一种乒乓球机器人的制作方法

本发明涉及一种乒乓球机器人，属于机器人领域。

背景技术：

目前，市面上的乒乓球机器人主要有人形(浙江大学)、工业机械手臂(kuka)、并联机械手(欧姆龙)等各种类型，这些乒乓球机器人要么结构复杂，要么体积庞大，要么价格昂贵，要么响应过慢(运动不灵活)。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种乒乓球机器人，以减轻重量，提升灵活度。

本发明采用了如下技术方案：

本发明提供一种乒乓球机器人，其特征在于，包括：钢架和设置在钢架上的滑台，五自由度机械臂，安装在滑台上，舵机，设置在五自由度机械臂的至少一个关节处，视觉支架，视觉支架上具有两台工业相机，形成双目视觉。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征：其中，五自由度机械臂包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节和第五关节，第一关节具有第一关节伺服电机，第一关节行星减速机和第一关节安装基座，第一关节伺服电机安装在第一关节行星减速机上，第一关节行星减速机安装在第一关节安装基座上。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征：其中，每个关节的两侧为机械臂杆件，机械臂杆件包括板材和设置在板材之间的支撑杆。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征：第二关节通过第二关节安装板安装在第一关节的上面。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征，还包括：第一拉簧，一端连接在第二关节安装板上，另一端连接在第二关节和第三关节之间的第一支撑杆上。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征，还包括：第二拉簧，一端连接在第一支撑杆上，另一端连接在第三关节和第四关节之间的第二支撑杆上。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征：其中，第二关节处采用双舵机。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征：其中，滑台为滚轮直线滑台。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征：第一关节伺服电机带动第一关节在水平面内做旋转运动。

进一步，本发明的乒乓球机器人，还可以具有这样的特征：其中，第二关节、第三关节和第五关节的输出轴均为空心轴。

发明的有益效果

本发明的舵机体积更小、重量更轻。通过设计一种舵机驱动的机械臂，能够大大减少机械臂的重量，满足乒乓球机器人快速响应、高加速度的需求。

进一步，由于传统的舵机齿轮传动以及舵盘的间隙，舵机的传动精度较差，本发明通过拉伸弹簧消除第二关节和第三关节的舵机间隙，使得舵机的传动精度得到了提升。

附图说明

图1是乒乓球机器人整体结构；

图2是五自由度机械臂的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，乒乓球机器人包括：钢架1，滚轮直线滑台2，五自由度机械臂3，关节舵机，以及视觉支架4。

滚轮直线滑台2，设置在钢架1上。滚轮直线导轨允许的最大线速度为10m/s，将五自由度机械臂3安装在x轴滚轮直线滑台的滑块上，能够保证x轴方向的跑合速度。滚轮直线滑台2为滚轮直线导轨组成的模组，传动方式为带传动。7.5kw的大功率伺服电机输出轴通过联轴器与滑台的输出轴相连，电机通过带传动驱动滑台上的五自由度机械臂3在x轴方向上快速移动。由于本实施方式的五自由度机械臂3质量轻，通过计算，7.5kw的伺服电机就能够保证机械臂在水平方向的加速度。

五自由度机械臂3，安装在滚轮直线滑台2上。五自由度机械臂3具有五个关节，分别是第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节。

图2为五自由度机械臂的结构图。如图2所示，第一关节伺服电机302安装在第一关节行星减速机303上，第一关节行星减速机303通过法兰安装在第一关节安装基座301上，第二关节安装板306安装在第一关节行星减速机303的输出法兰上。第一关节光电开关304安装在第一关节安装基座301上，第一关节限位杆305安装在第二关节安装板306上，用于第一关节的找零。

第二关节舵机308有两个，安装在第二关节舵机固定板309上，第二关节舵机固定板309通过第二关节压块307安装在第二关节安装板306上。第二关节法兰轴324通过轴承及卡簧固定在两个第二关节舵机固定板309之间，两个第一杆件310固定在第二关节法兰轴324的法兰上，并通过第一支撑杆311进行支撑，形成一个刚体。第一杆件310位于第二关节和第三关节之间。

第三关节舵机313安装在第三关节舵机固定板312上，第三关节舵机固定板312安装在第一杆件310上。第三关节法兰轴325通过轴承及卡簧固定两个第一杆件310之间，第二杆件315固定在第三关节法兰轴325的法兰上，并通过第二支撑杆314进行支撑。

