足球机器人守门员自动伸缩架的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种足球机器人守门员自动伸缩架，包括硬件机架系统与电机动力控制系统；硬件机架系统包括守门员的左右侧梁和顶梁，左右侧梁分别通过连杆连接一个侧横梁，在侧横梁一端设置滑槽和沿着滑槽滑动的滑块，滑块通过螺钉与曲柄相连，能相对于曲柄转动，曲柄另一侧连接到电机；电机动力控制系统包括红外测距传感器、主控电路板。本发明增加了守门员的防守能力，没有复杂的机械结构，便于精确控制、快速反应，且极易进行大规模生产。
【专利说明】足球机器人守门员自动伸缩架
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种自动伸缩架，特备涉及一种用于足球机器人比赛的守门员自动伸缩架。
【背景技术】
[0002]机器人足球比赛的设想是由加拿大不列颠哥伦比亚大学教授Alan Mackworth在1992年的论文《On Seeing Robot》中首先提出的,他的目标是为人工智能和智能机器人学科提出一个具有标志性和挑战性的课题。1992年10月在东京召开的关于“人工智能领域的巨大挑战”学术研讨会上，与会者认真讨论了开展机器人足球比赛对发展科学技术的意义，在众多挑战性课题中认为让机器人踢足球是机器人与人工智能领域最具挑战性的研究课题。机器人足球比赛提出后得到了韩国、日本以及欧美等发达国家的很多大学和科研机构的支持，开展了机器人足球比赛的研究，并选派自己的代表队参加国际比赛。另外一些有实力的国际大公司如SONY公司、丰田公司、三星公司、LG公司、SUN公司等对世界杯机器人足球赛大力的赞助。
[0003]目前世界上影响和规模较大的机器人足球比赛组织者主要有两个，一个是韩国为首的FIRA，另一个是日本为首的RoboCup。RoboCup在日本、欧美都有很大的影响，现已经成为世界上有较大影响的机器人足球比赛组织。robocup足球机器人中型组是一项综合性极强的比赛，其地位相当于世界杯在足球界的地位，比赛的最终目的是到2050年，战胜人类足球队。其一年一次的举办无疑是机器人届的一大盛宴，是一种系统性、综合性极强的科技创新比赛，为促进人工智能的发展，机器人自动化的进步，有着不可忽视的贡献。
[0004]机器人足球系统是一个智能自动化程度要求相当高的系统。其整个比赛过程不能有人的干预，就相当于一个训练好的球员在整个比赛过程自主地感知、判断、决策、动作。其环境信息的复杂度及机器人系统本身的复杂度都很高。机器人系统是十分复杂的系统，为实现该系统需要解决大量的理论和技术问题，涉及很广泛的研究和【技术领域】。
[0005]为了促进足球机器人的持续发展，组委会每年会根据当年比赛情况制定一些新的规则，以使各参赛放朝着实现人工智能方向发展，最终规则将逐渐与现阶段人类足球比赛规则相接近，其中，对于比赛机器人球员的最基本要求之一便是其尺寸要求。
[0006]根据《2012中国机器人大赛暨RoboCup中国公开赛中型组规则》规则4.2基本装备:每个机器人队员尺寸必须符合下列约束:
[0007]1.每个机器人外形在地板上投影须符合下列尺寸:最小30cmX30cm,最大52cmX52cm,每个机器人必须拥有各自的配置和执行装置。
[0008]2.场地上的机器人(不包括守门员)在任何时候的尺寸都不得超过52cmX52cm。
[0009]3.当有球射向球门时，守门员可以在短时间内扩大它的尺寸(最多不得超过I秒)，扩大的范围不得超过60cmX60cm的投影尺寸或者90cm的高度限制。守门员必须自己判断这种情况，但是守门员只有在它的尺寸完全恢复到正常持尺寸限制4秒钟以后才能再次扩大它的尺寸。另外，只允许在一个方向短时间内扩展尺寸(向左、向右或者向上)。[0010]4.机器人的高度必须在40cm到80cm之间(除了守门员，守门员在扩大尺寸时不得90cm)
