CN107019883B - 一种机器视觉的网球自动捡球机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器视觉的网球自动捡球机器人，包括捡球装置，控制系统，顶部一侧与捡球装置可拆卸连接的集球箱，以及安装在捡球装置上的辅助捡球机械臂；所述控制系统包括设置在捡球装置与集球箱之间的系统壳，设置在系统壳内的主控MCU，设置在系统壳上并与主控MCU相连的供电单元、显示器单元、避障单元和牵引单元，以及设置在捡球装置顶部中间并与主控MCU相连的双目摄像头；所述捡球装置底部设有前车轮，所述集球箱底部设有后车轮。该机器人智能化程度高，设计灵活，操作简单，可有效降低人力成本，实现高效率捡球。

Description

一种机器视觉的网球自动捡球机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种机器视觉的网球自动捡球机器人，。

背景技术

网球运动作为一项盛行于全世界的球类运动，它运动量可灵活调节，是种很好的有氧运动，并且还可以锻炼思维及反应速度，所以现在打网球的人越来越多。在练习网球时，球场上会散落许多球，每打出一次都会有一个球散落在一个不同的地方，所以捡球成了一个繁琐的问题。

现对于网球的捡球问题主要有以下几种方式：

1、人工捡球，这是一种较为常用的捡球方式，这种捡球方式就是，耗费人力，每个球场至少安排一人捡球，这样捡球人员工作量较大，且消耗体力较多。

2、人工加捡球工具，包括捡球车和捡球器等，如专利号为200320128160.1，专利名称为易于移动及捡球的网球捡球篮；专利号为201620407372.0，专利名称为一种便携筒状网球捡球器；专利号为201520503738.X，专利名称为一种圆筒形网球捡球器等，这类捡球方式虽相较于完全人工捡球提高效率，但还是得人工参加，也是每个球场至少安排一人捡球，这样的人也是人力投入较大。

3、自主捡网球机器人，如专利号为200810183233.4，专利名称为自主捡球机器人；及专利号为201520990978.7，专利名称为一种可远程遥控的网球捡球器等，此类捡球方式要么效率较低，智能性较差；要么需对整个训练场建立复杂监控系统再配合捡球，包括上位机，捡球系统，数据采集系统等，这类捡球方式本身成本较高，具对场地有局限性，只能在固定场使用。

因此，针对当前网球捡球效率不高、人力成本较大以及现有捡球工具缺乏等问题，需要设计出使用方便，成本较低，智能化高，适合多种网球场的捡球工具。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种机器视觉的网球自动捡球机器人，该机器人智能化程度高，设计灵活，操作简单，可有效降低人力成本，实现高效率捡球。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种机器视觉的网球自动捡球机器人，包括捡球装置，控制系统，顶部一侧与捡球装置可拆卸连接的集球箱，以及安装在捡球装置上的辅助捡球机械臂；所述控制系统包括设置在捡球装置与集球箱之间的系统壳，设置在系统壳内的主控MCU，设置在系统壳上并与主控MCU相连的供电单元、显示器单元、避障单元和牵引单元，以及设置在捡球装置顶部中间并与主控MCU相连的双目摄像头；所述捡球装置底部设有前车轮，所述集球箱底部设有后车轮。

具体的说，所述捡球装置包括壳体，设置在壳体内的传送带式捡球结构；所述捡球结构包括位于上方的主动齿轮Z和位于下方的从动齿轮W，链接在齿轮Z和齿轮W外、并可在齿轮Z的带动下转动的运球带，以及水平方向垂直设置在运球带上的多个捡球叶轮；所述齿轮Z和齿轮W相互平行、且齿轮Z和齿轮W的连线与地面呈45～70°角；所述相邻两个捡球叶轮之间的间距为网球直径的1.2～1.5倍；所述齿轮Z与牵引单元相连、并可在牵引单元带动下自转；所述壳体整体结构与捡球结构相匹配、且壳体与捡球结构之间的间距小于网球直径；所述壳体下端设有与地面垂直的进球口，所述进球口两侧设有挡球板，进球口上边沿到齿轮W的连线垂直于运球带；所述壳体上端、与集球箱相接处设有出球口，所述出球口下边沿到齿轮Z的连线垂直与运球带。

具体的说，所述辅助捡球机械臂包括一端设置在捡球装置壳体侧面的连接臂，以及连接臂另一端上依次连接的至少两节活动臂，设置在连接臂与捡球装置连接处、可实现垂直地面180°转动的第一舵机，以及设置在连接臂与活动臂连接处和相邻活动臂连接处、可实现720°转动的第二舵机；所述第一舵机和每个第二舵机均与主控MCU相连。

