本书结合人形机器人研究中各类先进方法，系统地介绍了驱动人形机器人运动的基础知识、推导过程以及应用案例，阐述了人形机器人的运动学、动力学表示方法，解释了ZMP的概念及其与地面反作用力的关系，描述了人形机器人双足行走行为的生成和控制方法，并拓展了其他多种动作的实现方法，最后介绍了动力学建模、仿真和高效动力学的计算方法。
在科技日新月异的今天，机器人技术作为未来科技的重要组成部分，正以前所未有的速度改变着我们的生活和生产方式。而《人形机器人（原书第2版）》正是这样一本引领读者深入探索这一前沿领域的佳作。本书由领域内资深专家精心撰写，内容权威且全面。它不仅深入剖析了人形机器人的动力学与运动学原理，还结合实际应用案例，让读者能够直观理解复杂的技术理论。从基础的机械结构设计到高级的智能控制算法，本书都进行了详尽的阐述，为读者搭建起了一座从理论到实践的桥梁。对于机器人技术的研究人员、工程师以及高校教师和学生来说，《人形机器人（原书第2版）》无疑是一本不可多得的参考书。它不仅能够为专业人士提供最新的技术进展和研究成果，还能够帮助学生系统地掌握人形机器人技术的核心知识，为未来的科研和职业发展打下坚实的基础。同时，本书也适合对机器人技术感兴趣的普通读者。它以通俗易懂的语言和生动的插图，将复杂的技术原理变得易于理解，让读者在轻松愉快的阅读中感受到科技的魅力。
preface
第2版前言
自2005年本书的第1版出版以来，已经过去了15年。在过去的15年里，针对人形机器人的研究在世界范围内掀起了热潮。得益于此，本书的第1版于2007年被翻译成中文和德文，2009年被翻译成法文，2014年被翻译成英文。
然而，在机器人领域，世界各地的研究每天都在取得新进展。第2版在保持第1版基本内容的基础上，比留川博久（第3章）、吉田英一（第5章）和梶田秀司（第1、2、4和6章）对2020年人形机器人研究中需要解决的问题进行了补充。
本书介绍的大多数机器人是由川田机器人有限公司开发的。为此，我们衷心感谢川田机器人有限公司的总裁川田忠裕先生、五十栖隆胜先生和其他相关优秀工程师。
日本产业技术综合研究所（简称产综研）的AISTCNRS机器人联合研究实验室目前正在推动人形机器人的研究。在此要感谢该实验室主任金广文男先生、CNRS研究主任Abderrahmane Kheddar先生和联合研究实验室副主任森泽光晴先生，以及我的同事金子健二、阪口健、Rafael Cisneros、Mehdi Benallegue、神永拓、熊谷伊织、Adrien Escande、鲇泽光等其他成员。
此外，我们还要感谢已经离开研究小组、自己创办公司在社会上推广人形机器人基础研究成果的Choreonoid公司总裁中冈慎一郎先生，感谢他在百忙之中抽出时间来检查手稿。
最后，我们要感谢三浦郁奈子，她于2007年加入AIST人形机器人研究小组，作为HRP4C“未梦”的开发成员发挥了重要作用。如果不是2013年她作为访问学者在美国麻省理工学院逗留期间发生了不幸的事故，她将是对这本书的出版最高兴的人之一。
梶田秀司
preface
第1版前言
今天在电视和展示会看到人形机器人像真人一样行走和跳舞，各种各样的机器人表演令人叹为观止。很多人不禁好奇：“那些动作是怎样实现的呢？”本书的首要目的就是回答这个问题。本书介绍的理论和技术已经实际应用于人形机器人HRP2的控制，类似的技术也应用于诸如本田的ASIMO和索尼的QRIO等著名的人形机器人。
乍看起来，书中内容并不简单。对那些不擅长数学的人而言，本书的方程式数量多得令人生畏。为了克服这些数学算式的枯燥乏味，我们尽可能地加插了图片，以使它们形象生动。事实上，这是一些用数学语言和物理语言仔细谱写的“乐谱”，隐藏在人形机器人令人赞叹的表演背后。我们希望本书能引起更多的人对人形机器人感兴趣并认识到科学和技术是构筑现代社会的支柱。如果这个目的能达到，那么本书的写作就获得了成功。
本书第1章由隶属于产业技术综合研究所的智能系统研究所人形机器人研究室主任比留川博久执笔；第3章由该研究室的研究员原田研介和梶田秀司共同执笔；第5章由智能系统研究所的自主行为控制研究室主任横井一仁执笔；第2章、第4章、第6章由梶田秀司执笔。
若没有其他很多人的帮助，本书是难以出版的。首先感谢川田工业株式会社航空和机械事业部的川田忠裕、五十栖隆胜和其他优秀的工程师，他们设计制造了包括人形机器人HRP2在内的硬件平台。 感谢General Robotix株式会社的小神野东贤和川角祐一郎，他们为我们负责机器人的维护保养。我们还感谢智能系统研究所人形机器人研究室的金子健二、金广文男、藤原清司、斋藤元和森泽光晴等， 他们做出了很多优秀的研究成果。本书的内容主要是人形机器人研究室全体人员的研究成果，该室研究人员对书稿提出过有益的建议。智能系统研究所的分布系统设计研究室主任黑河治久在最后阶段对书稿提出过重要建议，筑波大学研究生院学生长崎高已指出了原稿中的一些错误。
