基于視覺識別的智能網球拾取機器人的設計

隋裕召++楊小軍++應振根++劉釗武++王振飛

摘 要：本文圍繞網球場地上網球的收集問題，設計了一種基于視覺識別的智能網球拾取機器人。采用pixy視覺傳感器作為機器人的眼睛，通過顏色識別確定網球目標；Arduino處理器基于最短距離原則確定第一目標，驅動機器人行走到距網球特定距離；三自由度的機械臂及其末端抓取機構按固定預設動作實現網球的抓取、轉移、以及投放入收集器等動作。本設計提高了網球愛好者和運動員的練球效率，節省時間和體力，適應智能化潮流，具有良好的發展前景。

關鍵詞：視覺識別 智能機器人 網球拾取 機械臂

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0156-05

Abstract： An intelligent Tennis-picking robot based on vision identification is designed in this paper， to deal with the tennis collection on the court. A pixy vision sensor is utilized as the robot's eyes， which determines the tennis target through the color identification. Arduino processor is used to confirm the first target based on the principle of shortest distance， and then drive the robot to a certain place away from the tennis. A manipulator of three degrees of freedom and a grasping mechanism are finally driven to grasp， move， and put in the tennis into the collector according to a preprogrammed action pattern. The design has a good prospect as it improves the efficiency of tennis enthusiasts and athletes， saves time and strength， and meets the trend of intelligence.

Key Words： Vision identification； Lntelligent robot； Tennis-picking； Mechanical arm

隨著社會經濟的發展與人民生活水平的提高，人們對于健康越來越重視。而網球近些年來在國內迅速發展，作為一項頗受歡迎的體育項目[1]，對于身體素質的鍛煉有極大的幫助。我國現有網球場約85475個，網球運動人口864萬，且運動人口數量每年以10%～12%的速度增長。

但是網球是一項極為消耗體力的運動，因此許多練習網球的人都會攜帶多個網球，以避免拾取的麻煩，然而這就導致在運動一段時間后，球場上滿是網球。這不僅妨礙鍛煉的人發球接球，影響鍛煉時的樂趣，而且因為滿地網球，鍛煉者極有可能在移動中誤踩網球而導致跌倒，更有甚者可能會受到較大的身體傷害。

在網球比賽或訓練時，一般通過人工方法撿球，工作效率低，工作人員的勞動強度大。目前專門從事網球拾取的球童數量較少[2]，多為網球場臨時雇傭或志愿者，沒有專門應用在網球拾取上的機器人。

因此，如何能有效省力或不耗精力的將網球收集規整起來就成為亟待解決的問題。本文將設計一種視覺識別的智能網球拾取機器人，通過視覺傳感器捕捉網球影像并定位，經路徑規劃后利用機械臂實現網球的準確抓取。可在網球訓練和比賽過程中代替人工撿球，減少運動傷害，提高網球運動效率。

1 總體方案設計

本文基于視覺識別的智能網球拾取機器人主要實現三個功能，分別是對網球進行識別辨認、行走路徑規劃的實現、以及對網球的抓取和收納動作。機器人的整體方案（如圖1所示），機身直徑400mm，高度610mm，各主要部分的功能說明如下。

（1）麥克納姆輪

麥克納姆輪是一種結構緊湊，運動靈活，能夠實現全方位運動的全方位輪[3]。實現全方位運動的運動學上的根本原因是：其由輪轂和安裝在輪轂外緣上與輪轂軸線呈一定角度的無動力輥子組成，無動力輥子不僅可繞輪轂軸公轉，也能在地面摩擦力作用下繞各自的支撐芯軸自轉。公轉與自轉的合運動速度與輪轂軸有一定的夾角。

（2）行走盤電機

本文電機選用微型帶渦輪蝸桿型減速直流馬達。微型帶渦輪蝸桿減速直流馬達可以改變馬達的接線正負改變馬達的旋轉方向。渦輪蝸桿減速電機具備自鎖性，即在馬達在沒有電的情況下，輸出軸是轉不動的，即自鎖，提高機器人位置控制的精確度。且減速箱輸出軸方向與馬達軸是垂直布置，輸出軸方向的占用空間少，合理安裝空間。

