CN109847292A - 一种具有视觉识别功能的网球收球机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有视觉识别功能的网球收球机器人,属机器人领域。本发明包括主体结构、控制系统、图像采集装置、驱动装置、收球结构和储存结构;驱动装置为两个电机驱动的后轮,通过控制系统控制机器人的行走。收球结构为收球机器人前方由无刷电机带动的辊子,通过辊子的高速转动带动并挤压网球,网球在脱离辊子后由于惯性作用滚入储存结构。收球结构前方是由两个旋转毛刷组成的集球装置。摄像头采集周围环境和场地网球的图片,图像处理模块可识别图片中的网球和网球手,从而规划最优拾取路线。本发明解决了同类产品中出现的卡球、伤球等问题。本产品简单实用,自动化程度高,可以实现全场收球,能满足高效、全自动化和智能化的收球需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有视觉识别功能的网球收球机器人,属于机器人技术领域。
背景技术
随着机器人市场需求的增加和行业技术的成熟,服务型机器人行业快速发展,其市场增长速度远远超过其他种类机器人。随着社会经济和技术的不断进步,人民的生活水平大幅度提高,网球运动正在高速的占据各大高校和运动中心。在进行网球训练时,大量的网球给训练者带来了便利,但是遍布场地的网球让人十分头疼。目前市场上没有一款既廉价又高效的网球拾取机构能满足广大人民群众经济条件,所以开发一款简单实用,自动化程度高,并且价格便宜能满足广大人民群众需求的网球收球机器人迫在眉睫。
发明内容
针对以上存在的问题,本发明提供了一种具有视觉识别功能的网球收球机器人,对网球进行全自动拾取。摄像头支架由两个舵机和支架组成,可实现摄像头的全方位采集数据。根据视野中网球数量和人的位置来规划最优拾取路线,当识别到人时,网球收球机器人及时改变方向防止对网球手造成伤害。机器人到达目标地点后,通过网球收球机器人收球结构中高速转动的辊子带动并挤压网球,网球在脱离辊子后由于惯性作用滚入储存结构。实现了全场网球的全自动拾取,结构简单,工作效率高。
本发明技术方案是:一种具有视觉识别功能的网球收球机器人,包括主体结构、控制系统、图像采集装置、驱动装置、收球结构和储存结构;
所述控制系统、驱动装置、收球结构、储存结构安装在主体结构车架上;
所述图像采集装置用于采集周围环境和地面网球的图片信息并发送给控制系统;
所述控制系统用于处理分析周围环境和地面网球的图片信息来进行控制驱动装置进行行走、收球结构进行捡球;
所述驱动装置用于通过两个电机分别驱动后轮进行行走,通过改变两个电机的转速进行转向;
所述收球结构用于通过收球机器人前方由无刷电机带动的辊子的高速转动带动网球并辅以导流板来挤压网球进行收球,网球在脱离辊子后由于惯性作用滚入储存结构存储。
进一步地,所述主体结构包括车架11、底盘9、侧向挡板2和导流板23;所述侧向挡板2设置在机器人车架前端左右两侧,导流板23设置在收球结构下方用于辅助收球。
进一步地,所述驱动装置包括两个后轮7的两个电机8,网球收球机器人的两个后轮7采用两个电机8分别控制;控制系统通过控制两个电机8的转速来控制转向,通过控制电机8的正反转控制机器人的前进方向。
进一步地,所述底盘9下设有前辅助轮24,前辅助轮24采用带法兰的万向球,且位于两个后轮7的轴垂线上,用于减少网球收球机器人转弯时对前辅助轮24的磨损。
进一步地,所述控制系统包括图像处理模块19、驱动板20、单片机21;所述单片机21和驱动板20控制机器人底部电机8带动机器人运动,单片机21控制收球辊子13连接的无刷电机12旋转,完成收球;单片机21控制舵机18旋转,扩大摄像头16视野范围,摄像头16采集周围环境和场地网球的图片,通过单片机21传输到图像处理模块19,单片机21将信号发给驱动板20,驱动板20驱动机器人底部电机8带动机器人运动。
