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仿人机器人乒乓球击打运动规划与稳定控制

李敬  
【摘要】:仿人机器人具有人类的外形特征,在辅助人类日常生活和工作方面具有巨大的优势。作业能力,尤其是在动态、非结构化环境中的快速作业能力,是仿人机器人辅助人类完成任务的重要前提。乒乓球击打运动涉及视觉检测、轨迹规划、人工智能等多种关键技术,是能够体现仿人机器人作业能力的一个重要研究范例。本文以仿人机器人乒乓球快速击打运动为例,围绕作业任务要求确定与调整、击打运动中的机器人轨迹规划、稳定性保持等关键问题开展研究,主要研究内容和成果如下:首先,根据仿人机器人在人类生活环境中辅助作业的要求和全身协调乒乓球击打运动要求,分析了仿人机器人模型建立方法、并推导了基于该仿人机器人模型的运动学与逆运动学,设计了满足乒乓球快速击打运动应用的控制系统。其次,提出了一种仿人机器人乒乓球快速击打运动任务要求描述方法,该方法可用来描述仿人机器人站立或移动状态下,击打、抛投等多种快速作业的任务要求。另外,以乒乓球快速击打运动中落点精确控制问题为例,提出了一种基于经验数据学习的任务要求调整方法,通过对每次回球的落点误差进行预测,控制出球速度,进而调整作业末端任务要求,实现落点误差的补偿,最终将实际落点控制在期望落点附近。再次,针对仿人机器人乒乓球快速击打运动必须同时满足作业任务要求和稳定性的问题,提出了一种稳定性优化的全身协调轨迹规划方法。根据作业时刻任务要求,确定使机器人质心在支撑区域的投影处于指定位置处的优化躯干位移,确定使机器人作业手臂关节速度最小的内部关节配置,从而使机器人在乒乓球快速击打运动时刻获得较好的稳定性。为产生仿人机器人从初始状态至满足任务要求的作业时刻状态的全身轨迹,利用基于分段多项式函数的轨迹规划方法产生作业手臂轨迹,利用样条函数产生躯干轨迹,通过选择躯干位移中间点,使仿人机器人乒乓球击打运动过程中具有优化的稳定性。第四,针对仿人机器人乒乓球快速击打运动时,由于外界扰动或误差可能导致出现滑动或者失去平衡并摔倒的问题,提出了一种足-地接触双约束稳定控制方法。通过分析基于倒立摆-飞轮的动力学模型,本文构建了一种实时滑动指示因子以量化地评价平移和旋转等运动形式在防止滑动中的作用,设计了一种通用加速度控制器,通过评估当前仿人机器人的平衡或滑动状态,产生所需要的加速度增量,控制ZMP和实时滑动指示因子位于期望范围内以保证稳定性。最后,以乒乓球快速击打运动为例,通过在仿人机器人实物平台上对提出的基于学习的任务要求调整、全身轨迹规划、稳定性控制等方法进行实验,验证了提出的仿人机器人乒乓球击打运动规划与稳定性控制方法的有效性。


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