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仿人机器人是多学科和高技术的综合集成平台，在社会服务、公共安全等领域具有重大应用需求。仿人机器人研究能够带动智能机器人方法与技术、功能部件与系统的发展，对人体运动科学和医疗康复也具有重要推动作用。

本书是北京理工大学仿人机器人团队二十余年研究成果的总结，系统地介绍了仿人机器人的基础理论与技术，主要包括仿人机器人概论、仿人机器人运动学与动力学、仿人机器人行走稳定性判据、仿人机器人行走步态规划、仿人机器人行走控制、基于被动行走的仿人机器人、基于人体运动规律的仿人机器人运动设计和仿人机器人本体设计。

本书既可作为仿人机器人领域教师、学生等专业人员的参考资料，也可以作为对仿人机器人感兴趣的读者的入门教程。

第1章概述

1.1仿人机器人及其研究意义

1.2仿人机器人的发展及现状

1.3仿人机器人的关键理论与技术

1.4本书内容安排

1.5本书使用建议

参考文献

第2章仿人机器人运动学与动力学

2.1概述

2.2仿人机器人的运动学

2.3仿人机器人的动力学

2.4仿人机器人运动学与动力学求解应用实例

参考文献

第3章仿人机器人行走稳定性判据

3.1概述

3.2零力矩点稳定性判据

3.3基于庞加莱映射的稳定性判据

3.4基于落脚点的稳定性判据

3.5其他稳定性判据简介

3.6仿人机器人稳定性判据应用实例

参考文献

第4章仿人机器人行走步态规划

4.1概述

4.2基于理想ZMP轨迹的步态规划方法

4.3基于稳定性裕度的步态规划方法

4.4各种步态规划方法的比较

4.5仿人机器人行走步态规划应用实例

参考文献

第5章仿人机器人行走控制

5.1概述

5.2传感反射控制方法

5.3基于捕获性的控制方法

5.4仿人机器人柔顺控制

5.5各种运动控制方法的比较

5.6仿人机器人运动控制应用实例

参考文献

第6章基于人体运动规律的仿人机器人运动设计

6.1概述

6.2人体运动检测与分析平台

6.3基于人体运动规律的步态规划方法

6.4基于人体运动规律的复杂运动设计

6.5基于人体运动规律的仿人机器人摔倒保护

6.6仿人机器人运动设计应用实例

参考文献

第7章基于被动行走的仿人机器人

7.1概述

7.2基于被动行走的仿人机器人的动力学

7.3具有可变刚度/柔性的驱动器

7.4基于被动行走的仿人机器人

7.5基于被动行走的仿人机器人变速运动应用实例

参考文献

第8章仿人机器人本体设计

8.1仿人机器人机械结构设计

8.2仿人机器人控制系统设计

8.3仿人机器人多模态运动实验

参考文献

仿人机器人未来发展展望

黄强，北京理工大学教授，IEEE Fellow，长江学者，国家杰出青年基金获得者，中组部“万人计划”首批科技创新领军人才。1986年和1989年毕业于哈尔滨工业大学，分别获学士学位和硕士学位，1989年进入华中科技大学开始博士课程学习，1991年赴日本留学，1996年获日本早稻田大学博士学位。1996年至2000年分别在日本通商产业省工业技术研究院和日本东京大学任研究员，2000年至今任北京理工大学教授。现任北京智能机器人与系统高精尖创新中心常务副主任、仿生机器人与系统*重点实验室主任。长期从事仿人机器人研究，带领团队研制了6代“汇童”系列仿人机器人，发表SCI论文120余篇，获授权国家发明专利100余项，PCT国际专利20项。获和省部级科学技术奖3项，获国际机构学与机器科学联合会（IFToMM）卓越成就奖，获国际学术会议优秀论文奖10余篇。

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前言

仿人机器人具有人类外形特征，与轮式等其他构形的机器人相比更容易适应人类日常生活环境和使用人类工具，在危险环境作业、公共安全、老龄化社会的家庭服务等领域具有重大应用需求。