第四关节舵机316安装在两个第二杆件315之间。第一连接架317安装在第四关节舵机316的主舵盘和副舵盘上。

第一杆件310和第二杆件315为开有方形孔的7075-t6铝合金板材，每个杆件的两块铝合金板材之间用两端开有螺孔的铝合金管材作为支撑杆进行支撑，并用螺钉固定住。

第五关节舵机318安装在第一连接架317上，第五关节转接板319通过轴承和螺钉安装在第五关节舵机318的输出轴上。球拍321通过螺钉固定在两个球拍固定支架320之间，球拍固定支架320安装在第五关节转接板319上。第一关节拉簧322安装在第一支撑杆311和第二关节安装板306的吊环螺钉上，用于抵消第二关节舵机308的间隙。第二关节拉簧323安装在第一支撑杆311和第二支撑杆314上，用于抵消第三关节舵机313的间隙。

第二关节、第三关节和第五关节的输出轴均为空心轴，这种结构在保证了机械臂强度和刚度的条件下，大大减少了机械臂的重量和惯量，再加上舵机体积小、质量轻的特点，这种结构在同等驱动力矩作用下大大提高了机械臂的加速度和响应速度。

在本发明的不同实施方式中，舵机可以在多种舵机中选择，只要舵机的性能参数：扭矩和控制精度，能满足乒乓球机器人的运动参数即可，工业舵机、机器人专用舵机皆可。工业舵机的力矩较大、刚性相对会好一点，但是较重；机器人专用舵机力矩小、刚性相对较差，但是质量轻。然而不论是哪种舵机，均较现有的乒乓球机器人的机械臂的解决方案更轻便。

第二关节由于承受的力矩大，故采用双舵机的结构，双舵机可以通过同步信号线实现运动同步。

第二关节和第三关节采用外置的舵机并通过轴承对输出轴进行支撑，相对于内置的舵机，能够避免舵机副舵盘的间隙并且拆卸方便灵活。

第四关节由于力臂较小，内置舵机的副舵盘间隙影响较小，采用内置舵机的方式能够减轻第四关节的重量。

第二关节和第三关节舵机的安装法兰为可拆卸的模块，使用方便灵活，如果第三关节的力矩不够，还可以安装一个法兰组成双舵机提高第三关节的力矩。

第二关节和第三关节两端分别设置第一关节拉簧322和第二关节拉簧323，以消除第二关节舵机和第三关节舵机的齿轮的间隙。

在第五关节输出轴末端装上轴承用于支撑球拍，防止球拍击中球桌产生的大力矩损坏第五关节舵机。

视觉支架，设置在钢架的后方，视觉支架上具有两台工业相机5，形成双目视觉。工业相机5可调角度。

x轴伺服电机(图中未显示)通过联轴器与滚轮直线滑台的输出轴连接，通过带传动带动五自由度机械臂3在水平x轴方向快速移动。五自由度机械臂3通过拖链进行走线，拖链与五自由度机械臂3同时在水平方向快速移动。两个工业相机5安装在视觉支架4上，能沿着视觉支架4上的横杆水平移动。视觉支架4上的两个工业相机5采集乒乓球离开球拍后10帧的图像，通过图像识别算法对乒乓球机器人的前10帧轨迹进行识别，通过预测算法对落球点进行预测，并计算出击球点，视觉识别系统将击球位置信息发送给上位机，上位机计算出击球策略，将击球信息发送给乒乓球机器人的各个关节电机进行击球。

舵机驱动的乒乓球机器人的击球过程：通过双目视觉识别系统采集乒乓球离开球拍后10帧的图像，通过图像识别算法对前10帧图像中的乒乓球轨迹进行识别，通过轨迹规划算法对落球点进行预测，并计算出击球点，双目视觉识别系统将击球位置信息发送给上位机，上位机通过击球策略算法计算出乒乓球机器人的各个关节的位置、速度、加速度等参数，最终将这些信息发送给乒乓球机器人的各个关节电机进行击球。

本实施方式的乒乓球机器人的舵机由于内置齿轮减速装置，相对于同等驱动力矩的“伺服电机+减速机”驱动装置具有体积更小、重量更轻的优势。

本实施方式的机械臂由舵机驱动，能够大大减少机械臂的重量，满足乒乓球机器人快速响应、高加速度的需求。

进一步，由于舵机齿轮传动以及舵盘的间隙，舵机的传动精度较差，需要通过额外的消隙装置来抵消舵机的间隙。

本实施方式的乒乓球机器人的机械臂共有五个关节，乒乓球拍装在机械臂的末端，通过舵机驱动第二到第五关节来调整球拍击球的位置，通过“伺服电机+减速机”的装置来驱动第一关节提供大力矩，完成机械臂挥拍击球的动作，通过拉伸弹簧消除第二关节和第三关节的舵机间隙；将五自由度的机械臂安装在水平方向的滚轮直线滑台上，大功率的伺服电机通过同步带驱动滑台，带动机械臂在水平方向上快速移动。因此本实施方式的乒乓球机器人具有结构简单、体积小、重量轻、响应快速、成本低的特点，通过标准的工业舵机、伺服电机、减速机、水平滑台便能得以实现，大大降低了乒乓球机器人的设计门槛。