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写在开头： 后面笔者将从事仿人机器人方面的相关研究工作，为了掌握仿人机器人研究与开发的相关理论知识，吃透仿人机器人相关理论研究，特此选择梶田秀司笔下的仿人机器人作为参考书籍，在此记录相关的学习笔记，以便读者学习或自己复习。

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第 1 章 仿人机器人概论

1.1 概述

​ 机器人的最佳形态应该取决于对机器人的功能要求。

​ 仿人机器人应该具有下列三个特征

1. 能在人们所处的现实环境中工作；（现实环境为人类自身设计）
2. 能使用人们所用的工具；（工具为人类自身设计）
3. 具有人的形状；（拟人、人性、乐趣）

高校研究仿人与企业研究仿人机器人的差异（P2 仿人出现后）

大学研究室

​ 仿人机器人大多数由研究生手工制作，或者由小工厂制造。机器人的连杆等零部件通过人工弯曲、切割和其他敲敲打打等手段制成，这样的机器人的整体机构缺乏足够的刚度。而减速机构则多由重量大、齿隙大的齿轮组成。早期的仿人机器人没有装备足够的传感器。

本田企业

​ 本田机器人的步行机构采用合金铸造的刚度大、重量轻的连杆。这样的制造技术对大学研究项目来说花费太大而难以承受。本田仿人机器人还采用谐波减速器驱动，消除了传动背隙。由于常规的谐波减速器传递的扭矩不太大，难以应用于双足步行，本田就开发了大扭矩的谐波减速器。

​ 此外，即便期望的步行模式在规划中是稳定的，在实际的机器人双足步行时由于外界的干扰而有可能不稳定。这就需要利用适当的传感器信息作反馈控制以保证步行的稳定性；

• 加速度计和姿态传感器（陀螺仪）检测机器人躯干的姿态
• 六维力/力矩传感器用以检测脚与地面之间的力/力矩

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1.2 第 2 章内容简介

​ 在本书第2章中讲述仿人机器人的运动学，即机器人运动的描述。

• 三维空间中物体转动的描述方法
• 角速度矢量、旋转矩阵微分与角速度矢量之间的关系
• 正运动学：给定各关节角求解目标连杆的位姿
• 逆运动学：给定目标连杆位姿求解相应各关节角

​ 一般而言，由于机器人的大多数关节是转动型的，关节角和连杆位姿之间的关系往往用非线性方程来表示。

​ 逆运动学问题可以通过求得非线性方程组的解析解而解决，但对于这些高次多变量的非线性方程组时，其解析解一般不太可能求得。此外，对上述非线性方程组进行微分时，连杆位姿的微变化与关机角微变量之间的关系是线性的，这样即可以通过求解线性方程组得到对应于连杆位姿微变化的额关节角微变量，再积分得到逆运动学问题的解。这些线性方程组的系数矩阵叫做雅可比矩阵（简称雅可比）

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1.3 第 3 章内容简介

​ 本书第3章讲述仿人机器人运动控制中起着重要作用的 ZMP（Zero-Moment Point）的概念。与固定基座的工作机器人不同，仿人机器人在到底时，其支撑脚的足底与地面分离不再有接触。由Vukobratovic 等人在1972年提出的 ZMP 概念是判断机器人是否会摔倒、其足底是否与地面保持接触的一个重要指标。

​ ZMP 是指地面上的一个点，足底受到的地面反作用力绕该点在地面上的力矩分量为零。

​ 如果 ZMP 点处于由足底形成的支撑多边形之内，那么机器人不会倒，足底能够保持与地面的接触。

​ 类似于人的情况，在人直立的情况下，重心在地面上的投影点位于足底的凸包（支撑多边形）内部，足底与地面保持接触。而当人处于运动状态时，重心投影点可能在支撑多边形之外，但 ZMP 必须在支撑多边形内。

