本書結(jié)合人形機(jī)器人研究中各類先進(jìn)方法，系統(tǒng)地介紹了驅(qū)動(dòng)人形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)、推導(dǎo)過程以及應(yīng)用案例，闡述了人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)表示方法，解釋了ZMP的概念及其與地面反作用力的關(guān)系，描述了人形機(jī)器人雙足行走行為的生成和控制方法，并拓展了其他多種動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)方法，最后介紹了動(dòng)力學(xué)建模、仿真和高效動(dòng)力學(xué)的計(jì)算方法。
在科技日新月異的今天，機(jī)器人技術(shù)作為未來科技的重要組成部分，正以前所未有的速度改變著我們的生活和生產(chǎn)方式。而《人形機(jī)器人（原書第2版）》正是這樣一本引領(lǐng)讀者深入探索這一前沿領(lǐng)域的佳作。本書由領(lǐng)域內(nèi)資深專家精心撰寫，內(nèi)容權(quán)威且全面。它不僅深入剖析了人形機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，還結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，讓讀者能夠直觀理解復(fù)雜的技術(shù)理論。從基礎(chǔ)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到高級的智能控制算法，本書都進(jìn)行了詳盡的闡述，為讀者搭建起了一座從理論到實(shí)踐的橋梁。對于機(jī)器人技術(shù)的研究人員、工程師以及高校教師和學(xué)生來說，《人形機(jī)器人（原書第2版）》無疑是一本不可多得的參考書。它不僅能夠?yàn)閷I(yè)人士提供最新的技術(shù)進(jìn)展和研究成果，還能夠幫助學(xué)生系統(tǒng)地掌握人形機(jī)器人技術(shù)的核心知識(shí)，為未來的科研和職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，本書也適合對機(jī)器人技術(shù)感興趣的普通讀者。它以通俗易懂的語言和生動(dòng)的插圖，將復(fù)雜的技術(shù)原理變得易于理解，讓讀者在輕松愉快的閱讀中感受到科技的魅力。
preface
第2版前言
自2005年本書的第1版出版以來，已經(jīng)過去了15年。在過去的15年里，針對人形機(jī)器人的研究在世界范圍內(nèi)掀起了熱潮。得益于此，本書的第1版于2007年被翻譯成中文和德文，2009年被翻譯成法文，2014年被翻譯成英文。
然而，在機(jī)器人領(lǐng)域，世界各地的研究每天都在取得新進(jìn)展。第2版在保持第1版基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，比留川博久（第3章）、吉田英一（第5章）和梶田秀司（第1、2、4和6章）對2020年人形機(jī)器人研究中需要解決的問題進(jìn)行了補(bǔ)充。
本書介紹的大多數(shù)機(jī)器人是由川田機(jī)器人有限公司開發(fā)的。為此，我們衷心感謝川田機(jī)器人有限公司的總裁川田忠裕先生、五十棲隆勝先生和其他相關(guān)優(yōu)秀工程師。
日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（簡稱產(chǎn)綜研）的AISTCNRS機(jī)器人聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室目前正在推動(dòng)人形機(jī)器人的研究。在此要感謝該實(shí)驗(yàn)室主任金廣文男先生、CNRS研究主任Abderrahmane Kheddar先生和聯(lián)合研究實(shí)驗(yàn)室副主任森澤光晴先生，以及我的同事金子健二、阪口健、Rafael Cisneros、Mehdi Benallegue、神永拓、熊谷伊織、Adrien Escande、鲇澤光等其他成員。
此外，我們還要感謝已經(jīng)離開研究小組、自己創(chuàng)辦公司在社會(huì)上推廣人形機(jī)器人基礎(chǔ)研究成果的Choreonoid公司總裁中岡慎一郎先生，感謝他在百忙之中抽出時(shí)間來檢查手稿。
最后，我們要感謝三浦郁奈子，她于2007年加入AIST人形機(jī)器人研究小組，作為HRP4C“未夢”的開發(fā)成員發(fā)揮了重要作用。如果不是2013年她作為訪問學(xué)者在美國麻省理工學(xué)院逗留期間發(fā)生了不幸的事故，她將是對這本書的出版最高興的人之一。
梶田秀司
preface
第1版前言
