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以四足哺乳动物为仿生对象,构造具有高动态性和强复杂环境适应性的四足机器人一直是机器人领域的研究热点。本书系统地介绍了电机驱动四足仿生机器人的基本理论和稳定运动控制的主要方法,力求能够较好地促进国内四足机器人研究的普及和应用落地。本着“持续开源、合作共建”的思想,结合四足机器人实际物理平台和开源的软件平台,本书分为三部分:基础理论、技术实现和研究提高,共包括13章,其中第 1~8章介绍基础理论,第9、10章介绍技术实现,第11、12章介绍研究进阶,主要讲述基于 MPC WBC的四足机器人高级运动控制方法,第13章介绍仿真实验。 本书既可供机器人相关专业的研究生或高年级本科生阅读和作为竞赛参考,也可供相关领域的工程技术人 员参考。

第1章绪论

1.1四足机器人的发展现状

1.2四足机器人的发展趋势

习题

第2章四足机器人运动学分析

2.1机器人运动学基础

2.1.1点的齐次坐标

2.1.2平面的齐次坐标

2.1.3旋转矩阵

2.1.4旋转齐次变换

2.1.5平移齐次变换

2.1.6齐次变换矩阵

2.2齐次变换矩阵性质

2.2.1齐次变换矩阵相乘

2.2.2齐次变换矩阵的相对性

2.2.3齐次变换矩阵的可逆性

2.2.4齐次变换矩阵的封闭性

2.3机器人连杆参数和连杆坐标系

2.3.1关节和连杆

2.3.2连杆坐标系定义

2.3.3基于D H方法的连杆坐标系和变换矩阵

2.4基于D H坐标系的四足机器人运动学建模

2.4.1四足机器人运动学分析

2.4.2右前腿的运动学分析

2.4.3右后腿的运动学分析

习题

第3章四足机器人雅可比矩阵与静力学

3.1微分运动与广义速度

3.1.1微分变换

3.1.2微分运动

3.1.3坐标系间的微分关系

3.2雅可比矩阵

3.3四足机器人雅可比矩阵的一般求解方法

3.3.1基于矢量积法的雅可比矩阵计算方法

3.3.2基于微分变换法的雅可比矩阵计算方法

3.3.3基于连杆速度法的雅可比矩阵计算方法

3.3.4雅可比矩阵计算方法的比较

3.4静态力

3.4.1坐标系之间力的变换

3.4.2力雅可比矩阵

3.4.3雅可比矩阵的奇异性

习题

第4章四足机器人动力学分析

4.1机器人动力学数学基础

4.2动能和势能

4.3惯性参数

4.3.1转动惯量

4.3.2惯性张量

4.4机器人动力学建模方法

4.4.1拉格朗日法

4.4.2牛顿欧拉法

4.4.3机器人动力学方程的性质

4.5四足机器人简化动力学推导

习题

第5章四足机器人步态规划基础理论

5.1步态规划的基本概念

5.2静步态规划方法

5.3动步态规划方法

5.4机器人轨迹规划与步态生成

5.4.1机器人轨迹规划

5.4.2机器人步态生成方法

习题

第6章四足机器人路径规划算法

6.1地图创建与地形识别

6.2全局路径规划算法

6.2.1栅格法

6.2.2可视图法

6.2.3A*算法

6.2.4快速扩展随机树算法

6.2.5BiDirectional快速扩展随机树算法

6.3局部路径规划算法

6.3.1人工势场法

6.3.2神经网络法

习题

第7章机器人的基本控制方法

7.1控制预备知识介绍

7.2机器人的控制方法及仿真分析

7.2.1机器人动力学模型

7.2.2机器人控制方法和控制器设计

习题

第8章四足机器人稳定性判定方法

8.1四足机器人步态选择策略

8.2四足机器人稳定性基本概念

8.2.1稳定裕度

8.2.2占空比

8.2.3阻力系数

8.3静态稳定性判定方法

8.4动态稳定性判定方法

习题

第9章四足机器人结构设计与安装流程

9.1四足机器人结构设计

9.2四足机器人安装流程

9.2.1电机的装配

9.2.2腿部机构的装配

9.2.3关节模组的装配

9.2.4躯干的装配

9.2.5腿部整体安装

习题

第10章四足机器人硬件和电路结构介绍

10.1执行器

10.2动力源

10.3UP board

10.4遥控器

10.5SPIne信号转接板

10.6接线转接板

习题

第11章基于模型预测控制的四足机器人全身运动控制方法

11.1模型预测控制基础知识介绍

11.2MPC控制策略在四足机器人中的应用

11.3四足机器人整体运动控制框架

11.3.1一般四足机器人整体运动控制框架

11.3.2基于MPC的四足机器人运动控制框架

11.4基于MPC的动态运动控制

11.4.1MPC控制框架

11.4.2机器人躯干简化动力学建模

11.4.3MPC实现

11.5基于MPC方法的运动规划

11.5.1步态规划

11.5.2足端轨迹规划

11.5.3基于MPC方法的步态切换

11.5.4基于MPC的四足机器人斜坡地形的姿态调整

11.6基于Webots软件平台的MPC方法仿真验证

11.6.1Ubuntu下Webots仿真环境搭建

11.6.2多步态运动

11.6.3斜坡地形测试

11.7基于四足机器人物理平台的MPC方法实现验证

习题

第12章四足机器人运动控制程序框架介绍

12.1机器人建模程序

12.1.1机器人模型参数设置

12.1.2质心动力学模型

