CN109954254B - 基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能机器人领域，提供一种基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人，包括羽毛球拾取结构、全向来福轮底盘结构、羽毛球收集桶和电控系统，所述全向来福轮底盘结构包括四个来福轮、底盘，四个来福轮与底盘相连，连接处安装有步进电机，所述底盘上布置有羽毛球拾取结构、摄像头和羽毛球收集桶，所述红外巡线传感器通过支架连接在底盘下方。本发明通过红外识别和摄像头实现路径规划和对羽毛球的识别功能，利用全向来福轮实现指定路径的行走任务，解决了羽毛球场地散乱羽毛球的收集问题，极大的提高了羽毛球拾取的效率。

Description

基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，尤其是一种基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人。

背景技术

近年来随着智能产品的日益普及，生活中越来越多的地方都开始用到了智能化的产品，在体育运动中也逐渐出现了智能化的产品，与此同时针对各种球类运动的捡球机器人逐渐变多，但针对羽毛球领域的捡球机器人却相对较少，而现有的羽毛球捡球机器人还存在一定的缺陷。

羽毛球不同于其他类小球，在收集过程中容易出现破损，所以在捡球过程中要做到轻拿轻放，同时一次性不能收集过多的羽毛球，从而避免过多的羽毛球混在一起出现挤压坏的现象，所以现有的捡球机器人无法满足所需要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术中的不足之处，提供一种基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人，通过红外识别和摄像头实现路径规划和对羽毛球的识别功能，利用全向来福轮实现指定路径的行走任务，解决了羽毛球场地散乱羽毛球的收集问题，极大的提高了羽毛球拾取的效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人，包括羽毛球拾取结构、全向来福轮底盘结构、摄像头、红外寻线传感器、羽毛球收集桶和电控系统，所述全向来福轮底盘结构包括四个来福轮、底盘，四个来福轮使用电机支架与底盘相连，连接处分别安装有步进电机，所述底盘上布置有羽毛球拾取结构、摄像头和羽毛球收集桶，所述红外巡线传感器通过支架连接在底盘下方，所述羽毛球拾取结构包括机械爪、机械臂和云台，所述机械臂为串行机械臂，机械臂末端连接有机械爪，机械臂下方通过云台架设于底盘上，在机械臂上设有机械爪俯仰舵机和机械爪起落舵机，在机械臂与机械爪连接处设有机械爪开合舵机，在云台上设有机械爪旋转舵机。

在上述技术方案中，所述电控系统包括图像采集传感器、树莓派处理器和arduino单片机，所述红外巡线传感器与arduino单片机相连接，由arduino引脚信号的变化读取场地信息，所述摄像头采用CMOS作为图像采集传感器，将图像的基本信息提供给树莓派处理器，由树莓派处理图像，并识别羽毛球位置，将位置信息发送给下位机即arduino单片机，arduino单片机将需要控制的信号发送给四路步进电机和三路舵机，驱动四路步进电机和三路舵机，四路步进电机通过驱动模块与arduino单片机相连，三路舵机控制端直接与arduino单片机相连接，舵机输出端直接连接至羽毛球拾取结构的三个关节，驱动机械爪进行羽毛球的拾取。

在上述技术方案中，所述电控系统的工作流程包括以下步骤：

（1）开始，系统初始化；

（2）机器人开始环绕场地的路径识别；

（3）摄像头启动对场地信息进行扫描；

（4）树莓派接收到摄像头传来的像素点图像，开始使用c++-opencv语言处理图像，采用switch函数将不同颜色梯度的RGB值一一对应，之后进行颜色识别，颜色识别的方法为：用逐行扫描的方式将图片每个像素点的值与羽毛球颜色像素点值作对比，如果没有扫描到有与羽毛球颜色相近的点则继续进行图像捕捉并扫描，如果扫描到有较多与羽毛球颜色相近的像素值，则开始下一步的滤波将颜色过滤并进行二值化处理，将除了同羽毛球颜色相近的物体都转化为黑色，与羽毛球颜色相近的物体转化为白色，之后采取开操作去除一些噪点，再采用闭操作连通图像各个区域，并读取图像中分界轮廓然后求取重心坐标，最后将重心坐标RGB值与羽毛球RGB值进行比较，如果相似度相差太远，则滤除该物体后回到颜色识别，继续检测其他物体，如果相似度在设定的范围，则可确定出羽毛球的位置，最后将求得的重心值数据发送给arduino单片机；

