CN115487472B - 一种自动捡球机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动捡球机器人，解决了现有技术中自动捡球设备工作效率低的问题。本发明自动捡球机器人，包括移动车体、揽球机构和捡球机构，所述移动车体上设有储球箱，移动车体的前部对称设有两个揽球机构，捡球机构位于两个揽球机构之间且与储球箱相对应，揽球机构将散落的球体揽拢到捡球机构的入球口，球体然后在捡球机构的作用下被送至储球箱内。本发明采用揽球机构和捡球机构相结合的方式，揽球机构将散落的球体揽拢到捡球机构的入球口，球体然后在捡球机构的作用下被送至储球箱内；整个过程揽球、捡球同步动作，实现高效捡球。

Description

一种自动捡球机器人

技术领域

本发明涉及捡球设备技术领域，特别是指一种自动捡球机器人。

背景技术

网球是仅次于足球的第二大世界级球类运动，以其激烈而优美的对抗形式受到越来越多人的喜爱。正规的网球场的占地面积约为670平方米，也就是在一个长为36.6米，宽为18.3米的矩形区域内，收集散落在网球场上的网球对训练量本身就很巨大的运动员和网球爱好者来说，既是额外的体力消耗，也严重降低了训练效率。为提高捡球效率，一些捡球设备陆续出现。

现有的捡球设备如刘玲等人所设计制造的基于STM32的自动网球拾取机器人，使用了双机械臂的抓取结构，相对较于单机械爪增加了一个有效的捕捉区域。采用质心法对目标物体进行快速识别定位和拾取，但没有改变机械臂控制较为复杂，抓取效率较低的问题。而公开号为CN 211328036 U的一种吸纳式网球自动捡球机，利用气吸式进行网球的自动捡拾，但是其揽球拾球存在盲区，不适用于边角处网球的快速捡拾。综上，现有捡球设备单次捡球效率低，灵活性不佳，适用范围有效等问题。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种自动捡球机器人，解决了现有技术中自动捡球设备工作效率低的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种自动捡球机器人，包括移动车体、揽球机构和捡球机构，所述移动车体上设有储球箱，移动车体的前部对称设有两个揽球机构，捡球机构位于两个揽球机构之间且与储球箱相对应，揽球机构将散落的球体揽拢到捡球机构的入球口，球体然后在捡球机构的作用下被送至储球箱内；

所述揽球机构包括揽球架，揽球架上设有链条机构，链条机构与设置在揽球架上的第一驱动机构相连接，所述链条机构上设有多个拨片组件。

所述链条机构包括设置在揽球架上的支撑板座，支撑板座上设有至少两个链轮，链轮之间通过链条连接，其中一个链轮作为主动轮，主动轮与设置在支撑板座上的第一驱动机构的输出轴相连接，所述链条上匹配有拨送带，拨片组件设置在拨送带上。

所述支撑板座上设有与链轮配合的棘轮爪机构；所述棘轮爪机构包括棘爪，棘爪的一端通过竖短轴连接在支撑板座上、另一端与对应的主动轮相配合，主动轮的轮轴向上穿过支撑板座且与第一驱动机构相连接，支撑板座上设有固定块，固定块上设有与棘爪接触贴合的弹性拨片。

所述第一驱动机构固定在支撑板座上，支撑板座通过摆动机构与揽球架相连接；在摆动机构作用下，支撑板座的相对揽球架的揽球角度可调；

所述摆动机构包括固定在支撑板座上的转轴，转轴转动连接在揽球架上且向上伸出揽球架，转轴上部固定有连接臂，所述连接臂通过连杆与设置在揽球架上的电动推杆Ⅰ相连接。

所述拨片组件包括柔性拨片和固定在拨送带上的拨片座，拨片座均布在拨送带上且拨片座上设有插接槽，等距离设置的拨片座的插接槽内插接有柔性拨片，

所述捡球机构包括导球板架、捡球轮组和集成式摄像头，导球板架上设有导球滑道，导球滑道的一端与捡球轮组相对应、另一端通向储球箱；

所述捡球轮组包括连接在导球板架上的门形架和对称设置的摩擦轮，摩擦轮转动设置在门形架上且与固定在门形架上的驱动装置相连接；集成式摄像头设置在所述门形架上且与后台控制器相连接。

