(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221041527 7.5 (22)申请日 2022.04.20 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 申请人 北京航空航天大 学宁波创新研究院 (72)发明人 高晓珊　严亮　卜苏皖　任梦潼　 和壮　 (74)专利代理 机构 广州三环 专利商标代理有限 公司 44202 专利代理师 李家平 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种球平衡 机器人的控制系统 (57)摘要 本发明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。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 114670202 A 2022.06.28 CN 114670202 A 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L QT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： 公式①中： K为卡尔曼滤波增益， L为状态反馈矩阵， ye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： xs和ys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。 5.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。 6.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： 所述操作臂机构包括有舵机组件； 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：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114670202 A 2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； 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。 7.根据权利要求6所述的球平衡机器人的控制系统， 其特征在于： 所述力臂操作策略采 用PID闭环控制算法。 8.根据权利要求6所述的球平衡机器人的控制系统， 其特征在于： 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 。 9.根据权利要求8所述的球平衡机器人的控制系统， 其特征在于： 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所述转向盘； 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。 10.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： 所述转向盘通过旋转舵机转动设置在所述底板上； 所述主控制器对所述 转向盘的位姿控制包括以下步骤： 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； 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。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114670202 A 3