CN110412992A - 一种乒乓球智能捡取机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种乒乓球智能捡取机器人及其控制方法，涉及智能控制功能性机器人领域，结构简单，可靠耐用，利用双目视觉识别定位系统，可以准确定位乒乓球在空间中的位置，底座与捡取桶的结合的结构，使机器人能够达到角落对于乒乓起实现顺利捡取，运行中具有自动避障功能，提高了乒乓球的捡取效率、精确率、成功率和灵活性；部分零件损坏，更换方便，维护成本低；另外，本发明识别距离远，可控性强，内置20000 mAh锂电池，功耗低，待机时间长。本发明智能化水平高，相较于市场上的以机械臂为捡取装置的功能机器人，结构更为简单，成本更加低廉，并且捡取效率高，通过乒乓球识别模型的设计，为后续乒乓球捡取机器人的设计提供了新的思路和创新方向。

Description

一种乒乓球智能捡取机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能控制功能性机器人领域，具体的说是一种乒乓球智能捡取机器人及其控制方法。

背景技术

目前，市面上功能机器人多种多样，在乒乓球捡取方面的机器人，都大多以机械臂为捡取装置，结构比较复杂，成本高，捡取效率低。由于结构复杂，导致整个机器人占用空间大，一些角落的乒乓球也很难捡取成功，还是需要部分人工处理。复杂的机械臂结构，容易出现故障，维修也比较困难，大大增加了加工成本和使用成本。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本发明提供了一种乒乓球智能捡取机器人及其控制方法，采用简单的拾取结构，实现了乒乓球捡取的完全自动化处理，捡取效率高，设备维修方便，成本低廉。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种乒乓球智能捡取机器人，包含有捡取装置、视觉定位装置、智能控制装置、避障装置、电源装置和底座，所述捡取装置和视觉定位装置分别设置于底座的一侧及上部，所述智能控制装置和电源装置设置于底座内部，

所述底座整体设置为空心圆柱形，其一侧垂直方向设置圆弧形凹槽，所述底座左右两侧分别设置行走轮，每个行走轮连接直流电机，左右两个所述直流电机设置于底座内；

所述捡取装置包含有底部均匀平行设置若干弹性绳的捡取桶，所述捡取桶部分容置于底座侧面的圆弧形凹槽内，所述捡取桶通过定位机构与圆弧形凹槽连接达到横向位置限定，所述底座上设置有霍尔传感器，其触头设置于捡取桶侧面上的对应位置，所述捡取桶与底座接触的侧面上设置有齿条，与设置于底座上的齿轮及电动机形成齿轮-齿条传动装置，驱动所述捡取桶在底座内上下运动；

所述视觉定位装置设置为由交叉摆放的两个摄像头形成的双目立体视觉定位结构通过支架固定于底座上；

所述避障装置包含有三个超声波传感器，分别设置于捡取桶及左右两个行走轮的正前方；

所述智能控制装置设置为由主控单片机和电机驱动芯片组成，所述主控单片机通过H型双极性可逆PWM驱动控制电路与电机驱动芯片连接，所述电机驱动芯片分别与两个直流电机连接；

所述视觉定位装置的两个摄像头、避障装置的超声波传感器、霍尔传感器分别通过信号线与主控单片机的输入端连接，所述底座上的齿轮及电动机通过信号线与主控单片机的输出端连接；

所述电源装置设置为采用12V的蓄电池分别连接三个稳压芯片，分别获得12V、5V、3.3V电压，为装置内用电部件供电。

若干所述弹性绳的间隙略小于乒乓球的直径。

所述主控单片机31采用STM32F103芯片，所述驱动芯片采用L298N。

所述捡取桶11的定位机构包含有双平行定位轨道13和底座安装支架66，所述底座安装支架66固定设置于底座6的圆弧形凹槽上方，所述双平行定位轨道13对称设置于捡取桶11的两侧与圆弧形凹槽边缘对应的位置，安装后所述底座安装支架66的竖直方向边缘的凸出部分容置于双平行定位轨道13内。

所述底座6后部设置万向轮64。

一种乒乓球智能捡取机器人的控制方法，通过如下步骤实现：

S1：利用视觉定位装置2的双目视觉定位系统获取兵乓球的空间位置，将位置信息发送至主控单片机31；

S2：所述主控单片机31通过控制电机驱动芯片32控制两个直流电机62分别驱动左右两个行走轮63，使整个设备移动至目标位置；

S3：所述主控单片机31控制齿轮及电动机61启动，捡取桶11由初始位置做下降运动，弹性绳与乒乓球接触，中间空隙发生形变，乒乓球通过空隙进入捡取桶11内实现顺利捡取，弹性绳恢复初始状态，此时触发霍尔传感器65,信号传递给主控单片机31，所述主控单片机31控制齿轮及电动机61反转,从而驱动捡取桶11做上升运动至初始位置,为下一次的捡取做准备；

