《仿人机器人理论与技术》是清华大学机器人及其自动化实验室在仿人机器人领域多年研究成果的总结。它系统介绍了仿人机器人的基本原理及主要技术，主要内容包括： 仿人机器人概论； 仿人步行的数学表示方法； 仿人机器人的稳定性理论； 仿人机器人的运动规划； 仿人机器人的步行信息感知与传感反射控制； 仿人机器人的仿生控制。
《仿人机器人理论与技术》可供从事足式移动机器人研究的科研人员、相关专业的研究生或本科高年级学生使用。
从古希腊诗人Homeros的长篇叙事诗 《伊利亚特》中用黄金铸造出的美丽聪颖侍女，到现代科幻小说和电影中的机器战警，人类一直延续着一个美丽的梦想： “制造一种像人一样的智能自动机器，代替人完成各种工作，乃至最终成为人类不可或缺的伙伴和朋友！”对这一梦想的追求，始终激励着世界各国一代又一代能工巧匠、技术人员和科学家们的不懈探索和努力，渴望将美丽的神话变为现实。
这种艰苦，进展缓慢，也似乎不见尽头，至20世纪90年代末终于出现了一片曙光，基于Vukobratovic等人在1969年后陆续提出的仿人双足行走ZMP（zero moment point）稳定性基础理论与步行协调控制基本方法，日本本田公司经过长达十数载的潜心研究，于1996年后相继推出了P2，P3和ASIMO等3款仿人形双足行走机器人，其在“双足行走行为类人”方面的技术突破，将人类的人形机器人梦想与实现技术紧密地连接在了一起。此后至今10余年过去了，世界各国的高等研究机构、大学和工业界相继推出了能够在特定环境中实现双足稳定性行走和完成更复杂运动动作，以及具有更丰富人类智慧能力的各种仿人双足行走机器人系统，虽然这种“类人的行为”还比较基本和不够完美，与人形机器人完全融入人类社会的需求还存在相当大的距离，但人类的美丽梦想成为现实已经不再遥遥不可及，前景浮现出了一片光明！
仿人形机器人，简称仿人机器人（humanoid robot），其“仿人”的本质在于此类高级机器人具有类人的感知、决策、行为和交互能力，即它不仅需要具有类人的形体和外观、类人的知觉和感官功能、类人的大脑思维与控制能力，更需要具备“行为的类人特征”，这一特征的基本体现为类人双足运动平衡与控制能力的实现水平。与其他工业和特种移动机器人(轮式、履带式、多足爬行式等)相比，仿人机器人在移动过程中与地面的接触为双足在相对狭小空间内的一系列可选择离散支撑点，因而仿人步行具有高度的适应性与灵活性，它既能在平地上行走，也能在凹凸不平、狭窄空间、台阶和斜坡以及空间障碍等复杂非结构化环境中实现各种形式的运动和动作。此外，因其外形和功能类人，仿人双足机器人更适合在人类生活和工作的环境中与人类协同工作，以及代替人类从事难以达到的，已知和未知的有害与危险环境下的活动，进而拓宽人类社会的有效生活空间。
仿人机器人是类人仿生运动与智能在形式与功能上统一的仿生机电自动化系统再创造。其发展过程面临着以下难题： 实现各种类人动作与功能的多样性； 人类社会环境在空间、时间和对象上的高维性； 自身机构实现在空间上的多自由度变拓扑结构特点； 双足运动的本质无根、混杂与无固定平衡点性能； 行走与动作控制的多输入多输出非线性、变参数、强耦合与干扰、多驱动协调特性等。面对这些科学研究与技术实现难题，一方面，仿人机器人系统的发展经历了由少自由度到多自由度、由简单动作到复杂动作、由初级功能到复杂高级功能、由静态步行到动态步行、由类人下肢到完全仿人的发展过程； 另一方面，对仿人机器人在结构设计与优化、稳定性行走理论与技术、双足运动与步态规划、稳定运动与智能动态控制、仿生肢体协调动作与控制，以及复杂与多系统人机环境下的感知、决策、对抗、合作与融合等方面的研究不断提出各种新的挑战！
仿人机器人是一个非常具有挑战性的研究方向。面对这一挑战，我们一直坚持在这个领域上从事着不懈的研究与探索。艰辛与努力、挫折与进展、失败与成功，伴随着我们清华机器人研究团队不断成长，也在仿人机器人理论与技术研究领域取得了一些有益的积累和进展。回顾历史和国内外目前研究现状，深感有必要较完整地针对仿人机器人的研究问题，将作者10余载在该领域的研究思想、理论方法、成果和心得做一系统的总结、归纳和提高，撰写这本——也是国内第一本仿人机器人理论与技术的学术专著，以益于同行的深入研究，为青年科技人员提供研究与学习参考，并促进仿人机器人的发展和应用。
