本书由来自日本的三位机器人专家撰写，主要讲解仿人机器人的分析、设计和控制中使用的模型。首先介绍仿人机器人领域的发展历史，总结当前的先进成果。接下来介绍运动学、静力学和动力学相关的理论基础，并对双足平衡控制方法进行了综述。然后讨论多指手机器人、双臂机器人和多机器人系统的协作物体操作的模型和控制算法。之后介绍仿人机器人的运动生成和控制，以及这些技术的应用。最后介绍仿真环境，并提供使用基于MATLAB的模拟器进行动力学仿真的详细步骤。本书要求读者具备一定的背景知识，适合进阶阶段的研究人员阅读。
译者序
前言
致谢
第1章绪论
1.1发展历史
1.2仿人机器人设计的发展趋势
1.2.1仿人机器人的人形特征
1.2.2仿人机器人设计中的权衡
1.2.3仿人机器人的人性化设计
1.3仿人机器人的特征
1.4仿人机器人的相关研究
1.4.1运动冗余、任务约束和最优逆运动学解
1.4.2约束多体系统和接触建模
1.4.3多指手和双臂操作物体
1.4.4浮动基座上的欠驱动系统
1.4.5其他相关领域的研究
1.5先修知识和章节安排
参考文献
第2章运动学
2.1引言
2.2运动学结构
2.3正运动学和逆运动学问题
2.4微分运动学
2.4.1运动旋量、空间速度和空间变换
2.4.2正微分运动学
2.4.3逆微分运动学
2.5奇异构型下的微分运动学
2.6可操作性椭球
2.7运动学冗余
2.7.1自运动
2.7.2逆运动学问题的通解
2.7.3加权广义逆
2.7.4基于梯度投影的冗余分解
2.7.5基于扩展雅可比矩阵的冗余分解
2.8多任务约束下的逆运动学解
2.8.1运动任务约束
2.8.2多任务冗余分解法
2.8.3迭代优化法
2.8.4总结与讨论
2.9接触产生的运动约束
2.9.1接触关节
2.9.2接触坐标系
2.9.3无摩擦接触关节的运动学模型
2.10封闭链的微分运动学
2.10.1闭环支链的瞬时运动分析
2.10.2逆运动学解
2.10.3正运动学解
2.11仿人机器人的微分运动关系
2.11.1准速度、完整接触约束和非完整接触约束
2.11.2基于基础准速度表示的一阶微分运动关系
2.11.3二阶微分运动约束及其可积性
2.11.4具有混合准速度的一阶微分运动关系
2.11.5总结与讨论
参考文献
第3章静力学
3.1引言
3.2力旋量和空间力
3.3接触关节：静力学关系
3.3.1无摩擦接触关节的静力学模型
3.3.2有摩擦的接触关节模型
3.3.3接触关节的运动/力对偶关系
3.4独立闭环链的动力学关系
3.4.1接触力旋量的正交分解
3.4.2闭环连杆力旋量和根连杆力旋量的正交分解
3.4.3肢体关节扭矩的分解
3.5力旋量分布问题
3.5.1力旋量分布问题的通解
3.5.2内力/内力矩：虚拟连杆模型
3.5.3确定环中的关节扭矩
3.5.4广义逆的选择
3.5.5关节扭矩分量中的优先级
3.6仿人机器人的运动静力学关系
3.6.1复合刚体及其力旋量
3.6.2相互依赖的闭环
3.6.3独立闭环
3.6.4关节扭矩的确定
3.6.5说明性示例
3.6.6总结与讨论
3.7静态姿势的稳定性和优化
3.7.1静态姿势稳定性
3.7.2静态姿势优化
3.8姿势描述和对偶关系
参考文献
第4章动力学
4.1引言
4.2欠驱动机器人动力学
4.3平面上简单的欠驱动模型
4.3.1线性倒立摆模型
4.3.2足部建模：由压力中心驱动的质心动力学
4.3.3线性反作用轮摆模型和角动量转轴
4.3.4反作用质量摆模型
4.3.5平面上的多连杆模型
4.4简单的三维欠驱动模型
4.4.1可变长度的三维倒立摆
4.4.2球形足上倒立摆模型和平面上球体模型