[0011]由规则，我们可以发现，当对方球员射门的一刹那，守门员的防守面积及其防守架尺寸是允许短暂扩大的。当皮球来袭时，守门架的快速反应，并在足球来袭时迅速扩大其尺寸，阻挡皮球进入球门，往往能决定比赛的最终结果。完善守门员守门能力的关键之一就是增大守门员面积，即扩大守门员的长度与宽度，但是根据比赛规则，对守门员的尺寸有一定的限制，只能在短暂时间内扩大面积，对于不能扩大防守面积的守门员，其防守面积只能限制在一个狭小的面积内，于是他的边缘便成了极容易被对方攻击的软肋，容易被对方钻孔射门的四角。在国外，有多个参赛队伍借助其前向视觉解决了这道难关，但是由于国内该技术研究较晚，目前市场上还是一片空白。
【发明内容】
[0012]在机器人足球队里，守门员的任务是当皮球来袭时，及时调整位置与姿态，以把来袭的足球阻挡在球门外，于是不断完善射门球员与己方守门员守门能力成为比赛胜负的一个关键。
[0013]本发明的目的是针对现有技术的缺点，提供一种足球机器人守门员自动伸缩架，避开传统的利用前向视觉捕捉足球这一难关，利用传感器捕捉高速飞行的足球。
[0014]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0015]一种足球机器人守门员自动伸缩架，包括硬件机架系统与电机动力控制系统；硬件机架系统包括守门员的左右侧梁和顶梁，左右侧梁分别通过连杆连接一个侧横梁，在侧横梁一端设置滑槽和沿着滑槽滑动的滑块，滑块通过螺钉与曲柄相连，能相对于曲柄转动，曲柄另一侧连接到电机；当曲柄在电机的带动下转动时，滑块随之绕着螺钉转动，进而推动侧横梁左右移动；电机动力控制系统包括红外测距传感器、主控电路板，红外测距传感器检测其视野特定范围内是否有障碍物，当对方球员射门时，足球距离机器人守门员小于该范围时，就被红外传感器检测到，并相应产生一个模拟电流脉冲信号，传输到主控电路板，主控电路板根据这一信号，产生一个电流脉冲，驱动电机产生一个角位移，进而驱动机架的转动。
[0016]有益效果
[0017]作为一个足球队，守门员的守门强度无疑是整个团队是否取胜的重要因素，是整个队伍防守能力强弱的关键。本发明实现的守门员伸缩架，好比给机器人守门员增加了一双可以自由伸展的手臂，极大的增加了守门员的防守能力，当对方球员射门时，能根据足球的飞行轨迹及时伸出自己的“手臂”进行拦截，极大的增加了守门员的防守能力。本发明的伸展原理完全借助于最基本的机械模型，包括平行四边形的不稳定性、曲柄滑块机构等。没有复杂的机械结构，因此便于精确控制、快速反应，且极易进行大规模生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的硬件机架整体结构图；
[0019]图2为电机与曲柄滑块机构结构图；
[0020]图3为硬件机架的力学传递图；[0021]图4为机架安装图；
[0022]图5为电机动力控制系统时序图。
[0023]图中，1:侧横梁，用于伸缩臂侧向直线伸展；2:滑槽，限制滑块3在沿着侧横梁上下直线运动；3:滑块，通过螺钉与曲柄4相连，能相对于曲柄4转动；4:曲柄，两侧分别与电机5与滑块3连接，并与它们能产生相对转动；5:电机，提供某一角位移，为机架的动力系统；6:侧梁，支撑横梁，底部与机器人相连，起支撑作用；7:3mm螺顶孔，其连接各部件与实现转动副作用；8:电机底座；9:连杆；10:曲柄；11:顶部上升梁，能相对于顶梁13上下移动；12:顶部滑槽；13:顶梁，在其下部能通过螺钉与机器人视觉系统顶端固定。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图，具体说明本发明的优选实施方式。
[0025]本实施例主要核心部件包括硬件机架系统与电机动力控制系统。硬件系统实现伸缩臂的自由伸缩以及保证其强度与一定刚度；而电力控制系统主要作用为:检测足球的飞袭,对这一,清况作出反应并驱动电机转动。
[0026]硬件机架是实现足球机器人守门员能自由伸缩的部件，如图1所示，利用平行四边形的不稳定原理实现机架的扩大。其左右边总体结构为一四连杆结构(由构件1、6、9组成)，当摇杆9转动某一角度时，上部的摇杆随之保持统一角度转动，于是使侧横杆8弹出，实现了左右两边的面积扩大。本实施例设计了多个摇杆9，多个摇杆9的设计，加强了侧横梁I的力学性能，强度大为改善。
