腿足机器人运动控制原理与仿真实践教程(陈腾)

本书按照关节、单腿、机器人整机的顺序系统性地介绍腿足机器人运动规划、建模控制等内容。全书内容被精心设计成多章，每章都包含知识和仿真实验两个部分：知识部分，从基础的运动学建模讲起，逐步深入到PID控制、SLIP模型控制、模型预测控制（MPC）、全身动力学控制等腿足机器人先进的控制方法；仿真实验部分，每个工程项目提供了详细的指导，包括Webots环境的熟悉、机器人模型的搭建、控制器的创建以及仿真验证调试等。通过本书的学习，读者能够系统地掌握腿足机器人运动控制的基础理论和关键技术，并通过仿真实践提升机器人自主运动等方面的专业技能。 本书是高等院校机器人工程、机械电子工程等专业的教材，同时也适合从事机器人研究的相关人员阅读。

陈腾，博士，山东大学控制科学与工程学院实验师，主要研究仿生腿足机器人运动控制、感知导航以及强化学习，山东省青创团队“智能轮足人形机器人创新团队”负责人；主持/参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、863项目等10余项项目，获山东省技术发明二等奖1项、中国自动化学会技术发明二等奖1项、山东自动化学会技术发明奖一等奖1项，在JFR、RAL、RAS以及ICRA、IROS等机器人期刊和会议发表论文20篇，申请/授权发明专利10余项。

第1章 Webots环境熟悉与简单模型搭建 001 1.1 Webots环境与模型搭建知识部分 002 1.1.1 Webots安装 002 1.1.2 仿真环境认识 005 1.1.3 机器人模型搭建 006 1.1.4 机器人控制器创建 017 1.2 Webots环境与模型搭建仿真实验部分 021 思考与作业 026 参考文献 026 本章附录 026 第2章 单腿运动控制 031 2.1 单腿运动控制知识部分 032 2.1.1 单腿运动学建模 032 2.1.2 单腿运动控制方法 036 2.2 单腿运动控制仿真实验部分 039 2.2.1 模型搭建 039 2.2.2 程序框架分析 043 2.2.3 位置控制 044 2.2.4 PD控制 045 2.2.5 位置阻抗控制 046 2.2.6 基于虚拟模型的主动柔顺控制 046 思考与作业 048 参考文献 048 本章附录 048 第3章 基于SLIP的3D单腿稳定控制 051 3.1 基于SLIP的3D单腿稳定控制知识部分 052 3.1.1 背景知识 052 3.1.2 “三段式”控制 053 3.1.3 平面单腿控制算法 054 3.1.4 三维平面内单腿控制算法 057 3.1.5 单腿替代控制方案 058 3.2 基于SLIP的3D单腿稳定控制仿真实验部分 061 3.2.1 仿真模型构建 061 3.2.2 代码分析 062 3.2.3 仿真验证 067 思考与作业 068 参考文献 068 第4章 四足机器人全身位姿运动控制 069 4.1 四足机器人全身位姿运动控制知识部分 070 4.1.1 位姿全身调整分析 070 4.1.2 URDF文件简介 072 4.2 四足机器人全身位姿运动控制仿真实验部分 076 4.2.1 仿真模型构建 076 4.2.2 代码讲解 078 4.2.3 仿真步骤 082 思考与作业 083 参考文献 084 本章附录 084 第5章 四足机器人步态运动规划 089 5.1 四足机器人步态运动规划知识部分 090 5.1.1 运动学建模 090 5.1.2 四足典型步态 092 5.1.3 步态运动规划 094 5.1.4 足端位置控制 097 5.2 四足机器人步态运动规划仿真实验部分 098 5.2.1 仿真模型构建 098 5.2.2 代码分析 099 5.2.3 仿真验证 102 思考与作业 103 参考文献 103 第6章 基于SLIP模型的四足机器人运动控制 105 6.1 基于SLIP模型的四足机器人运动控制知识部分 106 6.1.1 姿态稳定性分析 106 6.1.2 Trot步态控制器 109 6.1.3 转向控制方法 111 6.1.4 基于虚拟模型的腿部运动控制 112 6.2 基于SLIP模型的四足机器人运动控制仿真实验部分 113 6.2.1 仿真模型构建 113 6.2.2 代码分析 113 6.2.3 仿真验证 118 思考与作业 119 参考文献 119 本章附录 119 第7章 四足机器人全身虚拟模型控制 121 7.1 四足机器人全身虚拟模型控制知识部分 122 7.1.1 虚拟模型建模 122 7.1.2 支撑相虚拟模型 122 7.1.3 支撑相最优力分配 124 7.1.4 摆动相模型控制 125 7.2 四足机器人全身虚拟模型控制仿真实验部分 127 7.2.1 仿真模型构建 127 7.2.2 代码分析 128 7.2.3 仿真验证 134 思考与作业 135 参考文献 135 第8章 四足机器人模型预测控制 137 8.1 四足机器人模型预测控制知识部分 138 8.1.1 简化机器人动力学建模 138 8.1.2 状态空间构建 139 8.1.3 模型预测控制器设计 141 8.1.4 状态估计器设计 142 8.1.5 腿部控制器设计 144 8.1.6 步态规划与切换 145 8.2 四足机器人模型预测控制仿真实验部分 147 8.2.1 仿真模型构建 147 8.2.2 代码分析 147 8.2.3 仿真验证 157 思考与作业 158 参考文献 158 第9章 MPC+WBC运动控制 159 9.1 MPC+WBC运动控制知识部分 160 9.1.1 WBC方法 160 9.1.2 地形适应策略 162 9.2 MPC+WBC运动控制仿真实验部分 163 9.2.1 仿真模型 163 9.2.2 程序解析 165 思考与作业 166 参考文献 166 第10章 基于MPC与视觉感知的巡线 167 10.1 基于MPC与视觉感知的巡线知识部分 168 10.2 基于MPC与视觉感知的巡线仿真实验部分 169 10.2.1 视觉传感器构建 169 10.2.2 程序解析 172 思考与作业 174 第11章 基于GPU并行训练的强化学习 175 11.1 基于GPU并行训练的强化学习知识部分 176 11.1.1 强化学习基本理论 176 11.1.2 共性神经网络训练框架简介 180 11.1.3 基于PPO的腿足机器人训练方法 181 11.2 基于GPU并行训练的强化学习仿真实验部分 187 11.2.1 环境配置 187 11.2.2 程序解析 192 11.2.3 仿真验证 195 11.2.4 物理样机验证 197 思考与作业 200 参考文献 200