一種乒乓球顛球機(jī)器人的設(shè)計(jì)

陳昊 汪林玉 楊磊 劉童

摘要：根據(jù)顛球運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了乒乓球顛球機(jī)器人軟硬件。乒乓球顛球機(jī)器人主要由機(jī)械臂、深度傳感器、PC、單片機(jī)組成。深度傳感器獲取乒乓球圖像信息，并將該信息傳給PC，PC利用圖像信息解算乒乓球?qū)崟r(shí)三維位置信息，并結(jié)合乒乓球的動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)乒乓球軌跡，將該軌跡信息傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)乒乓球軌跡信息控制機(jī)械臂顛球。乒乓球顛球機(jī)器人為機(jī)器人智能控制提供了參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂;乒乓球空間定位;軌跡預(yù)測(cè);顛球控制

0 引言

顛球是指通過腿、手或工具讓球在豎直面內(nèi)做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。顛球機(jī)器人屬于服務(wù)機(jī)器人下的娛樂機(jī)器人分支，以供人觀賞、娛樂為目的。乒乓球顛球機(jī)器人集多種技術(shù)于一身，如機(jī)械臂控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別定位預(yù)測(cè)技術(shù)、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)控制技術(shù)等，這些技術(shù)可以方便地移植應(yīng)用到其他領(lǐng)域，為智能機(jī)器人的研究提供參考。

1 乒乓球顛球機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

基于乒乓球顛球運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)5自由度的碼垛機(jī)械臂型的顛球機(jī)械臂本體，主要由基座、大臂、小臂和腕部等結(jié)構(gòu)組成，其中腕部包含了俯仰和橫滾2個(gè)自由度。乒乓球顛球機(jī)器人本體如圖1所示。

1.1 ? ?乒乓球顛球機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型關(guān)注的問題是，在給定關(guān)節(jié)角度的情況下，求取機(jī)械臂末端的位置。將原點(diǎn)O設(shè)在機(jī)械臂基座中心，A點(diǎn)是大臂減速器和小臂減速器中心，B點(diǎn)是大臂末端中心，C點(diǎn)是小臂末端中心，D點(diǎn)是乒乓球拍中心。本文建立機(jī)械臂主視圖（圖2）坐標(biāo)系ZOR和俯視圖（圖3）坐標(biāo)系YOX，OA長(zhǎng)為L(zhǎng)1，AB長(zhǎng)為L(zhǎng)2，BC長(zhǎng)為L(zhǎng)3，CD長(zhǎng)為L(zhǎng)4，B′、C′、D′分別是B、C、D在YOX面內(nèi)的投影。

給定大臂角度α，小臂角度β，機(jī)身角度γ，可得機(jī)械臂末端坐標(biāo)：

xyz=（L2cos α+L3cos β+L4）cos γ（L2cos α+L3cos β+L4）sin γL1+L2sin α-L3sin β

1.2 ? ?乒乓球顛球機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型關(guān)注的問題是，在給定機(jī)械臂末端位置的情況下，求取機(jī)械臂各臂角度。在機(jī)械臂主視圖中做相應(yīng)輔助線，如圖4所示，其中CE⊥AE。已知坐標(biāo)D（x，y，z），可求得大臂角度：

α=arctan（CF/AF）+arctan（CE/AE）

=arctan[（z-L1）/OC′]+arctan（CE/AE）

小臂角度：

β=θ2-α

機(jī)身角度：

γ=arctan（y/x）

2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路需要為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定的電源，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。該系統(tǒng)有4種電壓：（1）220 V電壓來自于電網(wǎng)，為攝像頭、PC、開關(guān)電源1、開關(guān)電源2供電;（2）60 V電壓來自于開關(guān)電源1，為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電;（3）5 V電壓來自于電腦，為角度傳感器、單片機(jī)、遙控器供電;（4）6 V電壓來自于開關(guān)電源2，為舵機(jī)供電。手持控制器用于手動(dòng)控制機(jī)械臂，方便機(jī)械臂的調(diào)試。角度傳感器用于反饋機(jī)械臂的手臂角度。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它可以與PC、角度傳感器、遙控器相互通信，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，給舵機(jī)發(fā)出控制信號(hào)。該系統(tǒng)各部分都采用了獨(dú)立供電電源，減少了系統(tǒng)各部分之間的干擾。

3 機(jī)器視覺設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顛球，機(jī)器人需要通過機(jī)器視覺完成乒乓球的識(shí)別、空間定位和軌跡預(yù)測(cè)功能，其中乒乓球的空間定位是核心問題，而實(shí)現(xiàn)空間定位的關(guān)鍵是獲取深度數(shù)據(jù)，即獲得目標(biāo)到傳感器的距離。機(jī)器人通過對(duì)乒乓球的顏色識(shí)別和形狀識(shí)別，確立乒乓球在圖像上的位置，通過深度相機(jī)獲取該位置的深度數(shù)據(jù)，求得乒乓球的空間位置，最后采用基于線性或非線性模型的軌跡預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)乒乓球軌跡。軌跡預(yù)測(cè)效果如圖5所示，軌跡預(yù)測(cè)平均誤差為12 mm。

4 顛球控制策略

設(shè)定乒乓球擊打平面和球拍初始平面;預(yù)測(cè)乒乓球到達(dá)擊打平面時(shí)的位置、速度、時(shí)間;主控系統(tǒng)根據(jù)乒乓球在擊打平面的狀態(tài)信息，控制球拍到達(dá)預(yù)測(cè)擊打位置的正下方，然后控制球拍豎直向上運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)控制球拍姿態(tài)和速度;最后球拍豎直向下運(yùn)動(dòng)返回球拍初始平面。乒乓球與球拍碰撞后會(huì)有能量損失，如果球拍始終保持靜止，顯然乒乓球最終會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，所以碰撞時(shí)球拍需具有一定速度。球拍達(dá)到一定速度是需要時(shí)間的，所以每次彈球的高度不能太低。由于機(jī)器人視覺探測(cè)范圍有限，乒乓球的彈球高度也不能太高，本項(xiàng)目將乒乓球彈球的高度設(shè)定為0.5 m。機(jī)械臂的工作空間是一定的，而且在工作空間邊緣，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)性能也有所下降，所以機(jī)器人需要在機(jī)械臂有更好運(yùn)動(dòng)性能的工作空間內(nèi)進(jìn)行顛球，即要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顛球，需對(duì)顛球后乒乓球的彈起高度以及乒乓球在擊打平面的落點(diǎn)位置加以控制。

5 結(jié)語

本文闡述了乒乓球顛球機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺設(shè)計(jì)要點(diǎn)和顛球控制策略，乒乓球顛球機(jī)器人是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)智能系統(tǒng)，它所采用的技術(shù)可以直接移植應(yīng)用到機(jī)器人研究的其他相關(guān)領(lǐng)域，具有很高的科研價(jià)值。

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收稿日期：2020-09-01

作者簡(jiǎn)介：陳昊（1992—），男，四川成都人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：自動(dòng)化、機(jī)器人。