仿人机器人建模与控制
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作者(日)德拉戈米尔·N.涅切夫,(日)绀野笃志,(日)辻田彻平
出版社机械工业出版社
ISBN9787111703730
出版时间2022-04
装帧平装
开本16开
定价129元
货号31425370
上书时间2024-10-14
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目录
译者序<br/>前言<br/>致谢<br/>第1章绪论<br/>1.1发展历史<br/>1.2仿人机器人设计的发展趋势<br/>1.2.1仿人机器人的人形特征<br/>1.2.2仿人机器人设计中的权衡<br/>1.2.3仿人机器人的人性化设计<br/>1.3仿人机器人的特征<br/>1.4仿人机器人的相关研究<br/>1.4.1运动冗余、任务约束和最优逆运动学解<br/>1.4.2约束多体系统和接触建模<br/>1.4.3多指手和双臂操作物体<br/>1.4.4浮动基座上的欠驱动系统<br/>1.4.5其他相关领域的研究<br/>1.5先修知识和章节安排<br/>参考文献<br/>第2章运动学<br/>2.1引言<br/>2.2运动学结构<br/>2.3正运动学和逆运动学问题<br/>2.4微分运动学<br/>2.4.1运动旋量、空间速度和空间变换<br/>2.4.2正微分运动学<br/>2.4.3逆微分运动学<br/>2.5奇异构型下的微分运动学<br/>2.6可操作性椭球<br/>2.7运动学冗余<br/>2.7.1自运动<br/>2.7.2逆运动学问题的通解<br/>2.7.3加权广义逆<br/>2.7.4基于梯度投影的冗余分解<br/>2.7.5基于扩展雅可比矩阵的冗余分解<br/>2.8多任务约束下的逆运动学解<br/>2.8.1运动任务约束<br/>2.8.2多任务冗余分解法<br/>2.8.3迭代优化法<br/>2.8.4总结与讨论<br/>2.9接触产生的运动约束<br/>2.9.1接触关节<br/>2.9.2接触坐标系<br/>2.9.3无摩擦接触关节的运动学模型<br/>2.10封闭链的微分运动学<br/>2.10.1闭环支链的瞬时运动分析<br/>2.10.2逆运动学解<br/>2.10.3正运动学解<br/>2.11仿人机器人的微分运动关系<br/>2.11.1准速度、完整接触约束和非完整接触约束<br/>2.11.2基于基础准速度表示的一阶微分运动关系<br/>2.11.3二阶微分运动约束及其可积性<br/>2.11.4具有混合准速度的一阶微分运动关系<br/>2.11.5总结与讨论<br/>参考文献<br/>第3章静力学<br/>3.1引言<br/>3.2力旋量和空间力<br/>3.3接触关节：静力学关系<br/>3.3.1无摩擦接触关节的静力学模型<br/>3.3.2有摩擦的接触关节模型<br/>3.3.3接触关节的运动/力对偶关系<br/>3.4独立闭环链的动力学关系<br/>3.4.1接触力旋量的正交分解<br/>3.4.2闭环连杆力旋量和根连杆力旋量的正交分解<br/>3.4.3肢体关节扭矩的分解<br/>3.5力旋量分布问题<br/>3.5.1力旋量分布问题的通解<br/>3.5.2内力/内力矩：虚拟连杆模型<br/>3.5.3确定环中的关节扭矩<br/>3.5.4广义逆的选择<br/>3.5.5关节扭矩分量中的优先级<br/>3.6仿人机器人的运动静力学关系<br/>3.6.1复合刚体及其力旋量<br/>3.6.2相互依赖的闭环<br/>3.6.3独立闭环<br/>3.6.4关节扭矩的确定<br/>3.6.5说明性示例<br/>3.6.6总结与讨论<br/>3.7静态姿势的稳定性和优化<br/>3.7.1静态姿势稳定性<br/>3.7.2静态姿势优化<br/>3.8姿势描述和对偶关系<br/>参考文献<br/>第4章动力学<br/>4.1引言<br/>4.2欠驱动机器人动力学<br/>4.3平面上简单的欠驱动模型<br/>4.3.1线性倒立摆模型<br/>4.3.2足部建模：由压力中心驱动的质心动力学<br/>4.3.3线性反作用轮摆模型和角动量转轴<br/>4.3.4反作用质量摆模型<br/>4.3.5平面上的多连杆模型<br/>4.4简单的三维欠驱动模型<br/>4.4.1可变长度的三维倒立摆<br/>4.4.2球形足上倒立摆模型和平面上球体模型<br/>4.4.3三维反作用轮摆模型<br/>4.4.4三维反作用质量摆模型<br/>4.4.5三维多连杆模型<br/>4.5固定基座机械臂的动力学模型<br/>4.5.1关节