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第一部分 步行测量和算法3

第1章 步行机器人概述3

1.1 简介3

1.2 发展历史4

1.2.1 步行机构5

1.2.2 步态设计11

1.2.3 稳定性测量13

1.3 步态运动的优点14

1.3.1 机动性15

1.3.2 克服障碍15

1.3.3 主动悬架15

1.3.4 能量效率15

1.3.5 自然地形16

1.3.6 滑动和干扰16

1.3.7 环境破坏16

1.3.8 平均速度16

1.4 步态运动的缺点16

1.4.1 机械系统16

1.4.2 电子系统18

1.4.3 控制算法18

1.4.4 可达速度18

1.4.5 成本18

1.5 步行机器人的潜在用途和实际用途19

1.5.1 军事应用19

1.5.2 核电厂检测20

1.5.3 陆地、水下和空间探测20

1.5.4 林业和农业任务21

1.5.5 建筑活动21

1.5.6 民用工程22

1.5.7 帮助残障人士22

1.5.8 支撑AI技术23

1.5.9 生物学研究23

1.5.10 人道主义排雷25

1.6 四足机器人与六足机器人26

第2章 步行机器人的稳定性28

2.1 简介28

2.2 静态稳定性标准29

2.3 动态稳定性标准31

2.4 稳定裕度的比较研究35

2.5 稳定性水平曲线44

2.6 结论47

第3章 周期步态的生成49

3.1 简介49

3.2 步态生成50

3.3 连续步态52

3.4 不连续步态54

3.4.1 两相不连续步态55

3.4.2 四相不连续步态59

3.5 两相不连续的蟹行步态60

3.5.1 初始位置无变化的TPDC步态60

3.5.2 初始位置变化的TPDC步态62

3.5.3 不连续步态策略64

3.6 不连续转弯步态65

3.6.1 圆形步态66

3.6.2 旋转步态69

3.7 不连续步态的路径跟踪71

3.7.1 蟹行步态的路径跟踪71

3.7.2 转弯步态的路径跟踪72

3.7.3 路径跟踪示例73

3.8 结论74

第4章 非周期步态的生成76

4.1 简介76

4.2 自由蟹行步态78

4.2.1 步行机器的模型和基本概念78

4.2.2 地形模型和地形适应80

4.2.3 腿部序列规划81

4.2.4 立足点规划84

4.2.5 机体运动规划91

4.2.6 足抬升规划92

4.3 自由转弯步态93

4.3.1 腿部序列、机体运动和腿部抬起94

4.3.2 立足点规划94

4.4 自由旋转步态96

4.4.1 腿部序列和腿部抬起96

4.4.2 立足点规划和机体运动规划97

4.5 实验结果99

4.6 结论102

第5章 新的稳定性方法103

5.1 简介103

5.2 几何稳定性和所需转矩104

5.3 考虑有限的电机转矩影响：模拟研究108

5.4 电机转矩限制对实际机器人的影响110

5.5 全局稳定标准112

5.5.1 全局标准的定义112

5.5.2 基于全局标准的步态115

5.6 结论117

第二部分 控制技术121

第6章 运动学与动力学121

6.1 简介121

6.2 步行机器人的运动学122

6.2.1 正向运动学：“D-H约定”122

6.2.2 逆向运动学126

6.2.3 运动学求解的几何方法128

6.3 步行机器人的动力学132

6.3.1 机械系统的动力学模型132

6.3.2 致动器和传动系统的动力学模型133

6.3.3 完整动力学模型134

6.4 动力学模型分析方法136

6.5 SILO4步行机器人的应用136

6.5.1 机械零件的动态模型136

6.5.2 执行机构的动力学模型139

6.5.3 模型分析142

6.6 结论146

第7章 提高腿部速度的软计算技术148

7.1 简介148

7.2 提高在线轨迹生成中的腿部速度148

7.3 加速度调整方法151

7.3.1 工作空间实验分区153

7.3.2 模糊集和规则156

7.3.3 模糊推理图157

7.4 实验结果159

7.5 结论162

第8章 步行机器人的虚拟传感器163

8.1 简介163

8.2 方法概述164

8.3 基于神经网络的虚拟传感器165

8.4 虚拟传感器设计166

8.5 在真实步行机器中使用虚拟传感器167

8.5.1 神经网络168

8.5.2 网络校准样本集168

8.5.3 训练流程169

8.5.4 网络性能测试170

8.5.5 讨论176

8.6 结论178

第9章 人机界面180

9.1 简介180

9.2 人机界面和协同控制器181

9.2.1 图形显示183

9.2.2 图形控制环境185

9.2.3 数字显示186

9.2.4 传感环境186

9.2.5 地形建模环境187

9.2.6 控制仿真环境187

9.2.7 步态环境187

9.2.8 步行环境188

9.2.9 致动器环境189

9.2.10 命令行界面190

9.2.11 协作环境190

9.3 结论192

附录A SILO4步行机器人193

A.1 简介193

A.2 机械结构194

A.2.1 机器人布局194

A.2.2 机身结构194

A.2.3 腿部配置194

A.2.4 足部设计195

A.2.5 运动学197

A.3 控制系统配置198

A.3.1 计算系统198

A.3.2 传感器和传感器系统200

A.3.3 控制算法200

A.4 模拟工具202

A.5 制造图纸202

A.6 结论202

附录B 步行机器人仿真软件204

B.1 简介204

B.2 仿真参数205

B.3 编程仿真205

B.4 创建SILO4机器人206

B.5 步态控制206

B.6 地面图207

B.7 地面接触模型207

参考文献209