第1章緒論
1.1四足機器人的發展現狀
1.2四足機器人的發展趨勢
習題
第2章四足機器人運動學分析
2.1機器人運動學基礎
2.1.1點的齊次坐標
2.1.2平面的齊次坐標
2.1.3旋轉矩陣
2.1.4旋轉齊次變換
2.1.5平移齊次變換
2.1.6齊次變換矩陣
2.2齊次變換矩陣性質
2.2.1齊次變換矩陣相乘
2.2.2齊次變換矩陣的相對性
2.2.3齊次變換矩陣的可逆性
2.2.4齊次變換矩陣的封閉性
2.3機器人連杆參數和連杆坐標繫
2.3.1關節和連杆
2.3.2連杆坐標繫定義
2.3.3基於D H方法的連杆坐標繫和變換矩陣
2.4基於D H坐標繫的四足機器人運動學建模
2.4.1四足機器人運動學分析
2.4.2右前腿的運動學分析
2.4.3右後腿的運動學分析
習題
第3章四足機器人雅可比矩陣與靜力學
3.1微分運動與廣義速度
3.1.1微分變換
3.1.2微分運動
3.1.3坐標繫間的微分關繫
3.2雅可比矩陣
3.3四足機器人雅可比矩陣的一般求解方法
3.3.1基於矢量積法的雅可比矩陣計算方法
3.3.2基於微分變換法的雅可比矩陣計算方法
3.3.3基於連杆速度法的雅可比矩陣計算方法
3.3.4雅可比矩陣計算方法的比較
3.4靜態力
3.4.1坐標繫之間力的變換
3.4.2力雅可比矩陣
3.4.3雅可比矩陣的奇異性
習題
第4章四足機器人動力學分析
4.1機器人動力學數學基礎
4.2動能和勢能
4.3慣性參數
4.3.1轉動慣量
4.3.2慣性張量
4.4機器人動力學建模方法
4.4.1拉格朗日法
4.4.2牛頓歐拉法
4.4.3機器人動力學方程的性質
4.5四足機器人簡化動力學推導
習題
第5章四足機器人步態規劃基礎理論
5.1步態規劃的基本概念
5.2靜步態規劃方法
5.3動步態規劃方法
5.4機器人軌跡規劃與步態生成
5.4.1機器人軌跡規劃
5.4.2機器人步態生成方法
習題
第6章四足機器人路徑規劃算法
6.1地圖創建與地形識別
6.2全局路徑規劃算法
6.2.1柵格法
6.2.2可視圖法
6.2.3A*算法
6.2.4快速擴展隨機樹算法
6.2.5BiDirectional快速擴展隨機樹算法
6.3局部路徑規劃算法
6.3.1人工勢場法
6.3.2神經網絡法
習題
第7章機器人的基本控制方法
7.1控制預備知識介紹
7.2機器人的控制方法及仿真分析
7.2.1機器人動力學模型
7.2.2機器人控制方法和控制器設計
習題
第8章四足機器人穩定性判定方法
8.1四足機器人步態選擇策略
8.2四足機器人穩定性基本概念
8.2.1穩定裕度
8.2.2占空比
8.2.3阻力繫數
8.3靜態穩定性判定方法
8.4動態穩定性判定方法
習題
第9章四足機器人結構設計與安裝流程
9.1四足機器人結構設計
9.2四足機器人安裝流程
9.2.1電機的裝配
9.2.2腿部機構的裝配
9.2.3關節模組的裝配
9.2.4軀干的裝配
9.2.5腿部整體安裝
習題
第10章四足機器人硬件和電路結構介紹
10.1執行器
10.2動力源
10.3UP board
10.4遙控器
10.5SPIne信號轉接板
10.6接線轉接板
習題
第11章基於模型預測控制的四足機器人全身運動控制方法
11.1模型預測控制基礎知識介紹
11.2MPC控制策略在四足機器人中的應用
11.3四足機器人整體運動控制框架
11.3.1一般四足機器人整體運動控制框架
11.3.2基於MPC的四足機器人運動控制框架
11.4基於MPC的動態運動控制
11.4.1MPC控制框架
11.4.2機器人軀干簡化動力學建模
11.4.3MPC實現
11.5基於MPC方法的運動規劃
11.5.1步態規劃
11.5.2足端軌跡規劃
11.5.3基於MPC方法的步態切換
11.5.4基於MPC的四足機器人斜坡地形的姿態調整
11.6基於Webots軟件平臺的MPC方法仿真驗證
11.6.1Ubuntu下Webots仿真環境搭建
11.6.2多步態運動
11.6.3斜坡地形測試
11.7基於四足機器人物理平臺的MPC方法實現驗證
習題
第12章四足機器人運動控制程序框架介紹
12.1機器人建模程序
12.1.1機器人模型參數設置
12.1.2質心動力學模型
12.1.3浮基座動力學模型
