CN212700391U - 一种自动感应智能拾球机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于拾物的机器人，具体为一种自动感应智能拾球机器人，可以基于图像识别算法和激光雷达进行行走识别和稳定的拾球回收，包括敞口吸球口、外壳、激光雷达、底盘、万向轮移动机构和摄像头，所述外壳的顶部安装有激光雷达，所述外壳的前端设有摄像头，所述外壳底部设有底盘，所述底盘底部设有万向轮移动机构、所述外壳内设有真空泵安装仓，所述真空泵安装仓内设有真空泵，所述真空泵安装仓与外壳连通，所述真空泵安装仓上还设有排风口，还包括电池，所述电池安装在底盘的底部，所述控制模块安装在外壳内，所述控制模块分别与电池、真空泵、激光雷达和摄像头电连接。

Description

一种自动感应智能拾球机器人

技术领域

本实用新型涉及一种用于拾物的机器人，具体为一种自动感应智能拾球机器人。

背景技术

乒乓球是一项老少皆宜的运动，具有受年龄和身体条件限制小，对场地和器械要求不高等特点，同时，由于球小、速度快、变化多、有很强的趣味性，所以十分易于普及和具体运作，是平日休闲娱乐的首选活动之一。

随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。文中所述的捡乒乓球机器人，正是一种应用于捡乒乓球的自主式移动的服务机器人。

目前已有的乒乓球拾球机器人种类较少，并存在许多缺陷，只停留在理论阶段，未有实物成品。例如专利号为201710425755.X中，控制逻辑欠佳，未考虑到实际捡球的运动路线；拾球动作通过机械手等机械装置来实现，例如专利号为 201920372666.8中的机构，机器人体积过大，成本高；又例如201710015741.0中，采用超声波规避障碍物的方案，但若障碍物体积较小，则超声波模块可能会失效，而采用激光雷达蔽避障模块则可以360°扫描障碍物，所以综上所述，可以看出目前现有技术的对于乒乓球的拾球来说，采用机器人进行拾球动作仍需要进行进一步改进。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供一种自动感应智能拾球机器人，可以基于图像识别算法和激光雷达进行行走识别和稳定的拾球回收。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：一种自动感应智能拾球机器人，包括敞口吸球口、外壳、激光雷达、底盘、万向轮移动机构和摄像头，所述外壳的顶部安装有激光雷达，所述外壳的前端设有摄像头，所述外壳底部设有底盘，所述底盘底部设有万向轮移动机构、所述外壳内设有真空泵安装仓，所述真空泵安装仓内设有真空泵，所述真空泵安装仓与外壳连通，所述真空泵安装仓上还设有排风口，还包括电池，所述电池安装在底盘的底部，所述控制模块安装在外壳内，所述控制模块分别与电池、真空泵、激光雷达和摄像头电连接。

作为优选，所述真空泵安装仓与外壳的连通处设有落球挡板。

作为优选，还包括纳球仓、纳球仓举升长臂、纳球仓举升短臂和举升舵机，所述纳球仓一端设有开口一，所述纳球仓分别与纳球仓举升长臂和纳球仓举升短臂转动配合，所述纳球仓举升长臂与底盘转动配合，所述纳球仓举升短臂通过举升舵机与底盘转动配合。

作为优选，所述还包括仓门，所述纳球仓另一端设有开口二，所述仓门与开口二处转动配合，所述仓门上设有滑块，还包括举升舵机和连杆，所述举升舵机安装在底盘上，所述举升舵机还通过连杆与滑块滑动配合。

