本書由來自日本的三位機器人專家撰寫，主要講解仿人機器人的分析、設計和控制中使用的模型。首先介紹仿人機器人領域的發(fā)展歷史，總結當前的先進成果。接下來介紹運動學、靜力學和動力學相關的理論基礎，并對雙足平衡控制方法進行了綜述。然后討論多指手機器人、雙臂機器人和多機器人系統(tǒng)的協作物體操作的模型和控制算法。之后介紹仿人機器人的運動生成和控制，以及這些技術的應用。最后介紹仿真環(huán)境，并提供使用基于MATLAB的模擬器進行動力學仿真的詳細步驟。本書要求讀者具備一定的背景知識，適合進階階段的研究人員閱讀。
譯者序
前言
致謝
第1章緒論
1.1發(fā)展歷史
1.2仿人機器人設計的發(fā)展趨勢
1.2.1仿人機器人的人形特征
1.2.2仿人機器人設計中的權衡
1.2.3仿人機器人的人性化設計
1.3仿人機器人的特征
1.4仿人機器人的相關研究
1.4.1運動冗余、任務約束和最優(yōu)逆運動學解
1.4.2約束多體系統(tǒng)和接觸建模
1.4.3多指手和雙臂操作物體
1.4.4浮動基座上的欠驅動系統(tǒng)
1.4.5其他相關領域的研究
1.5先修知識和章節(jié)安排
參考文獻
第2章運動學
2.1引言
2.2運動學結構
2.3正運動學和逆運動學問題
2.4微分運動學
2.4.1運動旋量、空間速度和空間變換
2.4.2正微分運動學
2.4.3逆微分運動學
2.5奇異構型下的微分運動學
2.6可操作性橢球
2.7運動學冗余
2.7.1自運動
2.7.2逆運動學問題的通解
2.7.3加權廣義逆
2.7.4基于梯度投影的冗余分解
2.7.5基于擴展雅可比矩陣的冗余分解
2.8多任務約束下的逆運動學解
2.8.1運動任務約束
2.8.2多任務冗余分解法
2.8.3迭代優(yōu)化法
2.8.4總結與討論
2.9接觸產生的運動約束
2.9.1接觸關節(jié)
2.9.2接觸坐標系
2.9.3無摩擦接觸關節(jié)的運動學模型
2.10封閉鏈的微分運動學
2.10.1閉環(huán)支鏈的瞬時運動分析
2.10.2逆運動學解
2.10.3正運動學解
2.11仿人機器人的微分運動關系
2.11.1準速度、完整接觸約束和非完整接觸約束
2.11.2基于基礎準速度表示的一階微分運動關系
2.11.3二階微分運動約束及其可積性
2.11.4具有混合準速度的一階微分運動關系
2.11.5總結與討論
參考文獻
第3章靜力學
3.1引言
3.2力旋量和空間力
3.3接觸關節(jié)：靜力學關系
3.3.1無摩擦接觸關節(jié)的靜力學模型
3.3.2有摩擦的接觸關節(jié)模型
3.3.3接觸關節(jié)的運動/力對偶關系
3.4獨立閉環(huán)鏈的動力學關系
3.4.1接觸力旋量的正交分解
3.4.2閉環(huán)連桿力旋量和根連桿力旋量的正交分解
3.4.3肢體關節(jié)扭矩的分解
3.5力旋量分布問題
3.5.1力旋量分布問題的通解
3.5.2內力/內力矩：虛擬連桿模型
3.5.3確定環(huán)中的關節(jié)扭矩
3.5.4廣義逆的選擇
3.5.5關節(jié)扭矩分量中的優(yōu)先級
3.6仿人機器人的運動靜力學關系
3.6.1復合剛體及其力旋量
3.6.2相互依賴的閉環(huán)
3.6.3獨立閉環(huán)
3.6.4關節(jié)扭矩的確定
3.6.5說明性示例
3.6.6總結與討論
3.7靜態(tài)姿勢的穩(wěn)定性和優(yōu)化
3.7.1靜態(tài)姿勢穩(wěn)定性
3.7.2靜態(tài)姿勢優(yōu)化
3.8姿勢描述和對偶關系
參考文獻
第4章動力學
4.1引言
4.2欠驅動機器人動力學
4.3平面上簡單的欠驅動模型
4.3.1線性倒立擺模型
4.3.2足部建模：由壓力中心驅動的質心動力學
4.3.3線性反作用輪擺模型和角動量轉軸
4.3.4反作用質量擺模型
4.3.5平面上的多連桿模型
4.4簡單的三維欠驅動模型
4.4.1可變長度的三維倒立擺
