双足步行机器人仿真设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

[日] ROBO-ONE委员会 编，杨洋，杨斯爽 译

图书标签:

• 机器人仿真
• 双足机器人
• 步行机器人
• MATLAB
• Simulink
• 控制系统
• 机器人学
• 机械设计
• 仿真技术
• 运动规划

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030357038

版次：1

商品编码：11148441

包装：平装

开本：16开

出版时间：2013-01-01

用纸：胶版纸

页数：222

编辑推荐

　　如何让机器人在宇宙中活动呢？如果通过试验实现，需要昂贵的花费；若只是仿真的话，不需要高额花费的实验装置，也不需要反复地制作机器人，仅有PC就足够了。《双足步行机器人仿真设计》为了比较简明地说明仿真设计过程，在对双足步行机器人进行建模的同时，结合实际的应用案例对其中重要的部分进行讲述。希望读者能够体验基于模型的设计过程。

内容简介

　　《双足步行机器人仿真设计》面向ROBO-ONE on PC双足步行机器人仿真大赛，主要介绍使用CAD设计软件Autodesk Inventor、分析软件MSC.visualNastran 4D、控制仿真软件MATLAB／ Simulink，进行双足步行机器人的CAD建模、机构和结构分析、控制以及协 同仿真的步骤和方法。同时，以历届比赛中取得优胜奖的5件作品为例，介 绍了双足步行机器人设计与开发中的成功经验和技巧。本书有助于高等院校师生和参加相关机器人 大赛的爱好者了解和学习相关知识，也可作为从事机器人设计和开发人员 的参考书。

