工業(yè)機器人軟件是國家制造業(yè)重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域。培養(yǎng)工業(yè)智能機器人軟件開發(fā)領(lǐng)域的拔尖創(chuàng)新人才,是高等學校服務智能制造發(fā)展的重要使命。機器人中間件是機器人應用軟件開發(fā)過程中,介于應用層和物理層之間的中間層軟件。開發(fā)人員可以利用中間件共享全局信息物理資源,快速開發(fā)功能組件,提升軟件的可復用性和開發(fā)效率,降低異構(gòu)機器人的開發(fā)成本和云邊端復雜場景的開發(fā)部署難度。
本書共分為8章,涵蓋機器人中間件概述、機器人中間件框架、設備服務化技術(shù)與應用、面向服務的中間件總線技術(shù)、集成DDS的中間件服務總線、總線上應用生態(tài)組件的設計、機器人云邊端協(xié)同開發(fā)技術(shù)和基于機器人中間件的云邊端應用開發(fā)實例。
本書適用于機器人中間件的初、中級用戶,以及有初步使用經(jīng)驗的技術(shù)人員,可作為理工科院校相關(guān)專業(yè)的高年級本科生、研究生及教師學習機器人中間件的培訓教材,也可作為從事相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員開發(fā)使用機器人中間件的參考讀物。
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本書從實際應用出發(fā),探討相關(guān)技術(shù)原理、典型應用場景和實際案例并布置有實操習題,旨在幫助讀者全面理解和掌握機器人中間件的關(guān)鍵技術(shù)。
隨著生產(chǎn)力的不斷進步,以及機電一體化技術(shù)、人工智能和自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展,越來越多的工業(yè)機器人在航空、汽車制造、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到了廣泛應用。在當前市場環(huán)境下,機器人的應用場景日益多樣化和復雜化,不同供應商和廠商生產(chǎn)的機器人和設備往往具有不同的硬件和軟件接口,這給機器人系統(tǒng)的集成、管理和協(xié)作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這些問題,機器人中間件應運而生,成為連接和整合各類硬件、軟件和服務的關(guān)鍵技術(shù)。
機器人中間件是機器人系統(tǒng)軟件開發(fā)過程中,介于傳統(tǒng)軟件應用層和物理層之間的中間層軟件,為底層硬件和上層應用搭建通信橋梁,它有面向事務處理、面向消息、面向?qū)ο笠约懊嫦蚍⻊账姆N類型。它通過抽象底層硬件設備,標準化了數(shù)據(jù)格式和功能接口,有效屏蔽了軟硬件異構(gòu)性,簡化了機器人軟件開發(fā)的流程,提升了機器人系統(tǒng)的可擴展性和通用性。開發(fā)人員可以利用標準接口快速開發(fā)功能組件,提升軟件的可復用性和開發(fā)效率,顯著降低了跨不同品牌機器人的開發(fā)成本。
本書共分為8章,涵蓋機器人中間件概述、機器人中間件框架、設備服務化技術(shù)與應用、面向服務的中間件總線技術(shù)、集成DDS的中間件服務總線、總線上應用生態(tài)組件的設計、機器人云邊端協(xié)同開發(fā)技術(shù)和基于機器人中間件的云邊端應用開發(fā)實例。書中實例的命令代碼均可自行下載,讀者可掃描書中相應二維碼觀看實例講解視頻。每一章節(jié)都盡量避開煩瑣的理論知識,從實際應用出發(fā),探討相關(guān)技術(shù)原理、典型應用場景和實際案例并布置有實操習題,旨在幫助讀者全面理解和掌握機器人中間件的關(guān)鍵技術(shù)。
在本書的編寫過程中,主編張小剛、齊樂承擔全書的總體規(guī)劃與統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工作。為確保教材質(zhì)量,本書采取分層負責制:王紹源負責第1 ~ 3章的結(jié)構(gòu)規(guī)劃與審定,邊耐政負責第4、5、7章的結(jié)構(gòu)規(guī)劃與審定,齊樂負責第6、8章的結(jié)構(gòu)規(guī)劃與審定。
在具體編寫環(huán)節(jié),陳華編寫第1、2章,張雷編寫第3、4章,方遒編寫第5章,馬韜編寫第6、7章,王鼎湘編寫第8章。在教材編寫過程中編者始終秉持嚴謹治學的態(tài)度,力求準確、系統(tǒng)地呈現(xiàn)學科前沿成果,但由于水平有限,書中難免存在一些錯誤與不足之處,懇請廣大讀者不吝賜教,以期在后續(xù)版次中修改完善。
本書在編寫過程中,學習和參考了書中所列參考文獻中的相關(guān)內(nèi)容,特向文獻的所有作者表示深深的謝意。
編 者
高等院校老師
序
前言
第1章 機器人中間件概述 1
1.1 機器人中間件的定義與作用 1
1.2 發(fā)展歷程與現(xiàn)狀分析 7
1.3 面向服務的工業(yè)中間件 8
1.4 機器人中間件面臨的挑戰(zhàn) 12
第2章 機器人中間件框架 13
2.1 機器人中間件框架簡介 13
2.2 機器人中間件關(guān)鍵技術(shù) 16
2.3 機器人中間件元數(shù)據(jù)簡介 24
2.4 RDCS開發(fā)部署規(guī)范 27
2.5 本章習題 33
第3章 設備服務化技術(shù)與應用 34
3.1 機器人系統(tǒng)及服務化介紹 34
3.2 設備服務化封裝技術(shù) 39
3.3 設備服務化封裝示例 48
3.4 本章習題 51
第4章 面向服務的中間件總線技術(shù) 52
4.1 SOA與服務總線簡介 53
4.2 服務總線功能 55
4.3 Apache Camel 58
4.4 Apache Camel擴展 61
4.5 本章習題 69
第5章 集成DDS的中間件服務總線 71
5.1 DDS簡介 72
5.2 主題發(fā)布與訂閱 75
5.3 服務總線與DDS集成 77
5.4 本章習題 83
第6章 總線上應用生態(tài)組件的設計 85
6.1 應用組件開發(fā) 85
6.2 通用組件開發(fā) 107
6.3 組件測試與驗證 115
6.4 本章習題 121
第7章 機器人云邊端協(xié)同開發(fā)技術(shù) 122
7.1 云端服務設計和開發(fā) 122
7.2 云端服務編排 128
7.3 云邊端集成 132
7.4 本章習題 136
第8章 基于機器人中間件的云邊端應用開發(fā)實例 137
8.1 多機器人協(xié)同焊接 137
8.2 爬壁機器人遠程客戶端作業(yè) 147
8.3 ROS AGV控制 153
8.4 視覺驅(qū)動的多機協(xié)同分揀 159
8.5 本章習題 166
參考文獻168