S4：运行过程中，所述超声波传感器41实时监测周围环境，发现障碍物后测算与障碍物之间的距离，将信息发送至主控单片机31，所述主控单片机31控制电机驱动芯片32及两个直流电机62实现自动避障。

本发明结构简单，可靠耐用，利用双目视觉识别定位系统，可以准确定位乒乓球在空间中的位置，底座与捡取桶的结合的结构，使机器人能够达到角落对于乒乓起实现顺利捡取，运行中具有自动避障功能，提高了乒乓球的捡取效率、精确率、成功率和灵活性；部分零件损坏，更换方便，维护成本低；另外，本发明识别距离远，可控性强，内置20000 mAh 锂电池，功耗低，待机时间长。本发明智能化水平高，相较于市场上的以机械臂为捡取装置的功能机器人，结构更为简单，成本更加低廉，并且捡取效率高，通过乒乓球识别模型的设计，为后续乒乓球捡取机器人的设计提供了新的思路和创新方向。

附图说明

图1为本发明总体机械结构示意图；

图2为本发明背面结构示意图；

图3为本发明控制原理示意图；

图4为本发明电机驱动芯片L298N的外围电路图；

图5为本发明电源装置的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述：

如图1-3所示， 一种乒乓球智能捡取机器人，包含有捡取装置1、视觉定位装置2、智能控制装置3、避障装置4、电源装置和底座6，所述捡取装置1和视觉定位装置2分别设置于底座6的一侧及上部，所述智能控制装置3和电源装置设置于底座6内部。

所述底座6整体设置为空心柱形，可以是圆柱形，也可以是其他异形的柱体结构，根据实际需要可自行设计，所述底座6的一侧垂直方向设置圆弧形凹槽，所述底座6左右两侧分别设置行走轮63，每个行走轮63连接直流电机62，左右两个所述直流电机62设置于底座6内。

作为优选的方式，本实施例中，所述底座6后部设置万向轮64，整个装置运行更加平稳和灵活。

所述捡取装置1包含有底部均匀平行设置若干弹性绳的捡取桶11，所述捡取桶11部分容置于底座6侧面的圆弧形凹槽内，所述捡取桶11通过定位机构与圆弧形凹槽连接达到横向位置限定，所述底座6上设置有霍尔传感器65，其触头设置于捡取桶11侧面上的对应位置，所述捡取桶11与底座6接触的侧面上设置有齿条12，与设置于底座6上的齿轮及电动机61形成齿轮-齿条传动装置，通过电动机带动齿轮正转或反转来达到驱动所述捡取桶11在底座6内上下运动，实现捡球过程。

作为优选的方式，本实施例中，所述捡取桶11的定位机构包含有双平行定位轨道13和底座安装支架66，所述底座安装支架66固定设置于底座6的圆弧形凹槽上方，所述双平行定位轨道13对称设置于捡取桶11的两侧与圆弧形凹槽边缘对应的位置，安装后所述底座安装支架66的竖直方向的边缘内侧凸起部容置于双平行定位轨道13内，一方面固定了捡取桶11与底座6之间的相对位置，同时为捡取桶11上下的运动其到导向定位作用。

作为优选的方式，本实施例中，若干所述弹性绳的间隙略小于乒乓球的直径。所述捡取桶11的结构设计利用了弹性绳的弹性以及弹性形变恢复的能力，设计的桶式结构，既能便于乒乓球的收集，又能用于乒乓球的暂时存储。在捡取桶11的周围钻孔穿入平行的弹性绳，使相邻的弹性绳之间的间隙略小于乒乓球的直径。普通乒乓球的直径为40mm，质量为2.7克，设计相邻的弹性绳之间的间隙可以为20-30mm，由于乒乓球重量轻，当乒乓球位于捡取桶下方时，捡取桶向下运动，乒乓球与弹性绳接触，必然经过两根弹性绳之间的缝隙，此时弹性绳发生形变，沿着乒乓球外壁滑动，直到乒乓球进入间隙后到达弹性绳之上，弹性绳恢复初始状态，乒乓球在捡取桶11内进行暂时的存储，足够数量会转移到其他容器内清洗备用。

为增加捡取桶11的存储容量，提高乒乓球的捡取效率，可以在设计过程中适当增大捡取桶11的直径，增加弹性绳的数量，只要确保相邻弹性绳之间的间隙略小于乒乓球直径即可。所述捡取桶11的只要是采用桶体结构即可，成本低廉，无特殊的设计要点，为了节约成本，塑料桶、矿泉水桶等都可以通过改装来实现捡取桶11的功能。