本书是作者及其机器人研究团队负责承担教育部985、国家自然科学基金、国家863计划、教育部博士点基金和国家重点实验室自主研究课题等项目（拟人机器人技术与系统，编号： 041402028； 双足跑步机器人混杂周期轨道稳定性与时不变控制策略研究，编号： 50575119； 受生物学启发的双足机器人仿生设计与神经控制研究，编号： 50805082； 被动型仿人舞伴机器人与类人舞蹈者的协调运动研究，编号： 50975148； 双足跑步机器人的稳定性与仿生控制策略研究，编号： 2006AA04Z253； 小型仿人机器人关键技术研究，编号： 2003AA42001005； 双足机器人大步幅动态跑步稳定性与控制策略研究，编号： 20060003026； 基于人工肌肉的双足机器人仿生设计与神经控制研究，编号： SKLT08B09）研究成果的系统总结。徐凯博士、杨东超博士、赵建东博士、夏泽洋博士、伊强博士、王健美博士、刘召博士、邵黎君硕士、林玎玎硕士、欧阳兴硕士、赖庆文硕士、张继文硕士、张洪波硕士、黄元林博士生，以及刘莉高级工程师、杨向东副教授、吴丹副教授、赵明国副教授、帅梅副教授、李金泉博士、王恒博士和罗杨宇博士等，与作者合作完成了有关研究课题，对此深表谢意！
本书涉及的研究工作，得到了国家863计划、国家自然科学基金和清华大学的大力支持，得到了吴澄院士、汪劲松教授、徐文立教授、陈强教授、都东教授、孙增祈教授和贾培发教授的热情鼓励和积极帮助，特一并表示衷心的感谢！
限于作者水平，书中定有不少缺点和不足，恳请读者和专家指教！
陈恳，清华大学教授，博士生导师。1981年毕业于四川大学，获学士学位；1984年和1987年毕业于浙江大学，分别获硕士学位和博士学位.1991-1995年在美国伊利诺伊大学和普度大学任客座教授和研究员。主要从事机器人与仿生学、特种机器人技术与应用、机电系统集成与自动化方面的研究。负责完成机器人及其自动化相关领域科研课题60余项；获国家发明专利30项；发表学术论文200余篇；主（合）编专著和教材7部。获首届中国青年科技奖、军队科技进步二等奖和北京市教学成果一等奖。现任清华大学摩擦学国家重点实验室和国家计算机集成制造工程中心副主任；兼任中国自动化、宇航和航空学会机器人与机械电子专业委员，《机器人》杂志编委，国家和机械工业科技奖评审专家和委员。
付成龙，清华大学精密仪器与机械学系助理研究员。2002年毕业于同济大学，获学士学位；2007年毕业于清华大学，获博士学位。主要从事仿人机器人与仿生机器人领域的研究。发表学术论文30余篇；申请国家发明专利14项；获2007年度中国机械工程学会优秀论文奖，2007年度中国机械工程学会年会青年优秀论文奖，2009年清华大学青年教师教学优秀奖。
1 仿人机器人概论
1.1 仿人机器人的基本概念
1.1.1 自由度配置
1.1.2 驱动方式
1.1.3 足部机构
1.1.4 传感器
1.2 仿人机器人的发展历程及现状
1.2.1 主动型仿人机器人的发展历程及现状
1.2.2 被动型仿人机器人的发展历程及现状
1.3 存在的挑战
1.4 本书各章节的内容安排
参考文献
2 仿人步行的数学表示方法
2.1 引论
2.2 仿人机器人的运动学建模
2.2.1 THBIP-Ⅰ仿人机器人
2.2.2 坐标系定义与方向余弦矩阵
2.2.3 位置模型
2.2.4 各刚体的角速度
2.2.5 各刚体的角加速度
2.2.6 各刚体的质心速度
2.2.7 各刚体的质心加速度
2.3 仿人机器人的动力学建模
2.3.1 正向动力学求解——拉格朗日方法
2.3.2 逆向动力学求解——牛顿-欧拉方法
2.3.3 动力学问题的符号自动推导
2.4 地面碰撞建模
2.4.1 碰撞的假设条件
2.4.2 碰撞过程推导
2.5 仿人机器人的整体步行模型
2.5.1 变维数混杂自动机
2.5.2 若干假设
2.5.3 正常平地前向步行的可能形式
2.6 小结
参考文献
3 仿人机器人的稳定性理论
3.1 引论
3.2 现有的步行稳定性判据及其局限性
3.2.1 ZMP稳定性判据
3.2.2 庞加莱回归映射稳定性理论
3.2.3 质心角动量判据
3.3 双足步行稳定性及其降维方法
3.3.1 双足步行稳定性的直观表述及其数学定义
3.3.2 生成不摔倒运动的方法
3.3.3 双足步行稳定性的降维原理和降维方法
3.3.4 降维后的任务空间模型
3.4 任务空间的稳定性判据