（3）單片機

本設計采用Arduino開發板作為智能網球拾取機器人的核心處理器。實現調控各部位運動的作用。

（4）pixy視覺傳感器

本設計采用pixy視覺傳感器[4]，通過對可視視野內分析識別，實現識別目標物及定位的作用。

（5）機械爪手指

本設計的機械爪手指即網球拾取機器人的末端執行機構，設計的原則是在強度滿足抓取要求的同時盡量輕便簡約，以減小機械臂負擔，所以綜合考慮采用合金鋁材料。

2 視覺識別系統設計

2.1 視覺傳感器

本文的設計采用pixy視覺傳感器（如圖2所示），它是一個開源視覺傳感器，強大的處理器上搭載著圖像傳感器，采用以顏色為中心的方法，能將特定顏色的物體的視覺數據發送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺數據，即：選擇性的處理有用的信息。此外，pixy視覺傳感器支持多物體、多色彩的顏色識別（如圖3所示），最高支持7種顏色。endprint

本設計將pixy視覺傳感器作為智能網球拾取機器人的眼睛，通過編程將網球的顏色進行目標定性，可以讓它完成搜尋網球場地上網球的任務。

2.2 目標顏色識別

Pixy視覺傳感器目標顏色識別的主要特點是基于顏色特征信息庫，確定其閾值，然后與顏色庫相應顏色進行對應匹配。

在機器視覺和圖像處理中，二值圖像和灰度圖像得到了廣泛的應用，主要是由于計算機處理和表述數據時采用二進制形式，而且生物視覺在理解這兩種圖像時沒有任何困難。但是它無法分辨實際環境中灰度值相近的顏色。因此，研究基于彩色信息的視覺系統是普遍趨勢。而選取一種合適的顏色空間模型對彩色圖像的研究是十分重要的。目前，在機器視覺中應用較多的兩種彩色空間模型分別是 RGB模型 和 HIS模型[5]。

2.2.1 RGB 顏色模型

實踐證明，光譜上的大多數顏色都可以用紅（Red）、綠（Green）、藍（Blue）三種單色按照一定的比例混合生成。基于 RGB 三原色的顏色表示稱為 RGB 顏色模型。

在笛卡兒坐標系中，RGB 顏色模型（如圖4所示）。圖中，R、G、B 位于立方體在三個坐標軸上的頂點，青、深紅和黃色位于另外三個頂點，黑色位于原點，白色位于離原點最遠的頂點，且灰度等級沿著黑白兩點的連線依次分布。在該模型中，每一種顏色都可以用第一象限中的一個點來表示，即它可分解成 RGB 三個原色的分量。

2.2.2 HSI 顏色模型

當人觀察一個彩色物體時，一般是用色調、色飽和度和亮度來描述它。據此，Munseu 提出了 HSI 顏色模型。 在 HSI 顏色模型中，H 代表 hue 即色調，它取決于光的波長，說明彩色光的顏色；S 代表 saturation 即色飽和度，它取決于彩色光中混入的白光數量，白光的含量越少，其飽和度越高；I 代表 intension 即強度或亮度。HSB、HSL、HSV 也屬于 HSI 顏色模型。

HSI 模型的三維空間表示如圖5所示，圖中，垂直軸表示光的亮度變化，頂端表示白光，底端表示黑光；水平圓域上的各點表示不同的色調，位于圓周上的點是飽和顏色，從圓心到圓周的徑向表示顏色飽和度逐漸增強。在同一圓域上，顏色的亮度不變，只是色調和飽和度發生變化。

RGB 顏色模型和 HSI 顏色模型有如下關系[6]：

（1）

（2）

其中， （3）

（4）

本文Pixy視覺傳感器便是采用了屬于HIS顏色模型的六角錐體模型HSV來確定目標顏色特征。然后因為所采用的圖像采集識別模塊提供了API函數供系統調用，通過識別網球的顏色（灰度值），調用相應的函數可得到網球的寬度、高度、中心點的x，y坐標。

3 控制系統及路徑規劃設計

3.1 控制系統設計

本設計采用Arduino開發板（如圖6所示）作為智能網球拾取機器人的核心處理器，每款Arduino開發板以及衍生產品都有標準硬件接口，能讓客制化設計電子組件堆棧在處理器電路板之上，以充實正在開發的嵌入式系統原型。Arduino不只是硬件，它具備完整軟硬件的原型制作系統[7]。

智能網球拾取機器人的控制過程如圖7所示，在pixy視覺傳感器確定網球目標之后，Arduino處理器通過API函數獲得網球的位置信息（寬度、高度以及中心點坐標等）。隨后處理器通過計算網球的面積，判斷對網球與機器人之間的距離（網球與機器人距離較遠時，網球面積較小；距離較近時，網球面積較大）。

