仿人機(jī)器人理論與技術(shù)

前言

從古希臘詩(shī)人Homeros的長(zhǎng)篇敘事詩(shī)《伊利亞特》中用黃金鑄造出的美麗聰穎侍女，到現(xiàn)代科幻小說(shuō)和電影中的機(jī)器戰(zhàn)警，人類(lèi)一直延續(xù)著一個(gè)美麗的夢(mèng)想：“制造一種像人一樣的智能自動(dòng)機(jī)器，代替人完成各種工作，乃至最終成為人類(lèi)不可或缺的伙伴和朋友！”對(duì)這一夢(mèng)想的追求，始終激勵(lì)著世界各國(guó)一代又一代能工巧匠、技術(shù)人員和科學(xué)家們的不懈探索和努力，渴望將美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這種艱苦，進(jìn)展緩慢，也似乎不見(jiàn)盡頭，至20世紀(jì)90年代末終于出現(xiàn)了一片曙光，基于Vukobratovic：等人在1969年后陸續(xù)提出的仿人雙足行走ZMP（zeromomentpoint）穩(wěn)定性基礎(chǔ)理論與步行協(xié)調(diào)控制基本方法，日本本田公司經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十?dāng)?shù)載的潛心研究，于1996年后相繼推出了P2，P3和ASIMO等3款仿人形雙足行走機(jī)器人，其在“雙足行走行為類(lèi)人”方面的技術(shù)突破，將人類(lèi)的人形機(jī)器人夢(mèng)想與實(shí)現(xiàn)技術(shù)緊密地連接在了一起。此后至今10余年過(guò)去了，世界各國(guó)的高等研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和工業(yè)界相繼推出了能夠在特定環(huán)境中實(shí)現(xiàn)雙足穩(wěn)定性行走和完成更復(fù)雜運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，以及具有更豐富人類(lèi)智慧能力的各種仿人雙足行走機(jī)器人系統(tǒng)，雖然這種“類(lèi)人的行為”還比較基本和不夠完美，與人形機(jī)器人完全融入人類(lèi)社會(huì)的需求還存在相當(dāng)大的距離，但人類(lèi)的美麗夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)已經(jīng)不再遙遙不可及，前景浮現(xiàn)出了一片光明！

內(nèi)容概要

　　《仿人機(jī)器人理論與技術(shù)》是清華大學(xué)機(jī)器人及其自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室在仿人機(jī)器人領(lǐng)域多年研究成果的總結(jié)。它系統(tǒng)介紹了仿人機(jī)器人的基本原理及主要技術(shù)，主要內(nèi)容包括： 仿人機(jī)器人概論； 仿人步行的數(shù)學(xué)表示方法； 仿人機(jī)器人的穩(wěn)定性理論； 仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃； 仿人機(jī)器人的步行信息感知與傳感反射控制； 仿人機(jī)器人的仿生控制?！　　斗氯藱C(jī)器人理論與技術(shù)》可供從事足式移動(dòng)機(jī)器人研究的科研人員、相關(guān)專業(yè)的研究生或本科高年級(jí)學(xué)生使用。

作者簡(jiǎn)介

陳懇，清華大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。1981年畢業(yè)于四川大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位；1984年和1987年畢業(yè)于浙江大學(xué)，分別獲碩士學(xué)位和博士學(xué)位.1991-1995年在美國(guó)伊利諾伊大學(xué)和普度大學(xué)任客座教授和研究員。主要從事機(jī)器人與仿生學(xué)、特種機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用、機(jī)電系統(tǒng)集成與自動(dòng)化方面的研究。負(fù)責(zé)完成機(jī)器人及其自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域科研課題60余項(xiàng)；獲國(guó)家發(fā)明專利30項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇；主（合）編專著和教材7部。獲首屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)、軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和北京市教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。現(xiàn)任清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家計(jì)算機(jī)集成制造工程中心副主任；兼任中國(guó)自動(dòng)化、宇航和航空學(xué)會(huì)機(jī)器人與機(jī)械電子專業(yè)委員，《機(jī)器人》雜志編委，國(guó)家和機(jī)械工業(yè)科技獎(jiǎng)評(píng)審專家和委員。付成龍，清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系助理研究員。2002年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位；2007年畢業(yè)于清華大學(xué)，獲博士學(xué)位。主要從事仿人機(jī)器人與仿生機(jī)器人領(lǐng)域的研究。發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利14項(xiàng)；獲2007年度中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，2007年度中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)青年優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，2009年清華大學(xué)青年教師教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)。

