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仿真中实现四足机器人动态步态切换

📚 共计 30 章节

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课程导论与仿真环境搭建

四足机器人发展现状、步态切换的核心挑战、Webots/MuJoCo环境配置。

运动学基础

正运动学与逆运动学求解、DH参数法、腿部工作空间分析。

运动学DH参数

动力学基础

牛顿-欧拉法、拉格朗日法、足端力分配与零力矩点（ZMP）概念。

静态步态规划

三脚支撑与四脚支撑的切换逻辑、重心投影法、静态稳定性判据。

静态步态稳定性

动态步态规划

Trot步态、Pace步态、Bound步态、Gallop步态的时序与相位分析。

动态步态时序

步态切换核心理论

步态相位图、状态机设计、切换过程中的动量与能量约束。

切换理论状态机

控制算法基础

PID控制、计算力矩控制、阻抗控制原理与仿真实现。

模型预测控制（MPC）入门

MPC基本原理、在四足机器人中的应用、线性化与凸优化。

全身控制（WBC）入门

任务优先级、二次规划求解、力与位置混合控制。

仿真中的传感器模型

IMU、关节编码器、足端力传感器、视觉/激光雷达的仿真配置。

传感器仿真

状态估计基础

卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、机身姿态与速度估计。

状态估计卡尔曼

步态切换中的轨迹生成

贝塞尔曲线、五次多项式、足端轨迹的平滑过渡。

Trot到Walk的平滑切换

速度匹配、相位插值、足端轨迹重规划。

Trot→Walk插值

Walk到Trot的加速切换

步频提升策略、支撑相与摆动相的时间压缩。

Walk→Trot加速

Trot到Pace的横向切换

侧向力平衡、身体侧倾控制、足端落点调整。

Trot→Pace侧向

Pace到Bound的纵向切换

前后腿协同、俯仰角控制、腾空相引入。

Pace→Bound纵向

Bound到Gallop的异步切换

四腿独立相位、对角耦合解耦、高速稳定性。

Bound→Gallop异步

紧急停止与跌倒恢复

急停策略、安全姿态恢复、自复位动作规划。

基于强化学习的步态切换

DRL基础、奖励函数设计、Sim-to-Real迁移。

强化学习DRL

步态切换中的能量优化

最小能耗轨迹、弹性元件利用、步态频率自适应。

地形自适应步态切换

坡度、台阶、崎岖地形的感知与步态调整。

地形自适应

多模态传感器融合步态切换

视觉+IMU+力传感器融合决策。

多模态融合

步态切换的实时性优化

算法加速、计算卸载、FPGA/GPU加速方案。

实时性加速

仿真中的硬件在环（HIL）测试

真实控制器与仿真环境的对接。

HIL硬件在环

步态切换的鲁棒性分析

参数摄动、外部扰动、模型失配下的稳定性。

鲁棒性稳定性

步态切换的故障诊断与容错

关节失效、传感器故障下的步态重构。

多机器人协同步态切换

编队行走、负载分配、协同避障。

多机器人协同

步态切换的仿真可视化

Webots/MuJoCo的可视化调试、数据记录与回放。

可视化调试

步态切换的性能评估指标

速度、能耗、稳定性、地形通过性。

综合项目实战

从零搭建一个完整的动态步态切换仿真系统。