专利名称：桌上曲棍球机器人系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及桌上曲棍球机器人系统。
背景技术：
桌上曲棍球在很多国家已大量引入众多的娱乐运动场所，是一种老幼皆宜的运动和比赛项目。比赛是在桌上曲棍球台上进行，球台外形为矩形，最小尺寸1.26m×0.63m，球台表面有很多气孔，在球台的两端各有一个球门。球和球拍为圆形，比赛时从球台气孔释放出压缩空气，使球浮在球台表面，在球拍的撞击下可以沿球台表面作近似无摩擦的运动。两个人进行比赛，控制球拍击球，将曲棍球攻入对方球门则得分，同时防止曲棍球进入自己方球门。
桌上曲棍球的比赛可以在人与人之间，人与机器人之间，机器人与机器人之间进行。桌上曲棍球机器人属于体育机器人的一种，随着机电一体化、计算机视觉、智能控制等技术的发展，使体育机器人灵巧性和智能性大幅提高，应用也日益广泛。其它类型的体育机器人还有足球机器人(现在已形成足球机器人世界杯)、乒乓球机器人、网球机器人、排球机器人等。体育机器人一方面提高了人对体育运动的兴趣、使人的体育运动更加科学化，另一方面带动了机器人相关技术的发展，形成了很多交叉学科。因此，无论是在增进人体健康、促进科技发展等方面，体育机器人的研究都具有重要的意义。
体育机器人的研究有很多共性关键技术，近些年来促进了国内外研究机构和学者在桌上曲棍球机器人方面的研究。美国Illinois大学的Spong教授(B.Bishop，M.W.Spong.Vision-Based Control of an AirHockey Robot.IEEE Control Systems Magazine，199923-32.)可以认为是曲棍球机器人系统的创始人，所设计的系统包括由皮带传动的机械手，视觉系统和DSP(数字信号处理)控制系统。台湾国立中央大学的王文俊教授等人(W.J.Wang，etc.A vision based air hockey systemwith fuzzy control.IEEE In terna tional Conference on ControlApplication.2002，18-20.)采用了1自由度的直线滑轨和一个转动关节作为机械手，该结构简单，但为了使视觉系统在确定球的位置时不被直线滑轨遮挡，直线滑轨只能固定在球台的端面外，因此限制了机械手末端只能在己方球门附近运动，影响比赛效果。Bentivegna等人(D.C.Bentivegna，etc.Learning from observation using primitives.IEEE International Conference on Robotics and Automation，2001，Vol.21988-1993.)将所开发的仿人机器人DB用来进行桌上曲棍球机器人的比赛，一条手臂就有7个自由度，在控制球拍动作过程中还要涉及到其它关节，采用了两个摄像机的立体视觉系统，整个系统很灵活，但作为桌上曲棍球机器人则过于复杂，造价太高。
在目前所开发的体育机器人中，还没有真正实现与人的比赛。而桌上曲棍球项目的运动形式比较简单，不需要复杂的机器人机构，各项关键技术的突破都可以在机器人系统上集成，因此，桌上曲棍球机器人可望真正投入到与人的实际比赛中。所开发的桌上曲棍球机器人，既可以用来促进人们参加体育运动的兴趣，作为大专院校图像处理和智能控制的开放式试验平台，还非常适合于作为2008科技奥运的展示项目。
实用新型内容本实用新型的目的是设计出一种能与人比赛的桌上曲棍球机器人系统。
为实现上述目的，一种桌上曲棍球机器人系统，包括视觉系统，用于观察桌上曲棍球的位置；计算机控制系统，用于处理视觉系统采集的图像，预测球体运动轨迹，控制机械手的运动；机械手，用于完成击球动作。
本实用新型一方面可以推进这项娱乐体育运动的发展，另一方面可以为各研究机构提供开发图像处理、人机交互、学习、智能控制等算法的试验平台。该成果可以作为体育运动与高科技结合的展示平台。
