CN110538443A - 一种带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人 - Google Patents

一种带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,包括乒乓球发射模块,乒乓球回收储存模块、视觉模块,主控模块;乒乓球发射模块包括云台、乒乓球输送机构、发球机构;所述云台实现全向发球,乒乓球输送机构由输送管和拨轮组成,将乒乓球从机架上的储球盒输送至发球机构;发球机构由发射管和两个摩擦轮组成,通过调节电机转速实现球速和乒乓球自旋的控制;视觉模块包括摄像头和处理器,摄像头采集图像传输给处理器,通过处理器内置的视觉识别算法识别使用者的方位并将方位信息传给主控模块;主控模块通过算法处理视觉模块传输的数据,控制乒乓球发球模块进行发射,本发明通过模拟实际的球场环境,提高训练效率。

Description

一种带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人
技术领域
本发明涉及机器人领域,特别涉及一种带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人。
背景技术
乒乓球运动员在平时训练中需要较大强度的击球训练,这会对陪练员造成很大的负担。高强度的训练中陪练员很有可能出现体力下降而不能准确击球,降低练习效率。虽然已经有一些陪练机器人投入了使用,但这些陪练机器人一般只能朝一个设定好的方向发球,要改变方向需要重新设置。这种机器人仅能用于单个动作的重复训练,无法模拟实际的球场环境。为了解决这些问题我们设计了这款带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人,让其能够胜任更多种训练环境。
发明内容
本发明目的是:针对传统的乒乓球陪练机器人,提供了一种带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人。
本发明的技术方案是:
一种带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,包括:
乒乓球发射模块,包括云台、乒乓球输送机构、发球机构;所述云台实现全向发球;乒乓球输送机构由输送管和拨轮组成,将乒乓球从机架上的储球盒输送至发球机构;发球机构安装于云台上,由发射管和两个摩擦轮组成,两个摩擦轮分别由一个电机控制,通过调节电机转速实现球速和乒乓球自旋的控制;
乒乓球回收储存模块,用于回收击回的乒乓球;
视觉模块,包括一个摄像头和一块处理器;摄像头采集图像传输给处理器,通过处理器内置的视觉识别算法识别使用者的方位并将方位信息传给主控模块;
主控模块,包括一个单片机和若干电调,通过算法处理视觉模块传输的数据,控制乒乓球发球模块进行发射。
优选的,还包括供球装置,供球装置位于乒乓球发射模块后侧下方,乒乓球输送机构通过拨轮将球输送至发球机构。
优选的,所述云台由两个电机分别控制水平和竖直转动。
优选的,所述视觉模块的摄像头安装再在发球装置下方。
优选的,所述主控模块控制云台发射乒乓球的发射角度,给定云台角度信号和发射信号。
优选的,所述处理器内置的视觉识别算法识别使用者的方位的处理方法为:在用户处于摄像头识别区域内时,通过预先训练好的识别模型对乒乓球拍与其它物体做出区分,同时乒乓球拍进行细节识别,通过多帧图像比对,识别出使用者处于正手还是反手,以及接下来的运动方向,预判可能接球位置的功能,确保接下来的发球与用户选择的难度相匹配。
优选的,所述主控模块计算乒乓球发射模块发射角度采用的处理方法为:通过传入的人体可能运动方向和用户采取的难度系数共同计算,如难度系数为易,发球角度将与用户可能运动方向相匹配,如难度系数为难,发球角度将和用户可能运动方向相反,达到用户通过难易程度控制训练难度的功能。
优选的,所述角度信号和发射信号的给出方法:通过确定的角度,在已知当前的角度和下一角度的情况下,通过PID闭环控制算法保证云台快速转动到给定位置并且保持稳定;发射信号通过给定发射速度基于开环控制算法输出到两个摩擦轮电机,控制电机快速相反旋转将球打出;同时通过电机旋转的差速调节乒乓球的自旋。
优选的,所述云台发射乒乓球角度的控制方法:通过击发球速的水平分速度v1、球与目标落点的距离和空气阻力公式算出乒乓球从击发到落到球桌所需时间t1,以及击发球速的竖直分速度v2和重力加速度公式计算出球落到球桌所需时间t2,t1=t2建立方程解出云台发射的yaw轴角度。
本发明的优点是:
本发明的带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人,通过拨轮将乒乓球从储球装置输送至发球装置,发球装置通过电机驱动摩擦轮将球击发,电机转速可以改变球速和球的自旋,发射方向则由云台电机控制,通过视觉识别装置可以判断使用者的动向,再通过其中的训练程序将球按需要的角度和球速击发,接球网可以回收打回的球并导入储球装置,本发明可以模拟实际的球场环境,提高训练效率。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述:
图1为本发明的带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人的结构示意图;
图2为本发明的带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人的俯视图;
图3为本发明的带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人的侧视图;
图4为本发明的带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人的爆炸图;
图5为本发明的带视觉识别的智能乒乓球陪练机器人整体逻辑控制图。
其中,1、摄像头;2、输送管;3、发球结构;4、Pitch摇臂-连杆传动系统;5、转动轴结构;6、无刷电机;7、供球装置;8、yaw轴转动底座;9、挡片;10、拨轮;11、Yaw摇臂-连杆传动装置。
具体实施方式
如图1-4所示,本发明的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,包括:
乒乓球发射模块,包括云台、乒乓球输送机构、发球机构;所述云台通过添加轴承的转动轴结构5 和yaw轴转动底座8安装于机架上,云台由两个无刷电机6分别控制水平和竖直转动,实现全向发球;乒乓球输送机构由输送管2和拨轮10、挡片9组成,将乒乓球从机架上的储球盒输送至发球机构3,输送管2带有轴承槽,对球体导向并能使其下供球的过程更加顺滑;发球机构安装于云台上,由发射管和两个摩擦轮组成,两个摩擦轮分别由一个无刷电机控制,通过调节电机转速实现球速和乒乓球自旋的控制;Pitch摇臂-连杆传动系统4控制发射装置俯仰角的调整,并降低装置重心;机架内侧安装有Yaw摇臂-连杆传动装置11,控制装置水平转动,可使其整体结构紧凑。
供球装置7,位于乒乓球发射模块后侧下方,乒乓球输送机构通过拨轮将球输送至发球机构。
乒乓球回收储存模块,用于回收击回的乒乓球。
视觉模块,包括一个摄像头1和一块Jetson TX2处理器;摄像头采集图像传输给Jetson TX2处理器,通过Jetson TX2处理器内置的视觉识别算法识别使用者的方位并将方位信息传给主控模块;所述视觉模块的摄像头安装再在发球装置下方。
主控模块,包括一个stm32 单片机和若干电调,通过算法处理视觉模块传输的数据,控制乒乓球发球模块进行发射。所述主控模块控制云台发射乒乓球的发射角度,给定云台角度信号和发射信号。
本发明中的系统整体逻辑如图5所示。所述Jetson TX2处理器内置的视觉识别算法识别使用者的方位的处理方法为:在用户处于摄像头识别区域内时,通过预先训练好的识别模型对乒乓球拍与其它物体做出区分,同时乒乓球拍进行细节识别,通过多帧图像比对,识别出使用者处于正手还是反手,以及接下来的运动方向,预判可能接球位置的功能,确保接下来的发球与用户选择的难度相匹配。
所述主控模块计算乒乓球发射模块发射角度采用的处理方法为:通过传入的人体可能运动方向和用户采取的难度系数共同计算,如难度系数为易,发球角度将与用户可能运动方向相匹配,如难度系数为难,发球角度将和用户可能运动方向相反,达到用户通过难易程度控制训练难度的功能。
所述角度信号和发射信号的给出方法:通过确定的角度,在已知当前的角度和下一角度的情况下,通过PID闭环控制算法保证云台快速转动到给定位置并且保持稳定;发射信号通过给定发射速度基于开环控制算法输出到两个摩擦轮电机,控制电机快速相反旋转将球打出;同时通过电机旋转的差速调节乒乓球的自旋。
所述云台发射乒乓球角度的控制方法:通过击发球速的水平分速度v1、球与目标落点的距离和空气阻力公式算出乒乓球从击发到落到球桌所需时间t1,以及击发球速的竖直分速度v2和重力加速度公式计算出球落到球桌所需时间t2,t1=t2建立方程解出云台发射的yaw轴角度。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于,包括:
乒乓球发射模块,包括云台、乒乓球输送机构、发球机构;所述云台实现全向发球;乒乓球输送机构由输送管和拨轮组成,将乒乓球从机架上的储球盒输送至发球机构;发球机构安装于云台上,由发射管和两个摩擦轮组成,两个摩擦轮分别由一个电机控制,通过调节电机转速实现球速和乒乓球自旋的控制;
乒乓球回收储存模块,用于回收击回的乒乓球;
视觉模块,包括一个摄像头和一块处理器;摄像头采集图像传输给处理器,通过处理器内置的视觉识别算法识别使用者的方位并将方位信息传给主控模块;
主控模块,包括一个单片机和若干电调,通过算法处理视觉模块传输的数据,控制乒乓球发球模块进行发射。
2.根据权利要求1所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:还包括供球装置,供球装置位于乒乓球发射模块后侧下方,乒乓球输送机构通过拨轮将球输送至发球机构。
3.根据权利要求2所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:所述云台由两个电机分别控制水平和竖直转动。
4.根据权利要求3所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:所述视觉模块的摄像头安装再在发球装置下方。
5.根据权利要求4所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:所述主控模块控制云台发射乒乓球的发射角度,给定云台角度信号和发射信号。
6.根据权利要求4所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:所述处理器内置的视觉识别算法识别使用者的方位的处理方法为:在用户处于摄像头识别区域内时,通过预先训练好的识别模型对乒乓球拍与其它物体做出区分,同时乒乓球拍进行细节识别,通过多帧图像比对,识别出使用者处于正手还是反手,以及接下来的运动方向,预判可能接球位置的功能,确保接下来的发球与用户选择的难度相匹配。
7.根据权利要求6所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:所述主控模块计算乒乓球发射模块发射角度采用的处理方法为:通过传入的人体可能运动方向和用户采取的难度系数共同计算,如难度系数为易,发球角度将与用户可能运动方向相匹配,如难度系数为难,发球角度将和用户可能运动方向相反,达到用户通过难易程度控制训练难度的功能。
8.根据权利要求7所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:所述角度信号和发射信号的给出方法:通过确定的角度,在已知当前的角度和下一角度的情况下,通过PID闭环控制算法保证云台快速转动到给定位置并且保持稳定;发射信号通过给定发射速度基于开环控制算法输出到两个摩擦轮电机,控制电机快速相反旋转将球打出;同时通过电机旋转的差速调节乒乓球的自旋。
9.根据权利要求8所述的带有视觉识别功能的乒乓球陪练机器人,其特征在于:所述云台发射乒乓球角度的控制方法:通过击发球速的水平分速度v1、球与目标落点的距离和空气阻力公式算出乒乓球从击发到落到球桌所需时间t1,以及击发球速的竖直分速度v2和重力加速度公式计算出球落到球桌所需时间t2,t1=t2建立方程解出云台发射的yaw轴角度。
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