4.4.3三维反作用轮摆模型
4.4.4三维反作用质量摆模型
4.4.5三维多连杆模型
4.5固定基座机械臂的动力学模型
4.5.1关节空间坐标下的动力学模型
4.5.2空间坐标下的动力学模型
4.5.3具有动力学解耦分级结构的零空间动力学
4.6零重力下自由漂浮机械臂的空间动量
4.6.1历史背景
4.6.2空间动量
4.6.3关节锁定：复合刚体
4.6.4关节解锁：多体符号
4.6.5自由漂浮机械臂的瞬时运动
4.7基于动量的冗余分解
4.7.1动量平衡原理
4.7.2基于空间动量的冗余分解
4.7.3基于角动量的冗余分解
4.7.4零重力下自由漂浮仿人机器人的运动
4.8零重力下自由漂浮机械臂的运动方程
4.8.1用基座准速度表示
4.8.2用混合准速度表示
4.8.3用质心准速度表示
4.9基于反作用零空间的逆动力学
4.10仿人机器人的空间动量
4.11仿人机器人的运动方程
4.12约束力消元法
4.12.1高斯最小约束原理
4.12.2直接消元法
4.12.3Maggi方程（零空间投影法）
4.12.4范围空间投影法
4.12.5总结与结论
4.13运动方程的简化形式
4.13.1基于关节空间动力学的表示
4.13.2基于空间动力学的表示（LagrangedAlembert公式）
4.13.3末端连杆空间坐标中的运动方程
4.13.4总结与讨论
4.14逆动力学
4.14.1基于直接消元法/高斯法/Maggi法/投影法
4.14.2基于LagrangedAlembert公式
4.14.3基于关节空间动力学的消元法
4.14.4总结与讨论
参考文献
第5章平衡控制
5.1概述
5.2动态姿势稳定性
5.3足上倒立摆稳定性分析
5.3.1外推质心和动态稳定裕度
5.3.2外推质心动力学
5.3.3具有跃迁的离散状态
5.3.4二维动态稳定区域
5.4平坦地面上的ZMP操作型稳定化
5.4.1ZMP操作型稳定器
5.4.2基于速度的三维ZMP操作型稳定化
5.4.3ZMP调节器式稳定器
5.4.4存在地面反作用力估计时滞的ZMP稳定化
5.4.5躯干位置顺应性控制
5.5基于捕获点的分析和稳定化
5.5.1捕获点和瞬时捕获点
5.5.2基于ICP的稳定化
5.5.3存在地面反作用力估计时滞的瞬时捕捉点的稳定化
5.5.4二维ICP的动力学方程和稳定化
5.6角动量分量的稳定性分析和稳定化
5.6.1基于LRWP模型的稳定性分析
5.6.2三维稳定性分析：运动的发散分量
5.6.3DCM稳定器
5.6.4总结与讨论
5.7基于最大输出可允许集的稳定化
5.8基于空间动量及其变化率的平衡控制
5.8.1平衡控制中的基本功能依赖关系
5.8.2解析动量控制
5.8.3相对角动量/速度的全身平衡控制
5.8.4基于RNS的不稳定姿势稳定化
5.8.5解析的动量框架内接触稳定的方法
5.8.6由CMP/VRP参数化的空间动量速率稳定化
5.8.7具有渐近稳定性的CRB运动轨迹跟踪
5.9用于平衡控制的任务空间控制器设计
5.9.1通用任务空间控制器结构
5.9.2优化任务表述和约束
5.10非迭代身体力旋量分配方法
5.10.1基于伪逆的身体力旋量分布
5.10.2ZMP分配器
5.10.3比例分配法
5.10.4DCM广义逆
5.10.5VRP广义逆
5.10.6基于关节扭矩的接触力旋量优化
5.11基于非迭代空间动力学的运动优化
5.11.1利用CRB力旋量一致的输入进行独立的运动优化
5.11.2角动量阻尼稳定
5.11.3利用基于任务的手部运动约束进行运动优化
5.12非迭代全身体运动/力优化