图1是桌上曲棍球机器人系统的立体视图；图2是桌上曲棍球机器人系统的侧视图；图3是桌上曲棍球机器人系统的俯视图。
具体实施方式
根据人进行桌上曲棍球比赛的特点进行机器人系统的设计。两个人在进行桌上曲棍球比赛时，分别位于球台的两侧，手持球拍，观察当前球所在的位置，并判断运动的方向和轨迹，若球运动速度很快，而且进攻性很强，则持球拍快速退守到球门附近防守，若球运动速度较慢，则根据对方球拍所处位置，规划出一种能够攻破对方球门的路线，通过击球实现。
因此，所开发的桌上曲棍球机器人系统包括机械手、视觉系统和控制系统，分别充当人的手臂、眼睛和大脑。由于桌上曲棍球在平面上运动，采用3自由度平行关节轴的机械手可以充分实现击球的动作。由于桌上曲棍球的颜色非常鲜艳，采用固定在球台正上方的彩色CCD摄像机来实现球的快速定位。采用计算机来实现所有的计算，并输出命令控制机械手实现击球的动作。
以下结合附图对本实用新型做进一步描述。
桌上曲棍球台6固定在水平地面上，球台6表面有很多气孔，其空气的浮力可以托住桌上曲棍球9，在台面上实现近似无摩擦的滑动。比赛双方各执一球拍(机械手持己方球拍7，对方球拍10)撞击桌上曲棍球9运动，若进入球门则得分。
桌上曲棍球机器人由机械手、视觉系统5和计算机控制系统11组成，由视觉系统5观察桌上曲棍球(以下简称球)9的位置，计算机控制系统11计算出球9的运动轨迹和己方球拍7的动作，由机械手完成击球动作。
(1)机械手机械手是整个系统的执行机构，包括肩部3，上臂2，前臂1和手4，以及连接各个部分的肩、肘和腕关节。这3个关节轴方向平行且垂直于球台6表面，协调运动可以实现手4在平面内的运动。肩部3固定在球台6短边外，其肩关节中心同球台6短边的中心线重合。机械手各个连杆转动角度和范围定义如下，参考附图3上臂2同水平线的夹角为肩关节角，前臂1同上臂2之间的夹角为肘关节角，手4同前臂1之间的夹角为腕关节角。三个关节角的范围分别为[-π/2，π/2]、[-3π/4，3π/4]和[-3π/4，3π/4]，也就是说上臂2转动的极限位置同球台6短边平行，使得机械手不会同球台6周围的物体碰撞，确保安全。
己方球拍7固定在机械手的末端手4上，可上下移动并锁紧，调整球拍离台面的距离，球拍在比赛过程中的运动受球台6边缘的限制，局限在球台6内，确保了机器人和周围物体的安全。在机械手和球台6的安装和拆卸时，可将球拍移到最上端，此时可将整个机械手旋转出台面，方便操作。
整个球台6可以分为两部分，己方球台和对方球台，每部分区域都近似为正方形，各方球拍的运动限制在自己方。在实际比赛过程中实现进攻策略时使球拍尽量接近己方球台中央以快速作出动作，若实现防守策略则使球拍尽量靠近己方球门，因此，能控制球拍在己方球台的各个位置，有利于实现不同的攻防策略转换，赢得比赛。从附图3中可以看到，机械手的工作空间基本覆盖了己方球台，这也是采用3自由度机械手的主要优点之一。一般情况下球拍和球9为圆形(也有三角形和方形)，因此，机械手的末端没有姿态的变化，理论上采用2自由度的机械手就可以完成任务，但其工作空间要小。除此之外，3自由度机械手还具有冗余性的特点，也就是控制球拍从一个位置运动到另一个位置，各关节的转动可以采取多种不同的组合，使得实际操作时能够从中选取最优的一种。另外，若将球9改变为三角形和方形时，3自由度机械手不仅可以进行位置控制，还可以实现撞击姿态的控制。
机械手的各个关节直接由电机驱动转动，电机同驱动器相连，再连接到计算机上，由计算机发出控制电机转动的指令。一般情况下，机械手末端的运动速度要优于人手的运动速度，而且人的前臂只能向内摆动，其在球台6上的运动存在死区或不利的区域。而机械手固定在球台的中心线上，向左右都可以自由无限制地运动，这是机器人系统本身结构所决定的特点和优点。
(2)视觉系统视觉系统5是整个机器人系统的传感器，其检测球9位置的准确性、实时性是至关重要的因素。通常人们在比赛时要观察球9在整个球台6上的位置变化，因此，视觉系统5的视野范围也要覆盖整个球台6，我们将它确定在球台6中央的正上方，固定在摄像机架8上。球9的颜色非常鲜艳，采用彩色CCD摄像机拍摄，图像处理时直接提取属于球9颜色物体的位置，同时参考前一时刻球9的位置进行快速定位，大大减少了图像处理计算的时间。
