CN105148528B - 一种模块化足球机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模块化足球机器人，包括全向移动底盘、带球装置、踢球装置与顶层视觉装置。全向移动底盘用于机器人的移动，其上安装有带球装置、踢球装置与顶层视觉装置。带球装置通过电机驱动两滚轮由前向后转动，使足球始终与两滚轮贴合。踢球装置安装在带球装置上部，通过电磁铁控制击球杆前后摆动，实现击球杆向前迅速推动足球运动；且通过电机驱动击球杆的上下位置可调，实现不同射门角度的调节。顶层视觉装置位于最上部，通过反射镜场地上的图像信息，由相机采集传输至控制系统，确定下一步目标位置；本发明的优点为：足球机器人全向移动底盘，采用模块化结构，合理利用空间，装拆方便，结构紧凑。

Description

一种模块化足球机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种足球机器人，采用模块化设计，能够快速准确地到达目标位置，能够实现有效接球并完成主动带球前进、后退、转身等动作，以及实现足球机器人的传球和以期望出射角度射门两种动作。

背景技术

足球机器人比赛一直是足球机器人比赛的重要项目；足球机器人中，全向移动底盘是足球机器人的基础组成部分。在移动平台上合理利用空间以及在比赛时机器人能快速准确地到达目标位置是在机器人足球比赛中取胜的关键之一。同时，在足球机器人比赛中，带球能力是机器人的取胜关键因素之一。同时，足球机器人传球以及在比赛场地的不同位置把球准确射入对方球门也是是取胜关键之一。

目前足球机器人中，大多数全向移动底盘存在结构复杂、空间利用不合理、灵活度不高等缺点，从而限制了足球机器人的进攻能力。同时大多数足球机器人普遍存在足球机器人接不到球、球卡入机器人底部、失球等问题；且足球机器人的踢球装置存在结构复杂、踢球力度不够、灵活度不高等缺点，从而限制了足球机器人的进攻能力。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明提出一种足球机器人，采用模块化结构，合理利用空间，装拆方便，结构紧凑、易于实现。

本发明一种模块化足球机器人，包括全向移动底盘、带球装置、踢球装置。

所述全向移动底盘通过底盘驱动电机驱动底盘周向上安装的个全向轮转动，实现运动控制。

所述带球装置包括固定支架以及两套传动机构、两套弹簧缓冲组件与两套红外检测组件。其中，固定支架上表面左右两侧各安装有一套传动机构，且传动机构左右对称设置。传动机构包括安装臂驱动电机、安装臂、小带轮、同步带、大带轮、橡胶滚轮和轴承座。轴承座固定安装在固定支架上表面，轴承座与安装臂后端铰接；安装臂驱动电机固定安装在安装臂后端，输出轴上安装小带轮；小带 轮通过同步带与大带轮相连，大带轮安装在安装臂前端的转轴上，转轴上还安装有橡胶滚轮。上述两套传动机构中，两个橡胶滚轮均位于固定支架前方，且两滚轮间距小于足球的直径。

所述两套弹簧缓冲组件安装在固定支架中部设计的两块竖直安装侧板上；且分别与两套传动机构相连。弹簧缓冲组件包括弹簧、弹簧架。其中，弹簧架固定安装在安装侧板上，弹簧前端与安装臂前端上表面铰接；后端与弹簧转接架铰接；所述两套红外检测组件安装在固定支架下表面中部，探测端朝向前方。上述结构带球装置架设在全向移动底盘上。

所述踢球装置包括机架、曲柄滑块机构与击球机构。其中，曲柄滑块机构包括伺服电机、滑块导轨、丝杠、滑块、支座、连杆与射门升降架。滑块导轨沿前后方向安装在机架中导轨固定架顶面；丝杠与滑块导轨平行设置；丝杠上套接有滑块；同时滑块还与滑块导轨滑动连接；丝杠后端与伺服电机输出轴相连；滑块顶面固定安装有支座，支座与连杆后端铰接，连杆前端连接射门升降架。

