乒乓球撿取機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉秀杰，祝長(zhǎng)生，王安航，李世鈺

（山東科技大學(xué)智能裝備學(xué)院，山東 泰安 271019）

1 前言

乒乓球運(yùn)動(dòng)深受人們喜愛。然而，當(dāng)人們?cè)趫?chǎng)館內(nèi)訓(xùn)練時(shí)，常會(huì)有大量乒乓球掉落在地面，運(yùn)動(dòng)者只能一次次彎腰撿球，消耗大量體力和時(shí)間，相關(guān)的自動(dòng)撿球設(shè)備較少，市場(chǎng)需求比較大。當(dāng)前市場(chǎng)已有安東陽(yáng)研究的主要是通過機(jī)械手等機(jī)械裝置來?yè)烨颍?］，該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)較多，控制起來比較復(fù)雜，且拾取效率較低。文獻(xiàn)［2］研究的利用風(fēng)扇吸力撿球設(shè)備，還有文獻(xiàn)［3］所設(shè)計(jì)的用真空泵吸力來?yè)烨虻臋C(jī)械機(jī)構(gòu)，這兩種撿球結(jié)構(gòu)，原理一樣，都是利用吸力把球吸入容器內(nèi)，需要安裝專門的微型真空泵或者風(fēng)扇，在吸球過程中，容易把運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所內(nèi)的垃圾吸入，不衛(wèi)生，還有噪聲。

針對(duì)以上情況，設(shè)計(jì)了一款存、儲(chǔ)一體式乒乓球智能撿取機(jī)器人，通過單目視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了乒乓球智能撿取機(jī)器人自主移動(dòng)行走、避障及乒乓球定位識(shí)別的功能，再由控制部分控制機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成乒乓球的拾取。解決了當(dāng)前的撿球問題，滿足市場(chǎng)需求。通過本自動(dòng)撿球機(jī)器人的設(shè)計(jì)，為以后自動(dòng)撿球設(shè)備提供技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)思路。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)乒乓球撿取功能要求，設(shè)計(jì)出該產(chǎn)品的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它主要由驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、拾取結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)三部分組成。通過三部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合工作來實(shí)現(xiàn)乒乓球的有效撿取，最后根據(jù)每部分結(jié)構(gòu)組裝來確定設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)及外形尺寸，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部透視圖，如圖1所示。外部結(jié)構(gòu)主要由機(jī)器人底座1、拾取裝置外桶2、拾取裝置內(nèi)桶3、支撐桿4、攝像頭5、超聲波傳感器6、萬(wàn)向輪7、驅(qū)動(dòng)輪8（左、右各一個(gè)）組成；機(jī)器人底盤內(nèi)部裝有齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)9、蓄能電池10、齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)11、主控制器12、霍爾傳感器13、導(dǎo)柱14和驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)15（左、右各一個(gè)）。機(jī)器人底座1通過導(dǎo)柱14與拾取裝置外桶2相連，拾取裝置內(nèi)桶3裝在拾取裝置外桶2內(nèi)，底盤上裝有支撐桿4，用以支撐攝像頭5，底盤下面裝有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪8和一個(gè)萬(wàn)向輪7，驅(qū)動(dòng)輪8分別由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)15帶動(dòng)，從而使底盤可以帶動(dòng)拾取裝置運(yùn)動(dòng)。齒輪齒條機(jī)構(gòu)11由驅(qū)動(dòng)電機(jī)9帶動(dòng)，使拾取裝置上下運(yùn)動(dòng)，完成撿球，上下位置點(diǎn)裝有霍爾傳感器13 來提取信號(hào)，將信號(hào)傳遞給STM32F103單片機(jī)12，從而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使齒輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來帶動(dòng)拾取裝置上下運(yùn)動(dòng)，完成小球的拾取。該系統(tǒng)所需能量均有由蓄電池10來提供。

圖1 機(jī)器人的總體機(jī)械結(jié)構(gòu)及內(nèi)部透視圖Fig.1 Overall Mechanical Structure and Internal Perspective of the Robot

其具體工作過程如下：機(jī)器人在撿球工作之前，先由攝像頭，拍攝工作場(chǎng)地圖片，由視覺模塊要先識(shí)別乒乓球并確定其三維位置，計(jì)算出球到機(jī)器之間的距離，并將該信號(hào)傳輸給單片機(jī)，再由控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)15轉(zhuǎn)過一定的轉(zhuǎn)數(shù)，從而使設(shè)備移動(dòng)到乒乓球所在的位置，到達(dá)指定位置后，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)9轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪和齒條嚙合，其中齒輪15固定，齒條向下運(yùn)動(dòng)，齒條與拾取裝置外桶為一體，內(nèi)桶裝在外桶內(nèi)，從而使拾取裝置向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到與地面接觸，由于內(nèi)桶下面裝有一定間隔的彈性繩，在彈力作用下，將小球彈入桶內(nèi)，從而完成球的拾取。拾取裝置向下運(yùn)動(dòng)到與地面接觸拾取球的同時(shí)，霍爾傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，再由控制系統(tǒng)控制電機(jī)9反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)，使拾取裝置向上運(yùn)動(dòng)，為下一次乒乓球的拾取做準(zhǔn)備。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)受力分析