更具体的说，所述供电单元包括电压转换器，与电压转换器相连的充放电保护电路，与充放电保护电路模块相连的蓄电池；所述电压转换器的输入端接有直流电源和太阳能电池板；所述电压转换器和蓄电池还均与主控MCU相连。

进一步的，所述牵引单元包括设置在系统壳底部并与主控MCU相连的牵引电机，设置在牵引电机一侧并可在牵引电机带动下做自转运动的齿轮A，设置在齿轮A上方并与齿轮A啮合的齿轮B；所述牵引电机与前车轮相连、并可带动前车轮转动；所述齿轮B与齿轮Z链条连接、并可带动齿轮Z做自转运动。

进一步的，所述显示器单元包括设置在系统壳上并与主控MCU相连的触摸显示屏，所述触摸显示屏上还设有与主控MCU相连的电源开关键和运动速度调节键。

更进一步的，所述避障单元包括均与主控MCU相连的障碍物传感器和转动电机，所述障碍物传感器设置在捡球装置壳体前方，所述转动电机设置在系统壳内并与前车轮相连。

优选的，所述集球箱包括底盘和箱体，所述底盘为与箱体底部相匹配的凹槽形结构，所述后车轮设置在底盘下方，所述箱体底部放置在底盘的凹槽内、且顶部一侧与捡球装置壳体可拆卸连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明使用了视觉图像处理的方式来进行网球检测，能够有目标性的运动到有网球地点实施捡球，且在一些狭小角落可使用辅助捡球机械臂进行捡球。

(2)本发明机器人的运动速度和捡球速度可根据球场散落的网球进行速度调节，并且，还可通过障碍物传感器清楚直观地感应运行路径上是否存在障碍物，并可通过转动电机带动前轮转动，以避开障碍物，智能化程度高。

(3)本发明机器人捡放球方式灵活，采用联动运球带，捡球叶轮捡球的方式对网球损害较小。

(4)本发明的联动运球带可加长，而加长运球带可增加运球高度，进而可通过增加集球箱的高度的方式来增加箱体容纳网球的数量，且箱体可独立自由取放比较灵活方便。

附图说明

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的左视图。

图4为本发明的工作状态示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-系统壳，2-双目摄像头，3-前车轮，4-后车轮，5-壳体，6-齿轮Z，7-齿轮W，8-运球带，9-捡球叶轮，10-进球口，11-挡球板，12-出球口，13-连接臂，14-活动臂，15-第一舵机，16-第二舵机，17-箱体，18-牵引电机，19-齿轮A，20-齿轮B，21-触摸显示屏，22-电源开关键，23-运动速度调节键，24-障碍物传感器，25-底盘。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

本实施例主要是为了解决当前网球捡球效率不高、人力成本较大以及现有捡球工具缺乏的问题，提供的一种机器视觉的网球自动捡球机器人，该机器人具有使用方便、制作简单、成本较低、智能化程度较高、捡球效率高的特点。

如图1～图4所示，一种机器视觉的网球自动捡球机器人，包括捡球装置，辅助捡球机械臂，控制系统和集球箱。

所述捡球装置包括壳体5和设置在壳体内捡球结构。

如图1和图4所示，所述捡球结构整体呈倾斜设置，为了使网球能够更好的被捡球结构传送至集球箱，该捡球结构整体与地面呈45～70°夹角。所述捡球结构包括位于上方的主动齿轮Z6和位于下方的从动齿轮W7，链接在齿轮Z和齿轮W外的运球带8，以及设置在运球带上的多个捡球叶轮9；其中，当齿轮Z6做自转运动时可带动运球带8转动，而随着运球带8转动，齿轮W7也会随之做自转运动，整体形成类似传送带的结构，即齿轮Z和齿轮W的连线与地面也呈45～70°夹角；此外，捡球叶轮9均是从水平方向上垂直于运球带8设置的，且每相邻两个捡球叶轮9之间的间距为网球直径的1.2～1.5倍，可确保网球能够顺利捡起，并在捡起后迅速传送到集球箱内，方便后续的捡球操作。

如图1所示，所述壳体5与捡球结构之间的间距小于网球直径，可有效防止网球在传送途中从壳体与捡球叶轮之间掉落；所述壳体下端设有与地面垂直的进球口10，所述进球口前后两侧设有挡球板11，可防止网球在进入进球口10之前因进球口的阻力发生偏移，进球口上边沿到齿轮W7的连线垂直于运球带8；所述壳体上端、与集球箱相接处设有出球口12，所述出球口下边沿到齿轮Z的连线垂直与运球带。其中，壳体5整体结构与捡球结构相匹配，具体的说，壳体5左右两侧与运球带8平行，且壳体左右两侧的长度与齿轮Z和W圆心间距相一致，壳体上表面则是以齿轮Z为圆心延长四分之一圆弧，边沿则作为出球口的上边沿，壳体下表面以齿轮W为圆心延长六分之一圆弧再延长至进球口下边沿。

