CN108527314B - 机械臂及乒乓球击球机器人 - Google Patents

机械臂及乒乓球击球机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种机械臂及乒乓球击球机器人。机械臂包括第一连接杆、第二连接杆、第一电机、第三连接杆、第二电机、第四连接杆及第三电机，第一连接杆能绕其轴线旋转，第二连接杆设于第一连接杆的一端，第一电机与第二连接杆上远离第一连接杆的一端连接，第三连接杆与第一电机的输出轴连接，第二电机设于第三连接杆上远离第一电机的一端，第四连接杆与第二电机的输出轴连接，第三电机与第四连接杆上远离第二电机的一端连接，第三电机的输出轴上设有球拍，球拍能绕第四连接杆的轴线旋转。该装置中，第三连接杆、第四连接杆及球拍只设有三个自由度，减少了不必要的自由度，使得机械臂的重量减少，从而增加了挥拍的速度，提升了机械臂击球的质量。

Description

机械臂及乒乓球击球机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别是涉及机械臂及乒乓球击球机器人。
背景技术
乒乓球机器人属于高端智能机器人装备范畴，其发展迅速，作为乒乓球的陪练不仅具有商业价值，更是公司或科研机构体现机器人研发能力的一种手段。传统的采用机械臂击球的乒乓球机器人，其机械臂结构复杂，重量大，导致机械臂动作灵活程度较低。而且，已有的可供陪练的乒乓球机器人不能真实模仿乒乓球运动员的击球动作，限制了练习者对对手动作的识别能力的提高。
发明内容
基于此，有必要提供一种结构简单，动作灵活程度较高且较为仿生的机械臂及乒乓球击球机器人。
一种机械臂，包括：
第一连接杆，能绕其轴线旋转，用于实现仿人腰部转动；
第二连接杆，设于所述第一连接杆的一端，所述第二连接杆能绕其轴线旋转，且所述第二连接杆的旋转轴线与所述第一连接杆的旋转轴线垂直；
第一电机，连接于所述第二连接杆上远离所述第一连接杆的一端，所述第一电机与所述第二连接杆的轴线之间形成有夹角α，且所述夹角α为钝角；
第三连接杆，与所述第一电机的输出轴连接，所述第一电机的输出轴能够带动所述第三连接杆旋转；
第二电机，设于所述第三连接杆上远离所述第一电机的一端；
第四连接杆，与所述第二电机的输出轴连接，所述第二电机的输出轴能够带动所述第四连接杆旋转，且所述第四连接杆的旋转平面与所述第三连接杆的旋转平面平行，所述第四连接杆相对所述第三连接杆旋转，用于实现仿人屈臂动作；及
第三电机，与所述第四连接杆上远离所述第二电机的一端连接，所述第三电机的输出轴上设有球拍，所述第三电机的输出轴能够带动所述球拍旋转。
上述机械臂中，第一电机、第三连接杆、第四连接杆及球拍所形成的整体仅有三个自由度，减少了不必要的自由度，使得机械臂的重量减少，机械臂动作时加速度变大，从而增加了挥拍的速度，提升了机械臂击球的质量。同时，第一电机与第二连接杆设有夹角，且夹角α为钝角，能使第一电机带动第三连接杆实现活动平面的改变，配合第一连接杆仿人腰部转动及第四连接杆仿人屈臂动作，能更加接近真人的击球动作，提高击球效果。
在其中一个实施例中，还包括第四电机，所述第四电机的输出轴与所述第一连接杆的一端连接，以驱动所述第一连接杆绕其轴线转动。
在其中一个实施例中，所述第四电机能带动所述球拍绕第一连接杆的轴线做圆周运动。
在其中一个实施例中，还包括第五电机，所述第五电机设于所述第一连接杆的一端，所述第二连接杆的一端与所述第五电机的输出轴连接。
在其中一个实施例中，所述夹角α为135°。
在其中一个实施例中，所述第三连接杆包括相对设置的第一表面及第二表面，所述第一表面及所述第二表面均与所述第一电机的输出轴的轴线垂直，所述第二电机设于所述第一表面，所述第一电机设于所述第二表面。
在其中一个实施例中，所述第三连接杆的长度与所述第四连接杆的长度的比值为1.2至1.4之间。
一种乒乓球击球机器人，包括：
上述的机械臂；
运动系统，用于驱动所述机械臂移动，所述运动系统上设有安装所述机械臂的安装位；
视觉系统，用于获取乒乓球的运动轨迹；及
控制系统，与所述机械臂、所述运动系统及所述视觉系统分别电连接，所述控制系统用于控制所述机械臂击打所述乒乓球。
在其中一个实施例中，所述运动系统包括滑轨、滑块及驱动件，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述驱动件驱动所述滑块相对所述滑轨移动，所述机械臂安装于所述滑块上。
在其中一个实施例中，所述视觉系统包括处理器、安装架及高速摄像机，所述高速摄像机设于所述安装架上，且与所述处理器电连接，所述处理器与所述控制系统电连接，所述处理器能够对所述高速摄像机拍摄的视频进行实时分析处理。
