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第1章 绪论1

1.1 研究背景和研究意义1

1.2 生物蛇4

1.2.1 蛇的解剖结构4

1.2.2 蛇的运动6

1.3 蛇形机器人的建模、机电设计和控制技术的研究现状8

1.3.1 蛇形机器人的建模与分析的研究现状8

1.3.2 物理蛇形机器人的实现方法的研究现状13

1.3.3 蛇形机器人控制的研究现状17

1.4 本书的研究范围22

1.4.1 分析方法22

1.4.2 无固定基面的蛇形机器人22

1.4.3 二维视角22

1.4.4 无侧滑约束的运动23

1.4.5 基于蜿蜒爬行的运动23

1.5 本书大纲23

1.5.1 第一篇大纲——蛇形机器人平面运动24

1.5.2 第二篇大纲——复杂环境中的蛇形机器人移动26

1.6 与本书相关的出版物27

第一篇 蛇形机器人平面运动30

第2章 蛇形机器人平面运动的一个复杂模型30

2.1 本章与现有文献之间的联系30

2.2 基本符号31

2.3 蛇形机器人的参数32

2.4 蛇形机器人运动学33

2.5 地面摩擦力模型35

2.5.1 地面摩擦力模型以及作用35

2.5.2 库仑摩擦力模型36

2.5.3 黏滞摩擦力模型37

2.6 蛇形机器人动力学38

2.7 被驱动和非驱动动力学的分离40

2.8 模型的局部反馈线性化42

2.9 本章小结44

第3章 机械式平面移动蛇形机器人研制45

3.1 本章与现有文献之间的联系45

3.2 关节驱动机构46

3.3 从动轮48

3.4 电源及控制系统49

3.5 实验装置49

3.6 本章小结50

第4章 蛇形机器人运动的分析与合成51

4.1 本章与现有文献之间的联系51

4.2 非线性可控性分析介绍52

4.3 平面蛇形机器人的稳定性特征55

4.4 平面机器人可控性分析56

4.4.1 各向同性黏性摩擦可控性56

4.4.2 各向异性黏性摩擦可控性56

4.5 蛇体移动过程的推力分析60

4.6 蛇形机器人的推进运动合成63

4.7 蜿蜒爬行步态模式66

4.8 关节控制系统67

4.8.1 简单关节控制器68

4.8.2 指数稳定关节控制器68

4.9 蜿蜒爬行过程中的转弯运动分析68

4.10 蜿蜒爬行中连续连杆间的相对运动分析71

4.11 本章小结72

第5章 基于庞加莱映射的蛇形机器人路径跟踪控制与分析73

5.1 本章与现有文献之间的联系74

5.2 庞加莱映射介绍75

5.2.1 庞加莱映射的概述75

5.2.2 庞加莱映射的实际应用76

5.3 蛇形机器人的直线路径跟踪控制78

5.3.1 控制目标78

5.3.2 直线路径跟踪控制器78

5.4 基于庞加莱映射的路径跟踪控制的稳定性分析80

5.4.1 把蛇形机器人模型转化为一个时间周期的自治系统80

5.4.2 蛇形机器人庞加莱截面技术参数81

5.4.3 庞加莱映射的稳定性分析81

5.5 仿真研究：路径跟踪控制器的性能表现83

5.6 本章小结84

第6章 蛇形机器人在平面运动的一个简化模型85

6.1 本章与现有文献之间的联系85

6.2 建模方法概述86

6.3 蛇形机器人运动学88

6.4 地面摩擦力模型90

6.5 蛇形机器人的动力学93

6.5.1 蛇形机器人的平移动力学93

6.5.2 蛇形机器人的旋转动力学94

6.6 完整的蛇形机器人的简化模型95

6.7 简化模型的讨论97

6.7.1 简化模型的应用97

6.7.2 简化的运动学的精确性97

6.7.3 地面摩擦模型的精确性问题97

6.7.4 旋转动力学的精确性问题98

6.8 简化模型的稳定性分析98

6.9 简化模型的可控性分析99

6.10 仿真研究：简化模型与复杂模型的比较102

6.10.1 仿真参数102

6.10.2 在复杂模型和简化模型中关节坐标的关系102

6.10.3 直线运动的比较103

6.10.4 转弯运动的比较104

6.11 本章小结107

第7章 基于平均理论对蛇形机器人运动的分析108

7.1 本章与现有文献之间的联系108

7.2 平均理论的介绍109

7.3 蜿蜒爬行过程中的速度动力学110

7.4 蜿蜒爬行中的平均速度动力学112

7.5 在蜿蜒爬行中速度动力学的稳定状态行为113

7.6 在蜿蜒爬行中步态参数和前向速度的关系114

7.7 仿真研究：初始速度和平均速度动力学的比较115

7.7.1 仿真参数115

7.7.2 仿真结果116

7.8 仿真研究：步态参数和前向速度之间关系的研究117

7.8.1 仿真参数118

7.8.2 仿真结果119

7.9 实验研究：步态参数和前向速度之间关系的研究122

7.9.1 实验设置122

7.9.2 实验结果124

7.10 本章小结126

第8章 级联蛇形机器人路径跟踪控制127

8.1 本章和现有文献之间的联系128

8.2 数学基础128

8.3 蛇形机器人的直线路径跟踪控制130

8.3.1 控制目标130

8.3.2 假设131

8.3.3 模型转化131

8.3.4 直线路径跟踪控制器133

