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0　绪论1

0.1 多足步行机器人的潜在用途1

0.2　多足步行机器人的发展概况4

0.3　多足步行机器人运动规划与控制的研究现状11

0.3.1 关于多足步行机器人的步态生成方法研究11

0.3.2　关于多足步行机器人的步态控制方法研究12

0.3.3　关于多足步行机器人的脚力分配研究13

0.3.4　多足步行机器人运动控制中的几个关键技术15

0.4　本书的目的和体系结构17

0.4.1　本书目的17

0.4.2　本书体系结构18

1.1 引言21

1　多足步行机器人的运动学计算21

1.2　多足步行机器人机构特征22

1.3　站立腿的运动学计算23

1.3.1　齐次变换24

1.3.2　站立腿的逆运动学计算31

1.4　摆动腿的运动学计算37

1.5　多足步行机器人的运动学计算39

1.5.1 多足步行机器人的逆运动学计算40

1.5.2　多足步行机器人的正运动学计算43

1.6　多足步行机器人的速度和加速度计算60

1.6.1 旋转矩阵的导数60

1.6.2　多足步行机器人步行速度计算62

1.6.3 多足步行机器人步行加速度计算71

1.7　本章小结73

2.1　引言74

2　多足步行机器人动力学及脚力规划74

2.2　多足步行机器人的动力学模型75

2.2.1　完整约束方程76

2.2.2　关节空间运动变换77

2.2.3 多足步行机器人的动力学模型78

2.3　机器人脚力分配问题的提出78

2.3.1 关节驱动的约束分析81

2.3.2　摩擦及有效接触的约束分析83

2.4　线性规划方法84

2.5　优化的平方规划方法88

2.5.1　约束条件的等效和简化89

2.5.2　优化目标函数91

2.6　实例仿真分析95

2.7　本章小结98

3.1 引言99

3　多足步行机器人静态稳定性计算99

3.2　静态稳定性及其一般描述100

3.2.1 静态稳定性的直接判断100

3.2.2　静态稳定性的对角线原理102

3.3　新型静态稳定性的计算方法103

3.3.1 静态稳定性区域的定义103

3.3.2　静态稳定性的数学描述105

3.3.3　静态稳定性的简化计算方法109

3.4　静态稳定性分析的具体运用111

3.5　本章小结113

4　多足步行机器人步态生成方法114

4.1 引言114

4.2　步态的相关定义115

4.3.1 临界方向角117

4.3 多足步行机器人平动步态生成方法117

4.3.2　腿的摆动顺序119

4.3.3　最大步幅122

4.3.4　腿的摆动轨迹126

4.4　定点转动步态的算法129

4.4.1　腿的摆动顺序129

4.4.2　最大转动角131

4.5　多足步行机器人的步态生成与控制实例131

4.5.1 平动步态生成结果132

4.5.2　定点转弯步态生成结果135

4.5.3　步态控制实现138

4.6　多足步行机器人步态生成实例分析140

4.6.1 四足步行机器人平动步态140

4.6.2 四足步行机器人定点转弯步态144

4.6.3　六足步行机器人步态146

4.7　本章小结150

5　多足步行机器人的测算定位及环境识别与导向控制151

5.1 引言151

5.2　多足步行机器人的测算定位151

5.2.1　TITAN-Ⅷ机器人平动爬行时的测算定位152

5.2.2　TITAN-Ⅷ机器人一般步态爬行时的测算定位156

5.3 多足步行机器人的环境识别及分类158

5.3.1　环境的定义158

5.3.2　环境的类别159

5.3.3　环境的分类及识别162

5.3.3.1 基于ART-Ⅱ网络的数学模型162

5.3.3.2 神经网络的训练165

5.3.3.3　基于ART-Ⅱ的环境识别器171

5.4　多足步行机器人的自适应导向控制算法172

5.4.1 自适应模糊控制策略172

5.4.2　适于自适应模糊控制的环境识别器174

5.4.3　模糊推理174

5.4.3.1　模糊化175

5.4.3.2 自适应模糊规则库177

5.4.3.3 去模糊181

5.4.4　导向控制算法183

5.4.5　机器人导向控制仿真183

5.5　本章小结185

6　多足步行机器人仿生控制原理与方法186

6.1 引言186

6.2.1 多足动物的生命特征187

6.2　多足动物的思维与行为特征187

6.2.2　生命的控制行为方式189

6.2.3　多足动物控制行为的特征191

6.3　仿生式控制体系结构192

6.3.1　机器人控制体系结构的基本概念192

6.3.2　机器人控制体系结构的研究背景193

6.3.3　仿生式控制体系结构的思想原理196

6.3.4　仿生式控制体系结构的整体设计197

6.3.5　各行为控制层的具体实现202

6.3.5.1 趋性式行为控制层的设计实现202

6.3.5.2　反射式行为控制层的设计实现202

6.3.5.3 本能式行为控制层的设计实现202

6.3.5.4　慎思式行为控制层的设计实现205

6.3.6.1 本代内的学习206

6.3.5.5　社会式行为控制层的设计实现206

6.3.6　各行为层间的学习与进化206

