腿足機器人運動控制原理與仿真實踐教程（簡體書）

陳騰，博士，山東大學控制科學與工程學院實驗師，主要研究仿生腿足機器人運動控制、感知導航以及強化學習，山東省青創團隊“智能輪足人形機器人創新團隊”負責人；主持/參與國家自然科學基金、國家重點研發計劃、863項目等10余項項目，獲山東省技術發明二等獎1項、中國自動化學會技術發明二等獎1項、山東自動化學會技術發明獎一等獎1項，在JFR、RAL、RAS以及ICRA、IROS等機器人期刊和會議發表論文20篇，申請/授權發明專利10余項。

隨著科技的不斷進步，機器人技術已成為推動現代工業發展的重要力量。在眾多機器人類型中，腿足機器人因其在複雜環境中具有卓越的適應性和靈活性，受到了學術界和工業界的廣泛關注。腿足機器人的設計和控制是一個多學科交叉的領域，涉及機械工程、電子工程、計算機科學和人工智能等多個學科。為了培養能夠適應未來機器人技術發展的專業人才，山東大學機器人工程專業開設了“智能機器人綜合實踐Ⅰ”課程，本書正是在這一實踐課程的基礎上編寫而成的，旨在為機器人工程專業的本科實踐教學提供一本全面的教材和實驗指導書。
本書是山東大學機器人工程專業教學團隊多年教學經驗和科研成果的結晶。在“智能機器人綜合實踐Ⅰ”課程的教學過程中，我們發現學生對於腿足機器人運動控制的理論知識和實踐技能有著迫切的學習需求。為了更好地滿足這一需求，我們編寫了這本既包含核心理論知識，又提供豐富實踐指導的教材。本書的編寫過程中，我們注重以下幾個方面。
① 理實結合：每一章都分為知識和仿真實驗兩個部分，使學生能夠在理解理論的基礎上，通過實踐加深理解。
② 由淺入深：內容安排上，從基礎的運動學建模開始，逐步過渡到複雜的控制算法，使學生能夠循序漸進地掌握知識。
③ 學科交叉：考慮到腿足機器人設計的多學科特性，本書在內容上跨越了多個學科，以培養學生的交叉學科思維。
④ 易於教學：為了使本書能夠更好地服務於教學，我們製作了一系列配套教學資源，包括課程PPT以及Webots仿真工程示例。通過每章詳細的PPT，幫助學生更好地理解內容；通過提供仿真環境中的工程示例文件，使學生可以直接在Webots中觀察機器人的運動效果；為每個實驗提供明確的實驗目的、步驟和預期結果，使學生能夠有目的地進行實驗。這些資源為有需求的學校開設相關課程提供了便利，教師可以根據本書的內容和提供的資源，設計和組織教學活動。
希望本書能夠成為腿足機器人愛好者和相關專業學生的良師益友，幫助他們在機器人技術的學習和研究道路上邁出堅實的步伐。同時，我們也期待讀者的反饋和建議，以便我們不斷改進和更新內容，以滿足教育和行業的最新需求。
最後，感謝所有參與本書編寫、審校和提供意見的師生和專家。由於筆者水平和經驗有限，書中疏漏之處在所難免，敬請讀者指正。

編者

第1章 Webots環境熟悉與簡單模型搭建 001
1.1 Webots環境與模型搭建知識部分 002
1.1.1 Webots安裝 002
1.1.2 仿真環境認識 005
1.1.3 機器人模型搭建 006
1.1.4 機器人控制器創建 017
1.2 Webots環境與模型搭建仿真實驗部分 021
思考與作業 026
參考文獻 026
本章附錄 026

第2章 單腿運動控制 031
2.1 單腿運動控制知識部分 032
2.1.1 單腿運動學建模 032
2.1.2 單腿運動控制方法 036
2.2 單腿運動控制仿真實驗部分 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 基於虛擬模型的主動柔順控制 046
思考與作業 048
參考文獻 048
本章附錄 048

