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| 編輯推薦： |
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本书遵循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。
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| 內容簡介： |
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。
本书配有电子课件等教学资源，欢迎选用本书作教材的教师登录www.cmpedu.com注册后下载，或发邮件至jinacmp@163.com索取。
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| 目錄：
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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 SLAM 128
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
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| 內容試閱：
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人形机器人作为最高形态的仿生机器人，具有类似人类的形态和动作能力，能模仿人类的动作和行为，适应多变的环境和任务需求，更自然地与人类进行交互，可以更好地融入人类社会环境，为人类服务。在人类社会迈向自动化和智能化的进程中，人形机器人作为前沿科技和新质生产力的代表，正逐渐从实验室走向实际应用场景，成为推动社会进步和经济发展的重要力量。自20世纪中期以来，机器人技术经历了从工业机器人到服务机器人，再到如今的人形机器人这一跨越式的发展历程。人形机器人已在工业制造、医疗康复、家庭服务等领域展现出了巨大的应用潜力，必将在社会生产和生活中成为人类的得力助手。我们正迎来一个前所未有的技术革命时代，这不仅改变了传统的生产生活方式，也在深刻影响着社会的各个方面。
为更好地适应这一变革、培养未来的科技创新人才，我们编写了本书。它不仅是一本系统介绍人形机器人技术的教材，更是一本面向未来、培养创新人才的重要参考书。希望本书能够为新工科专业的建设和发展提供有力支持，帮助更多的学生掌握前沿技术，成为引领未来科技发展的中坚力量。
本书是国内第一本以本科生为主要对象的人形机器人教材，内容涵盖了从人形机器人技术基础理论到实际应用的各个方面，主要有以下特色。
1.系统性。本书内容系统全面，涵盖了人形机器人技术的各个关键领域。
2.前沿性。本书结合了最新的研究成果和技术进展，确保学生能够了解和掌握当前最先进的人形机器人技术。
3.实用性。本书注重理论与实践的结合，通过实际案例和实验指导，帮助学生将所学知识应用到解决实际问题中。
4.跨学科融合。本书内容涉及机械设计、控制理论、计算机科学、人工智能等多学科知识，体现了新工科专业跨学科融合的特点。
本书共9章。第1章主要介绍人形机器人的基本概念、国内外发展现状、系统组成、关键技术以及应用场景。第2章介绍机器人学的基础知识和人形机器人运动学和动力学分析方法。第3章主要介绍人形机器人的ZMP稳定性分析、ZMP步态规划以及模型预测控制和全身控制等经典行走控制方法。第4章介绍基于深度强化学习的人形机器人运动控制方法。第5章介绍SLAM基本原理和算法、全局路径规划和局部路径规划的不同策略及其实现方法，并给出了应用实例。第6章介绍人形机器人的内部传感器和外部传感器的工作原理以及多传感器信息融合方法。第7章介绍二维视觉感知和三维视觉感知的基本原理、视觉感知任务典型算法，以及视觉感知技术的实际场景应用。第8章介绍人形机器人机构设计的基本设计方法与原则、人形机器人本体的基本组成与结构，以及人形机器人的驱动机构、传动机构和系统集成机构的设计方法。第9章以宇树G1人形机器人为例，介绍其运动控制系统组成和人形机器人仿真环境构建与仿真，并给出了人形机器人平衡站立、行走、复杂地形行走和跳跃任务的实现方法和控制实例。
本书由北京工业大学、山东大学和杭州宇树科技有限公司三家单位的专家共同编写，其中第1章由左国玉和辛乐编写，第2章由郑榜贵编写，第3章由张伟和张阳光编写，第4章由李晓磊编写，第5、7章由程吉禹编写，第6章由刘春芳编写，第8章由黄高编写，第9章由王兴兴和张阳光编写。全书由左国玉和张伟统稿，郑榜贵、程吉禹协助整理。
本书在编写过程中，得到了北京工业大学周纪勇、赵未硕、吴启飞、喻杉以及山东大学谭文浩、方兴、李智亨、王跃的帮助。特别感谢杭州宇树科技有限公司对本书的大力支持。本书的编写参考了大量的国内外文献，在此一并对相关作者表示感谢。
人形机器人属于新兴技术领域，发展迅速，涉及的学科多、专业广，由于编者水平有限和经验不足，书中难免存在错误和不足之处，恳请读者批评指正。
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