産業技術総合研究所時代
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2001年より産業技術研究所知能システム部門ヒューマノイドロボットグループ主任研究員。川田工業と産業技術総合研究所（機械技術研究所などが再編、以下「産総研」）の共同でHRP-2を開発。ロボット制御では支持脚の足首まわりの角運動量をその足首トルクで制御する手法を提案し、ロボット全身の運動量・角運動量を指定して全身運動を生成する「分解運動量制御」を実現した。 また、2005年には梶田が編集・執筆を務めた専門の入門書『ヒューマノイドロボット』が出版される。この本では、二足歩行やヒューマノイドロボットの全身運動生成などについて基礎から最新の研究動向・歴史まで書き起こした。本書は中国語版、ドイツ語版、フランス語版、英語版も出版されたという。2007年にはヒューマノイド研究グループ長に着任。その後、HRP-4Cの開発など産総研におけるヒューマノイド研究をリードし、2015年にはDARPAロボティクス・チャレンジにも出場した。 2018年の時点で産総研上級主任研究員。2020年10月には『ヒューマノイドロボット』の第2版が出版された。同書は2005年の第1版以降の技術について60頁以上加筆されており、新たにレーベンバーグ・マルカート法（英語版）や特異点適合法、接触レンチ和（CWS）、Divergent of Component of Motion（DCM）、キャプチャーポイントなどの手法が紹介されている。
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