人形机器人（原书第2版）

在科技日新月异的今天，机器人技术作为未来科技的重要组成部分，正以前所未有的速度改变着我们的生活和生产方式。而《人形机器人（原书第2版）》正是这样一本引领读者深入探索这一前沿领域的佳作。本书由领域内资深专家精心撰写，内容权威且全面。它不仅深入剖析了人形机器人的动力学与运动学原理，还结合实际应用案例，让读者能够直观理解复杂的技术理论。从基础的机械结构设计到高级的智能控制算法，本书都进行了详尽的阐述，为读者搭建起了一座从理论到实践的桥梁。对于机器人技术的研究人员、工程师以及高校教师和学生来说，《人形机器人（原书第2版）》无疑是一本不可多得的参考书。它不仅能够为专业人士提供最新的技术进展和研究成果，还能够帮助学生系统地掌握人形机器人技术的核心知识，为未来的科研和职业发展打下坚实的基础。同时，本书也适合对机器人技术感兴趣的普通读者。它以通俗易懂的语言和生动的插图，将复杂的技术原理变得易于理解，让读者在轻松愉快的阅读中感受到科技的魅力。

本书结合人形机器人研究中各类先进方法，系统地介绍了驱动人形机器人运动的基础知识、推导过程以及应用案例，阐述了人形机器人的运动学、动力学表示方法，解释了ZMP的概念及其与地面反作用力的关系，描述了人形机器人双足行走行为的生成和控制方法，并拓展了其他多种动作的实现方法，最后介绍了动力学建模、仿真和高效动力学的计算方法。

梶田秀司是日本的机器人研究者，获得东京工业大学工学博士学位。在产业技术综合研究所开发了人类机器人HRP-2和HRP-4C。实现了基于倒立摆的双足行走机器人的控制，以及基于运动量和角动量的人形机器人的全身控制。
他曾在东京工业大学机器人技术研究会工作，也担任过产业技术综合研究所机械技术研究所主任研究员,日本产业技术综合研究所智能系统研究部门主任研究员，现为中部大学的客座教授。

CONTENTS

目录


第2版前言

第1版前言

第1章人形机器人概论111人形机器人简介1

111什么是人形机器人1

112人形机器人历史2

12本书章节内容4

13人形机器人的研发动向5

131人类合作、共存型机
器人系统研发项目
（1998—2002）5

132类人形机器人研究
的扩大与扩展
（2005—2012）6

133核电站事故与DARPA
机器人挑战赛
(2011—2015)10

134DRC之后
（2015—2020）14

14展望17

15拓展：相关书籍17
第2章机器人运动学1921坐标变换19


211世界坐标系20

212局部坐标系和同次
变换矩阵20

213基于一个局部坐标
系定义另一个局部
坐标系22

214同次变换矩阵的
链式法则24

22旋转运动的性质24

221滚转、俯仰、偏转
的表现方式24

222旋转矩阵的含义26

223旋转矩阵的逆矩阵26

224角速度向量27

225旋转矩阵的微分和角
速度向量的关系30

226角速度向量的积分和
旋转矩阵的关系31

227矩阵对数函数32

23物体在三维空间的速度
和角速度33

231单个物体的速度和
角速度33

232两个物体的速度和
角速度34

24人形机器人的分割方法
和控制程序36


241分割方法36

242控制程序38

25人形机器人的运动学40

251模型的生成方法40

252从关节角度求连杆
位置和姿态:正向
运动学42

253从连杆的位置和
姿态求关节角度：
反向运动学44

254反向运动学的数值
解法47

255雅可比52

256雅可比的关节速度53

257奇异姿态56

258针对奇异姿态的
反向运动学计算57

259使用余因子矩阵
的方法60

26拓展：辅助函数61
第3章ZMP和机器人动

力学63
31ZMP和地面反作用力63

311ZMP63

312二维解析65

313三维解析67

32ZMP的测量70

321一般的情况71

322单脚支撑下的ZMP72

323双脚支撑下的ZMP75

33人形机器人的动力学76

331人形机器人的运动
与地面反作用力76

332动量78

333角动量79

334刚体的角动量和惯
性张量81

335计算整个机器人的
重心位置83

336计算机器人全身的
动量83

337计算机器人全身的
角动量84

34根据机器人的运动计算
ZMP85

341导出ZMP85

342近似计算ZMP86

35关于ZMP的注意事项88

351两个种类的说明88

352在重心的加速运动
中ZMP会脱离支撑
多边形吗89

353ZMP无法处理的
情况90

36ZMP的六维扩展CWS91

361接触力螺旋和CWS
的接触稳定性判定91

362ZMP和CWS的等
价性95

363CWC的楼梯接触
稳定性判定99

37拓展:凸集和凸包100

371凸集  （convex set）100

372凸包 (convex hull)
100
第4章双足行走102
41如何实现双足行走102

42二维步态模式103

421倒立摆103

422线性倒立摆的动作106

423轨道能108

424通过切换支撑腿
进行控制109

425规划一个简单的
步态模式110

426扩展到不平表面112

43三维步态模式115

431三维线性倒立摆115

432生成三维步态
模式117

433引入双腿支撑期124

434从线性倒立摆到
多连杆模型126

435应用于实际机
器人126

44生成以ZMP为规
范的步态模式128

441台面/小车模型128

442离线生成步态模式130

443在线生成步态模式132

444使用预见控制的
动力学滤波器137

45步态稳定控制系统139

451重心和ZMP测量140

452重心和ZMP反馈143

453ZMP分配144

454地面反作用力