CN103736260A - 自动捡网球装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动捡网球装置及其控制方法，包括车体、捡球机构、储球机构、红外避障系统以及控制机构；所述捡球机构设置于车体的前半部，所述储球机构设置于捡球机构的后方，所述控制机构设置于储球机构上，所述红外避障系统设置于车体的前端；其中，所述捡球机构设有相对于车体做竖直方向和水平方向上运动的部件；本发明采用由两个步进电机驱动通过丝杆传动的捡球装置、具有两个辅助万向轮的车体上安装有红外传感器、控制模块采用单片机；红外传感器探测障碍物或网球，通过单片机触发驱动模块驱动车轮避障或驱动步进电机进行捡球。本发明具有结构简单、成品低廉、工作高效的特点。

Description

自动捡网球装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种自动捡网球装置，具体是一种能识别并避开障碍物和探测并捡取储存网球的自动捡网球装置及其控制方法。

背景技术

越来越多的人开始喜欢上网球这一运动，但是对于新手来说，要花很多时间捡球，而且捡球的过程会消耗人们大量的体力精力，没有人希望有趣的网球游戏变成枯燥无聊的捡球。因此研制一台智能捡网球机器人具有很重要的意义。

目前，传统的捡网球车体因为涉及到视觉识别系统需要的成本比较往往比较高，为了克服成本的限制，让更多的自动捡网球装置能被使用，一种低廉简单的自动捡网球装置是需要的。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种自动捡网球装置及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种自动捡网球装置，包括车体、捡球机构、储球机构、红外避障系统以及控制机构；所述捡球机构设置于车体的前半部，所述储球机构设置于捡球机构的后方，所述控制机构设置于储球机构上，所述红外避障系统设置于车体的前端；其中，所述捡球机构设有相对于车体做竖直方向和水平方向上运动的部件。

优选地，所述捡球机构包括捡球装置以及一组对称设置于捡球装置两侧的竖直驱动装置，其中每一组竖直驱动装置均包括步进电机、弹性联轴器和丝杠，所述步进电机通过弹性联轴器与丝杠相连接；所述丝杠与车体相连接；所述捡球装置通过丝杠螺母与丝杠相连接，并通过步进电机的驱动，沿丝杠在竖直方向上运动，从而构成捡球机构竖直方向运动部件；

所述捡球装置包括捡球框以及设置于捡球框上的水平驱动装置，所述捡球框包括框体以及多根按固定间距纵向布置且两端固定在框体上的弹性绳；所述水平驱动装置包括导轨和滑杆，所述导轨为两根，两根导轨平行设置于弹性绳的上方，且固定于框体的左右两侧边上，所述滑杆的两端部分别设置于两根导轨的滑槽上；所述滑杆通过橡皮筋与框架的前侧边相连接，所述滑杆通过细绳与车体相连接，从而构成捡球机构水平方向运动部件。

优选地，所述车体包括底盘、支撑铜柱、两组支撑架、前挡球板、伸出柱以及驱动车轮；所述储球机构包括上底盘；其中：

优选地，所述驱动车轮设置于底盘的下方，所述底盘通过支撑铜柱与上底盘固定连接；

所述每一组支撑架均包括横梁、立柱以及支撑梁，所述立柱为若干根，若干根立柱垂直连接于横梁的下方，所述支撑梁呈一定角度与横梁和立柱固定连接；

所述前挡球板设置于捡球机构和储球机构之间，所述伸出柱为两根，两根伸出柱平行固定于前挡球板左右两侧边的底端上；

所述捡球机构的步进电机与横梁相连接；所述立柱的底端与上底盘固定连接；所述红外避障系统设置于伸出柱的前端；

所述捡球机构的细绳固定于前挡球板上。

优选地，所述储球机构还包括侧挡板和后挡板，所述侧挡板为两块，分别设置于上底盘的左右两侧边上，所述后挡板设置于上底盘的后侧边上，所述上底盘、前挡球板、两块侧挡板和一块后挡板形成用于储球的封闭构架；所述控制机构设置于后挡板上。

