[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

本發明公開了一種球平衡機器人的控制系統，其中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，操作臂機構設置有兩個機械臂，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，其中一個機械臂和球輪共同支撐地面，另一個機械臂執行空間操作，翻越模式，兩個機械臂支撐地面，以使球輪脫離地面并翻越障礙物，雙臂操作模式，球輪支撐地面，兩個機械臂執行空間操作，主控制器根據攝像機的獲取數據，控制球平衡機構的位姿、操作臂機構的位姿和轉向盤的位姿，以執行其中一種運行模式。根據本發明的球平衡機器人的控制系統，可采用不同運動模式，運動方式靈活，可實現移動操作和越障，提高環境適用性。

技術領域

本發明涉及機器人技術領域，特別是涉及一種球平衡機器人的控制系統。

背景技術

隨著移動機器人相關科學研究的不斷深入，近些年來，以球作為驅動輪的一類新型單球驅動自平衡機器人漸漸引起國內許多學者關注。基于球的全球特性，單球驅動自平衡機器人在運動是具有不受空間限制、轉彎半徑小、原地實現任意方向上運動等特性。

但現有的單球平衡機器人，運動模式的靈活度較低，難以應對復雜多變的操作環境，部分單球平衡機器人甚至僅具有行走功能，無法滿足家庭服務、軍事偵察、星球探測等多個領域的實際需求。

發明內容

本發明的目的是：提供一種球平衡機器人的控制系統，可采用不同運動模式，運動方式靈活，可實現移動操作和越障，提高環境適用性。

為了實現上述目的，本發明提供了一種球平衡機器人的控制系統，包括球平衡機器人，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。

根據本發明的一些實施例，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。

根據本發明的一些實施例，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。

根據本發明的一些實施例，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：