附图说明
图1为一实施方式的乒乓球击球机器人的结构示意图；及
图2为图1所示的乒乓球击球机器的机械臂的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参见图1，一实施方式的乒乓球击球机器人9包括机械臂10、运动系统11、视觉系统12及控制系统(图未示)。机械臂10安装于运动系统11上，运动系统11用于驱动机械臂10移动，运动系统11上设有安装机械臂10的安装位。视觉系统12用于获取乒乓球的运动轨迹。控制系统与机械臂10、运动系统11及视觉系统分别电连接，用于控制机械臂10击打乒乓球。
同时参见图2，其中，机械臂10包括第一连接杆100、第二连接杆200、第一电机300、第三连接杆400、第二电机500、第四连接杆600及第三电机700。第一连接杆100能绕其轴线旋转，用于实现仿人腰部转动。第二连接杆200设于第一连接杆100的一端，第二连接杆200能绕其轴线旋转。第二连接杆200的旋转轴线与第一连接杆100的旋转轴线垂直。第一电机300连接于第二连接杆200上远离第一连接杆100的一端，第一电机300与第二连接杆200的轴线之间形成有夹角α，且夹角α为钝角。第三连接杆400与第一电机300的输出轴连接，第一电机300的输出轴能够带动所述第三连接杆400旋转。第二电机500设于第三连接杆400上远离第一电机300的一端。第四连接杆600与第二电机500的输出轴连接，第二电机500的输出轴能够带动第四连接杆600旋转，且第四连接杆600的旋转平面与第三连接杆400的旋转平面平行，第四连接杆600相对第三连接杆400旋转，用于实现仿人屈臂动作。第三电机700与第四连接杆600上远离第二电机500的一端连接，第三电机700的输出轴上设有球拍13，第三电机700的输出轴能够带动球拍13旋转。
上述机械臂10中，第三连接杆400、第四连接杆600及球拍13所形成的整体仅有三个自由度，减少了不必要的自由度，使得机械臂10的重量减少，机械臂10动作时加速度变大，从而增加了挥拍的速度，提升了机械臂10击球的质量。同时，第一电机300与第二连接杆20之间形成的钝角，能使第一电机300带动第三连接杆400实现活动平面的改变，配合第一连接杆100仿人腰部转动及第四连接杆600仿人屈臂动作，整个机械臂10基于仿生的角度设计，机械臂10更加接近真人的击球动作，有效提高了击球效果。
再参见图2，在一个实施例中，机械臂10还包括第四电机800。第四电机800的输出轴与第一连接杆100的一端连接，以驱动第一连接杆100绕自身轴线转动。具体地，第四电机800能带动球拍13绕第一连接杆100的轴线做圆周运动，从而模拟人体上半身的转动。另外，球拍13绕第一连接杆100的轴线转动，球拍13的击球范围扩大到第一连接杆100的两侧，以将飞落到第一连接杆100两侧的乒乓球都能击打回去。
在一个实施例中，机械臂10还包括第五电机900，第五电机900设于第一连接杆100的一端，第二连接杆200的一端与第五电机900的输出轴连接。具体地，第五电机900设置在第一连接杆100的端面，模拟真人手臂与肩膀的连接位置，从而使得机械臂10能够模拟出手臂绕肩膀转动的动作。
具体地，第一电机300、第二电机500、第三电机700、第四电机800及第五电机900均为伺服电机。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，控制系统将电压信号转化为转矩和转速以驱动机械臂10中各结构的运动。
在一个实施例中，第一电机300的轴线与第二连接杆200的轴线之间的夹角α为135°。这样，第五电机900转动时可以实现第三连接杆400的活动空间改变。具体地，第三连接杆400与地面的夹角在45°至135°之间变化，实现模拟真人击球时的上臂动作变化。第三连接杆400与地面的不同夹角结合第四电机800的旋转，实现乒乓球正手攻球、正手弧圈、削球、反手攻球、反手削球等仿人动作。
在一个实施例中，第三连接杆400包括相对设置的第一表面410及第二表面420，第一表面410及第二表面420均与第一电机300的输出轴的轴线垂直。第二电机500设于第一表面410。第一电机300设于第二表面420。第二电机500设于第一表面410，从而避免击球时球拍13与第一电机300发生干涉。
在一个实施例中，第三连接杆400的长度与第四连接杆600的长度的比值为1.2至1.4之间。在本实施例中，第三连接杆400的长度与第四连接杆600的长度的比值为1.3，真人上臂的长度与前臂的长度的比值约为1.3，从人体工程学的角度进行设计，使得机械臂10整个动作姿态更加接近真人击球。