仿人机器人是多学科和高技术的综合集成平台，所要解决的关键技术也是智能机器人的核心技术，其研究必将带动智能机器人方法、技术、功能部件与系统的发展。人类经过上千万年的进化实现了双足直立行走，人体运动机理中蕴藏着无穷奥秘。对仿人机器人的深入研究有助于揭示人体生理结构和运动机理，其研究成果对人类医疗康复和生命科学的相关研究也具有重要的推动作用。

仿人机器人是本质不稳定的复杂动力学系统，其快速稳定运动、环境适应及拟人化作业等方面都存在诸多未解决难题。仿人机器人的基础理论与技术主要包括运动学与动力学、稳定性分析、动作设计、步态规划、运动控制、本体设计等方面，是仿人机器人研究中的关键问题。

本书是北京理工大学仿人机器人团队二十余年来在相关领域积累的理论方法、技术创新及应用研究的成果总结，系统地介绍仿人机器人的基础理论与关键技术，遵循深入浅出的讲述方式，适应多层次的读者。本书既可作为仿人机器人领域教师、学生等专业人员的参考资料，也可以作为对仿人机器人有兴趣的读者的入门教程。本书具有以下特色：

（1）理论方法与应用实例相结合。本书既有对仿人机器人理论方法的阐述，也有对应用实例的介绍。本书每一章针对仿人机器人研究介绍典型的思想、原理、计算方法，并在每一章后一节结合一个实例介绍方法如何应用。这样的安排便于读者对该方法有更快速的了解，也易于非机器人专业的初学者学习。

（2）理论分析、仿真计算与实体实验相结合。本书注重把仿人机器人基础理论、仿真分析计算以及实体机器人实验验证有机结合。例如，在摔倒保护方面，既介绍了基于人体运动规律的摔倒保护策略，又展示了仿真和实体机器人的摔倒保护实验，也论述了如何具体设计机器人本体的整体结构和关节驱动。通过理论、仿真、实物三个层面的展示，使读者更全面深入地了解相关知识。

（3）强调仿人机器人运动的拟人化研究思路。人类经自然进化形成了高效、稳定、灵活适应环境的能力。作者基于长期研究经验，充分认识到仿人机器人研究与人体运动科学、人体生物力学相结合的重要性。本书在仿人机器人步态规划、复杂动作设计、运动控制、摔倒保护策略等方面都引入了参考人体运动规律的研究方法或研究成果。

本书涉及的研究工作，得到了国家自然科学基金重点项目，国家重点研发计划项目，国家863计划重点项目，111引智计划，北京市科技计划等项目的支持。陈学超博士、孟非博士、汪光博士、张伟民博士、张利格博士、彭朝琴博士、杨洁博士、肖涛博士、许威博士、田野博士、李敬博士、张思博士、黄高博士、刘华欣博士、孟立波博士、武赢硕士、张文硕士、郭欣然硕士、张泽政硕士、周宇航硕士、于大程硕士、周钦钦硕士、姜鑫洋硕士、丁文朋硕士、博士生李庆庆、蔡兆旸、董宸呈、韩连强、张润明、陈焕钟、刘玉、齐皓祥、高志发、董岳、刘雅梁、黄则临、赵凌萱、王晨征、张袁熙、李超、付镇源、朱鑫、硕士生朱西硕、廖文希、孟祥、顾赛、吴桐、李鸣原、邱雪健、翁奕成、于晗与作者合作完成了相关课题的研究，对此深表感谢！

北京理工大学范宁军教授仔细审阅了全部书稿，提出了许多宝贵意见和建议，在此深表感谢！

本书作者从事仿人机器人研究30余年，先后在哈尔滨工业大学、华中科技大学、日本早稻田大学、日本通商产业省工业技术研究院、日本东京大学、北京理工大学学习和工作，得到这些单位的领导和同事们的亲切关怀和大力支持，在此表示衷心感谢！

本书在编写过程中得到了北京智能机器人与系统高精尖创新中心、复杂系统智能控制与决策国家重点实验室、仿生机器人与系统*重点实验室、仿生机器人与系统*国际合作联合实验室、仿生机器人与系统科技部创新人才培养示范基地的大力支持。

由于作者水平有限，书中难免有缺点和不足之处，恳请广大读者批评指正。

黄强、黄岩、余张国

2021年1月