本书是清华大学机器人及其自动化实验室在仿人机器人领域多年研究成果的总结。它系统介绍了仿人机器人的基本原理及主要技术，本书可供从事足式移动机器人研究的科研人员、相关专业的研究生或本科高年级学生使用。

本书是清华大学机器人及其自动化实验室在仿人机器人领域多年研究成果的总结。它系统介绍了仿人机器人的基本原理及主要技术，主要内容包括： 仿人机器人概论； 仿人步行的数学表示方法； 仿人机器人的稳定性理论； 仿人机器人的运动规划； 仿人机器人的步行信息感知与传感反射控制； 仿人机器人的仿生控制。

本书可供从事足式移动机器人研究的科研人员、相关专业的研究生或本科高年级学生使用。

1 仿人机器人概论

 1.1 仿人机器人的基本概念

1.1.1 自由度配置

1.1.2 驱动方式

1.1.3 足部机构

1.1.4 传感器

 1.2 仿人机器人的发展历程及现状

1.2.1 主动型仿人机器人的发展历程及现状

1.2.2 被动型仿人机器人的发展历程及现状

 1.3 存在的挑战

 1.4 本书各章节的内容安排

 参考文献

2 仿人步行的数学表示方法

 2.1 引论

 2.2 仿人机器人的运动学建模

2.2.1 THBIP-Ⅰ仿人机器人

2.2.2 坐标系定义与方向余弦矩阵

2.2.3 位置模型

2.2.4 各刚体的角速度

2.2.5 各刚体的角加速度

2.2.6 各刚体的质心速度

2.2.7 各刚体的质心加速度

 2.3 仿人机器人的动力学建模

2.3.1 正向动力学求解——拉格朗日方法

2.3.2 逆向动力学求解——牛顿-欧拉方法

2.3.3 动力学问题的符号自动推导

 2.4 地面碰撞建模

2.4.1 碰撞的假设条件

2.4.2 碰撞过程推导

 2.5 仿人机器人的整体步行模型

2.5.1 变维数混杂自动机

2.5.2 若干假设

2.5.3 正常平地前向步行的可能形式

 2.6 小结

 参考文献

3 仿人机器人的稳定性理论

 3.1 引论

 3.2 现有的步行稳定性判据及其局限性

3.2.1 ZMP稳定性判据

3.2.2 庞加莱回归映射稳定性理论

3.2.3 质心角动量判据

 3.3 双足步行稳定性及其降维方法

3.3.1 双足步行稳定性的直观表述及其数学定义

3.3.2 生成不摔倒运动的方法

3.3.3 双足步行稳定性的降维原理和降维方法

3.3.4 降维后的任务空间模型

 3.4 任务空间的稳定性判据

3.4.1 任务空间模型的基本假设与若干定义

3.4.2 截面序列及其与混杂状态轨线的等价性

3.4.3 截面映射及其同胚的解析形式

3.4.4 截面映射稳定性判据

3.4.5 有脚双足机器人的仿真算例

 3.5 稳定性判据的应用(一)：行走模式规划

3.5.1 欠驱动双足机器人的步行数学模型

3.5.2 参数化的行走模式

3.5.3 行走性能指标及其图集

3.5.4 基于指标图集的行走模式规划

3.5.5 实验结果

 3.6 稳定性判据的应用(二)：行走模式转换

3.6.1 行走模式一步转换

3.6.2 行走模式多步转换

3.6.3 实验结果

 3.7 小结

 参考文献

4 仿人机器人的运动规划

 4.1 引论

 4.2 无环境约束下的运动规划

4.2.1 完整双足步行的三维运动描述

4.2.2 约束动力学模型

4.2.3 稳定性约束与参数优化

4.2.4 仿真研究

4.2.5 实验结果

 4.3 局部环境约束下的运动规划与控制

4.3.1 仿人机器人爬楼梯时的运动方程

4.3.2 上下楼梯的步态综合

4.3.3 感觉回馈控制

4.3.4 实验结果

 4.4 复杂非结构化环境约束下的运动规划与控制

4.4.1 足迹规划的数学表述与足迹规划器

4.4.2 基于复合足迹转换模型的确定性足迹规划方法

4.4.3 数值规划实验及分析

 4.5 小结

 参考文献

5 仿人机器人的步行信息感知与传感反射控制

 5.1 引论

 5.2 仿人机器人的ZMP-CoP检测系统

5.2.1 THBIP-Ⅰ仿人机器人的CoP数学模型

5.2.2 ZMP-CoP检测系统的组成

5.2.3 系统准确性验证实验

5.2.4 基于ZMP-CoP检测系统的行走实验研究

 5.3 仿人机器人的姿态检测系统

5.3.1 捷联惯性导航系统的基本原理

5.3.2 THBIP-Ⅰ仿人机器人姿态解算的数学模型

5.3.3 系统组成及仿真研究

 5.4 基于传感反射的运动生成与步行控制

5.4.1 基于传感反射的在线步态生成问题的提出

5.4.2 初始步行模式发生器

5.4.3 状态转换

5.4.4 传感反射的数学描述

5.4.5 基于传感反射步态生成的特性分析

5.4.6 环境适应性分析

 5.5 小结

 参考文献

6 仿人机器人的仿生控制

 6.1 引论

 6.2 全局稳定的相关问题

6.2.1 任务空间的周期运动状态

6.2.2 步幅分叉与关节协调

 6.3 仿生控制策略

6.3.1 整体思路

6.3.2 节律运动

6.3.3 姿态保持

 6.4 步行仿真

 6.5 步行特性分析

6.5.1 稳定性

6.5.2 运动特性

6.5.3 参数选择策略

 6.6 样机设计与步行实验

6.6.1 机械结构

6.6.2 驱动系统

6.6.3 控制系统

6.6.4 步行实验

 6.7 小结

 参考文献

结束语