CN105108757B - 基于智能手机的轮式足球机器人及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于智能手机的轮式足球机器人及其操作方法，它包括机器人底盘装置，机器人底盘装置的头部安装有持球机构，持球机构上安装有避障系统，主控制系统安装在机器人底盘装置靠近尾部的上表面，摄像头跟随系统安装在机器人底盘装置靠近头部的上表面，主控制系统能够接受、处理摄像头跟随系统传输的图像信号以及避障系统所检测的位置信号，进而控制机器人底盘装置和持球机构的动作。该轮式足球机器人结合了智能手机，给人带来一种全新且智能化的娱乐体验。
Description
技术领域
本发明涉及一种轮式足球机器人，尤其涉及把智能手机的传感器测量和高速运算功能结合到足球定位、抓取和击打的机器人。
背景技术
随着更多智能化的足球机器人面世，而且智能足球机器人经常进行比赛，且具有极高的观赏性和趣味性，但是市场的足球机器人因为视觉传感器价格昂贵，且机械结构复杂，导致其价格高昂，从而使得消费市场很小。
随着互联网时代到来，越来越多的人使用智能手机，并且现在智能手机的摄像头具有很强图像处理的功能，而将智能手机与足球机器人结合，会给人带来一种新颖的娱乐方式。
发明内容
本发明提供了基于智能手机的轮式足球机器人及其操作方法，该轮式足球机器人结合了智能手机，给人带来一种全新且智能化的娱乐体验。
为了实现上述的技术特征，本发明所采用的技术方案为：基于智能手机的轮式足球机器人，它包括机器人底盘装置，机器人底盘装置的头部安装有持球机构，持球机构上安装有避障系统，主控制系统安装在机器人底盘装置靠近尾部的上表面，摄像头跟随系统安装在机器人底盘装置靠近头部的上表面，主控制系统能够接受、处理摄像头跟随系统传输的图像信号以及避障系统所检测的位置信号，进而控制机器人底盘装置和持球机构的动作。
所述主控制系统包括电源，电源通过与降压模块和稳压模块相连并同时为主控制器、电机驱动模块、主控制器扩展板和蓝牙模块供电，电机驱动模块与主控制器相连控制机器人底盘装置的车轮转动，蓝牙模块能够与智能手机的蓝牙通过无线传输信号相连。
所述摄像头跟随系统包括智能手机，智能手机通过塑料紧固螺钉固定在手机支架上，手机支架与舵机U型支架相连，舵机通过舵机支架固定在机器人底盘装置上，通过开启智能手机上前置摄像头应用程序，摄像头识别发光球颜色并计算发光球大小，以及发光球在摄像头视野中心上下及左右的偏差距离，并将采集到的这些数据通过OTG线传输到主控制系统，通过主控制系统的主控制器计算上下偏差距离，控制舵机转动，从而带动智能手机跟随发光球上下摆动，达到跟随效果。
所述持球机构包括两个L型支架，L型支架固定安装在机器人底盘装置头部的左右两侧面，180度舵机安装在L型支架的顶部，180度舵机的输出轴与其中一个卡爪相连。
所述卡爪共有两个呈对称安装，都采用四连杆机构，并通过齿轮啮合保证其动作的同步，实现球体的夹持动作。
所述避障系统包括左右各一个红外线传感器，红外线传感器通过传感器支架固定在持球机构的L型支架上，红外线传感器能够检测到其与障碍物之间的距离，并将距离信号传输到主控制器。
所述机器人底盘装置包括底盘支架，底盘支架上安装有底盘上板，底盘上板的左右两侧面安装有电机支架，电机支架上安装有电机，电机通过联轴器与车轮相连，电池安装在底盘上板的中部为电机提供电能，底盘上板的头部安装有两个立柱，立柱之间安装有万向轮。
一种用于操作基于智能手机的轮式足球机器人的方法，包括以下步骤：
按下降压模块上的电源开关，启动轮式机器人；
开启智能手机，并点击进入相应的手机应用；
智能手机的前置摄像头可以自动开启，通过智能手机的摄像头捕捉其视野中的已标记的带颜色球体；