由于桶與導(dǎo)柱的接觸點(diǎn)是不斷變化的，我們研究桶在運(yùn)動(dòng)某一瞬時(shí)點(diǎn)的情況，圓桶上的受力情況，如圖2所示。

圖2 桶的受力分析圖Fig.2 Stress Analysis Diagram of Bucket

首先建立空間坐標(biāo)系（o-x-y-z），由靜力學(xué)方程所得式（1）：

式中：G—圓桶的重力（已知）；Fz—齒輪給齒條的切向力；Fr—徑向力；fd、Fd—導(dǎo)柱與圓桶間的摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦力。

再由補(bǔ)充式（2）所示：

α=20°，齒輪齒條的嚙合角為20°；

以式（3）作為依據(jù)，確定所選用電機(jī)的型號(hào)和規(guī)格。

2.2 拾取裝置內(nèi)桶設(shè)計(jì)

該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)要解決三個(gè)問題，第一是底部彈簧繩的穿孔與分布問題；第二，彈性繩變形量的確定；第三，與外桶的連接問題。由于乒乓球?yàn)?0mm，質(zhì)量為2.7g，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)［2］。撿球裝置利用彈性繩的彈性以及彈性形變恢復(fù)的能力將小球彈入桶內(nèi)。當(dāng)拾取桶向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)球與彈性繩接觸開始，彈性繩發(fā)生形變，直到桶底部到達(dá)地面位置時(shí)，即彈性繩卡在球的直徑三分之一處，小球拾取瞬時(shí)效果圖，如圖3所示。

圖3 小球拾取瞬時(shí)效果圖Fig.3 Instant Effect Picture of Small Ball Picking

取此瞬時(shí)研究小球的受力，球的受力分析，如圖4所示。由彈性力學(xué)胡克定律所得式（4）：

又由于Δx1=Δx2=Δx，所以，F(xiàn)1=F2=F.

F1可以分解成Fx1和Fz1；F2可以分解成Fx2和Fz2，由此建立空間坐標(biāo)系（o1-x1-y1-z1）。由靜力學(xué)方程所得式（5）：

式中：F1、F2—球兩側(cè)受到左、右兩邊彈性繩的彈力；G—球的重力；K—彈性繩彈性系數(shù)為；Δx1、Δx2—左右兩側(cè)彈性繩的形變量；r—為乒乓球半徑。

從而確定彈性繩間隔和彈性繩的變形量Δx和相鄰的彈性繩間距L，L要小于乒乓球的直徑，大約在（17～30）mm時(shí)，拾取效果較好。由于選擇彈性繩材料不同，彈性系數(shù)不同，所求出的變形量也不同。內(nèi)桶與外桶的連接主要靠?jī)?nèi)桶和外桶底部設(shè)計(jì)有三個(gè)均布的錐形面聯(lián)結(jié)。最后，設(shè)計(jì)出了乒乓球收集與儲(chǔ)存一體的桶式結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 球的受力分析圖Fig.4 Force Analysis Diagram of Ball

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)使用STM32F103單片機(jī)作為控制核心，利用攝像頭拍攝場(chǎng)地圖片，將信息傳遞給圖像處理單元，獲取乒乓球的空間位置，計(jì)算出球到機(jī)器人之間的距離；同時(shí)，將信息傳遞給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)撿球設(shè)備移動(dòng)到目標(biāo)位置；最后，通過拾取機(jī)械裝置對(duì)乒乓球?qū)崿F(xiàn)有效撿取。在運(yùn)行過程中通過超聲波傳感器監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障［4］；霍爾傳感器提取桶下移位置信息［16］，將此信息傳遞給控制系統(tǒng)［5-7］，由控制系統(tǒng)控制電機(jī)9反轉(zhuǎn)，使拾取裝置向上運(yùn)動(dòng)；穩(wěn)壓模塊進(jìn)行降壓和穩(wěn)壓操作以獲得所需的電壓。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure Diagram of Robot Control System

3.1 電機(jī)選型及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在對(duì)技術(shù)參數(shù)（例如：發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人的承載能力，運(yùn)行扭矩、速度和功率）分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過在機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)中添加減速裝置，進(jìn)一步改善了直流電動(dòng)機(jī)選擇和運(yùn)行扭矩。最后，確定直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：Y4566RS。

