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四足机器人运动学建模与仿真调试

📚 共计 30 章节

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绪论与课程概览

四足机器人发展史、运动学基础概念、课程目标与仿真环境介绍。

刚体运动学基础

坐标系与变换、旋转矩阵、欧拉角、四元数、齐次变换矩阵。

数学基础坐标变换

四足机器人腿部结构分析

常见构型（犬式、猫式）、自由度配置、关节类型与运动范围。

构型自由度

单腿正运动学建模

基于D-H参数法的单腿连杆坐标系建立与变换矩阵推导。

D-H参数正运动学

单腿逆运动学求解

几何法与解析法求解关节角度，多解选择策略。

逆运动学解析法

机身运动学建模

机身位姿描述、机身与腿部的耦合关系、基坐标系定义。

四足机器人整体运动学

单腿运动学与机身运动学的整合，足端位置相对于机身的表达。

整合足端位置

步态规划基础

步态周期、占空比、相位差、常见步态（walk、trot、pace、gallop）介绍。

Trot步态运动学规划

Trot步态时序、足端轨迹规划（摆线、复合摆线）、关节角度插值。

Trot轨迹规划

Walk步态运动学规划

Walk步态时序、重心投影与稳定性判据、足端轨迹生成。

Bound与Gallop步态运动学规划

高速步态特点、腾空相与支撑相规划、运动学约束。

高速步态腾空相

足端轨迹规划

摆线轨迹、贝塞尔曲线、B样条曲线在足端轨迹中的应用。

轨迹贝塞尔

雅可比矩阵与速度运动学

雅可比矩阵的推导、奇异性分析、关节速度与足端速度映射。

雅可比速度

静力学与力分配

足端力与关节力矩的关系、力分配策略、支撑多边形与重心投影。

静力学力分配

运动学仿真环境搭建

基于Python的仿真框架（PyBullet、MuJoCo）安装与配置。

仿真模型构建

URDF模型文件编写、关节与连杆参数定义、碰撞与惯性属性设置。

正运动学仿真验证

在仿真环境中实现单腿正运动学，验证D-H参数与变换矩阵。

验证正运动学

逆运动学仿真验证

在仿真环境中实现单腿逆运动学，验证关节角度求解正确性。

验证逆运动学

步态仿真调试

Trot步态在仿真环境中的实现与调试，常见问题（足端滑移、机身抖动）分析。

机身姿态控制仿真

基于运动学的机身姿态调整（俯仰、横滚、偏航）仿真实现。

运动学参数标定

实际机器人运动学参数误差来源、标定方法与仿真验证。

运动学性能分析

工作空间分析、灵巧度指标、运动学优化设计。

性能工作空间

多足协调运动学

对角步态与同侧步态的协调控制、相位锁定与解锁。

地形适应运动学

基于运动学的地形感知、足端自适应调整、越障策略。

地形自适应

运动学与动力学耦合

运动学输出作为动力学输入、力矩前馈与运动学补偿。

实时运动学解算

嵌入式平台上的运动学解算优化、计算效率与精度平衡。

实时嵌入式

运动学调试工具开发

可视化工具（RViz、Matplotlib）显示关节角度、足端轨迹与机身位姿。

运动学故障诊断

常见运动学故障（关节限位碰撞、奇异点穿越）的检测与处理。

故障奇异点

综合项目：四足机器人行走仿真

从运动学建模到步态规划再到仿真调试的完整流程。

课程总结与展望

运动学在四足机器人中的核心地位、未来发展趋势与研究方向。