第1章 绪论 1
1.1 研究背景和研究意义 1
1.2 生物蛇 4
1.2.1 蛇的解剖结构 4
1.2.2 蛇的运动 6
1.3 蛇形机器人的建模、机电设计和控制技术的研究现状 8
1.3.1 蛇形机器人的建模与分析的研究现状 8
1.3.2 物理蛇形机器人的实现方法的研究现状 13
1.3.3 蛇形机器人控制的研究现状 17
1.4 本书的研究范围 22
1.4.1 分析方法 22
1.4.2 无固定基面的蛇形机器人 22
1.4.3 二维视角 22
1.4.4 无侧滑约束的运动 23
1.4.5 基于蜿蜒爬行的运动 23
1.5 本书大纲 23
1.5.1 第一篇大纲——蛇形机器人平面运动 24
1.5.2 第二篇大纲——复杂环境中的蛇形机器人移动 26
1.6 与本书相关的出版物 27
第一篇 蛇形机器人平面运动 30
第2章 蛇形机器人平面运动的一个复杂模型 30
2.1 本章与现有文献之间的联系 30
2.2 基本符号 31
2.3 蛇形机器人的参数 32
2.4 蛇形机器人运动学 33
2.5 地面摩擦力模型 35
2.5.1 地面摩擦力模型以及作用 35
2.5.2 库仑摩擦力模型 36
2.5.3 黏滞摩擦力模型 37
2.6 蛇形机器人动力学 38
2.7 被驱动和非驱动动力学的分离 40
2.8 模型的局部反馈线性化 42
2.9 本章小结 44
第3章 机械式平面移动蛇形机器人研制 45
3.1 本章与现有文献之间的联系 45
3.2 关节驱动机构 46
3.3 从动轮 48
3.4 电源及控制系统 49
3.5 实验装置 49
3.6 本章小结 50
第4章 蛇形机器人运动的分析与合成 51
4.1 本章与现有文献之间的联系 51
4.2 非线性可控性分析介绍 52
4.3 平面蛇形机器人的稳定性特征 55
4.4 平面机器人可控性分析 56
4.4.1 各向同性黏性摩擦可控性 56
4.4.2 各向异性黏性摩擦可控性 56
4.5 蛇体移动过程的推力分析 60
4.6 蛇形机器人的推进运动合成 63
4.7 蜿蜒爬行步态模式 66
4.8 关节控制系统 67
4.8.1 简单关节控制器 68
4.8.2 指数稳定关节控制器 68
4.9 蜿蜒爬行过程中的转弯运动分析 68
4.10 蜿蜒爬行中连续连杆间的相对运动分析 71
4.11 本章小结 72
第5章 基于庞加莱映射的蛇形机器人路径跟踪控制与分析 73
5.1 本章与现有文献之间的联系 74
5.2 庞加莱映射介绍 75
5.2.1 庞加莱映射的概述 75
5.2.2 庞加莱映射的实际应用 76
5.3 蛇形机器人的直线路径跟踪控制 78
5.3.1 控制目标 78
5.3.2 直线路径跟踪控制器 78
5.4 基于庞加莱映射的路径跟踪控制的稳定性分析 80
5.4.1 把蛇形机器人模型转化为一个时间周期的自治系统 80
5.4.2 蛇形机器人庞加莱截面技术参数 81
5.4.3 庞加莱映射的稳定性分析 81
5.5 仿真研究：路径跟踪控制器的性能表现 83
5.6 本章小结 84
第6章 蛇形机器人在平面运动的一个简化模型 85
6.1 本章与现有文献之间的联系 85
6.2 建模方法概述 86
6.3 蛇形机器人运动学 88
6.4 地面摩擦力模型 90
6.5 蛇形机器人的动力学 93
6.5.1 蛇形机器人的平移动力学 93
6.5.2 蛇形机器人的旋转动力学 94
6.6 完整的蛇形机器人的简化模型 95
6.7 简化模型的讨论 97
6.7.1 简化模型的应用 97
6.7.2 简化的运动学的精确性 97
6.7.3 地面摩擦模型的精确性问题 97
6.7.4 旋转动力学的精确性问题 98
6.8 简化模型的稳定性分析 98
6.9 简化模型的可控性分析 99
6.10 仿真研究：简化模型与复杂模型的比较 102
6.10.1 仿真参数 102
6.10.2 在复杂模型和简化模型中关节坐标的关系 102
6.10.3 直线运动的比较 103
6.10.4 转弯运动的比较 104
6.11 本章小结 107
第7章 基于平均理论对蛇形机器人运动的分析 108
7.1 本章与现有文献之间的联系 108
7.2 平均理论的介绍 109
7.3 蜿蜒爬行过程中的速度动力学 110
7.4 蜿蜒爬行中的平均速度动力学 112
7.5 在蜿蜒爬行中速度动力学的稳定状态行为 113
7.6 在蜿蜒爬行中步态参数和前向速度的关系 114
7.7 仿真研究：初始速度和平均速度动力学的比较 115
7.7.1 仿真参数 115
7.7.2 仿真结果 116
7.8 仿真研究：步态参数和前向速度之间关系的研究 117
7.8.1 仿真参数 118
7.8.2 仿真结果 119
7.9 实验研究：步态参数和前向速度之间关系的研究 122
7.9.1 实验设置 122
7.9.2 实验结果 124
7.10 本章小结 126
第8章 级联蛇形机器人路径跟踪控制 127
8.1 本章和现有文献之间的联系 128
8.2 数学基础 128
8.3 蛇形机器人的直线路径跟踪控制 130
8.3.1 控制目标 130
8.3.2 假设 131
8.3.3 模型转化 131
8.3.4 直线路径跟踪控制器 133
8.3.5 路径跟踪控制器的稳定性特性 135
