CN107961510A - 智能网球收集机器人和网球收集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能网球收集机器人和网球收集方法，包括底盘，底盘上部安装有摄像头、舵机、工业控制机、单片机和继电器，摄像头安装在舵机上部，工业控制机分别与摄像头、舵机、单片机和继电器电气连接；底盘下部安装支架、三个车轮和三个电机，三个车轮呈等边三角形布置，车轮中间区域是网球存储区，相邻两车轮之间设置有门或者挡板，其中门与底盘之间通过可翻折的合页连接。本发明利用机器人车顶的摄像头和工业控制机自动识别球场中散落的网球，并定位网球位置，自动收集网球，大大提高网球收集效率。本发明利用底盘下方的空间作为网球存放区，机器人移动过程中内部的网球一起运动，不需要安装专门的网球存放结构，结构简单。

Description

智能网球收集机器人和网球收集方法

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，尤其是一种自主寻球、自动收集网球的智能网球收集机器人和网球收集方法。

背景技术

网球运动是一项深受人们喜爱的运动，有着广泛的参与群体，随着人们生活水平的不断提高，网球运动的参与者也越来越多。但是在网球运动过程中，需要人工收集散落在场地内不同地方的网球，由于网球场地很大，人工捡球不仅浪费了大量的时间，而且也消耗了人们大量的体力，降低人们打球时的精力。因此，需要制造一款可以自动收集网球的机器，能够在网球运动或者训练时轻松的将散落在场地不同地方的网球自动收集并放置到指定位置，节省人们的体力和精力，提高网球运动的乐趣。为提高网球收集效率，目前有不同的网球收集方式，其中一种是通过人工手推捡球机的方式收集，例如专利号CN200820208298.5，此类捡球机减少人们捡球时的弯腰动作，可以节省体力，但是仍然需要人工推着车去捡，浪费人力，工作效率低；另外一种是一辆像清扫路面的扫地车一样的机器人，利用拨轮将网球扫进机器内部，但在收集过程中网球容易将拨轮的叶片打断，导致损坏，而且该捡球机是按照预先设定的路线将整个球场或者区域全部清扫一遍，工作效率低。这两种捡球机体积很大，不容易搬运，而且这两种捡球机都是利用四个车轮移动，转弯过程中会有收集死角无法收集网球，如果遇到地面不平整，四轮结构也容易导致捡球机翻倒。

发明内容

本申请人针对上述现有网球捡球机工作效率低、易损坏，以及体积大导致不容易搬运、收集死角、容易翻倒等问题，设计一种结构合理的智能网球收集机器人以及网球收集方法，体积小、重心低，自动化程度高，能实现自主寻球捡球并自动返回指定地点，将网球从机器人内部释放出来，有效节省人力，提高捡球效率。

本发明所采用的技术方案如下：

一种智能网球收集机器人，包括底盘，底盘上部安装有摄像头、舵机、工业控制机、单片机和继电器，摄像头安装在舵机上部，工业控制机分别与摄像头、舵机、单片机和继电器电气连接；底盘下部安装支架、三个车轮和三个电机，三个车轮呈等边三角形布置，车轮中间区域是网球存储区，相邻两车轮之间设置有门或者挡板，其中门与底盘之间通过可翻折的合页连接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述门包括至少一个入口门和一个出口门，入口门和出口门下方的支架上安装电磁铁，电磁铁与继电器连接。

还包括电机驱动模块，电机驱动模块连接单片机和电机。

所述车轮通过联轴器与电机连接。

所述支架由中间的等边三角形框架和三角形每一边外侧的矩形框架构成，三角形框架和矩形框架在同一平面内，所述车轮安装在三角形框架的三个顶点的位置。

所述入口门方向的支架下方安装至少一个单向门，单向门通过合页与支架活动连接，单向门外侧安装限位块，限位块与支架固定连接。

所述入口门和出口门分别由水平和竖直的两块平板构成，水平平板与竖直平板之间相互垂直并固定连接，水平平板通过两个合页与底盘连接，可以绕合页转轴翻转。

所述挡板为安装在底盘或者支架的边缘，且位于两车轮之间的不能翻转的固定门。

一种使用上述智能网球收集机器人的网球收集方法，包含以下步骤：

第一步，自主寻球：舵机带动摄像头旋转对场地拍摄，工业控制机对图像进行分析处理，识别图像中的网球并选择目标网球，并发送信息给单片机，单片机控制三个车轮运动，机器人向目标网球移动；

