人形机器人技术基础与应用

本书遵循教育部教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。

本书为适应机器人新技术的快速发展和新工科专业的人才培养要求编写，是一本全面介绍人形机器人技术的教材，内容覆盖从基础理论到前沿技术的广泛知识，系统阐述了人形机器人运动学与动力学建模、行走控制基础、运动学习控制、导航控制、感知技术、机构设计及运动控制实践等内容。
本书内容丰富、结构合理，突出了知识的系统性、应用性和前沿性，体现了选材的新颖性。读者通过系统学习，可以系统掌握人形机器人技术的基本原理和实际应用知识，为将来从事人形机器人技术研究和实践奠定坚实的基础。
本书可作为普通高校机器人工程、自动化、人工智能、机械电子、电子信息等专业本科生和相关学科研究生的教材，也可供从事人形机器人技术研究开发的工程技术人员和科研人员参考和使用。

前言
第1章 绪论1
1.1 概述1
1.2 人形机器人的发展现状3
1.2.1 国外发展现状3
1.2.2 国内发展现状7
1.3 系统组成与关键技术9
1.3.1 系统组成9
1.3.2 关键技术14
1.4 应用领域与前景展望15
1.4.1 应用领域15
1.4.2 前景展望16
思考题与习题18
第2章 人形机器人运动学与动力学19
2.1 基础知识19
2.1.1 刚体旋转20
2.1.2 旋转表示23
2.1.3 刚性运动和齐次变换34
2.2 人形机器人运动学37
2.2.1 运动学概述38
2.2.2 正运动学43
2.2.3 逆运动学44
2.2.4 微分运动学46
2.3 人形机器人动力学52
2.3.1 动力学概述52
2.3.2 牛顿-欧拉法53
2.3.3 拉格朗日法56
思考题与习题58
第3章 人形机器人行走控制基础60
3.1 概述60
3.2 稳定性分析61
3.2.1 ZMP稳定性判据61
3.2.2 其他稳定性判据66
3.3 步态规划68
3.3.1 倒立摆模型68
3.3.2 ZMP步态规划68
3.3.3 其他步态规划72
3.4 行走控制81
3.4.1 模型预测控制81
3.4.2 全身控制85
思考题与习题92
第4章 人形机器人学习控制93
4.1 强化学习基础93
4.1.1 强化学习的基本概念93
4.1.2 深度强化学习算法96
4.1.3 机器人的强化学习控制框架102
4.2 人形机器人运动控制算法设计102
4.2.1 基础强化学习任务示例103
4.2.2 人形机器人观察值空间设计104
4.2.3 人形机器人动作值空间设计109
4.2.4 人形机器人奖励值设计112
4.2.5 人形机器人重置方法114
4.3 动力学仿真配置与优化116
4.3.1 机器人参数设置116
4.3.2 环境参数随机化119
4.4 人形机器人运动控制实例121
思考题与习题123
第5章 人形机器人导航124
5.1 概述124
5.1.1 同时定位与建图理论125
5.1.2 定位技术126
5.1.3 路径规划技术127
5.2 SLAM128
5.2.1 SLAM的基础知识128
5.2.2 SLAM算法130
5.2.3 SLAM实例134
5.3 机器人路径规划136
5.3.1 全局路径规划137
5.3.2 局部路径规划142
5.4 机器人导航应用实例146
5.4.1 全局导航147
5.4.2 局部导航149
5.4.3 探索与建图150
思考题与习题151
第6章 人形机器人感知系统152
6.1 概述152
6.1.1 人形机器人感知系统的组成与分类152
6.1.2 人形机器人感知系统的发展趋势153
6.2 人形机器人内部传感器154
6.2.1 编码器154
6.2.2 MEMS惯性传感器155
6.3 人形机器人外部传感器158
6.3.1 视觉传感器158
6.3.2 力传感器与触觉传感器162
6.3.3 听觉传感器165
6.4 机器人多传感器信息融合168
6.4.1 多传感器信息融合的概念168
6.4.2 多传感器信息融合的分类与方法168
6.4.3 多传感器信息融合的典型应用170
思考题与习题172
第7章 人形机器人视觉感知技术173
7.1 概述173
7.2 二维视觉感知技术174
7.2.1 二维图像174
7.2.2 二维图像处理技术基础175
7.2.3 目标检测与识别177
7.2.4 YOLO系列算法180
7.2.5 目标追踪与状态估计183
7.3 三维视觉感知技术186
7.3.1 三维点云186
7.3.2 三维点云处理技术基础187
7.3.3 物体姿态估计189
7.4 视觉感知技术应用193
7.4.1 人脸检测与识别193
7.4.2 人脸表情识别195
7.4.3 行为识别与预测197
7.4.4 环境感知和场景理解199
思考题与习题201
第8章 人形机器人机构设计202
8.1 概述202
8.2 总体方案分析204
8.2.1 设计需求204
8.2.2 人形机器人系统设计方案204
8.3 驱动机构设计207
8.3.1 驱动的基本概念207
8.3.2 驱动的分类与特点208
8.3.3 关节的驱动方式209
8.3.4 材料的选择210
8.4 传动机构设计211
8.4.1 机器人传动机构简介211
8.4.2 传动机构的基础知识212
8.4.3 传动方式的设计213
8.4.4 传动轴的设计217
8.5 系统集成机构设计219
8.5.1 机器人系统构成219
8.5.2 传感系统设计220
8.5.3 零部件加工与组装220
8.5.4 系统调试与实验224
思考题与习题225
第9章 人形机器人运动控制实践226
9.1 概述226
9.2 仿真系统集成228
9.2.1 仿真环境构建228
9.2.2 仿真模型搭建234
9.2.3 机器人系统集成238
9.3 运动控制应用实例245
9.3.1 机器人平衡站立245
9.3.2 机器人行走249
9.3.3 机器人复杂地形行走253
9.3.4 机器人跳跃257
思考题与习题262
附录264
附录A 常用符号表264
附录B 特殊三角函数265
附录C 自主导航系统的安装与使用266
参考文献268