一种智能乒乓球捡拾机器人的设计研究

赵晓玉 李宇 李玲玲

摘 要：乒乓球运动是一种世界流行的球类体育项目，但是捡球是一件非常让人头疼的事情，基于此，研制了一款智能乒乓球捡拾机器人。本机器人外壳由铝板制作，其主控芯片为STM32F407，由行走装置、捡拾装置、识别计数装置和报警与自动出球装置组成，多种装置巧妙设计机械结构和连接电路，它们之间相互配合工作，使机器人能够圆满地完成捡拾球的任务。此款智能乒乓球捡拾机器人集识别、捡拾、计数、显示、自动出球、报警、远程控制等一系列功能于一体，可实现不间歇工作，减少劳动力，捡拾效率高，具有广阔的应用前景。

关键词：捡拾机器人;乒乓球;识别;报警;远程控制

1 研制背景及意义

众所周知，乒乓球运动是一种世界流行的球类体育项目，同时它也是我们中国的国球，我们的乒乓球健将取得世界乒乓球比赛的大部分冠军，甚至多次包揽整个赛事的所有冠军。这项运动老少咸宜，又不需要十分复杂的运动场地和器械，因此受到大多数人的喜爱，越来越多的人开始学习打乒乓球。但是在打乒乓球的过程中总有一件事让打球的人很头疼，那就是捡球。现在的乒乓球直径40.00毫米，比一个鸡蛋还要小，其重量为2.6～2.8克，也比较轻，不太容易捡拾。每当要捡起一个乒乓球的时候，捡球的人就要弯一次腰，对于长期从事这项工作的人来说是一个很大的身体负担。正因为如此，设计一种能够代替人捡拾乒乓球的机器人就有了它的重要性。这种机器人能够又好又快地将散落在地面上的乒乓球捡起，并且把不同颜色的乒乓球分类，然后放入指定的位置进行回收，以便下一次使用。尽管这个机器人所实现的功能相对来说十分简单，但是它确实能帮助人类完成工作，减少人类的负担，这也是服务类机器人的重要使命。

2 智能乒乓球捡拾机器人的组成及工作原理

2.1 智能乒乓球捡拾机器人简介

该机器人外殼部分主要由铝板制作，其主要特点是全智能化、自动化捡球。机器人的控制电路简单，其主控芯片是STM32F407，该系列芯片是ST旗下的一款常用的增强型系列微控制器，功能强大，运行速度快，内存大，低功耗，适用于各种电力电子系统方面的应用。捡球机器人上有高分辨率触摸显示屏，该显示屏用来控制开始与结束，在机器人开始捡球时显示屏上会显示工作的时间，并且实时反映出已经捡拾的数量，机器人用OpenMV摄像头进行识别乒乓球的位置，然后迅速前往小球位置，将小球扫入车体盒内，并用LD3320语音模块进行语音控制、可以与机器人进行对话交流控制它的开始与结束，智能乒乓球捡拾机器人上方有声音与灯光提示装置，当机器人在不同工作状态时将显示不同的灯光，当盒内装满球时也会有与之对应的声音和灯光进行提醒。

2.2 识别和计数装置

识别和计数显示装置由OpenMV摄像头、光电对管及显示屏组成。为使视角范围最大化，将摄像头安装于机器人前上方。由于乒乓球常见的颜色一般包括白色和黄色两种，所以将OpenMV摄像头的颜色阈值设定为白色和黄色。通过摄像头精确识别并确定乒乓球的位置，然后反馈到微处理器控制系统，控制系统立即响应控制行走装置和捡拾装置工作。在乒乓球被收集到机器人内部时，光电对管会检测到乒乓球，并将其个数呈现在显示屏上。显示屏安装于机器人外部，以便于人们读数。此外，显示屏还可以记录机器人的工作时长。

2.3 乒乓球捡拾装置

捡拾装置由一个直流电机和一对锥齿轮组成。锥齿轮安装于机器人内部，与另一双头锥齿轮轴相互啮合，对称布置，动力源为直流电机。根据扫地机器人原理，锥齿轮另一端固定类似“扫把”装置。一对“扫把”在旋转工作时，不能够产生间隙，考虑到干涉问题，同时也为了防止扫把与乒乓球接触时使乒乓球受弹力作用而被弹走，需采用较软物质，所以“扫把”部分采用海绵材料。捡拾装置工作时，由直流电机带动双头锥齿轮轴运转，进而带动锥齿轮工作，将乒乓球扫入机器人内部，以便于收集。