4.4.2球形足上倒立擺模型和平面上球體模型
4.4.3三維反作用輪擺模型
4.4.4三維反作用質量擺模型
4.4.5三維多連桿模型
4.5固定基座機械臂的動力學模型
4.5.1關節(jié)空間坐標下的動力學模型
4.5.2空間坐標下的動力學模型
4.5.3具有動力學解耦分級結構的零空間動力學
4.6零重力下自由漂浮機械臂的空間動量
4.6.1歷史背景
4.6.2空間動量
4.6.3關節(jié)鎖定：復合剛體
4.6.4關節(jié)解鎖：多體符號
4.6.5自由漂浮機械臂的瞬時運動
4.7基于動量的冗余分解
4.7.1動量平衡原理
4.7.2基于空間動量的冗余分解
4.7.3基于角動量的冗余分解
4.7.4零重力下自由漂浮仿人機器人的運動
4.8零重力下自由漂浮機械臂的運動方程
4.8.1用基座準速度表示
4.8.2用混合準速度表示
4.8.3用質心準速度表示
4.9基于反作用零空間的逆動力學
4.10仿人機器人的空間動量
4.11仿人機器人的運動方程
4.12約束力消元法
4.12.1高斯最小約束原理
4.12.2直接消元法
4.12.3Maggi方程（零空間投影法）
4.12.4范圍空間投影法
4.12.5總結與結論
4.13運動方程的簡化形式
4.13.1基于關節(jié)空間動力學的表示
4.13.2基于空間動力學的表示（LagrangedAlembert公式）
4.13.3末端連桿空間坐標中的運動方程
4.13.4總結與討論
4.14逆動力學
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基于關節(jié)空間動力學的消元法
4.14.4總結與討論
參考文獻
第5章平衡控制
5.1概述
5.2動態(tài)姿勢穩(wěn)定性
5.3足上倒立擺穩(wěn)定性分析
5.3.1外推質心和動態(tài)穩(wěn)定裕度
5.3.2外推質心動力學
5.3.3具有躍遷的離散狀態(tài)
5.3.4二維動態(tài)穩(wěn)定區(qū)域
5.4平坦地面上的ZMP操作型穩(wěn)定化
5.4.1ZMP操作型穩(wěn)定器
5.4.2基于速度的三維ZMP操作型穩(wěn)定化
5.4.3ZMP調節(jié)器式穩(wěn)定器
5.4.4存在地面反作用力估計時滯的ZMP穩(wěn)定化
5.4.5軀干位置順應性控制
5.5基于捕獲點的分析和穩(wěn)定化
5.5.1捕獲點和瞬時捕獲點
5.5.2基于ICP的穩(wěn)定化
5.5.3存在地面反作用力估計時滯的瞬時捕捉點的穩(wěn)定化
5.5.4二維ICP的動力學方程和穩(wěn)定化
5.6角動量分量的穩(wěn)定性分析和穩(wěn)定化
5.6.1基于LRWP模型的穩(wěn)定性分析
5.6.2三維穩(wěn)定性分析：運動的發(fā)散分量
5.6.3DCM穩(wěn)定器
5.6.4總結與討論
5.7基于最大輸出可允許集的穩(wěn)定化
5.8基于空間動量及其變化率的平衡控制
5.8.1平衡控制中的基本功能依賴關系
5.8.2解析動量控制
5.8.3相對角動量/速度的全身平衡控制
5.8.4基于RNS的不穩(wěn)定姿勢穩(wěn)定化
5.8.5解析的動量框架內接觸穩(wěn)定的方法
5.8.6由CMP/VRP參數化的空間動量速率穩(wěn)定化
5.8.7具有漸近穩(wěn)定性的CRB運動軌跡跟蹤
5.9用于平衡控制的任務空間控制器設計
5.9.1通用任務空間控制器結構
5.9.2優(yōu)化任務表述和約束
5.10非迭代身體力旋量分配方法
5.10.1基于偽逆的身體力旋量分布
5.10.2ZMP分配器
5.10.3比例分配法
5.10.4DCM廣義逆
5.10.5VRP廣義逆
5.10.6基于關節(jié)扭矩的接觸力旋量優(yōu)化
5.11基于非迭代空間動力學的運動優(yōu)化
5.11.1利用CRB力旋量一致的輸入進行獨立的運動優(yōu)化
5.11.2角動量阻尼穩(wěn)定
