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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ZMP 71

3.2.3 考虑双足时的ZMP 75

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CPG 156

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