优选地，所述驱动车轮包括两组左右对称设置的车轮组，其中，每一组车轮组均包括前后设置的万向轮和驱动轮。

优选地，所述控制系统包括相互连接的控制模块和驱动模块，所述控制模块还与红外避障系统相连接，所述驱动模块还与捡球装置的步进电机以及车体的驱动车轮相连接。

优选地，所述控制系统还包括如下任一个或任多个部件：

-电源，用于与外部电源相连接；

-电池，用于断开外部电源时供电；

-转弯标志位，与控制模块相连接。

优选地，所述红外避障系统包括转弯传感器和测球传感器。

优选地，所述转弯传感器和/或测球传感器通过红外支撑座与伸出柱固定连接。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述自动捡网球装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，车体上电，系统初始化，转弯标志位赋零值，进入捡球循环程序；

步骤2，当测球传感器检测到有球，装置则执行步骤3；当转弯传感器检测到转弯信号，装置则执行步骤4；

步骤3，执行捡球动作，控制模块控制捡球机构的步进电机，使其下降，小球捡起后，步进电机驱动捡球装置上升，网球落入储球机构，捡球动作完成，车体继续前行；

步骤4，控制模块控制车体执行转弯动作；

步骤5，装置重复步骤3和步骤4，直到完成捡球程序。

优选地，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1，控制模块控制转弯标志位自加，然后判断转弯标志位的奇偶性；如果转弯标志位为奇数，则执行步骤4.2，如果转弯标志位为偶数，则执行步骤4.3；

步骤4.2，当转弯标志位为奇数时，装置左转，车体左侧轮停转，车体转过180度后再直走；

步骤4.3，当转弯标志位为偶数时，装置右转，车体右侧轮停转，车体转过180度后再直走。

本发明提供的自动捡网球装置，采用由两个步进电机驱动通过丝杆传动的捡球装置、具有两个辅助万向轮的车体上安装有红外传感器、控制模块采用单片机；红外传感器探测障碍物或网球，信号传递给单片机后，单片机触发驱动模块驱动车轮避障或驱动步进电机进行捡球。

与现有技术相比，本发明具有结构简单、成品低廉、工作高效的特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明自动捡网球装置整体结构示意图；

图2为本发明自动捡网球装置正视图；

图3为本发明自动捡网球装置侧视图；

图4为本发明自动捡网球装置后视图；

图5为本发明自动捡网球装置控制系统示意图；

图6为本发明自动捡网球装置控制流程图；

图7为本发明自动捡网球装置动作流程图。

图中：1为底盘，2为上底盘，3为支撑铜柱，4为电机座，5为车轮电机，6为联轴器，7为车轮，8为万向轮为，9为侧挡板，10为后挡板，11为第一L形铰片，12为立柱，13为横梁，14为支撑梁，15为步进电机，16为弹性联轴器，17为丝杠，18为丝杠螺母，19为捡球装置，20为滑杆，21为橡皮筋，22为细绳，23为导轨，24为第二L形铰片，25为伸出柱，26为红外传感器，27为红外支撑座，28为前挡球板，29为驱动模块，30为控制模块，31为电池，32为电源，33为LED显示屏，34为弹性绳。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图1至图5。

跟据本实施例的一个方面，提供了一种自动捡网球装置，包括车体、捡球机构、储球机构、红外避障系统以及控制机构；所述捡球机构设置于车体的前半部，所述储球机构设置于捡球机构的后方，所述控制机构设置于储球机构上，所述红外避障系统设置于车体的前端；其中，所述捡球机构设有相对于车体做竖直方向和水平方向上运动的部件。

进一步地，所述捡球机构包括捡球装置以及一组对称设置于捡球装置两侧的竖直驱动装置，其中每一组竖直驱动装置均包括步进电机、弹性联轴器和丝杠，所述步进电机通过弹性联轴器与丝杠相连接；所述丝杠与车体相连接；所述捡球装置通过丝杠螺母与丝杠相连接，并通过步进电机的驱动，沿丝杠在竖直方向上运动，从而构成捡球机构竖直方向运动部件；

所述捡球装置包括捡球框以及设置于捡球框上的水平驱动装置，所述捡球框包括框体以及多根按固定间距纵向布置且两端固定在框体上的弹性绳；所述水平驱动装置包括导轨和滑杆，所述导轨为两根，两根导轨平行设置于弹性绳的上方，且固定于框体的左右两侧边上，所述滑杆的两端部分别设置于两根导轨的滑槽上；所述滑杆通过橡皮筋与框架的前侧边相连接，所述滑杆通过细绳与车体相连接，从而构成捡球机构水平方向运动部件。