（5）arduino单片机收到树莓派上位机的羽毛球位置的重心坐标之后，传送PWM信号给步进电机驱动芯片，从而通过步进电机驱动板控制四个步进电机的旋转，带动整个机器人的运动，在整个移动过程中，摄像头通过树莓派将羽毛球位置信息实时反馈给arduino单片机，arduino单片机根据上位机发送的信号实时调整输送的PWM波对步进电机的控制，从而实现机器人X轴和Y轴的移动直至机器人移动到羽毛球所在的位置，然后arduino单片机控制步进电机停止运动；

（6）arduino单片机通过控制羽毛球拾取结构上的舵机控制机械爪抓取羽毛球，并放入位于机器人前部的羽毛球收集桶内，完成一次抓取。

本发明基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人，通过摄像头实现对羽毛球场地散落的羽毛球进行视觉识别从而确定散落羽毛球的所在位置，利用红外寻线传感器识别羽毛球场地的边界线从而按机器人预定的路径移动，采用羽毛球拾取结构实现对散落羽毛球的360度全方位抓取，通过全向来福轮控制机器人的路径移动，极大的提高了拾取的效率。本发明能有效减少拾取羽毛球场地大量散乱羽毛球所需要消耗的人力资源，及时、快速的拾取训练过后散落在场地上的羽毛球并放置在场边的收集箱中以便后面的人员使用，方便又快捷。

附图说明

图1为本发明基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人的整体示意图。

图2为本发明中机械爪的示意图。

图3为本发明中万向来福轮底盘结构的示意图。

图4为本发明电控流程图。

其中：1.机械爪，2.舵机，3.羽毛球收集桶，4.摄像头，5.步进电机，6.红外巡线传感器，7.来福轮。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例，对本发明的技术方案进行具体描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人，包括羽毛球拾取结构、全向来福轮底盘结构、摄像头、红外巡线传感器、羽毛球收集桶和电控系统。羽毛球智能捡球机器人的长、宽、高分别为400mm、300mm、300-400mm，机器人整体结构简单，便于灵活的在羽毛球场地上穿梭。

所述万向来福轮底盘结构，如图2所示，所述全向来福轮底盘结构包括四个来福轮、底盘，四个来福轮使用电机支架与底盘相连，连接处分别安装有步进电机，所述底盘上布置有羽毛球拾取结构、摄像头和羽毛球收集桶，所述红外传感器通过支架连接在底盘下方。采用该底盘通过四个来福轮可以实现机器人X轴和Y轴的任意移动而不需要通过转向的方法实现X轴和Y轴的切换，该方法更加方便了机器人的上下左右移动。

所述羽毛球拾取结构包括机械爪、机械臂和云台，所述机械臂为串行机械臂，机械臂末端连接有机械爪，机械臂下方通过云台架设于底盘上，在机械臂上设有机械爪俯仰舵机和机械爪起落舵机，在机械臂与机械爪连接处设有机械爪开合舵机，在云台上设有机械爪旋转舵机。

所述机械臂通过3个舵机构成了串行机械臂，满足了3个自由度的灵活性，通过底部云台，能够全方位的旋转进行抓取工作，采用了U型板的连接结构减轻了机械臂的重量，顶部舵机的使用使得机械臂将羽毛球放置桶中更加方便。

机械爪可以以车身为基准，绕Z轴360度旋转，可以从各个方向拾取羽毛球后放入羽毛球收集桶内部。机械爪采用如图2所示的弧形结构，保证了在拾取羽毛球的同时减轻对羽毛球本身的损害，同时该结构结合收集桶配合使用，有效的提高了收集的效率。