桌上曲棍球9也有不同大小，其中最小在60mm左右。而电机直径和机械手在水平截面的宽度约40mm左右，小于球9的直径，因此可以保证球9在任何位置都不被机械手遮挡。若在极端情况下，如由视觉系统5无法确定出球9的位置，则通过预测算法估计出其位置。
视觉系统5的另外一个作用就是可以通过观察人与人的比赛，使机器人系统提取出哪种击球的方法能够赢得比赛，最具有进攻性，哪种方法的防守最好等，使机器人系统的攻防策略可以从不同人处获得，充分完善。
(3)计算机控制系统计算机控制系统11是整个系统的核心，用来完成所有的计算功能，包括视觉系统5的图像处理、球体运动轨迹的预测和机械手的运动轨迹规划等。
为防止球9被机械手本体遮挡无法提取其位置，以及确保机械手快速做出动作，采用轨迹预测算法来估计球9在下一时刻的运动位置，是直接射向球门还是撞击球台6边缘反弹，以便机械手采取合适的防守动作。
前面提到机械手进行比赛的策略可以分为进攻和防守两种，这同人类似，在控制系统11中以两种程序体现，并在比赛过程中转换。若在球9运动速度较快，距离球门较近，能够射门得分等的情况下则采取防守策略，机械手末端就在球门附近运动，直接阻挡球9的射门路线。若在球9运动速度较慢，距离球门较远等的情况下则可以采取进攻策略。进攻策略要复杂一些，根据球9的位置和运动速度，对方球拍10的位置，计算出一条能够射门得分的球9的运动轨迹，以及合适的撞击点和所需的作用力，再控制己方球拍7动作完成任务。为确保进攻任务的实现，己方球拍7尽量靠近己方球台中央的位置，使己方球拍7能够快速动作，加大对方防守的难度。
上面所介绍的机械手、视觉系统5和计算机控制系统11共同组成了桌上曲棍球机器人系统，可以用来实现与人之间的桌上曲棍球比赛。
权利要求1.一种桌上曲棍球机器人系统，包括视觉系统，用于观察桌上曲棍球的位置；计算机控制系统，用于处理视觉系统采集的图像，预测球体运动轨迹，控制机械手的运动；机械手，用于完成击球动作。
2.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述视觉系统采用彩色CCD摄像机。
3.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述视觉系统的视野范围覆盖整个球台。
4.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述机械手包括固定在球台短边外的肩部、上臂、前臂、手及连接各部分的肩、肘和腕关节，共有3个自由度。
5.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述机械手的肩、肘和腕关节的轴方向平行且垂直于球台的表面。
6.按权利要求5所述的系统，其特征在于肩关节角、肘关节角、腕关节角分别为[-π/2，π/2]、[-3π/4，3π/4]、[-3π/4，3π/4]。
7.按权利要求4所述的系统，其特征在于球拍固定在末端手上，可上下移动并锁紧，调整球拍离台面的距离。
8.按权利要求1所述的系统，其特征在于所述机械手的水平截面宽度小于桌上曲棍球的直径。
专利摘要一种桌上曲棍球机器人系统，包括视觉系统，用于观察桌上曲棍球的位置；计算机控制系统，用于处理视觉系统采集的图像，预测球体运动轨迹，控制机械手的运动；机械手，用于完成击球动作。本实用新型一方面可以推进这项娱乐体育运动的发展，另一方面可以为各研究机构提供开发图像处理、人机交互、学习、智能控制等算法的试验平台。该成果可以作为体育运动与高科技结合的展示平台。
文档编号B25J9/06GK2649274SQ200320100888
公开日2004年10月20日 申请日期2003年10月29日 优先权日2003年10月29日
发明者赵冬斌, 易建强 申请人:中国科学院自动化研究所