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DOI:
10.3969/j.issn.1001-3881.2014.03.005
兵乓球捡球机器人的设计与实现
许东伟,刘建群,林海
(广东工业大学机电工程学院,广东广州510006)
摘要:
为解决乒乓球场上乒乓球的捡取间题,设计了一种以ARM作为主控制器的自动捡球机器人。
该捡球机器人采用风扇产生的吸力来实现捡球;利用CMOS图像传感器实现对乒乓球的自动识别;通过红外传感器监测周围环境,实现自动避障。
通过机器人实物模型的性能测试表明,该捡球机器人检球效果良好,为更多捡球机器人的开发提供了借鉴和参考。
关键词:
捡球机器人;乒乓球;CMOS图像传感器;运动控制
中图分类号:
TP242.3 文献标识码:
A文章编号:
1001-3881(2014)3-016-4
DesignandRealizationofTableTennisPickingRobot
XUDongwei,LIUJianqun,LINGan
(SchoolofElectromechanicalEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,
GuangzhouGuangdong510006,China)
Abstract:
Inordertosolvetheproblemoftabletennispickinginthetabletenniscourt,anautomaticballpickingrobotwhichmaincontrollerbasedonARMprocessorwasdesigned.Thesuctiongeneratedbyfanwasusedbythetabletennispickingrobottorealizepickingupofthetabletennis.ThetabletenniswasidentifiedautomaticallybythisrobotusingtheCMOSimagesensor.Theobstacleavoidingwasautomaticallyrealizedthroughinfraredsensorsmonitoringofthesurroundingenvironment.Theperformancetestingonthepracticalmodelofrobotshowsthatthetabletennispickingrobotworkswell,whichprovidereferencefordevelopmentofothermoretypesofballpickingrobots.
Keywords:
Tabletennispickingrobot;Tabletennis;CMOSimagesensor;Motioncontrol
收稿日期:
2013-01-30
基金项目:
广东省创新实验资助项目(1184510002);广东省引进创新科研团队计划资助项目(201001G0104781202)
作者简介:
许东伟(1989—),男,硕士研究生,研究方向为机器人与数控技术。
E-mail:
xodongwei@。
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。
在这其中,服务机器人作为一个重要分支,在国内外研究领域已经得到普遍重视。
服务机器人的应用范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作⑴。
文中所述的捡球机器人,正是一种应用于乒乓球体育运动的自主式移动的服务机器人。
在乒乓球室里,由于训练或者比赛的时候,地面上将会有很多出界或者无效的乒乓球。
如果由人工来捡球,将会造成效率低、工作量大等弊端。
因此,如果能有一种捡球机器人应用于乒乓球场馆里,且能迅速找到球的位置并能够实现自动捡球的功能,将可以使人们摆脱一些繁琐的工作、大大减轻人们的劳动强度、提高人们的生活质量。
目前已有的乒乓球捡球机器人种类较少,且捡球动作的实现主要是通过机械手等机械装置来捡球⑵。
这些捡球装置多因为机械机构的限制,对于位于墙角处和藏于障碍物之间的乒乓球不能有效捡取,因而只适用于障碍物较少且远离墙壁的乒乓球的捡取。
1机器人结构设计
1.1捡球原理设计与实现
乒乓球的直径为40mm,质量为2.7g,具有体积小、质量轻的特点,特别适合吸力装置吸取。
风扇在转动时,抽风的一端会形成负压;如果将一个管道与风扇的抽风面相连接,则在风扇的作用下,管道内的气压将小于管道外的大气压,管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里。
因此,若采用由强力风扇与一个两端开口的管道组成的吸球管,乒乓球就可以顺利被吸取。
同时,为了提高吸球的效率与稳定性,可将吸球管道沿斜面布置,通过斜面减轻乒乓球向上运动所需的力。
