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第1章 仿人机器人概论1

第2章 运动学15

2.1 坐标变换15

2.1.1 世界坐标系15

2.1.2 局部坐标系和齐次变换17

2.1.3 局部坐标系之间的相对性19

2.1.4 齐次变换的链乘法则21

2.2 转动特性21

2.2.1 滚动、俯仰和偏摆22

2.2.2 旋转矩阵的含义23

2.2.3 旋转矩阵的逆阵24

2.2.4 角速度矢量25

2.2.5 旋转矩阵的微分与角速度矢量28

2.2.6 角速度矢量的积分与矩阵指数之间的关系30

2.2.7 矩阵的对数31

2.3.1 单个物体的速度和角速度32

2.3 三维空间中的速度32

2.3.2 两个物体的速度和角速度34

2.4 机器人的数据结构和编程36

2.4.1 数据结构36

2.4.2 用递归方法编程38

2.5 仿人机器人的运动学41

2.5.1 模型的建立41

2.5.2 由关节角求连杆的位姿：正运动学44

2.5.3 由连杆的位姿求关节角：逆运动学47

2.5.4 逆运动学的数值解法50

2.5.5 雅可比54

2.5.6 关节速度、连杆的速度和角速度的计算57

2.5.7 奇异姿态58

2.5.8 附录：辅助函数59

3.1.1 ZMP概述61

第3章 ZMP和动力学61

3.1 ZMP和地面反作用力61

3.1.2 二维分析63

3.1.3 三维分析66

3.2 ZMP的测量70

3.2.1 一般情况70

3.2.2 单脚ZMP71

3.2.3 考虑双足时的ZMP75

3.3 仿人机器人的动力学76

3.3.1 仿人机器人的运动和地面作用力77

3.3.2 动量79

3.3.3 角动量80

3.3.4 刚体的角动量和惯性张量82

3.3.5 机器人质心的计算85

3.3.6 机器人动量的计算86

3.4 基于机器人运动的ZMP计算87

3.3.7 机器人角动量的计算87

3.4.1 ZMP的推导88

3.4.2 ZMP的近似计算89

3.5 对ZMP的几点说明91

3.5.1 两种解释91

3.5.2 因质心加速度的影响ZMP可在支撑多边形之外吗91

3.5.3 ZMP的局限性94

3.6 附录：凸集和凸包95

第4章 双足步行97

4.1 怎样实现双足步行98

4.2 二维步行模式的生成99

4.2.1 二维倒立摆99

4.2.2 线性倒立摆的运动特性103

4.2.3 轨道能量105

4.2.4 支撑脚的切换107

4.2.5 简单的双足步态规划109

4.2.6 向凸凹路面上的推广110

4.3 三维步行模式的生成114

4.3.1 三维线性倒立摆114

4.3.2 三维线性倒立摆的特性116

4.3.3 三维步行模式的生成120

4.3.4 双足支撑阶段的引入129

4.3.5 从线性倒立摆到多连杆模型131

4.3.6 在实际机器人上的应用举例131

4.4 基于ZMP的步行模式生成134

4.4.1 桌子－小车模型134

4.4.2 步行模式的离线生成136

4.4.3 步行模式的在线生成138

4.4.4 基于预观控制的动力学过滤器144

4.5 步行稳定器147

4.5.1 步行稳定控制的基本原理148

4.5.2 Honda仿人机器人的稳定控制152

4.6 双足动态步行技术的先锋154

4.7 双足动态步行的其他实现方法156

4.7.1 被动步行156

4.7.2 非线性振摆和CPG156

4.7.3 学习和进化算法157

第5章 全身运动模式的生成159

5.1 怎样生成全身运动模式159

5.2 粗略的全身运动模式的生成方法162

5.2.1 基于运动捕获的生成法163

5.2.2 基于GUI的生成法163

5.2.3 多维空间高速搜索法165

5.3 保证稳定性的全身运动模式的变换方法165

5.3.1 动力学过滤器166

5.3.2 自动平衡器167

5.3.3 躯干轨迹补偿算法168

5.4 仿人机器人全身运动的远程操作170

5.4.1 基于操作点切换的全身运动远程指令法171

5.4.2 基于分解动量控制的全身运动生成173

5.4.3 在仿人机器人HRP-2上的实现和实验175

5.5 仿人机器人向后摔倒的缓冲动作178

5.6 仿人机器人摔倒后的恢复动作181

第6章 动力学仿真185

6.1 转动刚体的动力学186

6.1.1 Euler运动方程186

6.1.2 刚体转动的仿真187

6.2 空间速度189

6.2.1 空间速度的定义189

6.2.2 空间速度的积分191

6.3.1 Newton-Euler方程193

6.3 刚体动力学193

6.3.2 基于空间速度的动力学194

6.3.3 基于空间速度的刚体运动仿真195

6.3.4 陀螺运动仿真197

6.4 刚体连杆系统的动力学199

6.4.1 考虑加速度的正运动学200

6.4.2 刚体连杆系统的逆动力学202

6.4.3 刚体连杆系统的正动力学205

6.4.4 动力学的Featherstone方法207

6.5 本章的背景和杂谈210

6.6 附录211

6.6.1 力和力矩211

6.6.2 子程序和函数212

参考文献216

索引225