仿人机器人跳跃运动的轨迹优化研究

作     者：孙俊宝 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付宜利

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：仿人机器人 跳跃运动 轨迹优化 质心动力学模型 单刚体模型 互补约束 

摘      要：高自由度仿人机器人系统作为机器人技术的重要方向之一，其具备的高动态运动能力和环境适应性在医疗、救援等领域有着广泛的应用前景。为了提高机器人的运动能力和环境适应性，本文将开展仿人机器人的跳跃运动轨迹优化研究，并通过仿人机器人平台HIT-HU开展跳跃运动实验验证。 针对仿人机器人HIT-HU平台，分析了机器人的运动学和动力学模型。为了提高轨迹优化问题的求解速度，本文建立了简化的质心动力学模型以及单刚体模型(Single Rigid Body Model, SRBM)。分析了跳跃运动过程中不同相位的接触动力学，并采用互补约束的方法对机器人与环境的接触进行建模，建立了统一的仿人机器人动力学模型。这种方法能够避免针对不同接触模式分别建立机器人动力学模型。 将仿人机器人的跳跃运动规划建模成带约束的轨迹优化问题，各种运动约束建模成轨迹优化问题的约束条件。采用微分动态规划(Differential Dynamic Programming, DDP)对轨迹优化问题求解，采用罚函数法处理上述约束。机器人跳跃过程中的角动量变化影响机器人离地过程中的稳定性，通过质心动量矩阵(Centroidal momentum matrix, CMM)计算机器人质心角动量，将机器人的关节角度和角动量约束在一起。基于Crocoddyl开源库构建微分动态规划轨迹优化算法，针对仿人机器人垂直跳跃运动等高动态运动轨迹，通过人工给定初始轨迹，进行数值优化实验。 为了克服微分动态规划对初始点的选择十分敏感的问题，本文提出了一种基于直接配点法的分层轨迹优化框架。采用基于单刚体模型的直接配点法(Direct Collocation Methods)，生成足式机器人HIT-HU简化单刚体模型的质心轨迹、足端轨迹和足端地面反作用力轨迹等，将其作为初始轨迹猜测，带入到微分动态规划法求解最优全身关节轨迹。本文开展了基于该框架的垂直跳跃数值仿真，采用CasADi进行直接配点法优化算法的搭建，基于IPOPT的求解器求解。针对不同难度的高动态跳跃运动，轨迹优化框架算法的收敛时间比微分动态规划轨迹优化算法平均节省49.59%。 基于Drake对机器人进行垂直跳跃仿真，在仿人机器人HIT-HU物理样机上对算法生成的垂直跳跃轨迹进行了跟踪测试以及起跳相实验。结果表明，通过该算法生成的跳跃运动轨迹可以有效地转化为仿人机器人的运动，并且可以在物理样机上有效执行，验证了该算法的有效性。垂直跳跃实验表明本文采用的轨迹优化算法能够在实际应用中发挥重要作用。