今天在電視和展示會(huì)看到人形機(jī)器人像真人一樣行走和跳舞，各種各樣的機(jī)器人表演令人嘆為觀止。很多人不禁好奇：“那些動(dòng)作是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？”本書的首要目的就是回答這個(gè)問題。本書介紹的理論和技術(shù)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于人形機(jī)器人HRP2的控制，類似的技術(shù)也應(yīng)用于諸如本田的ASIMO和索尼的QRIO等著名的人形機(jī)器人。
乍看起來，書中內(nèi)容并不簡單。對那些不擅長數(shù)學(xué)的人而言，本書的方程式數(shù)量多得令人生畏。為了克服這些數(shù)學(xué)算式的枯燥乏味，我們盡可能地加插了圖片，以使它們形象生動(dòng)。事實(shí)上，這是一些用數(shù)學(xué)語言和物理語言仔細(xì)譜寫的“樂譜”，隱藏在人形機(jī)器人令人贊嘆的表演背后。我們希望本書能引起更多的人對人形機(jī)器人感興趣并認(rèn)識(shí)到科學(xué)和技術(shù)是構(gòu)筑現(xiàn)代社會(huì)的支柱。如果這個(gè)目的能達(dá)到，那么本書的寫作就獲得了成功。
本書第1章由隸屬于產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的智能系統(tǒng)研究所人形機(jī)器人研究室主任比留川博久執(zhí)筆；第3章由該研究室的研究員原田研介和梶田秀司共同執(zhí)筆；第5章由智能系統(tǒng)研究所的自主行為控制研究室主任橫井一仁執(zhí)筆；第2章、第4章、第6章由梶田秀司執(zhí)筆。
若沒有其他很多人的幫助，本書是難以出版的。首先感謝川田工業(yè)株式會(huì)社航空和機(jī)械事業(yè)部的川田忠裕、五十棲隆勝和其他優(yōu)秀的工程師，他們設(shè)計(jì)制造了包括人形機(jī)器人HRP2在內(nèi)的硬件平臺(tái)。 感謝General Robotix株式會(huì)社的小神野東賢和川角祐一郎，他們?yōu)槲覀冐?fù)責(zé)機(jī)器人的維護(hù)保養(yǎng)。我們還感謝智能系統(tǒng)研究所人形機(jī)器人研究室的金子健二、金廣文男、藤原清司、齋藤元和森澤光晴等， 他們做出了很多優(yōu)秀的研究成果。本書的內(nèi)容主要是人形機(jī)器人研究室全體人員的研究成果，該室研究人員對書稿提出過有益的建議。智能系統(tǒng)研究所的分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究室主任黑河治久在最后階段對書稿提出過重要建議，筑波大學(xué)研究生院學(xué)生長崎高已指出了原稿中的一些錯(cuò)誤。
最后感謝智能系統(tǒng)研究所所長平井成興和前所長谷江和雄。若沒有他們的管理以維持一個(gè)良好的研究環(huán)境，本書也就難以問世。
梶田秀司
2005年3月
梶田秀司是日本的機(jī)器人研究者，獲得東京工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。在產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所開發(fā)了人類機(jī)器人HRP-2和HRP-4C。實(shí)現(xiàn)了基于倒立擺的雙足行走機(jī)器人的控制，以及基于運(yùn)動(dòng)量和角動(dòng)量的人形機(jī)器人的全身控制。
他曾在東京工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)研究會(huì)工作，也擔(dān)任過產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所機(jī)械技術(shù)研究所主任研究員,日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所智能系統(tǒng)研究部門主任研究員，現(xiàn)為中部大學(xué)的客座教授。
CONTENTS
目錄
第2版前言
第1版前言
第1章人形機(jī)器人概論111人形機(jī)器人簡介1
111什么是人形機(jī)器人1
112人形機(jī)器人歷史2
12本書章節(jié)內(nèi)容4
13人形機(jī)器人的研發(fā)動(dòng)向5
131人類合作、共存型機(jī)
器人系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目
（1998—2002）5
132類人形機(jī)器人研究
的擴(kuò)大與擴(kuò)展
（2005—2012）6
133核電站事故與DARPA
機(jī)器人挑戰(zhàn)賽
(2011—2015)10
134DRC之后
（2015—2020）14
14展望17
15拓展：相關(guān)書籍17
第2章機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)1921坐標(biāo)變換19
211世界坐標(biāo)系20
212局部坐標(biāo)系和同次
變換矩陣20
