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第1章 绪论 1

1.1 仿生学与仿生机器人概述 1

1.2 仿生四足机器人的研究现状与发展趋势 2

1.2.1 仿生四足机器人概述 2

1.2.2 仿生液压四足机器人国内外研究现状及发展趋势 3

1.3 仿生液压四足机器人关键技术概述 14

第2章 仿生液压四足机器人结构设计技术 15

2.1 四足机器人结构设计概述 15

2.1.1 四足机器人的总体性能要求及参数指标 15

2.1.2 四足机器人的设计目标 16

2.2 四足机器人运动参数的仿生学分析 17

2.2.1 步行动物腿足的生理特征与运动规律 18

2.2.2 四足机器人仿生设计对象的选取 19

2.2.3 马的解剖学研究 19

2.2.4 马的仿生学探索 20

2.3 四足机器人腿部结构参数的分析与确定 22

2.3.1 四足机器人的腿节比例关系 22

2.3.2 四足机器人的关节配置方式 27

2.3.3 四足机器人的关节摆角范围 27

2.3.4 液压缸的安装位置 30

2.3.5 液压缸的工作行程 33

2.3.6 四足机器人运动学仿真 36

2.4 四足机器人腿部结构设计 37

2.4.1 机器人髋关节及大腿组件设计 42

2.4.2 机器人膝关节及小腿组件设计 44

2.4.3 机器人腿部侧摆组件设计 51

2.4.4 机器人液压系统及其他元器件选型 56

2.4.5 机器人单腿整体结构设计 59

2.5 四足机器人整体结构设计 62

2.6 四足机器人结构的受力分析 63

2.6.1 有限元分析方法 63

2.6.2 有限元分析实例 65

第3章 仿生液压四足机器人步态规划技术 81

3.1 四足机器人仿生步态技术概述 81

3.1.1 四足动物运动神经控制机理分析 81

3.1.2 四足动物步态的定义与分类 83

3.1.3 四足机器人步态参数定义 86

3.2 CPG单元模型及动态特性分析 87

3.2.1 CPG振荡单元模型 87

3.2.2 CPG单元模型的动态特性分析 90

3.3 四足机器人CPG控制网络 92

3.3.1 CPG网络控制相关概念 92

3.3.2 四足机器人CPG控制网络一 93

3.3.3 四足机器人CPG控制网络二 100

3.4 四足机器人平滑步态转换技术方法 103

3.4.1 CPG步态转换方法 104

3.4.2 基于CPG的平滑步态转换方法 107

3.5 CPG控制算法的联合仿真实验 111

3.5.1 联合仿真系统模型 111

3.5.2 四足机器人行走步态仿真 111

3.5.3 四足机器人小跑步态仿真 113

3.5.4 四足机器人步态转换仿真 114

第4章 仿生液压四足机器人运动学与动力学分析 120

4.1 四足机器人运动学分析 120

4.1.1 四足机器人运动学概述 120

4.1.2 四足机器人的正运动学分析 123

4.1.3 四足机器人的逆运动学分析 125

4.2 四足机器人的动力学分析 126

4.3 四足机器人的能耗分析 128

4.3.1 四足机器人的能耗指标 128

4.3.2 四足机器人结构参数对能耗的影响 129

4.3.3 四足机器人运动参数对能耗的影响 130

4.4 四足机器人存在最优步长的理论依据 140

4.5 四足机器人ADAMS虚拟样机建模 141

4.5.1 ADAMS简介 141

4.5.2 四足机器人三维模型简化建模 142

第5章 仿生液压四足机器人液压控制技术 145

5.1 四足机器人驱动方式的选择 145

5.1.1 液压驱动概述 145

5.1.2 电液伺服控制技术发展历程 146

5.2 液压系统整体方案 147

5.2.1 液压动力系统原理设计 148

5.2.2 液压系统重要参数设计 149

5.2.3 机载液压系统的集成 151

5.3 机器人控制系统总体方案 153

5.3.1 四足机器人系统总体概述 153

5.3.2 电液伺服控制系统控制对象分析 155

5.3.3 控制任务 155

5.3.4 研究方案 156

5.4 电液伺服系统仿真建模与分析 158

5.4.1 电液伺服系统分析 158

5.4.2 仿真环境和架构论证 159

5.4.3 虚拟样机结构建模 160

5.4.4 液压驱动系统建模 161

5.4.5 控制系统建模 164

5.4.6 仿真实验与结果分析 164

5.5 电液伺服系统硬件设计 168

5.5.1 系统架构设计 168

5.5.2 控制方案设计 169

5.5.3 技术方案确定 170

5.5.4 硬件系统设计 170

5.6 四足机器人控制系统软件设计 181

5.6.1 控制系统软件框架 181

5.6.2 电液伺服系统软件设计 182

5.7 电液伺服控制系统算法设计 187

5.7.1 运动学相关算法 187

5.7.2 轨迹规划插补算法 190

5.7.3 非对称前馈补偿模糊自适应PID算法设计 191

5.8 液压伺服系统控制实验 192

5.8.1 基本功能实验 192

5.8.2 实物等效伺服控制实验 194

5.8.3 控制对象性能评估实验 195

5.8.4 伺服控制实验 199

5.8.5 轨迹规划实验 205

5.9 本章总结 205

第6章 仿生液压四足机器人步态生成器设计 207

6.1 四足机器人复合控制系统总体设计方案 207

6.2 步态生成器的硬件设计 209

6.2.1 控制系统对步态生成器的设计要求 209

6.2.2 步态生成器的整体设计 209

6.2.3 步态生成器核心板的硬件设计 210