目录

第1章 基于模型的集成开发
1.1 什么是集成开发
1.2 机器人开发的流程
1.3 CAD
1.4 CAE
1.4.1 结构分析
1.4.2 机构分析
1.5 Simulink
1.5.1 MBD
1.5.2 Simulink简介
1.5.3 与MSC.visualNastran 4D的协同
1.5.4 实时工作问嵌入式代码
第2章 三维CAD系统
2.1 三维CAD简介
2.2 Inventor的使用
2.3 机器人部件设计
2.3.1 绘图
2.3.2 钣金件的绘制
2.3.3 伺服电机支架的建模
2.4 机器人的机构与装配
2.4.1 使用通用零件
2.4.2 使用标准件
2.4.3 三维空间中的装配
2.4.4 装配模型的动作检查
第3章 MSC.visualNastran 4D
3.1 MSC.visualNastran 4D简介
3.2 CAD形状的取出——与11wentor的协同
3.3 机构分析
3.4 建立机构分析模型
3.5 仿真设置
3.6 进行机构分析
3.7 结果的计测器测量功能
3.8 简单机构分析实例
3.9 结构分析
3.10 结构分析的设置
3.11 简单结构分析实例
3.12 4D分析
3.13 简单4D分析实例
第4章 基于MATLAB／Simulink的控制模块
4.1 MATLAB／Simulink简介
4.1.1 MATLAB产品家族的组成
4.1.2 MLAB的使用
4.1.3 使用Simulink
4.1.4 Stateflow的使用
4.2 控制器的设计
4.2.1 控制对象
4.2.2 最优调节器设计
4.2.3 卡尔曼滤波器的设计
4.2.4 LOG调节器的组成
4.3 仿真
4.3.1 LQG调节器的仿真
4.3.2 摆动控制仿真
4.4 参数调整
4.4.1 控制对象
4.4.2 利用最优化功能中的PID控制器参数调整
4.5 代码自动生成功能
4.5.1 基于Real-Time Workshop的代码自动生成功能
4.5.2 PID控制器的参数调整
第5章 集成应用
5.1 ROBO-ONE on PC的软件集成
5.2 电机模型的仿真
5.2.1 电机模型
5.2.2 基于Simulink的电机建模方法
5.2.3 基于MSC.visualNastran 4D的仿真
5.2.4 MSC.visualNastran 4D环境下电机的仿真
5.2.5 Simulink与MSC.visualNastran 4D的协同
5.3 电机模型的反馈定位控制
5.3.1 仿真的目标
5.3.2 PD控制器配置与反馈闭环建立
5.3.3 干扰负载作用下的输出角位移
5.4 基于旋转角度电机的简单定位控制
5.4.1 简单的定位控制方法
5.4.2 模型的生成
5.4.3 MSC.visualNastran 4D下的反馈定位控制
5.5 基于简易人形模型的仿真
5.5.1 基于旋转角度电机的人形简易模型
5.5.2 控制器的组成
5.5.3 基于姿态数据的关节角度的计算
5.5.4 计算姿态数据
5.5.5 任务管理
5.5.6 控制器的表述
5.5.7 仿真结果
5.6 重力加速度的检测和控制
5.6.1 目的
5.6.2 传感器的建模方法
5.6.3 仿真结果
5.7 倒立摆的控制
5.7.1 高柔性控制
5.7.2 倒立摆的状态空间模型
5.7.3 MSC.visualNastran 4D中控制对象模型的表达
5.7.4 在Simulink中构建控制系统
5.7.5 反馈增益的设置
5.7.6 仿真结果
5.8 仿真与实际的区别
5.9 基于PC串口的伺服电机实时控制
5.9.1 Simulink的实时动作
5.9.2 与机器人伺服电机的通信
5.9.3 机器人步行
5.9.4 在Dynamixel中的使用
5.9.5 Real-Time Workshop的使用
5.10 使用xPC Target的机器人开发
5.10.1 xPC Target的开发环境
5.10.2 Target PC的安装
5.10.3 在主PC中生成Simulink模型
5.10.4 Target PC中模型的动作
参考文献
第6章 应用案例
6.1 ROBO-ONE on PC
6.1.1 ROBO-ONE
6.1.2 ROBO-ONE on PC的内容
6.1.3 参赛机器人
6.1.4 仿真概述
6.1.5 实现仿真之梦
6.2 U-knight
6.2.1 U-knight简介
6.2.2 外观
6.2.3 设计
6.2.4 基于Inventor的设计
6.2.5 创建制作图纸
6.2.6 制作
6.2.7 三维CAD的优点
6.3 刚王丸
6.3.1 目标
6.3.2 刚王丸模型
6.3.3 刚王丸的控制
6.3.4 刚王丸存在的问题
6.3.5 刚王丸的改进
6.4 FZ-2
6.4.1 模型的准备
6.4.2 MSC.visualNastran 4D的设置
6.4.3 程序框架
6.4.4 编程步骤
6.4.5 仿真结果与反思
6.5 开拓者4号
6.5.1 仿真环境
6.5.2 开拓者4号的配置
6.5.3 机器人的设计
6.5.4 机器人的机械模型
6.5.5 机器人的控制程序
6.5.6 实施仿真
6.5.7 今后的目标
6.6 bode
6.6.1 在ROBO-ONE on PC出场
6.6.2 Mission2的结果概述
6.6.3 Mission2技巧——向前跳的方法
6.6.4 Mission2技巧——缓缓着地的方法
6.6.5 伺服电机模型是成功的关键