所述导球板架的两侧设有挡球板，导球滑道位于两个挡球板的中部，导球滑道与挡球板之间设有朝向导球滑道倾斜的导流板，导流板靠近对应的摩擦轮；所述摩擦轮为具有弹性橡胶轮。

所述导球滑道为弧形滑道，弧形滑道上开设有轴向滑槽；所述导球滑道的下部设有与导球滑道相配合的拨球机构；所述拨球机构包括沿导球滑道方向设置的电动推杆Ⅱ，电动推杆的伸缩端设有固定座，固定座设有与导球滑道垂直设置的小气缸，小气缸的伸缩端设有弧形板座，弧形板座上设有与轴向滑槽相对应的拨齿条。

所述移动车体包括车架，车架底部的前侧对称设有防滑驱动轮，车架底部的后侧对称设有从动轮，防滑驱动轮与设置在车架上的驱动电机相连接，所述车架底部设有悬挂浮动轮。

所述悬挂浮动轮包括福来轮和浮动悬挂架，福来轮通过浮动悬挂架连接在车架底部；所述浮动悬挂架包括U型轮座，U型轮座通过连接杆连接在车架上，连接杆上套设有弹簧和L型臂板，弹簧位于U型轮座与L型臂板之间，L型臂板上固定有竖向滑轨，U型轮座的一侧设有板式滑块，板式滑块与竖向滑轨滑动配合，所述福来轮的轮轴上设有编码器。

本发明的有益效果为：本发明采用揽球机构和捡球机构相结合的方式，揽球机构将散落的球体揽拢到捡球机构的入球口，球体然后在捡球机构的作用下被送至储球箱内；整个过程揽球、捡球同步动作，实现高效捡球。本发明揽球机构，通过调节支撑板座相对揽球架的角度，改变揽球机构的揽球位姿，以适应边角等传统盲区处的快速捡球，适用范围大大提高。捡球机构的巧妙设计，既能实现无损快速捡球，又能实现网球防堵防落，达到顺利捡球的目的。移动车体采用防滑设计，既能确保其稳定运行，又能实现数据的精准采集，是该机器人能定点定线运动的可靠保障。本发明自动捡球机器人实现了结构设计和自控控制系统的结合，用于替代人工方式完成网球的全自动收集，能够保证网球运动员训练的连贯性，提高训练质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明整体俯视示意图。

图3为实施例2中揽球机构局部放大图。

图4为实施例2中链条机构结构示意图。

图5为实施例3中揽球机构结构示意图。

图6为实施例4捡球机构结构示意图。

图7为实施例5捡球机构侧视示意图。

图8为实施例5中拨球机构示意图。

图9为移动车体侧视示意图。

图10为本发明悬挂浮动轮结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，实施例1，一种自动捡球机器人，包括移动车体1、揽球机构2和捡球机构3，揽球机构用于将散落的网球集中至捡球机构，然后通过捡球机构进行快速捡拾。本实施中所述移动车体1上设有储球箱4，作为优选方案储球箱可拆卸设置在移动车体上。此外，移动车体上还设置有其他辅助及控制设备，如控制器，通过控制器控制车体的移动、揽球机构2的揽球动作及捡球机构3的捡球动作。本发明的移动车体1的前部对称设有两个揽球机构2，捡球机构3位于两个揽球机构2之间且与储球箱4相对应，揽球机构2将散落的球体揽拢到捡球机构3的入球口，球体然后在捡球机构3的作用下被送至储球箱4内；整个过程揽球、捡球同步动作，实现高效捡球。