書(shū)籍目錄

1 仿人機(jī)器人概論1.1 仿人機(jī)器人的基本概念1.1.1 自由度配置1.1.2 驅(qū)動(dòng)方式1.1.3 足部機(jī)構(gòu)1.1.4 傳感器1.2 仿人機(jī)器人的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀1.2.1 主動(dòng)型仿人機(jī)器人的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀1.2.2 被動(dòng)型仿人機(jī)器人的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀1.3 存在的挑戰(zhàn)1.4 本書(shū)各章節(jié)的內(nèi)容安排參考文獻(xiàn)2 仿人步行的數(shù)學(xué)表示方法2.1 引論2.2 仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模2.2.1 THBIP-Ⅰ仿人機(jī)器人2.2.2 坐標(biāo)系定義與方向余弦矩陣2.2.3 位置模型2.2.4 各剛體的角速度2.2.5 各剛體的角加速度2.2.6 各剛體的質(zhì)心速度2.2.7 各剛體的質(zhì)心加速度2.3 仿人機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模2.3.1 正向動(dòng)力學(xué)求解——拉格朗日方法2.3.2 逆向動(dòng)力學(xué)求解——牛頓-歐拉方法2.3.3 動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的符號(hào)自動(dòng)推導(dǎo)2.4 地面碰撞建模2.4.1 碰撞的假設(shè)條件2.4.2 碰撞過(guò)程推導(dǎo)2.5 仿人機(jī)器人的整體步行模型2.5.1 變維數(shù)混雜自動(dòng)機(jī)2.5.2 若干假設(shè)2.5.3 正常平地前向步行的可能形式2.6 小結(jié)參考文獻(xiàn)3 仿人機(jī)器人的穩(wěn)定性理論3.1 引論3.2 現(xiàn)有的步行穩(wěn)定性判據(jù)及其局限性3.2.1 ZMP穩(wěn)定性判據(jù)3.2.2 龐加萊回歸映射穩(wěn)定性理論3.2.3 質(zhì)心角動(dòng)量判據(jù)3.3 雙足步行穩(wěn)定性及其降維方法3.3.1 雙足步行穩(wěn)定性的直觀表述及其數(shù)學(xué)定義3.3.2 生成不摔倒運(yùn)動(dòng)的方法3.3.3 雙足步行穩(wěn)定性的降維原理和降維方法3.3.4 降維后的任務(wù)空間模型3.4 任務(wù)空間的穩(wěn)定性判據(jù)3.4.1 任務(wù)空間模型的基本假設(shè)與若干定義3.4.2 截面序列及其與混雜狀態(tài)軌線的等價(jià)性3.4.3 截面映射及其同胚的解析形式3.4.4 截面映射穩(wěn)定性判據(jù)3.4.5 有腳雙足機(jī)器人的仿真算例3.5 穩(wěn)定性判據(jù)的應(yīng)用(一)：行走模式規(guī)劃3.5.1 欠驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人的步行數(shù)學(xué)模型3.5.2 參數(shù)化的行走模式3.5.3 行走性能指標(biāo)及其圖集3.5.4 基于指標(biāo)圖集的行走模式規(guī)劃3.5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.6 穩(wěn)定性判據(jù)的應(yīng)用(二)：行走模式轉(zhuǎn)換3.6.1 行走模式一步轉(zhuǎn)換3.6.2 行走模式多步轉(zhuǎn)換3.6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.7 小結(jié)參考文獻(xiàn)4 仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃4.1 引論4.2 無(wú)環(huán)境約束下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃4.2.1 完整雙足步行的三維運(yùn)動(dòng)描述4.2.2 約束動(dòng)力學(xué)模型4.2.3 穩(wěn)定性約束與參數(shù)優(yōu)化4.2.4 仿真研究4.2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.3 局部環(huán)境約束下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制4.3.1 仿人機(jī)器人爬樓梯時(shí)的運(yùn)動(dòng)方程4.3.2 上下樓梯的步態(tài)綜合4.3.3 感覺(jué)回饋控制4.3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.4 復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境約束下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制4.4.1 足跡規(guī)劃的數(shù)學(xué)表述與足跡規(guī)劃器4.4.2 基于復(fù)合足跡轉(zhuǎn)換模型的確定性足跡規(guī)劃方法4.4.3 數(shù)值規(guī)劃實(shí)驗(yàn)及分析4.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)5 仿人機(jī)器人的步行信息感知與傳感反射控制5.1 引論5.2 仿人機(jī)器人的ZMP-CoP檢測(cè)系統(tǒng)5.2.1 THBIP-Ⅰ仿人機(jī)器人的CoP數(shù)學(xué)模型5.2.2 ZMP-CoP檢測(cè)系統(tǒng)的組成5.2.3 系統(tǒng)準(zhǔn)確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)5.2.4 基于ZMP-CoP檢測(cè)系統(tǒng)的行走實(shí)驗(yàn)研究5.3 仿人機(jī)器人的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)5.3.1 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理5.3.2 THBIP-Ⅰ仿人機(jī)器人姿態(tài)解算的數(shù)學(xué)模型5.3.3 系統(tǒng)組成及仿真研究5.4 基于傳感反射的運(yùn)動(dòng)生成與步行控制5.4.1 基于傳感反射的在線步態(tài)生成問(wèn)題的提出5.4.2 初始步行模式發(fā)生器5.4.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換5.4.4 傳感反射的數(shù)學(xué)描述5.4.5 基于傳感反射步態(tài)生成的特性分析5.4.6 環(huán)境適應(yīng)性分析5.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)6 仿人機(jī)器人的仿生控制6.1 引論6.2 全局穩(wěn)定的相關(guān)問(wèn)題6.2.1 任務(wù)空間的周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)6.2.2 步幅分叉與關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)6.3 仿生控制策略6.3.1 整體思路6.3.2 節(jié)律運(yùn)動(dòng)6.3.3 姿態(tài)保持6.4 步行仿真6.5 步行特性分析6.5.1 穩(wěn)定性6.5.2 運(yùn)動(dòng)特性6.5.3 參數(shù)選擇策略6.6 樣機(jī)設(shè)計(jì)與步行實(shí)驗(yàn)6.6.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)6.6.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)6.6.3 控制系統(tǒng)6.6.4 步行實(shí)驗(yàn)6.7 小結(jié)參考文獻(xiàn)結(jié)束語(yǔ)