智能手机将球体图像通过OTG线将数据传给主控制器，主控制器计算球体距离摄像头视野中心上下偏差，再控制舵机的转动，进而调节智能手机的俯仰角度，捕捉球体的位置信息；
主控制器计算摄像头视野中球体面积大小，以及到摄像头视野中心左右的偏差，来控制两个电机的转速，实现机器人的前进和转弯；
当物体进入摄像头视野正中央，且球体面积大小达到目标值时候，主控制器控制持球机构上的180度舵机转动，从而使得卡爪闭合，准确将球夹住，舵机202转动，智能手机恢复到初始位置；
机器人原地慢速旋转，并通过摄像头寻找已标记了与球体颜色不同的球门，当摄像头捕捉到球门后，往球门方向运动；
当球门位于摄像头视野正中央，并且球门面积大小达到目标值时候，主控制器控制持球机构上的180度舵机转动，从而使得卡爪松开，舵机转动，智能手机恢复到初始位置；
两个电机同时同速度反转，机器人后退一段距离后停止，然后开始加速前进，撞击到球后，立刻反转制动，完成击球动作。
本发明有如下有益效果：
此基于智能手机的轮式机器人，将智能手机摄像头图像采集和图像分析功能相结合，通过主控制系统对采集到的图像信号进行分析和处理，从而控制机器人的运动，轮式足球机器人以简单的机械结构达到追踪发光球，对发光球进行夹持，对发光球进行转移运动，对发光球进行定位击打等功能，使得智能手机的娱乐形式更富有科技感，同时也的足球机器人娱乐方式更加智能化，并且充分运用了智能手机摄像头以及距离传感器等功能，使得制造成本大大降低。
上述主控制系统包括电源，电源通过与降压模块和稳压模块相连并同时为主控制器、电机驱动模块、主控制器扩展板和蓝牙模块供电，通过降压模块进行降压操作能够为主控制系统中的各个不同控制模块提供稳定的电压，电机驱动模块与主控制器相连控制机器人底盘装置的车轮转动，进而控制机器人的行走，蓝牙模块能够与智能手机的蓝牙通过无线传输信号相连，从而方便了用手机来控制机器人。
上述摄像头跟随系统包括智能手机，智能手机通过塑料紧固螺钉固定在手机支架上，手机支架与舵机U型支架相连，舵机通过舵机支架固定在机器人底盘装置上，通过开启智能手机上前置摄像头应用程序，摄像头识别发光球颜色并计算发光球大小，以及发光球在摄像头视野中心上下及左右的偏差距离，并将采集到的这些数据通过OTG线传输到主控制系统，通过主控制系统的主控制器计算上下偏差距离，控制舵机转动，从而带动智能手机跟随发光球上下摆动，达到跟随效果。
上述的智能手机有前置摄像头应用程序，是通过Processing软件开发的一款手机应用，这款手机应用自动开启智能手机前置摄像头捕捉其视野中的已标记的带颜色物体，并计算物体的大小以及到摄像头视野中心上下及左右的偏差距离。上述的舵机能够在主控制器的作用转动，通过转动进而带动智能手机在一定角度内进行俯仰动作，进而能够时时的捕捉发光球的位置。
上述持球机构包括两个L型支架，L型支架固定安装在机器人底盘装置头部的左右两侧面，180度舵机安装在L型支架的顶部，180度舵机的输出轴与其中一个卡爪相连。通过卡爪能够对物体进行夹持动作，进而带动物体跟随机器人一起移动。
上述卡爪共有两个呈对称安装，都采用四连杆机构，并通过齿轮啮合保证其动作的同步，实现球体的夹持动作。
上述避障系统包括左右各一个红外线传感器，红外线传感器通过传感器支架固定在持球机构的L型支架上，红外线传感器能够检测到其与障碍物之间的距离，并将距离信号传输到主控制器。红外线传感器将检测到的距离信号传输到主控制系统，进而控制机器人的运动，可以通过控制电机的转动带动车轮的转动，对机器人进行前行、转弯、停止和后退等动作。
上述机器人底盘装置包括底盘支架，底盘支架上安装有底盘上板，底盘上板的左右两侧面安装有电机支架，电机支架上安装有电机，电机通过联轴器与车轮相连，电池安装在底盘上板的中部为电机提供电能，底盘上板的头部安装有两个立柱，立柱之间安装有万向轮。通过机器人底盘装置能够实现机器人的行走。
