第三卷:《人形机器人的控制与运动规划》

第1 控制基础与动力学建模

第1 控制系统基础与人形机器人特点

1.1 控制系统基本概念

1.1.1 开环与闭环控制

1.1.2 反馈控制与前馈控制

1.1.3 稳定性、鲁棒性与实时性

1.2 人形机器人控制的特殊挑战

1.2.1 高自由度与耦合性

1.2.2 非线性系统特征

1.2.3 与环境接触导致的复杂性

1.3 人形机器人控制栈总览

1.3.1 关节级控制

1.3.2 全身控制(Whole-Body Control)

1.3.3 运动规划与任务调度

第2 运动学建模(Kinematics

2.1 坐标系与姿态表示

2.1.1 DH模型、MDH 模型

2.1.2 欧拉角、四元数

2.1.3 旋转矩阵与齐次变换

2.2 正运动学

2.2.1 链式结构与前向求解

2.2.2 多臂、多腿系统的正运动学

2.2.3 模型验证与数值稳定性

2.3 逆运动学

2.3.1 几何法、解析法

2.3.2 数值法(Jacobian 逆/伪逆)

2.3.3 冗余求解与奇异性处理

第3 动力学建模(Dynamics

3.1 机器人动力学基础

3.1.1 牛顿-欧拉法

3.1.2 拉格朗日动力学

3.1.3 质量矩阵、科氏力、重力项

3.2 人形机器人多体系统建模

3.2.1 多刚体系统建模原则

3.2.2 铰链、球铰、约束

3.2.3 复杂链动力学

3.3 接触动力学与摩擦模型

3.3.1 地面接触理论

3.3.2 摩擦锥约束

3.3.3 接触稳定性判据

第2 关节控制与实时控制系统

第4 关节级控制(Low-Level Control

4.1 关节控制框架

4.1.1 力矩控制

4.1.2 位置控制

4.1.3 阻抗控制

4.2 电机驱动与编码器反馈

4.2.1 电流环与速度环

4.2.2 力矩传感器与柔性关节

4.2.3 延迟与噪声处理

4.3 关节控制的调参与稳定性

4.3.1 PID 调参

4.3.2 模型补偿

4.3.3 共振抑制与抗干扰

第5 实时系统与控制软件架构

5.1 控制周期与实时要求

5.1.1 千赫兹控制循环

5.1.2 性能瓶颈分析

5.1.3 控制延迟与抖动

5.2 控制框架与中间件

5.2.1 ROS 2 实时扩展

5.2.2 EtherCAT 实时网络

5.2.3 多线程与任务调度

5.3 控制系统安全机制

5.3.1 扭矩保护

5.3.2 电机过载保护

5.3.3 急停系统

第3 平衡控制与行走基础

第6 稳态平衡与动态稳定理论

6.1 ZMP(Zero Moment Point)理论

6.1.1 ZMP 基本概念

6.1.2 稳定边界与支撑多边形

6.1.3 ZMP 控制在行走中的应用

6.2 质心(CoM)控制

6.2.1 质心轨迹规划

6.2.2 倾倒判据

6.2.3 质心反馈控制

6.3 倾斜/滑倒条件与恢复策略

6.3.1 接触失效检测

6.3.2 平衡恢复动作

6.3.3 动态补偿策略

第7 行走模型与步态生成

7.1 线性倒立摆模型(LIPM)

7.1.1 LIPM 推导

7.1.2 基于ZMP判据的步态生成与稳定性分析

7.1.3 步幅、步频与相位

7.2 步态周期与状态机设计

7.2.1 单脚支撑

7.2.2 双支撑

7.2.3 步态切换与多模式(行走/慢跑/爬坡)

7.2.4 步态周期参数标定与优化

7.3 行走脚步规划

7.3.1 脚步位置预测

7.3.2 足端轨迹生成方法(多项式/贝塞尔曲线)

7.3.3 适应复杂地形(平地/台阶/崎岖地形)

7.4 典型步态生成算法与仿真验证

7.4.1 步态生成算法流程

7.4.2 仿真平台搭建与参数设置

7.4.3 步态性能评估指标

第4 全身控制(Whole-Body Control

第8 优化控制基础

8.1 二次规划(QP)基础

8.1.1 QP 问题形式

8.1.2 约束条件

8.1.3 求解器选择与实时性

8.2 非线性优化(NLP)简介

8.2.1 NLP 模型

8.2.2 局部最优与全局最优

8.2.3 简化策略

8.3 约束控制方法

8.3.1 接触约束

8.3.2 静态/动态平衡约束

8.3.3 任务优先级约束

第9 全身控制(WBC )框架设计

9.1 任务优先级框架

9.1.1 主任务与次任务

9.1.2 冗余度管理

9.1.3 力控制与运动控制融合

9.2 接触力优化

9.2.1 最优接触力分配

9.2.2 摩擦锥约束

9.2.3 地面反作用力(GRF)控制

9.3 上肢、下肢与躯干的协同控制

9.3.1 全身协调

9.3.2 避障与自碰撞约束

9.3.3 场景任务驱动的控制

第10 人形机器人轨迹规划

10.1 多项式轨迹

10.1.1 三次样条

10.1.2 五次多项式

10.1.3 时间参数化

10.1.4 多项式轨迹的优缺点与选型

10.2 足端与上肢轨迹规划

10.2.1 摆动足轨迹

10.2.2 抓取轨迹

10.2.3 障碍避让

10.2.3.1 基于人工势场法的局部避让

10.2.3.2 基于采样法的全局避让(RRT*/PRM)

10.3 全身轨迹优化

10.3.1 非线性优化模型

10.3.2 带约束的轨迹规划

10.3.3 数值优化稳定性

10.3.4 常用优化算法的稳定性对比(SQP/IPOPT/ADMM)

第11 模型预测控制(MPC

11.1 MPC 基本原理

11.1.1 滚动优化

11.1.2 预测模型建立

11.1.3 约束建模

11.2 行走中的 MPC 应用

11.2.1 CoM + ZMP MPC

11.2.2 扰动作用下的稳定行走

11.2.3 复杂地形的 MPC 步态规划

11.3 动态动作的 MPC 控制

11.3.1 奔跑

11.3.2 跳跃

11.3.3 障碍运动

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