在风力作用下,若乒乓球在斜面上作瞬时纯滚动,其受力如图1所示,根据理论力学平衡方程:
(Fw-Gsina)R=M,
式中:
心为风作用力,R为乒乓球半径,M、为滚动摩阻,则有"F:
F.=-ypi2(Kf)=ypr:
C,4
1匕=8N=Qngcoso
其中:
c,为风力系数(球体取0.5)';p为空气密度,在地球近地面环境,温度为203C,标准大气压下,p=1.2kg/in';f为风速;A为迎风面积,.4=云;5为滚动摩阻系数,取5=5mm。
图I乒乓球在斜面的受力情况
町以解得要使乒乓球顺利在斜面匕向上滚动的最小风速为:
/
f林2哽
设吸球管管II最大面积为s~、,安全系数为R则选用风扇的排量可以近似为:
US-AS 土烛竺点
V-4-f顽沁一mg
1.2吸球管设计
乒乓球的直径为40mm,选用风扇的尺寸为50mmx50nunx28mm,吸球管1j水平的倾斜角度a=37。
。
为了提高捡球效率,将吸球【1改为敞II设计•同时,号虑到敞口会降低吸球管的负压,增大乒乓球的吸取难度.敞口部分不宜过大综合考虑各种影响因素,该检球机器人的敞口尺寸设计为:
最大敞口面积Sj=140nunx50mm,敞口锥角45。
,其设汁效果如图2所示。
图2吸球管前端敞口设计效果图
根据以上设计,则选用风扇的最小排扯为:
V=kSz隹乓典瓦I,考虑到存在漏气等情况,
\JirKpCy
取安全系数*=1.5,代入a=37。
,=140x50mm2,m=2.7g,g=9.78N/kg,可以计算出风扇最小排量丫=4.72m'/min=168.57CFM
为了使被吸起的乒乓球能顺利落到装球腔内,在吸球管的末端设计有•个方形的出球汀,并设计长度为20i».n的轨道确保斤.乓球的下落位置出球11的设置将不可避免地降低吸球管内的负压程度,增大球的吸取难度于是,在出球口的末端.设计-个质量很轻的方形挡板(自复位挡板):
平时在重力作用下,挡板会自动处于垂直位置,出球门为打开状态;当捡球风扇启动时,由于吸球管内的负压,挡板将在气压差作用下被吸起,覆盖在出球11I:
.从而提高吸球管内部的负压程度,确保吸球的有效性吸球风扇关闭时,挡板自动打开,球也顺利落进装球腔图3是出球L1自夏位挡板的示意图,图(a)是吸球风扇未启动时挡板位性的示意图,图(b)是吸球风扇启动时挡板位置的示意图
图3吸球管道出球口自复位挡板示意图
为了减缓乒乓球被吸起进入吸球管的阻力,在吸球管的前端设计了一个伸出板伸出板是配合吸球管吸球的部分,对它的设计主要:
就是计算它距离地面的高度和伸出的长度:
如果距离地面太近,可能会因为微小的起伏就导致伸出板与地面接触.不利于机器人的行走;如果距离地面太高,会出现伸出板挡住球运动从而捡不到球的情况,影响捡球的效果在该设计中,伸出板的最前端距离地面高度为3mm1.3捡球机器人整体结构设计
乒乓球捡球机器人主要:
由车体、吸球装置、CMOS图像传感器、装球腔、电机及其减速箱、系统电路板和锂电池等部分构成,图4为捡球机器人的总体结构示意图。
图4捡球机器人总体结构示意图
捡球机器人的后轮山直流电机配套减速箱带动,通过系统的控制.可方便实现机器人的前进、左转和右转。
机器人的吸球功能主要是通过控制连接吸球管的吸球风扇来实现的。
当吸球风扇工作时,乒乓球将在负压作用下被吸进吸球管;吸球风扇停止工作时,在重力势能作用下,乒乓球会自动掉进装球腔。
CMOS图像传感器可以实时监测场地上乒乓球的位置,使机器人迅速到达乒乓球附近捡球。
红外传感器可以使机器人有效躲避障碍物,增强机器人本身应变环境的能力。
2机器人控制系统设计
捡球机器人的控制系统硬件框图如图5所示。
图5控制系统硬件框图
其中,主控制器采用夭嵌科技有限公司型号为TQ2440的ARM9开发板来实现。
该开发板采用S3C2440A芯片作为CPU,具有功能齐全、运算速度快等优点。
2.1电压转换模块设计
捡球机器人的吸球风扇的额定电压为12V;机器人主控制器的输入电压为5V;直流电机的额定电压也为5V。
可将主控制器模块与直流电机共用1个电源,吸球风扇由于所需功率较大采用独立电源。
由于采用锂电池供电,为了保证主控制器能在额定电压下正常工作,需要外接一个稳压电路。
较为常用的稳压电路是利用芯片进行调压⑹。
该系统中运用的是三端集成稳压器LM7805芯片进行调压。
电源经LM7805芯片的稳压后,可达到5V的要求,为主控制器和各芯片Vcc端供电。
考虑到锂电池的放电量较大及LM7805在输出大电流时功耗较大、发热严重⑺,采用两个LM7805稳压芯片并联输出来降低单个芯片的功耗,防止芯片过热稳压失效。
根据吸球风扇的选择设计,吸球风扇的供电可直接采用12V锂电池,并通过继电器进行控制。
2.2基于CMOS图像传感器的乒乓球位置检测模块
CMOS图像传感器凭借其高灵敏度、短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸获得广泛的应用。
所设计的捡球机器人视觉部分采用CMOS图像传感器来感知周围环境并获取乒乓球的位置。