所述视觉定位装置2设置为由交叉摆放的两个摄像头22形成的双目立体视觉定位结构通过支架21固定于底座6上。

为了一次性获得更大更准确的视觉信息，选用双目摄像头来完成乒乓球的精准识别与定位，基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息，最终确定乒乓球在空间中的具体位置。双目立体视觉成像系统的原理、系统结构、算法等都属于现有技术，这里不再赘述。

所述避障装置4包含有三个超声波传感器41，分别设置于捡取桶11及左右两个行走轮62的正前方。本装置使用方法简单，一个控制口发一个10US以上的高电平，使它产生超声波信号,就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，即可以达到拟移动测量的值。

所述智能控制装置3设置为由主控单片机31和电机驱动芯片32组成，所述主控单片机31通过H型双极性可逆PWM驱动控制电路与电机驱动芯片32连接，所述电机驱动芯片32分别与两个直流电机62连接。这种三级控制结构，各级职责明确，结构清晰易于实现。

所述视觉定位装置2的两个摄像头22、避障装置4的超声波传感器41、霍尔传感器65分别通过信号线与主控单片机31的输入端连接，所述底座6上的齿轮及电动机61通过信号线与主控单片机31的输出端连接。

本实施例中，所述主控单片机31采用STM32F103芯片，所述电机驱动芯片32采用L298N，通过单片机控制捡取装置移动至目标位置，考虑到直流电机具有体积小、功耗低和控制简单的特点及行走电机需要频繁启停和双向转动的要求，采用H型双极性可逆PWM驱动控制系统，对两个直流电机62进行实时调速，再配合增量式霍尔编码器对速度大小和方向的检测，利用PID控制算法可以实现对系统的闭环控制。运用L298N芯片做电机的驱动芯片，其中L298N为高电压、大电流的全桥驱动芯片，每个这种芯片能够控制2台直流电机，同时可控制其使能端。用这种芯片做电机驱动，其稳定性非常好，且性能十分好，同时L298N结合主控单片机31能够达到对机器人速度的准确控制。借助接口发出PWM波，进而控制直流电机62的转速，达到对速度的控制。

本发明采用PWM调速技术来实现自动捡取机器人的转向、调速控制，对底座6的左右两侧的直流电机62进行独立控制。选用的L298N电机驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL逻辑定位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。经反复试验，选择脉冲频率1000Hz,左右两个直流电机转动比较平稳，控制效果较佳。L298需要两个电压，一个为逻辑电路工作所需的5V电压Vcc，另一个为功率电路所需的驱动电压Vs，具体外围电路原理图如图4所示。

在编写完成Keil5调速、转向程序，与PROTEUS软件进行联合仿真后，通过在线调试。 经多次实际测试，采用PWM技术进行乒乓球捡取机器人的调速、转向操作具有如下优点：1.电流一定连续；2.可使电动机在四象限中运行；3.电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；4.低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；5.低速平稳性好，调速范围较大。

如图5所示，所述电源装置设置为采用12V的蓄电池分别连接三个稳压芯片，为得到所需电压需进行降压及稳压操作，采用稳压芯片7805、ＡＭＳ１１１７－３.３，分别获得12V、5V、3.3V电压，为装置内用电部件供电。

一种乒乓球智能捡取机器人的控制方法，通过如下步骤实现：

S1：利用视觉定位装置2的双目视觉定位系统获取兵乓球的空间位置，将位置信息发送至主控单片机31；

S2：所述主控单片机31通过控制电机驱动芯片32控制两个直流电机62分别驱动左右两个行走轮63，使整个设备移动至目标位置；

S3：所述主控单片机31控制齿轮及电动机61启动，捡取桶11由初始位置做下降运动，弹性绳与乒乓球接触，中间空隙发生形变，乒乓球通过空隙进入捡取桶11内实现顺利捡取，弹性绳恢复初始状态，此时触发霍尔传感器65,信号传递给主控单片机31，所述主控单片机31控制齿轮及电动机61反转,从而驱动捡取桶11做上升运动至初始位置,为下一次的捡取做准备；

S4：运行过程中，所述超声波传感器41实时监测周围环境，发现障碍物后测算与障碍物之间的距离，将信息发送至主控单片机31，所述主控单片机31控制电机驱动芯片32及两个直流电机62实现自动避障。