作为优选，所述万向轮移动机构为四驱麦克纳姆万向轮，采用TBB电机驱动芯片驱动。

作为优选，所述控制模块包括树莓派上位机和STM的MCU下位机，所述树莓派上位机与STM的MCU下位机通信连接。

作为优选，还包括储球箱，所述储球箱安装在底盘上。

作为优选，所述储球箱内还设有用于容置纳球仓的纳球槽。

作为优选，还包括吸球管道，所述吸球管道一端与敞口吸球口连通，另一端靠近真空泵安装仓，所述吸球管道的另一端可与开口一连通。

本实用新型有益效果：本实用新型的自动感应智能拾球机器人可有效解决乒乓球场上拾球效率低下，耗费时间精力较多的问题，以树莓派作为上位机，基于 ROS平台，完成激光雷达所采集信息的运算、识别摄像头收集的图像信息；以 STM32作为下位机控制机器人运动；视野内无球时，通过递进加直行的方式搜索球；建立机器人运动数学模型计算电机目标转速，用编码器实现速度闭环控制；通过风力负压来实现拾球；拥有自动拾取模式与手动远程控制模式，可通过手机远程切换；采用全封闭式球仓，保证风扇吸力；可通过双摇杆机构将纳球仓抬起，仓门可开合；当球收集满或机器人没电时，激光雷达模块将自动制导机器人至储球箱处，完成倾倒乒乓球和充电功能。具有机器人运动灵活、捡球效率高、索球方式快、操作方式便捷智能、避障功能强大的优点；拾球机器人代替人工自动拾球，在乒乓球训练、公共乒乓球馆等各种场合，避免大量、重复、无意义的劳动，提高训练效率、提高时间利用率，降低人工成本。相比其他专利，有机器人运动灵活、捡球效率高、索球方式快、操作方式便捷智能、避障功能强大的优点。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

图1是本实用新型的自动感应智能拾球机器人的结构示意图；

图2是本实用新型的自动感应智能拾球机器人的部分结构示意图；

图3是本实用新型的自动感应智能拾球机器人的倾倒状态的结构示意图；

图4是本实用新型的自动感应智能拾球机器人的乒乓球的视觉识别过程示意图；

图5是本实用新型的自动感应智能拾球机器人的手机APP界面；

图6是本实用新型的自动感应智能拾球机器人的软件系统整体框架示意图；

图7是本实用新型的自动感应智能拾球机器人的机器人索球状态下运动示意图。

图中标号：1、激光雷达；2、外壳；3、真空泵；4、敞口吸球口；5、万向轮移动机构；6、底盘；7、纳球仓举升长臂；8、纳球仓举升短臂；9、电池；10、举升舵机；11、开合舵机；12、仓门；13、滑块；14、连杆；15、纳球仓；151、开口一；152、开口二；16、摄像头；17、落球挡板；18、真空泵安装仓；19、排风口；20、控制模块；21、储球箱；22、吸球管道。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在具体实施时，所述万向轮移动机构5为麦克纳姆万向轮移动机构，且由四个直流电机、四个减速箱与四个麦克纳姆万向轮组成，用于机器人的行走；电机安装有编码器，用于对电机进行测速并反馈给MCU进行速度PI闭环控制；吸球动作由敞口吸球口4的吸球口、吸球管道22、落球挡板17、真空泵3组成；其中真空泵3可以为微型真空泵，纳球机构由纳球仓15、仓门12、纳球仓举升长臂7、纳球仓举升短臂8、举升舵机10、开合舵机11、滑块13和连杆14构成，所述视觉识别模块采用激光雷达1和摄像头16结合识别，用于采集图像信息，识别地面上的乒乓球，并将乒乓球位置信息传输给MCU处理；还可以配置远程控制模块，利用蓝牙模块通过串口与MCU通信，用于开启或关闭机器人、控制机器人运动、切换模式；所述激光雷达1用于扫描周围环境信息，规避障碍，将机器人自动制导至工作站；所诉纳球机构用于将纳球仓升举到一定的高度和倾倒角度从而实现打开仓门，将乒乓球倒入纳球槽中。

真空泵3采用负压吸球时，为避免球一直吸附在真空泵3的泵口口处，在风扇口处安装带有小孔的落球挡板17，当球被吸入时，从单纯向内的力中产生向下的分力，使球从吸球管道22通过开口一151下落入纳球仓15中，同时也不影响或改变吸力的矢量大小与方向。落球挡板17与水平方向夹角约为80°。通过纳球仓举升长臂7和纳球仓举升短臂8构成的双摇杆机构升举纳球仓15，可将纳球仓15升举到一定的高度和倾倒角度。