所述射门升降架为U型结构，后部两端分别与机架左右侧面铰接。射门升降架前部设计有曲柄，曲柄端部与连杆前端铰接；射门升降架前部安装击球机构。

所述击球机构包括击球杆与推力机构。其中，击球杆一端与射门升降架前部铰接；推力机构安装在机架上，具有前后移动的推杆，推杆端部与击球杆后侧壁接触。

上述结构踢球装置通过机架固定安装在带球装置的安装底座上，位于两安装侧板之间，且使击球杆朝向前方，在击球杆处于竖直状态时，位于带球装置中两橡胶滚轮后方。

本发明的优点为：

1、本发明模块化足球机器人，采用模块化设计，合理利用空间，装拆方便，结构紧凑、易于实现；

2、本发明模块化足球机器人中，带球装置的橡胶滚轮存在上下活动的空间，根据球与带球装置碰撞力的不同，自动调节橡胶滚轮与足球间的接触位置，避免足球在向后高速旋转时把机器人顶起，同时使橡胶滚轮和球面始终保持贴紧；且可通过调节杆调整橡胶滚轮的初始高度，调整橡胶滚轮和球之间的压紧力；同时，通过红外检测组件检测带球装置前方是否存在足球；

3、本发明模块化足球机器人中，踢球装置可通过控制电磁铁快速顶出击球杆及其上的击球板，实现足球机器人传球或以期望出射角度射门；踢球装置，结 构紧凑、易于实现，踢球装置可以快速安装于足球机器人上。

附图说明

图1为本发明模块化足球机器人整体结构示意图；

图2为本发明模块化足球机器人中全向移动底盘结构示意图；

图3为本发明模块化足球机器人中带球装置结构正视图；

图4为本发明模块化足球机器人中带球装置结构俯视图；

图5为本发明模块化足球机器人中踢球装置结构示意图；

图6为踢球装置中机架结构示意图。

图中：

1-全向移动底盘 2-带球装置 3-踢球装置

4-顶层视觉装置 101-底盘驱动电机 102-全向轮

201-固定支架 202-传动机构 203-弹簧缓冲组件

204-红外检测组件 205-调节杆 201a-底座

201b-支撑板 201c-侧板 201d-立柱

202a-安装臂驱动电机 202b-安装臂 202c-小带轮

202d-同步带 202e-大带轮 202f-橡胶滚轮

202g-轴承座 203a-弹簧 203b-弹簧转接架

203c-弹簧固定架 204a-传感器 204b-传感器支架

301-机架 302-曲柄滑块机构 303-击球机构

301a-导轨固定架 301b-底座 301c-左侧板

301d-右侧板 302a-伺服电机 302b-联轴器

302c-滑块导轨 302d-丝杠 302e-滑块

302f-支座 302g-连杆 302h-射门升降架

302i-连接块 302j-曲柄 303a-击球杆

303b-电磁铁 303c-击球板 401-安装平台

402-加固块 403-支撑杆 404-顶座

405-底板 406-相机支撑架 407-滑杆

408-遮光板 409-全景反射镜

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明模块化足球机器人，采用模块化设计，包括全向移动底盘1、带球装 置2、踢球装置3与顶层视觉装置4，如图1所示。

所述全向移动底盘1用于支撑带球装置2、踢球装置3与顶层视觉装置4，且通过底盘驱动电机101驱动底盘周向上安装的3个全向轮102转动，实现足球机器人的运动控制，如图2所示。

所述带球装置2包括固定支架201以及两套传动机构202、两套弹簧缓冲组件203与两套红外检测组件204，如图3所示。

其中，固定支架201为由支撑底座201a、支撑板201b、安装侧板201c、立柱201d构成的一体结构，作为传动机构202、弹簧缓冲组件203和红外检测组件204的固定支架201。其中，支撑底座201a水平设置。支撑板201b为两块，令为左支撑板与右支撑板；左支撑板与右支撑板均水平设置，分别与支撑底座201a左右两侧相接。左支撑板与右支撑板分别用来支撑一套传动机构202。安装侧板201c为两块，令为左安装侧板与右安装侧板；左安装侧板与右安装侧板相互平行，且垂直与支撑底座201a上表面设置，分别与支撑底座201a上表面相接，分别用来安装一套弹簧缓冲组件2033。立柱201d包括左立柱201d、中间立柱201d与右立柱201d，均垂直于支撑底座201a设置；左立柱201d、中间立柱201d与右立柱201d顶端分别与左支撑板201b、支撑底座201a、右支撑板201b的下表面相接。左立柱201d、中间立主与右立柱201d底端固定安装在全向移动底盘1上。