5.11.3利用基于任務的手部運動約束進行運動優(yōu)化
5.12非迭代全身體運動/力優(yōu)化
5.12.1基于閉鏈模型的多接觸運動/力控制器
5.12.2基于操作空間公式的運動/力優(yōu)化
5.13響應弱外部干擾的反應性平衡控制
5.13.1基于重力補償的被動式全身順應性
5.13.2具有多個接觸和被動性的全身順應性
5.13.3全身順應性的多接觸運動/力控制
5.14平衡控制中的迭代優(yōu)化
5.14.1歷史背景
5.14.2基于SOCP的優(yōu)化
5.14.3迭代接觸力旋量優(yōu)化
5.14.4迭代空間動力學優(yōu)化
5.14.5基于完整動力學的優(yōu)化
5.14.6混合迭代/非迭代優(yōu)化方法
5.14.7計算時間要求
參考文獻
第6章協作物體的操作與控制
6.1引言
6.2多指手抓握
6.2.1抓握矩陣和手部雅可比矩陣
6.2.2靜態(tài)抓握
6.2.3約束類型
6.2.4形狀閉合
6.2.5力閉合
6.3多臂抓握物體的操作控制方法
6.3.1多臂物體操作的背景
6.3.2多臂協作的動力學和靜力學研究
6.3.3施加到被抓握物體上的力和力矩
6.3.4載荷分布
6.3.5外部與內部力旋量的控制
6.3.6混合位置/力控制
6.4多個仿人機器人之間的協作
6.4.1在線足跡規(guī)劃
6.4.2手腳協同運動
6.4.3主從式協作和對稱式協作
6.4.4主從式協作物體操作
6.4.5對稱式協作物體操作
6.4.6主從式協作與對稱式協作的比較
6.5雙臂動態(tài)物體操作控制
6.5.1物體的運動方程
6.5.2控制器
參考文獻
第7章運動生成和控制：特定主題的應用
7.1概述
7.2基于ICP的步態(tài)生成和行走控制
7.2.1基于CP的行走控制
7.2.2基于CP的步態(tài)生成
7.2.3ICP控制器
7.2.4基于CP的步態(tài)生成與ZMP控制
7.3在沙地上雙足行走
7.3.1沙地行走的落地位置控制
7.3.2在沙地上行走的實驗
7.3.3總結與討論
7.4不規(guī)則地形的生成和基于VRPGI的行走控制
7.4.1連續(xù)雙支撐步態(tài)生成
7.4.2腳跟到腳趾步態(tài)生成
7.4.3仿真
7.5基于協同的運動生成
7.5.1原始運動協同效應
7.5.2原始協同效應的組合
7.5.3使用單指令輸入生成多個協同效應
7.6基于協同的平面模型反應性平衡控制
7.6.1人類使用的平衡控制的運動協同效應
7.6.2基于RNS的反作用協同效應
7.6.3矢狀面踝關節(jié)/髖關節(jié)協同效應
7.6.4側平面踝關節(jié)、加載/卸載和抬腿協同效應
7.6.5橫向平面扭轉協同效應
7.6.6通過簡單的疊加獲得復雜的反應性協同效應
7.6.7總結與討論
7.7利用全身模型獲得反應性協同效應
7.7.1簡單動態(tài)轉矩控制器產生的反應性協同效應
7.7.2對加載/卸載和抬腿策略的二次討論
7.7.3柔性響應
7.7.4具有RNS角動量阻尼的碰撞調節(jié)
7.7.5反應性步進
7.7.6無須步進即可適應較大碰撞
7.8碰撞運動生成
7.8.1歷史背景
7.8.2考慮減速輪系的影響
7.8.3地面反作用力和力矩
7.8.4碰撞引起的動力學效應
7.8.5虛擬質量
7.8.6撞擊力引起的CoP位移
7.8.7碰撞運動生成的優(yōu)化問題
7.8.8案例研究：空手道掌劈動作生成
7.8.9碰撞運動生成的實驗驗證
參考文獻
第8章仿真
8.1概述
8.2機器人模擬器
8.3機器人模擬器的結構
8.4使用MATLAB/Simulink進行動力學仿真
8.4.1為Simulink生成機器人樹模型
8.4.2生成Simulink模型
8.4.3配置關節(jié)模式
8.4.4接觸力建模
8.4.5計算零力矩點
8.4.6運動設計
8.4.7仿真
參考文獻
附錄A
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