章節(jié)摘錄

插圖：針對(duì)雙足機(jī)器人易摔倒的特點(diǎn)，一些研究人員從約束條件人手，分析了雙足機(jī)器人支撐腳與地面不發(fā)生翻轉(zhuǎn)的條件，提出了ZMP的概念，并認(rèn)為ZMP在支撐多邊形內(nèi)部時(shí)步行系統(tǒng)穩(wěn)定，反之則不穩(wěn)定。這種基于約束條件來(lái)定義步行穩(wěn)定性的方法，物理意義直觀、易于實(shí)現(xiàn)，是目前的主流方法。但是，這種穩(wěn)定性定義與在力學(xué)、數(shù)學(xué)、控制理論等學(xué)科中廣泛應(yīng)用的穩(wěn)定性概念不一致，混淆了穩(wěn)定性和約束性的概念，也無(wú)法解釋動(dòng)態(tài)步行的穩(wěn)定性問(wèn)題。實(shí)際上，當(dāng)不滿足ZMP穩(wěn)定條件時(shí)，雙足機(jī)器人也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定步行。Grizzle等人從混雜系統(tǒng)的角度，給出了周期步行穩(wěn)定性的定義，并運(yùn)用龐加萊映射分析了一個(gè)三桿模型雙足機(jī)器人的步行穩(wěn)定性問(wèn)題。但是雙足步行運(yùn)動(dòng)不僅是周期現(xiàn)象，隨著雙足機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，各種非周期步行運(yùn)動(dòng)（如變速行走、改變行走方向、在崎嶇路面行走等）也迫切地需要引入穩(wěn)定性的概念。因而，雙足步行的進(jìn)一步研究就迫切地需要一個(gè)既能體現(xiàn)雙足步行運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，又符合經(jīng)典的穩(wěn)定性概念，既適合周期系統(tǒng)，又適合非周期系統(tǒng)的雙足步行穩(wěn)定性定義。從直觀上看，穩(wěn)定性就是對(duì)于一個(gè)處于正常工作狀態(tài)的系統(tǒng)，在干擾的作用下，系統(tǒng)狀態(tài)偏離了原有工作狀態(tài)，如果該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么當(dāng)干擾取消后，系統(tǒng)會(huì)在自身作用下回到正常工作狀態(tài)。由穩(wěn)定性的直觀表述可知，穩(wěn)定性的概念是針對(duì)一個(gè)處于正常工作狀態(tài)的系統(tǒng)而言的.對(duì)于雙足步行而言，其正常工作狀態(tài)是不摔倒的期望步行運(yùn)動(dòng)，因此，也可類(lèi)似地給出雙足步行穩(wěn)定性的直觀表述。

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