CN112843746B - 一种具有接球、放球和踢球功能的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有接球、放球和踢球功能的机器人，涉及机器人技术领域，包括接球装置、放球装置、踢球装置和基于舵轮的全方位移动平台；在接球装置上挂着接球网，与气弹簧配合减轻了整个装置的重量并缓和接球时的冲击力，通过调整气弹簧可动端的安装位置来调整接球的倾角；气缸连接防护挡板，在接球前气缸处于缩回状态准备接球，当接到球后伸出，能够最大程度上防止球弹出以及机器人在高速运动时将球甩出。踢球装置由高速无杆气缸驱动，通过齿轮齿条机构将无杆气缸的直线运动巧妙转化为踢球杆的圆周运动，从而执行踢球动作。移动平台包括舵轮轮系，其特点是能够以极高的速度完成给定的曲线运动从而动态配合其他机构执行相应的任务。

Description

一种具有接球、放球和踢球功能的机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是一种具有接球、放球和踢球功能的机器人。

背景技术

随着现代科技不断发展，随着感知、计算、控制等技术的迭代升级和图像识别、自然语音处理、深度认知学习等人工智能技术在机器人领域的深入应用，机器人领域的服务化趋势日益明显，逐渐渗透到社会生产生活的每一个角落。在运动领域，像网球、棒球这类球体较小的球类，在训练时有发球机器人代替人工发球，但是这种机器人功能单一，因此只适于运动员初步训练，像橄榄球、足球这类需要大量训练的运动，一般只能与教练或队员进行训练，较为依赖人员陪练，使得运动训练不够智能化。

本发明旨在发明一款具有接球、放球和踢球功能的机器人，可用于日常运动员的高水平对战训练和观赏性人机踢球竞技赛事。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种具有接球、放球和踢球功能的机器人，本发明的技术方案如下：

一种具有接球、放球和踢球功能的机器人，包括接球装置、放球装置、踢球装置和基于舵轮的全方位移动平台；

接球装置包括设有接球网的整体框架和视觉处理系统，整体框架设置在全方位移动平台上，围成的空间用于放置放球装置和踢球装置，视觉处理系统与全方位移动平台相连，用于确定球体的落地点及对应的时间，全方位移动平台移动至落地点执行接球动作；

放球装置接收球体并配合全方位移动平台将球体放置在指定放球位置；

踢球装置包括连接有踢球杆的传动装置以及与传动装置相连的气缸驱动装置，气缸驱动装置与全方位移动平台控制连接，通过传动控制使踢球杆执行踢球动作。

其进一步的技术方案为，整体框架包括设置在全方位移动平台上的固定框架、水平设置在固定框架上的接球内框、铰接在接球内框上的接球外框、与铰接处相对应的对称分布在接球内框两侧上的气弹簧；接球网设置在接球外框上，气弹簧的固定端设置在接球内框上，可动端设置在远离铰接处的接球外框上，通过调整气弹簧可动端的安装位置，进而调节接球内框与接球外框的倾角，用于调整接球网的接球角度，气弹簧与接球网形成接球缓震系统，用于减缓接球时的冲击力。

其进一步的技术方案为，接球装置还包括防护挡板和气缸，气缸的固定端设置在固定框架上，伸缩端设置在防护挡板上，在防护挡板的两侧还对称设有导轨杆，在与导轨杆对应的固定框架上设有限位轴套，导轨杆穿过限位轴套并在其中上下移动，气缸通过第一电磁阀与全方位移动平台控制连接；

在准备接球时，全方位移动平台控制气缸缩回，进而带动防护挡板下移，当视觉处理系统得到接球信号后，全方位移动平台控制气缸伸出，进而带动防护挡板上移，用于阻挡球体弹出整体框架。

其进一步的技术方案为，在机器人水平面上，接球内框的边框与固定框架的边框不平行，接球内框与固定框架呈一定角度放置，用于增加接球网的接球面积。

其进一步的技术方案为，放球装置包括相对设置在固定框架上的两个接球架、V型储球框和两个旋转气缸；接球架用于接收在重力作用下下落的球体，接球架倾斜设置，且倾斜末端与V型储球框中的接球面对应设置，两个接球架之间留有安装踢球装置的空间；旋转气缸的固定端相对设置在固定框架上，旋转端分别连接V型储球框接球面的两端，旋转气缸通过第二电磁阀与全方位移动平台控制连接；