6.3 步态生成器的软件设计 217

6.3.1 硬件开发语言与软件开发环境 218

6.3.2 步态生成器的整体软件设计 220

6.3.3 CPG算法硬件代码的实现 221

6.3.4 步态生成器核心板的软件设计 223

6.4 四足机器人控制系统实验 226

6.4.1 四足机器人原理样机简介 226

6.4.2 四足机器人数据通信测试 229

6.4.3 CPG算法的硬件在环仿真 233

6.4.4 四足机器人单腿节运动控制实验 234

6.4.5 四足机器人步态规划测试实验 240

6.5 本章总结 241

第7章 仿生液压四足机器人环境适应控制技术 243

7.1 生物反射与机器人环境适应控制概述 243

7.2 四足机器人生物反射组织体系 244

7.3 加入反馈的四足机器人CPG控制模型 245

7.3.1 前庭反射建模与机器人斜坡运动的实现 246

7.3.2 屈肌反射建模与机器人越障运动的实现 260

7.4 本章小结 281

第8章 仿生液压四足机器人侧向冲击下的动态稳定性控制 283

8.1 四足机器人侧向稳定性控制策略 283

8.2 考虑机器人侧向运动的CPG控制网络模型 284

8.2.1 CPG控制网络的整体结构 284

8.2.2 连接权重矩阵的取值 285

8.2.3 关节控制信号幅值的确定 288

8.3 四足机器人联合仿真实验及结论 290

8.4 本章总结 296

第9章 仿生液压四足机器人立体视觉技术 297

9.1 机器人视觉的基本原理与关键技术 297

9.2 四足机器人双目立体视觉系统的硬件设计 298

9.2.1 硬件系统总体参数设计 298

9.2.2 摄像机主要参数的确定 300

9.2.3 双目视觉系统成像模型设计 301

9.3 四足机器人双目立体视觉系统的软件设计 302

9.3.1 摄像机内外参数标定 302

9.3.2 图像预处理 303

9.3.3 图像对的立体匹配 304

9.3.4 空间点的三维重建 304

9.4 基于双目立体视觉系统的预处理算法研究 304

9.4.1 摄像机的透视投影模型 304

9.4.2 摄像机标定中的几个坐标系 305

9.4.3 摄像机内外参数的标定 308

9.4.4 立体图像对的校正模型及实验结果 310

9.5 场景轮廓算法与动态规划立体匹配算法研究 313

9.5.1 场景轮廓算法 313

9.5.2 动态规划立体匹配算法 318

9.5.3 实验结果与分析 322

9.6 基于双目立体视觉系统的三维重建算法 331

9.6.1 基于双目视差的三维测量与深度感知方法 331

9.6.2 双目系统三维重建实验的结果与分析 334

9.7 本章总结 337

第10章 仿生液压四足机器人自动随行技术 339

10.1 基于机器视觉的运动目标跟踪系统概述 339

10.1.1 系统工作原理 339

10.1.2 基于机器视觉的运动目标跟踪系统结构 342

10.1.3 系统流程 343

10.2 摄像机标定以及图像畸变校正 345

10.2.1 摄像机的标定 345

10.2.2 常用成像模型及坐标系 345

10.2.3 摄像机标定流程 349

10.2.4 图像畸变校正 352

10.3 红外标志点的提取与识别 355

10.3.1 图像预处理 355

10.3.2 动态图像分割 356

10.3.3 红外标志点区域提取标记 357

10.4 摄像机位姿估计与基于卡尔曼滤波器的目标识别 362

10.4.1 摄像机位姿估计 362

10.4.2 基于卡尔曼滤波器的目标识别 370

10.5 本章总结 375

第11章 仿生液压四足机器人多传感器检测与信息融合技术研究 377

11.1 主要传感器的选型 377

11.1.1 直线位移传感器 378

11.1.2 角位移传感器 378

11.1.3 压力传感器 380

11.1.4 超声波测距传感器 381

11.1.5 视觉传感器 382

11.1.6 其他传感器 383

11.2 四足机器人传感检测系统的总体设计 383

11.2.1 传感检测系统总体方案的设计 384

11.2.2 传感检测系统主控芯片的选型 385

11.2.3 通信方式的选取 386

11.3 传感检测系统的硬件设计 388

11.3.1 传感检测系统的硬件总体设计方案 388

11.3.2 传感检测系统主控芯片的最小系统设计 389

11.3.3 ADC电路设计 395

11.3.4 传感器电路设计 395

11.3.5 UART串口通信电路的设计 401

11.4 传感检测系统的软件设计 403

11.4.1 软件工具概述 404

11.4.2 传感检测系统软件设计的总体架构 404

11.4.3 ADC模块的软件设计 405

11.4.4 传感器模块的软件设计 407

11.4.5 UART串口模块的软件设计 410

11.5 传感检测系统的性能实验与分析 411

11.5.1 直线位移传感器检测实验 411

11.5.2 超声波测距传感器检测实验 413

11.5.3 单目视觉传感器检测实验 415

11.6 基于Matlab的多传感器信息融合仿真实验 417

11.6.1 多传感器信息融合简介 417

11.6.2 卡尔曼滤波算法 418

11.6.3 STF（Simple Track Fusion）融合算法 419

11.6.4 CV模型 419

11.6.5 参数确定 420

11.6.6 仿真实验与结果分析 423

11.7 本章总结 427

第12章 总结与展望 428

12.1 成果总结 428

12.2 创新点归纳 431

12.3 前景展望 433

参考文献 434