12.1.3浮基座动力学模型

12.2机器人信息数据输入

12.3机器人运动轨迹规划

12.3.1步态序列规划

12.3.2摆动腿轨迹规划

12.3.3机器人状态轨迹规划

12.4机器人控制器设计

12.4.1MPC控制器

12.4.2WBC控制器

12.4.3腿部控制器

12.4.4关节电机控制器

12.5状态估计器

习题

第13章四足机器人实验仿真与验证

13.1Ubuntu系统环境配置与软件安装实验

13.2四足机器人上位机代码编译与运行仿真实验

13.3实体机器人运行实验

13.4trot步态设计及实验验证

13.5bound步态设计及实验验证

13.6pace步态设计及验证实验

13.7walk步态设计及验证实验

13.8后空翻步态设计与运行实验

13.9四足机器人斜坡自适应调整实验

13.10循迹测试实验

13.11障碍物识别跟踪实验

参考文献1166777899101013141415161616171721212227333434343436383940434649515152535455555556565858596065667172727475767678868787888991929393959596100101101102103105135136136137137138138138139143144144147147157163166167168169170176179181184192193194194195195195195196196202205209209211211211214214224226227229230230230231232233235235237238238238242247248249250251251254257259261264266269271274281289

李彬，教授，硕士生导师，山东省青年创新团队“机器人-环境智能交互团队”负责人，济南市“机器人智能环境感知与自主学习算法研究及应用”科研带头人工作室负责人。于2005和2012年分别获山东大学运筹学与控制论和山东大学控制科学与工程学院模式识别与智能系统的硕士、博士学位，现为齐鲁工业大学教授，硕士研究生导师。近几年主要从事神经网络、足式机器人控制算法、机器人智能控制等方面的研究工作，主持国家自然科学基金面上项目1项、青年基金1项，山东省重点研发计划项目1项，山东省自然科学基金青年基金1项、面上项目1项和博士后科学基金1项，横向课题3项，发表论文30余篇，出版专著1部，授权发明专利6项。

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编辑推荐

“机器人科学与技术丛书”电驱动四足仿生机器人的基本理论和稳定运动控制的主要方法。人工智能和机器人专业高质量教材。

前言

自然界中，四足哺乳动物在适应复杂地形、运动灵活性和负载能力方面具有巨大的优势。因此，以四足哺乳动物为仿生对象，构造具有高动态性和强复杂环境适应性的四足机器人一直是机器人领域的研究热点。

习近平总书记在党的二十大报告中指出：“加强基础学科、新兴学科、交叉学科建设，加快建设中国特色、世界一流的大学和优势学科。”当前，我国已将机器人和智能制造纳入了国家科技创新的优先重点领域，随着信息化、工业化不断融合，以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起，成为现时代科技创新的一个重要标志。

围绕国家需求和当前智能科学与技术一级交叉学科建设学生培养，本书系统介绍了电驱动四足仿生机器人的基本理论和稳定运动控制的主要方法，力求能够较好地促进国内四足机器人研究的普及和应用落地。

本着“持续开源、合作共建”的思想，结合四足机器人实际物理平台和开源的软件平台，本书重点包含四足机器人相关的“基础理论”“技术实现”和“研究提高”三部分内容。其中，基础理论（第1章至第8章）包含了机器人特别是四足机器人的基本理论知识，主要包括齐次变换、运动学、静力学、动力学、步态规划和控制方面的内容；技术实现（第9章、第10章、第13章）包含了机器人软硬件的介绍和运动控制方法的实现，主要包括四足机器人的硬件介绍、软件介绍、稳定运动控制的实现方法；研究提高（第11章和第12章）包含了四足机器人的高级控制方法，主要讲解了四足机器人模型预测控制的实现方法。

本书由齐鲁工业大学（山东省科学院）机器人环境智能交互创新团队负责人李彬总体策划和编写，得到了山东大学机器人研究中心荣学文研究员和陈腾实验师，山东交通学院范永教授，深圳市鹏行智能研究有限公司赵同阳和山东优宝特智能机器人有限公司陈彬、刁怀瑞的大力支持。

本书撰写过程中得到了国家自然科学基金项目（61973185）、山东省自然科学基金项目（ZR2020MF097）、济南市“新高校20条”项目（2021GXRC100）、山东省高等学校青创科技支持计划（2019KJN011）、山东省重点研发计划(2018GGX103054)、协同育人项目（201901229009、201902316006）和齐鲁工业大学（山东省科学院）教材建设基金的资助，在此表示衷心的感谢！

本书可供相关专业的研究生或高年级本科生阅读，也可供相关领域的工程技术人员参考。

限于编著者水平，书中难免有不少缺点和不足之处，恳请广大读者批评、指正。

李彬2023年5月

教学课件四足仿生机器人基本原理及开发教程