进一步地,所述图像处理模块19用于识别采集到的图片中的网球和网球手,网球收球机器人在相同位置,摄像头16通过舵机18旋转的拍三次照片,图像处理模块19对图片中网球数量进行统计,选择网球数量最多的图片进行下一步处理,根据场地内外颜色,将场地绿色区域中的网球标记为目标,根据决策值Z值大小进行收球,优先拾取决策值Z值大的网球;其中,;Z为决策值;W为图片中网球的检测概率;S为图片中目标网球与摄像头的距离;n为图片中网球数量;
在网球手打球时,网球收球机器人的单片机21根据识别的场地内外颜色控制机器人不越过白线进入场地的蓝色区域收球;当识别到人的脚部时,单片机21将网球收球机器人的两个电机8设置不同的转速,使网球收球机器人及时改变方向防止对网球手造成伤害;当中场休息时切换程序,实现全场收球;所述动力装置为24V的蓄电池22,为网球收球机器人提供动力来源。
进一步地,所述图像采集装置包括摄像头16、支架17、舵机18;摄像头16用于采集周围环境和地面网球的图片,支架17和两个舵机18组成摄像头固定装置,用于使摄像头16进行两自由度改变方向,扩大摄像头16的视野,实现摄像头16的全方位工作;在网球收球机器人前方两侧各安装了一个避障传感器4,由传感器支架3固定在侧向挡板2上,当左侧传感器检测到障碍物时,网球收球机器人右转;当右侧传感器检测到障碍物时,网球收球机器人左转;当两侧传感器都检测到障碍物时,网球收球机器人后退后右转;当没有检测到障碍物时,网球收球机器人直行。
进一步地,所述收球结构设置在收球机器人前方,包括无刷电机12、辊子13、橡胶圈14、法兰轴承15;
所述无刷电机12带动辊子13转动,辊子13由法兰轴承15固定在侧向挡板2上,辊子13上有橡胶圈14,通过辊子13的高速转动带动并挤压网球,辊子13的下面设有导流板23用于和辊子13配合辅助挤压网球及方便网球导流,网球在脱离辊子13后由于惯性作用滚入储存结构;收球结构前方设有由两个旋转毛刷5组成的集球装置,有利于网球收球机器人提高效率。
进一步地,所述储存结构位于机器人上半部分,储存结构底部为倾斜5-8度的斜板6,有利于网球的储存;根据车架11大小选择收球筐10,将网球筐10置于车架11、斜板6上,待网球筐10装满,人工进行置换,将装满的网球筐10放在网球场旁边,有利于节约时间,提高网球手的运动体验。
进一步地,所述底盘9为铝制底盘,所述车架11为铝合金型材方管,由角连接件连接固定,所述侧向挡板2为钢板,通过螺栓连接到车架11上,所述导流板23由钢板折弯通过螺栓连接到车架11上。
本发明的有益效果是:
1、本发明结构简单,可以实现全场收球,一次可收1-5个,拾取效率高,并且解决同类产品中出现的卡球、伤球等问题。
2、采用摄像头全方位采集数据,图像处理模块对图像信息进行处理,根据视野中网球数量和人的位置来规划最优拾取路线,提高拾取效率。
3、驱动装置采用后轮驱动,使用两个电机分别控制,与四轮驱动方案相比降低了车身重量,节约能源,节约成本。前辅助轮采用带法兰的万向球,减少了网球收球机器人转弯时对前轮的磨损。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的局部结构示意图;
图3为本发明图像采集装置放大图;
图4为本发明底盘控制系统位置图;
图5为本发明收球结构示意图;
图6为本发明图像处理结果示意图;
图7为本发明的收球过程流程图。
图中各标号:1-图像采集装置、2-侧向挡板、3-传感器支架、4-避障传感器、5-旋转毛刷、6-斜板、7-后轮、8-电机、9-底盘、10-收球筐、11-车架、12-无刷电机、13-辊子、14-橡胶圈、15-法兰轴承、16-摄像头、17-支架、18-舵机、19-图像处理模块、20-驱动板、21-单片机、22-蓄电池、23-导流板、24-前辅助轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明作进一步说明。