空间坐标下的动力学模型<br/>4.5.2空间坐标下的动力学模型<br/>4.5.3具有动力学解耦分级结构的零空间动力学<br/>4.6零重力下自由漂浮机械臂的空间动量<br/>4.6.1历史背景<br/>4.6.2空间动量<br/>4.6.3关节锁定：复合刚体<br/>4.6.4关节解锁：多体符号<br/>4.6.5自由漂浮机械臂的瞬时运动<br/>4.7基于动量的冗余分解<br/>4.7.1动量平衡原理<br/>4.7.2基于空间动量的冗余分解<br/>4.7.3基于角动量的冗余分解<br/>4.7.4零重力下自由漂浮仿人机器人的运动<br/>4.8零重力下自由漂浮机械臂的运动方程<br/>4.8.1用基座准速度表示<br/>4.8.2用混合准速度表示<br/>4.8.3用质心准速度表示<br/>4.9基于反作用零空间的逆动力学<br/>4.10仿人机器人的空间动量<br/>4.11仿人机器人的运动方程<br/>4.12约束力消元法<br/>4.12.1高斯最小约束原理<br/>4.12.2直接消元法<br/>4.12.3Maggi方程（零空间投影法）<br/>4.12.4范围空间投影法<br/>4.12.5总结与结论<br/>4.13运动方程的简化形式<br/>4.13.1基于关节空间动力学的表示<br/>4.13.2基于空间动力学的表示（Lagrange瞕餉lembert公式）<br/>4.13.3末端连杆空间坐标中的运动方程<br/>4.13.4总结与讨论<br/>4.14逆动力学<br/>4.14.1基于直接消元法/高斯法/Maggi法/投影法<br/>4.14.2基于Lagrange瞕餉lembert公式<br/>4.14.3基于关节空间动力学的消元法<br/>4.14.4总结与讨论<br/>参考文献<br/>第5章平衡控制<br/>5.1概述<br/>5.2动态姿势稳定性<br/>5.3足上倒立摆稳定性分析<br/>5.3.1外推质心和动态稳定裕度<br/>5.3.2外推质心动力学<br/>5.3.3具有跃迁的离散状态<br/>5.3.4二维动态稳定区域<br/>5.4平坦地面上的ZMP操作型稳定化<br/>5.4.1ZMP操作型稳定器<br/>5.4.2基于速度的三维ZMP操作型稳定化<br/>5.4.3ZMP调节器式稳定器<br/>5.4.4存在地面反作用力估计时滞的ZMP稳定化<br/>5.4.5躯干位置顺应性控制<br/>5.5基于捕获点的分析和稳定化<br/>5.5.1捕获点和瞬时捕获点<br/>5.5.2基于ICP的稳定化<br/>5.5.3存在地面反作用力估计时滞的瞬时捕捉点的稳定化<br/>5.5.4二维ICP的动力学方程和稳定化<br/>5.6角动量分量的稳定性分析和稳定化<br/>5.6.1基于LRWP模型的稳定性分析<br/>5.6.2三维稳定性分析：运动的发散分量<br/>5.6.3DCM稳定器<br/>5.6.4总结与讨论<br/>5.7基于最大输出可允许集的稳定化<br/>5.8基于空间动量及其变化率的平衡控制<br/>5.8.1平衡控制中的基本功能依赖关系<br/>5.8.2解析动量控制<br/>5.8.3相对角动量/速度的全身平衡控制<br/>5.8.4基于RNS的不稳定姿势稳定化<br/>5.8.5解析的动量框架内接触稳定的方法<br/>5.8.6由CMP/VRP参数化的空间动量速率稳定化<br/>5.8.7具有渐近稳定性的CRB运动轨迹跟踪<br/>5.9用于平衡控制的任务空间控制器设计<br/>5.9.1通用任务空间控制器结构<br/>5.9.2优化任务表述和约束<br/>5.10非迭代身体力旋量分配方法<br/>5.10.1基于伪逆的身体力旋量分布<br/>5.10.2ZMP分配器<br/>5.10.3比例分配法<br/>5.10.4DCM广义逆<br/>5.10.5VRP广义逆<br/>5.10.6基于关节扭矩的接触力旋量优化<br/>5.11基于非迭代空间动力学的运动优化<br/>5.11.1利用CRB力旋量一致的输入进行独立的运动优化∓lt;br/>5.11.2角动量阻尼稳定<br/>5.11.3利用基于任务的手部运动约束进行运动优化<br/>5.12非迭代全身体运动/力优化<br/>5.12.1基于闭链模型的多接触运动/力控制器<br/>5.12.2基于操作空间公式的运动/力优化<br/>5.13响应弱外部干扰的反应性平衡控制<br/>5.13.1基于重力补偿的被动式全身顺应性<br/>5.13.2具有多个接触和被动性的全身顺应性<br/>5.13.3全身顺应性的多接触运动/力控制<br/>5.14平衡控制中的迭代优化<br/>5.14.1历史背景<br/>5.14.2