前言

　　新工科建设是新兴工程学科或领域、新范式和新工科教育等综合概念，它是对全球新一轮科技革命和产业变革的回应，是服务国家创新驱动发展、“中国制造2025”“互联网+”等一系列重大战略的使命要求。机器人技术是新工科建设最具代表性的前沿交叉学科，从2016年东南大学创建国内第一个机器人工程专业至今，国内共有300多所高校获批建设机器人工程专业。机器人实践课程在国内整体环境下处于探索阶段，机器人工程专业具有多学科交叉、融合的特点，实验案例尤其是综合性实验案例极为缺乏，在此背景下本书应运而生。

　　本书围绕机器人检测与控制的基础知识点开展实验例程，包括验证性及综合性实验，分为以下9章： 实验仪器平台认识、单片机实践项目、电机实践项目、传感器实践项目、通信模块实践项目、运动控制综合实践项目、视觉环形检测台综合实践项目、桌面机械臂综合实践项目、基于树莓派的智能机械臂综合实践项目，使学生能够在检测对象上实现多种功能，掌握机器人基本软硬件架构和相应功能模块的初步开发，培养学生解决实际问题的综合能力。

　　第1章介绍了所使用的实验仪器平台及检测对象，以及安全注意事项。

　　第2章全面介绍了STM32开发板的基本应用，为后续综合实验打下了基础。包括GPIO输入/输出、外部中断、定时器中断、串口发送和接收数据、PWM、IIC、RTC、OLED屏幕、4×4矩阵键盘、数码管的基本原理及使用。

　　第3章介绍了机器人控制技术中常用的几种电机的工作原理和控制方法，为后续履带车运动控制实验等综合实验打下了基础。

　　第4章介绍了机器人控制技术中常用的几种传感器的工作原理和应用，包括TTL、超声波、温湿度、红外热释电、加速度、压力、烟雾等传感器。结合实例，帮助学生理解和掌握相关知识。

　　第5章介绍了通信模块的基本应用，如蓝牙、NRF、WiFi和GPS通信。每个应用都有对应源码的学习。

　　第6章进入综合实践项目的学习，以履带车底盘为例，初步解决综合运动控制问题，包括机器人底盘差速转动的运动控制，通过直流电机的应用，完成履带车前进、后退、左转、右转、原地旋转等动作。通过本章的学习，可以理解PID模型，并学会在软件中如何表达并调节三个参数，控制履带车实现其直线运动。

　　第7章是另外一个大的综合实践项目，基于视觉环形检测台，介绍了在实际问题中如何自主分析设计。需要自行设计，考虑分选不合格工件、上位机采用哪些可行算法、下位机和上位机通信如何实现、下位机执行机构控制如何设计以及程序的完全实现。

　　第8章介绍桌面机械臂综合实践，分别使用三自由度机械臂开展搬运物体、绘图实验，并对项目软硬件的设计提供了示例，帮助学生理解机械臂正运动学、逆运动学的含义，掌握简单模型的程序表达并实现应用，例如搬运。

　　第9章从ROS机器人操作系统开始介绍，以树莓派系统为基础，通过识别颜色、形状、二维码三个项目讲述了在ROS中使用OpenCV软件库进行视觉识别。通过机械臂颜色追踪、机械臂颜色分拣两个项目讲述了视觉识别与三自由度机械臂结合做智能化项目。通过RVIZ显示机械臂URDF仿真模型、机械臂仿真路径规划两个项目讲述了如何根据机械臂在ROS环境中创造仿真机械臂，并且在仿真环境中手动和随机规划机械臂运动路径。

　　书中各章节实验都配有源码和实验现象视频，可通过扫描二维码下载或观看。

　　本书每章实验都有作业，紧扣教学内容，作为实验启发、拓展学生思路。

　　本书既可作为机器人工程专业本科学生的实验课程指导用书，又可作为高等院校机械工程、自动化、仪器仪表等相关专业的实验教材或指导书，还适用于从事控制技术等领域、对机器人基础入门技术感兴趣的工程技术人员及学生。

　　本书的编写分工情况如下： 栗琳、郑莉芳全面负责教材的编写和实验内容的安排； 孙浩负责电机、传感器的开发及编写工作； 刘新洋负责单片机、通信的开发及编写工作。在本书的编写过程中，北京机器时代有限公司提供了实验仪器平台资料，郑世杰、佘鹏飞工程师提供树莓派开发的智能机械臂的实验例程，并对其验证。同时，本书得到北京科技大学教材建设经费资助，得到了北京科技大学教务处的全程支持，在此表示衷心的感谢。

　　由于本书内容的广泛性和作者自身的局限性，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正，并提出宝贵意见与建议。

作者

2023年4月