实施例1:如图1-7所示,一种具有视觉识别功能的网球收球机器人,包括主体结构、控制系统、图像采集装置、驱动装置、收球结构和储存结构;
所述控制系统、驱动装置、收球结构、储存结构安装在主体结构车架上;
所述图像采集装置用于采集周围环境和地面网球的图片信息并发送给控制系统;
所述控制系统用于处理分析周围环境和地面网球的图片信息来进行控制驱动装置进行行走、收球结构进行捡球;
所述驱动装置用于通过两个电机分别驱动后轮进行行走,通过改变两个电机的转速进行转向;
所述收球结构用于通过收球机器人前方由无刷电机带动的辊子的高速转动带动网球并辅以导流板来挤压网球进行收球,网球在脱离辊子后由于惯性作用滚入储存结构存储。
进一步地,所述主体结构包括车架11、底盘9、侧向挡板2和导流板23;所述侧向挡板2设置在机器人车架前端左右两侧,导流板23设置在收球结构下方用于辅助收球。
进一步地,所述驱动装置包括两个后轮7的两个电机8,网球收球机器人的两个后轮7采用两个电机8分别控制;控制系统通过控制两个电机8的转速来控制转向,通过控制电机8的正反转控制机器人的前进方向。
进一步地,所述底盘9下设有前辅助轮24,前辅助轮24采用带法兰的万向球,且位于两个后轮7的轴垂线上,用于减少网球收球机器人转弯时对前辅助轮24的磨损。
进一步地,所述控制系统包括图像处理模块19、驱动板20、单片机21;所述单片机21和驱动板20控制机器人底部电机8带动机器人运动,单片机21控制收球辊子13连接的无刷电机12旋转,完成收球;单片机21控制舵机18旋转,扩大摄像头16视野范围,摄像头16采集周围环境和场地网球的图片,通过单片机21传输到图像处理模块19,单片机21将信号发给驱动板20,驱动板20驱动机器人底部电机8带动机器人运动,驱动板20通过控制电机的旋转角度和运转速度来控制占空比,PWM占空比越大,转速越快,越小转速越低。
进一步地,所述图像处理模块19用于识别采集到的图片中的网球和网球手,网球收球机器人在相同位置,摄像头16通过舵机18旋转的拍三次照片,图像处理模块19对图片中网球数量进行统计,选择网球数量最多的图片进行下一步处理,根据场地内外颜色,将场地绿色区域中的网球标记为目标,根据决策值Z值大小进行收球,优先拾取决策值Z值大的网球;其中,;Z为决策值;W为图片中网球的检测概率;S为图片中目标网球与摄像头的距离;n为图片中网球数量;
在网球手打球时,网球收球机器人的单片机21根据识别的场地内外颜色控制机器人不越过白线进入场地的蓝色区域收球;当识别到人的脚部时,单片机21将网球收球机器人的两个电机8设置不同的转速,使网球收球机器人及时改变方向防止对网球手造成伤害;当中场休息时切换程序,实现全场收球;所述动力装置为24V的蓄电池22,为网球收球机器人提供动力来源。
进一步地,所述图像采集装置包括摄像头16、支架17、舵机18;摄像头16用于采集周围环境和地面网球的图片,支架17和两个舵机18组成摄像头固定装置,用于使摄像头16进行两自由度改变方向,扩大摄像头16的视野,实现摄像头16的全方位工作;在网球收球机器人前方两侧各安装了一个避障传感器4,由传感器支架3固定在侧向挡板2上,当左侧传感器检测到障碍物时,网球收球机器人右转;当右侧传感器检测到障碍物时,网球收球机器人左转;当两侧传感器都检测到障碍物时,网球收球机器人后退后右转;当没有检测到障碍物时,网球收球机器人直行。
进一步地,所述收球结构设置在收球机器人前方,包括无刷电机12、辊子13、橡胶圈14、法兰轴承15;
所述无刷电机12带动辊子13转动,辊子13由法兰轴承15固定在侧向挡板2上,辊子13上有橡胶圈14,通过辊子13的高速转动带动并挤压网球,辊子13的下面设有导流板23用于和辊子13配合辅助挤压网球及方便网球导流,网球在脱离辊子13后由于惯性作用滚入储存结构;收球结构前方设有由两个旋转毛刷5组成的集球装置,有利于网球收球机器人提高效率。
