捡球机器人的制作方法

本发明涉及运动辅助设备技术领域，具体涉及捡球机器人。

背景技术：

现有的乒乓球/网球捡球机多数为简易的捡球器，例如弹性绳挤压式，通过弹性绳的弹力，乒乓球/网球首先将弹性绳撑开，之后进入回收箱内，实现了球的回收。此外如吸球器式，通过电机带动风扇产生大气压差，从而将球吸入回收箱内，但此机器使用的是空气压力来把球吸起来，所以，吸球风扇的高度不能太高，且球类物体重量不能太大，否则吸力就不够，基本只适用于乒乓球；无法只针对于球进行回收，不仅能吸球，还容易将灰尘和垃圾吸进去，很不卫生。再如机械臂式适用范围较广，通过机械臂的夹取，将球放入回收箱内，实现球的回收，不过此机器一次只能夹取单个球，会大大降低捡球效率，而且夹取过程中不稳定，容易出现球滑落的情况。因此需要一种捡球效率高、适用范围广且智能化的捡球装置。

现有的乒乓球/网球捡球机多数为简易的捡球器，例如弹性绳挤压式，通过弹性绳的弹力，乒乓球/网球首先将弹性绳撑开，之后进入回收箱内，实现了球的回收。此外如吸球器式，通过电机带动风扇产生大气压差，从而将球吸入回收箱内，但此机器使用的是空气压力来把球吸起来，所以，吸球风扇的高度不能太高，且球类物体重量不能太大，否则吸力就不够，基本只适用于乒乓球；无法只针对于球进行回收，不仅能吸球，还容易将灰尘和垃圾吸进去，很不卫生。再如机械臂式适用范围较广，通过机械臂的夹取，将球放入回收箱内，实现球的回收，不过此机器一次只能夹取单个球，会大大降低捡球效率，而且夹取过程中不稳定，容易出现球滑落的情况。因此需要一种捡球效率高、适用范围广且智能化的捡球装置。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供捡球机器人。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

捡球机器人，包括全向轮平台、设置在全向轮平台上的底盘、设置在底盘上的储球箱、设置在底盘上的转筒座、连接转筒座的转筒、设置在底盘上的电机、连接电机的第一同步带轮、连接转筒且通过皮带连接第一同步带轮的第二同步带轮、连接第一同步带轮的曲柄、设置在底盘上的导轨、设置在导轨上且连接曲柄的滑块、连接全向轮平台和电机的单片机、连接单片机的摄像机；

所述摄像机用于拍摄图像并发送至单片机；所述单片机用于接收图像、通过载入到其上的颜色识别算法和形状识别算法分析识别图像上的球、分析球的位置、根据分析结果控制全向轮平台和电机运转；所述储球箱上设有进球口和箱门，滑块在转筒座和进球口之间沿导轨往复运动；所述转筒包括两个圆形端板和连接两个端板的叶片，所述叶片位于两端板之间；转筒绕转筒座转动进行捡球，球通过转筒和转筒座运动到滑块上，滑块将球通过进球口运送到储球箱内。

捡球机器人的捡球方法，包括如下步骤：

s1、摄像机拍摄地面的图像，并将图像发送至单片机；

s2、单片机接收摄像机发送的图像，通过颜色识别算法和形状识别算法分析识别图像上的球，分析球的位置，得到分析结果，根据分析结果控制全向轮平台和电机运转；

s3、捡球机器人运动s2中单片机分析的球的位置处，电机运转并依次通过第一同步带轮、皮带和第二同步带轮带动转筒转动，转筒通过转动将球从地面捡起并将球通过转筒和转筒座运送到滑块上；

s4、滑块通过电机、第一同步带轮和曲柄的带动沿导轨向进球口运动，滑块上的球通过进球口进入到储球箱内。

本发明的有益效果是：

1、通过转筒转动捡球，捡球数量多，捡起的球经由转筒座和滑块运输到储球箱，球在运输过程中不会掉落，也不会带入灰尘。可以有效提高产品的储球利用率，并让储球空间可以更方便的自主选择。