综上所述，本发明是一种基于双目视觉的乒乓球自动捡取设备，以单片机STM32H743为控制核心，利用双目视觉技术获取乒乓球的空间位置，再通过往返式路径规划方法控制捡球设备移动到目标位置, 在运行过程中通过超声波传感器监测周围环境，实现自动避障，最后通过拾取机械装置对乒乓球的实现有效捡取。通过机器人实物模型的性能测试表明，本发明捡球效果良好，成本较低，实现较为方便，为更多捡球机器人的开发提供了借鉴和参考。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种乒乓球智能捡取机器人，其特征在于，包含有捡取装置（1）、视觉定位装置（2）、智能控制装置（3）、避障装置（4）、电源装置和底座（6），所述捡取装置（1）和视觉定位装置（2）分别设置于底座（6）的一侧及上部，所述智能控制装置（3）和电源装置设置于底座（6）内部，

所述底座（6）整体设置为空心圆柱形，其一侧垂直方向设置圆弧形凹槽，所述底座（6）左右两侧分别设置行走轮（63），每个行走轮（63）连接直流电机（62），左右两个所述直流电机（62）设置于底座（6）内；

所述捡取装置（1）包含有底部均匀平行设置若干弹性绳的捡取桶（11），所述捡取桶（11）部分容置于底座（6）侧面的圆弧形凹槽内，所述捡取桶（11）通过定位机构与圆弧形凹槽连接达到横向位置限定，所述底座（6）上设置有霍尔传感器（65），其触头设置于捡取桶（11）侧面上的对应位置，所述捡取桶（11）与底座（6）接触的侧面上设置有齿条（12），与设置于底座（6）上的齿轮及电动机（61）形成齿轮-齿条传动装置，驱动所述捡取桶（11）在底座（6）内上下运动；

所述视觉定位装置（2）设置为由交叉摆放的两个摄像头（22）形成的双目立体视觉定位结构通过支架（21）固定于底座（6）上；

所述避障装置（4）包含有三个超声波传感器（41），分别设置于捡取桶（11）及左右两个行走轮（62）的正前方；

所述智能控制装置（3）设置为由主控单片机（31）和电机驱动芯片（32）组成，所述主控单片机（31）通过H型双极性可逆PWM驱动控制电路与电机驱动芯片（32）连接，所述电机驱动芯片（32）分别与两个直流电机（62）连接；

所述视觉定位装置（2）的两个摄像头（22）、避障装置（4）的超声波传感器（41）、霍尔传感器（65）分别通过信号线与主控单片机（31）的输入端连接，所述底座（6）上的齿轮及电动机（61）通过信号线与主控单片机（31）的输出端连接；

所述电源装置设置为采用12V的蓄电池分别连接三个稳压芯片，分别获得12V、5V、3.3V电压，为装置内用电部件供电。

2.根据权利要求1所述的一种乒乓球智能捡取机器人，其特征在于，若干所述弹性绳的间隙略小于乒乓球的直径。

3.根据权利要求1所述的一种乒乓球智能捡取机器人，其特征在于，所述主控单片机（31）采用STM32F103芯片，所述驱动芯片采用L298N。

4.根据权利要求1所述的一种乒乓球智能捡取机器人，其特征在于，所述捡取桶（11）的定位机构包含有双平行定位轨道（13）和底座安装支架（66），所述底座安装支架（66）固定设置于底座（6）的圆弧形凹槽上方，所述双平行定位轨道（13）对称设置于捡取桶（11）的两侧与圆弧形凹槽边缘对应的位置，安装后所述底座安装支架（66）的竖直方向边缘内侧凸起部容置于双平行定位轨道（13）内。

5.根据权利要求1所述的一种乒乓球智能捡取机器人，其特征在于，所述底座（6）后部设置万向轮（64）。

6.如权利要求1所述的一种乒乓球智能捡取机器人的控制方法，其特征在于，通过如下步骤实现：

S1：利用视觉定位装置（2）的双目视觉定位系统获取兵乓球的空间位置，将位置信息发送至主控单片机（31）；

S2：所述主控单片机（31）通过控制电机驱动芯片（32）控制两个直流电机（62）分别驱动左右两个行走轮（63），使整个设备移动至目标位置；

S3：所述主控单片机（31）控制齿轮及电动机（61）启动，捡取桶（11）由初始位置做下降运动，弹性绳与乒乓球接触，中间空隙发生形变，乒乓球通过空隙进入捡取桶（11）内实现顺利捡取，弹性绳恢复初始状态，此时触发霍尔传感器（65）,信号传递给主控单片机（31），所述主控单片机（31）控制齿轮及电动机（61）反转,从而驱动捡取桶（11）做上升运动至初始位置,为下一次的捡取做准备；

S4：运行过程中，所述超声波传感器（41）实时监测周围环境，发现障碍物后测算与障碍物之间的距离，将信息发送至主控单片机（31），所述主控单片机（31）控制电机驱动芯片（32）及两个直流电机（62）实现自动避障。