仿人機器人建模與控制 Humanoid Robots: Modeling and Control

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，並對雙足平衡控制方法進行了綜述。
然後討論多指手機器人、雙臂機器人和多機器人系統的協作物體操作的模型和控制算法。
之後介紹仿人機器人的運動生成和控制，以及這些技術的應用。
最後介紹仿真環境，並提供使用基於MATLAB的模擬器進行動力學仿真的詳細步驟。
本書要求讀者俱備一定的背景知識，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發展歷史
1.2仿人機器人設計的發展趨勢
1.2.1仿人機器人的人形特徵
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仿人機器人的特徵
1.4仿人機器人的相關研究
1.4.1運動冗餘、任務約束和最優逆運動學解
1.4.2約束多體系統和接觸建模
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
1.4.5其他相關領域的研究
1.5先修知識和章節安排
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運動學冗餘
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基於梯度投影的冗餘分解
2.7.5基於擴展雅可比矩陣的冗餘分解
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多任務冗餘分解法
2.8.3迭代優化法
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
2.9.2接觸坐標系
2.9.3無摩擦接觸關節的運動學模型
2.10封閉鏈的微分運動學
2.10.1閉環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係
2.11.1準速度、完整接觸約束和非完整接觸約束
2.11.2基於基礎準速度表示的一階微分運動關係
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係
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：靜力學關係
3.3.1無摩擦接觸關節的靜力學模型
3.3.2有摩擦的接觸關節模型
3.3.3接觸關節的運動/力對偶關係
3.4獨立閉環鏈的動力學關係
3.4.1接觸力旋量的正交分解
3.4.2閉環連桿力旋量和根連桿力旋量的正交分解
3.4.3肢體關節扭矩的分解
3.5力旋量分佈問題
3.5.1力旋量分佈問題的通解
3.5.2內力/內力矩：虛擬連桿模型
3.5.3確定環中的關節扭矩
3.5.4廣義逆的選擇
3.5.5關節扭矩分量中的優先級
3.6仿人機器人的運動靜力學關係
3.6.1複合剛體及其力旋量
3.6.2相互依賴的閉環
3.6.3獨立閉環
3.6.4關節扭矩的確定
3.6.5說明性示例
3.6.6總結與討論
3.7靜態姿勢的穩定性和優化
3.7.1靜態姿勢穩定性
3.7.2靜態姿勢優化
3.8姿勢描述和對偶關係
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關節鎖定：複合剛體
4.6.4關節解鎖：多體符號
4.6.5自由漂浮機械臂的瞬時運動
4.7基於動量的冗餘分解
4.7.1動量平衡原理
4.7.2基於空間動量的冗餘分解
4.7.3基於角動量的冗餘分解
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基於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範圍空間投影法
4.12.5總結與結論
4.13運動方程的簡化形式
4.13.1基於關節空間動力學的表示
4.13.2基於空間動力學的表示（LagrangedAlembert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基於直接消元法/高斯法/Maggi法/投影法
4.14.2基於LagrangedAlembert公式
4.14.3基於關節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動態姿勢穩定性
5.3足上倒立擺穩定性分析
5.3.1外推質心和動態穩定裕度
5.3.2外推質心動力學
5.3.3具有躍遷的離散狀態
5.3.4二維動態穩定區域
5.4平坦地面上的ZMP操作型穩定化
5.4.1ZMP操作型穩定器
5.4.2基於速度的三維ZMP操作型穩定化
5.4.3ZMP調節器式穩定器
5.4.4存在地面反作用力估計時滯的ZMP穩定化
5.4.5軀幹位置順應性控制
5.5基於捕獲點的分析和穩定化
5.5.1捕獲點和瞬時捕獲點
5.5.2基於ICP的穩定化
5.5.3存在地面反作用力估計時滯的瞬時捕捉點的穩定化
5.5.4二維ICP的動力學方程和穩定化
5.6角動量分量的穩定性分析和穩定化
5.6.1基於LRWP模型的穩定性分析
5.6.2三維穩定性分析：運動的發散分量
5.6.3DCM穩定器
5.6.4總結與討論
5.7基於最大輸出可允許集的穩定化
5.8基於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係
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基於RNS的不穩定姿勢穩定化
5.8.5解析的動量框架內接觸穩定的方法
5.8.6由CMP/VRP參數化的空間動量速率穩定化
5.8.7具有漸近穩定性的CRB運動軌跡跟踪
5.9用於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基於偽逆的身體力旋量分佈
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基於關節扭矩的接觸力旋量優化
5.11基於非迭代空間動力學的運動優化
5.11.1利用CRB力旋量一致的輸入進行獨立的運動優化
5.11.2角動量阻尼穩定
5.11.3利用基於任務的手部運動約束進行運動優化
5.12非迭代全身體運動/力優化
5.12.1基於閉鏈模型的多接觸運動/力控制器
5.12.2基於操作空間公式的運動/力優化
5.13響應弱外部干擾的反應性平衡控制
5.13.1基於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化
5.14.1歷史背景
5.14.2基於SOCP的優化
5.14.3迭代接觸力旋量優化
5.14.4迭代空間動力學優化
5.14.5基於完整動力學的優化
5.14.6混合迭代/非迭代優化方法
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載荷分佈
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基於ICP的步態生成和行走控制
7.2.1基於CP的行走控制
7.2.2基於CP的步態生成
7.2.3ICP控制器
7.2.4基於CP的步態生成與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不規則地形的生成和基於VRPGI的行走控制
7.4.1連續雙支撐步態生成
7.4.2腳跟到腳趾步態生成
7.4.3仿真
7.5基於協同的運動生成
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基於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基於RNS的反作用協同效應
7.6.3矢狀面踝關節/髖關節協同效應
7.6.4側平面踝關節、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複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
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