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第1章 绪论1

1.1 仿生学与仿生机器人概述1

1.2 仿生四足机器人的研究现状与发展趋势2

1.2.1 仿生四足机器人概述2

1.2.2 仿生液压四足机器人国内外研究现状及发展趋势3

1.3 仿生液压四足机器人关键技术概述14

第2章 仿生液压四足机器人结构设计技术15

2.1 四足机器人结构设计概述15

2.1.1 四足机器人的总体性能要求及参数指标15

2.1.2 四足机器人的设计目标16

2.2 四足机器人运动参数的仿生学分析17

2.2.1 步行动物腿足的生理特征与运动规律18

2.2.2 四足机器人仿生设计对象的选取19

2.2.3 马的解剖学研究19

2.2.4 马的仿生学探索20

2.3 四足机器人腿部结构参数的分析与确定22

2.3.1 四足机器人的腿节比例关系22

2.3.2 四足机器人的关节配置方式27

2.3.3 四足机器人的关节摆角范围27

2.3.4 液压缸的安装位置30

2.3.5 液压缸的工作行程33

2.3.6 四足机器人运动学仿真36

2.4 四足机器人腿部结构设计37

2.4.1 机器人髋关节及大腿组件设计42

2.4.2 机器人膝关节及小腿组件设计44

2.4.3 机器人腿部侧摆组件设计51

2.4.4 机器人液压系统及其他元器件选型56

2.4.5 机器人单腿整体结构设计59

2.5 四足机器人整体结构设计62

2.6 四足机器人结构的受力分析63

2.6.1 有限元分析方法63

2.6.2 有限元分析实例65

第3章 仿生液压四足机器人步态规划技术81

3.1 四足机器人仿生步态技术概述81

3.1.1 四足动物运动神经控制机理分析81

3.1.2 四足动物步态的定义与分类83

3.1.3 四足机器人步态参数定义86

3.2 CPG单元模型及动态特性分析87

3.2.1 CPG振荡单元模型87

3.2.2 CPG单元模型的动态特性分析90

3.3 四足机器人CPG控制网络92

3.3.1 CPG网络控制相关概念92

3.3.2 四足机器人CPG控制网络一93

3.3.3 四足机器人CPG控制网络二100

3.4 四足机器人平滑步态转换技术方法103

3.4.1 CPG步态转换方法104

3.4.2 基于CPG的平滑步态转换方法107

3.5 CPG控制算法的联合仿真实验111

3.5.1 联合仿真系统模型111

3.5.2 四足机器人行走步态仿真111

3.5.3 四足机器人小跑步态仿真113

3.5.4 四足机器人步态转换仿真114

第4章 仿生液压四足机器人运动学与动力学分析120

4.1 四足机器人运动学分析120

4.1.1 四足机器人运动学概述120

4.1.2 四足机器人的正运动学分析123

4.1.3 四足机器人的逆运动学分析125

4.2 四足机器人的动力学分析126

4.3 四足机器人的能耗分析128

4.3.1 四足机器人的能耗指标128

4.3.2 四足机器人结构参数对能耗的影响129

4.3.3 四足机器人运动参数对能耗的影响130

4.4 四足机器人存在最优步长的理论依据140

4.5 四足机器人ADAMS虚拟样机建模141

4.5.1 ADAMS简介141

4.5.2 四足机器人三维模型简化建模142

第5章 仿生液压四足机器人液压控制技术145

5.1 四足机器人驱动方式的选择145

5.1.1 液压驱动概述145

5.1.2 电液伺服控制技术发展历程146

5.2 液压系统整体方案147

5.2.1 液压动力系统原理设计148

5.2.2 液压系统重要参数设计149

5.2.3 机载液压系统的集成151

5.3 机器人控制系统总体方案153

5.3.1 四足机器人系统总体概述153

5.3.2 电液伺服控制系统控制对象分析155

5.3.3 控制任务155

5.3.4 研究方案156

5.4 电液伺服系统仿真建模与分析158

5.4.1 电液伺服系统分析158

5.4.2 仿真环境和架构论证159

5.4.3 虚拟样机结构建模160

5.4.4 液压驱动系统建模161

5.4.5 控制系统建模164

5.4.6 仿真实验与结果分析164

5.5 电液伺服系统硬件设计168

5.5.1 系统架构设计168

5.5.2 控制方案设计169

5.5.3 技术方案确定170

5.5.4 硬件系统设计170

5.6 四足机器人控制系统软件设计181

5.6.1 控制系统软件框架181

5.6.2 电液伺服系统软件设计182

5.7 电液伺服控制系统算法设计187

5.7.1 运动学相关算法187

5.7.2 轨迹规划插补算法190

5.7.3 非对称前馈补偿模糊自适应PID算法设计191

5.8 液压伺服系统控制实验192

5.8.1 基本功能实验192

5.8.2 实物等效伺服控制实验194

5.8.3 控制对象性能评估实验195

5.8.4 伺服控制实验199

5.8.5 轨迹规划实验205

5.9 本章总结205

第6章 仿生液压四足机器人步态生成器设计207

6.1 四足机器人复合控制系统总体设计方案207

6.2 步态生成器的硬件设计209

6.2.1 控制系统对步态生成器的设计要求209

6.2.2 步态生成器的整体设计209

6.2.3 步态生成器核心板的硬件设计210

6.3 步态生成器的软件设计217