再参见图1，在一个实施例中，运动系统11包括滑轨14、滑块15及驱动件(图未示)。滑块15与滑轨14滑动连接，驱动件驱动滑块15相对滑轨14移动，机械臂10安装于滑块15上。具体地，滑轨14与乒乓球桌的短边相平行，机械臂10沿滑轨14滑动，增加了乒乓球击球机器人9的击球范围。
在一个实施例中，视觉系统12包括处理器(图未示)、安装架16及高速摄像机17。高速摄像机17设于安装架16上，且与处理器电连接，处理器与控制系统电连接。处理器能够对高速摄像机17拍摄的视频进行实时分析处理。具体地，本实施例中设有两台摄像机17以构成双目视觉，安装架16高于乒乓球桌，以使摄像头视域覆盖整个乒乓球桌，可实现较大范围工作空间的观察。摄像头连续拍摄乒乓球飞行的图片，处理器处理摄像头拍摄的图片，得到乒乓球的三维位置并加以处理分析，从而预测乒乓球的飞行轨迹。
控制系统对机械臂10进行运动控制，利用处理器的预测结果，控制驱动件、第一电机300、第二电机500、第三电机700、第四电机800及第五电机900的转动，从而使机械臂10灵活地实现击球动作。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种机械臂，其特征在于，包括：
第一连接杆，能绕其轴线旋转，用于实现仿人腰部转动；
第二连接杆，设于所述第一连接杆的一端，所述第二连接杆能绕其轴线旋转，且所述第二连接杆的旋转轴线与所述第一连接杆的旋转轴线垂直；
第一电机，连接于所述第二连接杆上沿自身轴向远离所述第一连接杆的一端，所述第一电机与所述第二连接杆的轴线之间形成有夹角α，且所述夹角α为钝角；
第三连接杆，与所述第一电机的输出轴连接，所述第一电机的输出轴能够带动所述第三连接杆旋转；
第二电机，设于所述第三连接杆上远离所述第一电机的一端；
第四连接杆，与所述第二电机的输出轴连接，所述第二电机的输出轴能够带动所述第四连接杆旋转，且所述第四连接杆的旋转平面与所述第三连接杆的旋转平面平行，所述第四连接杆相对所述第三连接杆旋转，用于实现仿人屈臂动作；及
第三电机，与所述第四连接杆上远离所述第二电机的一端连接，所述第三电机的输出轴上设有球拍，所述第三电机的输出轴能够带动所述球拍旋转；
其中，所述第一电机、所述第二电机与所述第三电机均为伺服电机。
2.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，还包括第四电机，所述第四电机的输出轴与所述第一连接杆的一端连接，以驱动所述第一连接杆绕其轴线转动。
3.根据权利要求2所述的机械臂，其特征在于，所述第四电机能带动所述球拍绕第一连接杆的轴线做圆周运动。
4.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，还包括第五电机，所述第五电机设于所述第一连接杆的一端，所述第二连接杆的一端与所述第五电机的输出轴连接。
5.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述夹角α为135°。
6.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第三连接杆包括相对设置的第一表面及第二表面，所述第一表面及所述第二表面均与所述第一电机的输出轴的轴线垂直，所述第二电机设于所述第一表面，所述第一电机设于所述第二表面。
7.根据权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述第三连接杆的长度与所述第四连接杆的长度的比值为1.2至1.4之间。
8.一种乒乓球击球机器人，其特征在于，包括：
权利要求1至权利要求7中任一项所述的机械臂；
运动系统，用于驱动所述机械臂移动，所述运动系统上设有安装所述机械臂的安装位；
视觉系统，用于获取乒乓球的运动轨迹；及
控制系统，与所述机械臂、所述运动系统及所述视觉系统分别电连接，所述控制系统用于控制所述机械臂击打所述乒乓球。
9.根据权利要求8所述的乒乓球击球机器人，其特征在于，所述运动系统包括滑轨、滑块及驱动件，所述滑块与所述滑轨滑动连接，所述驱动件驱动所述滑块相对所述滑轨移动，所述机械臂安装于所述滑块上。
10.根据权利要求8所述的乒乓球击球机器人，其特征在于，所述视觉系统包括处理器、安装架及高速摄像机，所述高速摄像机设于所述安装架上，且与所述处理器电连接，所述处理器与所述控制系统电连接，所述处理器能够对所述高速摄像机拍摄的视频进行实时分析处理。
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