第二步，收集网球：当机器人运动至距目标网球设定距离时，工业控制机发出开门指令，打开入口门；机器人继续向前运动，目标网球进入网球存放区；

第三步，停止收集和返回：当所收集的网球数量达到机器人设定的收纳容量时，或者球场上散落的网球已经被全部收集时，机器人停止收集；工业控制机将机器人坐标信息发送给单片机，单片机控制三个车轮运动，自动返回到初始点；

第四步，分离网球：机器人到达指定位置后，工业控制机发出开门指令，打开出口门；然后机器人沿出口门开口的反方向运动，网球存放区内的网球留在原地，从机器人内部分离出来。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述第一步中工业控制机发送给单片机的信息包括方向信息和距离信息，工业控制机分析舵机与初始方向之间的角度来确定网球的方向，并发送方向信息给单片机，单片机控制车轮转动，使入口门正对目标网球；工业控制机分析目标网球的大小计算网球与机器人的距离，向单片机发送距离信息，单片机控制三个车轮运动，机器人向目标网球移动。

本发明的有益效果如下：

本发明利用机器人车顶的摄像头和工业控制机自动识别球场中散落的网球，并定位网球位置，然后自主移动到网球所在位置完成收集网球，收集完成后自动回到指定位置并将网球放出来，大大提高网球收集效率。

本发明运动结构采用三个全向轮结构，可以控制机器人原地转弯或向任意方向移动，收集过程中没有死角，而且三轮结构可以适应各种地形，不容易发生侧翻，提高机器人工作效率和可靠性。

本发明利用底盘下方的空间作为网球存放区，机器人移动过程中内部的网球随机器人一起运动，不需要安装专门的网球存放结构，而且分离网球时，只需要打开出口门，机器人移动，网球停留在原地，即可完成分离网球，不需要专门的网球推出机构，整个机器人结构简单。

本发明在入口门位置设置单向门，由于机器人收集网球时需要打开入口门，单向门可以有效防止入口门打开后内部的网球滚动出来，单向门结构简单且不易损坏，提高机器人的可靠性。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明的仰视图。

图3同图2，为底部的立体图。

图4为本发明单向门的结构示意图。

图中：1、摄像头；2、舵机；3、工业控制机；4、单片机；5、继电器；6、电机驱动模块；7、底盘；8、入口门；9、出口门；10、固定门；11、车轮；12、联轴器；13、电机；14、电磁铁；15、支架；16、单向门；17、合页；18、限位块。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明的智能网球收集机器人以底盘7为分界，分为上下两部分，底盘7上部为控制区域，下部为网球存放区。控制区域安装有摄像头1、舵机2、工业控制机3、单片机4、继电器5和电机驱动模块6，摄像头1安装在舵机2上部，舵机2可以带动摄像头1转动。工业控制机3分别与摄像头1、舵机2、单片机4和继电器5电气连接，工业控制机3控制转动舵机2和接通继电器5，并对摄像头1拍摄的图像数据进行分析，识别图像中是否有网球以及网球的位置。工业控制机3发送运动控制信号给单片机4，单片机4通过电机驱动模块6驱动机器人运动。

如图2所示，底盘7下面固定安装支架15，支架15由中间的等边三角形框架和三角形每一边外侧的矩形框架构成，三角形框架和矩形框架在同一平面内。机器人在支架15的三个角的位置分别安装一个车轮11，车轮11采用两层全向轮结构，全向轮开有14个轮毂齿。车轮11通过联轴器12与电机13连接，三个电机13与电机驱动模块6连接。在支架15的三个矩形框架位置分别安装入口门8、出口门9和固定门10，其中固定门10与支架15或者底盘7固定连接，不能翻转。入口门8和出口门9分别由水平和竖直的两块平板构成，水平平板与竖直平板之间相互垂直并固定连接，水平平板通过两个合页与底盘7连接，可以绕合页转轴向上翻转。入口门8、出口门9、固定门10和三个车轮11共同将底盘7下方的区域围起来，形成网球存放区。入口门8和出口门9下方的支架15上分别安装两个电磁铁14，电磁铁14与继电器5连接。

