基于凸輪機械手的自動網(wǎng)球拾取機器人設(shè)計

郭天宇 艾文浩 孫長富 孫建榮 王桂超

摘? ?要：文章對基于凸輪機械手的自動網(wǎng)球拾取機器人設(shè)計進行了全面的說明，該系統(tǒng)以凸輪的推程和回程兩個工作行程為基礎(chǔ)實現(xiàn)機械手的抓取和釋放，全面闡述了凸輪及機械手連桿的參數(shù)選擇和計算。利用視覺識別系統(tǒng)對網(wǎng)球進行識別與定位，控制機械手對網(wǎng)球進行抓取，并通過巡回式的運動軌跡實現(xiàn)對整個球場的清理，是一種可實現(xiàn)的網(wǎng)球拾取機器人方案。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)球拾取機器人;凸輪機構(gòu);連桿機械手;視覺識別

網(wǎng)球運動競技性較強，運動過程中需要大量的跑動，體力消耗巨大，因而在運動時，人們會選擇多帶幾個網(wǎng)球以減少撿球的麻煩，就會帶來網(wǎng)球散落在球場各處的問題，產(chǎn)生安全隱患。同時，對于球場經(jīng)營者來說，如果雇傭?qū)ｉT撿球的球童，一方面，會加大對球場維護的投入成本，另一方面，球童素質(zhì)水平參差不齊，多為臨時的流動人員，對網(wǎng)球愛好者的人身財產(chǎn)安全來說，存在一定隱患，因而設(shè)計一種自動撿球的機器人有極大的必要性。

1? ? 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文介紹的基于凸輪機械手的網(wǎng)球機器人主要實現(xiàn)3個功能：（1）對網(wǎng)球的識別定位。（2）運動路線的規(guī)劃。（3）對網(wǎng)球的抓取及收集。機器人的主體（見圖1）搭建基于一個全方位移動平臺，視覺識別模塊位于平臺前端，用于對網(wǎng)球的識別定位，網(wǎng)球信號確認(rèn)后，系統(tǒng)控制機械手進行抓取動作，抓取確認(rèn)成功后，氣缸頂起同時機械手松開，網(wǎng)球斜拋入框[1]。

2? ? 視覺識別定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1? 圖像采集處理模塊

智能網(wǎng)球拾取機器人的圖像實時采集由安裝在機器人前端的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）攝像機完成，因彩色圖像能夠反映更多的空間信息，本系統(tǒng)采用的圖像識別分析模型為色調(diào)—飽和度—亮度（Hue-Saturation-Intensity，HSI）顏色空間模型，但由于COMS攝像機采集的圖像是RGB格式，所以需要把RGB模型轉(zhuǎn)換為HSI顏色模型，然后再進行相關(guān)的圖像處理，縮短其響應(yīng)時間，更有利于對機器人的實時控制[2]。兩者轉(zhuǎn)換公式如下：

色調(diào)：

其中，

飽和度：

亮度：

網(wǎng)球的識別主要通過色域識別法進行，視覺傳感器攝取圖像進行像素分塊、數(shù)位化等預(yù)處理，后將預(yù)處理的圖像傳回軟件進行閾值劃分，劃分出閾值范圍相同的像素色塊作為連通色域。由于網(wǎng)球顏色的亮度較高，能與低亮度的網(wǎng)球場及周圍雜物進行有效區(qū)分，因而可識別判斷是否為網(wǎng)球，同時，回傳數(shù)據(jù)給處理器，由處理器確定路線進行下一步行動。

2.2? 路徑選擇模塊

當(dāng)視野里有多個網(wǎng)球時，機器人采取的策略為行程最短，即最短距離原則，假想場景：當(dāng)機器人識別到有3個網(wǎng)球在視野中，分別為網(wǎng)球Ⅰ，網(wǎng)球Ⅱ，網(wǎng)球Ⅲ。通過測距比較得出與網(wǎng)球Ⅰ距離最短，則機器人向網(wǎng)球Ⅰ運動并實行撿球動作，需注意的是此過程中，目標(biāo)將鎖定網(wǎng)球Ⅰ，直至將網(wǎng)球Ⅰ拾取完成。到達網(wǎng)球Ⅰ位置后再對視野內(nèi)目標(biāo)網(wǎng)球再次進行比較判別，假若網(wǎng)球Ⅱ與網(wǎng)球Ⅲ仍同時在視野中且無其他目標(biāo)物出現(xiàn)，則比較距離驅(qū)使機器人駛向更近的網(wǎng)球Ⅱ，以此類推[3]。

