0 绪论 1
0.1 多足步行机器人的潜在用途 1
0.2 多足步行机器人的发展概况 4
0.3 多足步行机器人运动规划与控制的研究现状 11
0.3.1 关于多足步行机器人的步态生成方法研究 11
0.3.2 关于多足步行机器人的步态控制方法研究 12
0.3.3 关于多足步行机器人的脚力分配研究 13
0.3.4 多足步行机器人运动控制中的几个关键技术 15
0.4 本书的目的和体系结构 17
0.4.1 本书目的 17
0.4.2 本书体系结构 18
1.1 引言 21
1 多足步行机器人的运动学计算 21
1.2 多足步行机器人机构特征 22
1.3 站立腿的运动学计算 23
1.3.1 齐次变换 24
1.3.2 站立腿的逆运动学计算 31
1.4 摆动腿的运动学计算 37
1.5 多足步行机器人的运动学计算 39
1.5.1 多足步行机器人的逆运动学计算 40
1.5.2 多足步行机器人的正运动学计算 43
1.6 多足步行机器人的速度和加速度计算 60
1.6.1 旋转矩阵的导数 60
1.6.2 多足步行机器人步行速度计算 62
1.6.3 多足步行机器人步行加速度计算 71
1.7 本章小结 73
2.1 引言 74
2 多足步行机器人动力学及脚力规划 74
2.2 多足步行机器人的动力学模型 75
2.2.1 完整约束方程 76
2.2.2 关节空间运动变换 77
2.2.3 多足步行机器人的动力学模型 78
2.3 机器人脚力分配问题的提出 78
2.3.1 关节驱动的约束分析 81
2.3.2 摩擦及有效接触的约束分析 83
2.4 线性规划方法 84
2.5 优化的平方规划方法 88
2.5.1 约束条件的等效和简化 89
2.5.2 优化目标函数 91
2.6 实例仿真分析 95
2.7 本章小结 98
3.1 引言 99
3 多足步行机器人静态稳定性计算 99
3.2 静态稳定性及其一般描述 100
3.2.1 静态稳定性的直接判断 100
3.2.2 静态稳定性的对角线原理 102
3.3 新型静态稳定性的计算方法 103
3.3.1 静态稳定性区域的定义 103
3.3.2 静态稳定性的数学描述 105
3.3.3 静态稳定性的简化计算方法 109
3.4 静态稳定性分析的具体运用 111
3.5 本章小结 113
4 多足步行机器人步态生成方法 114
4.1 引言 114
4.2 步态的相关定义 115
4.3.1 临界方向角 117
4.3 多足步行机器人平动步态生成方法 117
4.3.2 腿的摆动顺序 119
4.3.3 最大步幅 122
4.3.4 腿的摆动轨迹 126
4.4 定点转动步态的算法 129
4.4.1 腿的摆动顺序 129
4.4.2 最大转动角 131
4.5 多足步行机器人的步态生成与控制实例 131
4.5.1 平动步态生成结果 132
4.5.2 定点转弯步态生成结果 135
4.5.3 步态控制实现 138
4.6 多足步行机器人步态生成实例分析 140
4.6.1 四足步行机器人平动步态 140
4.6.2 四足步行机器人定点转弯步态 144
4.6.3 六足步行机器人步态 146
4.7 本章小结 150
5 多足步行机器人的测算定位及环境识别与导向控制 151
5.1 引言 151
5.2 多足步行机器人的测算定位 151
5.2.1 TITAN-Ⅷ机器人平动爬行时的测算定位 152
5.2.2 TITAN-Ⅷ机器人一般步态爬行时的测算定位 156
5.3 多足步行机器人的环境识别及分类 158
5.3.1 环境的定义 158
5.3.2 环境的类别 159
5.3.3 环境的分类及识别 162
5.3.3.1 基于ART-Ⅱ网络的数学模型 162
5.3.3.2 神经网络的训练 165
5.3.3.3 基于ART-Ⅱ的环境识别器 171
5.4 多足步行机器人的自适应导向控制算法 172
5.4.1 自适应模糊控制策略 172
5.4.2 适于自适应模糊控制的环境识别器 174
5.4.3 模糊推理 174
5.4.3.1 模糊化 175
5.4.3.2 自适应模糊规则库 177
5.4.3.3 去模糊 181
5.4.4 导向控制算法 183
5.4.5 机器人导向控制仿真 183
5.5 本章小结 185
6 多足步行机器人仿生控制原理与方法 186
6.1 引言 186
6.2.1 多足动物的生命特征 187
6.2 多足动物的思维与行为特征 187
6.2.2 生命的控制行为方式 189
6.2.3 多足动物控制行为的特征 191
6.3 仿生式控制体系结构 192
6.3.1 机器人控制体系结构的基本概念 192
6.3.2 机器人控制体系结构的研究背景 193
6.3.3 仿生式控制体系结构的思想原理 196
6.3.4 仿生式控制体系结构的整体设计 197
6.3.5 各行为控制层的具体实现 202
6.3.5.1 趋性式行为控制层的设计实现 202
6.3.5.2 反射式行为控制层的设计实现 202
6.3.5.3 本能式行为控制层的设计实现 202
6.3.5.4 慎思式行为控制层的设计实现 205
6.3.6.1 本代内的学习 206
6.3.5.5 社会式行为控制层的设计实现 206
6.3.6 各行为层间的学习与进化 206
6.3.6.2 多代间的进化 207