第3章 基於SLIP的3D單腿穩定控制 051
3.1 基於SLIP的3D單腿穩定控制知識部分 052
3.1.1 背景知識 052
3.1.2 “三段式”控制 053
3.1.3 平面單腿控制算法 054
3.1.4 三維平面內單腿控制算法 057
3.1.5 單腿替代控制方案 058
3.2 基於SLIP的3D單腿穩定控制仿真實驗部分 061
3.2.1 仿真模型構建 061
3.2.2 代碼分析 062
3.2.3 仿真驗證 067
思考與作業 068
參考文獻 068

第4章 四足機器人全身位姿運動控制 069
4.1 四足機器人全身位姿運動控制知識部分 070
4.1.1 位姿全身調整分析 070
4.1.2 URDF文件簡介 072
4.2 四足機器人全身位姿運動控制仿真實驗部分 076
4.2.1 仿真模型構建 076
4.2.2 代碼講解 078
4.2.3 仿真步驟 082
思考與作業 083
參考文獻 084
本章附錄 084

第5章 四足機器人步態運動規劃 089
5.1 四足機器人步態運動規劃知識部分 090
5.1.1 運動學建模 090
5.1.2 四足典型步態 092
5.1.3 步態運動規劃 094
5.1.4 足端位置控制 097
5.2 四足機器人步態運動規劃仿真實驗部分 098
5.2.1 仿真模型構建 098
5.2.2 代碼分析 099
5.2.3 仿真驗證 102
思考與作業 103
參考文獻 103
第6章 基於SLIP模型的四足機器人運動控制 105
6.1 基於SLIP模型的四足機器人運動控制知識部分 106
6.1.1 姿態穩定性分析 106
6.1.2 Trot步態控制器 109
6.1.3 轉向控制方法 111
6.1.4 基於虛擬模型的腿部運動控制 112
6.2 基於SLIP模型的四足機器人運動控制仿真實驗部分 113
6.2.1 仿真模型構建 113
6.2.2 代碼分析 113
6.2.3 仿真驗證 118
思考與作業 119
參考文獻 119
本章附錄 119

第7章 四足機器人全身虛擬模型控制 121
7.1 四足機器人全身虛擬模型控制知識部分 122
7.1.1 虛擬模型建模 122
7.1.2 支撐相虛擬模型 122
7.1.3 支撐相最優力分配 124
7.1.4 擺動相模型控制 125
7.2 四足機器人全身虛擬模型控制仿真實驗部分 127
7.2.1 仿真模型構建 127
7.2.2 代碼分析 128
7.2.3 仿真驗證 134
思考與作業 135
參考文獻 135

第8章 四足機器人模型預測控制 137
8.1 四足機器人模型預測控制知識部分 138
8.1.1 簡化機器人動力學建模 138
8.1.2 狀態空間構建 139
8.1.3 模型預測控制器設計 141
8.1.4 狀態估計器設計 142
8.1.5 腿部控制器設計 144
8.1.6 步態規劃與切換 145
8.2 四足機器人模型預測控制仿真實驗部分 147
8.2.1 仿真模型構建 147
8.2.2 代碼分析 147
8.2.3 仿真驗證 157
思考與作業 158
參考文獻 158

第9章 MPC WBC運動控制 159
9.1 MPC WBC運動控制知識部分 160
9.1.1 WBC方法 160
9.1.2 地形適應策略 162
9.2 MPC WBC運動控制仿真實驗部分 163
9.2.1 仿真模型 163
9.2.2 程序解析 165
思考與作業 166
參考文獻 166

第10章 基於MPC與視覺感知的巡線 167
10.1 基於MPC與視覺感知的巡線知識部分 168
10.2 基於MPC與視覺感知的巡線仿真實驗部分 169
10.2.1 視覺傳感器構建 169
10.2.2 程序解析 172
思考與作業 174

第11章 基於GPU並行訓練的強化學習 175
11.1 基於GPU並行訓練的強化學習知識部分 176
11.1.1 強化學習基本理論 176
11.1.2 共性神經網絡訓練框架簡介 180
11.1.3 基於PPO的腿足機器人訓練方法 181
11.2 基於GPU並行訓練的強化學習仿真實驗部分 187
11.2.1 環境配置 187
11.2.2 程序解析 192
11.2.3 仿真驗證 195
11.2.4 物理樣機驗證 197
思考與作業 200

參考文獻 200