仿人機器人理論與技術（簡體書）

《仿人機器人理論與技術》是清華大學機器人及其自動化實驗室在仿人機器人領域多年研究成果的總結。它系統介紹了仿人機器人的基本原理及主要技術，主要內容包括： 仿人機器人概論； 仿人步行的數學表示方法； 仿人機器人的穩定性理論； 仿人機器人的運動規劃； 仿人機器人的步行信息感知與傳感反射控制； 仿人機器人的仿生控制。
《仿人機器人理論與技術》可供從事足式移動機器人研究的科研人員、相關專業的研究生或本科高年級學生使用。

陳懇，清華大學教授，博士生導師。1981年畢業于四川大學，獲學士學位；1984年和1987年畢業于浙江大學，分別獲碩士學位和博士學位.1991-1995年在美國伊利諾伊大學和普度大學任客座教授和研究員。主要從事機器人與仿生學、特種機器人技術與應用、機電系統集成與自動化方面的研究。負責完成機器人及其自動化相關領域科研課題60余項；獲國家發明專利30項；發表學術論文200余篇；主（合）編專著和教材7部。獲首屆中國青年科技獎、軍隊科技進步二等獎和北京市教學成果一等獎。現任清華大學摩擦學國家重點實驗室和國家計算機集成製造工程中心副主任；兼任中國自動化、宇航和航空學會機器人與機械電子專業委員，《機器人》雜志編委，國家和機械工業科技獎評審專家和委員。
付成龍，清華大學精密儀器與機械學系助理研究員。2002年畢業于同濟大學，獲學士學位；2007年畢業于清華大學，獲博士學位。主要從事仿人機器人與仿生機器人領域的研究。發表學術論文30余篇；申請國家發明專利14項；獲2007年度中國機械工程學會優秀論文獎，2007年度中國機械工程學會年會青年優秀論文獎，2009年清華大學青年教師教學優秀獎。

1 仿人機器人概論
1.1 仿人機器人的基本概念
1.1.1 自由度配置
1.1.2 驅動方式
1.1.3 足部機構
1.1.4 傳感器
1.2 仿人機器人的發展歷程及現狀
1.2.1 主動型仿人機器人的發展歷程及現狀
1.2.2 被動型仿人機器人的發展歷程及現狀
1.3 存在的挑戰
1.4 本書各章節的內容安排
參考文獻

2 仿人步行的數學表示方法
2.1 引論
2.2 仿人機器人的運動學建模
2.2.1 THBIP-Ⅰ仿人機器人
2.2.2 坐標系定義與方向余弦矩陣
2.2.3 位置模型
2.2.4 各剛體的角速度
2.2.5 各剛體的角加速度
2.2.6 各剛體的質心速度
2.2.7 各剛體的質心加速度
2.3 仿人機器人的動力學建模
2.3.1 正向動力學求解——拉格朗日方法
2.3.2 逆向動力學求解——牛頓-歐拉方法
2.3.3 動力學問題的符號自動推導
2.4 地面碰撞建模
2.4.1 碰撞的假設條件
2.4.2 碰撞過程推導
2.5 仿人機器人的整體步行模型
2.5.1 變維數混雜自動機
2.5.2 若干假設
2.5.3 正常平地前向步行的可能形式
2.6 小結
參考文獻

3 仿人機器人的穩定性理論
3.1 引論
3.2 現有的步行穩定性判據及其局限性
3.2.1 ZMP穩定性判據
3.2.2 龐加萊回歸映射穩定性理論
3.2.3 質心角動量判據
3.3 雙足步行穩定性及其降維方法
3.3.1 雙足步行穩定性的直觀表述及其數學定義
3.3.2 生成不摔倒運動的方法
3.3.3 雙足步行穩定性的降維原理和降維方法
3.3.4 降維后的任務空間模型
3.4 任務空間的穩定性判據
3.4.1 任務空間模型的基本假設與若干定義
3.4.2 截面序列及其與混雜狀態軌線的等價性
3.4.3 截面映射及其同胚的解析形式
3.4.4 截面映射穩定性判據
3.4.5 有腳雙足機器人的仿真算例
3.5 穩定性判據的應用(一)：行走模式規劃
3.5.1 欠驅動雙足機器人的步行數學模型
3.5.2 參數化的行走模式
3.5.3 行走性能指標及其圖集
3.5.4 基於指標圖集的行走模式規劃
3.5.5 實驗結果
3.6 穩定性判據的應用(二)：行走模式轉換
3.6.1 行走模式一步轉換
3.6.2 行走模式多步轉換
3.6.3 實驗結果
3.7 小結
參考文獻

4 仿人機器人的運動規劃
4.1 引論
4.2 無環境約束下的運動規劃
4.2.1 完整雙足步行的三維運動描述
4.2.2 約束動力學模型
4.2.3 穩定性約束與參數優化
4.2.4 仿真研究
4.2.5 實驗結果
4.3 局部環境約束下的運動規劃與控制
4.3.1 仿人機器人爬樓梯時的運動方程
4.3.2 上下樓梯的步態綜合
4.3.3 感覺回饋控制
4.3.4 實驗結果
4.4 復雜非結構化環境約束下的運動規劃與控制
4.4.1 足跡規劃的數學表述與足跡規劃器
4.4.2 基於復合足跡轉換模型的確定性足跡規劃方法
4.4.3 數值規劃實驗及分析
4.5 小結
參考文獻

5 仿人機器人的步行信息感知與傳感反射控制
5.1 引論
5.2 仿人機器人的ZMP-CoP檢測系統
5.2.1 THBIP-Ⅰ仿人機器人的CoP數學模型
5.2.2 ZMP-CoP檢測系統的組成
5.2.3 系統準確性驗證實驗
5.2.4 基於ZMP-CoP檢測系統的行走實驗研究
5.3 仿人機器人的姿態檢測系統
5.3.1 捷聯慣性導航系統的基本原理
5.3.2 THBIP-Ⅰ仿人機器人姿態解算的數學模型
5.3.3 系統組成及仿真研究
5.4 基於傳感反射的運動生成與步行控制
5.4.1 基於傳感反射的在線步態生成問題的提出
5.4.2 初始步行模式發生器
5.4.3 狀態轉換
5.4.4 傳感反射的數學描述
5.4.5 基於傳感反射步態生成的特性分析
5.4.6 環境適應性分析
5.5 小結
參考文獻

6 仿人機器人的仿生控制
6.1 引論
6.2 全局穩定的相關問題
6.2.1 任務空間的周期運動狀態
6.2.2 步幅分叉與關節協調
6.3 仿生控制策略
6.3.1 整體思路
6.3.2 節律運動
6.3.3 姿態保持
6.4 步行仿真
6.5 步行特性分析
6.5.1 穩定性
6.5.2 運動特性
6.5.3 參數選擇策略
6.6 樣機設計與步行實驗
6.6.1 機械結構
6.6.2 驅動系統
6.6.3 控制系統
6.6.4 步行實驗
6.7 小結
參考文獻
結束語