2.3? 機器人定位模塊

本機器人采取巡回掃場的運動軌跡，定位模塊主要定位機器人與網(wǎng)球之間的相對位置。由視覺識別模塊獲得色域信息，通過軟件計算色域面積，比對設(shè)定的面積數(shù)據(jù)要求，確定相對位置，再配合紅外測距，在小車與網(wǎng)球相距17.3 cm時，停止運動并進行抓取，相對位置允許存在6%～10%的誤差。

3? ? 凸輪機械手設(shè)計

凸輪機械手主體為平面連桿機構(gòu)，其中，C，D為鉸接機架固定在頂起底板上，桿CE和桿BF可分別繞C，D在平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。T型滑桿EFG左右移動實現(xiàn)機械手的張開和夾緊。桿GH為杠桿放大機構(gòu)，用于將凸輪行程進行放大，以縮小凸輪大小，節(jié)省機器人小車的空間，放大比例為1∶5。夾緊狀態(tài)下的凸輪機械手原理如圖2所示。

查閱相關(guān)資料可知，一般網(wǎng)球直徑分布區(qū)間為6.541～6.858 cm，重量分布區(qū)間為56.7～58.5 g，按照誤差正態(tài)分布，在設(shè)計時選用直徑6.7 cm，重量57 g作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

為了確保抓取的成功率和可靠性，與網(wǎng)球接觸的弧形抓手設(shè)計為弦長為80 mm，弦高為20 mm的圓弧，可以將網(wǎng)球完全包裹。

為了保證網(wǎng)球的順利收集，需要對網(wǎng)球拋投的初速度及夾緊力進行計算[4]。

3.1? 網(wǎng)球斜拋初速度

網(wǎng)球起拋點到網(wǎng)球框兩個極限位置的水平距離x=690～990 mm，垂直距離h=640 mm。重力加速度為9.8 m/s2。由于機器人工作范圍靠近地面，拋投速度較低且網(wǎng)球形狀均勻，可忽略空氣阻力對網(wǎng)球飛行過程的影響。

列方式組：

求解得：

v=1.88～2.42 m/s

3.2? 網(wǎng)球的夾緊力

網(wǎng)球由確認(rèn)夾緊到拋出所需的時間為1 s，且網(wǎng)球是沿半徑為900 mm的1/8圓弧的路徑做加速運動?？傻镁W(wǎng)球運動的加速度為：

加速度的范圍為3.618～4.176 m/s2。

網(wǎng)球獲得加速度所需的力由兩邊抓手對網(wǎng)球的摩擦力提供，已知網(wǎng)球的設(shè)計質(zhì)量為57 g，可根據(jù)：

求得摩擦力大小為0.206～0.238 N。

在網(wǎng)球與抓手的接觸面處，為了保證夾取的可靠性，在抓手內(nèi)表面覆蓋有一層帶有突起顆粒的橡膠層，查相關(guān)材料的參數(shù)可知，摩擦系數(shù)μ=0.54。因而，夾緊力大小為0.191～0.220 N。

抓取手部分采用伸縮手的設(shè)計，伸縮桿與大筒之間采用彈簧連接，在沒有夾球的情況下，抓手在夾緊狀態(tài)時，兩抓手恰好完全貼合。因而，在有球的情況下，網(wǎng)球所需的夾緊力全由彈簧的彈力提供。故而有彈簧的勁度系數(shù)：

彈簧的勁度系數(shù)取值范圍為：14.15～17.63 N/m。

又有標(biāo)準(zhǔn)彈簧的彈性系數(shù)的計算公式：

G = 剪切彈性模量（MPa）（鋼絲：80 000）。

d = 線徑（mm）。

n = 有效圈數(shù)。

D = 中心直徑（mm）。

k = 彈簧勁度系數(shù)（N/mm）。

其中，線徑為1 mm，中心直徑為10 mm，有效圈數(shù)為20圈，可得理論勁度系數(shù)為0.5 N/mm，符合網(wǎng)球抓取的勁度系數(shù)要求。

3.3? 機械手連桿

弧形手的張開和夾緊由T型推桿EFG控制，C，D分別為機架，位置相對連桿固定，推桿EFG與長連桿ACE通過移動副連接，凸輪帶動推桿左右移動，使得CE段和DF段的大小不斷變化，引起AC與CE，BD與DF之間的比例的變化，由于CD段和EF段的距離為定值，因而連桿段比例變化使得AB之間的距離隨之變化，從而實現(xiàn)了弧形手的夾緊和張開[5]。

在考慮了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、網(wǎng)球抓取的穩(wěn)定性以及連桿強度等必要因素后，對機械手連桿的相關(guān)參數(shù)作了以下的設(shè)計。

弧形手（包括伸縮部分）長度為100 mm。

長連桿ACE長度為650 mm。

T型推桿EF段長為450 mm，水平段長為200 mm。

放大杠桿GH長為360 mm。

凸輪推桿HI為50 mm。

除伸縮手部分的直徑為8 mm外，其他連桿直徑均為15 mm，連桿材料采用PVC塑料。PVC塑料具有較大的強度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易生銹且密度較小，使得機械手整體質(zhì)量不超過1 kg。