2、通过摄像机采集、单片机通过载入其上的颜色识别算法和单片机形状识别算法进行识别球，通过颜色和形状双重标准确定球，识别准确快速，有效的提高识别的速度和准确性。

3、本发明的转筒捡球和滑块运球，只采用了一个动力源——电机，曲柄与第一同步带轮相连接，实现了固定的运动，可以使整个捡球运球过程更加稳定可靠、节约时间；而且无需使用传感器控制，成本低，效果好。曲柄和滑块构成偏心曲柄滑块机构，具有急回特性，运球结束的回程会提高速度，可以。储球箱中的球从箱门取出，取出方便、容易、快速。

4、本发明的捡球机器人结构简单，但却有效的实现了整个过程，即满足使用要求，又成本低廉，并且使得捡球机器人的重量和利用率上都有极大改善。由低向高的推送到储球箱，可以大幅度减小捡球机器人的体积、减轻捡球机器人的重量，降低成本。

5、本发明的捡球机器人的捡球方法简便、捡球效率高、准确性高且智能化。

附图说明

图1为本发明的捡球机器人的立体结构示意图。

图2为本发明的捡球机器人的后视图。

图3为本发明的捡球机器人的俯视图。

图4为本发明的捡球机器人的沿图3的c-c线的剖视图。

图5为本发明的捡球机器人的部分结构立体图。

图6为本发明的捡球机器人的图5的另一视角的立体图。

图7为本发明的捡球机器人的转筒座立体图。

图8为本发明的捡球机器人的图7的另一视角的立体图。

图9为本发明的捡球机器人的全向轮平台的部分结构图。

图中：1、底盘，2、转筒座，3、转筒，3.1、端板，3.2、叶片，4、电机，5、第一同步带轮，6、皮带，7、第二同步带轮，8、单片机，9、摄像机，10、滑块，11、储球箱，11.1、箱门，11.2、进球口，12、导轨，13、导轨座，14、电机座，15、上板，16、搭扣，17，单向挡板，18、箱转动轴，19、机器人底座，20、载物板，21、全向轮，22、微型电机支座，23、微型电机，24、曲柄。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明捡球机器人包括底盘1、转筒座2、转筒3、电机4、第一同步带轮5、皮带6、第二同步带轮7、单片机8、摄像机9、全向轮平台、储球箱11、曲柄24、滑块10和导轨12。结构图如图1～4所示。底盘1安装在全向轮平台上。导轨12、储球箱11和转筒座2均安在底盘1上。储球箱11上设有进球口11.2和箱门11.1，箱门11.1用于取出储球箱11内的球。电机4连接第一同步带轮5，第一同步带轮5通过皮带6连接第二同步带轮7，第二同步带轮7连接转筒3，转筒3连接转筒座2，第二同步带轮7带动转筒3相对于转筒座2转动。具体可为第二同步带轮7通过主轴键连接转筒3、转筒3通过深沟球轴承连接转筒座2，第二同步轮通过主轴键带动转筒3转动，由于深沟球轴承的作用转筒3相对于转筒座2转动。转筒3的结构包括两个圆形端板3.1和位于两端板3.1之间的叶片3.2，叶片3.2连接两个端板3.1，图3中叶片3.2的数量为3个；转筒座2和转动的转筒3临时构成球的运送槽。如图5和图6为部分结构的立体图，滑块10设置在导轨12上，滑块10对应转筒座2设置。第一同步带轮5通过曲柄24连接滑块10，滑块10沿导轨12直线往复运动。导轨12和滑块10都对应着转筒座2和进球口11.2设置，滑块10在转筒座2和进球口11.2之间沿导轨12往复运动。优选的是滑块10的宽度略小于、等于或大于运送槽的宽度，即滑块10的宽度略小于、等于或大于叶片3.2的宽度或是转筒座2和滑块10连接处的宽度，为了保证转筒3所带起的球能均落在滑块10上不掉落；进球口11.2的宽度不小于滑块10的宽度，为了保证滑块10运输的球能都通过进球口11.2。转筒3转动运送的球，经转筒3和转筒座2运送到滑块10上，滑块10通过第一同步带轮5和曲柄24的带动、沿导轨12向储球箱11方向运动、并运动至进球口11.2处，球通过进球口11.2进入到储球箱11内；滑块10再经第一同步带轮5和曲柄24的带动而沿导轨12向远离储球箱11方向运动；电机4不断运转则上述过程重复，也就是在电机4、第一同步带轮5和曲柄24的带动下，滑块10沿导轨12往复运动。电机4、摄像机9和全向轮平台均连接单片机8。单片机8上载入球颜色识别算法和形状识别算法。摄像机9用于拍摄图像并将拍摄的图像发送给单片机8。单片机8用于接收摄像机9发送的图像，对图像颜色识别算法和形状识别算法进行分析识别、识别图像上的球，并分析球的位置，确定有球和球的位置后，控制全向轮平台和电机4运转，具体为全向轮平台运动至转筒3能够转动捡球的位置和控制电机4运转进行捡球。

