Whole-body control of humanoid robots at second order kinematics under unilateral constraints

Abstract

Este trabalho usa desigualdades de campos vetoriais (DCV) para prevenir colisões com o ambiente e com o próprio robô. As DCVs são estendidas para cinemática de segunda ordem (DCVSO). Diferentemente de trabalhos anteriores, o método pode ser aplicado a robôs atuados tanto em velocidade quanto em torque. Além disso, é apresentada uma prova formal de prevenção de colisões usando DCVs de segunda ordem. É proposta uma nova função de distância e a sua Jacobiana correspondente para gerar uma DCV que evita atingir um ângulo entre duas linhas de Plücker. Essa nova DCV é usada para evitar atingir os limites das juntas ou orientações indesejadas no efetuador. Além disso, é proposta uma nova Jacobiana relacionada com o polígono de suporte de um robô humanoide. Isso é usado para maximizar a área do polígono de suporte do robô e, potencialmente, aumentar o alcance e a segurança do robô em termos do equilíbrio. As Jacobianas propostas e as DCVs são usadas para realizar controle de corpo completo com múltiplos contatos usando um robô humanoide. O modelo de Euler-Lagrange, o qual é usado com as DCVSOs em robôs atuados em torque, é derivado por meio do princípio da mínima restrição de Gauss usando álgebra de quatérnios duais. O uso de álgebra de quatérnios duais permite uma representação mais compacta e unificada para os heligiros e as heliforças. O método proposto é avaliado em uma simulação realista e em um humanoide com 27 graus de liberdade e em três robôs reais: um humanoide com 9 graus de liberdade, um manipulador bimanual com 8 graus de liberdade e um manipulador bimanual móvel não holonômico com 16 graus de liberdade. Os resultados mostram que todas as restrições são respeitadas enquanto o robô realiza tarefas de manipulação.