213基于一個(gè)局部坐標(biāo)
系定義另一個(gè)局部
坐標(biāo)系22
214同次變換矩陣的
鏈?zhǔn)椒▌t24
22旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)24
221滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏轉(zhuǎn)
的表現(xiàn)方式24
222旋轉(zhuǎn)矩陣的含義26
223旋轉(zhuǎn)矩陣的逆矩陣26
224角速度向量27
225旋轉(zhuǎn)矩陣的微分和角
速度向量的關(guān)系30
226角速度向量的積分和
旋轉(zhuǎn)矩陣的關(guān)系31
227矩陣對數(shù)函數(shù)32
23物體在三維空間的速度
和角速度33
231單個(gè)物體的速度和
角速度33
232兩個(gè)物體的速度和
角速度34
24人形機(jī)器人的分割方法
和控制程序36
241分割方法36
242控制程序38
25人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)40
251模型的生成方法40
252從關(guān)節(jié)角度求連桿
位置和姿態(tài):正向
運(yùn)動(dòng)學(xué)42
253從連桿的位置和
姿態(tài)求關(guān)節(jié)角度：
反向運(yùn)動(dòng)學(xué)44
254反向運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)值
解法47
255雅可比52
256雅可比的關(guān)節(jié)速度53
257奇異姿態(tài)56
258針對奇異姿態(tài)的
反向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算57
259使用余因子矩陣
的方法60
26拓展：輔助函數(shù)61
第3章ZMP和機(jī)器人動(dòng)
力學(xué)63
31ZMP和地面反作用力63
311ZMP63
312二維解析65
313三維解析67
32ZMP的測量70
321一般的情況71
322單腳支撐下的ZMP72
323雙腳支撐下的ZMP75
33人形機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)76
331人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)
與地面反作用力76
332動(dòng)量78
333角動(dòng)量79
334剛體的角動(dòng)量和慣
性張量81
335計(jì)算整個(gè)機(jī)器人的
重心位置83
336計(jì)算機(jī)器人全身的
動(dòng)量83
337計(jì)算機(jī)器人全身的
角動(dòng)量84
34根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)計(jì)算
ZMP85
341導(dǎo)出ZMP85
342近似計(jì)算ZMP86
35關(guān)于ZMP的注意事項(xiàng)88
351兩個(gè)種類的說明88
352在重心的加速運(yùn)動(dòng)
中ZMP會(huì)脫離支撐
多邊形嗎89
353ZMP無法處理的
情況90
36ZMP的六維擴(kuò)展CWS91
361接觸力螺旋和CWS
的接觸穩(wěn)定性判定91
362ZMP和CWS的等
價(jià)性95
363CWC的樓梯接觸
穩(wěn)定性判定99
37拓展:凸集和凸包100
371凸集�。╟onvex set）100
372凸包 (convex hull)
100
第4章雙足行走102
41如何實(shí)現(xiàn)雙足行走102
42二維步態(tài)模式103
421倒立擺103
422線性倒立擺的動(dòng)作106
423軌道能108
424通過切換支撐腿
進(jìn)行控制109
425規(guī)劃一個(gè)簡單的
步態(tài)模式110
426擴(kuò)展到不平表面112
43三維步態(tài)模式115
431三維線性倒立擺115
432生成三維步態(tài)
模式117
433引入雙腿支撐期124
434從線性倒立擺到
多連桿模型126
435應(yīng)用于實(shí)際機(jī)
器人126
44生成以ZMP為規(guī)
范的步態(tài)模式128
441臺(tái)面/小車模型128
442離線生成步態(tài)模式130
443在線生成步態(tài)模式132
444使用預(yù)見控制的
動(dòng)力學(xué)濾波器137
45步態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)139
451重心和ZMP測量140
452重心和ZMP反饋143
453ZMP分配144
454地面反作用力
書單推薦![人形機(jī)器人（原書第2版） [日]梶田秀司](/uploadfile/202407/9787111757207.jpg)