当全方位移动平台移动至指定放球位置时，全方位移动平台控制旋转气缸动作，通过V型储球框的旋转使球体转移到V型储球框的放球面，球体在重力作用下落到指定放球位置。

其进一步的技术方案为，传动装置包括啮合的传动齿轮和传动齿条，气缸驱动装置包括高速无杆气缸和储气瓶，储气瓶分别与高速无杆气缸、接球装置的气缸和放球装置的旋转气缸相连，用于提供气源；传动齿轮通过连接件与踢球杆相连，传动齿轮、连接件和踢球杆通过中心轴和支撑轴承座固联，传动齿条放置在高速无杆气缸上并与高速无杆气缸的可动端连接，高速无杆气缸倾斜设置在放球装置预留的安装空间中，多个储气瓶放置在高速无杆气缸的两侧，且搭载在整体框架上，高速无杆气缸通过第三电磁阀与全方位移动平台控制连接；

执行踢球动作时，球体位于踢球杆的放球槽中，全方位移动平台控制高速无杆气缸动作带动传动齿条做直线运动，传动齿轮啮合旋转进而使踢球杆做圆周运动，抛出球体完成踢球动作。

其进一步的技术方案为，储气瓶通过比例阀与全方位移动平台控制连接，用于动态调节储气瓶供给高速无杆气缸的气源气压。

其进一步的技术方案为，全方位移动平台包括平台框架、置于平台框架中的舵轮轮系以及置于平台框架上的电源模块、嵌入式平台运动控制系统、电机驱动控制模块、全方位平面定位系统和激光测距系统；平台框架上还设有蜂窝板，平台框架和蜂窝板形成柔性减震系统，在地面不平或装配有误差时提供柔性补偿；电源模块用于给机器人供电；嵌入式平台运动控制系统分别连接视觉处理系统、电机驱动控制模块、全方位平面定位系统、激光测距系统和各个电磁阀，嵌入式平台运动控制系统通过控制与舵轮轮系连接的电机驱动控制模块，进而控制机器人的朝向和移动轨迹；全方位平面定位系统和激光测距系统均用于机器人的全场定位，根据应用场景的定位精度要求选择单独使用或配合使用，配合使用时两者进行数据融合相互纠偏，在机器人上电初期，激光测距系统用于给全方位平面定位系统提供初步定位坐标。

其进一步的技术方案为，全方位移动平台还包括舵轮轮系零位校准装置、球体放置定位架、减速缓冲气缸以及与减速缓冲气缸相连的减速气缸控制系统；舵轮轮系零位校准装置设置在舵轮轮系的转向轮处，并与嵌入式平台运动控制系统控制连接，在机器人上电初期，舵轮轮系零位校准装置伸入转向轮使其固定进行校准，完成校准后嵌入式平台运动控制系统控制舵轮轮系零位校准装置伸出转向轮，转向轮正常转动；球体放置定位架与平台框架相连，用于放置球体，球体放置定位架之间通过挡板隔离，用于固定球体位置；四个减速缓冲气缸分别放置在平台框架的边框连接处，在机器人减速时，减速气缸控制系统控制减速缓冲气缸伸出，减速缓冲气缸伸出端与周围环境相互作用起到辅助减速和缓和的作用。

