一种智能网球拾取机器人及其控制方法与流程

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种对于球类，可实现智能拾取的机器人。

背景技术：

随着社会经济的发展与人民生活水平的提高，人们对于健康越来越重视。而网球近些年来在国内迅速发展，作为一项颇受欢迎的体育项目，对于身体素质的锻炼有极大的帮助。

但是网球是一项极为消耗体力的运动，因此许多练习网球的人都会携带多个网球，以避免拾取的麻烦，然而这就导致在运动一段时间后，球场上满是网球。这不仅妨碍锻炼的人发球接球，影响锻炼时的乐趣，而且因为满地网球，锻炼者极有可能在移动中误踩网球而导致跌倒，更有甚者可能会受到较大的身体伤害。

我国现有网球场约85475个，网球运动人口864万，且运动人口数量每年以10％～12％的速度增长。在网球比赛或训练时，一般通过人工方法捡球，工作效率低，工作人员的劳动强度大。目前专门从事网球拾取的球童数量较少，多为网球场临时雇佣或志愿者，没有专门应用在网球拾取上的机器人。

因此，如何能有效省力或不耗精力的将网球收集规整起来就成为亟待解决的问题。

为了解决该问题，现有技术中涉及有自动捡网球的机器人，如图1所示，自动捡网球机器人100包括设于所述机器人底部的行走机构10、设置在所述行走机构10顶部的机身20、设置在所述机身20前侧的机械臂30、用于识别行走路线和搜寻网球的超声波装置40和控制机器人运动的控制器组50。

所述行走机构10包括设置在所述机身20底部的支座11、固定在支座11底部的直行电机12和平移电机13、以及被所述直行电机12驱动的多个直行滑轮14和被所述平移电机13驱动的多个平移滑轮15。

所述机械臂30可以与所述机身20可旋转地连接，并可以在所述机械臂30内设置驱动所述机械臂30旋转的旋转电机，所述超声波装置40包括设置在所述机身20的顶部设置并用于发射和接收超声波的第一超声波单元41和设置所述机械臂30端部并用于发射和接收超声波的第二超声波单元42，所述第一超声波单元41和所述第二超声波单元42分别与所述控制器组50电连接设置。

所述控制器组50包括设置在所述机身20内部的第一控制器51、设置在所述机械臂30的第二控制器52和与所述超声波装置40电连接设置的第三控制器53，所述第二控制器52和所述第三控制器53分别与所述第一控制器51电连接设置。

当所述自动捡网球机器人100工作时，所述第一超声波单元41发射并接收反馈回来的超声波对全场进行扫描，并将反馈信息发送至所述第一控制器51，从而确定在网球场上散落的网球的位置；所述第一控制器51并根据所述位置信息控制所述行走机构10的直行电机12和平移电机13启动，从而朝向网球移动；

而且，所述第一控制器51将所述位置信息发送至所述第三控制器53，所述第三控制器53控制所述第二超声波单元42发射并接收反馈回来的超声波对行进方向上的网球进行扫描，并将反馈信息发送至所述第三控制器53，从而确定在行进方向上的网球的位置。当所述自动捡网球机器人100到达网球所在位置后，所述第一控制器51发送控制信息至所述第二控制器52，所述第二控制器52控制所述旋转电机驱动所述机械臂30旋转至相对应的网球位置，并拾起网球，从而完成一次网球的拾取过程。

现有技术基本实现了自动捡网球的功能，但还存在一些缺陷，如智能识别能力不足，其采用超声波对网球进行识别，当网球数量较多，分布位置处还存在水瓶、衣物等其它杂物时，没法准确的识别；同时对于大的障碍物，也无法准确的绕行，对机器人造成损坏；同时，其行走机构采用直行电机和平移电机分别驱动对应的滑轮，结构复杂，且灵活性差，速度慢，拾取效率低，因此，需要提供一种网球识别精度高，拾取效率高且结构简单且更加智能的网球智能拾取机器人。

