一种乒乓球机器人的击球方法及装置与流程

技术特征：

1.一种乒乓球机器人的击球方法，其特征在于，所述方法包括：

采集预设个数的乒乓球的轨迹点，预测所述乒乓球的飞行轨迹，并获取所述乒乓球进入机器人作业空间后的最佳击球点的位置P_hit、入射速度V_in和剩余时间t；

根据预先配置的击打之后的乒乓球在对方半台的落点位置和飞行时间，计算击打之后的乒乓球的反射速度V_Out；

根据所述乒乓球与球拍的碰撞模型，通过所述乒乓球在所述最佳击球点的位置P_hit的入射速度V_in和反射速度V_Out，计算所述球拍速度V_R和姿态^WT_R；

根据所述球拍速度V_R和姿态^WT_R驱动所述机器人末端球拍在所述剩余时间完成击球动作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述乒乓球与球拍的碰撞模型，通过所述乒乓球在所述最佳击球点的位置P_hit的入射速度V_in和反射速度V_Out，计算所述球拍速度V_R和姿态^WT_R之前，还包括：

在球拍坐标系建立所述乒乓球与球拍的碰撞模型，所述球拍坐标系的坐标原点O为所述乒乓球与所述球拍的接触点，所述球拍坐标系的Z轴垂直所述球拍面指向来球方向，所述球拍坐标系的X轴和Y轴在所述球拍面上面相互垂直，所述球拍坐标系满足约束关系，所述约束关系为：

^rv_oz＝k_f^rv_iz+k_rf^rv_rz

^rv_ox＝k_q^rv_ix+k_rq^rv_rx

^rv_oy＝k_q^rv_iy+k_rq^rv_ry

其中，所述k_f和所述k_q分别表示所述乒乓球在球拍的法线方向和半径方向上的碰撞恢复系数；所述k_rf和所述k_rq分别表示所述球拍在所述法线方向和所述半径方向上对所述乒乓球的碰撞作用系数；所述^rv_ox、所述^rv_oy和所述^rv_oz分别表示所述乒乓球的反射速度在所述球拍坐标系x，y和z轴三个方向上的分量；所述^rv_iy、所述^rv_ix和所述^rv_iz分别表示所述乒乓球的入射速度在所述球拍坐标系x，y和z轴三个方向上的分量；所述^rv_rx、所述^rv_ry和所述^rv_rz分别表示在所述球拍坐标系下的球拍速度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在球拍坐标系建立所述乒乓球与球拍的碰撞模型之后，还包括：

将所述乒乓球的入射速度^wv_i、反射速度^wv_o以及所述球拍速度^wv_r转换到所述球拍坐标系下(^rv_i，^rv_o，^rv_r)，转换方程为：

${{}^{r}v}_o={}^{w}T_r^{-1}{{}^{w}v}_o,{{}^{r}v}_i={}^{w}T_r^{-1}{{}^{w}v}_i,{{}^{r}v}_r={}^{w}T_r^{-1}{{}^{w}v}_r;$

配置所述球拍速度的矢量为v_r＝v_r·n_r＝v_r·[n_rx；n_ry；n_rz]；

其中，所述^wT_r为所述球拍坐标系相对世界坐标系的姿态矩阵；所述n_r＝[n_rx；n_ry；n_rz]为表示球拍速度方向的单位向量；所述v_r为待求解的球拍速度大小。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述

5.权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述乒乓球与球拍的碰撞模型，通过所述乒乓球在所述最佳击球点的位置P_hit的入射速度V_in和反射速度V_Out，计算所述球拍速度V_R和姿态^WT_R，包括：

将所述乒乓球的入射速度^wv_i、所述反射速度^wv_o以及所述球拍速度^wv_r投影到法线向量上，法线投影后的方程为(v_o+k_fv_i-k_rfv_r)·n＝0；

对所述乒乓球的入射速度^wv_i、所述反射速度^wv_o以及所述球拍速度^wv_r投影到径向向量上，径向投影后的方程为(-v_o+k_qv_i+k_rqv_r)×n＝0；

所述向量-v_o+k_qv_i+k_rqv_r和所述向量v_o+k_fv_i-k_rfv_r是垂直的，垂直的方程为(-v_o+k_qv_i+k_rqv_r)·(v_o+k_fv_i-k_rfv_r)＝0；