8.3.6 定理8.2 的证明 136
8.4 蛇形机器人的曲线路径跟踪控制 140
8.4.1 对于曲线路径跟踪控制器的评价 140
8.4.2 曲线路径跟踪控制器 140
8.5 蛇形机器人的路径点导航控制 141
8.5.1 方法的描述 141
8.5.2 路径点导引策略 142
8.6 仿真研究：直线路径跟踪控制器的性能 143
8.6.1 仿真参数 143
8.6.2 仿真结果 144
8.7 实验研究：直线路径跟踪控制器的性能 145
8.7.1 实现问题 145
8.7.2 物理蛇形机器人路径跟踪控制器的仿真 146
8.7.3 实验结果 147
8.8 仿真研究：路径点导航策略的性能 154
8.8.1 简化模型导航策略的仿真 154
8.8.2 复杂模型导航策略的仿真 154
8.8.3 仿真结果 155
8.9 本章小结 156
第二篇 蛇形机器人在复杂环境中的运动 158
第9章 引言 158
第10章 蛇形机器人在复杂环境中运动的混合模型 161
10.1 本章和现有文献之间的联系 162
10.2 混合动力学系统和互补系统 163
10.2.1 混合动力学系统建模 163
10.2.2 互补系统 164
10.3 无障碍条件下蛇形机器人的动力学系统 165
10.3.1 地面摩擦力模型 165
10.3.2 无障碍运动公式 166
10.4 接触力建模方法概述 167
10.5 与障碍物碰撞和分离的检测 170
10.6 受约束运动中蛇形机器人的连续动力学 171
10.6.1 障碍物的单边约束 171
10.6.2 无障碍物摩擦力条件下的蛇形机器人受约束动力学 173
10.6.3 有障碍物摩擦力条件下的蛇形机器人受约束动力学 174
10.7 蛇形机器人在与障碍物碰撞和分离过程中的不连续动态特性 176
10.7.1 蛇形机器人与障碍物碰撞过程中的不连续动态特性 176
10.7.2 蛇形机器人与障碍物分离时的不连续动态特性 177
10.8 有障碍物环境下的蛇形机器人完整混合模型 178
10.8.1 离散集 178
10.8.2 离散集映射 179
10.8.3 连续集 179
10.8.4 连续集映射 179
10.8.5 小结 180
10.9 仿真研究：用实验与仿真结果与现有文献中的混合模型进行比较 180
10.10 本章小结 182
第11章 障碍辅助运动的蛇形机器人开发 183
11.1 本章与现有文献之间的联系 183
11.2 蛇形机器人设计综述 184
11.3 外滑移面 185
11.4 接触力测量系统 186
11.4.1 传感器系统的基本假设 186
11.4.2 传感系统装置 186
11.4.3 接触力的计算 188
11.5 电源和控制系统 189
11.5.1 电源系统 189
11.5.2 控制系统 191
11.6 蛇形机器人的性能 192
11.6.1 接触力测量系统的实验验证 192
11.6.2 蛇形机器人运动模式演示 194
11.7 实验设置 195
11.8 测量接触力的另一种方法 195
11.9 本章小结 197
第12章 障碍辅助运动的混合控制 198
12.1 本章与现有文献之间的联系 199
12.2 混合控制器的初步说明 200
12.3 控制目标 200
12.4 符号及基本假设 201
12.5 障碍辅助运动的混合控制 202
12.5.1 主从控制方案 202
12.5.2 阻塞检测方案 204
12.5.3 阻塞解决方案 204
12.5.4 关节角度控制器 205
12.5.5 完整的混合控制器 206
12.6 闭环系统概述 208
12.7 仿真研究：混合控制器的性能 209
12.7.1 仿真参数 209
12.7.2 在结构化的有障碍物环境下侧摆和起伏运动的开环控制 210
12.7.3 在有障碍物环境中的混合控制器 210
12.8 实验研究：混合控制器的性能 213
12.8.1 实验设置 213
12.8.2 实验结果 213
12.9 本章小结 220
第13章 复杂环境中蛇形机器人的路径跟踪控制 221
13.1 本章与现有文献之间的联系 222
13.2 蛇形机器人运动控制的架构 222
13.3 复杂环境中的直线路径跟踪运动控制 223
13.3.1 控制目标 224
13.3.2 符号与基本假设 224
13.3.3 体波分量 225
13.3.4 环境自适应分量 226
13.3.5 方向控制分量 228
13.3.6 关节角控制器 228
13.3.7 对路径跟踪控制器的总结 229
13.4 复杂环境下的路径点导航控制 229
13.5 仿真研究：路径跟踪控制器的性能 230
13.5.1 仿真参数 230
13.5.2 仿真结果 231
13.6 实验研究：环境自适应策略的性能表现 233
13.6.1 实验设置 233
13.6.2 实验结果 234
13.7 本章小结 239
第14章 蛇形机器人运动在未来所面临的研究难点 240
14.1 控制设计难点 240
14.2 硬件设计难点 242
附录A 引理8.2 的证明 245
附录B 引理8.3 的证明 247
附录C 低通滤波参考模型 248
C.1 一个2阶低通滤波参考模型 248
C.2 一个3阶低通滤波参考模型 249
术语 250
参考文献 252
索引 262