3.4.1 任务空间模型的基本假设与若干定义
3.4.2 截面序列及其与混杂状态轨线的等价性
3.4.3 截面映射及其同胚的解析形式
3.4.4 截面映射稳定性判据
3.4.5 有脚双足机器人的仿真算例
3.5 稳定性判据的应用（一）：行走模式规划
3.5.1 欠驱动双足机器人的步行数学模型
3.5.2 参数化的行走模式
3.5.3 行走性能指标及其图集
3.5.4 基于指标图集的行走模式规划
3.5.5 实验结果
3.6 稳定性判据的应用（二）：行走模式转换
3.6.1 行走模式一步转换
3.6.2 行走模式多步转换
3.6.3 实验结果
3.7 小结
参考文献
4 仿人机器人的运动规划
4.1 引论
4.2 无环境约束下的运动规划
4.2.1 完整双足步行的三维运动描述
4.2.2 约束动力学模型
4.2.3 稳定性约束与参数优化
4.2.4 仿真研究
4.2.5 实验结果
4.3 局部环境约束下的运动规划与控制
4.3.1 仿人机器人爬楼梯时的运动方程
4.3.2 上下楼梯的步态综合
4.3.3 感觉回馈控制
4.3.4 实验结果
4.4 复杂非结构化环境约束下的运动规划与控制
4.4.1 足迹规划的数学表述与足迹规划器
4.4.2 基于复合足迹转换模型的确定性足迹规划方法
4.4.3 数值规划实验及分析
4.5 小结
参考文献
5 仿人机器人的步行信息感知与传感反射控制
5.1 引论
5.2 仿人机器人的ZMP-CoP检测系统
5.2.1 THBIP-Ⅰ仿人机器人的CoP数学模型
5.2.2 ZMP-CoP检测系统的组成
5.2.3 系统准确性验证实验
5.2.4 基于ZMP-CoP检测系统的行走实验研究
5.3 仿人机器人的姿态检测系统
5.3.1 捷联惯性导航系统的基本原理
5.3.2 THBIP-Ⅰ仿人机器人姿态解算的数学模型
5.3.3 系统组成及仿真研究
5.4 基于传感反射的运动生成与步行控制
5.4.1 基于传感反射的在线步态生成问题的提出
5.4.2 初始步行模式发生器
5.4.3 状态转换
5.4.4 传感反射的数学描述
5.4.5 基于传感反射步态生成的特性分析
5.4.6 环境适应性分析
5.5 小结
参考文献
6 仿人机器人的仿生控制
6.1 引论
6.2 全局稳定的相关问题
6.2.1 任务空间的周期运动状态
6.2.2 步幅分叉与关节协调
6.3 仿生控制策略
6.3.1 整体思路
6.3.2 节律运动
6.3.3 姿态保持
6.4 步行仿真
6.5 步行特性分析
6.5.1 稳定性
6.5.2 运动特性
6.5.3 参数选择策略
6.6 样机设计与步行实验
6.6.1 机械结构
6.6.2 驱动系统
6.6.3 控制系统
6.6.4 步行实验
6.7 小结
参考文献
结束语
针对双足机器人易摔倒的特点，一些研究人员从约束条件人手，分析了双足机器人支撑脚与地面不发生翻转的条件，提出了ZMP的概念，并认为ZMP在支撑多边形内部时步行系统稳定，反之则不稳定。这种基于约束条件来定义步行稳定性的方法，物理意义直观、易于实现，是目前的主流方法。但是，这种稳定性定义与在力学、数学、控制理论等学科中广泛应用的稳定性概念不一致，混淆了稳定性和约束性的概念，也无法解释动态步行的稳定性问题。实际上，当不满足ZMP稳定条件时，双足机器人也可实现稳定步行。
Grizzle等人从混杂系统的角度，给出了周期步行稳定性的定义，并运用庞加莱映射分析了一个三杆模型双足机器人的步行稳定性问题。
但是双足步行运动不仅是周期现象，随着双足机器人应用领域的不断扩大，各种非周期步行运动（如变速行走、改变行走方向、在崎岖路面行走等）也迫切地需要引入稳定性的概念。
因而，双足步行的进一步研究就迫切地需要一个既能体现双足步行运动的特点，又符合经典的稳定性概念，既适合周期系统，又适合非周期系统的双足步行稳定性定义。
从直观上看，稳定性就是对于一个处于正常工作状态的系统，在干扰的作用下，系统状态偏离了原有工作状态，如果该系统是稳定的，那么当干扰取消后，系统会在自身作用下回到正常工作状态。
由稳定性的直观表述可知，稳定性的概念是针对一个处于正常工作状态的系统而言的.对于双足步行而言，其正常工作状态是不摔倒的期望步行运动，因此，也可类似地给出双足步行稳定性的直观表述。
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