如图3和图4所示，在入口门8方向的支架15的三角形框架下方垂直安装两个单向门16，单向门16通过合页17与支架15活动连接，单向门16外侧安装限位块18，限位块18与支架15固定连接，限位块18限定单向门16只能朝网球存放区内部翻转。

本发明的网球收集机器人收集网球过程：

第一步，自主寻球：开始工作时，舵机2和摄像头1的初始方向为入口门8的正前方。工作时舵机2转动，带动摄像头1旋转对网球场地实时拍摄，摄像头1拍摄的图像数据发送给工业控制机3，工业控制机3对图像进行分析处理，识别图像中的网球，确认网球的位置并分析离机器人最近的网球，将最近的网球确定为目标网球。工业控制机3通过PID（比例-积分-微分）方法计算目标网球与图片中心的偏移量，控制舵机2带动摄像头1旋转，使目标网球处于图片中心。工业控制机3分析当前舵机2与初始方向之间的角度来确定网球的方向，然后发送信息给单片机4，单片机4控制电机驱动模块6，控制三个电机13通过联轴器12驱动车轮11转动，机器人旋转使摄像头1和入口门8正对目标网球。工业控制机3通过分析目标网球的大小计算网球与机器人的距离，然后向单片机4发送目标网球的距离信息，单片机4控制三个车轮11运动，机器人向目标网球移动。

第二步，收集网球：当机器人运动至距离目标网球30cm左右时，工业控制机3发出开门指令接通继电器5，入口门8下方的两个电磁铁14通电，电磁铁14的顶杆向上弹出，推动入口门8的水平平板向上翻转，入口门8打开。机器人继续向前运动，机器人与目标网球相对运动过程中，目标网球利用惯性将单向门16顶开，单向门16向机器人的网球存放区内部翻转，机器人继续向前运动，目标网球进入网球存放区。目标网球进入以后，单向门16自动落下，电磁铁14通电运行2秒后自动断开，入口门8自动落下，完成目标网球的收集过程。收集过程中，限位块18限定单向门16只能向内翻转，因此即使地面不平，入口门8打开后网球存放区的网球也不会从入口门8滚动出来。然后机器人再寻找下一个网球，并重复第一步和第二步，在机器人运动过程中，网球存放区不需要设置专门的底板，网球存放区的网球可以在地面滚动，跟随机器人一起向不同方向运动。机器人收集网球过程中，通过记录入口门8开关次数对收集的网球进行计数，入口门8每开一次，机器人统计收集的网球数量增加一个。同时，网球机器人在运动过程中，工业控制机3可以分析摄像头1拍摄的图像数据，判断机器人所在的环境，自动避开运动路径中的障碍物，保护机器人安全运行。

第三步，停止收集和返回：当收集的网球数量达到机器人设定的收纳容量时，或者球场上散落的网球已经被全部收集时，机器人停止收集。机器人在运动过程中，通过自带的陀螺仪记录的方向和码盘记录的两个正交方向的路程，通过旋转矩阵的计算，得到机器人的实时绝对坐标，工业控制机3将坐标信息发送给单片机4，控制三个车轮11运动，实现自动返回到初始点。

另外，可以使用移动应用软件，通过手持无线设备发送控制信号给单片机4，并在机器人的控制程序中设置单片机4接收无线设备信号的优先级大于工业控制机3，操作人员可以随时控制机器人自动返程。

第四步，分离网球：机器人到达指定位置后，工业控制机3发出开门指令接通继电器5，出口门9下方的两个电磁铁14通电，电磁铁14的顶杆推动出口门9的水平平板向上翻转，出口门9打开。然后机器人沿出口门9开口的反方向运动，由于网球存放区没有底板，内部的网球静止停放在地面上，因此网球不会跟随机器人滚动，而是留在原地，通过机器人的移动即可将网球从机器人内部分离出来。最后电磁铁14断电，关闭出口门9。

