四足仿生機器人基本原理及開發教程

以四足哺乳動物為仿生對象,構造具有高動態性和強復雜環境適應性的四足機器人一直是機器人領域的研究熱點。本書系統地介紹了電機驅動四足仿生機器人的基本理論和穩定運動控制的主要方法,力求能夠較好地促進國內四足機器人研究的普及和應用落地。本著“持續開源、合作共建”的思想,結合四足機器人實際物理平臺和開源的軟件平臺,本書分為三部分:基礎理論、技術實現和研究提高,共包括13章,其中第 1~8章介紹基礎理論,第9、10章介紹技術實現,第11、12章介紹研究進階,主要講述基於 MPC+WBC的四足機器人高級運動控制方法,第13章介紹模擬實驗。 本書既可供機器人相關專業的研究生或高年級本科生閱讀和作為競賽參考,也可供相關領域的工程技術人 員參考。

第1章緒論

1.1四足機器人的發展現狀

1.2四足機器人的發展趨勢

習題

第2章四足機器人運動學分析

2.1機器人運動學基礎

2.1.1點的齊次坐標

2.1.2平面的齊次坐標

2.1.3旋轉矩陣

2.1.4旋轉齊次變換

2.1.5平移齊次變換

2.1.6齊次變換矩陣

2.2齊次變換矩陣性質

2.2.1齊次變換矩陣相乘

2.2.2齊次變換矩陣的相對性

2.2.3齊次變換矩陣的可逆性

2.2.4齊次變換矩陣的封閉性

2.3機器人連桿參數和連桿坐標系

2.3.1關節和連桿

2.3.2連桿坐標系定義

2.3.3基於D H方法的連桿坐標系和變換矩陣

2.4基於D H坐標系的四足機器人運動學建模

2.4.1四足機器人運動學分析

2.4.2右前腿的運動學分析

2.4.3右後腿的運動學分析

習題

第3章四足機器人雅可比矩陣與靜力學

3.1微分運動與廣義速度

3.1.1微分變換

3.1.2微分運動

3.1.3坐標系間的微分關系

3.2雅可比矩陣

3.3四足機器人雅可比矩陣的一般求解方法

3.3.1基於矢量積法的雅可比矩陣計算方法

3.3.2基於微分變換法的雅可比矩陣計算方法

3.3.3基於連桿速度法的雅可比矩陣計算方法

3.3.4雅可比矩陣計算方法的比較

3.4靜態力

3.4.1坐標系之間力的變換

3.4.2力雅可比矩陣

3.4.3雅可比矩陣的奇異性

習題

第4章四足機器人動力學分析

4.1機器人動力學數學基礎

4.2動能和勢能

4.3慣性參數

4.3.1轉動慣量

4.3.2慣性張量

4.4機器人動力學建模方法

4.4.1拉格朗日法

4.4.2牛頓歐拉法

4.4.3機器人動力學方程的性質

4.5四足機器人簡化動力學推導

習題

第5章四足機器人步態規劃基礎理論

5.1步態規劃的基本概念

5.2靜步態規劃方法

5.3動步態規劃方法

5.4機器人軌跡規劃與步態生成

5.4.1機器人軌跡規劃

5.4.2機器人步態生成方法

習題

第6章四足機器人路徑規劃算法

6.1地圖創建與地形識別

6.2全局路徑規劃算法

6.2.1柵格法

6.2.2可視圖法

6.2.3A*算法

6.2.4快速擴展隨機樹算法

6.2.5BiDirectional快速擴展隨機樹算法

6.3局部路徑規劃算法

6.3.1人工勢場法

6.3.2神經網絡法

習題

第7章機器人的基本控制方法

7.1控制預備知識介紹

7.2機器人的控制方法及模擬分析

7.2.1機器人動力學模型

7.2.2機器人控制方法和控制器設計

習題

第8章四足機器人穩定性判定方法

8.1四足機器人步態選擇策略

8.2四足機器人穩定性基本概念

8.2.1穩定裕度

8.2.2占空比

8.2.3阻力系數

8.3靜態穩定性判定方法

8.4動態穩定性判定方法

習題

第9章四足機器人結構設計與安裝流程

9.1四足機器人結構設計

9.2四足機器人安裝流程

9.2.1電機的裝配

9.2.2腿部機構的裝配

9.2.3關節模組的裝配

9.2.4軀乾的裝配

9.2.5腿部整體安裝

習題

第10章四足機器人硬件和電路結構介紹

10.1執行器

10.2動力源

10.3UP board

10.4遙控器

10.5SPIne信號轉接板

10.6接線轉接板

習題

第11章基於模型預測控制的四足機器人全身運動控制方法

11.1模型預測控制基礎知識介紹

11.2MPC控制策略在四足機器人中的應用

11.3四足機器人整體運動控制框架

11.3.1一般四足機器人整體運動控制框架

11.3.2基於MPC的四足機器人運動控制框架

11.4基於MPC的動態運動控制

11.4.1MPC控制框架

11.4.2機器人軀乾簡化動力學建模

11.4.3MPC實現

11.5基於MPC方法的運動規劃

11.5.1步態規劃

11.5.2足端軌跡規劃

11.5.3基於MPC方法的步態切換

11.5.4基於MPC的四足機器人斜坡地形的姿態調整

11.6基於Webots軟件平臺的MPC方法模擬驗證

11.6.1Ubuntu下Webots模擬環境搭建

11.6.2多步態運動

11.6.3斜坡地形測試

11.7基於四足機器人物理平臺的MPC方法實現驗證

習題

第12章四足機器人運動控製程序框架介紹

12.1機器人建模程序

12.1.1機器人模型參數設置

12.1.2質心動力學模型

12.1.3浮基座動力學模型

12.2機器人信息數據輸入

12.3機器人運動軌跡規劃

12.3.1步態序列規劃

12.3.2擺動腿軌跡規劃

12.3.3機器人狀態軌跡規劃

12.4機器人控制器設計

12.4.1MPC控制器

12.4.2WBC控制器

12.4.3腿部控制器

12.4.4關節電機控制器

12.5狀態估計器

習題

第13章四足機器人實驗模擬與驗證

13.1Ubuntu系統環境配置與軟件安裝實驗

13.2四足機器人上位機代碼編譯與運行模擬實驗

13.3實體機器人運行實驗

13.4trot步態設計及實驗驗證

13.5bound步態設計及實驗驗證

13.6pace步態設計及驗證實驗

13.7walk步態設計及驗證實驗

13.8後空翻步態設計與運行實驗

13.9四足機器人斜坡自適應調整實驗

13.10循跡測試實驗

13.11障礙物識別跟蹤實驗

參考文獻1166777899101013141415161616171721212227333434343436383940434649515152535455555556565858596065667172727475767678868787888991929393959596100101101102103105135136136137137138138138139143144144147147157163166167168169170176179181184192193194194195195195195196196202205209209211211211214214224226227229230230230231232233235235237238238238242247248249250251251254257259261264266269271274281289