技术实现要素：

本发明为了要解决上述现有技术中存在的不足，提供一种智能网球拾取机器人及其控制方法，具有识别精度高，拾取效率高，结构简单和高度智能的优点。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种智能网球拾取机器人，包括机身外壳、传动机构，抓取机构，行走机构，扭盘机构，供能机构，识别系统和定位择路系统；其中，所述传动机构包括设置在机身外壳两侧，依次连接的机械臂连接板、机械臂底座支撑、机械大臂轴套、机械臂大臂、机械臂连接夹板、机械臂中臂、机械臂中臂电机；所述抓取机构包括依次连接的机械爪主体、机械爪电机、机械爪第一连接件、机械爪第二连接件、机械爪手指、机械爪轴套，实现抓取、丢放动作，所述抓取机构与传动机构连接；所述行走机构包括麦克纳姆轮；所述扭盘机构设置在机身外壳下部，包括行走盘和行走盘电机；所述供能机构为机器人提供动力，所述识别系统包括安装在机器人头部的Pixy视觉传感器和超声波传感器；所述定位择路系统包括设置在机身外壳内的单片机；

其中，所述Pixy视觉传感器依靠颜色识别判别是否为目标物，通过所述超声波传感器对捕捉到的目标物与本机器人的距离进行实时测距，对目标物定位，然后输出相应电信号到所述单片机，由所述单片机处理所接收信号，并给抓取机构和行走机构以及扭盘机构输入信号，做出相应的运动。

所述机器人头部的控制机制为顺逆往复旋转运动，所述头部旋转角度为300°的范围内往复旋转，保证平行于地面有全方位的视野扫描，且不必动用底盘运动部分来弥补视野范围的狭窄。

所述机身外壳为容纳目标物体的空间，形状为圆柱形，所述机身外壳内部用一倾斜板分割空间，一部分空间来放置电源和余有接线空间，另一部分容纳网球，达到使网球自动滑到出球口位置的目的，出球口为手动舱门，通过一与所述机身外壳相契合的舱门实现。

所述麦克纳姆轮可以实现正向行驶、逆向行驶、原地变向、定圆弧转弯等运动。所述机身壳体上还设置有语音识别系统，可根据使用者的语音指令完成对应的动作。该机器人使用同一个电源和同一个控制机构。

还包括一种智能网球拾取机器人的控制方法，具体如下：

一种智能网球拾取机器人的控制方法：步骤101：所述机器人启动后，头部按预设动作在300°范围内做往复旋转运动，带动Pixy视觉传感器扫描周围环境，搜寻目标物；步骤102：搜寻到目标物后，则通过超声波传感器对捕捉到的目标物与本机器人的距离进行实时测距，对目标物定位；步骤103：在对目标物初步定位完成后，则由单片机控制底部行走盘电机带动麦克纳姆轮进行运动，使机器人向目标物运动，实现目标物的拾取和投舱；

其中，所述步骤102中，当目标物散落数量较多时，Pixy视觉传感器视野内的所有目标物测距数据进行对比，将采用最短距离拾取原则进行选择，按目标物距机器人的距离的大小按顺序拾取目标物。

所述目标物的拾取和投舱步骤包括：步骤104：当到达目标物的拾取位置后，机械臂执行预设的编程动作，将机械爪送至目标物的抓取位置；步骤105：机械爪到达抓取位置后，机械爪电机带动机械爪中间轴，实现机械爪的抓取动作；步骤106：当机械爪完成抓取动作后，机械臂同样执行预设好的运动过程，将机械爪送至入球口；步骤107：当机械爪到达入球口位置后，机械爪电机反向启动，释放机械爪中间轴，实现机械爪的投放动作。

在现有技术的基础上，本发明的智能网球拾取机器人提高了网球爱好者和运动员的练球效率，在网球比赛和训练过程中，省时省力，还可以添加相应的人机交互，具有良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明背景技术的结构示意图；