进一步地，所述车体包括底盘、支撑铜柱、两组支撑架、前挡球板、伸出柱以及驱动车轮；所述储球机构包括上底盘；其中：

进一步地，所述驱动车轮设置于底盘的下方，所述底盘通过支撑铜柱与上底盘固定连接；

所述每一组支撑架均包括横梁、立柱以及支撑梁，所述立柱为若干根，若干根立柱垂直连接于横梁的下方，所述支撑梁呈一定角度与横梁和立柱固定连接；

所述前挡球板设置于捡球机构和储球机构之间，所述伸出柱为两根，两根伸出柱平行固定于前挡球板左右两侧边的底端上；

所述捡球机构的步进电机与横梁相连接；所述立柱的底端与上底盘固定连接；所述红外避障系统设置于伸出柱的前端；

所述捡球机构的细绳固定于前挡球板上。

进一步地，所述储球机构还包括侧挡板和后挡板，所述侧挡板为两块，分别设置于上底盘的左右两侧边上，所述后挡板设置于上底盘的后侧边上，所述上底盘、前挡球板、两块侧挡板和一块后挡板形成用于储球的封闭构架；所述控制机构设置于后挡板上。

进一步地，所述驱动车轮包括两组左右对称设置的车轮组，其中，每一组车轮组均包括前后设置的万向轮和驱动轮。

进一步地，所述控制系统包括相互连接的控制模块和驱动模块，所述控制模块还与红外避障系统相连接，所述驱动模块还与捡球装置的步进电机以及车体的驱动车轮相连接。

进一步地，所述控制系统还包括如下任一个或任多个部件：

-电源，用于与外部电源相连接；

-电池，用于断开外部电源时供电；

-转弯标志位，与控制模块相连接。

进一步地，所述红外避障系统包括转弯传感器和测球传感器。

进一步地，所述转弯传感器和/或测球传感器通过红外支撑座与伸出柱固定连接。

具体为，

如图1所示，车体底盘采用2mm厚的合金板1作为第一层承重板，承重板直接与两个驱动轮相连，并且采用两个万向轮作为导向轮。第一层承重板除作为车体整体的承重外，还用于放置电源等较重的元件。由于第一层承重板要承载整个车体的重量，所以在选择材料的时候，要充分考虑材料的强度和硬度。

车体底盘采用2mm厚的合金板作为第一层承重板，承重板直接与两个驱动轮相连，并且采用两个万向轮作为导向轮。第一层承重板除作为车体整体的承重外，还用于放置电源等较重的元件。由于第一层承重板要承载整个车体的重量，所以在选择材料的时候，要充分考虑材料的强度和硬度。在车体的车身设计中，从整体看主要包括两部分：一部分是储球机构，另一部分是捡球机构。储球机构，作为车体的主体部分，是以一块方形的3mm厚亚克力板为底板，通过四个铜柱和第一层承重板连接。在方形板的四周固定有1mm厚的亚克力板作为侧板，捡到的网球就储存在由方形板和三个侧板形成的封闭构架中。此外，这块方形的亚克力板还是车体的第二层承重板，除用于储球外，在亚克力板后的面还固定着各个电机驱动器、单片机以及各种连接线。而车体的捡球机构主要以铝合金支架为主，固定在第二层承重板上。在第二层承重板的两侧有用L型脚架和螺栓连接的铝合金支柱，两侧支架成对称分布，分别用于固定丝杠电机。在方形板的前面有一块由L形脚架固结的挡板，用于固定传感器支架。挡板的左右两边各固定有一个支架，分别用于固定转弯传感器和测球传感器。在整个车体车身设计过程中，综合各方面的因素，最后决定采用铝合金支架作为车身设计主体，这样设计不仅减轻了车体整体的重量，减轻了电机负担，而且拆卸方便，能够比较方便的进行维修。在材料的选择上也是尽量选择重量较轻而强度相对较大的亚克力板，并且根据用途不同，选取不同厚度的亚克力板，以节约成本。

在车体的车身设计中，从整体看主要包括两部分：一部分是储球机构，另一部分是捡球机构。储球机构，作为车体的主体部分，是以一块方形的3mm厚亚克力板2为底板，通过四个铜柱3和第一层承重板连接。在方形板的四周固定有1mm厚的亚克力板9作为侧板，捡到的网球就储存在由方形板和三个侧板形成的封闭构架中。此外，这块方形的亚克力板还是车体的第二层承重板，除用于储球外，在亚克力板后的面还固定着各个电机驱动器、单片机以及各种连接线。