通过开合舵机11带动连杆14控制滑块13移动，达成控制仓门12开合的效果；当视野内无球时，机器人直行一段距离，再左转90°，若视野内依然无球，则再直行更多的一段距离，直行结束后左转90°，按此递进直行加左转的规律向外扩散搜索，直到搜寻到球。

该机器人采用与储球箱21配合的工作方式，当球收集满后，不需要人手动将球取出，可以自动将球运送到储球箱21，储球箱21拥有给机器人充电的功能，机器人可以自动无线循迹回储球箱21充电。

风扇口处安装带有小孔的落球挡板17，当球被吸入时，从单纯向内的力中产生向下的分力，使球下落入纳球仓中，同时也不影响或改变吸力的矢量大小与方向。挡板与水平方向夹角约为80°。落球挡板17前可安装有灰度传感器，用于对已经拾起的小球进行计数。

仓门上有一T型导轨，滑块13可在导轨内直线运动，连杆14与滑块13间采用转动副连接，以开合舵机11作为原动力，带动导轨控制滑块13移动，达成控制仓门开合功能。

纳球仓升举机构为两组双摇杆机构，其中一组双摇杆机构为虚约束，用于保持运动稳定性和平衡性，机构最短杆为机架，纳球仓为连杆，通过控制举升舵机 10带动较短的连架杆转动，可将纳球仓升举到一定的高度和倾倒角度。

采集图像信息的摄像头16安装在外壳2上的摄像头座上，摄像头座与地面呈75度，使摄像头16能拍摄到正前方的地面。

采用激光雷达1进行避障，激光雷达1水平安装在机器人外壳2顶部平面上，顶部无其他遮挡物遮挡，采用树莓派进行数据处理。视觉识别单元包括视觉单元和图像处理单元，视觉单元检测到有掉落的球后，采集球所在位置的图像，并传送给图像处理单元进行处理，图像处理单元对球的特征识别并计算出球所处坐标，并将该坐标反馈至MCU处理；当视野内无球时，机器人直行一段距离，再左转 90°，若视野内依然无球，则再直行更多的一段距离，直行结束后左转90°，按此递进直行加左转的规律向外扩散搜索，直到搜寻到球。用户手机作为上位机发送指令，只需安装专用的app，不需要额外的遥控器；用户可根据需要选择自动模式或手动模式，自动模式下自动搜寻球并捡球，手动模式下可由用户直接控制。该机器人采用与储球箱21配合的工作方式，当球收集满后，不需要人手动将球取出，可以自动将球运送到储球箱21，工作站拥有给机器人充电的功能，通过两突起的电极输出5V安全电压，机器人后部相应位置也安装有突起的电极片，可以通过激光雷达1指导自动无线循迹回储球箱21充电。

机器人采用摄像头16采集图像信息、识别乒乓球位置，由摄像头16采集一帧图像数据后，首先对其进行图像预处理，包含RGB模型中的灰度化，二值化，平滑滤波处理，得到含有乒乓球形状的二值图像数据，随后对其二值图像进行霍夫检测运算，检测出球，并通过对应函数返回距离机器人最近的小球的圆心上像素点在屏幕上的坐标位置。

为了减缓乒乓球被吸起进入吸球管的阻力，提高拾球效率，在吸球管的前端设计了一个敞口吸球口。真空泵的进气口和敞口吸球口相连且密封。拾球机器人采用吸气产生负压，通过压强差拾球原理，在压力差的作用下，将气体压入泵腔内，再从排气口排出来，完成一个吸气的过程。微型真空泵安装在由前后两个打孔板组成的隔间中，两端打孔板分别留有吸气孔与排气孔。微型真空泵工作时，乒乓球通过前端的吸球口与涵道被吸到前端倾斜80°的落球挡板，然后在吸气分力的作用下，乒乓球自动落到下方的纳球仓15中。