使用过程：下面以乒乓球为例对过程进行阐述。启动摄像机9和单片机8，摄像机9拍摄地面上的图像，发送给单片机8，单片机8接收图像后分析识别图像内是否有乒乓球、分析乒乓球的位置，当识别出有乒乓球和乒乓球的位置时，根据分析结果启动并控制全向轮平台和电机4运转，捡球机器人通过全向轮平台带动向有乒乓球的位置运动，电机4转动带动第一同步带轮5转动，第一同步带轮5转动同时带动皮带6和曲柄24同步运动。第一同步带轮5通过皮带6、第二同步带轮7带动转筒3转动，转筒3转动即叶片3.2带动兵乓球沿转筒座2运动，叶片3.2将兵乓球升高并运送运动到滑块10上，滑块10沿导轨12运动，带动其上的兵乓球运动至兵乓球通过进球口11.2进入到储球箱11。转筒3不断地转动，不断地将叶片3.2所带起的乒乓球捡起；曲柄24带动滑块10做直线往复运动，滑块10不断将进入转筒3中的兵乓球推入储球箱11中。储球箱11满时或者人们根据需求要取出储球箱11中球时，通过打开储球箱11的箱门11.1，取出储球箱11中的乒乓球。全向轮平台运动的同时，摄像机9和单片机8可持续工作，不仅使移动更精确，也能再拍摄其他掉落地面的乒乓球。上述单片机8也可以为先控制全向轮平台运动至目标位置后再启动电机4。

本发明的通过转筒3转动捡球，捡球数量多，捡起的球经由转筒座2和滑块10运输到储球箱11，球在运输过程中不会掉落，也不会带入灰尘。由低向高的推送到储球箱11，可以大幅度减小捡球机器人的体积、减轻捡球机器人的重量，降低成本。可以有效提高产品的储球利用率，并让储球空间可以更方便的自主选择。通过摄像机9采集、单片机8通过载入其上的颜色识别算法和单片机8形状识别算法进行识别球，通过颜色和形状双重标准确定球，识别准确快速，有效的提高识别的速度和准确性。本发明的转筒3捡球和滑块10运球，只采用了一个动力源——电机4，曲柄24与第一同步带轮5相连接，实现了固定的运动，可以使整个捡球运球过程更加稳定可靠；而且无需使用传感器控制，成本低，效果好。曲柄24和滑块10构成偏心曲柄24滑块10机构，具有急回特性，运球结束的回程会提高速度，可以有效节约时间。储球箱11中的球从箱门11.1取出，取出方便、容易、快速。本发明的捡球机器人结构简单，但却有效的实现了整个过程，即满足使用要求，又成本低廉，并且使得捡球机器人的重量和利用率上都有极大改善(本实施方式中捡球机器人长335mm、宽255mm、高290mm、总重量1.7kg、最大容纳44个乒乓球)。

上述的转筒座2包括固定部分和弧形部分；还可包括连通弧形部分的直线槽部分，如图7和图8所示。转筒座2的固定部分用来连接底盘1，弧形部分为了匹配转筒3，以使转筒3能将球带离地面至直线槽部分，直线槽部分、弧形部分和转筒3共同构成运送槽，若转筒座2不包括直线槽部分，则直线槽部分、弧形部分构成运送槽。为了能够将球从转筒座2和转筒3运送到滑块10，在转筒座2若包括直线槽部分，则直线槽部分对应滑块10，滑块10沿导轨12运动到远离储球箱11的最远点时，接触或几乎接触直线槽部分；在转筒座2若不包括直线槽部分，则弧形部分和叶片3.2对应滑块10，滑块10沿导轨12运动到远离储球箱11的最远点时，接触或几乎接触弧形部分。球借助叶片3.2给其的力，从运送槽滑滚动到滑块10上。

