一种智能乒乓球拾取机器人

2023-03-31汤韬略邱煌乐李方舟

科技与创新 2023年6期

钟勇，汤韬略，张树，邱煌乐，李方舟

（福建工程学院福建省汽车电子与电驱动重点实验室，福建福州 350118）

在生活节奏快的今天，为了保持较高的身体素质，体育运动越来越被人们所重视，其中乒乓球作为中国的国球就受到非常多的人喜爱，但是对于非专业运动员的普通大众来说，由于一部分人球技还不熟练，经常发生失球的情况，这就导致拾取乒乓球占据了大量时间而压缩了打球的时间。

乒乓球由于其弹跳性好，导致掉下球桌后四散弹跳到很远的地方，而人们去捡球就要花费许多的时间在来回的捡球路上，这样不仅消耗了很多的体力和精力而且浪费时间，特别是对于那些新手或者训练的人来说更加需要频繁捡球。因此如果有一辆能够自动捡球的智能捡球机器人去代替人工捡球，这就能给人们带来极大的便利，只需要专注于打球这件事。目前已有的捡球机器人主要通过管道吸取、机械爪抓取、前置滚筒将球压进带橡皮筋的滚筒内。

因此为了让人们能更专注于打球这件事，设计了一种智能乒乓球拾取机器人。

1 背景技术

目前已有的捡球机器人主要通过前置滚筒将球压进带橡皮筋的滚筒内，机械爪通过吸的方式进行收集。

对于前置滚筒式虽然可能同时收集多个球，但是收集装置太过于庞大不利于一些角落等狭窄地方进行捡球作业，并且采集到其中的球由于挤压可能从里面掉出来；机械爪型的捡球机器人由于一次只能采集一个球，并且对于力度的控制要求较高，导致捡球效率不高，并且它的集球框容量也不高，不能大量采集乒乓球；同样对于吸取式的捡球机器人也是无法大量采集乒乓球，并且它会产生一定的噪声，影响人们心情。

2 智能捡球机器人设计

2.1 主要构造以及工作原理

本乒乓球拾取机器人包括主车体和捡球机构，如图1 所示。

图1 乒乓球拾取机器人结构

主车体包括上下底板、左右万向前轮、集球框、下底板集球口挡球板、电池以及摄像头和雷达，电池为全车提供电能，电池可以通过有线和无线方式进行充电，摄像头识别乒乓球的大概位置将信号传递给单片机，并通过雷达检测躲避障碍物，左右后轮各有一个电机驱动，通过单片机控制左右后轮电机差速控制其转向，车体中部上下底板之间设有一个拾取器，贯穿上下底板，由电机带动驱动机构驱动拾取器上下运动拾取乒乓球，拾取器包括一进球口，进球口设置有并排弹性线，并排弹性线的间距小于乒乓球直径，当拾取器将乒乓球压入后使乒乓球不会掉下来；进球口上端连接有一直径稍大于乒乓球的圆柱形进球通道，进球通道向上延伸贯穿上底板并进入集球框内，乒乓球在进球通道内不断向上累积直到掉出到集球框内；集球框可拆卸安装在上底板上。

捡球机器人不需要精确定位每个乒乓球的具体位置，只需运动到乒乓球附近位置即可进行工作，在捡球机器人拾取过程中，通过底盘上的挡板将乒乓球汇集到固定位置，拾球器下方开口较大，可以同时拾取多个乒乓球，拾取成功率较高。

2.2 捡球机构

捡球机构主要由如图2 所示的带挡板的V 形下底板收球口以及由如图3 所示的电机驱动拾取器组成，滑块连杆机构在许多机械中被采用，它能将电机的圆周运动转变成直线运动，本捡球机也采用此机构将下底板上的电机的旋转运动转变成滑块的上下运动，同时与滑块固定连接的连接杆带动拾取器进行上下运动，如图4 所示，拾取器下端口有数根间距小于乒乓球的弹性绳，通过乒乓球的挤压，使弹性绳变形，使弹性绳之间的间距变大，使乒乓球压进其中，而后弹性绳复原之前的间距，使乒乓球不会掉下来，从而不断对收球口内的乒乓球进行拾取。

图2 收球口

图3 拾取器

图4 连接杆

对于收集的乒乓球在上底板上采用一个如图5 所示的集球框进行收集，拾取器的上端贯穿上底板以及集球框，拾取器内的乒乓球在内部不断累积直到掉出到集球框内，集球框可以方便地拆卸拿下也可以打开侧面的小门让球落到专门的集球框内。

图5 集球框

2.3 行走及识别检测系统

一般的驱动模式有两前轮控制转向，两后轮用来驱动的模式，但是这种转向模式需要添加专门的转向舵机增加额外的机构，因此本捡球机器人采用两前轮为万向轮，后轮各采用一个电机独立驱动，前后轮通过下底板连接起来，电机固定在下底板上，2 个电机分别独立为左右后轮提供动力，当需要转弯时，由单片机控制左右电机差速进行转弯，实现方便转向。