6.3.1 硬件开发语言与软件开发环境218

6.3.2 步态生成器的整体软件设计220

6.3.3 CPG算法硬件代码的实现221

6.3.4 步态生成器核心板的软件设计223

6.4 四足机器人控制系统实验226

6.4.1 四足机器人原理样机简介226

6.4.2 四足机器人数据通信测试229

6.4.3 CPG算法的硬件在环仿真233

6.4.4 四足机器人单腿节运动控制实验234

6.4.5 四足机器人步态规划测试实验240

6.5 本章总结241

第7章 仿生液压四足机器人环境适应控制技术243

7.1 生物反射与机器人环境适应控制概述243

7.2 四足机器人生物反射组织体系244

7.3 加入反馈的四足机器人CPG控制模型245

7.3.1 前庭反射建模与机器人斜坡运动的实现246

7.3.2 屈肌反射建模与机器人越障运动的实现260

7.4 本章小结281

第8章 仿生液压四足机器人侧向冲击下的动态稳定性控制283

8.1 四足机器人侧向稳定性控制策略283

8.2 考虑机器人侧向运动的CPG控制网络模型284

8.2.1 CPG控制网络的整体结构284

8.2.2 连接权重矩阵的取值285

8.2.3 关节控制信号幅值的确定288

8.3 四足机器人联合仿真实验及结论290

8.4 本章总结296

第9章 仿生液压四足机器人立体视觉技术297

9.1 机器人视觉的基本原理与关键技术297

9.2 四足机器人双目立体视觉系统的硬件设计298

9.2.1 硬件系统总体参数设计298

9.2.2 摄像机主要参数的确定300

9.2.3 双目视觉系统成像模型设计301

9.3 四足机器人双目立体视觉系统的软件设计302

9.3.1 摄像机内外参数标定302

9.3.2 图像预处理303

9.3.3 图像对的立体匹配304

9.3.4 空间点的三维重建304

9.4 基于双目立体视觉系统的预处理算法研究304

9.4.1 摄像机的透视投影模型304

9.4.2 摄像机标定中的几个坐标系305

9.4.3 摄像机内外参数的标定308

9.4.4 立体图像对的校正模型及实验结果310

9.5 场景轮廓算法与动态规划立体匹配算法研究313

9.5.1 场景轮廓算法313

9.5.2 动态规划立体匹配算法318

9.5.3 实验结果与分析322

9.6 基于双目立体视觉系统的三维重建算法331

9.6.1 基于双目视差的三维测量与深度感知方法331

9.6.2 双目系统三维重建实验的结果与分析334

9.7 本章总结337

第10章 仿生液压四足机器人自动随行技术339

10.1 基于机器视觉的运动目标跟踪系统概述339

10.1.1 系统工作原理339

10.1.2 基于机器视觉的运动目标跟踪系统结构342

10.1.3 系统流程343

10.2 摄像机标定以及图像畸变校正345

10.2.1 摄像机的标定345

10.2.2 常用成像模型及坐标系345

10.2.3 摄像机标定流程349

10.2.4 图像畸变校正352

10.3 红外标志点的提取与识别355

10.3.1 图像预处理355

10.3.2 动态图像分割356

10.3.3 红外标志点区域提取标记357

10.4 摄像机位姿估计与基于卡尔曼滤波器的目标识别362

10.4.1 摄像机位姿估计362

10.4.2 基于卡尔曼滤波器的目标识别370

10.5 本章总结375

第11章 仿生液压四足机器人多传感器检测与信息融合技术研究377

11.1 主要传感器的选型377

11.1.1 直线位移传感器378

11.1.2 角位移传感器378

11.1.3 压力传感器380

11.1.4 超声波测距传感器381

11.1.5 视觉传感器382

11.1.6 其他传感器383

11.2 四足机器人传感检测系统的总体设计383

11.2.1 传感检测系统总体方案的设计384

11.2.2 传感检测系统主控芯片的选型385

11.2.3 通信方式的选取386

11.3 传感检测系统的硬件设计388

11.3.1 传感检测系统的硬件总体设计方案388

11.3.2 传感检测系统主控芯片的最小系统设计389

11.3.3 ADC电路设计395

11.3.4 传感器电路设计395

11.3.5 UART串口通信电路的设计401

11.4 传感检测系统的软件设计403

11.4.1 软件工具概述404

11.4.2 传感检测系统软件设计的总体架构404

11.4.3 ADC模块的软件设计405

11.4.4 传感器模块的软件设计407

11.4.5 UART串口模块的软件设计410

11.5 传感检测系统的性能实验与分析411

11.5.1 直线位移传感器检测实验411

11.5.2 超声波测距传感器检测实验413

11.5.3 单目视觉传感器检测实验415

11.6 基于Matlab的多传感器信息融合仿真实验417

11.6.1 多传感器信息融合简介417

11.6.2 卡尔曼滤波算法418

11.6.3 STF（Simple Track Fusion）融合算法419

11.6.4 CV模型419

11.6.5 参数确定420

11.6.6 仿真实验与结果分析423

11.7 本章总结427

第12章 总结与展望428

12.1 成果总结428

12.2 创新点归纳431

12.3 前景展望433

参考文献434