[0027]在力传导方面，本实施例采用曲柄滑块机构(由电机、曲柄、滑块、滑槽)予以实现，如附图2所示。利用曲柄，当曲柄4在电机5的带动下转动时，滑块3随之绕着中心点(螺钉)转动，进而推动横杆I左右移动，从而实现了由转动向水平移动的转变，大大减少了平行四边形传递位移时存在的位移误差，而滑槽2的作用便是实现其运动副的统一。
[0028]由于平行四边形收缩时其总体长度会变长，若将和左右两边同样的平行四边形构架应用于机架上部，其实际尺寸将受到限制而不得不缩短，为了充分利用其空间，我们将上述平行四边形构架改为可直接折叠的结构，如附图1所示，“T”型上升梁11的底部竖直柄，被顶梁13的两个位置水平的螺钉“夹住”，两螺钉的水平直线距离刚好为底部竖直柄的宽度，以使顶部上升梁11只能相对于顶梁13上下移动，而不能水平移动；而其传动机构不变，在上升梁(11) 一端设置滑槽(12 )和沿着滑槽滑动的滑块，滑块通过螺钉与曲柄(10 )相连，能相对于曲柄(10)转动，曲柄(10)另一侧连接到电机；当曲柄(10)在电机的带动下转动时，滑块随之绕着螺钉转动，进而推动顶部上升梁(11)上下移动；从而利用曲柄滑块机构实现其力学传动。
[0029]整个机架结构的力学传导途径如附图3所示:
[0030]为了提高机架的抗冲击强度，本实施例对机架的材料选择也进行了一系列设计。为了提高其抗冲击强度，提高其转动惯量，以抵抗足球冲击带来的弯矩以及变形，本实施例仿照“工”字梁结构，所有受力的横梁由两块木板中间夹几块木片叠加而成，使材料的抗冲击能力加强。
[0031]在机架的固定方面，根据机器人的结构特点，本实施例采用三个点固定，如附图4所示的上、中、下三个安装点，下部利用榫接与机器人固定，中部利用一根横杆阻挡住因为足球冲击而后仰的皮球，但是横梁与机架间又保持一定距离，以使机架受力时具有一定的柔性，中部横梁利用子母扣与机器人视觉底座相连；上部利用2个螺钉与机器人的视觉顶部相连。
[0032]电机动力控制系统的主要部件包括红外测距传感器、主控电路板(CPU)、电池。红外测距传感器能检测到其视野80cm内是否有障碍物，当对方球员射门时，足球飞来，当距离机器人守门员小于80cm时，就被红外传感器检测到，并相应产生一个模拟电流脉冲信号，传输到主控电路板。主控电路板根据这一信号，产生一个电流脉冲,驱动电机产生一个角位移，进而驱动机架的转动。
[0033]电机动力控制系统的时序图如附图5所示。主控电路板主要实现系统的控制，是电机电力系统的核心部件。当其接受到由红外传感器传来的电流模拟脉冲信号时，首先判断该信号距离上一次电机转动的时间间隔是否超过5秒钟，如果没有，则电机保持不动，机架不伸缩；如果时间间隔大于5秒，则电机启动，产生一个角位移，驱动曲柄4旋转，于是机架实现伸展；当机架伸缩后，机架在原地停留I秒钟，接着主控电路板再输出一个相反的电机驱动信号，驱动电机反向旋转一个与前面位移相等的角位移，于是伸缩架复位，实现机架的收缩。
[0034]电机是整个装置的动力系统，根据电机锁安放的位置以及其功能，分为顶部电机与侧部电机。顶部电机放置在左侧梁顶部，以驱动顶部上升梁的伸缩；而两个侧电机分别放置在机架的左右两侧，实现左右两侧伸缩梁11的伸展。
[0035]本实施例在实验中取得了较好的实验效果:
[0036]作为一个足球队，守门员的守门强度无疑是整个团队是否取胜的重要因素，是整个队伍防守能力强弱的关键。而足球机器人自动伸缩臂的实现，无疑极大的增加了守门员的防守能力。守门员伸缩架相当于给守门员安装了一双可以自由伸展的手臂，当对方球员射门时，能根据足球的飞行轨迹及时伸出自己的“手臂”进行拦截，再最大限度利用规则的同时，极大的增加其防守能力。而在没有安装守门员伸缩架前守门员防守对方射门的唯一方法就是利用自己的躯干去阻挡对方射来的皮球，防守面积有限，防守能力大打折扣。