其进一步的技术方案为，视觉处理系统包括相连的双目相机和图像识别系统，双目相机用于拍摄球体的空中运动视频，图像识别系统用于识别空中运动视频中球体的空中特征位姿点并预测出球体在空中的运动曲线，得到球体的落地点及对应的时间，并通过串口通讯的方式发送给全方位移动平台。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开的机器人能够实现接球动作、放球动作和踢球动作，能够很好的与人交互，其中接球装置中的接球网和气弹簧相配合能够减缓接球时的冲击力，且接球内框与固定框架呈一定角度放置，可以增大接球网的接球面积，给踢球装置更大的施展空间，避免踢球装置与接球装置发生碰撞；设置的防护挡板能够最大程度上防止球弹出以及防止机器人在高速运动时将球甩出；放球装置通过V型储球框接收球体，并通过旋转气缸配合全方位移动平台将球体放置在指定放球位置；踢球装置由高速无杆气缸驱动，通过齿轮齿条机构将无杆气缸的直线运动巧妙转化为踢球杆的圆周运动，从而执行踢球动作；通过动态调节比例阀以稳定储气瓶供给高速无杆气缸的气源气压，增强了踢球可控性，保证踢球的命中率；移动平台包括舵轮轮系，其特点是能够以极高的速度完成给定的曲线运动从而动态配合其他机构执行相应的任务；还通过全方位平面定位系统和激光测距系统的配合使用提升机器人的定位精度。

附图说明

图1是本申请公开的机器人整体结构的侧视图。

图2是本申请公开的另一视角的机器人整体结构示意图。

图3是本申请公开的接球装置和放球装置的结构示意图。

图4是本申请公开的接球装置和放球装置的俯视图。

图5是本申请公开的防护挡板与接球内框的连接示意图。

图6是本申请公开的踢球装置的结构示意图。

图7是本申请公开的传动装置的连接示意图。

图8是本申请公开的基于舵轮的全方位移动平台的结构示意图。

图9是本申请公开的机器人的电气连接原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种具有接球、放球和踢球功能的机器人，结合图1-图9所示，包括接球装置、放球装置、踢球装置和基于舵轮的全方位移动平台。

接球装置包括设有接球网的整体框架1和视觉处理系统，整体框架1设置在全方位移动平台2上，围成的空间用于放置放球装置和踢球装置，视觉处理系统与全方位移动平台2相连，用于确定球体的落地点及对应的时间，本申请的视觉处理系统包括相连的双目相机和图像识别系统，双目相机用于拍摄球体的空中运动视频，图像识别系统用于识别空中运动视频中球体的空中特征位姿点并预测出球体在空中的运动曲线，得到球体的落地点及对应的时间，并通过串口通讯的方式发送给全方位移动平台2，全方位移动平台2根据落地点及对应的时间移动至落地点执行接球动作。

具体如图3、图9所示，整体框架1包括设置在全方位移动平台2上的固定框架101、水平设置在固定框架101上的接球内框102、铰接在接球内框102上的接球外框103、与铰接处相对应的对称分布在接球内框102两侧上的气弹簧104。接球网（图中未示出）设置在接球外框103上，气弹簧104的固定端设置在接球内框102上，可动端设置在远离铰接处的接球外框103上，通过调整气弹簧104可动端的安装位置，进而调节接球内框102与接球外框103的倾角，用于调整接球网的接球角度，提升接球命中率，本申请的气弹簧104与接球网形成接球缓震系统，用于减缓接球时的冲击力。

在机器人水平面上，如图4所示，接球内框102的边框与固定框架101的边框不平行，接球内框102与固定框架101呈一定角度放置，优选的，固定框架101的四根立柱分别与接球内框102的四个边框的中部相连，接球内框102与固定框架101呈45°角放置，可以增大接球网的接球面积，给踢球装置更大的施展空间，避免踢球装置与接球装置发生碰撞。

具体如图3、图9所示，接球装置还包括防护挡板3和气缸4，气缸4的固定端设置在固定框架101上，伸缩端设置在防护挡板3上。如图5所示，在防护挡板3的两侧还对称设有导轨杆5，在与导轨杆5对应的固定框架101上设有限位轴套6，导轨杆5穿过限位轴套6并在其中上下移动，限位轴套6配合导轨杆5限定了防护挡板3的移动轨迹，气缸4通过第一电磁阀与全方位移动平台2控制连接。

在准备接球时，全方位移动平台2控制气缸缩回，进而带动防护挡板3下移，避免妨碍接球网接球，当视觉处理系统得到接球信号后，全方位移动平台2控制气缸伸出，进而带动防护挡板3上移，用于阻挡球体弹出整体框架1，至此一次接球动作完成。