本发明还可包括导轨座13，导轨12位于导轨座13上，导轨座13连接底盘1。

本发明还可包括电机座14，电机4位于电机座14上，电机座14连接底盘1。

本发明还可包括上板15，上板15底盘1通过四个第一立柱连接上板15，上板15位于储球箱11、滑块10、电机4的上方。单片机8位于在上板15上，摄像机9也在上板15上。

本发明还可包括用于检测储球箱11中球是否装满的检测装置，检测装置检测到储球箱11中的球装满了，便发送信号至报警器和/或指示灯。检测装置、报警器与指示灯连接单片机8。

上述储球箱11上的进球口11.2处设有一个单向挡板17，单向挡板17仅能向储球箱11内部打开，打开时不遮挡进球口11.2，此时进球；关闭时即对进球口11.2进行一定程度的遮挡，以防止球进球口11.2出现乒乓球回流的情况，并且结构简单，稳定性好。单向挡板17的使用：当滑块10推动球进入储球箱11时，滑块10顶开单向挡板17，球顺利进入后，单向板由于重力原因，回到初始位置，此刻，球无法反向顶开单向板，从而实现球的单向进入，防止储球箱11内部的球滑出。另外，当储球箱11内部的球积满之后，由于单向板反向无法转动，使得储球箱11内部的球无法从进球口11.2溢出。

储球箱11内部的底侧存在大圆角，即阴角为圆角。储球箱11的底板和部分侧板的连接处所称的角度非直角、而是圆角，即侧板的下半部为向储球箱11内凸起的圆弧面，本实施方式中的侧板中两个相邻侧板的下半部为圆弧面，阴角中存在圆角可以避免乒乓球进入储球箱11时，由于储球箱11底层积满乒乓球造成无法叠加。储球箱11的箱门11.1使用开合样式，防止储球箱11内部的球积满溢出。储球箱11通过搭扣16固定在底盘1上，例如箱门11.1的对立侧是搭扣16(如图1)，在储球箱11底部安装有箱转动轴18，箱转动轴18通过轴承座安装在底盘1上，储球箱11绕箱转动轴18可实现储球箱11的转动。打开搭扣16，控制储球箱11绕箱转动轴18转动至箱门11.1一侧降低，打开箱门11.1，球自动滚出，因此箱转动轴18的设计方便球的取出，搭扣16的设计的作用为对储球箱11的临时固定。

全向轮平台包括机器人底座19、通过第二立柱连接机器人底座19的载物板20、n个全向轮21、n个微型电机支座22和n个微型电机23，n≥3。微型电机支座22安装在机器人底座19上，微型电机23位于微型电机支座22上，全向轮21连接微型电机23，全向轮21、微型电机支座22和微型电机23一一对应设置。微型电机23连接单片机8，单片机8通过控制每个微型电机23来控制与微型电机23对应连接的全向轮21。载物板20在全向轮21、微型电机支座22和微型电机23的上方。底盘1位于载物板20上。图9为n＝4的结构示意图。优选的是n＝3。本发明整体的移动采用全向轮平台并配合pwm调速技术，可以实现全方位移动，包括纵向移动，横向移动，原地旋转。由于全向轮21能够在两个方向上自由滚动。它也可以像普通轮子一样滚动，或沿轮子的圆周横向滚动，使机器人具有高度的机动性，捡球机器人实际速度可以根据速度的分解合成得到。

本发明的摄像机9采用基于stm的stm32farmcortex-mmcu和omnivisionov7725传感器的openmv摄像机。openmv摄像机可以在python3中进行编程，并附有大量的图像处理功能，如物体检测和跟踪，关键点描述符，彩色斑点跟踪，qr和条形码支持，apriltags，gif和mjpeg记录等等,能够精确识别，准确确定乒乓球的位置。

本发明捡球机器人可建立捡球机器人与球场相关设施的一定程度的相关联系，提高球场智能化程度，基于stm32以及esp8266wifi模块可以实现相关可快速实现设备m2m接入、数据统计分析、远程控制、ota升级、第三方接口等功能服务。实现与球场相关设施的信号交流，从而实现智能互联的功能；基于stm32以及无线串口模块，也可以实现相关设备的信息交流，通过双向串口，达到两个设备之间的相互通信，从而实现智能互联的相关功能。