当然，本发明的机器人还包括提供电源的电池。同时，为了使该小车能应用到更多的场所和满足更多的需求，在小车自动控制外，还可以通过蓝牙配对或无线连接的方式，在对应的软件上实现对该小车的运动控制。本发明也可以在入口门位置安装光电探测器，对收集的网球进行计数。为方便机器人朝不同方向收集或释放网球，机器人的固定门也可以设置为入口门或者出口门。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，在不违背本发明精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种智能网球收集机器人，其特征在于：包括底盘（7），底盘（7）上部安装有摄像头（1）、舵机（2）、工业控制机（3）、单片机（4）和继电器（5），摄像头（1）安装在舵机（2）上部，工业控制机（3）分别与摄像头（1）、舵机（2）、单片机（4）和继电器（5）电气连接；底盘（7）下部安装支架（15）、三个车轮（11）和三个电机（13），三个车轮（11）呈等边三角形布置，车轮（11）中间区域是网球存储区，相邻两车轮（11）之间设置有门或者挡板，其中门与底盘（7）之间通过可翻折的合页连接。

2.按照权利要求1所述的智能网球收集机器人，其特征在于：所述门包括至少一个入口门（8）和一个出口门（9），入口门（8）和出口门（9）下方的支架（15）上安装电磁铁（14），电磁铁（14）与继电器（5）连接。

3.按照权利要求1所述的智能网球收集机器人，其特征在于：还包括电机驱动模块（6），电机驱动模块（6）连接单片机（4）和电机（13）。

4.按照权利要求1所述的智能网球收集机器人，其特征在于：所述车轮（11）通过联轴器（12）与电机（13）连接。

5.按照权利要求1所述的智能网球收集机器人，其特征在于：所述支架（15）由中间的等边三角形框架和三角形每一边外侧的矩形框架构成，三角形框架和矩形框架在同一平面内，所述车轮（11）安装在三角形框架的三个顶点的位置。

6.按照权利要求2所述的智能网球收集机器人，其特征在于：所述入口门（8）方向的支架（15）下方安装至少一个单向门（16），单向门（16）通过合页（17）与支架（15）活动连接，单向门（16）外侧安装限位块（18），限位块（18）与支架（15）固定连接。

7.按照权利要求2所述的智能网球收集机器人，其特征在于：所述入口门（8）和出口门（9）分别由水平和竖直的两块平板构成，水平平板与竖直平板之间相互垂直并固定连接，水平平板通过两个合页与底盘（7）连接，可以绕合页转轴翻转。

8.按照权利要求1所述的智能网球收集机器人，其特征在于：所述挡板为安装在底盘（7）或者支架（15）的边缘，且位于两车轮（11）之间的不能翻转的固定门（10）。

9.一种使用如权利要求1所述智能网球收集机器人的网球收集方法，其特征在于包含以下步骤：

第一步，自主寻球：舵机（2）带动摄像头（1）旋转对场地拍摄，工业控制机（3）对图像进行分析处理，识别图像中的网球并选择目标网球，并发送信息给单片机（4），单片机（4）控制三个车轮（11）运动，机器人向目标网球移动；

第二步，收集网球：当机器人运动至距目标网球设定距离时，工业控制机（3）发出开门指令，打开入口门（8）；机器人继续向前运动，目标网球进入网球存放区；

第三步，停止收集和返回：当所收集的网球数量达到机器人设定的收纳容量时，或者球场上散落的网球已经被全部收集时，机器人停止收集；工业控制机（3）将机器人坐标信息发送给单片机（4），单片机（4）控制三个车轮（11）运动，自动返回到初始点；

第四步，分离网球：机器人到达指定位置后，工业控制机（3）发出开门指令，打开出口门（9）；然后机器人沿出口门（9）开口的反方向运动，网球存放区内的网球留在原地，从机器人内部分离出来。

10.按照权利要求9所述的网球收集方法，其特征在于：所述第一步中工业控制机（3）发送给单片机（4）的信息包括方向信息和距离信息，工业控制机（3）分析舵机（2）与初始方向之间的角度来确定网球的方向，并发送方向信息给单片机（4），单片机（4）控制车轮（11）转动，使入口门（8）正对目标网球；工业控制机（3）分析目标网球的大小计算网球与机器人的距离，向单片机（4）发送距离信息，单片机（4）控制三个车轮（11）运动，机器人向目标网球移动。