放球装置接收球体并配合全方位移动平台2将球体放置在指定放球位置。

具体如图1-图3、图9所示，放球装置包括相对设置在固定框架101上的两个接球架7、V型储球框8和两个旋转气缸9。接球架7用于接收在重力作用下下落的球体，接球架7倾斜设置，且倾斜末端与V型储球框8中的接球面801对应设置，两个接球架7之间留有安装踢球装置的空间。旋转气缸9的固定端相对设置在固定框架101上，旋转端分别连接V型储球框8接球面801的两端，旋转气缸9通过第二电磁阀与全方位移动平台2控制连接。

当需要将球体放到指定放球位置时，全方位移动平台对当前位置到指定放球位置进行相应的速度和轨迹规划，完成规划后全方位移动平台2移动至指定放球位置，接到的球体在重力作用下下落到V型储球框8内，全方位移动平台2控制旋转气缸9动作，带动V型储球框8整体旋转约90度，使球体转移到V型储球框8的放球面802，此时球体在重力作用下落到指定放球位置，完成放球动作。

踢球装置包括连接有踢球杆10的传动装置以及与传动装置相连的气缸驱动装置，气缸驱动装置与全方位移动平台2控制连接，通过传动控制使踢球杆10执行踢球动作。

具体如图1、图6-图7、图9所示，传动装置包括啮合的传动齿轮111和传动齿条112，气缸驱动装置包括高速无杆气缸121和储气瓶122，储气瓶122分别与高速无杆气缸121、接球装置的气缸4和放球装置的旋转气缸9相连，用于提供气源。传动齿轮111通过连接件13与踢球杆10相连，传动齿轮111、连接件13和踢球杆10通过中心轴14和支撑轴承座15固联，传动齿条112放置在高速无杆气缸121上并与高速无杆气缸121的可动端连接，高速无杆气缸121倾斜设置在放球装置预留的安装空间中，与接球架7的倾斜角度相同，多个储气瓶122放置在高速无杆气缸121的两侧，且搭载在整体框架1上，储气瓶122的数量根据实际需求设置，高速无杆气缸121通过第三电磁阀与全方位移动平台2控制连接。

气动踢球方案的踢球距离直接受到供气源气压的影响，在实际应用场景中，由储气瓶122给机器人提供气源，而随着多次执行踢球动作储气瓶122的气压必将出现变化，而为了确保踢球装置能够稳定可靠踢球，必须要控制气缸供气源的气压尽可能恒定。因此本申请的储气瓶122通过比例阀与全方位移动平台2控制连接，用于动态调节储气瓶122供给高速无杆气缸121的气源气压，这将会极大增强踢球可控性，保证踢球的命中率。

执行踢球动作时，球体位于踢球杆10的放球槽100中，全方位移动平台2控制高速无杆气缸121动作带动传动齿条112做直线运动，传动齿轮111啮合旋转进而使踢球杆10做圆周运动，至此高速无杆气缸121的直线运动转化为踢球杆10的圆周运动，抛出球体完成踢球动作。

如图8、图9所示，全方位移动平台2包括平台框架201、置于平台框架201中的舵轮轮系202以及置于平台框架201上的电源模块、嵌入式平台运动控制系统、电机驱动控制模块、全方位平面定位系统203和激光测距系统。平台框架201上还设有蜂窝板211，平台框架201和蜂窝板211形成柔性减震系统，在地面不平或装配有误差时提供柔性补偿。舵轮轮系202包括四个舵轮，其中两个为转向轮221，舵轮轮系202能够以极高的速度完成给定的曲线运动从而动态配合其他机构执行相应的任务。电源模块用于给机器人供电。嵌入式平台运动控制系统分别连接视觉处理系统、电机驱动控制模块、全方位平面定位系统203、激光测距系统、比例阀和各个电磁阀，嵌入式平台运动控制系统通过控制与舵轮轮系202连接的电机驱动控制模块，进而控制机器人的朝向和移动轨迹。全方位平面定位系统203和激光测距系统均用于机器人的全场定位，其中激光测距系统包括激光传感器204，根据应用场景的定位精度要求选择单独使用或配合使用，配合使用时两者进行数据融合相互纠偏，可以解决全方位平面定位系统203或激光测距系统单独使用的弊端，并最大限度提升机器人的定位精度。在机器人上电初期，激光测距系统还可以给全方位平面定位系统203提供初步定位坐标。

