本技术公开了一种基于质心动力学模型的人形机器人全身协调控制方法,包括:依据质心动力学模型对人形机器人进行系统建模;基于全身运动学和动量守恒原理建立手臂动量与质心动量的关系;构建整个非线性优化控制问题并进行实时求解,控制器预测机器人未来一段时间的运动轨迹;逆动力学计算得出前馈力矩,结合关节PD控制器下发关节力矩。本发明设计了一种面向人形机器人全身协调控制的非线性模型预测控制问题,合理地规划了系统状态、手臂末端状态,足端状态以及控制输入的参考轨迹,设计了机器人全身协调运动必需的等式约束与不等式约束;添加了对手臂末端的任务轨迹约束和动量守恒约束,使手臂辅助运动平衡的能力更加突出。
背景技术
近年来,人工智能、机器学习、传感器技术和材料科学的快速发展为人形机器人的研发提供了良好的基础。随着人口老龄化和劳动力短缺,人形机器人在护理、教育、家务等领域的应用需求不断增加。高校和研究机构对人形机器人技术的研究不断深入,推动了行业的发展。随着人形机器人的行走能力逐渐得到突破,展现出更加日常更加多样交互的需求。
相比于四足机器人而言,人形机器人的操作能力主要体现在手臂上,应当更加释放出手臂的运动能力;相比于固定基座的工业机械臂,人形机器人是一个移动机械臂平台,活动范围广,涉及的场景复杂;相比于轮-机械臂机器人,人形机器人有更复杂的自由度,对应更加灵活的操作方法。为了让身体更加灵活协调地进行各种操作,可以采取一系列训练和调节方法。同时,在进行这些操作时,保持身体的平衡也是至关重要的。由此一来,如何让身体更加灵活协调地操作,如何在操作时保持身体平衡成为越来越重要的问题。
目前大部分人形机器人的主要研究仍然以腿部运动为主,手臂的运动对机器人平衡的影响经常被忽略,如专利申请CN118682750A实现人形机器人的跳跃控制时只使用了单刚体模型对机器人进行在线轨迹优化,而忽略机器人手臂和关节的运动对质心带来的影响或者贡献。大部分人形机器人的操作能力只注重于双臂或灵巧手而不注重全身的协调运动控制,如专利申请CN118143954A只关注到了人形机器人上肢的规划,本质上是把手臂当成了固定基座的机械臂在建模规划,并没有考虑手臂对整个身体的影响。现有的一些全身协调控制方法不足以在效果上真正表现出手臂以及全身协调运动的作用,这与其控制器设计有关,如专利申请CN118528270A虽然模型涉及到了手臂末端,但并没有进行协同规划,如专利申请CN117944055A设计的四肢协调运动控制器仅采用虚拟模型控制策略,没有建立全身运动学,并且该控制策略不具备多约束优化控制的能力,而人形机器人全身运动应当是一个多约束非线性的优化问题。
综上,目前人形机器人运动控制方法研究取得了较好的进展。但是这些方法存在对全身协调运动的忽视、手臂运动对整体平衡的重要性评估不足,以及在控制器设计上缺乏多约束优化能力的问题,进而影响了人形机器人在复杂环境下的运动稳定性和灵活性。这意味着在实际应用中,机器人无法充分利用其全身的运动能力进行有效的动态调整,使得其在执行复杂任务时表现不佳。
实现思路