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| 內容簡介： |
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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。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。
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| 目錄：
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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
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| 內容試閱：
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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。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控制解，其优点是计算周期更短。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
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