8.3.5 路径跟踪控制器的稳定性特性135

8.3.6 定理8.2 的证明136

8.4 蛇形机器人的曲线路径跟踪控制140

8.4.1 对于曲线路径跟踪控制器的评价140

8.4.2 曲线路径跟踪控制器140

8.5 蛇形机器人的路径点导航控制141

8.5.1 方法的描述141

8.5.2 路径点导引策略142

8.6 仿真研究：直线路径跟踪控制器的性能143

8.6.1 仿真参数143

8.6.2 仿真结果144

8.7 实验研究：直线路径跟踪控制器的性能145

8.7.1 实现问题145

8.7.2 物理蛇形机器人路径跟踪控制器的仿真146

8.7.3 实验结果147

8.8 仿真研究：路径点导航策略的性能154

8.8.1 简化模型导航策略的仿真154

8.8.2 复杂模型导航策略的仿真154

8.8.3 仿真结果155

8.9 本章小结156

第二篇 蛇形机器人在复杂环境中的运动158

第9章 引言158

第10章 蛇形机器人在复杂环境中运动的混合模型161

10.1 本章和现有文献之间的联系162

10.2 混合动力学系统和互补系统163

10.2.1 混合动力学系统建模163

10.2.2 互补系统164

10.3 无障碍条件下蛇形机器人的动力学系统165

10.3.1 地面摩擦力模型165

10.3.2 无障碍运动公式166

10.4 接触力建模方法概述167

10.5 与障碍物碰撞和分离的检测170

10.6 受约束运动中蛇形机器人的连续动力学171

10.6.1 障碍物的单边约束171

10.6.2 无障碍物摩擦力条件下的蛇形机器人受约束动力学173

10.6.3 有障碍物摩擦力条件下的蛇形机器人受约束动力学174

10.7 蛇形机器人在与障碍物碰撞和分离过程中的不连续动态特性176

10.7.1 蛇形机器人与障碍物碰撞过程中的不连续动态特性176

10.7.2 蛇形机器人与障碍物分离时的不连续动态特性177

10.8 有障碍物环境下的蛇形机器人完整混合模型178

10.8.1 离散集178

10.8.2 离散集映射179

10.8.3 连续集179

10.8.4 连续集映射179

10.8.5 小结180

10.9 仿真研究：用实验与仿真结果与现有文献中的混合模型进行比较180

10.10 本章小结182

第11章 障碍辅助运动的蛇形机器人开发183

11.1 本章与现有文献之间的联系183

11.2 蛇形机器人设计综述184

11.3 外滑移面185

11.4 接触力测量系统186

11.4.1 传感器系统的基本假设186

11.4.2 传感系统装置186

11.4.3 接触力的计算188

11.5 电源和控制系统189

11.5.1 电源系统189

11.5.2 控制系统191

11.6 蛇形机器人的性能192

11.6.1 接触力测量系统的实验验证192

11.6.2 蛇形机器人运动模式演示194

11.7 实验设置195

11.8 测量接触力的另一种方法195

11.9 本章小结197

第12章 障碍辅助运动的混合控制198

12.1 本章与现有文献之间的联系199

12.2 混合控制器的初步说明200

12.3 控制目标200

12.4 符号及基本假设201

12.5 障碍辅助运动的混合控制202

12.5.1 主从控制方案202

12.5.2 阻塞检测方案204

12.5.3 阻塞解决方案204

12.5.4 关节角度控制器205

12.5.5 完整的混合控制器206

12.6 闭环系统概述208

12.7 仿真研究：混合控制器的性能209

12.7.1 仿真参数209

12.7.2 在结构化的有障碍物环境下侧摆和起伏运动的开环控制210

12.7.3 在有障碍物环境中的混合控制器210

12.8 实验研究：混合控制器的性能213

12.8.1 实验设置213

12.8.2 实验结果213

12.9 本章小结220

第13章 复杂环境中蛇形机器人的路径跟踪控制221

13.1 本章与现有文献之间的联系222

13.2 蛇形机器人运动控制的架构222

13.3 复杂环境中的直线路径跟踪运动控制223

13.3.1 控制目标224

13.3.2 符号与基本假设224

13.3.3 体波分量225

13.3.4 环境自适应分量226

13.3.5 方向控制分量228

13.3.6 关节角控制器228

13.3.7 对路径跟踪控制器的总结229

13.4 复杂环境下的路径点导航控制229

13.5 仿真研究：路径跟踪控制器的性能230

13.5.1 仿真参数230

13.5.2 仿真结果231

13.6 实验研究：环境自适应策略的性能表现233

13.6.1 实验设置233

13.6.2 实验结果234

13.7 本章小结239

第14章 蛇形机器人运动在未来所面临的研究难点240

14.1 控制设计难点240

14.2 硬件设计难点242

附录A 引理8.2 的证明245

附录B 引理8.3 的证明247

附录C 低通滤波参考模型248

C.1 一个2阶低通滤波参考模型248

C.2 一个3阶低通滤波参考模型249

术语250

参考文献252

索引262