如何开始使用人形机器人？ 需要掌握哪些知识点？ （对于像我这样的初学者

参见《人形机器人-》，梶田英司主编，管宜生译。

主要研究内容包括：仿人机器人运动学、ZMP与动力学、双足步态规划与生成以及全身运动模式的动力学模拟等。

《人形机器人》由日本产业技术综合研究所（AIST）下属智能系统研究所人形机器人HRP-2研发团队主要成员共同主编。每个作者都写他最擅长的主题。

① 第1章“人形机器人简介”由日本产业技术研究院智能系统研究所人形机器人研究室主任昼川博之（）撰写；

②第3章“ZMP与动力学”由同一实验室的研究员（）和（）共同撰写；

③第5章“全身运动模式的生成”由该所自主行为控制研究室主任横井撰写；

④ 第2、4、6章“运动学、双足行走和动态模拟”由梶田英司撰写。

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----------------------------------------------------运动学-------- - ----------------------------------------------------------

① 与工业机器人一样类人机器人，分析机器人连杆的姿态与关节角度关系的理论称为运动学（）。可以参考我之前为“想进入机器人行业或者刚刚进入机器人行业的朋友”写的一篇文章之一章（工业机器人-如何入门与研究）。需要加强的是：局部坐标系概念、局部坐标系之间的相关性、角速度向量、旋转矩阵与角速度向量的微分、角速度向量的积分与矩阵索引的关系、矩阵的对数、速度与角两个物体的速度、人形模型的建立、奇怪的姿势等。如果你有工业机器人运动学的基础，这些内容都比较简单。

② 机器人《数据结构与编程方法》详细内容请参考书籍。

③ 人形机器人和工业机器人一样，需要建立模型：

④ 仿人机器人的基本运动学原理与工业机器人一致。

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----------------------------------ZMP 和动力学 ---------------------- --- -------------------------------------------

第 3 章“ZMP 和动力学”

①ZMP

工业机器人的底座固定在地面上，而人形机器人的脚底只与地面接触，并不固定。正因为如此，工业机器人可以在关节范围内进行任何运动，而人形机器人的运动必须满足一个约束，即保持脚底与地面的接触。因此，给定人形机器人的一个动作，需要判断脚底是否与地面接触；我们需要规划人形机器人的运动，保证脚底与地面接触。我们经常使用ZMP。

ZMP：零，零力矩点。沿脚底分布的载荷具有相同的符号或方向，它们相当于作用点在脚底范围内的合力R。合力R所经过的脚底的作用点称为零力矩点，简称ZMP。

ZMP是判断机器人是否会摔倒以及鞋底是否与地面接触的重要指标。 ZMP是指地面上的一点，在该点附近，脚底在地面上的地面反作用力的力矩分量为零。

仿人机器人的立足点不是一个固定点，而是一个范围，即支撑多边形。该多边形可以包含包含机器人脚底和地面之间的所有接触点的最小多边形区域。该多边形区域称为支撑多边形 ( )。

如果ZMP位于鞋底形成的支撑多边形内，机器人就不会翻倒并且鞋底可以保持与地面的接触。当然，即使机器人支撑脚的脚底离开地面，机器人也可能不会摔倒。通过控制游泳脚和落地点的变化，它仍然可以保持行走或站立。 ZMP指示灯是防止机器人跌倒的充分条件，但不是必要条件。

ZMP 可用于规划机器人的行走运动模式。大多数人形机器人的行走模式都是基于ZMP生成的。为了实现机器人在不平整地面行走、上下楼梯、手持重物行走等功能，对ZMP的概念和应用进行了相应的修改和推广。

当人站在地面上时，重心ZMP与支撑多边形的位置关系如下图所示。其中，重力线与地面的交点称为重心投影点。当人直立时，他或她的ZMP与重心投影点重合。当人进行动态运动时，重心投影点可能会在支撑多边形之外，那么ZMP就无法跑到支撑多边形之外。

具体原因请参考书中内容：二维和三维情况下的ZMP、ZMP的范围等。

一般来说，仿人机器人的ZMP实际位置可以通过安装在其脚步上的多个传感器来测量，例如基于单个力/扭矩传感器的ZMP测量和基于多个力/扭矩传感器的ZMP测量。

② 动力学

在了解仿人机器人的动力学之前，需要了解一些基本概念，例如：质量、质心、动量、角动量、运动动力学、旋转动力学、刚体的角动量和惯性张量等。

此外，还需要了解机器人质心、机器人动量、机器人角动量等的计算方法，具体求解步骤书中有详细说明。

③ 基于机器人运动的ZMP计算

根据牛顿-欧拉法，可以得到ZMP的位置：

有一个很有趣的问题：ZMP是否会因为质心加速度的影响而位于支撑多边形之外？这个问题书上可以解释。

不可否认的是，ZMP也存在一定的局限性，例如地面湿滑、地面不平整、人形机器人的手或手臂与外部环境接触等。

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---------------------------------------双足行走--------- ----------------------------------

双足行走有两种方式：静态行走（walk）和动态行走（walk）。两者的区别在于，静态行走时，机器人质心在地面上的投影永远不会超出支撑多边形的范围；而在动态行走中，在某些时刻，质心的投影会超出支撑多边形。

为实现所需步态而设置的一组关节角度时间序列称为行走模式（），可以基于行走模式生成器生成行走模式。在实际情况中，大型仿人机器人由于其部件的比例和质量分布，很容易将姿态误差放大到不稳定的水平。为了解决这个问题，可以使用来自姿态传感器（陀螺仪）、加速度传感器、力传感器和其他设备的信息来校正步行模式。该系统称为步态稳定性控制器（简称稳定器）。

二维步态模式的生成类似于二维倒立摆，如书中详细介绍的。运动特征是我们关注的重点，但除此之外我们还需要了解过渡时间、轨道能量、支撑脚的切换、简单的双足步态规划等。

上述步态规划仅限于在平坦路面上行走，但对于不平坦的路面，需要了解约束线、伸缩力等知识点。

利用线性倒立摆的运动特性，可以规划机器人爬楼梯时的运动模式。首先，设置合适的受力点，然后将着陆点上方z高度的点连接起来，形成约束线。通过控制质心沿约束线运动，即可得到每一步的水平运动。

利用三维线性倒立摆的相关原理可以生成三维步态模式。还定义约束面来控制质心在约束面上的移动。

同样，需要了解三维线性倒立摆的特性、开普勒第二定律、坐标系变换的影响、轨迹的几何形状等。

通过设置适当的约束面，可以应用于爬楼梯或在不平坦的地面上行走。需要设计行走单元、行走参数、落脚点的调整、行走方向的改变等。

在上述行走模式的设计规划中，我们假设倒立摆模型的支撑脚切换是瞬时完成的。在切换过程中，ZMP从前一个支撑脚跳到后一个支撑脚，因此水平方向加速度从更大值跳到最小值，此时机器人受到的冲击力更大。损坏系统。

为了获得适合实际机器人的平滑行走模式，可以在支撑脚切换时插入周期为T的双足支撑阶段。

步态模式分为离线和在线两种。详细内容请参阅书中。除了以上简单的原理和知识点外，书中还介绍了台车模型、ZMP跟踪控制、预览控制系统、基于预览控制的动态滤波器等。

对于人形机器人来说，步态稳定器非常关键。行走稳定性控制的基本原理：踝关节扭矩控制、改变立足点控制、质心加速度ZMP控制、上半身姿势控制、模型ZMP控制、冲击吸收、LQ稳定性控制等。

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--------------------------------全身运动模式的生成------------------------ -- --------------------------