智能乒乓球拾取机器人设计与运用分析

黄柏 胡启林

（武汉理工大学体育学院 湖北 武汉 430070）

引言

新时期教育背景之下，为更好地遵循教学规律，落实立德树人的根本任务，发展素质教育，体育教育逐渐得到了中小学校的关注和重视。为进一步提高学校体育教育水平和能效，部分学校引入了乒乓球拾取装置。因此，加强对于智能乒乓球拾取机器人设计与运用研究是十分有必要的，这既能够提高学生参与运动的积极性，激发学生好奇心，同时也有助于提高体育运动和教学活动的开展效率，对于现代教育事业发展有着积极意义。

1、智能乒乓球拾取机器人设计原理

智能乒乓球拾取机器人设计过程中，需要运用的主要技术为图像处理技术，由舵机控制摄像头旋转，采集图像信息，然后将其传送到控制中心，再结合机器人当前的状态，控制设备旋转、运动等，通过视觉识别确定作用目标，再控制捡球机构，完成拾取动作。主要包括图像采集模块、陀螺仪、避障模块、核心控制系统，以及电机驱动模块。在此过程中，机器人会通过多种传感器，实现对于周围环境的有效感知，并通过将相关数据传送到控制板面，经过处理后，实现对于周围障碍物的有效识别，达到避障效果。

2、智能乒乓球拾取机器人设计关键技术应用

2.1、图像处理技术

结合上述分析可知，图像处理技术作为机器人设计过程中的关键技术，对于机器人的执行能力和拾取能力有着直接影响。在此过程中，系统会自动对摄像头采集到的图像信息展开处理，处理区段为10 帧，通过将目标阈值与采集到的图像阈值展开对比分析，建立坐标系，其中横向坐标轴用于显示球所在位置在机器人的左侧还是右侧，纵向坐标轴用于确定球相对于机器人前方的位置，通过坐标能够显示出球的具体位置。

2.2、物联网技术

智能乒乓球拾取机器人涉及的物联网技术主要指的是传感器技术，在拾取到乒乓球后，机器人身上的红外传感器能够检测到乒乓球，并进行自动计数，然后将相关数据信息传送到核心控制区域，已经拾取到的乒乓球数量，会实时显示在显示屏上，并通过物联网模块，将其上传到电脑或者移动端当中，实现拾取情况的实时、动态显示。

3、智能乒乓球拾取机器人设计要点

3.1、材料选择

智能乒乓球拾取机器人设计的过程中，需要结合实际情况以及需求，确定主体材料。当前机器人制作过程中，常用的材料包括以下几种：第一，木材，木材的主要优势在于价格合理、加工处理相对较为方便，但是接头位置容易受到损坏；第二，塑料，塑料种类较多，能够适应各种加工需求，而且可以根据机器人的种类、制作目标等，合理选择塑料材质，主要包括热固性塑料、弹性塑料以及热塑性塑料。其中热固性塑料的特点是硬度较强，适用于电器产品；弹性塑料的主要特点是弹性较高，但无法通过加热定型；第三，金属材料，其主要特点是强度相对较高，而且来源广，材料成本可控，常用的金属材料包括碳钢、铝合金等，但同时由于金属材料的质量较高，若将其用于机器人设计当中，会增加机器人负载；第四，有机玻璃，由于材料难得，因此价格相对较高。

在实际展开智能乒乓球拾取机器人设计的过程中，结合实际运作需求，应尽量缩小机器人的体积，减轻质量。因此，建议选用环氧树脂塑料作为机器人材料。这种塑料不仅质量较轻，而且十分耐用，具有较强的可塑性，还可通过切割、抛光等方式进行处理，适用于机器人制造。

3.2、行走方式

常见的智能机器人行走方式包括轮式、履带式以及行走式三种，在设计过程中，应结合实际使用场地、需求等合理选择行走方式。其中轮式行走适用于场地较为宽阔、平坦的区域，可跨越的高度有限，无法实现爬楼梯需求，但具有顺畅性较高的特点；履带式行走方式，能够在凹凸不平的地面上行走，而且具有一定跨越障碍物的能力，能够攀爬不太高的台阶；行走式机器人的重心能够落在脚掌上，通过模拟人类行走的方式前进，在实际行走过程中，需要获得准静态平衡，并保持步行的稳定性，因此设计过程中，自动控制系统的复杂程度相对较高。