上述主控制系统通过处理发光球到智能手机摄像头视野中心左右偏离的数据，控制左右两个电机的正反转，从而使机器人灵活运动，并追踪发光球。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的主控制系统以及摄像头跟随系统结构示意图。
图3为本发明的持球机构和避障系统的结构示意图。
图4为本发明的机器人底盘结构示意图。
图5为本发明的控制系统原理图。
图中：主控制系统10、摄像头跟随系统20、持球机构30、避障系统40、底盘装置50。
电机驱动模块101、降压模块102、主控制器103、稳压模块104、主控制器扩展板105、蓝牙模块106。
舵机支架201、舵机202、舵机U型支架203、手机支架204、塑料紧固螺钉205、智能手机206。
L型支架301、180度舵机302、卡爪303。
传感器支架401、红外线传感器402。
底盘上板501、车轮502、电机支架503、底盘支架504、电机505、底板支架506、电池507、立柱508、万向轮509。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
本发明的实施方法涉及一种基于智能手机的轮式足球机器人，如图1所示，它包括机器人底盘装置50，机器人底盘装置50的头部安装有持球机构30，持球机构30上安装有避障系统40，主控制系统10安装在机器人底盘装置50靠近尾部的上表面，摄像头跟随系统20安装在机器人底盘装置50靠近头部的上表面，主控制系统10能够接受、处理摄像头跟随系统20传输的图像信号以及避障系统40所检测的位置信号，进而控制机器人底盘装置50和持球机构30的动作。
如图2，主控制系统10包括电源，电源通过与降压模块102和稳压模块104相连并同时为主控制器103、电机驱动模块101、主控制器扩展板105和蓝牙模块106供电，通过降压模块102进行降压操作能够为主控制系统10中的各个不同控制模块提供稳定的电压，电机驱动模块101与主控制器103相连控制机器人底盘装置50的车轮502转动，进而控制机器人的行走，蓝牙模块106能够与智能手机的蓝牙通过无线传输信号相连，从而方便了用手机来控制机器人。
进一步的，摄像头跟随系统20包括智能手机206，智能手机206通过塑料紧固螺钉205固定在手机支架204上，手机支架204与舵机U型支架203相连，舵机202通过舵机支架201固定在机器人底盘装置50上，通过开启智能手机206上前置摄像头应用程序，摄像头识别发光球颜色并计算发光球大小，以及发光球在摄像头视野中心上下及左右的偏差距离，并将采集到的这些数据通过OTG线传输到主控制系统10，通过主控制系统10的主控制器103计算上下偏差距离，控制舵机202转动，从而带动智能手机206跟随发光球上下摆动，达到跟随效果。
进一步的，上述的智能手机206有前置摄像头应用程序，是通过Processing软件开发的一款手机应用，这款手机应用自动开启智能手机前置摄像头捕捉其视野中的已标记的带颜色物体，并计算物体的大小以及到摄像头视野中心上下及左右的偏差距离。上述的舵机202能够在主控制器103的作用转动，通过转动进而带动智能手机206在一定角度内进行俯仰动作，进而能够时时的捕捉发光球的位置。
如图3，持球机构30包括两个L型支架301，L型支架301固定安装在机器人底盘装置50头部的左右两侧面，180度舵机302安装在L型支架301的顶部，180度舵机302的输出轴与其中一个卡爪303相连。通过卡爪303能够对物体进行夹持动作，进而带动物体跟随机器人一起移动。
进一步的，上述卡爪303共有两个呈对称安装，都采用四连杆机构，并通过齿轮啮合保证其动作的同步，实现球体的夹持动作。