所述两套传动机构202均包括安装臂驱动电机202a、安装臂202b、小带轮202c、同步带202d、大带轮202e、橡胶滚轮202f和轴承座202g。其中，安装臂202b后端与固定在支撑板201b上的轴承座202g间铰接；安装臂驱动电机202a的壳体固定安装在安装臂202b后端，输出轴位于安装臂202b上开设的传动槽内，且输出轴上同轴固定安装有小带轮202c。安装臂202b前端通过轴承安装有转轴；转轴外端同轴固定安装有大带轮202e；大带轮202e与小带轮202c间通过同步带202d套接；且大带轮202e与传动带同样位于传动槽内。转轴内端同轴固定安装有橡胶滚轮202f。上述两套传动机构202左右对称设置；两套传动机构202中，两个橡胶滚轮202f均位于固定支架201前方，两安装臂202b前端相对倾斜，使两安装臂202b间形成60度夹角，如图2所示，且两橡胶滚轮202f间距小于足球的直径。由此，当足球与两套传动机构2022中橡胶辊轮接触后，通过安装臂驱动电机202a驱动小带轮202c与大带轮202e间同步转动，进而带动橡胶滚轮202f同步由前向后转动，进而可带动足球向后旋转。本发明中在两个支撑板201b各安装有一个调节杆205，调节杆205垂直于支撑板201b设置，与支撑板201b间螺纹连接；且调节杆205一端由 支撑板201b上表面伸出，与安装臂202b前端下表面接触。由此，通过调节杆205实现安装臂202b前端竖直高度的定位，进而实现橡胶滚轮202f竖直高度的定位；且通过旋动调节杆205，实现安装臂202b前端竖直高度的调节，进而实现橡胶滚轮202f竖直高度的调节。

所述两套弹簧缓冲组件203均包括弹簧203a、弹簧转接架203b和弹簧固定架203c。其中，弹簧固定架203c前端固定安装安装侧板201c上，弹簧固定架203c后端固定安装有弹簧转接架203b。弹簧203a前端与传动机构202中安装臂202b前端上表面铰接；后端与弹簧转接架203b铰接。通过弹簧缓冲组件203使橡胶滚轮202f存在上下活动的空间，且根据足球与橡胶滚轮202f间碰撞力的不同，自动调节橡胶滚轮202f的位置，避免足球在向后高速旋转时把机器人顶起。同时在弹簧203a的作用下，可使橡胶滚轮202f与足球球面贴紧。

两套红外检测组件204均包括传感器204a与传感器支架204b；分别安装在固定支架201中支撑底座201a下表面左右两侧。其中，传感器204a采用红外传感器204a，固定安装在传感器支架204b上，传感器支架204b固定安装在支撑底座201a下表面前部，且使传感器204a的探测端朝前，通过传感器204a对带球装置2前方是否存在足球进行检测。

本发明带球装置2在初次使用时，通过旋动调节杆205，可以使安装臂202b绕轴承座202g旋转，改变橡胶滚轮202f的初始高度，进而调整橡胶滚轮202f和足球之间的压紧力。当传感器204a检测到前方存在足球时，启动传动机构2022中的安装臂驱动电机202a，驱动橡胶滚轮202f以一定速度转动，且橡胶滚轮202f与足球接触点处的速度方向是由前到后；足球在橡胶滚轮202f的带动下向后旋转，使得机器人在前进、后退或转身时，都能使足球跟随机器人运动。当传感器204a检测到前方不存在足球时，关闭传动机构202中的安装臂驱动电机202a，节约电能。

所述踢球装置3包括机架301、曲柄滑块机构302与击球机构303，如图5所示。其中，机架301包括导轨固定架301a、底座301b、左侧板301c与右侧板301d，如图6所示；导轨固定架301a与底座301b上下设置。左侧板301c与右侧板301d竖直设置。左侧板301c同时与导轨固定架301a左端、底座301b左端固连；右侧板301d同时与导轨固定架301a右端、底座301b右端固连；由此形成整体机架301结构，用于安装及支撑曲柄滑块机构302和击球机构303。

曲柄滑块机构302包括伺服电机302a、联轴器302b、滑块导轨302c、丝杠302d、 滑块302e、支座302f、连杆302g、射门升降架302h与连接块302i。

