基于roboRIO 控制器的排球陪練機器人設(shè)計

左文艷,張星亮,顧澤宇

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

0 引 言

隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，機器人的用途越來越廣，開始從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域向農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、服務(wù)、建設(shè)、生活等各個領(lǐng)域滲透[1]。特別是近年來，隨著技術(shù)的突破以及核心零部件成本的下降，掃地機器人、醫(yī)療機器人、物流機器人等服務(wù)型機器人在各個領(lǐng)域不斷加速滲透。作為更接近消費端的服務(wù)機器人，在人口老齡化加劇以及勞動力成本上升等因素推動下，未來市場發(fā)展空間非常廣闊。

排球運動作為當今世界三大球運動之一，一直深受我國廣大群眾的喜愛，特別是中國女排多次在世界杯和奧運賽場上為國爭光，使排球運動家喻戶曉，中國女排精神更是成為中國精神的重要組成部分。目前，排球已成為了我國的體育中考項目，越來越多的青少年加入到排球訓(xùn)練和比賽項目中來。

但是排球運動員訓(xùn)練時，一般采用人工陪練方式，在競技比賽訓(xùn)練期間，常把主要比賽對象隊伍中的主力和球手作為研究重點，分析其技術(shù)特點，陪練員模仿其技術(shù)動作，作針對性防守訓(xùn)練，而對一些主力和球手扣球的高度、速度、角度等技術(shù)動作，陪練員就無法勝任這種工作。在這種情況下，迫切需要一臺能真實模擬世界強隊和扣球動作的機器人，使運動員身臨其境地接受訓(xùn)練[2]。經(jīng)過國內(nèi)外現(xiàn)狀分析，目前排球訓(xùn)練機器人市場上還沒有成熟的產(chǎn)品。因此本文設(shè)計的具有自動撿球以及自動發(fā)球為一體的排球陪練機器人，具有較強的研究意義和較好的應(yīng)用前景。

1 排球陪練機器人總體設(shè)計及工作原理

1.1 排球陪練機器人總體結(jié)構(gòu)

筆者研制的排球陪練機器人總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其機械結(jié)構(gòu)主要包括撿球機構(gòu)、儲存機構(gòu)、傳球機構(gòu)、投球機構(gòu)、行走機構(gòu)五部分，其中置于機身各部分的電機和氣缸為機器人提供動力。

圖1 排球陪練機器人總體結(jié)構(gòu)

1.2 排球陪練機器人的工作原理

(1)撿球原理

當機器人行走到排球跟前，機器人進行撿球操作。機器人的撿球原理是運用曲柄搖塊機構(gòu)將兩側(cè)氣缸（撿球氣缸）伸縮進行收集裝置的收放，同時利用撿球電機進行帶傳動，帶動四根帶有摩擦輪的軸同時做逆時針轉(zhuǎn)動，將球收納到儲存機構(gòu)中。收集完排球之后，可以將收集裝置收起來，這樣便可將收集裝置當作一個擋板，防止球體掉落。撿球機構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 機器人撿球機構(gòu)示意圖

（2）儲球原理

球進入儲存部位后，運用儲球電機通過多級帶傳動帶動底部的槽位轉(zhuǎn)盤，使轉(zhuǎn)盤勻速運轉(zhuǎn)，不僅如此，儲存機構(gòu)也可同時存放多個排球，把從地上撿到的球均勻的存儲在5 個槽位中，儲球機構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 機器人儲球機構(gòu)示意圖

（3）傳球原理

傳球原理是利用一個電機（傳球電機）進行帶傳動與齒輪傳動，從而帶動6 個摩擦輪把球從儲球機構(gòu)傳送到發(fā)球機構(gòu)，同時為了便于把球從儲球部位更好的帶到發(fā)球口，設(shè)計了一個氣動小裝置，運用氣缸（傳球收緊氣缸）推動，使得1 號摩擦輪擠壓球的下部，從而把球從儲存機構(gòu)更好地傳送到發(fā)球口，可以有效提高傳球效率。傳球機構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 傳球機構(gòu)示意圖

（4）發(fā)球原理

發(fā)球原理是運用炮臺旋轉(zhuǎn)電機通過帶傳動與齒輪嚙合，進而帶動自制的大齒輪實現(xiàn)炮臺的360°旋轉(zhuǎn)，從而使得機器人可以實現(xiàn)360°任意方向發(fā)球。同時運用發(fā)球角度調(diào)整電機通過帶傳動、齒輪嚙合及齒輪與齒條嚙合，從而帶動齒條的伸縮實現(xiàn)發(fā)球角度調(diào)整。最后發(fā)球是運用雙電機（發(fā)球電機）通過帶傳動、齒輪嚙合帶動主摩擦輪與副摩擦輪朝相反方向運動，從而實現(xiàn)發(fā)球功能。此外通過編碼器控制發(fā)球電機的速度，從而達到控制發(fā)球的速度。增加了一個慣性輪，通過編碼器對機器右側(cè)慣性輪的控制，從而減少每次投球時對摩擦輪的損耗，有效提升發(fā)球的穩(wěn)定性。發(fā)球部分還增加了LIMELIGHT視覺傳感器，利用LIMELIGHT 視覺傳感器不僅可以實現(xiàn)自動撿球，還可以自動調(diào)整炮臺旋轉(zhuǎn)方向、發(fā)球角度、控制發(fā)球速度，從而增加排球運動員的訓(xùn)練強度，提高陪練效果。發(fā)球機構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 發(fā)球機構(gòu)示意圖

