双足机器人行走控制与优化

第1章引言

1.1人类行走进化史

1.2机器人的发展历程

1.3行走控制

1.4内容安排

第2章双足机器人的运动学和动力学

2.1运动学

2.1.1关节结构描述

2.1.2几何运动学

2.1.3微分运动学

2.2动力学

2.2.1连杆结构的动力学描述

2.2.2动态稳定性

2.2.3动力学模型

2.3小结

第3章全向行走轨迹规划

3.1支撑脚运动轨迹

3.2游脚运动轨迹

3.3全向落脚规划

3.4关节能耗优化

3.5小结

第4章平衡技巧

4.1引言

4.2基于落脚点补偿的平衡技巧

4.2.1线性落脚点补偿

4.2.2非参数落脚点补偿器模型

4.2.3典型实验分析

4.3基于任务空间的平衡技巧

4.3.1任务空间运动控制

4.3.2解析动量补偿

4.3.3动态任务分配

4.3.4实验分析

4.4小结

第5章固有约束下的全身运动规划

5.1引言

5.2自碰撞约束与目标轨迹融合

5.2.1实时自碰撞检测

5.2.2包围体对筛选

5.2.3约束避免

5.2.4实验分析

5.3基于动量控制的运动规划

5.3.1动量控制算法

5.3.2末端轨迹规划

5.3.3实验分析

5.4带约束在线示教跟踪

5.4.1人体运动模型映射

5.4.2关节约束描述

5.4.3实验分析

5.5约束下的机器人工作空间求解

5.5.1固有约束描述

5.5.2蒙特卡洛法

5.6小结

第6章仿生控制

6.1引言

6.2中枢模式发生器(CPG)

6.2.1工程模型

6.2.2Matsuoka模型特性分析

6.2.3工程应用基本方法

6.3工作空间轨迹在线调制方法

6.3.1质心轨迹发生器

6.3.2游脚轨迹调制

6.3.3平地行走步态进化

6.3.4坡面环境适应性分析

6.4质心轨迹和游脚轨迹的在线生成与优化

6.4.1游脚轨迹在线生成

6.4.2环境适应性分析

6.4.3步态参数优化

6.4.4实验分析

6.5小结

第7章基于被动原理的双足机器人动态行走

7.1被动步态描述与分析

7.1.1模型概述

7.1.2支撑足约束

7.1.3足地碰撞

7.1.4步态的周期性

7.1.5步态的稳定性

7.2最小能耗下的平地行走

7.2.1模型分析

7.2.2高效行走步态的求解

7.2.3高效行走步态分析

7.3小结

参考文献

本书内容主要是针对双足机器人的运动规划和行为优化，共分7章。第1章介绍人类的行走进化史、双足机器人的发展历程以及行走控制研究现状；第2章阐述了双足机器人的运动学和动力学； 从第3章开始以双足机器人NAO为例研究了双足机器人目前存在的一些挑战性的问题：包括第3章的全向行走；第4章研究了双足机器人的平衡技巧学习与优化方法，提出了一种基于异方差稀疏高斯过程模型的非参数落脚点补偿器方法；第5章研究了双足机器人固有约束下的实时全身运动规划；第6章主要解决了如何将中枢模式发生器机理应用到双足机器人来提高机器人行走的环境适应性；第7章初步探讨了基于被动原理的双足机器人动态行走。本书是为广大从事机器人，特别是双足机器人方向研究的学者和青年科技人员所撰写的，也可供相关专业高年级本科生和研究生参考。

智能服务机器人对机器人的基本要求是机器人能够在人所处的环境中工作，使用人所使用的工具并能与人类和谐相处。在这一点上，双足机器人与轮式、履带式、多足等类型的机器人相比，具有更好的地面适应能力和灵活性。而要使双足机器人能够在日常环境中完成各种任务，除了要使其能感知、理解外界环境，定位、导航外，更基本的是要求其能在安全、稳定、低能耗等指标下完成从当前位置到目标位置的移动，通过快速的改变运动姿态以绕开障碍物并在移动的同时完成搬运、推拉等行为。