进一步地,所述储存结构位于机器人上半部分,储存结构底部为倾斜5-8度的斜板6,有利于网球的储存;根据车架11大小选择收球筐10,将网球筐10置于车架11、斜板6上,待网球筐10装满,人工进行置换,将装满的网球筐10放在网球场旁边,有利于节约时间,提高网球手的运动体验。
进一步地,所述底盘9为铝制底盘,所述车架11为铝合金型材方管,由角连接件连接固定,所述侧向挡板2为钢板,通过螺栓连接到车架11上,所述导流板23由钢板折弯通过螺栓连接到车架11上。
本发明的工作原理是:
摄像头采集周围信息,将信息输送到图像处理模块,图像处理模块判断照片中是否包含网球,若不包含,网球收球机器人前进,摄像头改变角度重新采集图片;若包含,网球收球机器人不动,摄像头通过舵机旋转改变角度采集三张照片,图像处理模块对图片中网球数量进行统计,选择网球数量最多的图片进行下一步处理,根据场地内外颜色,将场地绿色区域中的网球标记为目标,根据决策值Z值大小进行收球,优先拾取决策值Z值大的网球,具体处理结果示意图如图6所示。图像处理模块还可识别场地中的网球和网球手,根据视野中网球数量和人的位置来规划最优拾取路线,网球收球机器人在相同位置,在网球手打球时,网球收球机器人不会越过白线进入场地的蓝色区域收球,当图像处理模块识别到人的脚部时,单片机将网球收球机器人的两个电机设置不同的转速,使网球收球机器人及时改变方向防止对网球手造成伤害。当中场休息时通过单片机可以切换工作模式,实现全场收球。控制系统通过控制辊子上的无刷电机,带动的辊子转动,辊子上有橡胶圈,通过辊子的高速转动带动并挤压网球,网球在脱离辊子后由于惯性作用滚入储存结构,完成收球。网球在导流板的引导下进入储存结构,储存结构底部为倾斜5-8度的斜板,有利于网球的储存。储存结构上放置网球收球筐,待网球筐装满,人工进行置换,将装满的网球筐放在网球场旁边,有利于节约时间,提高网球手的运动体验。其中,图6为本发明的一个图像处理过程结果示意图,处理时,得到的检测概率如表1所示。
表1
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:包括主体结构、控制系统、图像采集装置、驱动装置、收球结构和储存结构;
所述控制系统、驱动装置、收球结构、储存结构安装在主体结构车架上;
所述图像采集装置用于采集周围环境和地面网球的图片信息并发送给控制系统;
所述控制系统用于处理分析周围环境和地面网球的图片信息来进行控制驱动装置进行行走、收球结构进行捡球;
所述驱动装置用于通过两个电机分别驱动后轮进行行走,通过改变两个电机的转速进行转向;
所述收球结构用于通过收球机器人前方由无刷电机带动的辊子的高速转动带动网球并辅以导流板来挤压网球进行收球,网球在脱离辊子后由于惯性作用滚入储存结构存储。
2.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述主体结构包括车架(11)、底盘(9)、侧向挡板(2)和导流板(23);所述侧向挡板(2)设置在机器人车架前端左右两侧,导流板(23)设置在收球结构下方用于辅助收球。
3.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述驱动装置包括两个后轮(7)的两个电机(8),网球收球机器人的两个后轮(7)采用两个电机(8)分别控制;控制系统通过控制两个电机(8)的转速来控制转向,通过控制电机(8)的正反转控制机器人的前进方向。
4.根据权利要求3所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述底盘(9)下设有前辅助轮(24),前辅助轮(24)采用带法兰的万向球,且位于两个后轮(7)的轴垂线上,用于减少网球收球机器人转弯时对前辅助轮(24)的磨损。