12.2機器人信息數據輸入
12.3機器人運動軌跡規劃
12.3.1步態序列規劃
12.3.2擺動腿軌跡規劃
12.3.3機器人狀態軌跡規劃
12.4機器人控制器設計
12.4.1MPC控制器
12.4.2WBC控制器
12.4.3腿部控制器
12.4.4關節電機控制器
12.5狀態估計器
習題
第13章四足機器人實驗仿真與驗證
13.1Ubuntu繫統環境配置與軟件安裝實驗
13.2四足機器人上位機代碼編譯與運行仿真實驗
13.3實體機器人運行實驗
13.4trot步態設計及實驗驗證
13.5bound步態設計及實驗驗證
13.6pace步態設計及驗證實驗
13.7walk步態設計及驗證實驗
13.8後空翻步態設計與運行實驗
13.9四足機器人斜坡自適應調整實驗
13.10循跡測試實驗
13.11障礙物識別跟蹤實驗
參考文獻1166777899101013141415161616171721212227333434343436383940434649515152535455555556565858596065667172727475767678868787888991929393959596100101101102103105135136136137137138138138139143144144147147157163166167168169170176179181184192193194194195195195195196196202205209209211211211214214224226227229230230230231232233235235237238238238242247248249250251251254257259261264266269271274281289

自然界中，四足哺乳動物在適應復雜地形、運動靈活性和負載能力方面具有巨大的優勢。因此，以四足哺乳動物為仿生對像，構造具有高動態性和強復雜環境適應性的四足機器人一直是機器人領域的研究熱點。
習近平總書記在黨的二十大報告中指出：“加強基礎學科、新興學科、交叉學科建設，加快建設中國特色、世界一流的大學和優勢學科。”當前，我國已將機器人和智能制造納入了國家科技創新的優先重點領域，隨著信息化、工業化不斷融合，以機器人科技為代表的智能產業蓬勃興起，成為現時代科技創新的一個重要標志。
圍繞國家需求和當前智能科學與技術一級交叉學科建設學生培養，本書繫統介紹了電驅動四足仿生機器人的基本理論和穩定運動控制的主要方法，力求能夠較好地促進國內四足機器人研究的普及和應用落地。
本著“持續開源、合作共建”的思想，結合四足機器人實際物理平臺和開源的軟件平臺，本書重點包含四足機器人相關的“基礎理論”“技術實現”和“研究提高”三部分內容。其中，基礎理論（第1章至第8章）包含了機器人特別是四足機器人的基本理論知識，主要包括齊次變換、運動學、靜力學、動力學、步態規劃和控制方面的內容；技術實現（第9章、第10章、第13章）包含了機器人軟硬件的介紹和運動控制方法的實現，主要包括四足機器人的硬件介紹、軟件介紹、穩定運動控制的實現方法；研究提高（第11章和第12章）包含了四足機器人的高級控制方法，主要講解了四足機器人模型預測控制的實現方法。
本書由齊魯工業大學（山東省科學院）機器人環境智能交互創新團隊負責人李彬總體策劃和編寫，得到了山東大學機器人研究中心榮學文研究員和陳騰實驗師，山東交通學院範永教授，深圳市鵬行智能研究有限公司趙同陽和山東優寶特智能機器人有限公司陳彬、刁懷瑞的大力支持。
本書撰寫過程中得到了國家自然科學基金項目（61973185）、山東省自然科學基金項目（ZR2020MF097）、濟南市“新高校20條”項目（2021GXRC100）、山東省高等學校青創科技支持計劃（2019KJN011）、山東省重點研發計劃(2018GGX103054)、協同育人項目（201901229009、201902316006）和齊魯工業大學（山東省科學院）教材建設基金的資助，在此表示衷心的感謝！
本書可供相關專業的研究生或高年級本科生閱讀，也可供相關領域的工程技術人員參考。
限於編著者水平，書中難免有不少缺點和不足之處，懇請廣大讀者批評、指正。

李彬2023年5月
教學課件四足仿生機器人基本原理及開發教程