图像透过镜头，照在一个感光芯片上，感光芯片可以把光照的波长和强度等信息转成计算机(数字电路)可以识别的数字信号就是图像的采集。捡球机器人首先利用摄像头将图像数据采集出来后，接着进行处理，图像处理主要是通过单片机8对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。首先提高图像的视感质量，如进行图像的亮度、彩色变换，增强、抑制某些成分，然后提取图像中所包含的球特征或特殊信息，最后进行球的定位。

颜色识别算法使用是色差法。把采集到的图像信息的颜色信息与事先训练好的颜色信息值进行对比，设定一阈值，如果二者的色差在阈值范围之内，则说明两种颜色匹配，由此得到一种颜色识别的色差法。在训练过程中，得到标准值的坐标为(r，g，b)，rgb模型的图像可以看成是三维空间，r，g，b分别为三维空间三个方向的坐标值，设定阈值为c，用三维空间表示，以(r，g，b)为点半径，以c为半径的球以内的范围(包括球面)的所有点集都被识别为与标准值匹配。这样的方法，得到的区域为一个球形，即球形内所有的点都能满足条件，对于每一高像素点来说比较公平，但是计算量比较大，所以本实施方式使用了stm32f765vi的单片机8，工作频率216mhz，用于单独处理图像的计算。

由于受工作环境的影响，往往会出现一些不想要的干扰，所以为了去除不想要的干扰信号，需使用滤波算法，就像筛选产品时，把次品去除掉，只留下合格的产品。而在图像处理中的滤波算法中，处理的对象是图像，除了去除掉图像中不想要的像素点的值(如去除噪声)，还可以加强图像中需要研究一些内容(如边缘提取)。应用卡通化滤波器可以对彩色视频图像进行颜色聚类和噪声消除，首先先对图像使用高斯差分算子进行边缘检测，并做颜色量化处理，融合边缘曲线和量化图像生成个性化的卡通图像。

形状识别算法使用hough变化。hough变换的基本原理在于利用点与线的对偶性，将原始图像空间的给定的曲线通过曲线表达形式变为参数空间的一个点。这样就把原始图像中给定曲线的检测问题转化为寻找参数空间中的峰值问题。也即把检测整体特性转化为检测局部特性。

本发明采用pid闭环控制技术控制电机4和微型电机23：通过对电机4和微型电机23上的编码器采集脉冲，计算求得速度后，应用pid算法，可以使得对捡球机器人的速度控制更加精确；同时建立球识别过程中的pid算法，使得在寻找球的过程中，可以更加流畅以及准确。本发明的捡球机器人移动使用pwm脉宽调制技术调节电机4和微型电机23转速。全向轮平台配合pwm调速技术实现全方位移动。捡球时，电机4配合曲柄24和滑块10采用pwm脉宽调制技术，具有控制方便、调速平滑、响应速度快等优点。

本发明捡球机器人的捡球方法，包括如下步骤：

s1、摄像机9拍摄地面的图像，并将图像发送至单片机8；

s2、单片机8接收摄像机9发送的图像，通过颜色识别算法和形状识别算法分析识别图像上的球，分析球的位置，得到分析结果，根据分析结果控制全向轮平台和电机4运转；

s3、捡球机器人运动s2中单片机8分析的球的位置处，电机4运转并依次通过第一同步带轮5、皮带6和第二同步带轮7带动转筒3转动，转筒3通过转动将球从地面捡起并将球通过转筒3和转筒座2运送到滑块10上；

s4、滑块10通过电机4、第一同步带轮5和曲柄24的带动沿导轨12向进球口11.2运动，滑块10上的球通过进球口11.2进入到储球箱11内。

s5、通过箱门11.1将储球箱11中的球取出：关闭摄像机9、单片机8、电机4和全向轮平台，打开箱门11.1，取出储球箱11内的球，关闭箱门11.1(再扣上搭扣16)。

不同于已有的捡求方法的麻烦和失败率高，本发明的捡球机器人的捡球方法简便、捡球效率高、准确性高且智能化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。