进一步的，上述避障系统40包括左右各一个红外线传感器402，红外线传感器402通过传感器支架401固定在持球机构30的L型支架301上，红外线传感器402能够检测到其与障碍物之间的距离，并将距离信号传输到主控制器103。红外线传感器402将检测到的距离信号传输到主控制系统10，进而控制机器人的运动，可以通过控制电机505的转动带动车轮502的转动，对机器人进行前行、转弯、停止和后退等动作。
如图4，机器人底盘装置50包括底盘支架504，底盘支架504上安装有底盘上板501，底盘上板501的左右两侧面安装有电机支架503，电机支架503上安装有电机505，电机505通过联轴器与车轮502相连，电池507安装在底盘上板501的中部为电机505提供电能，底盘上板501的头部安装有两个立柱508，立柱508之间安装有万向轮509。通过机器人底盘装置能够实现机器人的行走。
如图5，一种用于操作基于智能手机的轮式足球机器人的方法，包括以下步骤：
（1）按下降压模块上102的电源开关，启动轮式机器人。
（2）开启智能手机206，并点击进入相应的手机应用。
（3）智能手机206的前置摄像头可以自动开启，通过智能手机206的摄像头捕捉其视野中的已标记的带颜色球体。
（4）智能手机206将球体图像通过OTG线将数据传给主控制器103，主控制器103计算球体距离摄像头视野中心上下偏差，再控制舵机202的转动，进而调节智能手机206的俯仰角度，捕捉球体的位置信息。
（5）主控制器103计算摄像头视野中球体面积大小，以及到摄像头视野中心左右的偏差，来控制两个电机505的转速，实现机器人的前进和转弯。
（6）当物体进入摄像头视野正中央，且球体面积大小达到目标值时候，主控制器103控制持球机构30上的180度舵机302转动，从而使得卡爪303闭合，准确将球夹住，舵机202转动，智能手机206恢复到初始位置。
（7）机器人原地慢速旋转，并通过摄像头寻找已标记了与球体颜色不同的球门，当摄像头捕捉到球门后，往球门方向运动。
（8）当球门位于摄像头视野正中央，并且球门面积大小达到目标值时候，主控制器103控制持球机构30上的180度舵机302转动，从而使得卡爪303松开，舵机202转动，智能手机206恢复到初始位置。
（9）两个电机505同时同速度反转，机器人后退一段距离后停止，然后开始加速前进，撞击到球后，立刻反转制动，完成击球动作。
Claims (7)
1.基于智能手机的轮式足球机器人，其特征在于：它包括机器人底盘装置（50），机器人底盘装置（50）的头部安装有持球机构（30），持球机构（30）上安装有避障系统（40），主控制系统（10）安装在机器人底盘装置（50）靠近尾部的上表面，摄像头跟随系统（20）安装在机器人底盘装置（50）靠近头部的上表面，主控制系统（10）能够接受、处理摄像头跟随系统（20）传输的图像信号以及避障系统（40）所检测的位置信号，进而控制机器人底盘装置（50）和持球机构（30）的动作；
所述摄像头跟随系统（20）包括智能手机（206），智能手机（206）通过塑料紧固螺钉（205）固定在手机支架（204）上，手机支架（204）与舵机U型支架（203）相连，舵机（202）通过舵机支架（201）固定在机器人底盘装置（50）上，通过开启智能手机（206）上前置摄像头应用程序，摄像头识别发光球颜色并计算发光球大小，以及发光球在摄像头视野中心上下及左右的偏差距离，并将采集到的这些数据通过OTG线传输到主控制系统（10），通过主控制系统（10）的主控制器（103）计算上下偏差距离，控制舵机（202）转动，从而带动智能手机（206）跟随发光球上下摆动，达到跟随效果。