结合智能乒乓球拾取机器人实际运行场地特点，乒乓球训练场地通常较为宽敞，而且地面平整度较高，因此建议选择轮式行走方式，而轮式行走方式设计难度较低，制作过程相对简单，具有较高的可行性。此外，在平整度较高的场地当中，轮式行走方式的运行速度相对较快，能够更好地保障乒乓球拾取效率。

3.3、捡球方式

结合以往乒乓球拾取装置的捡球方式来看，机器人捡球方式主要包括以下两种：

第一，机械手捡球，通过直接抓取的方式将乒乓球放置到存放腔当中，这种设计方式需要机械手具备灵活的关节以及精准的控制系统，需要设计的活动关节多，系统的复杂程度相对较高，实际自动控制处理难度较大；

第二，根据吸尘器原理，通过吸拾的方式，将乒乓球吸起来，放入存放腔，由于乒乓球本身体积和质量都相对较小，吸取便利，而且相对于抓取方式而言，吸取的效率更高。因此，在实际设计智能乒乓球拾取机器人时，建议采用吸取的方式，通过安装可吸气的微型真空泵，实现捡球功能。真空泵通过电机展开圆周运动，使得真空泵内的隔膜做往复运动，以此实现对于固定容积腔体内空气的压缩和拉伸，进而形成真空、负压状态，使得真空腔内外形成压力差，将气体吸入泵腔内，再从排气口排出，在此过程中，乒乓球会随着空气被吸入到拾取装置当中。除此之外，值得注意的是，在真空泵运作时，若空气从乒乓球出口进入，就会减少乒乓球入口处进入的空气，无法达到捡球目的。因此，需要在乒乓球出口位置设置堵气装置，避免空气从此处进入。要求捡球过程中，当真空泵吸气时，系统能够自动关闭乒乓球出口，在完成吸气后，方可打开乒乓球出口，以便球体排出，进入存放腔。

3.4、驱动转向

智能乒乓球拾取机器人运转的过程中，并不是所有需要捡拾的乒乓球都位于机器人的正前方，因此需要对机器人展开驱动和转向方式的设计，以便机器人运作过程中，能够灵活调整自身方向。驱动方面，可采取步进电机进行驱动，并通过前轮驱动、后轮导向的方式，实现机器人的有效运转。导向轮可选择万向轮，不仅容易获得，而且使用便利，能够在动载或者静载的状态下，实现水平360°旋转。

当前，常见的机器人转向方法较多，常见的转向方法包括差动型转向、汽车型转向、三轮车型转向以及全方位转向。第一，差动型转向，该方法是当前轮式行走机器人最为常用的转向方式，在转向的过程中，机器人的一侧轮子会处于停止固定，或者反向运动的状态，而另一侧轮子则会继续前进，直至到达指定位置，以此达到调整行进方向的目的，转向原理相对较为简单、易操作，可行性较高；第二，汽车型转向，与差动转向相比，汽车型转向的机动性相对较差，但对于室外路况有着较高的适应能力，在凹凸不平的路面上转向优势更为突出，主要原理为转向圆心位于轮子外侧，而非两个轮子之间，能够帮助机器人获得更大牵引力，因此适用于室外环境；第三，三轮车转向，运用该方法时，应确保两侧转向电机同步，确保机器人能够实现直线行走，该方法的主要问题在于，若两侧车轮电机的速度不同步就会使得行走路线为曲线；第四，全方位转向，该转向方式的优势在于灵活性较高，而且控制准确，但是技术要求较高，需要3 个转向驱动轮、2 个电机，实现难度大。

结合上述分析，智能乒乓球拾取机器人设计采用轮式行走方式，而且场地较为平坦，因此建议采用差动型转向方式，通过在机器人两侧对应位置安装相同的电机，用于驱动控制两个转向车轮。当两个电机的转动方向和速度相同时，机器人可实现前后运动；若左轮停止，或反向转动时，机器人左转；若右轮停止，或反向转动时，机器人右转；当两个轮子以相同的速率正反转的情况下，就会出现原地转向的情况。因此，在展开驱动转向设计过程中，共计需要3 个轮子，其中机器人前方的两个轮子，用于驱动，且为独立驱动方式；后方的万向轮则用于控制方向。

