一種智能乒乓球拾取機(jī)器人

鐘 勇，湯韜略，張 樹，邱煌樂，李方舟

（福建工程學(xué)院福建省汽車電子與電驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350118）

在生活節(jié)奏快的今天，為了保持較高的身體素質(zhì)，體育運(yùn)動越來越被人們所重視，其中乒乓球作為中國的國球就受到非常多的人喜愛，但是對于非專業(yè)運(yùn)動員的普通大眾來說，由于一部分人球技還不熟練，經(jīng)常發(fā)生失球的情況，這就導(dǎo)致拾取乒乓球占據(jù)了大量時間而壓縮了打球的時間。

乒乓球由于其彈跳性好，導(dǎo)致掉下球桌后四散彈跳到很遠(yuǎn)的地方，而人們?nèi)烨蚓鸵ㄙM(fèi)許多的時間在來回的撿球路上，這樣不僅消耗了很多的體力和精力而且浪費(fèi)時間，特別是對于那些新手或者訓(xùn)練的人來說更加需要頻繁撿球。因此如果有一輛能夠自動撿球的智能撿球機(jī)器人去代替人工撿球，這就能給人們帶來極大的便利，只需要專注于打球這件事。目前已有的撿球機(jī)器人主要通過管道吸取、機(jī)械爪抓取、前置滾筒將球壓進(jìn)帶橡皮筋的滾筒內(nèi)。

因此為了讓人們能更專注于打球這件事，設(shè)計(jì)了一種智能乒乓球拾取機(jī)器人。

1 背景技術(shù)

目前已有的撿球機(jī)器人主要通過前置滾筒將球壓進(jìn)帶橡皮筋的滾筒內(nèi)，機(jī)械爪通過吸的方式進(jìn)行收集。

對于前置滾筒式雖然可能同時收集多個球，但是收集裝置太過于龐大不利于一些角落等狹窄地方進(jìn)行撿球作業(yè)，并且采集到其中的球由于擠壓可能從里面掉出來；機(jī)械爪型的撿球機(jī)器人由于一次只能采集一個球，并且對于力度的控制要求較高，導(dǎo)致?lián)烨蛐什桓?，并且它的集球框容量也不高，不能大量采集乒乓球；同樣對于吸取式的撿球機(jī)器人也是無法大量采集乒乓球，并且它會產(chǎn)生一定的噪聲，影響人們心情。

2 智能撿球機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 主要構(gòu)造以及工作原理

本乒乓球拾取機(jī)器人包括主車體和撿球機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 乒乓球拾取機(jī)器人結(jié)構(gòu)

主車體包括上下底板、左右萬向前輪、集球框、下底板集球口擋球板、電池以及攝像頭和雷達(dá)，電池為全車提供電能，電池可以通過有線和無線方式進(jìn)行充電，攝像頭識別乒乓球的大概位置將信號傳遞給單片機(jī)，并通過雷達(dá)檢測躲避障礙物，左右后輪各有一個電機(jī)驅(qū)動，通過單片機(jī)控制左右后輪電機(jī)差速控制其轉(zhuǎn)向，車體中部上下底板之間設(shè)有一個拾取器，貫穿上下底板，由電機(jī)帶動驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動拾取器上下運(yùn)動拾取乒乓球，拾取器包括一進(jìn)球口，進(jìn)球口設(shè)置有并排彈性線，并排彈性線的間距小于乒乓球直徑，當(dāng)拾取器將乒乓球壓入后使乒乓球不會掉下來；進(jìn)球口上端連接有一直徑稍大于乒乓球的圓柱形進(jìn)球通道，進(jìn)球通道向上延伸貫穿上底板并進(jìn)入集球框內(nèi)，乒乓球在進(jìn)球通道內(nèi)不斷向上累積直到掉出到集球框內(nèi)；集球框可拆卸安裝在上底板上。

撿球機(jī)器人不需要精確定位每個乒乓球的具體位置，只需運(yùn)動到乒乓球附近位置即可進(jìn)行工作，在撿球機(jī)器人拾取過程中，通過底盤上的擋板將乒乓球匯集到固定位置，拾球器下方開口較大，可以同時拾取多個乒乓球，拾取成功率較高。

2.2 撿球機(jī)構(gòu)

撿球機(jī)構(gòu)主要由如圖2 所示的帶擋板的V 形下底板收球口以及由如圖3 所示的電機(jī)驅(qū)動拾取器組成，滑塊連桿機(jī)構(gòu)在許多機(jī)械中被采用，它能將電機(jī)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動，本撿球機(jī)也采用此機(jī)構(gòu)將下底板上的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變成滑塊的上下運(yùn)動，同時與滑塊固定連接的連接桿帶動拾取器進(jìn)行上下運(yùn)動，如圖4 所示，拾取器下端口有數(shù)根間距小于乒乓球的彈性繩，通過乒乓球的擠壓，使彈性繩變形，使彈性繩之間的間距變大，使乒乓球壓進(jìn)其中，而后彈性繩復(fù)原之前的間距，使乒乓球不會掉下來，從而不斷對收球口內(nèi)的乒乓球進(jìn)行拾取。

