第1章 绪论 1
1.1 四足仿生机器人研究现状 1
1.2 电驱动四足仿生机器人 2
1.3 液压驱动四足仿生机器人 7
1.4 四足仿生机器人关键技术和发展趋势 10
1.4.1 四足机器人的关键技术 11
1.4.2 四足机器人的发展趋势 12
参考文献 13
第2章 四足机器人拓扑结构分析与机构设计 17
2.1 四足机器人的拓扑结构 17
2.2 SCalf-II液压驱动四足机器人的机构设计 18
2.2.1 机器人躯干的设计 19
2.2.2 机器人腿关节的设计 19
2.2.3 带弹簧缓冲的机器人小腿机构设计 21
2.2.4 液压伺服油缸的设计 22
2.2.5 SCalf-II四足机器人仿生机构 23
参考文献 24
第3章 运动学与动力学分析 25
3.1 四足机器人运动学建模 25
3.1.1 SCalf-II四足机器人D-H坐标系 26
3.1.2 连杆变换通式 27
3.1.3 SCalf-II四足机器人正向运动学模型 28
3.1.4 SCalf-II四足机器人逆向运动学模型 31
3.2 四足机器人动力学建模 33
3.2.1 拉格朗日方法 33
3.2.2 牛顿-欧拉方法 38
参考文献 44
第4章 静步态规划与控制 46
4.1 静步态规划概念 46
4.2 四足机器人步态稳定性 47
4.3 连续静步态规划 50
4.3.1 四足机器人的迈步顺序 50
4.3.2 四足机器人重心轨迹规划 53
4.3.3 摆动足轨迹规划 60
4.3.4 实验与数据分析 64
4.4 非连续静步态规划 68
4.4.1 四足机器人的迈步顺序 70
4.4.2 四足机器人姿态调整规划 70
4.4.3 四足机器人重心轨迹规划 72
4.4.4 摆动足轨迹规划 75
4.4.5 实验与数据分析 80
4.5 连续自由步态 83
4.5.1 四足机器人的迈步顺序 85
4.5.2 四足机器人重心轨迹规划 86
4.5.3 四足机器人最优落足点的选择 91
4.5.4 摆动足摆动曲线规划 96
4.5.5 连续自由步态的步态流程图 96
4.5.6 实验与数据分析 97
参考文献 100
第5章 基于虚拟模型的动步态规划方法 105
5.1 引言 105
5.2 四足机器人模型 107
5.3 支撑相虚拟模型控制 109
5.3.1 躯干-支撑腿模型 109
5.3.2 躯干运动控制 111
5.4 摆动相虚拟模型控制 112
5.4.1 摆动足运动轨迹规划 112
5.4.2 摆动腿运动控制 114
5.5 Trot步态控制器设计 115
5.6 虚拟模型控制实验验证 116
5.6.1 平地行走实验 117
5.6.2 不平坦地面行走实验 118
5.6.3 侧向冲击实验 120
5.7 具有四足腾空相的虚拟模型动步态规划 122
5.7.1 Flight Trot模型简化与控制 122
5.7.2 基于Levenberg-Marquardt方法的机器人侧向运动速度控制 124
5.7.3 摆动腿动作规划 125
5.7.4 机器人运动控制 126
5.7.5 步态切换 127
5.7.6 具有腾空相虚拟模型控制实验验证 128
参考文献 132
第6章 基于解耦控制的动步态规划方法 136
6.1 引言 136
6.2 四足机器人平面内全方位移动控制方法 137
6.2.1 四足机器人前进时的足端轨迹规划 137
6.2.2 基于Trot步态的四足机器人全方位移动控制方法 138
6.2.3 基于足端运动速度估计的步程计设计 141
6.2.4 实验验证 141
6.3 四足机器人斜坡移动控制方法 143
6.3.1 四足机器人的姿态控制与支撑位置调整策略 143
6.3.2 实验验证 147
参考文献 150
第7章 四足机器人环境感知、识别与导航 152
7.1 四足机器人环境感知系统 152
7.1.1 四足机器人环境感知现状 152
7.1.2 激光测距系统 154
7.1.3 单目视觉系统 158
7.1.4 TOF相机系统 160
7.2 四足机器人环境感知传感器校正与数据融合 162
7.2.1 传感器校正及融合原理 163
7.2.2 单目相机与激光扫描仪联合标定 168
7.2.3 TOF相机校正实验 171
7.2.4 单目相机与激光扫描仪联合标定实验 176
7.3 四足机器人地形识别与路径规划算法研究 178
7.3.1 地图创建与地形识别 179
7.3.2 A＊算法及其改进算法原理 185
7.3.3 改进的A＊算法 188
7.3.4 路径平滑 199
7.3.5 地形识别实验 200
7.3.6 IA＊算法仿真 200
7.3.7 EA＊算法仿真 205
7.4 四足机器人领航员识别与跟随实现 206
7.4.1 移动机器人人员识别现状 207
7.4.2 采用激光扫描仪的领航员识别实验 209
7.4.3 四足机器人目标跟随仿真 211
7.4.4 四足机器人目标跟随实验 214
参考文献 215
第8章 四足机器人机载液压动力系统设计 222
8.1 引言 222
8.2 SCalf-II机器人液压系统原理设计 223
8.3 机载液压动力系统参数的设计 225
8.3.1 机器人伺服油缸位移与关节变量之间的变换 225
8.3.2 关节驱动力计算 228
8.3.3 液压动力系统流量的设计 234
8.3.4 蓄能器容积的设计 237
8.4 机载液压动力系统的集成 238
8.5 发动机-液压泵转速的匹配与控制 239
8.5.1 发动机-液压泵转速匹配 239
8.5.2 发动机-液压泵转速控制 240
8.5.3 发动机-液压伺服控制器设计 241
8.6 SCalf-II机器人运行实验 243
参考文献 245
第9章 四足机器人控制系统设计 247
9.1 引言 247
9.2 四足机器人控制系统的设计和实现 247
9.2.1 四足机器人集中式控制系统设计 248
9.2.2 四足机器人分布式控制系统设计 249
9.3 四足机器人控制方法实验验证与性能分析 250
9.3.1 实时性对比 251
9.3.2 CPU占用率对比 252
9.3.3 机器人行走测试 254
参考文献 254
第10章 液压驱动机器人主动柔顺运动控制 256
10.1 引言 256
10.2 单腿测试平台控制系统概述 256
10.2.1 控制系统硬件电路设计 257
10.2.2 控制系统软件设计 265
10.3 液压伺服油缸建模 268
10.3.1 液压力建模 269
10.3.2 摩擦力建模 270
10.3.3 液压伺服油缸输出力模型 271
10.3.4 关节输出扭矩控制 271
10.4 单腿主动柔顺控制 274
10.5 单腿主动柔顺控制实验 276
10.5.1 单腿柔顺实验 276
10.5.2 自由下落实验 278
10.5.3 连续弹跳实验 279
参考文献 281
第11章 液压驱动四足机器人的实验验证 282
11.1 引言 282
11.2 SCalf-I机器人的集成 282
11.3 SCalf-I机器人的实验验证 283
11.4 SCalf-II机器人的集成 284
11.5 SCalf-II机器人的实验验证 286
11.5.1 控制系统架构 286
11.5.2 发动机-泵转速控制实验 287
11.5.3 复杂地形环境适应性能测试 287
11.5.4 最快步行速度测试 288
11.5.5 加速控制性能测试 288
11.5.6 雪地、草地环境的适应性能测试 288
11.5.7 负重能力测试 289
11.6 SCalf-II机器人的升级改造和实验 289
结束语 296