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。
无
机器人不得伤害人类，或看到人类受到伤害而袖手旁观。
——艾萨克·阿西莫夫
仿人机器人是迄今为止设计的最为通用的机械。它们与人类相似的外表预示着，终有一天，仿人机器人将作为人工智能的化身，成为人类无处不在的帮手。尽管仍处于初始阶段，但是对于仿人机器人领域的研究正在快速发展，其中包括一系列多样的问题。这项研究得益于诸多领域的技术，例如复杂环境下的无人驾驶交通工具（如传感、感知、运动规划）、自然语言交流（如个人助手）和人工智能等，同时，相关研究成果也为这些领域做出了贡献。在机械学和控制领域也是如此。
尽管以通用为特点，但仿人机器人本身也是一种复杂的机械。它的控制架构是分级的结构。在分级结构的中间层，必须采用运动学、运动静力学和动力学模型来确保对运动以及力的传递的合理控制。这是一个具有挑战性的问题，因为模型必须考虑相对较多的驱动关节以及在执行不同类型的任务时控制它们的最佳方式。当机器人建立新的接触关系和脱离接触关系时会形成闭合的运动链和非闭合的运动链，因此其运动结构变化频繁。这些模型还需要考虑到“浮动基座”及其“欠驱动”，以及不断变化的环境条件。
本书的目的是深入介绍与仿人机器人建模和基于模型的控制相关的一系列核心问题。机器人领域的大部分研究可以支撑这一目标。从20世纪70年代中期开始，与运动学冗余机械臂以及多自由度的资源分配相关的问题一直是机器人领域的研究热点。人们对具有闭合运动链的机器人（即并联机器人）进行了大量研究。关于可变结构的机器人机构的研究也很丰富，比如对多指手、多腿机器人和双/多手臂机械臂的研究。对于在浮动基座上安装的欠驱动关节式多体系统，比如自由浮动空间机器人、柔性基座上的机械手，以及宏微型机械手（即连接在较大手臂末端的小型机械手），这类研究从20世纪80年代就开始了。在与约束多体系统密切相关的领域也有许多研究，接触建模也是一个成熟的研究领域。
该领域的最终目标是设计一种仿人机器人控制器，它能够保证各种运动和力的控制任务的性能，这只有在机器人的全身模型都被采用时才能够完成。然而正如前面提到的，对于全身模型，控制器的结构会变得十分复杂，控制的输入需要借助优化方法才能够得到。最近许多文献中出现的仿人机器人控制器都基于这种优化方法，同时采用现有的通用优化软件包。然而，由于其复杂性，通过这种方法实现实时控制可能是不可行的。另外，通过简化的模型可能会分析推导出最优控制解，其优点是计算周期更短。最简单的模型是（线性）倒立摆模型，这是一段时间以前为解决在平地上保持平衡的问题而提出的。后来证实，可以通过增加一个反作用轮组组件使该模型的平衡稳定性增强。例如，可以生成一个质心力矩，它在处理应用于机器人身体的未知干扰或机器人在不规则地形上行走产生的扰动时起着重要作用。然而，针对整体模型的最优解析解难以获得。目前，解析法对于实时运动生成和控制是必不可少的。
非常令人兴奋的是仿人机器人领域的研究也可以对其他领域做出贡献，包括与人体运动相关的生物力学及运动控制、物理疗法、运动科学以及基于物理的关节人仿真，这些领域的研究人员也可以从本书描述的结果中获益。
尽管我们数十年来一直在从事仿人机器人基础领域的研究，但是利用过去的研究成果，对其进行组织和重新阐释，并尝试证明其在仿人机器人上的作用，无疑仍是一项具有挑战性的任务。这项工作还包括许多其他研究人员的重要成果和最新成果。从这个角度来看，本书的风格有些类似于文献综述。然而，与综述不同的是，本书揭示了不同领域研究成果之间的一些重要关系及其对这项工作的主要目标的贡献。
作者
2018年7月于东京
机器人
仿人机器人是多门基础学科和多项高技术的集成，代表机器人领域的尖端技术水平，是机器人发展的主要方向之一。本书由日本的三位机器人专家撰写，不仅对他们自身在该领域数十年来的研究成果进行了重新梳理，而且包含许多其他研究人员的重要成果，特别是揭示了不同研究成果之间的关系，对于学术界和产业界的研究人员都十分有益。
本书主要围绕仿人机器人的分析、设计和控制中使用的模型展开讨论。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、运动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。
主要特点
适合进阶学习，要求读者具备一定的背景知识。
为仿人机器人建模和控制算法设计提供了坚实的理论基础。
包含大量的实现示例，配有41个动画视频，详见www.elsevier.com/books-and-journals/book-companion/9780128045602/videos。
仿人和高仿真是机器人发展的主要方向之一。从技术发展层面来看，人是世界上最高级的动物，以人为背景的研究就是最高的目标，并且能够带动相关学科的发展；而从感情层面来说，人喜欢与人相近的东西，研制与人类外观特征类似，具有人类智能、灵活性，并能够与人交流、不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。仿人机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表机器人领域的尖端技术水平，是一个国家高科技综合水平的重要标志。本书详细介绍了仿人机器人的建模、运动生成和控制方法，无论是研究人员、工程师还是学生，都需要了解和掌握仿人机器人涉及的这些专业知识和信息，从而胜任自己的工作。本书的翻译和出版正是为推动相关教学和研究进行的有益尝试。
本书是日本东京城市大学的Dragomir N.Nenchev博士、日本北海道大学的Atsushi Konno博士和日本防卫大学的Teppei Tsujita博士数十年在仿人机器人基础领域的研究工作的结晶，同时还包括许多其他研究人员的重要成果和最新成果。
本书的主要内容包括：仿人机器人的运动学、运动静力学和动力学，平衡控制在仿人机器人中的重要作用，多指手、双臂机器人和多机器人的协作物体操作及控制，运动生成研究的应用，基于MATLAB的模拟器。本书语言精练，内容深入浅出，实例简单易懂，知识量大，体现了作者在仿人机器人建模、运动生成和控制方法研究领域的高深造诣。
本书第1、6章由哈尔滨理工大学王开瑞翻译，第2、4、5、7章由哈尔滨理工大学姜金刚翻译，第8章和附录由哈尔滨理工大学吴殿昊翻译，第3章由哈尔滨工业大学宋世昌翻译。全书由姜金刚统稿定稿。研究生孙健鹏、谭棋匀、孙洋、姚亮、左晖、郭亚峰、孙海、李长鹏、张嘉伟、徐帅楠、张新颖等参与了本书的部分文稿整理工作，在此表示由衷的感谢！
本书可作为高年级本科生和工科研究生的教材，也可以作为研究人员、科学家和工程师的参考资料。
限于译者的经验和水平，书中难免存在缺漏和不足之处，恳请读者批评指正！
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
