智能机器人创新实践
前言
为何写作本书
机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。当前，机器人产业蓬勃发展，正极大地改变着人类生产和生活的方式，为经济社会发展注入了强劲动力。
目前，机器人产业已经形成了美、德、日、韩、中五大机器人市场。这五大市场占据了全球工业机器人市场的74％。其中，美国是世界上最早使用工业机器人的国家，德国是欧洲最大的机器人市场，两国的产业政策都以功能型产业政策为主。韩国和日本的机器人产业起步虽晚，但是政府倡导的选择型产业政策使得两国的机器人产业迅速崛起，在全球机器人密度排名中，韩国、日本分别位列第一、第四。为了实现我国机器人技术对发达国家的赶超，机器人被列为《中国制造2025》十大重点领域之一。到2025 年，我国将成为全球机器人技术创新策源地、高端制造集聚地和集成应用新高地，一批机器人核心技术和高端产品将取得突破，整机综合指标将达到国际先进水平，关键零部件性能和系统可靠性将达到国际同类产品水平。
党的二十大报告指出：“加快实施创新驱动发展战略。坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，加快实现高水平科技自立自强。”
为实现这一宏伟目标，一方面，在2021年12月工业和信息化部等15部门同步联合印发的《“十四五”机器人产业发展规划》，提出：到2025年，我国机器人产业营收年均增速超20%；到2035年，机器人将成为人民生活重要组成部分。该规划部署了提高产业创新能力、夯实产业发展基础、增加高端产品供给、拓展应用深度广度、优化产业组织结构五项主要任务。
另一方面，国家加强对机器人技术人才的培养力度。根据近五年教育部公布的普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知，截至2022年3月，全国共有322所高校成功备案“机器人工程”专业，440所高校成功备案“人工智能”专业，265所高校成功备案“智能制造工程”专业。如果再考虑自动化、智能科学与技术等新工科专业的建设需求，全国开设机器人相关课程的专业数量接近2000个，每年参加机器人相关课程学习与实践的本科生人数接近10万人。
党的二十大报告指出：“深入实施人才强国战略。培养造就大批德才兼备的高素质人才，是国家和民族长远发展大计。”
本书希望能够为我国机器人专业、人工智能专业等与机器人产业密切相关的专业人才培养贡献一份微薄的力量。本书主要以机器人为应用对象，更多地从实验案例角度（而非学术研究角度）出发，详细介绍基于ROS和百度EasyDL平台的智能机器人开发过程，详细剖析智能机器人开发实践所需的基本知识与技术实现过程。本书编写的初衷是为了总结我们近年来在智能机器人系统开发和实验方面的教学建设成果，向本领域初学者分享我们的一些学习经验。
本书的编写特色如下：
特色1本书以“国产机器人平台+国产AI开放平台”为实验项目开发平台，实现了机器人技术与人工智能技术的有机组合，融入了智能制造、智能物流的元素。本书既体现了机器人工程、人工智能、智能制造工程等交叉融合专业的特色，又展现了国产技术和产品的优秀性能，有利于激发学生的民族自豪感和自信心，有利于培养学生科技报国的家国情怀和使命担当。
特色2本书服务于专业综合实践教学的实际需求，以案例式教学为授课方式，体现了“学生中心、产出导向、持续改进”的教育理念。本书能够帮助教师从教学目标、教学内容、教学方式和考核方式等方面推进课程思政教育，全面贯彻党的教育方针。
特色3本书提供的5个实验项目来自于实际的加工生产场景，生动形象，趣味性强，有利于激发学生的学习兴趣，提升学生对专业培养的满意度和认同感，体现创新教育新范式。
如何阅读本书
本书内容包含8个章节，按照知识结构，可以划分为4个部分。读者既可以按照章节顺序逐步学习，也可以选择其中部分章节单独学习。教师可以根据实验设备和课程学时的具体情况安排教学和实验内容，本书建议的学时安排如图1所示。
图1本书建议的学时安排