5.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述控制系统包括图像处理模块(19)、驱动板(20)、单片机(21);所述单片机(21)和驱动板(20)控制机器人底部电机(8)带动机器人运动,单片机(21)控制收球辊子(13)连接的无刷电机(12)旋转,完成收球;单片机(21)控制舵机(18)旋转,扩大摄像头(16)视野范围,摄像头(16)采集周围环境和场地网球的图片,通过单片机(21)传输到图像处理模块(19),单片机(21)将信号发给驱动板(20),驱动板(20)驱动机器人底部电机(8)带动机器人运动。
6.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述图像处理模块(19)用于识别采集到的图片中的网球和网球手,网球收球机器人在相同位置,摄像头(16)通过舵机(18)旋转的拍三次照片,图像处理模块(19)对图片中网球数量进行统计,选择网球数量最多的图片进行下一步处理,根据场地内外颜色,将场地绿色区域中的网球标记为目标,根据决策值Z值大小进行收球,优先拾取决策值Z值大的网球;其中,;Z为决策值;W为图片中网球的检测概率;S为图片中目标网球与摄像头的距离;n为图片中网球数量;
在网球手打球时,网球收球机器人的单片机(21)根据识别的场地内外颜色控制机器人不越过白线进入场地的蓝色区域收球;当识别到人的脚部时,单片机(21)将网球收球机器人的两个电机(8)设置不同的转速,使网球收球机器人及时改变方向防止对网球手造成伤害;当中场休息时切换程序,实现全场收球;所述动力装置为24V的蓄电池(22),为网球收球机器人提供动力来源。
7.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述图像采集装置包括摄像头(16)、支架(17)、舵机(18);摄像头(16)用于采集周围环境和地面网球的图片,支架(17)和两个舵机(18)组成摄像头固定装置,用于使摄像头(16)进行两自由度改变方向,扩大摄像头(16)的视野,实现摄像头(16)的全方位工作;在网球收球机器人前方两侧各安装了一个避障传感器(4),由传感器支架(3)固定在侧向挡板(2)上,当左侧传感器检测到障碍物时,网球收球机器人右转;当右侧传感器检测到障碍物时,网球收球机器人左转;当两侧传感器都检测到障碍物时,网球收球机器人后退后右转;当没有检测到障碍物时,网球收球机器人直行。
8.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述收球结构设置在收球机器人前方,包括无刷电机(12)、辊子(13)、橡胶圈(14)、法兰轴承(15);
所述无刷电机(12)带动辊子(13)转动,辊子(13)由法兰轴承(15)固定在侧向挡板(2)上,辊子(13)上有橡胶圈(14),通过辊子(13)的高速转动带动并挤压网球,辊子(13)的下面设有导流板(23)用于和辊子(13)配合辅助挤压网球及方便网球导流,网球在脱离辊子(13)后由于惯性作用滚入储存结构;收球结构前方设有由两个旋转毛刷(5)组成的集球装置,有利于网球收球机器人提高效率。
9.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述储存结构位于机器人上半部分,储存结构底部为倾斜5-8度的斜板(6),有利于网球的储存;根据车架(11)大小选择收球筐(10),将网球筐(10)置于车架(11)、斜板(6)上,待网球筐(10)装满,人工进行置换,将装满的网球筐(10)放在网球场旁边,有利于节约时间,提高网球手的运动体验。
10.根据权利要求1所述的具有视觉识别功能的网球收球机器人,其特征在于:所述底盘(9)为铝制底盘,所述车架(11)为铝合金型材方管,由角连接件连接固定,所述侧向挡板(2)为钢板,通过螺栓连接到车架(11)上,所述导流板(23)由钢板折弯通过螺栓连接到车架(11)上。
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