图2是本发明智能网球拾取机器人的结构示意图；

图3是本发明智能网球拾取机器人的实施例的目标物的探寻定位寻址流程图；

图4是本发明智能网球拾取机器人的实施例的目标物的拾取与投舱流程图

1为麦克纳姆轮，2为行走盘电机，3为机身外壳，4为机械臂底座支撑，5为机械大臂轴套，6为机械臂连接板，7为单片机，8为Pixy视觉传感器，9为入球口，10为机械臂大臂，11为机械臂连接夹板，12为机械臂中臂，13为机械臂中臂电机，14为机械爪主体，15为机械爪舵机，16为机械爪第一连接件，17为机械爪第二连接件，18为机械爪手指，19为机械爪轴套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本实施例的智能网球拾取机器人，包括机身外壳3、传动机构，抓取机构，行走机构，扭盘机构，供能机构，识别系统和定位择路系统；其中，所述传动机构包括设置在机身外壳3两侧，依次连接的机械臂连接板6、机械臂底座支撑4、机械大臂轴套5、机械臂大臂10、机械臂连接夹板11、机械臂中臂12、机械臂中臂电机13；所述抓取机构包括依次连接的机械爪主体14、机械爪电机15、机械爪第一连接件16、机械爪第二连接件17、机械爪手指18、机械爪轴套19，实现抓取、丢放动作，所述抓取机构与传动机构连接；所述行走机构包括麦克纳姆轮1；所述扭盘机构设置在机身外壳3下部，包括行走盘和行走盘电机2；所述供能机构为机器人提供动力，所述识别系统包括安装在机器人头部的Pixy视觉传感器8和超声波传感器；所述定位择路系统包括设置在机身外壳内的单片机7；其中，所述Pixy视觉传感器8依靠颜色识别判别是否为目标物，通过所述超声波传感器对捕捉到的目标物与本机器人的距离进行实时测距，对目标物定位，然后输出相应电信号到所述单片机7，由所述单片机7处理所接收信号，并给抓取机构和行走机构以及扭盘机构输入信号，做出相应的运动。

其中麦克纳姆轮1、行走盘电机2、单片机7、Pixy视觉传感器8等部件参与目标物的探寻定位寻址过程，机械臂底座支撑4、机械大臂轴套5、机械臂连接板6、单片机7、入球口9、机械臂大臂10、机械臂连接夹板11、机械臂中臂12、机械臂中臂电机13、机械爪主体14、机械爪电机15、机械爪第一连接件16、机械爪第二连接件17、机械爪手指18、机械爪轴套19等部件参与目标物的拾取与投舱过程。

具体的，麦克纳姆轮1、行走盘电机2、单片机7、Pixy视觉传感器8等部件参与目标物的探寻定位寻址过程，如图3所示，即：

步骤101：本发明智能网球拾取机器人启动后，头部按预设动作做往复旋转运动，带动Pixy视觉传感器8扫描周围环境，搜寻目标物；

步骤102：在本发明智能网球拾取机器人搜寻到目标物后，则通过超声波传感器对捕捉到的目标物与本机器人的距离进行实时测距，对目标物定位；。

步骤103：在对目标物初步定位完成后，则由单片机7控制底部行走盘电机2带动麦克纳姆轮1进行运动，使机器人向目标物运动。

其中，Pixy视觉传感器8，Pixy视觉传感器是一个开源的图像识别传感器，支持多物体，多色彩的颜色识别，最高支持7种颜色，Pixy支持多种通信方式，如SPI，I2C等，可以直插在Arduino控制板上面，它搭载的图像传感器配合强大的硬件，可以配合PC跟踪、分析多色的数据。

头部控制机制为顺逆往复旋转运动，由于视觉处理器视野角度为60°所以定头部旋转角度为300°的范围内往复旋转，保证平行于地面有全方位的视野扫描，且不必动用底盘运动部分来弥补视野范围的狭窄。

麦克纳姆轮1是一种用于全方位移动方式的全方位轮，这种全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

机械臂底座支撑4、机械大臂轴套5、机械臂连接板6、单片机7、入球口9、机械臂大臂10、机械臂连接夹板11、机械臂中臂12、机械臂中臂电机13、机械爪主体14、机械爪电机15、机械爪第一连接件16、机械爪第二连接件17、机械爪手指18、机械爪轴套19等部件参与目标物的拾取与投舱过程，如图4所示，即：

