真正能把「系統」這個概念做好、做穩的,鳳毛麟角。我現在手邊正在負責一個智慧倉儲的導入專案,最頭痛的就是如何讓各種不同品牌、不同協定的小型AGV(自動導引車)能夠完美地「對話」。這本書如果能深入探討跨平臺的通訊架構、邊緣運算與雲端協同的設計哲學,而不是只停留在機器人手臂的運動控制那種基本功,那我絕對會給它一個大大的讚賞。畢竟,設計一個能穩定運作、易於維護、且能應對突發狀況的「系統」,遠比設計一個炫砲的單一功能模組來得困難百倍。我更關注的是,它有沒有提到如何量化系統的可靠度,以及在面對軟體更新帶來的相容性風險時,設計師該如何預先埋下伏筆。這種宏觀的系統思維,才是區分「玩具」和「生產力工具」的關鍵。

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我個人對於「設計」這個詞彙,有著非常高的期許。設計不只是功能性的實現,更是一種美學與效率的平衡。在服務機器人的領域,尤其在面對一般大眾消費者時,「設計」的成敗直接決定了產品的市場接受度。我指的是,它如何將複雜的底層演算法,轉化為對使用者友善的介面與行為模式。例如,機器人語音回覆的語氣、移動時的加速度曲線,甚至是待機時的燈光設計,都會影響人們對其「智能」程度的感知。如果這本書能深入探討「行為設計(Behavioral Design)」與「人機互動(HRI)」的整合層面,而不僅僅是聚焦在底層的機器人作業系統(ROS)架構,那它就超越了一般的技術手冊。我希望能看到,作者如何指導我們在設計一個複雜系統時,保持整體性與連貫性,讓使用者覺得這個機器人是「聰明」且「可靠」的,而不是一個執行特定指令的自動化設備。

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