[發明專利]一種球平衡機器人的控制系統

在審

• 申請號: 202210415277.5
• 申請日: 2022-04-20
• 公開（公告）號: CN114670202A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 高曉珊;嚴亮;卜蘇皖;任夢潼;和壯
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學;北京航空航天大學寧波創新研究院
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 李家平

1.一種球平衡機器人的控制系統，包括球平衡機器人，其特征在于：所述球平衡機器人包括球平衡機構、操作臂機構、主控制器和攝像機；所述球平衡機構包括底板、球輪和轉向盤，所述球輪設置于所述底板的下側，所述轉向盤可轉動地設置于所述底板的上側；所述操作臂機構設置有兩個機械臂，兩個所述機械臂固定設置于所述轉向盤；

所述球平衡機器人的控制系統包括如下運行模式：

單臂操作模式，包括以下操作：其中一個所述機械臂和所述球輪共同支撐地面，另一個所述機械臂執行空間操作；

翻越模式，包括以下操作：兩個所述機械臂支撐地面，以使所述球輪脫離地面并翻越障礙物；

雙臂操作模式，包括以下操作：所述球輪支撐地面，兩個所述機械臂執行空間操作；

其中，所述主控制器根據所述攝像機的獲取數據，控制所述球平衡機構的位姿、所述操作臂機構的位姿和所述轉向盤的位姿，以執行其中一種所述運行模式。

2.根據權利要求1所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于，所述球平衡機構包括有慣性測量單元和電機組件；

所述主控制器對所述球平衡機構的位姿控制包括以下步驟：

所述主控器讀取所述電機組件的電機編碼器數據，以及讀取所述慣性測量單元的角速度和角加速度；

所述主控制器根據球平衡策略得出所述電機組件的電機轉速，并將所述電機轉速發送給所述電機組件的電機驅動器，以實現對所述電機組件的轉速控制。

3.根據權利要求2所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：所述球平衡策略采用線性二次調節器和卡爾曼濾波相結合的LQT閉環控制算法。

4.根據權利要求3所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：所述LQT閉環控制算法的計算公式如下：

公式①中：K為卡爾曼濾波增益，L為狀態反饋矩陣，y_e為用于實現軌跡跟蹤的期望軌跡；x為所述球輪的狀態變量，u為所述主控制器的控制律；

其中，所述球輪的狀態變量x通過以下公式得出：

公式②中：x_s和y_s為所述球輪沿x軸、y軸的移動量，φx,φy,φz為所述球輪沿x軸、y軸和z軸的轉動量。

5.根據權利要求2所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：所述電機組件為三個直流電機，所述直流電機固定連接于所述底板的下側，所述直流電機的轉軸連接有驅動輪，所述驅動輪的外周面與所述球輪的表面抵接。

6.根據權利要求1所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：

所述操作臂機構包括有舵機組件；

所述主控制器對所述操作臂機構的位姿控制包括以下步驟：

所述主控制器讀取所述舵機組件的舵機編碼器數據，得出所述機械臂的關節轉動角度；

所述主控制器根據力臂操作策略得出所述舵機組件的舵機轉速，并將所述舵機轉速發送給所述舵機組件的舵機驅動器，以實現對所述舵機組件的轉速控制。

7.根據權利要求6所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：所述力臂操作策略采用PID閉環控制算法。

8.根據權利要求6所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：所述舵機組件包括有第一舵機、第二舵機、第三舵機和第四舵機；所述機械臂還包括有依次連接的臂座、第一手臂、第二手臂和夾爪；所述臂座和所述第一手臂通過所述第一舵機連接；所述第一手臂和所述第二手臂通過所述第二舵機連接；所述第二手臂和所述夾爪通過所述第三舵機和所述第四舵機連接。

9.根據權利要求8所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：所述底板的上側固定設置有旋轉舵機，所述旋轉舵機的轉軸同軸連接有所述轉向盤；所述轉向盤與所述臂座固定連接；所述主控制器設置于所述底板和所述轉向盤之間；所述攝像頭設置在所述轉向盤的上側。

10.根據權利要求1所述的球平衡機器人的控制系統，其特征在于：

所述轉向盤通過旋轉舵機轉動設置在所述底板上；

所述主控制器對所述轉向盤的位姿控制包括以下步驟：

所述主控制器讀取所述旋轉舵機的舵機編碼器數據，得出所述轉向盤的關節轉動角度；

所述主控制器根據轉向盤策略得出所述旋轉舵機的舵機轉速，并將所述旋轉舵機的舵機轉速發送給所述旋轉舵機的舵機驅動器，以實現對所述旋轉舵機的轉速控制。