全方位移动平台2还包括舵轮轮系零位校准装置205、球体放置定位架206、减速缓冲气缸207以及与减速缓冲气缸207相连的减速气缸控制系统。舵轮轮系零位校准装置205设置在舵轮轮系202的转向轮221处，并与嵌入式平台运动控制系统控制连接，在机器人上电初期，舵轮轮系202零位校准装置205伸入转向轮221使其固定进行校准，完成校准后嵌入式平台运动控制系统控制舵轮轮系零位校准装置205伸出转向轮221，转向轮221正常转动。球体放置定位架206与平台框架201相连，用于放置球体，球体放置定位架206之间通过挡板208隔离，用于固定球体位置。四个减速缓冲气缸207分别放置在平台框架201的边框连接处，在机器人减速时，减速气缸控制系统控制减速缓冲气缸207伸出，减速缓冲气缸207伸出端与周围环境相互作用起到辅助减速和缓和的作用。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有接球、放球和踢球功能的机器人，其特征在于，包括接球装置、放球装置、踢球装置和基于舵轮的全方位移动平台；

所述接球装置包括设有接球网的整体框架、视觉处理系统、防护挡板和气缸，所述整体框架设置在所述全方位移动平台上，围成的空间用于放置所述放球装置和踢球装置，所述整体框架包括设置在所述全方位移动平台上的固定框架、水平设置在所述固定框架上的接球内框、铰接在所述接球内框上的接球外框、与铰接处相对应的对称分布在所述接球内框两侧上的气弹簧；所述接球网设置在所述接球外框上，所述气弹簧的固定端设置在所述接球内框上，可动端设置在远离铰接处的所述接球外框上，通过调整气弹簧可动端的安装位置，进而调节所述接球内框与所述接球外框的倾角，用于调整所述接球网的接球角度，所述气弹簧与接球网形成接球缓震系统，用于减缓接球时的冲击力；所述气缸的固定端设置在所述固定框架上，伸缩端设置在所述防护挡板上，在所述防护挡板的两侧还对称设有导轨杆，在与所述导轨杆对应的固定框架上设有限位轴套，所述导轨杆穿过所述限位轴套并在其中上下移动，所述气缸通过第一电磁阀与所述全方位移动平台控制连接；

在准备接球时，所述全方位移动平台控制所述气缸缩回，进而带动所述防护挡板下移，当所述视觉处理系统得到接球信号后，所述全方位移动平台控制所述气缸伸出，进而带动所述防护挡板上移，用于阻挡球体弹出所述整体框架；

所述视觉处理系统与所述全方位移动平台相连，用于确定球体的落地点及对应的时间，所述全方位移动平台移动至所述落地点执行接球动作；

所述放球装置接收球体并配合所述全方位移动平台将球体放置在指定放球位置；

所述踢球装置包括连接有踢球杆的传动装置以及与所述传动装置相连的气缸驱动装置，所述气缸驱动装置与所述全方位移动平台控制连接，通过传动控制使所述踢球杆执行踢球动作；所述传动装置包括啮合的传动齿轮和传动齿条，所述气缸驱动装置包括高速无杆气缸和储气瓶，所述储气瓶分别与所述高速无杆气缸、所述接球装置的气缸和所述放球装置的旋转气缸相连，用于提供气源；所述传动齿轮通过连接件与所述踢球杆相连，所述传动齿轮、连接件和踢球杆通过中心轴和支撑轴承座固联，所述传动齿条放置在所述高速无杆气缸上并与所述高速无杆气缸的可动端连接，所述高速无杆气缸倾斜设置在所述放球装置预留的安装空间中，多个所述储气瓶放置在所述高速无杆气缸的两侧，且搭载在所述整体框架上，所述高速无杆气缸通过第三电磁阀与所述全方位移动平台控制连接；