如图1～图3所示，所述辅助捡球机械臂主要用于辅助捡起位于角落等狭小不便于捡球位置的网球，该辅助捡球机械臂包括一端设置在捡球装置壳体侧面的连接臂13，以及连接臂另一端上依次连接的至少两节活动臂14，设置在连接臂与捡球装置连接处、可实现垂直地面180°转动的第一舵机15，以及设置在连接臂与活动臂连接处和相邻活动臂连接处、可实现720°转动的第二舵机16。

如图1所示，所述控制系统包括设置在捡球装置与集球箱之间的系统壳1，设置在系统壳内的主控MCU，设置在系统壳上并与主控MCU相连的供电单元、显示器单元、避障单元和牵引单元，以及设置在捡球装置顶部中间并与主控MCU相连的双目摄像头2；所述捡球装置底部前后两侧各设有一个前车轮3，所述集球箱底部前后两侧各设有一个后车轮4。所述双目摄像头2用于采集网球场视频图像，然后传输给主控MCU对视频图像进行处理，以判断双目摄像头摄像范围内是否有待捡的网球。

其中，所述供电单元包括电压转换器，与电压转换器相连的充放电保护电路，与充放电保护电路模块相连的蓄电池；所述电压转换器的输入端接有直流电源和太阳能电池板；所述电压转换器和蓄电池还均与主控MCU相连。该供电单元既可通过蓄电池为整个机器人供电，还可直接通过直流电源或太阳能电池板供电，可确保本实施例机器人随时能够正常使用。

所述显示器单元包括设置在系统壳上并与主控MCU相连的触摸显示屏21，所述触摸显示屏主要显示剩电量情况、开启时运动速度等信息，这些信息由主控MCU传输提供。并且，所述触摸显示屏上还设有与主控MCU相连的电源开关键22和运动速度调节键23。

所述避障单元包括均与主控MCU相连的障碍物传感器24和转动电机，所述障碍物传感器设置在捡球装置壳体前方，所述转动电机设置在系统壳内并与前车轮3相连。

所述牵引单元包括设置在系统壳1底部并与主控MCU相连的牵引电机18，设置在牵引电机一侧并可在牵引电机带动下做自转运动的齿轮A19，设置在齿轮A19上方并与齿轮A19啮合的齿轮B20，其中，可通过主控MCU自动控制齿轮A19与齿轮B20的齿轮啮合情况进而控制捡球速度与电机转动速度比例，当电机转动速度一定时，齿轮A19的直径很大而齿轮B20直径较小时，则齿轮B20带动的齿轮A19转圈速度就快，从而捡球速度就快。另外，也可通过运动速度调节键23手动方式来调整；所述牵引电机18与前车轮3相连；所述齿轮B20与齿轮Z6链条连接。当牵引电机18开始转动时，齿轮A19也随之转动，由于齿轮A10与齿轮B20啮合，因此，齿轮B20也会自转，进而带动与齿轮B20链条连接的齿轮Z6自转，齿轮Z6再通过运球带带动齿轮W转动。

此外，所述辅助捡球机械臂中的第一舵机和每个第二舵机均与主控MCU相连。

所述集球箱包括底盘25和箱体17，所述底盘为与箱体底部相匹配的凹槽形结构，所述后车轮设置在底盘下方，所述箱体底部放置在底盘的凹槽内，使机器人运动时箱体也不易掉落。箱体顶部一侧与捡球装置壳体可拆卸连接，箱体上还设有用于提起箱体的把手。当箱体内球满时可提起把手将满箱体换下，换上空的集球箱。

在使用本实施例的网球自动捡球机器人捡球时的工作流程如下：

开启捡球机器人，供电单元为主控MCU供电，由安装在捡球装置顶端中部的双目摄像头采集网球场视频图像，并传输给主控MCU，经主控MCU处理后发现若是有网球则根据最优路线向网球地点运动，在运动过程中通过避障模块实现灵活运动，到达网球地点时进行捡球。具体过程如图4所示，a点地面上是发现的目标网球，待本实施例的捡球机器人向其运动并靠近该网球后，网球处在b位置时刻被捡球叶轮刮起，然后随运球带沿c位置运送到d位置，然后再从d位置自动滚入集球箱的箱体中，即完成捡球操作。

