机器人坐姿充电控制方法、系统、机器人和存储介质与流程

本发明涉及机器人充电控制，特别是涉及一种机器人坐姿充电控制方法、系统、机器人和存储介质。

背景技术：

1、随着机器人技术的快速发展，工业机器人的应用领域日益拓宽。人形机器人具备与人类相似的形态结构，能够在电力巡检等复杂场景中展现出独特潜力。然而，受限于机械结构小型轻便化要求，以及高动态运动、平衡控制和高算力带来的高功耗，此类机器人通常仅能持续工作1~2小时，电池续航严重制约其长时间连续作业能力，成为大规模应用的主要瓶颈。

2、目前，人形机器人的换电补能主要采用人工换电和自动回充换电两种方式，其中，人工换电指的是机器人返回指定位置，由操作人员手动拆装电池，更换已充满电的电池组，换下的电池再由人工接入充电器充电。但这种方式效率较低，且需专人值守，不仅增加了人工成本，更违背了电力巡检无人化的初衷。自动回充换电则是通过固定基座实现自动回充对接，但现有方案并不适用于双腿行走的人形机器人的坐姿充电。其原因在于，人形机器人若模仿人类坐在座椅上充电，不仅需要精确的导航和定位，还必须在坐下、静坐和起身过程中始终保持全身平衡，同时在充电期间需大幅降低系统功耗以延长电池寿命。目前尚缺一种专门针对人形机器人自主坐姿充电的完整运动控制方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种机器人坐姿充电控制方法、系统、机器人和存储介质。

2、第一方面，本发明提供了一种机器人坐姿充电控制方法，所述方法包括：

3、响应于机器人位于充电座椅前方的基准站位，采用基于运动先验的条件扩散策略生成从站立构型到目标坐姿构型的第一参考轨迹；

4、根据所述第一参考轨迹，采用力位混合控制模式控制机器人执行坐下动作序列，通过阻抗控制律驱动机器人臀部与椅面接触，并使机器人背部充电触点沿充电座椅靠背上的导轨机构被动导向并逐渐接近座椅触点，直至触点对接完成；

5、将机器人的控制模式切换至零力矩点静态平衡模式，并启动低功耗休眠充电；

6、响应于充电完成，将控制模式切换至力位混合控制模式，采用所述条件扩散策略生成从目标坐姿构型到站立构型的第二参考轨迹；

7、根据所述第二参考轨迹，控制机器人执行起身动作序列，直至机器人位姿达到可自主站立的临界条件，将控制模式切换至行走运动控制模式完成剩余起身动作序列。

8、进一步地，所述通过阻抗控制律驱动机器人臀部与椅面接触，并使机器人背部充电触点沿充电座椅靠背上的导轨机构被动导向并逐渐接近座椅触点，直至触点对接完成的步骤包括：

9、以背部充电触点为柔顺控制的目标点，计算目标点处的雅可比矩阵，采用阻抗控制律估计机器人的末端位姿误差，得到阻抗力，并通过雅可比矩阵映射至关节空间，得到各个关节的反馈力矩；

10、根据所述第一参考轨迹，采用逆动力学模型，计算得到各个关节的前馈力矩，并将每个关节的所述前馈力矩与所述反馈力矩相加，得到每个关节在当前时刻的控制力矩；

11、将所述控制力矩作为对应关节的控制量并行输入至各个关节的伺服电机。

12、进一步地，所述根据所述第二参考轨迹，控制机器人执行起身动作序列，直至机器人位姿达到可自主站立的临界条件的步骤包括：

13、以最小化关节的控制力矩和轨迹跟踪偏差为目标，以零力矩点坐标稳定性为约束条件，对所述第二参考轨迹进行优化，得到优化后的第二参考轨迹；

14、根据优化后的第二参考轨迹，控制机器人执行起身动作序列，并根据机器人的总质心垂直投影进行稳定性控制，直至机器人位姿达到可自主站立的临界条件。

15、进一步地，所述根据机器人的总质心垂直投影进行稳定性控制的步骤包括：

16、实时计算机器人总质心在地面局部坐标系中的垂直投影坐标，并判断所述垂直投影坐标是否落在由双脚与地面实际接触点所构成的多边形支撑域的内部；

17、若是，则继续执行当前周期的起身动作序列，反之，若则暂停执行，并通过踝关节的主动力矩的差动调节进行姿态修正，直至所述垂直投影坐标落在所述多边形支撑域的内部。

18、进一步地，在所述将控制模式切换至行走运动控制模式完成剩余起身动作序列的步骤之后，还包括：

19、判断机器人的零力矩点是否位于由双脚与地面实际接触点所构成的多边形支撑域的内部，且各个关节的角速度是否均低于预先标定的极小阈值；

20、若是，则认为机器人处于稳定站立构型，本次充电完成。

21、进一步地，所述触点对接完成的判定步骤包括：

22、响应于机器人背部充电触点与座椅触点发生物理接触，触发充电座椅上预设的电气检测回路闭合，以使回路电信号状态发生变化，确认触点对接完成。

23、进一步地，所述可自主站立的临界条件为机器人的位姿特征参数满足预设的阈值，所述特征参数包括质心抬升高度、躯干前倾角和膝关节屈曲角。

24、第二方面，本发明提供了一种机器人坐姿充电控制系统，所述系统包括：

25、第一轨迹生成模块，用于响应于机器人位于充电座椅前方的基准站位，采用基于运动先验的条件扩散策略生成从站立构型到目标坐姿构型的第一参考轨迹；

26、第一动作控制模块，用于根据所述第一参考轨迹，采用力位混合控制模式控制机器人执行坐下动作序列，通过阻抗控制律驱动机器人臀部与椅面接触，并使机器人背部充电触点沿充电座椅靠背上的导轨机构被动导向并逐渐接近座椅触点，直至触点对接完成；

27、充电控制模块，用于将机器人的控制模式切换至零力矩点静态平衡模式，并启动低功耗休眠充电；

28、第二轨迹生成模块，用于响应于充电完成，将控制模式切换至力位混合控制模式，采用所述条件扩散策略生成从目标坐姿构型到站立构型的第二参考轨迹；

29、第二动作生成模块，用于根据所述第二参考轨迹，控制机器人执行起身动作序列，直至机器人位姿达到可自主站立的临界条件，将控制模式切换至行走运动控制模式完成剩余起身动作序列。

30、第三方面，本发明实施例还提供了一种机器人，包括存储器、控制器及存储在存储器上并可在控制器上运行的计算机程序，所述控制器执行所述计算机程序时实现上述的机器人坐姿充电控制方法。

31、第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的机器人坐姿充电控制方法。

32、本发明提供了一种机器人坐姿充电控制方法、系统、设备和存储介质，通过任务时序有序串联，实现了人形机器人自主坐姿充电的全流程闭环控制；通过力位混合控制与导轨物理引导的协同架构，实现了高精度的充电触点对接；通过基于运动先验的扩散模型轨迹生成方法，使得生成轨迹天然满足关节约束和力矩约束，实现了拟人化、高泛化能力的动作生成；通过引入零力矩点静态平衡模式，大幅降低了充电期间的系统功耗，同时减少了运动部件的磨损，从控制架构层面实现了低功耗自主补能；通过从静态坐姿到动态行走的无缝运控切换机制，实现了充电完成后的自主起身与运控恢复，从而确保了充电作业闭环的完整性与自主性。本发明通过人形机器人自主坐姿充电的全流程闭环控制，消除了对人工换电值守的需求，降低了运维成本，从而提高了电力巡检人形机器人全自主、无人化的持续作业能力。