其中，滑块导轨302c为两条，两条滑块导轨302c平行设置，固定安装在机架301中导轨固定架301a顶面沿前后方向开设的凹槽内。丝杠302d与两条滑块导轨302c平行设置，前后两端通过轴承与丝杠支架相连，丝杠支架安装在导轨固定架301a上表面。丝杠302d上套接有滑块302e，构成螺旋副；同时滑块302e还与两条滑块导轨302c滑动连接，构成移动副；通过滑块导轨302c实现滑块302e的运动导向。丝杠302d后端通过联轴器302b与伺服电机302a输出轴相连。由此通过伺服电机302a驱动丝杠302d转动，带动滑块302e沿滑块导轨302c移动。滑块302e顶面固定安装有支座302f，支座302f与连杆302g后端通过后销轴铰接，连杆302g前端用来连接射门升降架302h。所述射门升降架302h为左右对称的U型结构，后部两端分别与左安装侧板201c和右安装侧板201c侧壁间通过升降结构轴销铰接；射门升降架302h前部设计垂直于射门升降架302h上表面的一体化曲柄302j，曲柄302j端部与连杆302g前端通过前轴销铰接。上述射门升降架302h前部还固定安装有连接块302i用来安装击球机构303。由此，通过滑块302e的移动，由连杆302g带动射门升降架302h上下运动，实现击球机构303的上下运动。

所述击球机构303包括击球杆303a、电磁铁303b与击球板303c。其中，击球杆303a一端通过击球杆303a销轴与曲柄滑块机构302中射门升降架302h前部的连接块302i铰接，可实现击球杆303a上下方向的摆动。电磁铁303b固定安装在机架301中的底座201a上表面。在初始状态时，电磁铁303b内的电磁顶杆端部与击球杆303a后侧壁接触，形成高副连接；且击球杆303a轴线垂直于水平面。击球杆303a前侧壁下端固定安装有击球板303c。

通过上述结构踢球装置3，由曲柄滑块机构302中的伺服电机302a通过联轴器302b带动丝杠302d旋转,丝杠302d通过与滑块302e之间的螺旋副带动滑块302e及支座302f在水平方向沿滑块导轨302c前后移动,支座302f通过后销轴带动连杆302g平动,连杆302g通过前销轴带动射门升降板及连接其上的连接块302i绕机架301转动,通过击球板303c销轴铰接在连接块302i上的击球杆303a随之上下移动并在重力作用下保持垂直状态,实现连接在击球杆303a上的击球板303c相对于球心位置在垂直方向的调整。在击球板303c相对于球心位置在垂直方向调整完毕后，击球机构303中的电磁铁303b通电，使电磁顶杆迅速向前推动击球杆303a转动，进而带动击球杆303a下端的击球板303c快速传球或射门。电磁铁303b断电后，电磁顶杆向后缩回复位，击球杆303a在重力作用下绕击球杆303a销轴转动，回复 垂直状态，为下一次击球做好准备。通过控制击球板303c的中心与球心在垂直方向处于不同位置时,在击球机构303的配合下,可实现以期望出射角度射门。

上述结构踢球装置3通过机架301固定安装在带球装置2的安装底座201a上，位于两安装侧板201c之间，且使击球杆303a朝向前方，在击球杆303a处于竖直状态时，位于带球装置2中两橡胶滚轮202f后方。

所述顶层视觉装置4架设在全向移动底盘1上，位于踢球装置3上方，包括安装平台401、加固块402、支撑杆403、顶座404、底板405、相机支撑架406、滑杆407、遮光板408和全景反射镜409，如图1所示。其中，安装平台401通过支柱架设于全向移动底盘1上。支撑杆403至少为3根，在上层支撑板201b周向上均布；支撑杆403底端通过两个加固块402与安装平台401固定，顶端与顶座404固定，实现对顶座404的支撑。顶座404周向均布至少3根滑杆407；滑杆407底端固定于顶座404上，顶端与水平设置的遮光板408固定；遮光板408下表面固定安装有全景反射镜409。底板套在3根滑杆407上，底板上安装有相机支撑架406，相机支撑架406用来安装相机，使相机镜头朝向遮光板408,且使相机镜头轴线与全景反射镜409轴线重合。上述底板可沿滑杆407轴向移动，使底板上下位置可调，进而实现相机镜头与全景反射镜409间距的调节，以使相机成像效果最优。