本发明所述揽球机构2包括揽球架201，揽球架位于捡球机构3的两侧，每个揽球架201上设有独立的链条机构，链条机构与对应的第一驱动机构203相连接，所述链条机构上设有多个拨片组件202。链条机构从两侧伸出移动车体1，增大揽球范围，同时通过链条机构上的拨片组件，能将边角处的网球一并聚拢到捡球机构的捡球口，实现快速无损捡球。

如图2所示，作为优选方案，链条机构包括设置在揽球架201上的支撑板座204，支撑板座包括两层支撑板，用于支撑链轮。支撑板座204上设有至少两个链轮205，链轮的数量可根据支撑板座的长度设置2个或多个。本实施例中优选为两个链轮。链轮205之间通过链条206连接，其中一个链轮205作为主动轮，主动轮与设置在支撑板座204上的第一驱动机构203的输出轴相连接。本实施例中第一驱动机构可采用电机。所述链条206上匹配有拨送带207，拨送带与链条贴合且固定连接，在电机作用下，拨送带随链条同步转动；拨片组件202设置在拨送带207上。拨片组件在拨送带上等距离间隔设置，起到收拢散落的网球的作用。

如图3、4所示，实施例2，在实施例1的基础上所述支撑板座204上设有与链轮205配合的棘轮爪机构；所述棘轮爪机构包括棘爪208，棘爪208的一端通过竖短轴209连接在支撑板座204上，棘爪与竖短轴固定连接，竖短轴可转动连接在支撑板座上。棘爪的另一端与对应的主动轮相配合，主动轮的轮轴向上穿过支撑板座204且与第一驱动机构203相连接。支撑板座204上设有固定块210，固定块210上设有与棘爪208接触贴合的弹性拨片211，在主动轮转动过程中，由于受到弹性拨片压合力，棘爪始终接触到主动轮对应的齿部。主动轮正向运动时，棘爪不对主动轮产生作用，此时，拨片组件在拨送带作用下进行收拢散落的网球；而当需要改变整个支撑板座相对揽球架201的揽球角度时，电机反向转动，主动链轮受制于棘爪而没法反方向正常旋转，这时电机就会带着整个支撑板座向外侧旋转（即带动支撑板座绕主动链轮轮轴反向运动），改变支撑板座的水平位姿，此时两个揽球机构可呈较大钝角的“外八字”状态或者180°水平状态进行揽球，将传统固定导向机构可能产生的捡球死区消除掉，提高了装置的适用性。

如图5所示，实施例3，与实施例2不同的是，本实施例中第一驱动机构203固定在支撑板座204上，而支撑板座204通过摆动机构与揽球架201相连接；在摆动机构作用下，支撑板座204的相对揽球架201的揽球角度可调。其中所述摆动机构包括固定在支撑板座204上的转轴212，转轴212转动连接在揽球架201上且向上伸出揽球架201，转轴212上部固定有连接臂213，所述连接臂213通过连杆214与设置在揽球架201上的电动推杆Ⅰ215相连接。使用过程中，第一驱动机构（即电机）带动链条正向转动，在拨片组件202的作用下，用于揽球。而当遇到边角时，通过电动推杆Ⅰ的伸缩运动，带动支撑板座204绕转轴212转动，调节支撑板座相对揽球架201的角度，改变揽球机构的揽球位姿，以适应边角等情况复杂的区域，实现不同场地处的快速自动捡球。

作为优选方案所述拨片组件202包括柔性拨片202-2和固定在拨送带207上的拨片座202-1，拨片座202-1均布在拨送带207上且拨片座202-1上设有插接槽，等距离设置的拨片座202-1的插接槽内插接有柔性拨片202-2，柔性拨片202-2通过插接固定的方式与拨片座202-1连接，实现快速更换，同时也可根据散落球的情况调节柔性拨片的数量，既能保证网球不在捡球机构3口处堆积，又能确保捡球机构3不空捡，提高捡球效率。柔性拨片能将边角处的网球强制性往中间传动。而传动到最中间时，揽球导向机构向后侧收缩，自动捡球机器人在没有捡球死区的情况下直接前进就能轻松将网球捡起。