4、智能乒乓球拾取机器人结构设计

4.1、驱动机构

驱动机构设计主要包括以下几个方面：

第一，电源选择。机器人常用电源包括干电池、铅酸蓄电池、镍铬/镍氢电池，以及锂离子/锂聚合物动力电池。干电池为一次性电池，成本相对较高，内部电阻较大，在负载较高的情况下，电压会迅速下降，无法满足机器人大电流工况下的连续使用需求；铅酸蓄电池的主要优势是价格低廉，具有较强的耐过充能力，但质量较大，实际维护困难；镍铬/镍氢电池具有良好的大电流放电特性，维护简单，耐过充能力强，但若充放电处理不当，容易导致电池寿命有所缩短，而且镉是有毒金属，不利于环境保护；锂离子/锂聚合物动力电池的重量小、容量大，但需要配备专门的防过充、过放电保护电路，同时价格较高。结合智能乒乓球拾取机器人实际运行特点和需求，在综合考量结构成本的基础上，建议选用铅酸蓄电池；

第二，电机选择。机器人的常用电机包括以下三种类型：（1）步进电机，能够将电脉冲信号转为角位移或者线位移，在正常情况下，电机转动以及停止，仅会受到脉冲信号的频率和脉冲数影响，与负载变化情况无关，而且仅存在周期误差，无累积误差，实际控制相对简单；（2）直流电机，功率调节范围较广，具有良好的适应性，以及过载能力，性价比较高；（3）伺服电机，具有极强的可控性，由舵盘、控制电路板等组成。结合机器人特点，建议选用步进电机，以便控制；

第三，车轮选择。结合上述分析可知，机器人的前轮为驱动车轮，后轮为定位导向车轮。因此，前轮选择具有较大花纹的车轮，以此增大摩擦力，实现有效驱动；后轮为万向轮，可使用市面上的成品，价格也相对合理；

第四，驱动装置。根据智能乒乓球拾取机器人运行特点以及使用场景，为提高设计的便利性，以及平稳性，选用齿轮传动方式，通过紧定螺钉将电机轴与齿轮连接起来。前轴驱动轮轴系零件包括轴承、定位套筒、螺母等。

4.2、捡球机构

捡球机构设计要点如下：

第一，吸气装置。根据上述分析，可知机器人吸气装置采用了微型真空泵，实际运作过程中，由单片机控制真空泵，将乒乓球吸入软胶管道当中，并从出口排出，进入存放腔，为保障乒乓球的整洁度，避免将杂物等带入机器人内部，需在乒乓球入口处设置毛刷，实现自清洁，清除表面灰尘。整个吸气装置包括吸气嘴、真空泵、塑料软浇灌、电磁铁、连杆等结构；

第二，真空泵选择。微型真空泵在选择过程中，应确保其能够完成捡球，并将球吹放到存放腔内等一系列动作。此外，还应加强对于配件的选择和设计，真空泵运转过程中，会产生震动，影响实际工作性能以及机器人寿命，因此，需要安装相应减震胶垫。最后，真空泵的长期运行，会使得内部积累粉尘，降低真空度，影响精密元件运转，因此需要在进气管处安装过滤器，过滤气体当中的粉尘和杂质；

第三，堵气结构。堵气结构的主要目的是防止吸气过程中，气体从乒乓球出口进入，影响乒乓球的正常捡拾。当真空泵吸气时，电磁铁停止工作，堵气盖盖住乒乓球出口；当真空泵停止吸气时，电磁铁通电，拉起堵气盖，同时真空泵排气，将乒乓球吹出，当乒乓球吹出后，电磁铁断电，堵气盖重新闭合。因此，电磁铁需要选择拉式电磁铁；

第四，存放腔设计。机器人体积本身相对较小，留给存放乒乓球的空间十分有限，若存放腔设计不合理，将会导致存放乒乓球的数量较少，影响实际工作效率。因此，可将存放腔设计成弯曲形态，相较于直线形，弯曲形态能够存放更多乒乓球。存放腔主要包括轨道部分和护栏部分，轨道部分可使用塑料材料，并要求轨道具备一定倾斜角度，保障乒乓球存放的顺利性，护栏则主要用于避免乒乓球掉到地上，可使用铁丝制作，通过将护栏向上拨动，就可取出存放的乒乓球，整体结构相对简单，加工制造容易，使用便利。