然后針對多個網球進行行走路徑規劃，找到第一目標。驅動電機使行走機構原地旋轉使得目標網球位于pixy視覺窗口正中心，此后機器人朝目標網球移動，當網球面積達到設定值（及機器人和網球的距離達到設定值）時，機器人停止行走，通過固化的機械臂動作過程，機械爪抓起網球，經機械臂的轉動把網球放入網球收納空間中，實現網球的抓取。

3.2 規劃路徑的選擇

當pixy視野里有多個網球時，智能網球拾取機器人采取行走路程最短，即最短距離原則，假想場景（如圖8所示）。

當機器人使用pixy傳感器識別到有三個網球在視野中，分別為網球Ⅰ、網球Ⅱ、網球Ⅲ。通過測距比較與網球Ⅰ距離最短，則機器人向網球Ⅰ運動并實行撿球動作（需注意的是此過程中目標將鎖定網球Ⅰ，直至將網球Ⅰ拾取完成）。到達網球Ⅰ位置后再對視野內目標網球再次進行比較判別，假若圖中網球Ⅱ與網球Ⅲ仍同時在視野中且無其他目標物出現，則比較距離驅使機器人駛向網球Ⅱ，以此類推。

4 機械臂及抓取機構設計

4.1 機械臂設計

智能網球拾取機器人的機械臂是實現網球精準抓取的關鍵，它要完成網球拾取、轉移、投放入收集器等動作。本設計采用三個自由度調度各部位，外形結構（如圖9所示），主要包括：大臂設計值直徑40mm長度250mm，為最底部支撐，起調度作用的同時更是承受大部分的承重；中臂直徑38mm長度150mm，起到將末端抓取機構調度至抓取位置或投放位置的作用；機械臂最大伸展長度400mm。

在三個關節處各置有伺服電機控制機械臂做出動作，整根機械臂設計在一個豎直平面內運動，一方面便于控制機械臂的精準運動定位，另一方面也可減輕控制系統的運算負擔，簡單實用。機械臂的運動服從預設的固定動作，當處理器給出撿球信號后，機械臂的運動過程受既定程序控制，完成特定的伸屈抓取、轉移、投放等動作。

4.2 抓取機構設計

機械臂末端是抓取機構。考慮到機器人總體質量及其穩定性，本文機器人抓取機構的設計原則是輕巧簡約、可控、收縮自如。采用拉桿式三指機械爪結構，夾指部位材料選用硬質塑料或鋁材等，設計纖細簡約（如圖10所示）。

構件主要有電機、卷筒軸、聯軸器、軸承、軸承座、鋼絲繩、彈簧、以及組成爪的各構件。卷筒軸一端通過聯軸器與電機聯結，另一端通過軸承固定，軸承安裝在軸承座里并固定在爪腕內壁。抓取機構的中心軸線長度110mm，最大抓取直徑90mm。這樣的設計完全可以勝任抓取網球、投放網球的動作，并且結構簡單緊湊，不會給機器人機身很大的負擔。

5 結語

針對網球日常訓練和比賽中存在的問題，本文設計了基于視覺識別的智能網球拾取機器人，主要功能為將散落在場地內的網球拾取并收集起來。

基于視覺識別的智能網球拾取機器人的特點為：采用pixy視覺傳感器作為機器人的眼睛，通過顏色識別確定網球目標；Arduino處理器基于最短距離原則確定第一目標，驅動機器人行走到距網球特定距離；三自由度的機械臂及其末端抓取機構按固定預設動作實現網球的抓取、轉移、以及投放入收集器等動作。

本文設計的基于視覺識別的智能網球拾取機器人，可以提高網球愛好者和運動員的練球效率，在網球比賽和訓練過程中，省時省力，適應當今健康、運動、智能化的潮流，具有良好的發展前景。

參考文獻

[1] 席念楚.運動健身網球熱[J].投資北京，2005（5）：101.

[2] 趙靜茹，肖文龍.北京市網球球童發展現狀的調查與研究[J].運動，2010（2）：60-61.

[3] 陳博翁，范傳康，賀驥.基于麥克納姆輪的全方位移動平臺關鍵技術研究[J].東方電氣評論，2013（4）：7-11.

[4] 本刊編輯.Pixy視覺傳感器：小智慧大用途[J].電腦編程技巧與維護，2013（19）：4.

[5] 胡文.基于彩色圖像的視覺定位研究[D].武漢：華中科技大學，2007.

[6] 岡薩雷斯.數字圖像處理[M].北京：電子工業出版社， 2003.

[7] 胡珂.基于Arduino的智能小車測距安全行駛系統的研究[D].西安：長安大學，2015.endprint