如图6所示，实施例4，所述捡球机构3包括导球板架301、捡球轮组302和集成式摄像头303，导球板架301上设有导球滑道304，导球滑道304的一端与捡球轮组302相对应、另一端通向储球箱4。工作过程中自动捡球机器人通过摄像头来识别网球并获取网球在视野中的坐标，通过与视野中央坐标的差值反馈控制自动捡球机器人运动至网球附近。通过揽球导向机构的聚拢，将网球传送至捡球机构的入口处，在摩擦轮接触网球的瞬间将网球向车体后侧弹射出去，借助惯性沿着导向板上升并最终落入收集箱中。虽然只有一个捡球通道（即导球滑道），但摩擦轮与网球的作用时间很短，通过揽球导向机构聚拢过来的网球能够连续快速的收集起来，总体上收集效率更高。

作为优选方案所述捡球轮组302包括连接在导球板架301上的门形架305和对称设置的摩擦轮306，门型架固定在导球板架301的前部且倾斜设置，以便摩擦轮能准确抓取到捡球口处的网球。摩擦轮306转动设置在门形架305上且与固定在门形架305上的驱动装置307相连接；驱动装置可采用电机或马达。每个摩擦轮可对应一个驱动装置；或者两个摩擦轮对应一个驱动装置，与驱动装置连接的摩擦轮作为主动捡球轮，而另一个摩擦轮通过齿轮副与主动捡球轮实现同步反向转动，实现对应网球的快速捡拾。集成式摄像头303设置在所述门形架305上且与后台控制器相连接。工作过程中通过摄像头来识别网球并获取网球在视野中的坐标，后台控制通过计算得出网球坐标然后通过与视野中央坐标的差值反馈控制自动捡球机器人运动，也就是说集成式摄像头为整个机器人的“眼睛”。

为防止隔板网球从板架处滑落，所述导球板架301的两侧设有挡球板314，导球滑道304位于两个挡球板314的中部，且导球滑道304与挡球板314之间设有朝向导球滑道304倾斜的导流板315，导流板用于将个别从导球滑道滚出的网球重新倒入到导球滑道内，导流板315靠近对应的摩擦轮306，然后在摩擦轮的抛送作用下，重新进入储球箱4内，有效防止网球发生意外弹落。所述摩擦轮306为具有弹性橡胶轮，既能保证一定的摩擦力，又能防止对网球造成损伤。

其他结构与实施例2或4相同。

如图7、8所示，实施例5，在实施例4的基础上，所述导球滑道304为弧形滑道，弧形滑道上开设有轴向滑槽313，轴向滑槽313沿导球滑道304轴向设置，轴向滑槽313的数量根据需要可设置2个或3个。所述导球滑道的下部设有与导球滑道304相配合的拨球机构。所述拨球机构包括沿导球滑道304方向设置的电动推杆Ⅱ308，电动推杆Ⅱ308位于导球滑道304的下方。电动推杆Ⅱ308的伸缩端设有固定座309，固定座309设有与导球滑道304垂直设置的小气缸310，小气缸310的伸缩端设有弧形板座311，弧形板座的形状与导球滑道304相类似，弧形板座311上设有与轴向滑槽313相对应的拨齿条312。当导球滑道304上出现网球堆积时，小气缸伸出，拨齿条通过轴向滑槽313伸入到导球滑道304内，然后通过电动推杆Ⅱ运动，将拨齿条将网球推送至储球箱4内，有效防止网球堆积。网球堆积的情况较少，主要是由于个别网球出现磨损，与导球滑道摩擦力较大，进而产生滞留。