执行踢球动作时，球体位于所述踢球杆的放球槽中，所述全方位移动平台控制所述高速无杆气缸动作带动所述传动齿条做直线运动，所述传动齿轮啮合旋转进而使所述踢球杆做圆周运动，抛出球体完成踢球动作；

所述全方位移动平台包括平台框架、置于所述平台框架中的舵轮轮系以及置于所述平台框架上的电源模块、嵌入式平台运动控制系统、电机驱动控制模块、全方位平面定位系统和激光测距系统，还包括舵轮轮系零位校准装置、球体放置定位架、减速缓冲气缸以及与所述减速缓冲气缸相连的减速气缸控制系统；所述平台框架上还设有蜂窝板，所述平台框架和蜂窝板形成柔性减震系统，在地面不平或装配有误差时提供柔性补偿；所述电源模块用于给所述机器人供电；所述嵌入式平台运动控制系统分别连接所述视觉处理系统、电机驱动控制模块、全方位平面定位系统、激光测距系统和各个电磁阀，所述嵌入式平台运动控制系统通过控制与所述舵轮轮系连接的所述电机驱动控制模块，进而控制所述机器人的朝向和移动轨迹；所述全方位平面定位系统和激光测距系统均用于所述机器人的全场定位，根据应用场景的定位精度要求选择单独使用或配合使用，配合使用时两者进行数据融合相互纠偏，在机器人上电初期，所述激光测距系统用于给所述全方位平面定位系统提供初步定位坐标；所述舵轮轮系零位校准装置设置在所述舵轮轮系的转向轮处，并与所述嵌入式平台运动控制系统控制连接，在机器人上电初期，所述舵轮轮系零位校准装置伸入所述转向轮使其固定进行校准，完成校准后所述嵌入式平台运动控制系统控制所述舵轮轮系零位校准装置伸出所述转向轮，所述转向轮正常转动；所述球体放置定位架与所述平台框架相连，用于放置球体，所述球体放置定位架之间通过挡板隔离，用于固定球体位置；四个所述减速缓冲气缸分别放置在所述平台框架的边框连接处，在所述机器人减速时，所述减速气缸控制系统控制所述减速缓冲气缸伸出，减速缓冲气缸伸出端与周围环境相互作用起到辅助减速和缓和的作用。

2.根据权利要求1所述的具有接球、放球和踢球功能的机器人，其特征在于，在机器人水平面上，所述接球内框的边框与所述固定框架的边框不平行，所述接球内框与固定框架呈一定角度放置，用于增加所述接球网的接球面积。

3.根据权利要求1所述的具有接球、放球和踢球功能的机器人，其特征在于，所述放球装置包括相对设置在所述固定框架上的两个接球架、V型储球框和两个旋转气缸；所述接球架用于接收在重力作用下下落的球体，所述接球架倾斜设置，且倾斜末端与所述V型储球框中的接球面对应设置，两个所述接球架之间留有安装所述踢球装置的空间；所述旋转气缸的固定端相对设置在所述固定框架上，旋转端分别连接V型储球框接球面的两端，所述旋转气缸通过第二电磁阀与所述全方位移动平台控制连接；

当所述全方位移动平台移动至所述指定放球位置时，所述全方位移动平台控制所述旋转气缸动作，通过所述V型储球框的旋转使球体转移到所述V型储球框的放球面，球体在重力作用下落到所述指定放球位置。

4.根据权利要求1所述的具有接球、放球和踢球功能的机器人，其特征在于，所述储气瓶通过比例阀与所述全方位移动平台控制连接，用于动态调节所述储气瓶供给所述高速无杆气缸的气源气压。

5.根据权利要求1所述的具有接球、放球和踢球功能的机器人，其特征在于，所述视觉处理系统包括相连的双目相机和图像识别系统，所述双目相机用于拍摄球体的空中运动视频，所述图像识别系统用于识别所述空中运动视频中球体的空中特征位姿点并预测出球体在空中的运动曲线，得到所述球体的落地点及对应的时间，并通过串口通讯的方式发送给所述全方位移动平台。

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