（5）行走原理

排球陪練機器人行走結(jié)構(gòu)如圖6 所示。行走輪子包含2 個omni 全向輪與4 個15.24 cm 摩擦輪。行走電機采用4 個Falcon 500 無刷電機，輸出動力至2個摩擦輪上，并通過帶傳動將動力傳遞給另外兩組輪子。選用摩擦輪可在潮濕或干燥的環(huán)境中工作都不會發(fā)生打滑等現(xiàn)象，保證了機器人在運行過程中的可靠性。選用omni 全向輪實現(xiàn)了機器的原地定點旋轉(zhuǎn)，提高機器的靈活性。選用Falcon 500 無刷電機提供動力，是因為其具有體積小、質(zhì)量輕、動力大、效率高的特點。行走結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。

圖6 機器人行走結(jié)構(gòu)示意圖

2 排球陪練機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

排球陪練機器人控制系統(tǒng)主要包含主控制器、配電板、氣動控制模塊、電壓控制模塊、電機控制器、視覺傳感器、電源、開關(guān)等部分。

主控制器選用的是NI 公司的roboRIO。roboRIO控制器是一款可重新配置的機器人控制器，包含用于I2C、串行外設(shè)接口（SPI）、RS232、USB、以太網(wǎng)、PWM 和繼電器的內(nèi)置端口，同時還具有LED、按鈕、板載加速度計和自定義電子端口。大小適中，方便快捷，很好的把各種電路模塊銜接起來。

機器人采用12 V 電源，電源通過斷路器與配電板相連接，配電板給其他所有的設(shè)備進行供電。主控制器通過電機控制器和氣動控制模塊分別控制電機部分和氣動裝置。電機控制部分，每個電機控制器對應(yīng)控制一個電機，本系統(tǒng)共有行走左輪電機、行走右輪電機、飛輪撿球電機、儲存電機、傳球電機、炮臺旋轉(zhuǎn)左側(cè)電機、炮臺旋轉(zhuǎn)右側(cè)電機、調(diào)整發(fā)球角度電機、發(fā)球電機等9 個電機。氣動控制模塊包括電磁閥和氣缸，每個電磁閥控制對應(yīng)的氣缸伸縮。本系統(tǒng)共有拾取撿球氣缸、傳球收緊氣缸2 個氣缸。本系統(tǒng)包含一個視覺識別傳感器，分別對地面上的球和運動員位置進行識別。排球機器人硬件控制系統(tǒng)框圖如圖7 所示。

圖7 排球機器人硬件控制系統(tǒng)框圖

3 排球陪練機器人軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)是在IDEA 編程環(huán)境下使用JAVA 語言完成的[3]。排球陪練機器人軟件程序設(shè)計流程如圖8 所示。程序的主要執(zhí)行步驟如下：

圖8 軟件程序設(shè)計流程圖

（1）排球陪練機器人首先通過紅外傳感器對儲球筐內(nèi)球的數(shù)量進行判斷，如果框內(nèi)球的數(shù)量＜5，執(zhí)行第2 步機器人撿球相關(guān)動作，否則執(zhí)行第3 步機器人發(fā)球相關(guān)動作。

（2）機器人通過視覺傳感器對場地上的排球進行視覺掃描，當視覺傳感器掃描到排球時，機器人的行走系統(tǒng)自動前進到排球所在處，撿球系統(tǒng)進行自動撿球，并儲存到機器人的儲球機構(gòu)中。否則說明場地上已沒有球，機器人停止工作。

（3）機器人撿完球后對儲球筐中球的數(shù)量進行判斷，如果球框中球的數(shù)量＞4，機器人通過視覺傳感器判斷運動員的位置，并完成自動發(fā)球的相關(guān)動作。否則返回到第2 步繼續(xù)執(zhí)行撿球相關(guān)動作。

（4）機器人自動發(fā)球后，判斷儲球筐里球的數(shù)量，如果球筐里球的數(shù)量＜1，機器人返回第2 步繼續(xù)執(zhí)行撿球相關(guān)動作，否則機器人繼續(xù)執(zhí)行自動發(fā)球相關(guān)動作。

4 樣機制作與撿球試驗

在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對排球陪練機器人各機構(gòu)進行加工裝配，完成樣機制作[4]。撿球機器人樣機實物如圖9 所示。

圖9 排球陪練機器人樣機

經(jīng)過試驗測試，排球陪練機器人可以實現(xiàn)機器人全方位的流暢運動，具備不間斷傳球與自動撿球的功能，可以運用編程時給的摩擦輪的速度以及LIMELIGHT 視覺傳感器來決定投球的快慢、方向和角度，發(fā)球速度可達0～43.41m/s，發(fā)球方向可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，發(fā)球角度可以自動調(diào)節(jié)。整體上來看，設(shè)計的機器人可以滿足排球運動員日常訓(xùn)練需要，操作靈活方便，陪練效率較高，具有較好的應(yīng)用前景[5]。