有軸校核的相關(guān)公式對連桿的強度進行校核有：

查相關(guān)數(shù)據(jù)得PVC塑料的拉伸強度為50～80 MPa。經(jīng)計算校驗，設(shè)計的軸徑完全符合要求的強度，故而設(shè)計尺寸可行。

3.4? 凸輪的設(shè)計

凸輪是機械手控制的核心構(gòu)件，凸輪設(shè)計的精度將直接影響機械手抓取以及后續(xù)拋投動作的進行?？紤]到凸輪運動的平穩(wěn)性以及避免剛性沖擊，凸輪的推程和回程的行程變化（見圖3）為勻變速，即先勻加速后勻減速，凸輪旋轉(zhuǎn)一圈所需時間為5 s。

由凸輪的行程可以得出凸輪運動的4個階段之間的關(guān)系，同時，擬定幾個凸輪基圓半徑，分別為30 mm，40 mm和50 mm，在綜合考慮凸輪失真及運動穩(wěn)定性的情況下，確定50 mm作為凸輪基圓半徑最為合適。

為了盡量避免長時間使用下，凸輪磨損導(dǎo)致凸輪從動件運動失真，延長使用壽命，凸輪從動件采用滾子，可有效降低凸輪磨損。同時，由于凸輪機械手是水平放置，為了保證滾子與凸輪的貼合，滾子上端添加一個壓緊彈簧，使凸輪與滾子保持貼合。

4? ? 運動電機及氣缸的選擇

本文運動電機選用微型帶蝸輪蝸桿型減速直流馬達，微型帶蝸輪蝸桿型減速直流馬達可以改變馬達的接線正負(fù)以改變馬達的旋轉(zhuǎn)方向。同時，蝸輪蝸桿減速電機具有自鎖性，即在馬達沒有電的情況下，輸出軸是無法轉(zhuǎn)動的，這可以提高機器人位置控制的精度。

本文氣缸采用通用的SE標(biāo)準(zhǔn)氣缸，內(nèi)徑32 mm，額定壓力為1.5 MPa，工作行程為100 mm。

5? ? 結(jié)語

為了解決網(wǎng)球運動過程中網(wǎng)球拾取的問題，本文設(shè)計了一個網(wǎng)球機器人的設(shè)計方案。適用于室內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)球場地。

基于凸輪機械手的網(wǎng)球拾取機器人的主要特點為：以COMS攝像機為視覺傳感器，基于色域識別的視覺識別模塊;以凸輪和連桿機構(gòu)為主體的抓取機械手設(shè)計;拋投式網(wǎng)球收集。

本文提出的網(wǎng)球機器人設(shè)計，機械結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，是一種操作性較高的網(wǎng)球機器人設(shè)計。該機器人的設(shè)計使用可有效提高網(wǎng)球愛好者的訓(xùn)練效率，節(jié)省時間和人力，同時，對球場可實現(xiàn)智能無人化管理，給予網(wǎng)球愛好者足夠的私人練球空間，具有良好的市場發(fā)展前景。

[參考文獻]

[1]王凱，李小堅.基于全景視覺的網(wǎng)球識別系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機，2017（9）：22-23.

[2]隋裕召，楊小軍，應(yīng)振根，等.基于視覺識別的智能網(wǎng)球拾取機器人的設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2017（23）：16-17.

[3]林廣茂，王天雷，招展鵬，等.基于視覺識別的全自動網(wǎng)球拾取機器人設(shè)計J].機電工程技術(shù)，2017（3）：55-56.

[4]馬履中，謝俊，尹小琴.機械原理與設(shè)計（上冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[5]馬履中，謝俊，尹小琴.機械原理與設(shè)計（下冊）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

Design of automatic tennis pickup robot based on cam manipulator

Guo Tianyu1， Ai Wenhao1， Sun Changfu1， Sun Jianrong1， Wang Guichao2

（1.School of Mechanical Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China;

2.Nanyang Institute of Advanced Technology， Nanyang 473000， China）

Abstract：The design of automatic tennis pickup robot based on cam manipulator is explained in this paper. The system realizes the grasping and release of manipulator with two working stroke of cam push and return， and expounds the parameter selection and calculation of cam and manipulator connecting rod in an all-round way. The visual recognition system is used to identify and locate the tennis ball， to control the manipulator to grasp the tennis ball， and to clean up the whole stadium through the patrol movement track. it is a kind of tennis picking robot scheme that can be realized.

Key words：tennis pickup robot; cam mechanism; connecting rod manipulator; visual recognition