图1 重心、ZMP 和支撑多边形三者之间的关系

(a)人直立的情况 (b) 人在运动时的情况

​ ZMP 可用于规划机器人的步行运动模式。即使机器人支撑脚的足底离开地面，机器人也未必会倒下，仍然可以通过控制游动脚和着地点的改变来保持行走或站立。

​ ZMP 指标是防止机器人摔倒的一个充分条件，但不是必要条件。

第3章主要阐述

• ZMP 的概念
• 接触力与 ZMP 的关系
• ZMP 的传感和检测
• 仿人机器人的动力学概要
• 基于机器人运动计算 ZMP 的方法

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1.4 第 4 章内容简介

​ 本书第 4 章描述仿人机器人双足步行模式的生成和行走的控制方法。一般步行模式首先在无外界扰动的条件下规划，生成目标关节轨迹，然后利用传感器信息作为反馈以稳定步行运动。

​ 步行模式的生成方法

• 基于线性倒立摆的动力学，控制倒立摆模型中腿的伸缩力和长度以保持一定的重心高度
• 以 ZMP 为指标来实现步行模式的生成

图2 三维线性倒立摆的图像

​ 数学上，关节角的速度与 ZMP 之间的关系用非线性微分方程描述，称为 ZMP 方程。由于非线性，很难求得能使实际 ZMP 完全跟踪目标 ZMP 的关节角轨迹。因此，早期的研究在某些假设条件下对 ZMP 方程进行简化，利用批处理方式求解。

​ 尽管为了稳定的行走对步行模式进行了仔细的规划，但由于各种内外因素造成的干扰使得机器人仍然可能发生翻到。故需要利用传感器获取相关机器人状态信息进行反馈控制。

​ 目前的反馈控制器（步行稳定器）

• 姿态控制器
• 质心位置控制
• 足底接触的顺应控制
• 脚部着地的缓冲控制
• 等组合而成

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1.5 第 5 章内容简介

​ 本书第 5 章讲述了仿人机器人全身运动的实现方法。首先讲述粗略全身运动的生成方法，包括基于运动捕获的方法，基于图形用户接口（GUI）的方法和位形空间搜索的方法。前者产生示范动作的人与机器人在自由度构成和力学特性上有差异，而基于 GUI 的方法和位形空间搜索法在生成粗略运动时也没有考虑系统的动力学特性，因而用这些方法所生成的运动不能再实际机器人上实现。

​ 针对上述问题，人们提出了很多修正方法，包括动力学过滤和自动平衡等。

​ 最后描述了机器人倒地时减缓冲击的动作以及躺下和爬起的实现方法。

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1.6 第 6 章内容简介

​ 本书第 6 章讨论仿人机器人动力学仿真。

• 机器人的正动力学是给定机器人的当前状况、关节的广义驱动力和外界的接触状态等约束条件后，计算机器人的下一个瞬间状态；
• 逆动力学则相反，给定机器人的运动状态，求取实现这种运动状态所需要的关节驱动力。

​ 本章主要讲述前者，首先描述无重力空间中刚体转动的计算方法，然后扩展到包括移动的情况。

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1.7 本章结尾

​ 考虑仿人机器人应用的可能性，最后介绍一下HRP项目。日本经济产业省从1998年到2002年组织实时了“与人协调共处的机器人系统研究开发”的五年项目（即仿人机器人的研究开发项目，Humanoid Robotics Project，简称HRP），开发仿人机器人的基础技术和探索其可能的应用。

在依次验证了仿人机器人的三个特征后，提出如下阶段性目标

• 到2010年的目标如下：机器人能在日常环境的地面上行走，能上下楼梯和爬梯子，自主规划其路径，摔倒时不会造成严重的损坏，从地面爬起，跨越小的障碍物，穿过狭窄的空间，开门关门，用一只手支撑身体而用另一只手操作物体。
• 到2015年的目标是开发自主仿人机器人。这种机器人能自主执行一些对人而言非常简单的任务。为此，仿人机器人必须具有三维视觉功能以检测作业对象的形状、位置和姿态，具有能操作各种物体的多指灵巧手，具有能感知物体抓持状态的力/力矩或触觉传感器等等。
• 而2020年的目标是开发能与人共处同一空间、与人协调工作的仿人机器人。当这一目标实现时就达到了HRP的最终目标。为此，机器人在具有很强的作业能力的同时必须具有高度的安全性和可靠性以保证人和周围环境的安全。

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1.8 参考书籍

《仿人机器人》——梶田秀司