当集球箱的箱体内球满时提起把手取下箱体，换上空的箱体即可。

而在遇到狭小角落时，则通过辅助捡球机械臂进行捡球。

在整个捡球过程中，主控MCU能够通过判断球场网球多少来自动加快和减慢运动速度，也可通过人工调剂速度来进行运动快慢控制。其中，触摸显示屏用于开关机器人，并调节运动速度，以及显示剩电量情况、开启时运动速度等信息。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机器视觉的网球自动捡球机器人，其特征在于，包括捡球装置，控制系统，顶部一侧与捡球装置可拆卸连接的集球箱，以及安装在捡球装置上的辅助捡球机械臂；所述控制系统包括设置在捡球装置与集球箱之间的系统壳(1)，设置在系统壳内的主控MCU，设置在系统壳上并与主控MCU相连的供电单元、显示器单元、避障单元和牵引单元，以及设置在捡球装置顶部中间并与主控MCU相连的双目摄像头(2)；所述捡球装置底部设有前车轮(3)，所述集球箱底部设有后车轮(4)；

所述捡球装置包括壳体(5)，设置在壳体内的传送带式捡球结构；

所述捡球结构包括位于上方的主动齿轮Z(6)和位于下方的从动齿轮W(7)，链接在齿轮Z和齿轮W外、并可在齿轮Z的带动下转动的运球带(8)，以及水平方向垂直设置在运球带上的多个捡球叶轮(9)；所述齿轮Z和齿轮W相互平行、且齿轮Z和齿轮W的连线与地面呈45～70°角；所述相邻两个捡球叶轮(9)之间的间距为网球直径的1.2～1.5倍；所述齿轮Z(6)与牵引单元相连、并可在牵引单元带动下自转；

所述壳体(5)整体结构与捡球结构相匹配、且壳体与捡球结构之间的间距小于网球直径；所述壳体下端设有与地面垂直的进球口(10)，所述进球口两侧设有挡球板(11)，进球口上边沿到齿轮W(7)的连线垂直于运球带(8)；所述壳体上端、与集球箱相接处设有出球口(12)，所述出球口下边沿到齿轮Z的连线垂直与运球带。

2.根据权利要求1所述的一种机器视觉的网球自动捡球机器人，其特征在于，所述辅助捡球机械臂包括一端设置在捡球装置壳体侧面的连接臂(13)，以及连接臂另一端上依次连接的至少两节活动臂(14)，设置在连接臂与捡球装置连接处、可实现垂直地面180°转动的第一舵机(15)，以及设置在连接臂与活动臂连接处和相邻活动臂连接处、可实现720°转动的第二舵机(16)；所述第一舵机和每个第二舵机均与主控MCU相连。

3.根据权利要求2所述的一种机器视觉的网球自动捡球机器人，其特征在于，所述供电单元包括电压转换器，与电压转换器相连的充放电保护电路，与充放电保护电路模块相连的蓄电池；所述电压转换器的输入端接有直流电源和太阳能电池板；所述电压转换器和蓄电池还均与主控MCU相连。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种机器视觉的网球自动捡球机器人，其特征在于，所述牵引单元包括设置在系统壳(1)底部并与主控MCU相连的牵引电机(18)，设置在牵引电机一侧并可在牵引电机带动下做自转运动的齿轮A(19)，设置在齿轮A上方并与齿轮A啮合的齿轮B(20)；所述牵引电机(18)与前车轮(3)相连、并可带动前车轮转动；所述齿轮B与齿轮Z(6)链条连接、并可带动齿轮Z做自转运动。

5.根据权利要求4所述的一种机器视觉的网球自动捡球机器人，其特征在于，所述显示器单元包括设置在系统壳上并与主控MCU相连的触摸显示屏(21)，所述触摸显示屏上还设有与主控MCU相连的电源开关键(22)和运动速度调节键(23)。

6.根据权利要求5所述的一种机器视觉的网球自动捡球机器人，其特征在于，所述避障单元包括均与主控MCU相连的障碍物传感器(24)和转动电机，所述障碍物传感器设置在捡球装置壳体前方，所述转动电机设置在系统壳内并与前车轮(3)相连。

7.根据权利要求5或6所述的一种机器视觉的网球自动捡球机器人，其特征在于，所述集球箱包括底盘(25)和箱体(17)，所述底盘为与箱体底部相匹配的凹槽形结构，所述后车轮设置在底盘下方，所述箱体底部放置在底盘的凹槽内、且顶部一侧与捡球装置壳体可拆卸连接。