在实际捡球过程中,可能'机器人视野中会同时出现多个乒乓球,这时需要对所捕获的乒乓球位置数据进行处理,寻找出距离机器人最近的乒乓球所在位置进行捡球工作。
CMOS图像传
感器(摄像头)的工作流程如图6所示。
图6CMOS图像传感器的工作流程图
2.3红外线传感器避障模块
红外线传感器抗干扰能力强,可以避免阳光和电灯等光线中红外线成分的干扰,且具有可见光的反射特性,常作为避障传感器使用。
红外线传感器有内置的光滤波器,除了光敏二极管发出的红外线外,其它光线均不允许通过,这就保证了探测的准确性⑶。
该捡球机器人采用距离可调节的NPN型光电开关红外避障传感器,可检测距离为3~80cm。
捡球机器人的避障控制流程图如图7所示。
|)@近运动开始|
图7机器人避障控制流程图
3软件设计
图8捡球机器人的软件流程图
软件设计是在ADS开发调试环境F采用纯C语育编程实现的,软件设计包括摄像头图像处理程序设计、外部中断红外避障程序设计、捡球动作程序设计捡球机器人的软件流程如图8所示
4实验
经过捡球原理与机械结构的设计,最终完成的捡球机器人实物模型如图9所示
图9捡球机器人实物模型
4.1捡球机器人的调试
机器人整体装配过程中,需要对摄像头的安装角度进行设定,确定摄像头的有效视觉范围所设计的检球机器人摄像头的安装角度为俯川5。
,有效视觉范围为一个扇形,最近处可达2.4m,也即机器人具有2.4m的前晦性。
摄像头的调试主要是根据实际安装位置和环境光照强度,对程序中乒乓球的识别阈值进行修正。
为厂更有效、便捷地调试,设计了以下调试过程:
(1)将摄像头捕捉到的影像传送到一块触摸屏上,并在机器人前方有效视野范围内放置乒乓球。
乒乓球的位置需要合理分布,使捕捉到的影像中的乒乓球分为7组:
中间近距离球、中间中距离球、中间远距离球、左下方球、右下方球、左上方球、右上方球乒乓球的位置如图10所示。
图10测试过程中乒乓球的放置位%
(2) 根据分组状况,在显示屏上各个位袱的乒乓球区域I:
取点读取颜色值,并记录数据
(3) 根据实验数据,调整程序中图像识别部分的兵乓球识别阈值
4.2捡球机器人的运行结果
捡球机器人的初步调试「.作完成,即可将程序打包烧录到主控制器的FLASH-h,实现机器人的脱机运行运行时需要对机器人的捡球效果进fJ测试:
分别在机器人近距离处的正前方、左前方、右前方,远距离的左方、右方、中间各放置-个乒乓球,依次检查机器人在不同球分布位世不同条件下的捡球动作执行效果;将机器人周边的球取走,检查机器人在找不到球的情况下的动作执行效果
完成以上测试后,确认机器人捡球程序各参数设置的合理性后,即可进行机器人实际运行测试:
":
机器人周边随机放置若「乒乓球,启动机器人,仃看捡球动作的执行与捡球的效果
(1))机SS人视野没有球时的动作执行图11实验效果图
(下转第5()页)
经过几次实际运行测试结果表明,机器人可以顺利完成捡球动作,基本可以顺利捡取所有的乒乓球但同时也由于缺乏有效的路径加划机制,某些乒乓球的位置可能成为机器人的视觉死点位置,从而不能被顺利捡取部分实验效果如图11所示
(b)动平面中心点y轴坐标曲线
图5动平面中心点坐标变化曲线
(b)动平面轴轴施转角度0曲线
图6动平面绕各坐标轴旋转角度曲线
从图5和图6中可以看到:
Z轴坐标运动的试验曲线的运动规律与理论曲线是一致的;且平台在运动过程中,除了z向的运动外还引起了其他自由度的耦合运动,但是这些附加运动引起的运动幅值均比较小。
因此,通过改进数值解法,求解动平面中心点坐标以及动坐标系各个坐标轴的方向向量,计算结果与平台实际位姿基本符合,说明该方法能够用于Stewart平台位姿的快速数值解算。
(上接第19页)
5结论
提出了一种通过风扇产生的吸力来实现捡球的机器人,通过对实物模型的测试表明,该捡球机器人捡球效果良好。
并且,在机械设计上,采用出球口自复位挡板及敞口设计,使得捡球效果更加显著。
同时,由于采用ARM9开发板作为主控制器,控制系统的可拓展性高,系统功能的可优化空间较大。
该研究结果对开发捡球机器人具有较好的应用价值。
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5结论
采用矢量建模方式,用向量与矩阵的关系式来反映Stewart平台的动力学特征。
适宜编程实现,并可快速计算模型的Jacobian阵,以便于快速数值求解。
将复杂的非线性方程组转化为非线性最小二乘问题,采用鲁棒性高的Levenberg-Marquardt方法实现求解,提高求解的成功率。
针对Stewart正解问题多解的特点,采用暖启动的方法予以解决,同时大幅提高了求解速度。
并利用Stewart机构的几何特征,提出了初始支腿长及初始平台高的测定方法,这样可以较好地修正基础试验数据,以提高计算的准确度。
实验说明该方法能够用于解算Stewart平台位姿,标定和记录Stewart平台精度和实际运动。
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