前言/序言

机械之心：动态骨骼与智能步态的奥秘 内容提要 本书并非一本关于虚拟世界的教程，而是深入探索构建并赋予实体机械生命——双足步行机器人——真实生命力的科学与工程学著作。它将带领读者穿越纷繁复杂的机械结构，揭示驱动这些复杂装置运动的内在逻辑，以及如何通过精巧的设计和算法，使其能够如同生物体一般，在真实环境中稳定、高效地行走。我们将从最基础的机械传动入手，逐步深入到高级的动力学仿真，最终触及使机器人拥有“思考”并做出决策的智能控制理论。本书的目标是为那些对机器人技术充满好奇、渴望理解其核心原理的读者，提供一个全面而深刻的视角，让机械的“骨骼”在我们的视野中鲜活起来。 第一章：铸造骨骼：机械结构的基石 任何生命的运动都离不开其骨骼系统的支撑。对于双足步行机器人而言，这副“骨骼”由一系列精密设计的连杆、关节和执行器构成。本章我们将首先聚焦于机器人最基本的构成要素。 连杆与关节的几何学： 我们将详细剖析不同类型的连杆，如连杆的长度、形状如何影响机器人的运动范围和姿态。重点将放在关节的设计，从最简单的旋转关节（如踝关节、膝关节、髋关节）到更复杂的万向节，以及它们如何组合形成模仿人类肢体运动的自由度。我们将探讨不同关节布局方案的优劣，例如三自由度髋关节、两自由度膝关节、单自由度踝关节等，以及它们如何共同构成机器人的“腿”。 材质的选择与结构强度： 支撑机器人自身重量并承受运动载荷，对材料的选择提出了严苛的要求。本章将介绍常用机器人材料的特性，如铝合金、碳纤维复合材料、高强度工程塑料等，分析它们的强度、刚度、密度和成本等因素，以及如何根据机器人的尺寸、载荷和应用场景进行最优选择。我们将深入探讨结构设计的关键原则，例如如何通过有限元分析（FEA）来预测和优化结构的应力分布，避免材料疲劳和意外失效，确保机器人在运动过程中结构的稳定性与可靠性。 执行器的核心：电机与传动系统： 驱动机器人的“肌肉”是各种执行器，其中电机扮演着至关重要的角色。我们将详细介绍不同类型的电机，如直流有刷电机、直流无刷电机（BLDC）、步进电机以及伺服电机，分析它们的扭矩特性、转速范围、效率和响应速度。重点将放在伺服电机，因为它在需要精确位置和速度控制的机器人应用中尤为重要。 精确传达力量：减速器与传动方式： 电机的转速通常较高，而机器人关节需要的扭矩较大，这便需要借助减速器来匹配。本章将深入探讨各种减速器的工作原理，如行星减速器、谐波减速器、摆线针轮减速器等，分析它们的传动比、效率、回程间隙（backlash）和体积重量等关键参数，以及如何根据关节的扭矩需求和空间限制进行选择。此外，我们还将讨论直接驱动、齿轮传动、皮带传动等不同的传动方式，以及它们在机器人设计中的应用场景和优缺点。 传感器：机器人的“感官”： 为了感知自身的状态和外部环境，机器人需要各种传感器。本章将介绍用于测量关节角度的编码器（增量式和绝对式）、测量扭矩的力矩传感器、测量姿态和加速度的惯性测量单元（IMU，包括加速度计和陀螺仪），以及用于环境感知的距离传感器（如激光雷达、超声波传感器）和视觉传感器（摄像头）。我们将重点分析这些传感器如何协同工作，为机器人的运动控制提供必要的数据。 第二章：动态的韵律：物理世界的互动 机器人并非孤立的个体，它的每一次运动都与周围的物理环境发生着复杂的相互作用。理解并建模这些动态交互是实现稳定步态的关键。 动力学方程的构建：牛顿-欧拉法与拉格朗日法： 本章将深入探讨如何建立机器人的动力学模型。我们将详细介绍牛顿-欧拉法和拉格朗日法这两种经典的动力学建模方法，通过分析机器人的质量分布、关节力矩、外力（如重力、地面支撑力）以及角动量变化，推导出描述机器人运动状态的微分方程组。读者将学习如何将连杆、关节和执行器的特性转化为数学模型，为后续的仿真和控制奠定基础。 重力、惯性与阻尼：无处不在的物理规律： 重力是驱动机器人下落的根本力量，惯性是抵抗运动状态改变的内在属性，而阻尼（包括空气阻尼和摩擦阻尼）则会消耗能量并减缓运动。本章将详细分析这些物理因素如何影响机器人的动态行为，以及如何在动力学模型中准确地量化它们。例如，如何计算机器人在不同姿态下的质心高度变化对重力势能的影响；如何理解关节摩擦对运动精度的影响。 地面交互：支撑力、摩擦力与触地检测： 双足行走最核心的挑战在于维持平衡，而这离不开与地面的有效交互。我们将深入研究地面支撑力（Normal Force）和摩擦力（Friction Force）的产生机制。