[0037]在整体上，本实施例的足球机器人守门员伸缩架的伸展原理完全借助于最基本的机械模型，包括平行四边形的不稳定性、曲柄滑块机构等。没有复杂的机械结构，因此便于精确控制、快速反应，且极易进行大规模生产。各部件零件之间的配合方式采用螺钉紧固连接，既可以给机架一定的位移空间增加其柔度，进而加大其抗冲击强度。也便于比赛前后的组装拆卸，结构简单，便于运输。而且在部分零件损坏后，更换便捷，适合大型比赛快速、稳固的特点。
[0038]在材料选择方面。硬件机架的基本材料为木板或高压绝缘板，能保证整体机架具有一定的柔性，当遭受大的力学冲击时，能产生适当的应力形变但不致导致机架的损坏。还有伸缩架的横截面采用2-3块木板叠合而成，由此增加了材料的转动惯量，进而则增加了其抗扭矩弯曲的能力。
[0039]在硬件机架上，实现动力学传递的构件为平行四边形四连杆机构、曲柄滑块机构，避免了复杂的力传递，因此，力传递、位移传递迅速精准适应了竞技性比赛的需要。在识别对方守门员射门动作这方面，采用的是红外测距传感器检测足球的来袭，当足球进入传感器的测距时(80cm)，传感器检测到这一信息并相应的输出一个电流脉冲，驱动电机转动。整个过程不需要大规模的辨别处理、数据计算时间，因此传动迅速，拦球成功率高。而国际强队荷兰队的守门架采用的是前向视觉识别，利用足球颜色与环境颜色亮度的不匹配性识别射门这一动作，需要经过计算机的数据处理计算，因此反应较慢，且抗干扰能力弱。
[0040]整个伸缩系统包括硬件机架、电机自动控制系统，电力控制系统的基本构件又包括电池、红外测距传感器、主控板(CPU)，而上述系统都是完全独立于机器人的其他硬件系统，包括电源供电采用的都是自带的一套电源。这样做的好处是，一方面该自动伸缩架能适用于任何一款机器人，不受特定机器人的电源控制、视觉控制、主控电路系统的限制。另一方面，独立的系统使机器人的各部件能够各司其职，互相之间不受影响，有效的避免了各组件之间的耦合现象。而且假若守门员伸缩架出了故障，机器人守门员仍能执行。
[0041]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种足球机器人守门员自动伸缩架，其特征在于，包括硬件机架系统与电机动力控制系统；硬件机架系统包括守门员的左右侧梁和顶梁(13)，左右侧梁分别通过连杆(9)连接一个侧横梁(1)，在侧横梁一端设置滑槽(2)和沿着滑槽滑动的滑块(3)，滑块(3)通过螺钉与曲柄(4)相连，能相对于曲柄(4)转动，曲柄(4)另一侧连接到电机(5);当曲柄(4)在电机(5)的带动下转动时，滑块(3)随之绕着螺钉转动，进而推动侧横梁(I)左右移动；电机动力控制系统包括红外测距传感器、主控电路板，红外测距传感器检测其视野特定范围内是否有障碍物，当对方球员射门时，足球距离机器人守门员小于该范围时，就被红外传感器检测到，并相应产生一个模拟电流脉冲信号，传输到主控电路板，主控电路板根据这一信号，产生一个电流脉冲，驱动电机产生一个角位移，进而驱动机架的转动。
2.根据权利要求1所述的一种足球机器人守门员自动伸缩架，其特征在于，还包括位于硬件机架系统的顶梁(13)上部的“T”型上升梁(11 )，上升梁(11)的底部竖直柄被顶梁(13)的两个位置水平的螺钉“夹住”，两螺钉的水平直线距离刚好为底部竖直柄的宽度，以使顶部上升梁(11)只能相对于顶梁(13)上下移动，而不能水平移动；在上升梁(11) 一端设置滑槽(12)和沿着滑槽滑动的滑块，滑块通过螺钉与曲柄(10)相连，能相对于曲柄(10)转动，曲柄(10)另一侧连接到电机；当曲柄(10)在电机的带动下转动时，滑块随之绕着螺钉转动，进而推动顶部上升梁(11)上下移动。
3.根据权利要求1或2所述的一种足球机器人守门员自动伸缩架，其特征在于，硬件机架的基本材料为木板或高压绝缘板，所有受力的横梁由两块木板中间夹几块木片叠加而成。
【文档编号】A63H13/04GK103505882SQ201310292042
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】陈杰浩, 王喻林, 吴嘉豪, 韩峰, 梁宇, 申宇, 符积高, 杨一川, 张雪岩, 徐杰, 齐冀, 张博伟, 马辰, 闫梓祯 申请人:北京理工大学