一种球平衡机器人的控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种球平衡机器人的控制系统，其中球平衡机器人包括球平衡机构、操作臂机构、主控制器和摄像机，操作臂机构设置有两个机械臂，球平衡机器人的控制系统包括如下运行模式：单臂操作模式，其中一个机械臂和球轮共同支撑地面，另一个机械臂执行空间操作，翻越模式，两个机械臂支撑地面，以使球轮脱离地面并翻越障碍物，双臂操作模式，球轮支撑地面，两个机械臂执行空间操作，主控制器根据摄像机的获取数据，控制球平衡机构的位姿、操作臂机构的位姿和转向盘的位姿，以执行其中一种运行模式。根据本发明专利技术的球平衡机器人的控制系统，可采用不同运动模式，运动方式灵活，可实现移动操作和越障，提高环境适用性。提高环境适用性。提高环境适用性。

【技术实现步骤摘要】
一种球平衡机器人的控制系统


[0001]本专利技术涉及机器人
，特别是涉及一种球平衡机器人的控制系统。

技术介绍

[0002]随着移动机器人相关科学研究的不断深入，近些年来，以球作为驱动轮的一类新型单球驱动自平衡机器人渐渐引起国内许多学者关注。基于球的全球特性，单球驱动自平衡机器人在运动是具有不受空间限制、转弯半径小、原地实现任意方向上运动等特性。
[0003]但现有的单球平衡机器人，运动模式的灵活度较低，难以应对复杂多变的操作环境，部分单球平衡机器人甚至仅具有行走功能，无法满足家庭服务、军事侦察、星球探测等多个领域的实际需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是：提供一种球平衡机器人的控制系统，可采用不同运动模式，运动方式灵活，可实现移动操作和越障，提高环境适用性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种球平衡机器人的控制系统，包括球平衡机器人，所述球平衡机器人包括球平衡机构、操作臂机构、主控制器和摄像机；所述球平衡机构包括底板、球轮和转向盘，所述球轮设置于所述底板的下侧，所述转向盘可转动地设置于所述底板的上侧；所述操作臂机构设置有两个机械臂，两个所述机械臂固定设置于所述转向盘；
[0006]所述球平衡机器人的控制系统包括如下运行模式：
[0007]单臂操作模式，包括以下操作：其中一个所述机械臂和所述球轮共同支撑地面，另一个所述机械臂执行空间操作；
[0008]翻越模式，包括以下操作：两个所述机械臂支撑地面，以使所述球轮脱离地面并翻越障碍物；
[0009]双臂操作模式，包括以下操作：所述球轮支撑地面，两个所述机械臂执行空间操作；
[0010]其中，所述主控制器根据所述摄像机的获取数据，控制所述球平衡机构的位姿、所述操作臂机构的位姿和所述转向盘的位姿，以执行其中一种所述运行模式。
[0011]根据本专利技术的一些实施例，所述球平衡机构包括有惯性测量单元和电机组件；
[0012]所述主控制器对所述球平衡机构的位姿控制包括以下步骤：
[0013]所述主控器读取所述电机组件的电机编码器数据，以及读取所述惯性测量单元的角速度和角加速度；
[0014]所述主控制器根据球平衡策略得出所述电机组件的电机转速，并将所述电机转速发送给所述电机组件的电机驱动器，以实现对所述电机组件的转速控制。
[0015]根据本专利技术的一些实施例，所述球平衡策略采用线性二次调节器和卡尔曼滤波相结合的LQT闭环控制算法。
[0016]根据本专利技术的一些实施例，所述LQT闭环控制算法的计算公式如下：
[0017][0018][0019]公式
①
中：K为卡尔曼滤波增益，L为状态反馈矩阵，y
e
为用于实现轨迹跟踪的期望轨迹；x为所述球轮的状态变量，u为所述主控制器的控制律；
[0020]其中，所述球轮的状态变量x通过以下公式得出：
[0021][0022]公式
②
中：x
s
和y
s
为所述球轮沿x轴、y轴的移动量，φx,φy,φz为所述球轮沿x轴、y轴和z轴的转动量。
[0023]根据本专利技术的一些实施例，所述电机组件为三个直流电机，所述直流电机固定连接于所述底板的下侧，所述直流电机的转轴连接有驱动轮，所述驱动轮的外周面与所述球轮的表面抵接。
[0024]根据本专利技术的一些实施例，所述操作臂机构包括有舵机组件；
[0025]所述主控制器对所述操作臂机构的位姿控制包括以下步骤：
[0026]所述主控制器读取所述舵机组件的舵机编码器数据，得出所述机械臂的关节转动角度；
[0027]所述主控制器根据力臂操作策略得出所述舵机组件的舵机转速，并将所述舵机转速发送给所述舵机组件的舵机驱动器，以实现对所述舵机组件的转速控制。
[0028]根据本专利技术的一些实施例，所述力臂操作策略采用PID闭环控制算法。