重点将放在对不同摩擦模型的理解，如库仑摩擦模型和粘性摩擦模型。读者将学习如何检测机器人脚部是否与地面接触，以及如何根据接触状态计算作用在脚上的支撑力和摩擦力。 足端动力学与步态仿真： 足端（Foottip）是机器人与地面发生交互的唯一接触点，其动力学行为对整体运动至关重要。本章将深入分析足端动力学，包括足端的运动轨迹、接触点的状态变化（如零力矩点、单脚支撑、双脚支撑）以及由此产生的地面反作用力。我们将介绍几种基本的步态仿真方法，例如零力矩点（ZMP）理论，它是一种广泛用于分析和设计双足机器人稳定步态的关键理论。通过仿真，我们可以预见机器人的一系列运动，并优化其步态参数。 第三章：智能的指挥：让机械“思考”与行走 拥有强大的机械结构和精准的动力学模型，还不足以让机器人自如地行走。最终的挑战在于赋予其“智能”，使其能够根据环境和自身状态做出决策。 运动学控制：从目标到动作的转化： 在了解了机器人的动力学后，我们需要掌握如何控制它的运动。本章将从运动学控制开始，介绍正向运动学（Forward Kinematics）和逆向运动学（Inverse Kinematics）。正向运动学用于计算已知关节角度下的末端执行器（如脚尖）的位置和姿态；逆向运动学则更具挑战性，它需要根据期望的末端执行器位置和姿态，计算出所需的关节角度。我们将探讨解析解和数值解方法，以及它们在机器人控制中的应用。 PID控制器：基础的反馈机制： PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器是机器人控制中最基础也最常用的反馈控制算法之一。本章将详细阐述PID控制器的原理，包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个环节的作用。我们将学习如何根据传感器的反馈信号，计算出控制量，以精确地跟踪期望的关节角度或位置。读者将了解如何通过调整PID参数来优化系统的响应速度、稳定性和精度。 重心转移与姿态控制：保持平衡的智慧： 双足机器人的核心挑战在于动态平衡。本章将深入研究如何通过控制机器人的重心（Center of Mass, CoM）和全身姿态来维持行走过程中的稳定。我们将探讨如何利用IMU数据来估计机器人的姿态，并通过反向动力学计算来调整关节角度，使重心保持在支撑区域内。 步态规划与生成：指令的序列： 稳定的步态并非随机运动，而是经过精巧规划的动作序列。本章将介绍步态规划的基本思想，包括如何生成平滑、稳定的足端轨迹，以及如何协调双脚的运动，实现前进、后退、转弯等基本动作。我们将讨论不同的步态生成方法，例如基于ZMP的步态生成、基于优化方法的步态生成，以及一些更高级的基于学习的步态生成技术。 状态估计与感知融合：认识世界： 机器人需要准确地了解自身的状态（如关节角度、速度、姿态）以及周围的环境。本章将介绍状态估计的技术，例如卡尔曼滤波器（Kalman Filter）及其变种（如扩展卡尔曼滤波器EKF、无迹卡尔曼滤波器UKF），它们能够融合来自不同传感器的数据，提供一个更准确、更可靠的机器人状态估计。同时，我们将探讨如何融合视觉、激光雷达等环境感知信息，使机器人能够避开障碍物，感知地形，从而实现更智能的行走。 第四章：仿真的翅膀：虚拟世界的实验场 在将精巧的设计付诸实践之前，通过仿真来验证和优化是必不可少的环节。本章将聚焦于机器人仿真技术的应用。 物理引擎在机器人仿真中的作用： 详细介绍常用的机器人仿真软件（如Gazebo、V-REP/CoppeliaSim、MuJoCo等）及其内部集成的物理引擎。分析这些引擎如何模拟真实的物理交互，包括重力、碰撞、摩擦、关节约束等，为机器人提供一个逼真的虚拟环境。 仿真模型的搭建与参数调优： 学习如何根据实际的机器人设计，在仿真环境中搭建精确的机器人模型。这包括导入CAD模型、定义连杆属性、关节类型、执行器特性以及传感器配置。着重讲解如何通过仿真实验，对机器人的结构参数、动力学参数以及控制参数进行调优，以达到预期的性能指标。 步态仿真与性能评估： 利用仿真平台对设计的步态进行模拟，观察机器人的运动轨迹、姿态变化、足端受力以及能量消耗。介绍各种性能评估指标，例如步态稳定性、行走速度、能量效率、对干扰的鲁棒性等，以及如何通过仿真来量化和比较不同步态方案的优劣。 硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）仿真： 探讨硬件在环仿真技术，即在仿真环境中集成真实的机器人控制器硬件。