5.12.1基于闭链模型的多接触运动/力控制器
5.12.2基于操作空间公式的运动/力优化
5.13响应弱外部干扰的反应性平衡控制
5.13.1基于重力补偿的被动式全身顺应性
5.13.2具有多个接触和被动性的全身顺应性
5.13.3全身顺应性的多接触运动/力控制
5.14平衡控制中的迭代优化
5.14.1历史背景
5.14.2基于SOCP的优化
5.14.3迭代接触力旋量优化
5.14.4迭代空间动力学优化
5.14.5基于完整动力学的优化
5.14.6混合迭代/非迭代优化方法
5.14.7计算时间要求
参考文献
第6章协作物体的操作与控制
6.1引言
6.2多指手抓握
6.2.1抓握矩阵和手部雅可比矩阵
6.2.2静态抓握
6.2.3约束类型
6.2.4形状闭合
6.2.5力闭合
6.3多臂抓握物体的操作控制方法
6.3.1多臂物体操作的背景
6.3.2多臂协作的动力学和静力学研究
6.3.3施加到被抓握物体上的力和力矩
6.3.4载荷分布
6.3.5外部与内部力旋量的控制
6.3.6混合位置/力控制
6.4多个仿人机器人之间的协作
6.4.1在线足迹规划
6.4.2手脚协同运动
6.4.3主从式协作和对称式协作
6.4.4主从式协作物体操作
6.4.5对称式协作物体操作
6.4.6主从式协作与对称式协作的比较
6.5双臂动态物体操作控制
6.5.1物体的运动方程
6.5.2控制器
参考文献
第7章运动生成和控制：特定主题的应用
7.1概述
7.2基于ICP的步态生成和行走控制
7.2.1基于CP的行走控制
7.2.2基于CP的步态生成
7.2.3ICP控制器
7.2.4基于CP的步态生成与ZMP控制
7.3在沙地上双足行走
7.3.1沙地行走的落地位置控制
7.3.2在沙地上行走的实验
7.3.3总结与讨论
7.4不规则地形的生成和基于VRPGI的行走控制
7.4.1连续双支撑步态生成
7.4.2脚跟到脚趾步态生成
7.4.3仿真
7.5基于协同的运动生成
7.5.1原始运动协同效应
7.5.2原始协同效应的组合
7.5.3使用单指令输入生成多个协同效应
7.6基于协同的平面模型反应性平衡控制
7.6.1人类使用的平衡控制的运动协同效应
7.6.2基于RNS的反作用协同效应
7.6.3矢状面踝关节/髋关节协同效应
7.6.4侧平面踝关节、加载/卸载和抬腿协同效应
7.6.5横向平面扭转协同效应
7.6.6通过简单的叠加获得复杂的反应性协同效应
7.6.7总结与讨论
7.7利用全身模型获得反应性协同效应
7.7.1简单动态转矩控制器产生的反应性协同效应
7.7.2对加载/卸载和抬腿策略的二次讨论
7.7.3柔性响应
7.7.4具有RNS角动量阻尼的碰撞调节
7.7.5反应性步进
7.7.6无须步进即可适应较大碰撞
7.8碰撞运动生成
7.8.1历史背景
7.8.2考虑减速轮系的影响
7.8.3地面反作用力和力矩
7.8.4碰撞引起的动力学效应
7.8.5虚拟质量
7.8.6撞击力引起的CoP位移
7.8.7碰撞运动生成的优化问题
7.8.8案例研究：空手道掌劈动作生成
7.8.9碰撞运动生成的实验验证
参考文献
第8章仿真
8.1概述
8.2机器人模拟器
8.3机器人模拟器的结构
8.4使用MATLAB/Simulink进行动力学仿真
8.4.1为Simulink生成机器人树模型
8.4.2生成Simulink模型
8.4.3配置关节模式
8.4.4接触力建模
8.4.5计算零力矩点
8.4.6运动设计
8.4.7仿真
参考文献
附录A
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