6.4 控制器软硬件协同设计方法 207
6.4.1 机器人系统协同设计概述 208
6.4.1.1 软硬件协同设计的概念 208
6.4.1.2 机器人系统软硬件协同设计流程 210
6.4.2 系统规范语言 212
6.4.3 系统模型的建立 214
6.4.4 软硬件规划 215
6.4.5 软硬件自动组合技术 216
6.4.6 软硬件协同模拟 217
6.5 仿生式体系结构控制器设计 217
6.5.1 概念模型到控制器物理模型的映射关系 217
6.5.2 仿生式体系结构控制器物理模型 218
6.5.3 行为生成模块的设计 220
6.5.3.1 统一存储体系的规划 220
6.5.3.2 图形显示与输入系统的设计 222
6.5.3.3 主控系统的设计 223
6.5.4 信息交流模块的设计 224
6.5.4.1 USB通信模块及协议设计 225
6.5.4.2 CAN通信模块及协议设计 227
6.5.4.3 802.11b无线通信模块及协议设计 229
6.5.4.4 RS232串行通信模块及协议设计 231
6.5.5 信息感知模块的设计 232
6.5.5.1 视觉传感系统的设计 232
6.5.5.2 听觉传感系统的设计 234
6.5.5.4 触觉传感器组件的设计 237
6.5.5.3 接近觉传感器组件的设计 237
6.5.5.5 力觉传感器组件的设计 238
6.5.5.6 信息融合中心的设计 239
6.5.6 关节驱动模块的设计 240
6.5.7 遥控系统的设计 242
6.5.8 系统整体封装设计 243
6.5.9 控制器应用软件开发包（SDK） 245
6.6 多足步行机器人仿生控制应用仿真 246
6.7 本章小结 250
7 “4+2”多足步行机器人控制系统 251
7.1 引言 251
7.2 机器人的机构和运动特点 251
7.3 控制系统的设计要求 252
7.4 机器人控制系统的结构 253
7.4.1 控制系统的硬件配置 254
7.4.2 下位机的软件结构 257
7.5 多足步行机器人多关节协调控制 258
7.5.1 伺服系统结构 258
7.5.2 关节运动插补算法 260
7.5.3 控制参数调整的理论分析 265
7.5.4 伺服参数的调整和设置 266
7.5.4.1 控制器的参数设置 266
7.5.4.2 驱动器的参数设置 268
7.5.5 实验和误差分析 269
7.6 信息采集与处理 270
7.6.1 信息采集 270
7.6.1.1 A/D卡的设置和信号采集 271
7.6.1.2 I/O卡的设置和信号采集 274
7.6.2 信息处理 275
7.7 上、下位机的通信 277
7.7.1 通信信号线的连接方式 277
7.7.2 数据链路层的约定 278
7.7.3 应用层的约定 278
7.7.4 软件实现 281
7.7.4.1 通信中断初始化 282
7.7.4.2 通信中断服务程序 282
7.7.4.3 通信主程序 284
7.8 “4+2”多足步行机器人人机交互界面 284
7.8.1 机器人人机交互界面设计方法 284
7.8.2 机器人人机交互界面功能 286
7.8.3 机器人步态仿真程序设计 288
7.8.4 “4+2”多足步行机器人步态数据通信软件设计 289
7.8.5 “4+2”多足步行机器人通信可靠性分析 291
7.9 本章小结 293
8 MiniQuad步行机器人控制系统 294
8.1 引言 294
8.2 系统设计方案 294
8.2.1 MiniQuad步行机器人机构特征 294
8.2.2 控制系统设计要求 297
8.2.3 设计思路 298
8.2.4 方案论证与比较 301
8.2.4.1 PC机与机身控制器之间数据总线的方案选择 301
8.2.4.2 机身内通信总线的方案选择 301
8.2.4.3 机身控制器的设计方案论证与选择 303
8.2.4.5 关节控制器的设计方案论证与选择 305
8.2.4.4 足单元控制器的设计方案论证与选择 305
8.2.4.6 电源系统的设计方案论证与选择 306
8.2.5 系统组成 306
8.3 硬件实现 308
8.3.1 机身控制器 308
8.3.1.1 USB接口电路设计 308
8.3.1.2 CAN接口电路设计 316
8.3.1.3 RS232接口电路设计 321
8.3.1.4 显示部分电路设计 326
8.3.1.5 电源和滤波电路设计 327
8.3.1.6 复位电路设计 327
8.3.2 关节控制器 328
8.3.2.1 接口电路设计 328
8.3.2.2 伺服电动机控制模块电路设计 329
8.4 软件实现 332
8.4.1 关节控制器软件的通信协议设计 332
8.4.2 关节控制器软件的程序流程设计 333
8.4.3 机身控制器软件的通信协议设计 335
8.4.4 机身控制器软件的程序流程设计 336
8.5 本章小结 337
9 多足步行机器人运动控制实验 339
9.1 引言 339
9.2 多足步行机器人正运动学验证实验 339
9.3 TITAN-Ⅷ机器人的基本步态实验 342
9.4 “4+2”多足步行机器人的基本步态实验 345
9.5 多足步行机器人的路径跟踪实验 350
9.6 多足步行机器人的导向控制 355
参考文献 359