这种方法能够更真实地模拟真实世界中传感器和执行器的延迟、噪声等非理想因素，从而更有效地验证控制算法的有效性，并减少实际硬件调试的风险。 结语 本书旨在提供一个系统性的视角，帮助读者深入理解双足步行机器人的设计、仿真与控制。从机械结构的坚实根基，到动力学规律的精妙运用，再到智能控制的决策智慧，每一步都凝聚着科学与工程的结晶。希望本书能够激发您对机器人技术的更深层探索，并为您在这一激动人心的领域中开启新的征程提供坚实的理论支撑和实践指导。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，一股浓厚的学术研究氛围扑面而来。目录的编排清晰严谨，让我能够快速找到自己感兴趣的章节。从第一章的背景介绍，到最后的未来展望，似乎构成了一个完整的知识体系。我尤其关注书中对“仿真”这一环节的侧重点。在机器人设计过程中，物理样机的制作往往成本高昂且耗时费力，而仿真技术恰恰能够有效地降低这些风险，并允许工程师在早期阶段进行大量的迭代和优化。我猜测书中会详细介绍如何搭建一个虚拟的机器人环境，如何精确地模拟机器人的物理特性，比如质量、惯性、关节摩擦等，以及如何引入外部环境的干扰，比如重力、风力、地面不平整等。这种严谨的仿真方法对于评估不同设计方案的优劣至关重要。此外，对于双足机器人而言，其稳定性是核心问题。我期待书中能够深入探讨步态规划和控制策略，例如ZMP（零力矩点）理论的应用，如何通过调整ZMP来维持身体的平衡，以及如何应对动态变化，例如在行走过程中突然加速或减速。如果书中还能涉及一些姿态控制和抗干扰技术，比如利用IMU（惯性测量单元）来感知机器人的姿态，并通过反馈控制来纠正偏差，那将是非常有价值的内容。这本书似乎是一本能够引领读者进入机器人仿真设计殿堂的优秀教材。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常有吸引力，简洁的线条勾勒出机器人优美的姿态，让我立刻联想到科幻电影中那些灵活敏捷的机械生命。书名“双足步行机器人仿真设计”本身就充满了技术感和前瞻性，让我对书中的内容充满了好奇。我一直对机器人技术，特别是仿生学领域有着浓厚的兴趣，而双足步行无疑是机器人领域中最具挑战性也最迷人的方向之一。想象一下，一个能够像人类一样稳定、流畅地在复杂地形中行走的机器人，这其中的设计难度和技术突破该有多么震撼。我期待书中能够深入剖析双足步行机器人的运动学和动力学模型，或许还会涉及一些先进的控制算法，比如PID控制、模糊控制，甚至更前沿的强化学习方法。同时，仿真设计这一关键词也暗示了书中会包含大量的计算机模拟内容，也许会使用一些主流的仿真软件，比如MATLAB/Simulink、Gazebo或者Unity，通过这些工具来验证设计的可行性和性能。我希望书中能提供一些实际的案例分析，展示如何从零开始构建一个仿真模型，并进行各种场景下的测试，比如摔倒后的自恢复、崎岖路面的行走等。如果书中还能触及到硬件实现的一些考虑，比如关节驱动、传感器选择、能量管理等，那就更完美了，这会让仿真设计与实际应用之间的联系更加紧密。总而言之，我对这本书充满期待，希望它能为我打开一个更广阔的机器人世界。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计传递出一种严谨而又充满活力的感觉，让我迫不及待地想一探究竟。我一直对机器人技术，特别是其仿生学的研究方向深感兴趣，而双足机器人作为最接近人类运动方式的机器人，其设计和控制无疑是其中的翘楚。书中“仿真设计”这个词汇，让我联想到它可能包含了一系列关于如何在虚拟环境中构建和测试双足机器人模型的内容。我希望它能够详尽地介绍双足机器人运动的基本原理，包括其运动学模型，例如如何描述关节的运动与末端执行器位置之间的关系，以及动力学模型，即如何考虑力和力矩对机器人运动的影响。此外，步态的生成和稳定性控制是双足机器人设计的关键。我推测书中会深入探讨各种步态生成算法，从简单的周期性步态到更复杂的自适应步态，以及如何通过有效的控制策略来保证机器人在行走过程中的动态平衡，例如利用ZMP（零力矩点）理论或者优化控制方法。如果书中还能涵盖一些传感器融合技术，比如如何利用视觉传感器、激光雷达或者惯性传感器来感知环境和机器人的状态，并将其融入到控制系统中，那就更令人兴奋了。这本书很有可能是一本集理论与实践于一体的宝贵资源。