采用蓝牙模块远程通信，蓝牙模块通过串口与MCU通信，可使用手机app与机器人链接完成远程控制，手机app示意图如图5所示。

机器人控制流程图如图6所示，打开机器人电源后，MCU与各个模块自动完成初始化，用户手机链接蓝牙模块，可通过手机APP选择机器人运行模式。在手动模式下，机器人可根据用户的控制完成相应动作；在自动模式下，如果检测到视野内有乒乓球，先通过判断乒乓球在屏幕上的投影面积，计算出距离最近求，随后横向移动，使得乒乓球的圆心投影坐标处于屏幕中央位置，机器人向前运动并通过继电器开启微型真空泵，将球吸入纳球仓中，当该球在视野内消失时，关闭风扇节约电量。当激光雷达检测到周围有障碍物时，机器人左转，直到前进路线上无障碍物，并重新开始球搜寻，当视野内无球时，其运动轨迹如图7所示，三角形为机器人的位置和朝向，阴影为机器人视野，虚线为机器人运动路线，机器人直行一段距离，再左转90°，若视野内依然无球，则再直行更多的一段距离，直行结束后左转90°，按此递进直行加左转的规律向外扩散搜索，直到搜寻到球。

落球挡板前安装有红外灰度传感器，用于对小球进行计数，当机器人拾起一定数量的小球后，激光雷达将机器人指导至工作站处，双摇杆纳球仓升举机构开始工作，将纳球仓升举到一定的高度和角度，最后自动仓门开合机构工作，将仓门打开，仓内的小球落入储球箱中统一存放。储球箱21可通过两突起的电极输出5V安全电压，机器人后部相应位置也安装有突起的电极片，当机器人没电或者不工作时，可以通过激光雷达指导自动无线循迹回工作站充电。

以上为本实用新型较佳的实施方式，本实用新型所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本实用新型的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种自动感应智能拾球机器人，其特征在于：包括敞口吸球口(4)、外壳(2)、激光雷达(1)、底盘(6)、万向轮移动机构(5)和摄像头(16)，所述外壳(2)的顶部安装有激光雷达(1)，所述外壳(2)的前端设有摄像头(16)，所述外壳(2)底部设有底盘(6)，所述底盘(6)底部设有万向轮移动机构(5)、所述外壳(2)内设有真空泵安装仓(18)，所述真空泵安装仓(18)内设有真空泵(3)，所述真空泵安装仓(18)与外壳(2)连通，所述真空泵安装仓(18)上还设有排风口(19)，还包括电池(9)，所述电池(9)安装在底盘(6)的底部，控制模块(20)安装在外壳(2)内，所述控制模块(20)分别与电池(9)、真空泵(3)、激光雷达(1)和摄像头(16)电连接。

2.根据权利要求1所述的自动感应智能拾球机器人，其特征在于：所述真空泵安装仓(18)与外壳(2)的连通处设有落球挡板(17)。

3.根据权利要求1所述的自动感应智能拾球机器人，其特征在于：还包括纳球仓(15)、纳球仓举升长臂(7)、纳球仓举升短臂(8)和举升舵机(10)，所述纳球仓(15)一端设有开口一(151)，所述纳球仓(15)分别与纳球仓举升长臂(7)和纳球仓举升短臂(8)转动配合，所述纳球仓举升长臂(7)与底盘(6)转动配合，所述纳球仓举升短臂(8)通过举升舵机(10)与底盘(6)转动配合。

4.根据权利要求3所述的自动感应智能拾球机器人，其特征在于：还包括仓门(12)，所述纳球仓(15)另一端设有开口二(152)，所述仓门(12)与开口二(152)处转动配合，所述仓门(12)上设有滑块(13)，还包括举升舵机(10) 和连杆(14)，所述举升舵机(10)安装在底盘(6)上，所述举升舵机(10)还通过连杆(14)与滑块(13)滑动配合。

5.根据权利要求1所述的自动感应智能拾球机器人，其特征在于：所述万向轮移动机构(5)为四驱麦克纳姆万向轮，采用TB6612B电机驱动芯片驱动。

6.根据权利要求1所述的自动感应智能拾球机器人，其特征在于：所述控制模块(20)包括树莓派上位机和STM32的MCU下位机，所述树莓派上位机与STM32的MCU下位机通信连接。

7.根据权利要求3所述的自动感应智能拾球机器人，其特征在于：还包括吸球管道(22)，所述吸球管道(22)一端与敞口吸球口(4)连通，另一端靠近真空泵安装仓(18)，所述吸球管道(22)的另一端可与开口一(151)连通。

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