两个步进电机15分别安装在横梁13上，横梁13与通过L形铰片11固定连接在上底盘2上的立柱12，及支承梁14构成稳定的三角形桁架结构。步进电机15通过弹性联轴器16与丝杆17相连接，且步进电机15与驱动模块29电连接。两根丝杆17分别穿过固定在长方形的捡球装置19两侧的丝杆螺母18，可将丝杆17的旋转运动转化为捡球装置的19的上下运动。捡球装置19内安装有呈固定间距向布置的弹性绳34。捡球装置19的两内侧，安装有一对导轨23，其与弹性绳34平行且位于弹性绳阵列上方。导轨23内安装可沿其做往复运动的滑杆20，滑杆20的前端两侧均连接有橡皮筋21，橡皮筋的另一端固定在捡球装置19的前端框架上；滑杆20的后端两侧均连接有细绳22，细绳的另一端固定在前挡球板28上。当捡球装置19由丝杆17带动往上运动时，由于细绳22一端被固定，滑杆20将被细绳22牵引，在导轨23中由前往后运动，用于将捡到的球拨到位于捡球装置19后方的储球筐中，且此时橡皮筋21处于被拉伸状态。当捡球装置19由丝杆17带动向下运动时，滑杆20将在被拉伸的橡皮筋21的作用下复位，回到捡球装置19的前端。捡球装置19的捡球原理是：捡球装置19的初始位置位于丝杆17最顶端，当其下方有网球时，电机驱动器29控制丝杆按某一方向旋转，捡球装置19由丝杆带动往下运动；安装与捡球装置19内的弹性绳34阵列与网球相接触，在丝杆17向下的驱动力与网球的接触力的共同作用下，与网球相接触的弹性绳34将被撑开，此时捡球装置19继续往下运动，由于弹性绳34与网球的接触面积将随着捡球装置19的下移而变小，弹性绳34在自身弹力作用下回复原状，此时网球便进到捡球装置19内部，即捡球动作完成；当捡球装置19向下运动到最底部时，电机驱动器29控制步进电机15反转，丝杆17带动捡球装置19向上运动，且滑杆20也在细绳22的牵引下由前往后运动，当捡球装置19向上运动至丝杆17顶端时，滑杆20运动至捡球装置19最后端，网球将被推入储球筐中，且电机驱动器29停止驱动电机。

控制系统包括控制器MCU(微控制器)和红外传感器，其中控制器MCU为51单片机，红外传感器用于检测是否有球及捡球车是否到达球场边界。控制模块根据传感器的信号及自身的路径设计判断是否执行捡球工作或拐弯动作。控制模块的输出直接连接步进电机的驱动。其中车体的行走需要两个步进电机驱动，车体转弯通过使其中一轮停转来实现；捡球机构通过两个丝杆电机实现上下运动。控制模块通过步进电机驱动器控制电机的正反转和启停。

请同时参阅图6和图7。

根据本实施例的另一个方面提供了一种上述自动捡网球装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，车体上电，系统初始化，转弯标志位赋零值，进入捡球循环程序；

步骤2，当测球传感器检测到有球，装置则执行步骤3；当转弯传感器检测到转弯信号，装置则执行步骤4；

步骤3，执行捡球动作，控制模块控制捡球机构的步进电机，使其下降，小球捡起后，步进电机驱动捡球装置上升，网球落入储球机构，捡球动作完成，车体继续前行；

步骤4，控制模块控制车体执行转弯动作；

步骤5，装置重复步骤3和步骤4，直到完成捡球程序。

优选地，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1，控制模块控制转弯标志位自加，然后判断转弯标志位的奇偶性；如果转弯标志位为奇数，则执行步骤4.2，如果转弯标志位为偶数，则执行步骤4.3；

步骤4.2，当转弯标志位为奇数时，装置左转，车体左侧轮停转，车体转过180度后再直走；

步骤4.3，当转弯标志位为偶数时，装置右转，车体右侧轮停转，车体转过180度后再直走。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种自动捡网球装置，其特征在于，包括车体、捡球机构、储球机构、红外避障系统以及控制机构；所述捡球机构设置于车体的前半部，所述储球机构设置于捡球机构的后方，所述控制机构设置于储球机构上，所述红外避障系统设置于车体的前端；其中，所述捡球机构设有相对于车体做竖直方向和水平方向上运动的部件；