選用L298N用作電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，它可以控制電機(jī)正向、反向轉(zhuǎn)動(dòng)以及速度控制，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，具有良好的啟動(dòng)性能和高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該驅(qū)動(dòng)器可以通過PWM波傳輸接口，然后控制電動(dòng)機(jī)的速度，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖6所示。

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.6 Motor Drive Circuit Diagram

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源為系統(tǒng)中的單片機(jī)、電機(jī)、其驅(qū)動(dòng)裝置以及避障系統(tǒng)等提供所需的電源。電源電壓有12V和5V兩個(gè)電壓值，該系統(tǒng)使用12V鋰電池作為電源。需要進(jìn)行降壓和穩(wěn)壓操作以獲得所需的電壓，通常使用電壓穩(wěn)定芯片7812和7805以獲得分別為12V和5V的穩(wěn)定電壓。設(shè)計(jì)電路，如圖7所示。

圖7 電源模塊設(shè)計(jì)電路圖Fig.7 Power Module Design Circuit Diagram

3.3 超聲波避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超聲模塊的實(shí)物，如圖8所示。該原理及其在撿球機(jī)器人中的應(yīng)用［4，16］如下：提供大于10μS的脈沖激活信號(hào)，該模塊將發(fā)送八個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。當(dāng)檢測(cè)到回聲信號(hào)時(shí)，將輸出高回聲信號(hào)。脈沖寬度由單片機(jī)計(jì)時(shí)器計(jì)算，回波信號(hào)的脈沖寬度與測(cè)得的距離成正比。因此，可以根據(jù)發(fā)送信號(hào)和接收回波信號(hào)之間的時(shí)間間隔來計(jì)算距離，如式（7）所示。

圖8 超聲波模塊實(shí)物圖Fig.8 Physical Drawing of Ultrasonic Module

式中：L—測(cè)試距離，m；T—高電平時(shí)間，s；V—聲速（340M/S）。

單片機(jī)收到計(jì)算出的距離，數(shù)字信號(hào)用于激活電信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的傳輸，從而使撿球機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)停止、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作，并通過預(yù)處理的微控制器完成智能拾球機(jī)器人的避障過程。

3.4 控制系統(tǒng)總電路設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由視覺識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、電源四部分組成，在綜合考慮機(jī)器人的分辨能力、反應(yīng)速度等指標(biāo)后，確定了對(duì)主控芯片的選型，主控芯片STM32F103的電路原理圖，如圖9所示。

圖9 主控芯片原理圖Fig.9 Schematic Diagram of Main Control Chip

其中主控芯片PC10，PC11引腳作為串口發(fā)送與接收端口分別連接攝像頭STM32H743 芯片的PA1，PA2 引腳；主控芯片PD12-PD15引腳連接兩個(gè)如圖6所示的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；主控芯片PA0-PA3等引腳功能復(fù)用為定時(shí)器編碼器模式與直流電機(jī)的編碼器相連接；主控芯片PA6，PA7引腳功能復(fù)用為定時(shí)器3通道1和通道2分別與超聲波模塊的發(fā)射端和接收端連接。電源模塊通過電壓穩(wěn)定芯片得到5V和12V電壓，分別給主控單片機(jī)和直流電機(jī)供電，如圖7所示。

3.5 撿球機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括攝像頭圖像處理程序設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。其中攝像頭圖像處理的程序設(shè)計(jì)是在Openmv-ide開發(fā)調(diào)試環(huán)境下采用Python編程實(shí)現(xiàn)的，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在Keil uvision 5 MDK開發(fā)調(diào)試環(huán)境下采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，其軟件系統(tǒng)流程圖，如圖10所示。

圖10 撿球機(jī)器人軟件系統(tǒng)流程圖Fig.10 Software System Flow Chart of Ball Picking Robot

4 視覺識(shí)別與定位

撿球機(jī)器人進(jìn)行撿球工作之前，要先識(shí)別乒乓球并確定其三維位置，對(duì)乒乓球的識(shí)別和定位［9-10，14-15］，考慮到成本和計(jì)算時(shí)間的問題，最后確定選用單目攝像頭來完成乒乓球的識(shí)別與定位，其工作流程，如圖11所示。

圖11 圖像處理工作流程圖Fig.11 Image Processing Flow Chart

首先利用MATLAB 軟件仿真，再用樣機(jī)驗(yàn)證。利用Python軟件處理MATLAB 仿真處理過程，如圖12 所示。先利用Open-MV沒獲取乒乓球的圖像，如圖12（a）所示，系統(tǒng)先對(duì)圖像差分處理，處理后的圖像，如圖12（b）所示；再進(jìn)行中值濾波處理，去除圖像或其他信號(hào)中的噪聲，處理后的圖象，如圖12（c）所示；然后，通過對(duì)圖像腐蝕膨脹處理，去除圖像中的干擾點(diǎn)和干擾線，處理后的圖象，如圖12（d）所示；緊接著用連通域法處理圖像，找出最大面積，處理后的圖像，如圖12（e）所示；先用Canny 算子邊緣檢測(cè)，提取圖像的邊緣，如圖12（f）所示；再用Hough變換算法找取圓，處理后的圖像，如圖12（g）所示；最后求取平均質(zhì)心，如圖12（h）所示。