圖2 收球口

圖3 拾取器

圖4 連接桿

對于收集的乒乓球在上底板上采用一個如圖5 所示的集球框進(jìn)行收集，拾取器的上端貫穿上底板以及集球框，拾取器內(nèi)的乒乓球在內(nèi)部不斷累積直到掉出到集球框內(nèi)，集球框可以方便地拆卸拿下也可以打開側(cè)面的小門讓球落到專門的集球框內(nèi)。

圖5 集球框

2.3 行走及識別檢測系統(tǒng)

一般的驅(qū)動模式有兩前輪控制轉(zhuǎn)向，兩后輪用來驅(qū)動的模式，但是這種轉(zhuǎn)向模式需要添加專門的轉(zhuǎn)向舵機(jī)增加額外的機(jī)構(gòu)，因此本撿球機(jī)器人采用兩前輪為萬向輪，后輪各采用一個電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，前后輪通過下底板連接起來，電機(jī)固定在下底板上，2 個電機(jī)分別獨(dú)立為左右后輪提供動力，當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時，由單片機(jī)控制左右電機(jī)差速進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，實(shí)現(xiàn)方便轉(zhuǎn)向。

對于乒乓球的識別與定位，機(jī)器人上底板上有1個攝像頭，用于對乒乓球的識別，采用雙目攝像頭，單目攝像頭雖然也能對乒乓球進(jìn)行識別，但是由于1個攝像頭拍出來的照片是二維的，無法判斷一個物體是否為一個球體，所以采用雙目攝像頭通過2 個角度拍攝的照片對比進(jìn)而判斷是否為球體，而對于乒乓球的定位就需要知道距離乒乓球的遠(yuǎn)近，通過一定的算法對2 組行進(jìn)中拍攝的照片進(jìn)行對比分析得出距離，同時上底板左右各有一個可旋轉(zhuǎn)的雷達(dá)，撿球機(jī)器人在行進(jìn)過程中難免會遇到一些障礙物，而雷達(dá)可以對周邊障礙物進(jìn)行實(shí)時快速掃描檢測，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時，雷達(dá)也會在程序的控制下，根據(jù)轉(zhuǎn)彎角度的大小旋轉(zhuǎn)對應(yīng)的角度值進(jìn)行掃描檢測，并將信號傳遞到單片機(jī)控制左右后輪驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行避障轉(zhuǎn)彎，進(jìn)而使小車能夠避開人和其他障礙物。

2.4 供電及控制系統(tǒng)

供能對于機(jī)器人來說是至關(guān)重要的，本機(jī)器人設(shè)計(jì)配備鋰電池，提供全車電機(jī)、雷達(dá)、攝像頭以及控制系統(tǒng)一定時長的正常工作電量需求，安置在電池架上并且可以拆卸下來充電，電池可通過無線或者有線方式進(jìn)行充電。電源是所有機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)保證，如果選取工作時長8 h，則電池容量需為41.67 Ah，大容量電池成本較高，由于該機(jī)器人主要用于室內(nèi)場地，因此充電比較方便，可選取工作時長4 h，容量為20.84 Ah 的電池，可以通過更換電池或者在空閑時間進(jìn)行充電。

采用樹莓派作為控制系統(tǒng)核心，樹莓派是一款基于ARM 的微型電腦主板，以SD/MicroSD 卡為內(nèi)存硬盤，主板周圍有1/2/4 個USB 接口和一個10/100 以太網(wǎng)接口，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI 高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC 的基本功能，攝像頭以及雷達(dá)傳回來的信號經(jīng)樹莓派處理后發(fā)出指令控制撿球機(jī)構(gòu)以及行走系統(tǒng)對場地的乒乓球進(jìn)行拾取，從而實(shí)現(xiàn)智能化、無人化撿球操作?？刂葡到y(tǒng)工作流程示意圖如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)工作流程示意圖

2.5 工作實(shí)施過程

撿球機(jī)器人運(yùn)動到乒乓球附近，通過下底板上的帶有擋球板的內(nèi)凹口將球匯集到乒乓球拾取器正下方處，通過撿球驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動短連桿帶動長連桿轉(zhuǎn)動繼而帶動連接架運(yùn)動，連接架被滑塊和導(dǎo)軌約束，有固定軌跡，進(jìn)行上下運(yùn)動，由于連接架與乒乓球拾取器相連接，繼而帶動乒乓球拾取器上下運(yùn)動拾取集球口處的乒乓球。乒乓球拾取器底部裝有數(shù)根間距小于乒乓球直徑的彈性繩，彈性繩可以使用皮筋或尼龍繩。通過向下的擠壓力使彈性繩之間產(chǎn)生彈性形變使兩彈性繩之間的間距變大從而將乒乓球壓進(jìn)拾取器內(nèi)，乒乓球拾取器上方通道直徑只能通過一個乒乓球，通過的乒乓球在拾取器內(nèi)不斷向上累積，直到從頂部出口端掉落到集球框中，集球框可以從上底板上拆卸，當(dāng)需要取球時，可直接卸下集球框，不用彎腰取球。