2.根据权利要求1所述的基于智能手机的轮式足球机器人，其特征在于：所述主控制系统（10）包括电源，电源通过与降压模块（102）和稳压模块（104）相连并同时为主控制器（103）、电机驱动模块（101）、主控制器扩展板（105）和蓝牙模块（106）供电，电机驱动模块（101）与主控制器（103）相连控制机器人底盘装置（50）的车轮（502）转动，蓝牙模块（106）能够与智能手机的蓝牙通过无线传输信号相连。
3.根据权利要求1所述的基于智能手机的轮式足球机器人，其特征在于：所述持球机构（30）包括两个L型支架（301），L型支架（301）固定安装在机器人底盘装置（50）头部的左右两侧面，180度舵机（302）安装在L型支架（301）的顶部，180度舵机（302）的输出轴与其中一个卡爪（303）相连。
4.根据权利要求3所述的基于智能手机的轮式足球机器人，其特征在于：所述卡爪（303）共有两个呈对称安装，都采用四连杆机构，并通过齿轮啮合保证其动作的同步，实现球体的夹持动作。
5.根据权利要求1所述的基于智能手机的轮式足球机器人，其特征在于：所述避障系统（40）包括左右各一个红外线传感器（402），红外线传感器（402）通过传感器支架（401）固定在持球机构（30）的L型支架（301）上，红外线传感器（402）能够检测到其与障碍物之间的距离，并将距离信号传输到主控制器（103）。
6.根据权利要求1所述的基于智能手机的轮式足球机器人，其特征在于：所述机器人底盘装置（50）包括底盘支架（504），底盘支架（504）上安装有底盘上板（501），底盘上板（501）的左右两侧面安装有电机支架（503），电机支架（503）上安装有电机（505），电机（505）通过联轴器与车轮（502）相连，电池（507）安装在底盘上板（501）的中部为电机（505）提供电能，底盘上板（501）的头部安装有两个立柱（508），立柱（508）之间安装有万向轮（509）。
7.一种用于操作权利要求1所述基于智能手机的轮式足球机器人的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）按下降压模块上（102）的电源开关，启动轮式机器人；
（2）开启智能手机（206），并点击进入相应的手机应用；
（3）智能手机（206）的前置摄像头可以自动开启，通过智能手机（206）的摄像头捕捉其视野中的已标记的带颜色球体；
（4）智能手机（206）将球体图像通过OTG线将数据传给主控制器（103），主控制器（103）计算球体距离摄像头视野中心上下偏差，再控制舵机(202)的转动，进而调节智能手机（206）的俯仰角度，捕捉球体的位置信息；
（5）主控制器（103）计算摄像头视野中球体面积大小，以及到摄像头视野中心左右的偏差，来控制两个电机（505）的转速，实现机器人的前进和转弯；
（6）当物体进入摄像头视野正中央，且球体面积大小达到目标值时候，主控制器（103）控制持球机构（30）上的180度舵机（302）转动，从而使得卡爪（303）闭合，准确将球夹住，舵机(202)转动，智能手机（206）恢复到初始位置；
（7）机器人原地慢速旋转，并通过摄像头寻找已标记了与球体颜色不同的球门，当摄像头捕捉到球门后，往球门方向运动；
（8）当球门位于摄像头视野正中央，并且球门面积大小达到目标值时候，主控制器（103）控制持球机构（30）上的180度舵机（302）转动，从而使得卡爪（303）松开，舵机(202)转动，智能手机（206）恢复到初始位置；
（9）两个电机（505）同时同速度反转，机器人后退一段距离后停止，然后开始加速前进，撞击到球后，立刻反转制动，完成击球动作。
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