圖12 乒乓球定位識(shí)別過程圖Fig.12 Table Tennis Positioning and Recognition Process Chart

系統(tǒng)通過以上計(jì)算求取圖像的質(zhì)心，從而確定乒乓球在空間中的具體位置，再通過單目視覺成像原理，單目視覺成像原理圖，如圖13所示。求取球的中心位置到機(jī)器人之間的距離L［11-13］。

圖13 單目視覺測(cè)距原理圖Fig.13 Schematic Diagram of Monocular Vision Ranging

由圖13 所示，（o-x0-y0-z0）為空間坐標(biāo)系，（Oc-x1-y1-z1）為攝像機(jī)坐標(biāo)系，（O'-x2-y2）為圖像坐標(biāo)，（O0-u-v）為像素坐標(biāo)，由坐變轉(zhuǎn)換后，求出像素中球心O"在空間坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，球心O"像素坐標(biāo)與空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系式（8）所示：

式中：u、v—像素坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)；f—相機(jī)焦距，是校準(zhǔn)參數(shù)；Dxdy—像素坐標(biāo)系中x軸和y軸方向上每個(gè)像素的物理尺寸；u0v0—顯示坐標(biāo)系，點(diǎn)坐標(biāo)系中原點(diǎn)的坐標(biāo)；ax=f/dx，ay=f/dy—分別是使用像素寬度和高度做單位時(shí)的焦距長(zhǎng)度；—它與攝像機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，稱為攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)；RT—表示相機(jī)相對(duì)于空間坐標(biāo)系的位置和方向，并稱為相機(jī)的外部參數(shù)。

將單目視覺測(cè)距原理圖轉(zhuǎn)換成二維圖，如圖14所示。球的半徑r已知，像素坐標(biāo)系中的r"在空間坐標(biāo)系下的值可由式（8）求得，f是攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)，由幾何關(guān)系式（9）可求得d：

圖14 小孔成像原理二維圖Fig.14 Two Dimensional Diagram of Pinhole Imaging Principle

再由三角形原理，如圖15所示。求出距離的球到攝像機(jī)的水平距離L，如式（10）所示：

圖15 三角形原理圖Fig.15 Triangle Diagram

式中：h—攝像機(jī)距離地面的距離（已知）。

通過式（10）求取乒乓球到機(jī)器人之間的距離，再由控制系統(tǒng)控制電機(jī)ZY4566RS轉(zhuǎn)過一定的轉(zhuǎn)數(shù)，從而使設(shè)備移動(dòng)到乒乓球所在的位置，再由控制系統(tǒng)控制拾取裝置上、下移動(dòng)將球拾取。

5 實(shí)物模型測(cè)試

通過以上機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、視覺識(shí)別與定位三部分的設(shè)計(jì)，最終完成了智能撿球機(jī)器人的實(shí)物模型，如圖16所示。

機(jī)器人裝配時(shí)，首先對(duì)攝像頭的安裝角度進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定撿球機(jī)器人攝像頭安裝角度為45°，在機(jī)器人前方不同方向位置放置若干乒乓球，如圖17（a）所示。啟動(dòng)機(jī)器人，觀察機(jī)器人拾球動(dòng)作的執(zhí)行與效果，檢查機(jī)器人在找不到球的情況下的動(dòng)作執(zhí)行，撿球過程，如圖17（b）～圖17（h）所示。實(shí)際運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器人可以順利完成撿球動(dòng)作，撿球效率比較高。

圖17 智能撿球機(jī)器人撿球過程圖Fig.17 Process Diagram of Intelligent Ball Picking Robot

6 結(jié)論

基于單目視覺技術(shù)乒乓球智能拾取機(jī)器人，采用移動(dòng)平臺(tái)搭載四自由度的機(jī)械撿取裝置，以STM32F103為控制核心，控制拾取裝置上、下運(yùn)動(dòng)，利用存儲(chǔ)一體拾取裝置上的彈性繩的彈力來實(shí)現(xiàn)撿球。它具有視覺定位功能，能定位、跟蹤乒乓球在空間中的準(zhǔn)確位置；具有自動(dòng)避障功能，可控性強(qiáng)。通過實(shí)物模型的測(cè)試表明，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活，成本低，撿球的效率高。它為自動(dòng)撿球機(jī)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)思路，后續(xù)設(shè)計(jì)考慮采用雙目來代替單目以提高球的定位準(zhǔn)確性，采用新的圖像處理算法來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下的乒乓球的檢測(cè)與跟蹤。