5、智能乒乓球拾取机器人功能设计

5.1、视觉功能

机器人想要能够准确拾取到乒乓球，就需要先准确判断乒乓球的位置，对此，需要借助CCD 图像识别传感器技术，帮助机器人“看”到乒乓球。需要将CCD 传感器与红外线传感器安装在机器人上，并能够实现机器人的360°旋转，以便其能够从多个角度观察到乒乓球的位置，然后将采集到的信息传输回控制系统，计算得到最优行程路线，然后控制机器人走到指定位置，拾取乒乓球。CCD 传感器的主要优势体现在以下几个方面：第一，具有较高的清晰度，而且成像大小达到了μm 级别，能够感知到较为精细的物体，实际影像品质较高，由于乒乓球体积较小，尤其远距离图像采集过程中，需要实现对于乒乓球的有效识别，而CCD传感器具有较强的识别能力，可满足乒乓球捡拾要求；第二，具有较高的敏感度，即使环境空间的光度较低，也能够实现有效侦测；第三，适用范围广泛，能够有效分别强光、弱光，可有效规避信号反差，并且具有良好的曲线特性，设备的体积和重量都相对较小。

5.2、触觉功能

触觉功能的设计主要是为了应对机器人运行过程中可能遇到的障碍物或者墙壁等，以免机器人失去捡球作用，影响功能的正常发挥。对此，可为机器人设计触觉功能，如胡须触觉开关，当机器人接触到障碍物时，可自动察觉到障碍物或者墙壁的存在，并自动避开，以免出现磕碰等不良事故，影响机器人正常运转。

5.3、计数功能

由于机器人内部空间有限，因此乒乓球储存数量不多，需要在每次捡起乒乓球后，进行自动计数，当内部空间贮满之后，机器人需要停止捡球，并通知相关工作人员将内腔储存的乒乓球取出。因此，计数功能是机器人设计过程中必不可少的部分。对此，可选用光电计数器进行设计，其不仅精度较高，而且能够实现自动控制，安装和使用都相对较为便利。在机器人捡起乒乓球后，系统会发出脉冲，进行自动计数。

6、智能乒乓球拾取机器人运作流程

基于上述研究设计的智能乒乓球拾取机器人，在实际运作过程中，主要包括以下流程：第一，当相关工作人员发出捡球指令时，机器人会先通过声控装置接收并识别捡球指令；第二，通过图像识别技术以及红外线传感器等，在现场搜索并确定乒乓球的位置；第三，通过对识别结果的处理和计算分析，由控制系统控制机器人，驱动车轮“走向”乒乓球所在位置；第四，启动真空泵吸取乒乓球，经过入口毛刷，实现乒乓球的自动清理；第五，将乒乓球送入到指定位置后，停止吸气，同时电磁铁通电，打开乒乓球出口位置的堵气盖；第六，系统控制真空泵，将乒乓球吹入存放腔，同时电磁铁停止工作，堵气机构复位，堵住乒乓球出口；第七，重复上述步骤，继续“走向”下一个乒乓球进行捡拾。当存放腔放满乒乓球之后，需要人工将其中的乒乓球取出，然后再向机器人下达指令，继续捡球。此次智能乒乓球拾取机器人设计较为简单、实用，性价比较高，实际运行流畅，有着较好的使用效果。

7、结束语

综上所述，智能乒乓球拾取机器人设计过程中，需要运用图像识别以及物联网等技术，确保机器人能够实现对于乒乓球的自动捡拾，保障运作效果。实际展开机器人设计的过程中，应着重加强对于材料选择、行走方式、捡球方式以及驱动转向的设计，建议选用环氧树脂塑料，轮式行走方式以及吸拾捡球方式，并通过差动型转向控制机器人行走方向。结构设计方面，主要包括驱动机构的电源选择、电机选择以及车轮选择，建议采用铅酸蓄电池、步进电机，大花纹驱动车轮、万向轮以及齿轮传动方式，实现机器人的有效控制。捡球机构设计主要包括吸气装置、真空泵、堵气结构以及存放腔设计，应充分结合乒乓球特点，尽可能增加存球数量，延长机器人使用寿命。最后还需要对机器人的视觉功能、触觉功能以及计数功能展开设计，确保机器人功能的完整性，保障实际捡球效果。相信通过对智能乒乓球拾取机器人的研究和使用，中小学乒乓球教学活动效率和水平都将会得到进一步提升。