羽毛球收集桶为桶状网格结构，羽毛球拾取结构在抓取到羽毛球后将羽毛球放入该收集桶中，采用该结构能够在机器人一次的收集过程中收集较多的羽毛球，当收集桶满后，机器人将行驶至场边的收集箱出，之后机械爪将整个收集桶抓取并放置到收集箱中供后面的使用，同时将新的收集桶放在机器人上并开始下一次的收集。

所述电控系统包括图像采集传感器、树莓派处理器和arduino单片机，所述红外巡线传感器与arduino单片机相连接，由arduino引脚信号的变化读取场地信息，所述摄像头采用CMOS作为图像采集传感器，将图像的基本信息提供给树莓派处理器，由树莓派处理图像，并识别羽毛球位置，将位置信息发送给下位机即arduino单片机，arduino单片机将需要控制的信号发送给四路步进电机和三路舵机，驱动四路步进电机和三路舵机，四路步进电机通过驱动模块与arduino单片机相连，驱动模块采用以A4988驱动芯片为主的集成模块，通过Arduino提供PWM驱动信号给驱动芯片从而控制步进电机并通过一定的算法分别控制X，Y，Z，A四轴的转动从而实现来福轮的X轴和Y轴的运动。三路舵机控制端直接与arduino单片机相连接，舵机输出端直接连接至羽毛球拾取结构的三个关节，驱动机械爪进行羽毛球的拾取。

电控系统采用3节18650电池提供12V电源通过arduino单片机插在主控驱动板将所有模块连接在一起从而实现收集羽毛球的功能。

本实施例中，机器人采用红外传感器用来识别羽毛球场上的边界白线，机器人的路径规划分为两步，通过红外传感器识别场地白线从而沿着场地白线行驶并通过机械爪360度旋转对场地外围区域的羽毛球进行收集为第一步，当外围区域处理完成后进入第二步，按照预定路线向球场内侧区域靠近，机器人采用举行螺旋线式路径逐渐进入并扫描内侧区域，从而实现对内侧区域羽毛球的收集工作。

本实施例中，通过摄像头采用Opencv视觉识别技术扫描场地并转换成RPG值来判断散落羽毛球的位置。

所述电控系统的具体工作流程如图4所示，包括以下步骤：

（1）开始，系统初始化；

（2）arduino单片机驱动步进电机，机器人开始环绕场地的路径识别；

（3）摄像头启动对场地信息进行扫描；

（4）树莓派接收到摄像头传来的像素点图像，开始使用c++-opencv语言处理图像，采用switch函数将不同颜色梯度的RGB值一一对应，之后进行颜色识别，颜色识别的方法为：用逐行扫描的方式将图片每个像素点的值与羽毛球颜色像素点值作对比，如果没有扫描到有与羽毛球颜色相近的点则继续进行图像捕捉并扫描，如果扫描到有较多与羽毛球颜色相近的像素值，则开始下一步的滤波将颜色过滤并进行二值化处理，将除了同羽毛球颜色相近的物体都转化为黑色，与羽毛球颜色相近的物体转化为白色，之后采取开操作去除一些噪点，再采用闭操作连通图像各个区域，并读取图像中分界轮廓然后求取重心坐标，最后将重心坐标RGB值与羽毛球RGB值进行比较，如果相似度相差太远，则滤除该物体后回到颜色识别，继续检测其他物体，如果相似度在设定的范围，则可确定出羽毛球的位置，最后将求得的重心值数据发送给arduino单片机；

（5）arduino单片机收到树莓派上位机的羽毛球位置的重心坐标之后，传送PWM信号给步进电机驱动芯片，从而通过步进电机驱动板控制四个步进电机的旋转，带动整个机器人的运动，在整个移动过程中，摄像头通过树莓派将羽毛球位置信息实时反馈给arduino单片机，arduino单片机根据上位机发送的信号实时调整输送的PWM波对步进电机的控制，从而实现机器人X轴和Y轴的移动直至机器人移动到羽毛球所在的位置，然后arduino单片机控制步进电机停止运动；