通过上述结构顶层视觉装置4，使得足球机器人全向移动平台在运行时，场地上的图像信息可经全景反射镜409反射后，实时由相机获取，并传输至控制系统中，进行处理并辨识，确定下一步目标位置；最终通过控制系统控制三组双排全向轮102组件中的电机以不同转速运行，使足球机器人快速移动到目标位置。

本发明模块化足球机器人中，全向移动底盘1、顶层视觉装置4中遮光板408间通过连接框架结构进一步固定，使整体足球机器人结构更加稳固。

Claims (1)

1.一种模块化足球机器人，其特征在于：包括全向移动底盘、带球装置、踢球装置；

所述全向移动底盘通过底盘驱动电机驱动底盘周向上安装的全向轮转动，实现运动控制；

所述带球装置包括固定支架以及两套传动机构、两套弹簧缓冲组件与两套红外检测组件；

所述固定支架上表面左右两侧各安装有一套传动机构，且传动机构左右对称设置；传动机构包括安装臂驱动电机、安装臂、小带轮、同步带、大带轮、橡胶滚轮和轴承座；轴承座固定安装在固定支架上表面，轴承座与安装臂后端铰接；安装臂驱动电机固定安装在安装臂后端，输出轴上安装小带轮；小带轮通过同步带与大带轮相连，大带轮安装在安装臂前端的转轴上，转轴上还安装有橡胶滚轮；上述两套传动机构中，两个橡胶滚轮均位于固定支架前方，且两滚轮间距小于足球的直径；

所述两套弹簧缓冲组件安装在固定支架中部设计的两块竖直安装侧板上；且分别与两套传动机构相连；弹簧缓冲组件包括弹簧、弹簧架；其中，弹簧架固定安装在安装侧板上，弹簧前端与安装臂前端上表面铰接；后端与弹簧转接架铰接；所述两套红外检测组件安装在固定支架下表面中部，探测端朝向前方；上述结构带球装置架设在全向移动底盘上；

所述踢球装置包括机架、曲柄滑块机构与击球机构；其中，曲柄滑块机构包括伺服电机、滑块导轨、丝杠、滑块、支座、连杆与射门升降架；滑块导轨沿前后方向安装在机架中导轨固定架顶面；丝杠与滑块导轨平行设置；丝杠上套接有滑块；同时滑块还与滑块导轨滑动连接；丝杠后端与伺服电机输出轴相连；滑块顶面固定安装有支座，支座与连杆后端铰接，连杆前端连接射门升降架302h；

所述射门升降架为U型结构，后部两端分别与机架左右侧面铰接；射门升降架前部设计有曲柄，曲柄端部与连杆前端铰接；射门升降架前部安装击球机构；

所述击球机构包括击球杆与推力机构；其中，击球杆一端与射门升降架前部铰接；推力机构安装在机架上，具有前后移动的推杆，推杆端部与击球杆后侧壁接触；

上述结构踢球装置通过机架固定安装在带球装置的安装底座上，位于两安装侧板之间，且使击球杆朝向前方，在击球杆处于竖直状态时，位于带球装置中两橡胶滚轮后方；

所述模块化足球机器人还具有顶层视觉装置；顶层视觉装置包括支撑杆、顶座、底板、相机支撑架、滑杆、遮光板和全景反射镜；其中，顶座通过支撑杆架设在上层支撑板上；顶座上安装有滑杆，滑杆，顶端固定安装有遮光板；遮光板下表面固定安装有全景反射镜；底板套接在滑杆上，底板上安装有相机支撑架，相机支撑架上安装有相机，使相机镜头朝向遮光板,且使相机镜头朝向全景反射镜；所述底板与滑杆间滑动连接；

所述两安装臂前端相对倾斜，使两安装臂间形成60度夹角；

所述固定支架下表面左右两侧各安装有一个调节杆，调节杆垂直于固定支架，与固定支架间螺纹连接；且调节杆一端由固定支架上表面伸出，与安装臂前端下表面接触；

初始状态时，所述击球杆轴线垂直于水平面；

所述击球杆前侧壁下端固定安装有击球板；

所述推力机构采用具有电磁顶杆的电磁铁。