基于SOCP的优化<br/>5.14.3迭代接触力旋量优化<br/>5.14.4迭代空间动力学优化<br/>5.14.5基于完整动力学的优化<br/>5.14.6混合迭代/非迭代优化方法<br/>5.14.7计算时间要求<br/>参考文献<br/>第6章协作物体的操作与控制<br/>6.1引言<br/>6.2多指手抓握<br/>6.2.1抓握矩阵和手部雅可比矩阵<br/>6.2.2静态抓握<br/>6.2.3约束类型<br/>6.2.4形状闭合<br/>6.2.5力闭合<br/>6.3多臂抓握物体的操作控制方法<br/>6.3.1多臂物体操作的背景<br/>6.3.2多臂协作的动力学和静力学研究<br/>6.3.3施加到被抓握物体上的力和力矩<br/>6.3.4载荷分布<br/>6.3.5外部与内部力旋量的控制<br/>6.3.6混合位置/力控制<br/>6.4多个仿人机器人之间的协作<br/>6.4.1在线足迹规划<br/>6.4.2手脚协同运动<br/>6.4.3主从式协作和对称式协作<br/>6.4.4主从式协作物体操作<br/>6.4.5对称式协作物体操作<br/>6.4.6主从式协作与对称式协作的比较<br/>6.5双臂动态物体操作控制<br/>6.5.1物体的运动方程<br/>6.5.2控制器<br/>参考文献<br/>第7章运动生成和控制：特定主题的应用<br/>7.1概述<br/>7.2基于ICP的步态生成和行走控制<br/>7.2.1基于CP的行走控制<br/>7.2.2基于CP的步态生成<br/>7.2.3ICP控制器<br/>7.2.4基于CP的步态生成与ZMP控制<br/>7.3在沙地上双足行走<br/>7.3.1沙地行走的落地位置控制<br/>7.3.2在沙地上行走的实验<br/>7.3.3总结与讨论<br/>7.4不规则地形的生成和基于VRP睪I的行走控制<br/>7.4.1连续双支撑步态生成<br/>7.4.2脚跟到脚趾步态生成<br/>7.4.3仿真<br/>7.5基于协同的运动生成<br/>7.5.1原始运动协同效应<br/>7.5.2原始协同效应的组合<br/>7.5.3使用单指令输入生成多个协同效应<br/>7.6基于协同的平面模型反应性平衡控制<br/>7.6.1人类使用的平衡控制的运动协同效应<br/>7.6.2基于RNS的反作用协同效应<br/>7.6.3矢状面踝关节/髋关节协同效应<br/>7.6.4侧平面踝关节、加载/卸载和抬腿协同效应<br/>7.6.5横向平面扭转协同效应<br/>7.6.6通过简单的叠加获得复杂的反应性协同效应<br/>7.6.7总结与讨论<br/>7.7利用全身模型获得反应性协同效应<br/>7.7.1简单动态转矩控制器产生的反应性协同效应<br/>7.7.2对加载/卸载和抬腿策略的二次讨论<br/>7.7.3柔性响应<br/>7.7.4具有RNS角动量阻尼的碰撞调节<br/>7.7.5反应性步进<br/>7.7.6无须步进即可适应较大碰撞<br/>7.8碰撞运动生成<br/>7.8.1历史背景<br/>7.8.2考虑减速轮系的影响<br/>7.8.3地面反作用力和力矩<br/>7.8.4碰撞引起的动力学效应<br/>7.8.5虚拟质量<br/>7.8.6撞击力引起的CoP位移<br/>7.8.7碰撞运动生成的优化问题<br/>7.8.8案例研究：空手道掌劈动作生成<br/>7.8.9碰撞运动生成的实验验证<br/>参考文献<br/>第8章仿真<br/>8.1概述<br/>8.2机器人模拟器<br/>8.3机器人模拟器的结构<br/>8.4使用MATLAB/Simulink进行动力学仿真<br/>8.4.1为Simulink生成机器人树模型<br/>8.4.2生成Simulink模型<br/>8.4.3配置关节模式<br/>8.4.4接触力建模<br/>8.4.5计算零力矩点<br/>8.4.6运动设计<br/>8.4.7仿真<br/>参考文献<br/>附录A
内容摘要
本书由来自日本的三位机器人专家撰写，主要讲解仿人机器人的分析、设计和控制中使用的模型。首先介绍仿人机器人领域的发展历史，总结当前的先进成果。接下来介绍运动学、静力学和动力学相关的理论基础，并对双足平衡控制方法进行了综述。然后讨论多指手机器人、双臂机器人和多机器人系统的协作物体操作的模型和控制算法。之后介绍仿人机器人的运动生成和控制，以及这些技术的应用。最后介绍仿真环境，并提供使用基于MATLAB的模拟器进行动力学仿真的详细步骤。本书要求读者具备一定的背景知识，适合进阶阶段的研究人员阅读。
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