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| 編輯推薦： |
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。
ROBO-ONE委员会编著的《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。
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| 內容簡介： |
《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MATLABSimulink，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。
《双足步行机器人仿真设计》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。
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| 目錄：
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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 实时工作间嵌入式代码
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Inventor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MATLABSimulink的控制模块
4.1 MATLABSimulink简介
4.1.1 MATLAB产品家族的组成
4.1.2 MATLAB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 LQG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
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| 內容試閱：
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第一章 基于模型的集成开发
1.1 什么是集成开发
在机器人制作中，把从CAD开始到结构分析、机构分析及控制的全过程集成起来，可以高效地进行机器人开发。“集成”的意思就是在这些开发过程中使用不同软件，使每一个过程各有所长。CAD是用于实现CAD设计的软件，其使用性能优良并适用于不同专业领域，同时也是用于机构分析、结构分析最好的软件。这里，从上游到下游的设计数据必须集成起来使用。所以，把不同厂家的软件集成起来使用就叫做集成开发（图1.1）。
这里，CAD采用的是Autodesk Inventor软件，结构与机构分析采用的是MSC.visualNastran 4D软件，而控制采用的是MATLABSimulink软件环境。将这几种不同的软件协同起来使用不仅能提高开发效率，而且不用重复创建模型。同时，也会大幅度减少资源浪费。
1.2 机器人开发的流程
业余爱好者在进行机器人开发时，可以按下面的步骤进行：
（1）机器人整体结构设计；
（2）画图纸；
（3）制作零部件；
（4）组装机器人；
（5）编写步行动作程序。
如果由于结构与强度的问题而导致机器人动不起来，就只能返回（1）重新开始。很多人便会认为双足机器人太难而放弃，也有一些人在花费了很多工夫之后还是无法使机器人动起来。
双足步行机器人中常常使用多个伺服电机，因此连接这些伺服电机的元器件会比一般机器人中的零件数目多出很多，要在软件中解决这些问题是非常令人头痛的事情。如果只是轻量化制作的话，软件开发就会变得轻松些。可是，要让机器人动起来，就必须确定各部分的强度和伺服电机的转矩。而现在，我们不需要再制作出真实模型后编程演示，运用基于模型的集成开发就可以了。
基于模型的集成开发流程如下：
（1）设计机器人的草图；
（2）画设计图；
（3）导入机构分析软件；
（4）编写软件；
（5）编制步行程序；
（6）进行机构分析，求出所需力矩；
（7）进行结构分析；
（8）提高强度或轻量化。
重复以上过程，提高完成度。至此，就是所谓的虚拟开发。
（9）制作零部件；
（10）装配；
（11）将写好的程序，下载代码到CPU中，机器人就会动起来。
根据以上流程，我们可以结合自己所预期的机器人动作情况计算伺服电机的转矩、结构体的强度以及所需CPU的能力等。这样，可以大大降低元器件购置时的选型错误或无谓的重复试制带来的损失。并且，编写程序的语言也较容易理解，有助于机器人进一步智能化。
1.3 CAD
现在，CAD已经被普遍使用，特别是随着三维建模的进一步普及，其三维设计图中也增加了所包含的多种数据信息。所以，如果知道材料，我们可以求出从形状到质量、重心位置等各种各样的物理量。并且，在装配状态下可以进行干涉检查或动作检查。把这些三维数据传送到机构分析软件或结构分析软件中，再把这些过程串起来，在PC上进行反复分析、修正，就能使设计过程大大缩短。图1.2是Inventor的例子。
1.4 CAE
CAE（Computer Aided Engineering）就是通过PC进行开发，尤其是在结构分析领域，宏观一点地说就是虚拟开发，即在PC上进行制作。本书中将采用MSC.visualNastran 4D进行结构分析和机构分析。
1.4.1 结构分析
计算零部件的强度或振动时常采用有限元法。有限元法就是把复杂零部件的形状分割成许多小单元，再把这些单元组合起来计算整体的应力和应变。这种方法可以实现高强度设计和轻量化。图1.3是结构分析的实例。
1.4.2 机构分析
在机构分析中，可以对连杆机构等运动学模型进行分析，还可以使机器人在PC上动作。在每个关节处安装伺服电机，根据输入的数据进行动作（图1.4）。这里，伺服电机与编程语言Simulink连接，通过Simulink 给定各个关节的角度，机器人就可以在PC上显示给定运动。
1.5 Simulink
1.5.1 MBD
最近，各个企业都开始在推广基于模型的开发（Model Base Development）。在这些工作中以基于使用Simulink的程序开发，对开发的全过程通过Simulink进行建模。把这些有效的手段集成到一起，通过虚拟制作，就会缩短开发周期、降低开发成本。
1.5.2 Simulink简介
Simulink是组装模块、编写程序的一个工具。如图1.5所示，使用配置的虚拟示波器可像真实示波器那样显示计算结果。用Fortran、C语言编写，更便于理解，可以简洁地表示计算过程。并且，如图所示的程序格式简单易懂。
1.5.3 与MSC.visualNastran 4D的协同
一般在开发控制程序时，要把控制对象模型化，进而评价其程序的合理性。可是，对控制对象建模是一项非常麻烦的事情。在力学建模时，可以通过Inventor把设计的模型导入MSC.visualNastran 4D中，并将这个模型作为控制对象。图1.6是把MSC.visualNastran 4D连接到Simulink中添加的S-Function程序。这个函数可以输出需要的控制信息，输入用于控制的数据，以此验证控制的正确性。
1.5.4 实时工作间嵌入式代码
在Simulink中开发的程序可以通过实时工作间下载到C语言中。只要将输入输出设定成与所使用的微处理器相对应，就可以使机器人按预定动作运动。并且，在实时工作间嵌入式代码（Real-Time Workshop Embedded Coder）中，会生成与CPU对应的代码。图1.7是Power PC的开发环境。
上面简单介绍了集成MBD。从下一章开始，进一步详细介绍。
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