本產(chǎn)品主要通過可旋轉(zhuǎn)的攝像頭（種類、形式、數(shù)量不限）識別落球點(diǎn)，并且通過電機(jī)控制可旋轉(zhuǎn)雷達(dá)（種類、數(shù)量、安裝位置等不限）識別障礙物進(jìn)行避障，電機(jī)驅(qū)動連桿滑塊機(jī)構(gòu)使撿球器進(jìn)行上下運(yùn)動，自主驅(qū)動拾取乒乓球，也可通過絲桿螺母機(jī)構(gòu)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)等驅(qū)動撿球器進(jìn)行撿球動作。乒乓球可以通過在乒乓球拾取器中不斷累加，擠滿乒乓球拾取器后自動落入頂部的集球框內(nèi)，方便取球。車身可以是立方體、圓柱體等。

3 實(shí)施可行性

3.1 乒乓球的識別與定位

由于乒乓球主要是黃色和白色2 種顏色，且有固定的規(guī)格大小，本機(jī)器人采用OpenMV 對雙目攝像頭拍攝的照片進(jìn)行處理，由于乒乓球具有特定的大小，根據(jù)圖像中物體的投影面積、周長、圓度等判斷該物體是否為球體[1]，進(jìn)而排除掉一些非球體的雜物，然后對整張圖中的球體進(jìn)行顏色閾值判斷，并對閾值進(jìn)行設(shè)置，將白色以及黃色設(shè)置為閾值以內(nèi)的顏色，其他閾值以外的顏色呈現(xiàn)為黑色[2]。通過連續(xù)拍攝的照片判斷球的位置，并且不斷修正機(jī)器人的行進(jìn)方向和速度，以更精確地到達(dá)乒乓球的位置。

3.2 轉(zhuǎn)向控制

通過算法對所獲取的圖片中乒乓球的位置進(jìn)行計(jì)算分析后，得出電機(jī)所需要的高電平值，通過主控機(jī)構(gòu)輸出對應(yīng)的PWM 波高電平值給驅(qū)動電機(jī)，使機(jī)器人后輪差速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制。

3.3 速度控制

要想高效撿球，撿球機(jī)器人必須具有一定的行進(jìn)速度但同時又能在靠近目標(biāo)時降低到合適的速度，因此需要設(shè)計(jì)合適的高要求算法使撿球機(jī)器人能更高效地運(yùn)動到乒乓球附近，配合底盤的收球口進(jìn)行一系列撿球的操作，控制其運(yùn)動速度的合理性。根據(jù)攝像頭拍攝的照片判斷其與乒乓球的距離，從而計(jì)算出與距離相適應(yīng)的運(yùn)行速度，采用一定的控制算法對機(jī)器人的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使撿球機(jī)器人快速穩(wěn)定地達(dá)到相應(yīng)的速度，實(shí)現(xiàn)速度由它們之間的距離自動調(diào)控的模式。

4 優(yōu)異效果

本拾球機(jī)器人優(yōu)異之處主要在于：①通過電機(jī)驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)，帶動連接架運(yùn)動，連接架被滑塊導(dǎo)軌約束有固定軌跡，帶動拾取器上下運(yùn)動，不斷拾取乒乓球，并通過乒乓球在拾取器中的累積被運(yùn)送到上方的集球框中，拾取效率較高；②不需要精確定位每個乒乓球的具體位置，只需運(yùn)動到乒乓球附近位置即可進(jìn)行工作，在撿球機(jī)器人拾取過程中，通過底盤上的擋板將乒乓球匯集到固定位置，拾球器下方開口較大，可以同時拾取多個乒乓球，拾取成功率較高；③在取球過程中，頂部的集球框離地具有一定的高度，人不用彎腰可直接取下上方的集球框，方便取球。

5 結(jié)論

通過對現(xiàn)有乒乓球撿球機(jī)器人的研究與分析，本項(xiàng)目針對已有產(chǎn)品的不足以及缺陷進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了本乒乓球撿球機(jī)器人以提高撿球效率以及降低人的勞動強(qiáng)度，對于專門體育場館的管理水平具有良好的提升作用，由于第一代產(chǎn)品可能有一些不足之處，需要后期不斷跟進(jìn)改善，以達(dá)到更好的工作效果。