如图9所示，本实施例中所述移动车体1包括车架101，车架101底部的前侧对称设有防滑驱动轮102，车架101底部的后侧对称设有从动轮103，从动轮103可采用福来轮或者正交全向轮。防滑驱动轮102及从动轮103上均可设置编码器陀和螺仪。防滑驱动轮102与设置在车架101上的驱动电机104相连接，驱动电机通过防滑驱动轮带动车架运动。车前侧由于揽球导向机构使重心前移，后侧需要加配重才能保证四轮与地面充分接触。为了使车体自转更加灵活，且避免车轮打滑，选取位于车头的两个防滑轮作为主动轮，位于车后的两个正交全向轮作为从动轮。为了保证定位系统传感器数据采集的准确性，所述车架101底部设有悬挂浮动轮105。由于自动捡球机器人的地盘上并不具备减震功能，所以当遇到路面不平时，机器人的晃动会影响传感器数据采集的准确性。具体表现为，当遇到路面下凹时，正交码盘与底面分离，产生空转，影响编码器数据的准确度；而当遇到路面上凸时，上凸的部分会顶着车体倾斜，进而影响陀螺仪对角度数据的采集。

如图10所示，具体结构为所述悬挂浮动轮105包括福来轮105-1和浮动悬挂架，福来轮105-1通过浮动悬挂架连接在车架101底部；所述浮动悬挂架包括U型轮座105-2，U型轮座105-2通过连接杆105-3连接在车架101上，连接杆105-3上套设有弹簧105-4和L型臂板105-5，弹簧105-4位于U型轮座105-2与L型臂板105-5之间，弹簧对福来轮施加一个向下的力，使轮子一直与地板相接触，能有效降低从动轮打滑的几率，提高传感器数据信息收集的准确度。L型臂板105-5上固定有竖向滑轨105-6，U型轮座105-2的一侧设有板式滑块105-7，板式滑块105-7与竖向滑轨105-6滑动配合，滑块约束着福来轮只能做上下滑动。所述福来轮105-1的轮轴上设有编码器105-8。编码器将采集的信息传递给控制器，控制器控制车体的运动方向与运行速度，进而确定定点巡航捡球。

当运动员是一个人在球场进球网球练习时，通常在打完网球后，网球的分布主要集中在球场边缘和球网附近，有少部分网球会散布在对面半场其余位置。针对网球的这种分布情况，决定采用以固定路径巡航为主，视觉自动收集为辅的自动运行模式来进行网球的全自动收集。在自动捡球机器人沿着预定路径巡航过程中，若视野中发现网球，就会记录当前坐标，暂停路径巡航模式切换为摄像头自主收集模式，利用自身的视觉传感器自主的完成网球的识别和捡拾工作。若捡球机器人将视野中没有网球目标或者目标离的太远，也就是在此区域附近没有合适的捡球目标后，机器人会控制运动机构原地逆时针匀速旋转搜索当前位置附近范围内可能存在的目标。同时，惯性传感器会记录航向角的增量，若航向角增加超过360°仍未找到新的网球目标，机器人就会自动回到巡航终端的位置，继续后面的巡航。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自动捡球机器人，其特征在于：包括移动车体（1）、揽球机构（2）和捡球机构（3），所述移动车体（1）上设有储球箱（4），移动车体（1）的前部对称设有两个揽球机构（2），捡球机构（3）位于两个揽球机构（2）之间且与储球箱（4）相对应，揽球机构（2）将散落的球体揽拢到捡球机构（3）的入球口，球体然后在捡球机构（3）的作用下被送至储球箱（4）内；

所述揽球机构（2）包括揽球架（201），揽球架（201）上设有链条机构，链条机构与设置在揽球架（201）上的第一驱动机构（203）相连接，所述链条机构上设有多个拨片组件（202）；

所述链条机构包括设置在揽球架（201）上的支撑板座（204），支撑板座（204）上设有至少两个链轮（205），链轮（205）之间通过链条（206）连接，其中一个链轮（205）作为主动轮，主动轮与第一驱动机构（203）的输出轴相连接，所述链条（206）上匹配有拨送带（207），拨片组件（202）设置在拨送带（207）上；