6.3.6.2　多代间的进化207

6.4　控制器软硬件协同设计方法207

6.4.1 机器人系统协同设计概述208

6.4.1.1　软硬件协同设计的概念208

6.4.1.2　机器人系统软硬件协同设计流程210

6.4.2　系统规范语言212

6.4.3　系统模型的建立214

6.4.4　软硬件规划215

6.4.5　软硬件自动组合技术216

6.4.6　软硬件协同模拟217

6.5　仿生式体系结构控制器设计217

6.5.1 概念模型到控制器物理模型的映射关系217

6.5.2　仿生式体系结构控制器物理模型218

6.5.3　行为生成模块的设计220

6.5.3.1　统一存储体系的规划220

6.5.3.2　图形显示与输入系统的设计222

6.5.3.3　主控系统的设计223

6.5.4　信息交流模块的设计224

6.5.4.1　USB通信模块及协议设计225

6.5.4.2　CAN通信模块及协议设计227

6.5.4.3　802.11b无线通信模块及协议设计229

6.5.4.4　RS232串行通信模块及协议设计231

6.5.5　信息感知模块的设计232

6.5.5.1 视觉传感系统的设计232

6.5.5.2 听觉传感系统的设计234

6.5.5.4　触觉传感器组件的设计237

6.5.5.3　接近觉传感器组件的设计237

6.5.5.5　力觉传感器组件的设计238

6.5.5.6　信息融合中心的设计239

6.5.6　关节驱动模块的设计240

6.5.7　遥控系统的设计242

6.5.8　系统整体封装设计243

6.5.9　控制器应用软件开发包（SDK）245

6.6　多足步行机器人仿生控制应用仿真246

6.7　本章小结250

7　“4+2”多足步行机器人控制系统251

7.1 引言251

7.2　机器人的机构和运动特点251

7.3　控制系统的设计要求252

7.4　机器人控制系统的结构253

7.4.1　控制系统的硬件配置254

7.4.2　下位机的软件结构257

7.5　多足步行机器人多关节协调控制258

7.5.1　伺服系统结构258

7.5.2　关节运动插补算法260

7.5.3　控制参数调整的理论分析265

7.5.4　伺服参数的调整和设置266

7.5.4.1　控制器的参数设置266

7.5.4.2　驱动器的参数设置268

7.5.5　实验和误差分析269

7.6　信息采集与处理270

7.6.1　信息采集270

7.6.1.1　A/D卡的设置和信号采集271

7.6.1.2　I/O卡的设置和信号采集274

7.6.2　信息处理275

7.7　上、下位机的通信277

7.7.1 通信信号线的连接方式277

7.7.2　数据链路层的约定278

7.7.3 应用层的约定278

7.7.4　软件实现281

7.7.4.1　通信中断初始化282

7.7.4.2　通信中断服务程序282

7.7.4.3　通信主程序284

7.8　“4+2”多足步行机器人人机交互界面284

7.8.1　机器人人机交互界面设计方法284

7.8.2　机器人人机交互界面功能286

7.8.3　机器人步态仿真程序设计288

7.8.4　“4+2”多足步行机器人步态数据通信软件设计289

7.8.5　“4+2”多足步行机器人通信可靠性分析291

7.9　本章小结293

8　MiniQuad步行机器人控制系统294

8.1 引言294

8.2　系统设计方案294

8.2.1 MiniQuad步行机器人机构特征294

8.2.2　控制系统设计要求297

8.2.3　设计思路298

8.2.4　方案论证与比较301

8.2.4.1　PC机与机身控制器之间数据总线的方案选择301

8.2.4.2　机身内通信总线的方案选择301

8.2.4.3　机身控制器的设计方案论证与选择303

8.2.4.5　关节控制器的设计方案论证与选择305

8.2.4.4　足单元控制器的设计方案论证与选择305

8.2.4.6　电源系统的设计方案论证与选择306

8.2.5　系统组成306

8.3　硬件实现308

8.3.1　机身控制器308

8.3.1.1 USB接口电路设计308

8.3.1.2　CAN接口电路设计316

8.3.1.3　RS232接口电路设计321

8.3.1.4　显示部分电路设计326

8.3.1.5 电源和滤波电路设计327

8.3.1.6　复位电路设计327

8.3.2　关节控制器328

8.3.2.1　接口电路设计328

8.3.2.2　伺服电动机控制模块电路设计329

8.4　软件实现332

8.4.1 关节控制器软件的通信协议设计332

8.4.2　关节控制器软件的程序流程设计333

8.4.3　机身控制器软件的通信协议设计335

8.4.4　机身控制器软件的程序流程设计336

8.5　本章小结337

9　多足步行机器人运动控制实验339

9.1　引言339

9.2　多足步行机器人正运动学验证实验339

9.3　TITAN-Ⅷ机器人的基本步态实验342

9.4　“4+2”多足步行机器人的基本步态实验345

9.5　多足步行机器人的路径跟踪实验350

9.6　多足步行机器人的导向控制355

参考文献359