使用七自由度機械臂進行非抓取式拋球接球的最優控制方法
本文提出了一種基於模型的控制框架，用於七自由度機械臂使用工具進行非抓取式拋球接球。該框架採用兩階段最優控制方法計算可行的運動模式，並通過離線計算軌跡實現實時誤差校正，在仿真和Franka Emika Panda機器人實驗中驗證了有效性。
非抓取式物體操作技能對於現實世界的機器人交互至關重要，它能夠實現如托盤上平衡玻璃杯或桌面上控制物品滑動等高度動態的任務。其中，拋球接球因其高速操作要求和混合動力學的敏感性，被視為極具挑戰性的動作。實現機器人的拋球接球關鍵在於對一個欠驅動對象進行動態穩定——由於對象不具備自我校正能力，其穩定性完全依賴於施加於其上的力，這使得系統對控制輸入極為敏感，必須精確控制時序以持續抵消偏差並維持期望行為。
針對這一問題，研究團隊開發了一種系統方法，用於控制七自由度（7-DoF）機械臂通過工具進行非抓取式拋球接球。其主要貢獻在於構建了一個基於模型的框架，用於生成拋球接球軌跡並穩定此類混合系統的週期運動。該框架採用兩階段最優控制方法：首先，通過求解一個最優控制問題來計算穩定拋球接球所需的可行運動模式，得到一個週期性的參考軌跡；然後，將離線計算的多條軌跡組織成庫，在運行時根據當前狀態選擇合適的軌跡進行跟蹤，實現實時誤差校正，從而避免了在線求解最優控制問題的計算負擔。通過這種方式，控制器能夠在不犧牲實時性的情況下，有效應對擾動和模型誤差。
為驗證控制器的有效性，團隊首先在仿真環境中評估了其性能，模擬了不同初始條件和擾動下的拋球接球任務。結果表明，控制器能夠穩定地維持週期性運動，即使在受到外部干擾後也能迅速恢復。隨後，他們使用Franka Emika Panda機器人進行了實物實驗。實驗中，機械臂末端安裝了一個小型球拍，通過拍擊使球在空中連續跳動。實驗結果顯示，該框架能夠成功實現拋球接球的動態穩定，球在多次擊打後仍保持在預期軌跡附近。該研究為高速非抓取操作提供了一種實用的模型驅動解決方案，併為更復雜的機器人動態技能（如雜耍、投擲等）奠定了堅實基礎。相關論文已被ICRA 2026接收。