现代仿生机器人设计

第1章　绪论 1

1.1　机器人及其相关技术的发展 1

1.2　仿生机器人的概念、原理及研究热点 3

1.3　仿生多足机器人研究现状与发展趋势 6

1.4　仿生六足机器人研发流程与关键技术 12

本章参考文献 14

第2章　机器人学与仿生学 15

2.1 机器人学的基础理论 15

2.1.1　机器人的基本定义 15

2.1.2　机器人的有关概念 16

2.2　仿生学概述 16

2.2.1　仿生学的主要研究方法 17

2.2.2　仿生学的主要研究内容 17

2.2.3　机器人仿生学 18

2.3 典型的六足纲昆虫结构特点与机能特性 20

2.3.1　昆虫与昆虫纲 20

2.3.2　昆虫的结构特点 21

2.3.3　昆虫的一般习性 24

2.3.4　常见昆虫简介 27

2.3.5　昆虫与仿生学 30

本章参考文献 32

第3章　仿生机器人模拟对象观测实验 33

3.1 蚂蚁步态特性和运动机理的实验研究 33

3.1.1　实验对象的选择 33

3.1.2　实验平台的搭建 34

3.1.3　实验方案的实施 36

3.2　弓背蚁体态结构观测实验研究 37

3.3 弓背蚁运动特性观测实验研究 40

本章参考文献 47

第4章　仿生六足机器人结构设计技术 48

4.1　仿生六足机器人机构建模 48

4.2　仿生六足机器人本体设计 49

4.3　仿生六足机器人腿部设计 50

4.3.1　腿部参数确定原则 50

4.3.2　腿部驱动系统设计 51

4.4 仿生六足机器人结构优化 56

4.4.1　机构参数对机器人工作空间的影响 57

4.4.2　机构参数对机器人灵活度的影响 59

4.4.3　机构参数对机器人轻动性的影响 61

本章参考文献 65

第5章　仿生六足机器人运动学分析 66

5.1 仿生六足机器人位置分析 66

5.1.1　摆动相各腿位置分析 66

5.1.2　支撑相各腿位置分析 68

5.2 仿生六足机器人运动分析 70

5.2.1　摆动相各腿速度分析 70

5.2.2　支撑相各腿速度分析 71

5.2.3　摆动相各腿加速度分析 73

5.3 仿生六足机器人能耗分析 74

5.3.1　能耗指标 74

5.3.2　机构参数对能耗的影响 74

5.3.3　运动参数对能耗的影响 77

本章参考文献 80

第6章　仿生六足机器人动力学分析 81

6.1　机器人动力学简述 81

6.2　仿生六足机器人抬起腿动力学分析 82

6.3　仿生六足机器人支撑腿动力学分析 85

6.4　仿生六足机器人足端摩擦力分析 87

6.4.1　足端摩擦的约束情况分析 87

6.4.2　足端摩擦的线性规划方法 88

6.5　仿生六足机器人非线性系统摩擦分析 89

6.5.1　机器人关节驱动电机轴系力矩平衡方程 90

6.5.2　机器人关节驱动电机轴系摩擦力矩分析 90

6.6　仿生六足机器人系统低速爬行现象分析 91

6.6.1　低速爬行现象的理论基础 91

6.6.2　低速爬行现象的改进措施 92

本章参考文献 94

第7章　仿生六足机器人轨迹规划技术 95

7.1　仿生六足机器人单足轨迹规划 95

7.1.1　机器人足端点轨迹规划的基本概念 95

7.1.2　机器人足端点轨迹规划的基本方法 95

7.1.3　摆动相的足端轨迹规划 96

7.1.4　支撑相的足端轨迹规划 98

7.1.5　机器人足端点二次轨迹规划 104

7.2　仿生多足机器人稳定性原理 105

7.3　仿生六足机器人静态步态规划 107

7.3.1　重心固定的静态步态规划 107

7.3.2　重心随动的静态步态规划 108

本章参考文献 112

第8章　仿生六足机器人虚拟样机技术 113

8.1　虚拟样机技术的基本概念 113

8.1.1　虚拟样机技术的基础 113

8.1.2　虚拟样机制造的过程 114

8.1.3　虚拟样机技术的组成 115

8.1.4　虚拟样机技术的优点 115

8.1.5　虚拟样机技术的典型应用 116

8.2　基于虚拟样机技术的机器人机构研究 116

8.2.1　仿生六足机器人机构研究的主要内容 116

8.2.2　仿生六足机器人机构仿真研究的主要流程 117

8.3　仿生六足机器人运动学仿真 119

8.3.1　虚拟样机建模仿真工具简介 120

8.3.2　仿生六足机器人运动仿真模型构建 121

8.3.3　仿生六足机器人原地运动仿真 123

8.3.4　仿生六足机器人爬行仿真 124

8.3.5　运动参数对仿生六足机器人运动性能的影响 125

本章参考文献 129

第9章　仿生六足机器人运动控制技术 130

9.1　机器人控制技术概述 130

9.2　仿生六足机器人控制系统 130

9.2.1　仿生六足机器人控制系统基本架构 130

9.2.2　仿生六足机器人控制系统总体方案 132

9.2.3　仿生六足机器人控制系统硬件设计 133

9.2.4　仿生六足机器人控制系统软件设计 139

9.3　仿生六足机器人控制系统实验 144

9.4　仿生六足机器人智能控制的研究与探索 147

9.4.1　仿生六足机器人关节控制模块被控模型 147

9.4.2　模糊小波神经网络（FWN）控制 148

9.4.3　FWN训练方法 150

9.4.4　仿生六足机器人关节控制器仿真实验 151

本章参考文献 154

第10章　仿生六足机器人传感探测技术 155

10.1　传感器与多信息融合 155

10.2　仿生六足机器人感测系统 160

10.3　基于超声波和红外线传感器复合阵列的实时避障技术 160

10.3.1　超声波和红外线传感器复合探测阵列设计 160

10.3.2　仿生六足机器人避障控制策略研究 161

10.3.3　仿真实验与分析 165

10.4　仿生六足机器人导航系统设计与研究 166

10.4.1　基于GPS/INS的组合导航系统 166

10.4.2　集中式开环校正组合方式 167

10.4.3　卡尔曼滤波理论 167

10.4.4　组合导航系统数学建模 168

10.4.5　仿真实验与分析 171

本章参考文献 173

第11章　仿生六足机器人能源管理技术 175

11.1　动态电源管理技术的研究 175

11.1.1 固定超时算法 175

11.2　电源管理模块的设计 176

11.2.1 电源管理模块的软硬件设计 176

11.2.2　地址译码电路的设计 177

11.2.3　驱动电路的冗余设计 177

11.3　Simulink/Stateflow仿真软件的应用 178

11.3.1　Stateflow基础 178

11.4　仿生六足机器人传感器系统节能设计 180

11.4.1　传感器系统电源管理过程的动态建模 181

11.4.2　仿真结果 185

本章参考文献 186

第12章　仿生六足机器人视觉系统技术 188

12.1　机器人视觉的发展及研究现状 188

12.2　机器人视觉仿生 192

12.3　机器人视觉的基本原理与关键技术 197

12.4　仿生六足机器人视觉系统的硬件组成 199

12.5　仿生六足机器人目标识别算法研究 201

12.5.1　基于小波提升的目标识别的算法原理 201

12.5.2　互相关的模板匹配 203

12.5.3　小波提升算法 203

12.5.4　多尺度识别与模板更新 204

12.5.5　实验结果与分析 204

本章参考文献 206

第13章　总结与展望 207