评分☆☆☆☆☆

读到这本书的书名，我脑海中立刻浮现出那些在实验室里辛勤工作的工程师们，他们通过精密的计算和大量的实验，一点点地构建起能够自主行走的机械生命。 “双足步行机器人仿真设计”——这个名字本身就充满了科学的严谨和工程的魅力。“仿真设计”让我联想到书中可能涵盖了利用计算机软件来模拟机器人运动的详细过程。我期待书中能够深入讲解双足机器人运动的基本模型，包括其运动学和动力学方程的推导，以及如何将其转化为计算机可识别的语言。对于双足机器人而言，如何实现平稳、高效的行走是其核心挑战。我猜测书中会重点阐述步态规划的算法，例如如何生成稳定且适用于不同地形的步态，以及如何设计有效的控制器来追踪这些步态，并维持机器人的平衡。这可能涉及到一些先进的控制理论，比如模型预测控制、自适应控制或者基于优化的控制方法。同时，仿真环境的搭建也是必不可少的一环。我希望书中能够介绍如何构建一个逼真的仿真平台，能够模拟机器人的物理特性、传感器反馈以及与环境的交互，从而为机器人的设计和优化提供一个虚拟的实验场。这本书很可能是一部深入探索双足机器人仿真设计奥秘的权威著作。

评分☆☆☆☆☆

我被这本书的标题所吸引，它精确地指向了我一直以来非常感兴趣的机器人技术领域——双足步行。这不仅仅是关于机械结构的堆砌，更是关于智能与运动的完美结合。 “仿真设计”这一副标题，则让我对接下来的内容充满了期待。我推测这本书将不仅仅停留在理论层面，而是会带领读者深入到如何利用现代计算工具来构建和测试双足机器人。我希望书中能够详尽地介绍双足机器人运动学的基本原理，包括如何描述机器人肢体的运动，以及动力学方程的建立，也就是考虑机器人运动时所受到的力和力矩。更重要的是，我期待书中能够深入探讨步态生成和稳定性控制的算法，这无疑是双足机器人设计的核心难点。或许会涉及ZMP（零力矩点）理论的应用，或者更先进的优化控制方法，来确保机器人在行走过程中的动态平衡。同时，仿真环境的搭建和使用也是一个重要的环节，我希望书中能够介绍如何利用主流的仿真软件，例如MATLAB/Simulink、Gazebo或者Unity等，来模拟机器人的行为，并进行各种场景下的测试和优化。这本书很有可能是一本能够为机器人爱好者和从业者提供宝贵指导的实用指南。

评分☆☆☆☆☆

还是没有写到点子上，看目录不错，但日本人写的加之中国极差的翻译，完全不知所云。望考虑再买之！！！

评分☆☆☆☆☆

不错，很多实用性的东西

评分☆☆☆☆☆

书还可以，纸质不错，字没有那么密

评分☆☆☆☆☆

书的质量好，纸质不错，是正版

评分☆☆☆☆☆

还是没有写到点子上，看目录不错，但日本人写的加之中国极差的翻译，完全不知所云。望考虑再买之！！！

评分☆☆☆☆☆

东西不错东西不错东西不错东西不错东西不错东西不错

评分☆☆☆☆☆

书纸质不错，内容还可以！

评分☆☆☆☆☆

总起来说还是不错的哦~

评分☆☆☆☆☆

图书符合，就是送货慢了一些。