所述捡球机构包括捡球装置以及一组对称设置于捡球装置两侧的竖直驱动装置，其中每一组竖直驱动装置均包括步进电机、弹性联轴器和丝杠，所述步进电机通过弹性联轴器与丝杠相连接；所述丝杠与车体相连接；所述捡球装置通过丝杠螺母与丝杠相连接，并通过步进电机的驱动，沿丝杠在竖直方向上运动，从而构成捡球机构竖直方向运动部件；

所述捡球装置包括捡球框以及设置于捡球框上的水平驱动装置，所述捡球框包括框体以及多根按固定间距纵向布置且两端固定在框体上的弹性绳；所述水平驱动装置包括导轨和滑杆，所述导轨为两根，两根导轨平行设置于弹性绳的上方，且固定于框体的左右两侧边上，所述滑杆的两端部分别设置于两根导轨的滑槽上；所述滑杆通过橡皮筋与框架的前侧边相连接，所述滑杆通过细绳与车体相连接，从而构成捡球机构水平方向运动部件。

2.根据权利要求1所述的自动捡网球装置，其特征在于，所述车体包括底盘、支撑铜柱、两组支撑架、前挡球板、伸出柱以及驱动车轮；所述储球机构包括上底盘；其中：

所述驱动车轮设置于底盘的下方，所述底盘通过支撑铜柱与上底盘固定连接；

所述每一组支撑架均包括横梁、立柱以及支撑梁，所述立柱为若干根，若干根立柱垂直连接于横梁的下方，所述支撑梁呈一定角度与横梁和立柱固定连接；

所述前挡球板设置于捡球机构和储球机构之间，所述伸出柱为两根，两根伸出柱平行固定于前挡球板左右两侧边的底端上；

所述捡球机构的步进电机与横梁相连接；所述立柱的底端与上底盘固定连接；所述红外避障系统设置于伸出柱的前端；

所述捡球机构的细绳固定于前挡球板上。

3.根据权利要求2所述的自动捡网球装置，其特征在于，所述储球机构还包括侧挡板和后挡板，所述侧挡板为两块，分别设置于上底盘的左右两侧边上，所述后挡板设置于上底盘的后侧边上，所述上底盘、前挡球板、两块侧挡板和一块后挡板形成用于储球的封闭构架；所述控制机构设置于后挡板上。

4.根据权利要求2所述的自动捡网球装置，其特征在于，所述驱动车轮包括两组左右对称设置的车轮组，其中，每一组车轮组均包括前后设置的万向轮和驱动轮。

5.根据权利要求2或4所述的自动捡网球装置，其特征在于，所述控制系统包括相互连接的控制模块和驱动模块，所述控制模块还与红外避障系统相连接，所述驱动模块还与捡球装置的步进电机以及车体的驱动车轮相连接。

6.根据权利要求5所述的自动捡网球装置，其特征在于，所述控制系统还包括如下任一个或任多个部件：

-电源，用于与外部电源相连接；

-电池，用于断开外部电源时供电；

-转弯标志位，与控制模块相连接；

-LED显示屏，与控制模块相连接，用于显示捡球数。

7.根据权利要求1或2所述的自动捡网球装置，其特征在于，所述红外避障系统包括转弯传感器和测球传感器。

8.根据权利要求7所述的自动捡网球装置，其特征在于，所述转弯传感器和/或测球传感器通过红外支撑座与伸出柱固定连接。

9.一种权利要求1至8中任一项所述的自动捡网球装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，车体上电，系统初始化，转弯标志位赋零值，进入捡球循环程序；

步骤2，当测球传感器检测到有球，装置则执行步骤3；当转弯传感器检测到转弯信号，装置则执行步骤4；

步骤3，执行捡球动作，控制模块控制捡球机构的步进电机，使其下降，小球捡起后，步进电机驱动捡球装置上升，网球落入储球机构，捡球动作完成，车体继续前行；

步骤4，控制模块控制车体执行转弯动作；

步骤5，装置重复步骤3和步骤4，直到完成捡球程序。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，步骤4包括如下步骤：

步骤4.1，控制模块控制转弯标志位自加，然后判断转弯标志位的奇偶性；如果转弯标志位为奇数，则执行步骤4.2，如果转弯标志位为偶数，则执行步骤4.3；

步骤4.2，当转弯标志位为奇数时，装置左转，车体左侧轮停转，车体转过180度后再直走；

步骤4.3，当转弯标志位为偶数时，装置右转，车体右侧轮停转，车体转过180度后再直走。

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