最后感谢智能系统研究所所长平井成兴和前所长谷江和雄。若没有他们的管理以维持一个良好的研究环境，本书也就难以问世。
梶田秀司
2005年3月
梶田秀司是日本的机器人研究者，获得东京工业大学工学博士学位。在产业技术综合研究所开发了人类机器人HRP-2和HRP-4C。实现了基于倒立摆的双足行走机器人的控制，以及基于运动量和角动量的人形机器人的全身控制。
他曾在东京工业大学机器人技术研究会工作，也担任过产业技术综合研究所机械技术研究所主任研究员,日本产业技术综合研究所智能系统研究部门主任研究员，现为中部大学的客座教授。
CONTENTS
目录
第2版前言
第1版前言
第1章人形机器人概论111人形机器人简介1
111什么是人形机器人1
112人形机器人历史2
12本书章节内容4
13人形机器人的研发动向5
131人类合作、共存型机
器人系统研发项目
（1998—2002）5
132类人形机器人研究
的扩大与扩展
（2005—2012）6
133核电站事故与DARPA
机器人挑战赛
(2011—2015)10
134DRC之后
（2015—2020）14
14展望17
15拓展：相关书籍17
第2章机器人运动学1921坐标变换19
211世界坐标系20
212局部坐标系和同次
变换矩阵20
213基于一个局部坐标
系定义另一个局部
坐标系22
214同次变换矩阵的
链式法则24
22旋转运动的性质24
221滚转、俯仰、偏转
的表现方式24
222旋转矩阵的含义26
223旋转矩阵的逆矩阵26
224角速度向量27
225旋转矩阵的微分和角
速度向量的关系30
226角速度向量的积分和
旋转矩阵的关系31
227矩阵对数函数32
23物体在三维空间的速度
和角速度33
231单个物体的速度和
角速度33
232两个物体的速度和
角速度34
24人形机器人的分割方法
和控制程序36
241分割方法36
242控制程序38
25人形机器人的运动学40
251模型的生成方法40
252从关节角度求连杆
位置和姿态:正向
运动学42
253从连杆的位置和
姿态求关节角度：
反向运动学44
254反向运动学的数值
解法47
255雅可比52
256雅可比的关节速度53
257奇异姿态56
258针对奇异姿态的
反向运动学计算57
259使用余因子矩阵
的方法60
26拓展：辅助函数61
第3章ZMP和机器人动
力学63
31ZMP和地面反作用力63
311ZMP63
312二维解析65
313三维解析67
32ZMP的测量70
321一般的情况71
322单脚支撑下的ZMP72
323双脚支撑下的ZMP75
33人形机器人的动力学76
331人形机器人的运动
与地面反作用力76
332动量78
333角动量79
334刚体的角动量和惯
性张量81
335计算整个机器人的
重心位置83
336计算机器人全身的
动量83
337计算机器人全身的
角动量84
34根据机器人的运动计算
ZMP85
341导出ZMP85
342近似计算ZMP86
35关于ZMP的注意事项88
351两个种类的说明88
352在重心的加速运动
中ZMP会脱离支撑
多边形吗89
353ZMP无法处理的
情况90
36ZMP的六维扩展CWS91
361接触力螺旋和CWS
的接触稳定性判定91
362ZMP和CWS的等
价性95
363CWC的楼梯接触
稳定性判定99
37拓展:凸集和凸包100
371凸集 （convex set）100
372凸包 (convex hull)
100
第4章双足行走102
41如何实现双足行走102
42二维步态模式103
421倒立摆103
422线性倒立摆的动作106
423轨道能108
424通过切换支撑腿
进行控制109
425规划一个简单的
步态模式110
426扩展到不平表面112
43三维步态模式115
431三维线性倒立摆115
432生成三维步态
模式117
433引入双腿支撑期124
434从线性倒立摆到
多连杆模型126
435应用于实际机
器人126
44生成以ZMP为规
范的步态模式128
441台面/小车模型128
442离线生成步态模式130
443在线生成步态模式132
444使用预见控制的
动力学滤波器137
45步态稳定控制系统139
451重心和ZMP测量140
452重心和ZMP反馈143
453ZMP分配144
454地面反作用力
书单推荐![人形机器人（原书第2版） [日]梶田秀司](/uploadfile/202407/9787111757207.jpg)