所述支撑板座（204）上设有与链轮（205）配合的棘轮爪机构；所述棘轮爪机构包括棘爪（208），棘爪（208）的一端通过竖短轴（209）连接在支撑板座（204）上、另一端与对应的主动轮相配合，主动轮的轮轴向上穿过支撑板座（204）且与第一驱动机构（203）相连接，支撑板座（204）上设有固定块（210），固定块（210）上设有与棘爪（208）接触贴合的弹性拨片（211）；

捡球机构（3）包括导球板架（301）、捡球轮组（302）和集成式摄像头（303），导球板架（301）上设有导球滑道（304），导球滑道（304）的一端与捡球轮组（302）相对应、另一端通向储球箱（4）；

导球滑道（304）为弧形滑道，弧形滑道上开设有轴向滑槽（313）；所述导球滑道的下部设有与导球滑道（304）相配合的拨球机构；所述拨球机构包括沿导球滑道（304）方向设置的电动推杆Ⅱ（308），电动推杆Ⅱ（308）的伸缩端设有固定座（309），固定座（309）设有与导球滑道（304）垂直设置的小气缸（310），小气缸（310）的伸缩端设有弧形板座（311），弧形板座（311）上设有与轴向滑槽（313）相对应的拨齿条（312）；

所述移动车体（1）包括车架（101），所述车架（101）底部设有悬挂浮动轮（105）；

所述悬挂浮动轮（105）包括福来轮（105-1）和浮动悬挂架，福来轮（105-1）通过浮动悬挂架连接在车架（101）底部；所述浮动悬挂架包括U型轮座（105-2），U型轮座（105-2）通过连接杆（105-3）连接在车架（101）上，连接杆（105-3）上套设有弹簧（105-4）和L型臂板（105-5），弹簧（105-4）位于U型轮座（105-2）与L型臂板（105-5）之间，L型臂板（105-5）上固定有竖向滑轨（105-6），U型轮座（105-2）的一侧设有板式滑块（105-7），板式滑块（105-7）与竖向滑轨（105-6）滑动配合，所述福来轮（105-1）的轮轴上设有编码器（105-8）。

2.根据权利要求1所述的自动捡球机器人，其特征在于：所述第一驱动机构（203）固定在支撑板座（204）上，支撑板座（204）通过摆动机构与揽球架（201）相连接；在摆动机构作用下，支撑板座（204）的相对揽球架（201）的揽球角度可调；

所述摆动机构包括固定在支撑板座（204）上的转轴（212），转轴（212）转动连接在揽球架（201）上且向上伸出揽球架（201），转轴（212）上部固定有连接臂（213），所述连接臂（213）通过连杆（214）与设置在揽球架（201）上的电动推杆Ⅰ（215）相连接。

3.根据权利要求1或2所述的自动捡球机器人，其特征在于：所述拨片组件（202）包括柔性拨片（202-2）和固定在拨送带（207）上的拨片座（202-1），拨片座（202-1）均布在拨送带（207）上且拨片座（202-1）上设有插接槽，等距离设置的拨片座（202-1）的插接槽内插接有柔性拨片（202-2）。

4.根据权利要求3所述的自动捡球机器人，其特征在于：所述捡球轮组（302）包括连接在导球板架（301）上的门形架（305）和对称设置的摩擦轮（306），摩擦轮（306）转动设置在门形架（305）上且与固定在门形架（305）上的驱动装置（307）相连接；集成式摄像头（303）设置在所述门形架（305）上且与后台控制器相连接。

5.根据权利要求4所述的自动捡球机器人，其特征在于：所述导球板架（301）的两侧设有挡球板（314），导球滑道（304）位于两个挡球板（314）的中部，导球滑道（304）与挡球板（314）之间设有朝向导球滑道（304）倾斜的导流板（315），导流板（315）靠近对应的摩擦轮（306）；所述摩擦轮（306）为具有弹性橡胶轮。

6.根据权利要求1、2、4、5任一项所述的自动捡球机器人，其特征在于：所述车架（101）底部的前侧对称设有防滑驱动轮（102），车架（101）底部的后侧对称设有从动轮（103），防滑驱动轮（102）与设置在车架（101）上的驱动电机（104）相连接。