[0029]根据本专利技术的一些实施例，所述舵机组件包括有第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机；所述机械臂还包括有依次连接的臂座、第一手臂、第二手臂和夹爪；所述臂座和所述第一手臂通过所述第一舵机连接；所述第一手臂和所述第二手臂通过所述第二舵机连接；所述第二手臂和所述夹爪通过所述第三舵机和所述第四舵机连接。
[0030]根据本专利技术的一些实施例，所述底板的上侧固定设置有旋转舵机，所述旋转舵机的转轴同轴连接有转向盘；所述转向盘与所述臂座固定连接；所述主控制器设置于所述底板和所述转向盘之间；所述摄像头设置在所述转向盘的上侧。
[0031]根据本专利技术的一些实施例，所述转向盘通过旋转舵机转动设置在所述底板上；
[0032]所述主控制器对所述转向盘的位姿控制包括以下步骤：
[0033]所述主控制器读取所述旋转舵机的舵机编码器数据，得出所述转向盘的关节转动角度；
[0034]所述主控制器根据转向盘策略得出所述旋转舵机的舵机转速，并将所述旋转舵机的舵机转速发送给所述旋转舵机的舵机驱动器，以实现对所述旋转舵机的转速控制。
[0035]本专利技术实施例一种球平衡机器人的控制系统，与现有技术相比，其有益效果在于：
[0036]本专利技术实施例的球平衡机器人的控制系统，球平衡机器人设置有单臂操作模式、翻越模式和双臂操作模式，能够移动操作和越障，可根据摄像机获取的环境信息，采用不同的运行模式，实现不同的运动模式，运动方式灵活。因此，本专利技术实施例的球平衡机器人的控制系统，可采用不同运动模式，运动方式灵活，可实现移动操作和越障，提高环境适用性。
附图说明
[0037]图1是本专利技术实施例的基于双臂球平衡机器人的第一结构示意图；
[0038]图2是本专利技术实施例的基于双臂球平衡机器人的第二结构示意图；
[0039]图3是本专利技术实施例的球平衡机器人的控制系统的总体流程图；
[0040]图4是本专利技术实施例的球平衡机器人的控制系统的控制流程图。
[0041]附图标记：
[0042]球平衡机构1；球轮11；直流电机12；驱动轮13；
[0043]机械臂2；臂座211；第一手臂212；第二手臂213；夹爪214；第一舵机221；第二舵机222；第三舵机223；第四舵机224；
[0044]底板3；转向盘4；旋转舵机41。
具体实施方式
[0045]下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。
[0046]在本专利技术的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所述的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。
[0047]在本专利技术的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球平衡机器人的控制系统，包括球平衡机器人，其特征在于：所述球平衡机器人包括球平衡机构、操作臂机构、主控制器和摄像机；所述球平衡机构包括底板、球轮和转向盘，所述球轮设置于所述底板的下侧，所述转向盘可转动地设置于所述底板的上侧；所述操作臂机构设置有两个机械臂，两个所述机械臂固定设置于所述转向盘；所述球平衡机器人的控制系统包括如下运行模式：单臂操作模式，包括以下操作：其中一个所述机械臂和所述球轮共同支撑地面，另一个所述机械臂执行空间操作；翻越模式，包括以下操作：两个所述机械臂支撑地面，以使所述球轮脱离地面并翻越障碍物；双臂操作模式，包括以下操作：所述球轮支撑地面，两个所述机械臂执行空间操作；其中，所述主控制器根据所述摄像机的获取数据，控制所述球平衡机构的位姿、所述操作臂机构的位姿和所述转向盘的位姿，以执行其中一种所述运行模式。2.根据权利要求1所述的球平衡机器人的控制系统，其特征在于，所述球平衡机构包括有惯性测量单元和电机组件；所述主控制器对所述球平衡机构的位姿控制包括以下步骤：所述主控器读取所述电机组件的电机编码器数据，以及读取所述惯性测量单元的角速度和角加速度；所述主控制器根据球平衡策略得出所述电机组件的电机转速，并将所述电机转速发送给所述电机组件的电机驱动器，以实现对所述电机组件的转速控制。3.根据权利要求2所述的球平衡机器人的控制系统，其特征在于：所述球平衡策略采用线性二次调节器和卡尔曼滤波相结合的LQT闭环控制算法。4.根据权利要求3所述的球平衡机器人的控制系统，其特征在于：所述LQT闭环控制算法的计算公式如下：法的计算公式如下：公式
①
中：K为卡尔曼滤波增益，L为状态反馈矩阵，y
e
为用于实现轨迹跟踪的期望轨迹；x为所述球轮的状态变量，u为所述主控制器的控制律；其中，所述球轮的状态变量x通过以下公式得出：公式
②
中：x
s
和y
s
为所...

【专利技术属性】
技术研发人员：高晓珊，严亮，卜苏皖，任梦潼，和壮，
申请(专利权)人：北京航空航天大学宁波创新研究院，
类型：发明
国别省市：