对于乒乓球的识别与定位，机器人上底板上有1个摄像头，用于对乒乓球的识别，采用双目摄像头，单目摄像头虽然也能对乒乓球进行识别，但是由于1个摄像头拍出来的照片是二维的，无法判断一个物体是否为一个球体，所以采用双目摄像头通过2 个角度拍摄的照片对比进而判断是否为球体，而对于乒乓球的定位就需要知道距离乒乓球的远近，通过一定的算法对2 组行进中拍摄的照片进行对比分析得出距离，同时上底板左右各有一个可旋转的雷达，捡球机器人在行进过程中难免会遇到一些障碍物，而雷达可以对周边障碍物进行实时快速扫描检测，当需要转向时，雷达也会在程序的控制下，根据转弯角度的大小旋转对应的角度值进行扫描检测，并将信号传递到单片机控制左右后轮驱动电机进行避障转弯，进而使小车能够避开人和其他障碍物。

2.4 供电及控制系统

供能对于机器人来说是至关重要的，本机器人设计配备锂电池，提供全车电机、雷达、摄像头以及控制系统一定时长的正常工作电量需求，安置在电池架上并且可以拆卸下来充电，电池可通过无线或者有线方式进行充电。电源是所有机构正常运行的基础保证，如果选取工作时长8 h，则电池容量需为41.67 Ah，大容量电池成本较高，由于该机器人主要用于室内场地，因此充电比较方便，可选取工作时长4 h，容量为20.84 Ah 的电池，可以通过更换电池或者在空闲时间进行充电。

采用树莓派作为控制系统核心，树莓派是一款基于ARM 的微型电脑主板，以SD/MicroSD 卡为内存硬盘，主板周围有1/2/4 个USB 接口和一个10/100 以太网接口，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI 高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC 的基本功能，摄像头以及雷达传回来的信号经树莓派处理后发出指令控制捡球机构以及行走系统对场地的乒乓球进行拾取，从而实现智能化、无人化捡球操作。控制系统工作流程示意图如图6 所示。

图6 控制系统工作流程示意图

2.5 工作实施过程

捡球机器人运动到乒乓球附近，通过下底板上的带有挡球板的内凹口将球汇集到乒乓球拾取器正下方处，通过捡球驱动电机驱动短连杆带动长连杆转动继而带动连接架运动，连接架被滑块和导轨约束，有固定轨迹，进行上下运动，由于连接架与乒乓球拾取器相连接，继而带动乒乓球拾取器上下运动拾取集球口处的乒乓球。乒乓球拾取器底部装有数根间距小于乒乓球直径的弹性绳，弹性绳可以使用皮筋或尼龙绳。通过向下的挤压力使弹性绳之间产生弹性形变使两弹性绳之间的间距变大从而将乒乓球压进拾取器内，乒乓球拾取器上方通道直径只能通过一个乒乓球，通过的乒乓球在拾取器内不断向上累积，直到从顶部出口端掉落到集球框中，集球框可以从上底板上拆卸，当需要取球时，可直接卸下集球框，不用弯腰取球。

本产品主要通过可旋转的摄像头（种类、形式、数量不限）识别落球点，并且通过电机控制可旋转雷达（种类、数量、安装位置等不限）识别障碍物进行避障，电机驱动连杆滑块机构使捡球器进行上下运动，自主驱动拾取乒乓球，也可通过丝杆螺母机构、齿轮齿条机构等驱动捡球器进行捡球动作。乒乓球可以通过在乒乓球拾取器中不断累加，挤满乒乓球拾取器后自动落入顶部的集球框内，方便取球。车身可以是立方体、圆柱体等。

3 实施可行性

3.1 乒乓球的识别与定位

由于乒乓球主要是黄色和白色2 种颜色，且有固定的规格大小，本机器人采用OpenMV 对双目摄像头拍摄的照片进行处理，由于乒乓球具有特定的大小，根据图像中物体的投影面积、周长、圆度等判断该物体是否为球体[1]，进而排除掉一些非球体的杂物，然后对整张图中的球体进行颜色阈值判断，并对阈值进行设置，将白色以及黄色设置为阈值以内的颜色，其他阈值以外的颜色呈现为黑色[2]。通过连续拍摄的照片判断球的位置，并且不断修正机器人的行进方向和速度，以更精确地到达乒乓球的位置。

3.2 转向控制

通过算法对所获取的图片中乒乓球的位置进行计算分析后，得出电机所需要的高电平值，通过主控机构输出对应的PWM 波高电平值给驱动电机，使机器人后轮差速运转进行转向，从而实现对机器人的转向控制。

3.3 速度控制

要想高效捡球，捡球机器人必须具有一定的行进速度但同时又能在靠近目标时降低到合适的速度，因此需要设计合适的高要求算法使捡球机器人能更高效地运动到乒乓球附近，配合底盘的收球口进行一系列捡球的操作，控制其运动速度的合理性。根据摄像头拍摄的照片判断其与乒乓球的距离，从而计算出与距离相适应的运行速度，采用一定的控制算法对机器人的速度进行调节，使捡球机器人快速稳定地达到相应的速度，实现速度由它们之间的距离自动调控的模式。

4 优异效果

本拾球机器人优异之处主要在于：①通过电机驱动连杆机构，带动连接架运动，连接架被滑块导轨约束有固定轨迹，带动拾取器上下运动，不断拾取乒乓球，并通过乒乓球在拾取器中的累积被运送到上方的集球框中，拾取效率较高；②不需要精确定位每个乒乓球的具体位置，只需运动到乒乓球附近位置即可进行工作，在捡球机器人拾取过程中，通过底盘上的挡板将乒乓球汇集到固定位置，拾球器下方开口较大，可以同时拾取多个乒乓球，拾取成功率较高；③在取球过程中，顶部的集球框离地具有一定的高度，人不用弯腰可直接取下上方的集球框，方便取球。