2.4 行走装置

行走装置由两个直流电机驱动的车轮及万向轮构成，均安装于机器人底部。为了减小车轮磨损，车轮采用四驱越野车轮，安装于机器人后方，一对万向轮安装于机器人前方。行走装置受微处理器控制系统控制，当摄像头识别到乒乓球时，控制系统响应使行走装置工作，从而驱使机器人靠近乒乓球，为了解决机器人行走过程中躲避障碍物的问题，机器人前方装有超声波传感器，可以更加灵活地躲避障碍物。当摄像头未识别到乒乓球时，控制车轮运转的一对直流电机将差速运转，配合万向轮作用，从而使机器人在原地转向扫视，保证360°无死角。

2.5 报警和出球装置

报警装置由蜂鸣器和四个LED灯组成，位于机器人上方，LED灯在不同的工作状态下将呈现不同的灯光;出球装置由一个舵机和摇杆构成，模拟机械结构中的摇杆滑块机构，盖板模拟滑块，通过舵机旋转一定角度精确控制开启板盖的摇杆，实现自动开合板盖的功能。当机器人收集一定数量的乒乓球后，便会由摄像头识别到原位置的黑色标记，然后自动回到原点。此时报警装置和自动出球装置开始工作，提醒人们取走其所收集的乒乓球。

2.6 智能乒乓球捡拾机器人工作原理

该机器人由行走装置、捡拾装置、识别和计数显示装置组成。在工作的时候，机器人从原位置出发，当摄像头未识别到乒乓球的时候，机器人在原地360°转向扫视;当识别到乒乓球时，行走装置便在超声波避障装置的配合下驱使机器人驶向球的位置，然后捡拾装置开始工作，将乒乓球扫入机器人内部，同时，计数显示装置将乒乓球数量记录并呈现在显示屏上。在收集乒乓球达到一定数量时，摄像头会识别到原始位置的黑色标记使机器人自动回到原点，此时，报警装置和自动出球装置工作，提醒人们取走乒乓球。

3 三维结构设计示意图

如下图所示。

4 创新点及应用

4.1 创新点

（1）全智能化、自动化捡球，机器人的控制电路简单，自主地进行工作，具有极大的便利性和易操作性。（2）具有报警功能，可以起到提醒作用。（3）拥有自动躲避障碍物能力。（4）具有自动计数显示的装置，方便人们对机器人内部乒乓球数量的读取。（5）全自动开关后盖，实现自动出球功能。

4.2 应用

此款智能乒乓球捡拾机器人通过红外传感器、超声波传感器和摄像头的配合实现智能化识别。通过自动化单片机识别设计，充分实现了自动化和人为操控的方便与稳定，能够满足各类消费者的需求并保证了用电的安全性。据今为止，虽然有一些普通的人工辅助捡球工具，但只能辅助人们工作而不能实现全自动化，极大地消耗了人力物力，而通过改良机器人产品是减少人力的最有效的途径。因此该机器人以“惠民便民”和“高效便捷”为宗旨，综合了多种现存捡球机器人的特点，弥补了它们的不足，具有成本低、实用性强、易操作等优点，可适用于乒乓球俱乐部等场所。该机器人拥有良好的经济效益和社会效益，具有极为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]周海波，张忠党，刘振忠，等.捡拾机器人机械手运动学分析与仿真[J].机床与液压，2018，46（23）：23-28，34.

[2]闻邦椿.机械设计手册（第五版）.机械工业出版社，2010.

[3]王晓龙，穆春阳，马行.基于OpenCV的嵌入式自动捡乒乓球系统设计[J].计算机测量与控制，2015，23（11）：3861-3863，3866.

[4]杨开建，黄顺，张莉，等.基于STM32单片机的智能扫地机器人的设计[J].科学与财富，2019，（25）：338.

[5]焦博新，黄伟哲，蒋昊.基于Arduino的乒乓球自动拾取机器人的设计与制作[J].科学技术创新，2019，（4）：80-81.

[6]宋安琦，李红楠，申立佳，等.智能乒乓球拾取机器人设计[J].科技创新导报，2018，15（36）：2-4.

[7]温海涛.自动化机械设备设计研发与机械制造创新探究[J].科技与创新，2019，（23）：101-102.

基金项目：由辽宁科技大学大学生创新创业训练计划专项经费资助（项目编号：201910146277）

作者简介：赵晓玉（1997—），本科，专业领域为机械电子工程;李宇（1999—），本科，专业领域为机械电子工程;李玲玲（1965—），吉林桦甸人，硕士，副教授，研究方向：机械设计及理论。

指导老师：李玲玲。