【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及颠球机器人，具体为颠球控制系统构建方法、颠球控制方法及颠球机器人。
技术介绍
1、颠球机器人技术是近些年来机器人领域最为热门的研究领域之一，其在人机交互、控制算法验证等领域具有广泛的应用前景。其中，颠球机器人在机械工程、控制工程等领域的应用是非常重要的。颠球机器人可以用作一种非线性系统的研究工具，并且在控制系统设计中起到了重要的作用，还可以用作生物力学研究中的模型，用来研究人体手腕部分的姿态控制稳定性问题。因此，研究和应用颠球机器人原理是非常有意义和有价值的。
2、如申请号为201920247289.5的中国技术专利公开了智能趣味颠球机器人，在其所设计的颠球机器人中，击球板是始终保持水平的，控制运行算法单一，无法进行击球板的姿态调整，其只能完成理想化的颠球操作(即球的运行路线保持理想竖直状态)，难以适应复杂的外部环境变化和克服自身内部系统的控制误差。例如，在室外工作时，球体可能会受到风向的干扰而导致自身运行路线发生偏移，若击球板仍然保持水平，球体与击球板触碰后，下次的落点很大可能会脱离击球板，导致颠球过程中断；另外，颠球机器人的自身也会存在装配误差、控制误差，这些因素都会干扰整个颠球过程。
3、因此，如何设计一种颠球控制方法及颠球机器人，使其能够适应复杂的外部环境变化和克服自身内部系统的控制误差，具有良好的鲁棒性和跟踪精度，确保颠球过程连续稳定，成为本申请亟待解决的技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供颠球控制系统构建方法、颠球
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、颠球控制系统构建方法，包括如下步骤：
4、s1、对颠球机器人所实现的功能进行模型简化：将颠球机器人在颠球过程中球与板接触瞬间的运动，视为球在板上做纯滚动；将颠球机器人的连续颠球过程离散化为球与板在不同时刻做纯滚动的过程；
5、s2、根据模型简化的系统约束力表述以及在局部、全局坐标系下的运动学分析，建立简化后的颠球机器人动力学模型；
6、s3、针对简化后的颠球机器人动力学模型，设计一种鲁棒伺服控制器；
7、s4、设计一种基础控制器以及一种基于鲁棒伺服控制器的pid补偿器，通过基础控制器和pid补偿器的配合对颠球机器人的颠球过程进行最优控制。
8、颠球机器人，包括底架，底架上安装有一对伺服电机，每个伺服电机的输出端驱动连接有二连杆摆臂，二连杆摆臂的末端转动安装有支座，支座通过球铰链连接在板下，用于控制颠球操作时板的倾斜度，板的下表面中心通过球铰链连接在中心支撑件上，还包括：顶部摄像头，用于对球在xy平面的运动轨迹进行实时记录，并将实时记录的图像信息发送给微型控制器一；
9、微型控制器一，根据接收的图像信息，计算出球在xy平面的实时坐标数据，并将实时坐标数据发送给微型控制器二；
10、微型控制器二，其配置有基础控制器以及基于鲁棒伺服控制器的pid补偿器，基础控制器基于实时坐标数据，分别计算出x轴实际扭矩输入基础值和y轴实际扭矩输入基础值；pid补偿器在鲁棒伺服控制器的实时更新下，分别计算出x轴实际扭矩输入补偿值和y轴实际扭矩输入补偿值；
11、微型控制器二根据x轴实际扭矩输入基础值和x轴实际扭矩输入补偿值之和，计算相对应的脉冲，并控制与x轴对应的伺服电机转动；
12、微型控制器二根据y轴实际扭矩输入基础值和y轴实际扭矩输入补偿值之和，计算相对应的脉冲，并控制与y轴对应的伺服电机转动。
13、作为进一步的方案，还包括安装在底架上的辅助伺服电机，辅助伺服电机的输出端驱动连接有二连杆摆臂，二连杆摆臂的末端转动安装有支座套；
14、板的下表面对应支座套位置处安装有球铰链，支座套内安装有电磁铁，电磁铁用于吸附固定对应球铰链的底部端座。
15、作为进一步的方案，所述中心支撑件包括中心支撑柱以及固定安装在底架上的中心导向座，中心支撑柱的上端与对应球铰链的底部端座对接固定，中心支撑柱下端滑动配合在中心导向座上；
16、中心支撑柱下端还开设有限位插口，中心导向座侧壁上安装有用于插入限位插口中的电磁限位销。
17、颠球控制方法，包括：通过顶部摄像头对球在xy平面的运动轨迹进行实时记录，并将实时记录的图像信息发送给微型控制器一；
18、根据接收的图像信息，微型控制器一计算出球的实时坐标数据，并将实时坐标数据发送给微型控制器二；
19、根据实时坐标数据，微型控制器二配置的基础控制器分别计算出x轴实际扭矩输入基础值和y轴实际扭矩输入基础值，微型控制器二配置的pid补偿器在鲁棒伺服控制器的实时更新下，分别计算出x轴实际扭矩输入补偿值和y轴实际扭矩输入补偿值；
