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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