（6）arduino单片机通过控制拾取模块上的舵机控制机械爪抓取羽毛球，并放入位于机器人前部的收集桶内，完成一次抓取。此后arduino单片机判断机械爪抓取次数，若没有超过阈值则程序开始下一次循环继续扫描场地进行下一次抓取，当抓取次数超过阈值则返回放置区并放置收集桶。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的现有技术。

上述实施例仅是为了便于详细阐明本发明，并不仅仅局限于例子，只要在本权利书要求的范围内，或本领域内的技术人员在不偏离本发明范围和精神进行的各种修改和变化都属于该专利的保护范畴。

Claims (1)

1.基于全向来福轮的羽毛球场智能捡球机器人，其特征在于：包括羽毛球拾取结构、全向来福轮底盘结构、摄像头、红外巡线传感器、羽毛球收集桶和电控系统，所述全向来福轮底盘结构包括四个来福轮、底盘，四个来福轮使用电机支架与底盘相连，连接处分别安装有步进电机，所述底盘上布置有羽毛球拾取结构、摄像头和羽毛球收集桶，所述红外传感器通过支架连接在底盘下方，所述羽毛球拾取结构包括机械爪、机械臂和云台，所述机械臂为串行机械臂，机械臂末端连接有机械爪，机械臂下方通过云台架设于底盘上，在机械臂上设有机械爪俯仰舵机和机械爪起落舵机，在机械臂与机械爪连接处设有机械爪开合舵机，在云台上设有机械爪旋转舵机；所述电控系统包括图像采集传感器、树莓派处理器和arduino单片机，所述红外巡线传感器与arduino单片机相连接，由arduino引脚信号的变化读取场地信息，所述摄像头采用CMOS作为图像采集传感器，将图像的基本信息提供给树莓派处理器，由树莓派处理图像，并识别羽毛球位置，将位置信息发送给下位机即arduino单片机，arduino单片机将需要控制的信号发送给四路步进电机和三路舵机，驱动四路步进电机和三路舵机，四路步进电机通过驱动模块与arduino单片机相连，三路舵机控制端直接与arduino单片机相连接，舵机输出端直接连接至羽毛球拾取结构的三个关节，驱动机械爪进行羽毛球的拾取；所述电控系统的工作流程包括以下步骤：

（1）开始，系统初始化；

（2）机器人开始环绕场地的路径识别；

（3）摄像头启动对场地信息进行扫描；

（4）树莓派接收到摄像头传来的像素点图像，开始使用c++-opencv语言处理图像，采用switch函数将不同颜色梯度的RGB值一一对应，之后进行颜色识别，颜色识别的方法为：用逐行扫描的方式将图片每个像素点的值与羽毛球颜色像素点值作对比，如果没有扫描到有与羽毛球颜色相近的点则继续进行图像捕捉并扫描，如果扫描到有较多与羽毛球颜色相近的像素值，则开始下一步的滤波将颜色过滤并进行二值化处理，将除了同羽毛球颜色相近的物体都转化为黑色，与羽毛球颜色相近的物体转化为白色，之后采取开操作去除一些噪点，再采用闭操作连通图像各个区域，并读取图像中分界轮廓然后求取重心坐标，最后将重心坐标RGB值与羽毛球RGB值进行比较，如果相似度相差太远，则滤除该物体后回到颜色识别，继续检测其他物体，如果相似度在设定的范围，则可确定出羽毛球的位置，最后将求得的重心值数据发送给arduino单片机；

（5）arduino单片机收到树莓派上位机的羽毛球位置的重心坐标之后，传送PWM信号给步进电机驱动芯片，从而通过步进电机驱动板控制四个步进电机的旋转，带动整个机器人的运动，在整个移动过程中，摄像头通过树莓派将羽毛球位置信息实时反馈给arduino单片机，arduino单片机根据上位机发送的信号实时调整输送的PWM波对步进电机的控制，从而实现机器人X轴和Y轴的移动直至机器人移动到羽毛球所在的位置，然后arduino单片机控制步进电机停止运动；

（6）arduino单片机通过控制羽毛球拾取结构上的舵机控制机械爪抓取羽毛球，并放入位于机器人前部的羽毛球收集桶内，完成一次抓取。

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