20、微型控制器二根据x轴实际扭矩输入基础值和x轴实际扭矩输入补偿值之和，计算相对应的脉冲，并控制与x轴对应的伺服电机转动；
21、微型控制器二根据y轴实际扭矩输入基础值和y轴实际扭矩输入补偿值之和，计算相对应的脉冲，并控制与y轴对应的伺服电机转动；
22、在伺服电机驱动下，板以对应的倾斜度进行颠球。
23、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
24、本专利技术颠球控制系统构建方法采用基于模型设计的开发方式，实现颠球机器人核心运动控制算法的高效开发与测试，简化了颠球机器人的开发流程，提高了开发效率，有利于降低开发难度和成本；
25、在本专利技术构建的pid补偿器中，采用鲁棒伺服控制器对pid补偿器的积分增益项和微分增益项进行控制，可以根据外界环境变化对其进行实时更新，以保证在不同环境下，能够让颠球机器人拥有最佳的pid控制增益，从而使得颠球机器人控制系统具有良好的鲁棒性和跟踪精度，确保颠球过程连续稳定，避免球因外部环境干扰或系统内部误差影响在运动过程中脱离板而导致颠球过程中断。
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1.颠球控制系统构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤S2中简化后的颠球机器人动力学模型通过忽略耦合项得到X轴、Y轴上两个独立的简化球-板方程：
3.根据权利要求2所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤S3中设计的鲁棒伺服控制器如下：
4.根据权利要求3所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤S4中通过对球在X轴上的轨迹进行分析，建立得到与Y轴实际扭矩输入τy对应的基础控制器如下：
5.根据权利要求4所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤S4中通过对球在X轴上的轨迹进行分析，建立得到与Y轴实际扭矩对应的PID补偿器如下：
6.颠球机器人，包括底架(1)，底架(1)上安装有一对伺服电机(2)，每个伺服电机(2)的输出端驱动连接有二连杆摆臂(3)，二连杆摆臂(3)的末端转动安装有支座(4)，支座(4)通过球铰链(5)连接在板(6)下，用于控制颠球操作时板(6)的倾斜度，板(6)的下表面中心通过球铰链(5)连接在中心支撑件上，其特征在
7.根据权利要求6所述的颠球机器人，其特征在于，还包括安装在底架(1)上的辅助伺服电机(7)，辅助伺服电机(7)的输出端驱动连接有二连杆摆臂(3)，二连杆摆臂(3)的末端转动安装有支座套(8)；
8.根据权利要求7所述的颠球机器人，其特征在于，所述中心支撑件包括中心支撑柱(91)以及固定安装在底架(1)上的中心导向座(9)，中心支撑柱(91)的上端与对应球铰链(5)的底部端座对接固定，中心支撑柱(91)下端滑动配合在中心导向座(9)上；
9.颠球控制方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.颠球控制系统构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤s2中简化后的颠球机器人动力学模型通过忽略耦合项得到x轴、y轴上两个独立的简化球-板方程：
3.根据权利要求2所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤s3中设计的鲁棒伺服控制器如下：
4.根据权利要求3所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤s4中通过对球在x轴上的轨迹进行分析，建立得到与y轴实际扭矩输入τy对应的基础控制器如下：
5.根据权利要求4所述的颠球控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤s4中通过对球在x轴上的轨迹进行分析，建立得到与y轴实际扭矩对应的pid补偿器如下：
6.颠球机器人，包括底架(1)，底架(1)上安装有一对伺服电机(2)，每个伺服电...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴平志，张明星，刘金山，陈桥，
申请(专利权)人：合肥中科深谷科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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