步骤104：当本发明智能网球拾取机器人到达目标物的拾取位置后，机械臂执行预设的编程动作，将机械爪送至目标物的抓取位置；

步骤105：机械爪到达抓取位置后，机械爪电机15带动机械爪中间轴，实现机械爪的抓取动作；

步骤106：当机械爪完成抓取动作后，机械臂同样执行预设好的运动过程，将机械爪送至入球口9；

步骤107：当机械爪到达入球口位置后，机械爪电机15反向启动，释放机械爪中间轴，实现机械爪的投放动作；

其中机械爪第一连接件16、机械爪第二连接件17、机械爪手指18等部件要采用强度足够且重量够小的材料，满足机械臂灵活轻巧的设计理念，减小对机身外壳3的负担。

智能网球拾取机器人的身体即容纳目标物体的空间，形状为圆柱形，目的为支撑更为牢靠稳定且外观圆润美观，其容纳空间内部的底部另外分割有一部分空间来放置电源和余有接线空间，用一倾斜板分割空间，同时达到使网球自动滑到出球口位置的目的，出球口为手动舱门，通过一与智能网球拾取机器人机身相契合的舱门实现。

单片机7是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

进一步的，本发明智能网球拾取机器人的实施例的目标物的探寻定位寻址过程与目标物的拾取与投舱过程共同服从同一单片机控制，减少接线繁杂，且便于数据互通。

进一步的，要保证到达目标物抓取位置时，Pixy视觉传感器与机械臂的中线重合，即Pixy视觉传感器面向机器人正前方，且保证目标物处于Pixy视觉传感器视角中线上，以保证目标物抓取的准确性。

以下运用本发明的智能网球失去机器人，在具体实际情景中捡球的具体实施例，其具体实施过程为：

实施例一：

在人们平时闲暇娱乐时，比如，大学生课余时间去打网球或上班族休假去打网球的网球量较少的这种情况，可以将本发明机器人的互动性加强，可以考虑加入一个语音启动模块，通过运动者的语音启动本机器人进行捡球，即节省体力，又不失乐趣，提高打球的乐趣程度。

当网球脱离打球过程，运动者给出语音信号，本发明智能网球拾取机器人接受信号，同时启动自身，进行网球的搜寻与定位，然后运动至网球所处位置，并调整至抓取位置，单片机驱动机械臂电机动作将机械爪送至抓取位置，接着机械爪进行抓取动作，抓取后再次驱动机械臂将机械爪送至入球口，机械爪接着进行投放动作，将网球投放入自身容纳空间内。

将网球收入容纳空间后，便向网球场地两边较近的边线运动，到达运动者的身边，供运动者取球，取出网球后，同样可以用语音信号使机器人到一旁待命。

本实施例针对的是轻松的娱乐式的网球拾取机器人，节省运动者的体力用于更好的体验网球，且互动性强，娱乐性强，使运动者身心愉悦。

实施例二：

本实施例与实施例一网球拾取原理基本相同，不同之处在于，本实施例针对网球训练场上的网球拾取，即网球场地上网球散落满地，数量比较多，人工捡球必定浪费大量的体力精力与时间。所以需要对网球拾取的路径及优先顺序做出相应的选择。相应的，本实施例中对应的选用足够内存的单片机7。

本实施例在实施例一中对目标物测距的基础上，将对Pixy视觉传感器视野内的所有网球测距数据进行对比，将采用最短距离拾取原则进行选择，按网球距机器人的距离的大小按顺序拾取网球。

本实施例所述情况将大大减少网球训练者的体力精力和时间，训练者可以在训练网球后去补充能量，稍事休息，捡球的工作只需机器人来完成，成为网球训练者练球的一大助力。

实施例三：

本实施例与实施例一网球拾取原理基本相同，不同之处在于，本实施例针对正式网球比赛上网球的拾取，本实施例采用大功率的电机驱动，且应适当减小机器人的体型大小。

本实施例的主要要求是需要快速的运动与快速的拾取动作，且要保证动作的精准度，采用大功率的伺服电机可以保证动作的速度和准确性。

本实施例对拾取网球的容纳量不需要太多，而是尽可能的保证机器人体型小巧，运动轻便，迅速。

实施例四：

本实施例与实施例三的原理与要求基本相同，不同之处在于，本实施例针对的场地略有不同，目前网球场地有塑胶场地、混凝土场地、地毯场地、草地场地、土场场地等种类。

针对于草地场地与土场场地这类场地时，对应的选择应是普通的橡胶轮子，实施例三中的麦克纳姆轮在本实施例中则不适用，会因为麦克纳姆轮上小轮之间的间隙被填充杂物从而影响机器人的运动。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。