机器人全书

PART 08 · CHAPTER 43

双足行走、全身控制与灵巧操作

一句话理解

人形机器人要一边管理接触和重心保持身体可控，一边用全身冗余把手送到目标并施加合适的力。

约 2,137 字约 5 分钟6 个来源1 幅教学图

双足行走是一系列接触模式切换。双脚着地时支撑较宽，抬起一只脚后只剩单脚支撑，落脚瞬间还会发生冲击。机器人必须估计身体姿态和接触状态，规划质心与脚步，协调关节力矩，并在地面误差和外部推力下恢复。站立同样需要持续控制，传感噪声和柔性会让系统不断做微小修正。

零力矩点（ZMP）是经典步态规划的重要概念。在简化条件下，如果地面对机器人的合力矩在支撑面内某点的水平分量为零，并且该点保持在支撑多边形内，规划通常具有可实现的动态平衡条件。更现代的全身控制会使用质心动力学、接触力优化和模型预测控制，同时考虑摩擦锥、关节限位与执行器能力。ZMP 仍是理解支撑关系的好入口，不能覆盖跳跃、强冲击、脚部滚动和复杂接触的全部情形。

质心的简化线性倒立摆模型写成：

\[\ddot x=\frac{g}{z_c}(x-p)\]

\(x\) 是水平质心位置，\(z_c\) 是假设恒定的质心高度，\(p\) 是 ZMP 或压力中心近似。它揭示了一个直觉：质心相对支撑点偏得越远，系统需要越大的加速度拉回。模型忽略了身体角动量和高度变化，却为脚步规划和推力恢复提供了清晰骨架。

全身控制把多个目标写成带优先级或权重的优化：保持接触、满足动力学、跟踪质心、移动手、保持视野、远离关节限位。接触约束通常必须优先，手部目标可以在剩余自由度中实现。不同目标冲突时，权重稍变就可能造成姿态和稳定性明显变化；工程团队需要记录任务优先级，并在边界场景中验证求解器是否及时、是否有可行解。

学习型步态常在大规模并行仿真中用强化学习训练。策略可以适应复杂地形和扰动，甚至发现难以手工设计的动作。可靠部署通常会加入参考动作、能耗和平滑奖励、随机化执行器参数、状态估计器和安全限幅。策略的高分不能证明实机稳健，必须测试地面摩擦、坡度、载荷、电池状态、传感器偏差和恢复动作。

操作任务又引入抓取与接触。简单夹爪自由度少、易控制、成本和故障点较低；多指灵巧手能适配人类工具和复杂抓取，驱动、触觉、标定与数据需求显著提高。人手约有多关节和复杂肌腱结构，机器人手无需复制每个细节，可以通过欠驱动、柔性材料和协同运动降低控制维度。末端选择应从物体和工艺出发：搬统一料箱用专用夹具通常更可靠，操作多种人类工具才可能需要灵巧手。

稳定抓取需要力闭合或形闭合条件，并受摩擦影响。简化库仑摩擦约束为：

FIGURE 01人形全身任务中的接触与控制闭环全身控制 QPMPC全身控制关节力矩环境反馈本图用于解释“双足行走、全身控制与灵巧操作”的关键关系
图 1　人形全身任务中的接触与控制闭环
\[\lVert f_t\rVert\le \mu f_n\]

\(f_n\) 是法向力，\(f_t\) 是切向力，\(\mu\) 是摩擦系数。视觉能够规划接触位置，接触后还需力或触觉反馈判断是否滑动、夹偏或压坏。透明、反光、柔软和易碎物体尤其依赖多模态反馈。

双臂任务需要协调两个末端与物体之间的闭链约束。搬长箱、折衣、插接和工具使用都要求两只手在力和位姿上配合。单臂数据简单拼接成双臂数据通常缺少这种耦合。双臂遥操作、动作分块策略和全身控制需要一起设计；人形还要在手臂施力时用躯干和脚补偿反作用力。

移动操作把导航与抓取串成更长的闭环。机器人要选择站位，使目标可见、可达且身体稳定；抓取后负载改变动力学和视野；搬运时物体也可能碰撞环境。常见实现先移动到预抓取区域、稳定站立、再操作。更高级的全身策略可以边走边抓，效率更高，验证空间和风险显著扩大。商业早期任务倾向使用可分解、可恢复的动作序列，以减少整体失败率。

跌倒与恢复属于系统能力。机械结构要能承受一定冲击，软件要识别失稳、保护手臂和头部传感器、切断或限制关节输出，并在安全条件下起身。若机器人携带重物或周围有人，主动坐下、放下物品或请求协助可能比强行恢复更安全。评测应区分“保持不倒”“安全倒下”“自主起身”和“需人工扶起”。

步态恢复可以用捕获点建立直觉：当质心带有水平速度时，机器人需要把脚落在一个能“接住”当前动量的位置。简化线性倒立摆的捕获点可写成：

\[x_{cp}=x+\frac{\dot x}{\omega_0},\qquad \omega_0=\sqrt{\frac{g}{z_c}}\]

速度越大或质心越高，所需落脚位置越远。真实机器人还受到摆腿速度、摩擦、地形和关节限位约束，因此恢复策略要判断一步能否挽回、是否需要多步，以及何时进入安全倒地。

灵巧操作也可以按“接近—预接触—建立接触—受力操作—释放—确认”分段。视觉在接近阶段占主导，接触后力与触觉权重提高；释放后还要确认物体是否留在目标位置。插头插接、开门和擦拭的成功条件包含力与过程，单张结束图无法证明动作合格。分段日志能定位失败发生在感知、路径、接触建立、力控还是结果确认。

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