将v_r＝v_r·n_r代入所述(-v_o+k_qv_i+k_rqv_r)·(v_o+k_fv_i-k_rfv_r)＝0并获取所述球拍速度大小v_r；

根据所述球拍速度大小获取表示球拍姿态的法线单位向量为

$n=\±\frac{-v_o+k_q{v}_i+k_{rq}{v}_r}{|-v_o+k_q{v}_i+k_{rq}{v}_r|};$

其中，所述正负号根据所述球拍坐标系的建立和实际应用情景进行选取。

6.一种乒乓球机器人的击球装置，其特征在于，所述装置包括：

获取模块，用于采集预设个数的乒乓球的轨迹点，预测所述乒乓球的飞行轨迹，并获取所述乒乓球进入机器人作业空间后的最佳击球点的位置P_hit、入射速度V_in和剩余时间t；

第一计算模块，用于根据预先配置的击打之后的乒乓球在对方半台的落点位置和飞行时间，计算击打之后的乒乓球的反射速度V_Out；

第二计算模块，用于根据所述乒乓球与球拍的碰撞模型，通过所述乒乓球在所述最佳击球点的位置P_hit的入射速度V_in和反射速度V_Out，计算所述球拍速度V_R和姿态^WT_R；

驱动模块，用于根据所述球拍速度V_R和姿态^WT_R驱动所述机器人末端球拍在所述剩余时间完成击球动作。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

建立模块，用于在根据所述乒乓球与球拍的碰撞模型，通过所述乒乓球在所述最佳击球点的位置P_hit的入射速度V_in和反射速度V_Out，计算所述球拍速度V_R和姿态^WT_R之前，在球拍坐标系建立所述乒乓球与球拍的碰撞模型，所述球拍坐标系的坐标原点O为所述乒乓球与所述球拍的接触点，所述球拍坐标系的Z轴垂直所述球拍面指向来球方向，所述球拍坐标系的X轴和Y轴在所述球拍面上面相互垂直，所述球拍坐标系满足约束关系，所述约束关系为：

其中，所述k_f和所述k_q分别表示所述乒乓球在球拍的法线方向和半径方向上的碰撞恢复系数；所述k_rf和所述k_rq分别表示所述球拍在所述法线方向和所述半径方向上对所述乒乓球的碰撞作用系数；所述^rv_ox、所述^rv_oy和所述^rv_oz分别表示所述乒乓球的反射速度在所述球拍坐标系x，y和z轴三个方向上的分量；所述^rv_iy、所述^rv_ix和所述^rv_iz分别表示所述乒乓球的入射速度在所述球拍坐标系x，y和z轴三个方向上的分量；所述^rv_rx、所述^rv_ry和所述^rv_rz分别表示在所述球拍坐标系下的球拍速度。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

配置模块，用于在在球拍坐标系建立所述乒乓球与球拍的碰撞模型之后，将所述乒乓球的入射速度^wv_i、反射速度^wv_o以及所述球拍速度^wv_r转换到所述球拍坐标系下(^rv_i，^rv_o，^rv_r)，转换方程为

配置所述球拍速度的矢量为v_r＝v_r·n_r＝v_r·[n_rx；n_ry；n_rz]；

其中，所述^wT_r为所述球拍坐标系相对世界坐标系的姿态矩阵；所述n_r＝[n_rx；n_ry；n_rz]为表示球拍速度方向的单位向量；所述v_r为待求解的球拍速度大小。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述

10.权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二计算模块，具体用于：

将所述乒乓球的入射速度^wv_i、所述反射速度^wv_o以及所述球拍速度^wv_r投影到法线向量上，法线投影后的方程为(v_o+k_fv_i-k_rfv_r)·n＝0；

对所述乒乓球的入射速度^wv_i、所述反射速度^wv_o以及所述球拍速度^wv_r投影到径向向量上，径向投影后的方程为(-v_o+k_qv_i+k_rqv_r)×n＝0；

所述向量-v_o+k_qv_i+k_rqv_r和所述向量v_o+k_fv_i-k_rfv_r是垂直的，垂直的方程为(-v_o+k_qv_i+k_rqv_r)·(v_o+k_fv_i-k_rfv_r)＝0；

将v_r＝v_r·n_r代入所述(-v_o+k_qv_i+k_rqv_r)·(v_o+k_fv_i-k_rfv_r)＝0并获取所述球拍速度大小v_r；

根据所述球拍速度大小获取表示球拍姿态的法线单位向量为

其中，所述正负号根据所述球拍坐标系的建立和实际应用情景进行选取。