第1部分是本书第1章，主要介绍机器人的定义、机器人发展史、现代机器人关键技术与应用分类、Dobot魔术师机器人与机械臂基础知识、DashGO D1智能移动平台与移动机器人基础知识、百度EasyDL开发平台与基本操作等。第1部分内容是本书的机器人理论知识基础，以具体的机器人平台为示例，帮助读者建立从理论到应用的联系。
第2部分是本书的第2、3章，其中第2章主要介绍Ubuntu系统安装和Linux系统常用操作命令，第3章主要介绍ROS安装、ROS基础知识、ROS常用操作、ROS下相机的使用、移动机器人RViz与Gazebo仿真等。第2部分内容是本书的开发环境基础，以相机和移动机器人仿真为示例，帮助读者熟悉和掌握ROS的使用。
第3部分是本书的第4、5章，其中第4章主要介绍Dobot码垛机器人项目、EasyDL模型的编译与使用、Dobot-demo的编译和使用、TF树的发布与坐标变换和Dobot码垛机器人实验操作，第5章主要介绍声控分拣机器人项目简介、EasyDL物体检测模型的编译与使用、EasyDL语音识别模型的编译与使用和声控分拣机器人实验操作等。
第3部分是本书中机械臂类型的机器人实验案例，以Dobot魔术师机器人和EasyDL开发平台为示例，帮助读者熟悉和掌握图像处理、语音识别等AI功能如何让机器人变得更智能。
第4部分是本书的第6~8章。其中第6章主要介绍EAI机器人激光SLAM与自主导航项目、EAI机器人的编译与使用、激光雷达的原理与使用、Gmapping建图原理与实验操作、AMCL粒子滤波原理与实验操作、move_base原理与实验操作。第7章主要介绍机器人视觉循码项目、视觉循码原理、QR二维码、EasyDL模型的编译与使用、移动机器人视觉循码实验操作。第8章主要介绍移动机器人视觉追踪项目、视觉追踪原理、EasyDL模型的编译与使用、机器人视觉追踪实验操作等。第4部分内容是本书中移动机器人类型的机器人实验案例，以DashGO D1智能移动平台和EasyDL开发平台为示例，帮助读者熟悉和掌握QR二维码识别、视频处理等AI功能，从而让机器人变得更智能。
尊敬的读者，在您的学习过程中，我们希望您不仅关注机器人技术的发展，更要深入思考人工智能对于社会、经济、文化等方面的影响，以及如何推动其可持续、公正、人性化地发展。中央提出了建设创新型国家和现代化经济体系的战略目标，指出了科技创新对于实现这一目标的关键作用。机器人技术的快速发展和广泛应用，正是创新的重要体现。我们应该努力发挥机器人技术在推动经济社会发展、改善人民生活、提高国家竞争力等方面的作用，同时也要关注其潜在的风险和挑战，积极探索解决之道。此外，中央还强调了加强全球治理和构建人类命运共同体的重要性，这与机器人技术的全球化发展密切相关。我们应该倡导开放、合作、共赢的精神，积极参与国际机器人技术标准制定和合作交流，推动机器人技术的国际规范化和标准化，为全球可持续发展做出积极贡献。
在本书中，我们将贯彻落实党的二十大精神，努力推动机器人技术的创新和应用，以及促进人工智能和人类社会的和谐发展。我们希望本书能够成为广大读者深入了解机器人技术、拓展视野、掌握技能的重要学习资料，为我国机器人事业的蓬勃发展做出贡献。
致谢
首先感谢国家重点研发计划“政府间国际科技创新合作”重点专项项目（2022YFE0121700）、国家自然科学基金项目（62111530299）、教育部产学合作协同育人项目（201802003029）、浙江省自然科学基金重大项目（LD21F030002）为本书提供了资金支持。
感谢人机协作技术浙江国际科技合作基地、智能感知与系统教育部工程研究中心和浙江省嵌入式系统联合重点实验室为本书提供的研究条件支持。
感谢浙江工业大学控制科学与工程一级学科和浙江工业大学自动化系为本书提供的大力帮助。
本书由付明磊任主编，张文安和仇翔任副主编。参与本书编写的有来自浙江工业大学信息工程学院的刘锦元、邵渊、郑家豪、张欣、李德全、徐涛、李臻恺、李阿辉、游小超、熊鑫龙、董昭君、柴一豪、李圣洲、张齐、谢水镔、张怀政、邵嘉琪。
由于编者水平有限，书中难免存在错误和不足之处，恳请各位读者批评指正，并与我们联系。我们将严肃认真对待大家的批评和建议，进一步完善本书的内容。
编者
