一種智能乒乓球撿拾機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究

趙曉玉 李宇 李玲玲

摘 要：乒乓球運(yùn)動(dòng)是一種世界流行的球類(lèi)體育項(xiàng)目，但是撿球是一件非常讓人頭疼的事情，基于此，研制了一款智能乒乓球撿拾機(jī)器人。本機(jī)器人外殼由鋁板制作，其主控芯片為STM32F407，由行走裝置、撿拾裝置、識(shí)別計(jì)數(shù)裝置和報(bào)警與自動(dòng)出球裝置組成，多種裝置巧妙設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和連接電路，它們之間相互配合工作，使機(jī)器人能夠圓滿(mǎn)地完成撿拾球的任務(wù)。此款智能乒乓球撿拾機(jī)器人集識(shí)別、撿拾、計(jì)數(shù)、顯示、自動(dòng)出球、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等一系列功能于一體，可實(shí)現(xiàn)不間歇工作，減少勞動(dòng)力，撿拾效率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：撿拾機(jī)器人;乒乓球;識(shí)別;報(bào)警;遠(yuǎn)程控制

1 研制背景及意義

眾所周知，乒乓球運(yùn)動(dòng)是一種世界流行的球類(lèi)體育項(xiàng)目，同時(shí)它也是我們中國(guó)的國(guó)球，我們的乒乓球健將取得世界乒乓球比賽的大部分冠軍，甚至多次包攬整個(gè)賽事的所有冠軍。這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)老少咸宜，又不需要十分復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地和器械，因此受到大多數(shù)人的喜愛(ài)，越來(lái)越多的人開(kāi)始學(xué)習(xí)打乒乓球。但是在打乒乓球的過(guò)程中總有一件事讓打球的人很頭疼，那就是撿球?，F(xiàn)在的乒乓球直徑40.00毫米，比一個(gè)雞蛋還要小，其重量為2.6～2.8克，也比較輕，不太容易撿拾。每當(dāng)要撿起一個(gè)乒乓球的時(shí)候，撿球的人就要彎一次腰，對(duì)于長(zhǎng)期從事這項(xiàng)工作的人來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的身體負(fù)擔(dān)。正因?yàn)槿绱?，設(shè)計(jì)一種能夠代替人撿拾乒乓球的機(jī)器人就有了它的重要性。這種機(jī)器人能夠又好又快地將散落在地面上的乒乓球撿起，并且把不同顏色的乒乓球分類(lèi)，然后放入指定的位置進(jìn)行回收，以便下一次使用。盡管這個(gè)機(jī)器人所實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)來(lái)說(shuō)十分簡(jiǎn)單，但是它確實(shí)能幫助人類(lèi)完成工作，減少人類(lèi)的負(fù)擔(dān)，這也是服務(wù)類(lèi)機(jī)器人的重要使命。

2 智能乒乓球撿拾機(jī)器人的組成及工作原理

2.1 智能乒乓球撿拾機(jī)器人簡(jiǎn)介

該機(jī)器人外殼部分主要由鋁板制作，其主要特點(diǎn)是全智能化、自動(dòng)化撿球。機(jī)器人的控制電路簡(jiǎn)單，其主控芯片是STM32F407，該系列芯片是ST旗下的一款常用的增強(qiáng)型系列微控制器，功能強(qiáng)大，運(yùn)行速度快，內(nèi)存大，低功耗，適用于各種電力電子系統(tǒng)方面的應(yīng)用。撿球機(jī)器人上有高分辨率觸摸顯示屏，該顯示屏用來(lái)控制開(kāi)始與結(jié)束，在機(jī)器人開(kāi)始撿球時(shí)顯示屏上會(huì)顯示工作的時(shí)間，并且實(shí)時(shí)反映出已經(jīng)撿拾的數(shù)量，機(jī)器人用OpenMV攝像頭進(jìn)行識(shí)別乒乓球的位置，然后迅速前往小球位置，將小球掃入車(chē)體盒內(nèi)，并用LD3320語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音控制、可以與機(jī)器人進(jìn)行對(duì)話(huà)交流控制它的開(kāi)始與結(jié)束，智能乒乓球撿拾機(jī)器人上方有聲音與燈光提示裝置，當(dāng)機(jī)器人在不同工作狀態(tài)時(shí)將顯示不同的燈光，當(dāng)盒內(nèi)裝滿(mǎn)球時(shí)也會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的聲音和燈光進(jìn)行提醒。

2.2 識(shí)別和計(jì)數(shù)裝置

識(shí)別和計(jì)數(shù)顯示裝置由OpenMV攝像頭、光電對(duì)管及顯示屏組成。為使視角范圍最大化，將攝像頭安裝于機(jī)器人前上方。由于乒乓球常見(jiàn)的顏色一般包括白色和黃色兩種，所以將OpenMV攝像頭的顏色閾值設(shè)定為白色和黃色。通過(guò)攝像頭精確識(shí)別并確定乒乓球的位置，然后反饋到微處理器控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)立即響應(yīng)控制行走裝置和撿拾裝置工作。在乒乓球被收集到機(jī)器人內(nèi)部時(shí)，光電對(duì)管會(huì)檢測(cè)到乒乓球，并將其個(gè)數(shù)呈現(xiàn)在顯示屏上。顯示屏安裝于機(jī)器人外部，以便于人們讀數(shù)。此外，顯示屏還可以記錄機(jī)器人的工作時(shí)長(zhǎng)。

2.3 乒乓球撿拾裝置

撿拾裝置由一個(gè)直流電機(jī)和一對(duì)錐齒輪組成。錐齒輪安裝于機(jī)器人內(nèi)部，與另一雙頭錐齒輪軸相互嚙合，對(duì)稱(chēng)布置，動(dòng)力源為直流電機(jī)。根據(jù)掃地機(jī)器人原理，錐齒輪另一端固定類(lèi)似“掃把”裝置。一對(duì)“掃把”在旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，不能夠產(chǎn)生間隙，考慮到干涉問(wèn)題，同時(shí)也為了防止掃把與乒乓球接觸時(shí)使乒乓球受彈力作用而被彈走，需采用較軟物質(zhì)，所以“掃把”部分采用海綿材料。撿拾裝置工作時(shí)，由直流電機(jī)帶動(dòng)雙頭錐齒輪軸運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)錐齒輪工作，將乒乓球掃入機(jī)器人內(nèi)部，以便于收集。

2.4 行走裝置

行走裝置由兩個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車(chē)輪及萬(wàn)向輪構(gòu)成，均安裝于機(jī)器人底部。為了減小車(chē)輪磨損，車(chē)輪采用四驅(qū)越野車(chē)輪，安裝于機(jī)器人后方，一對(duì)萬(wàn)向輪安裝于機(jī)器人前方。行走裝置受微處理器控制系統(tǒng)控制，當(dāng)攝像頭識(shí)別到乒乓球時(shí)，控制系統(tǒng)響應(yīng)使行走裝置工作，從而驅(qū)使機(jī)器人靠近乒乓球，為了解決機(jī)器人行走過(guò)程中躲避障礙物的問(wèn)題，機(jī)器人前方裝有超聲波傳感器，可以更加靈活地躲避障礙物。當(dāng)攝像頭未識(shí)別到乒乓球時(shí)，控制車(chē)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的一對(duì)直流電機(jī)將差速運(yùn)轉(zhuǎn)，配合萬(wàn)向輪作用，從而使機(jī)器人在原地轉(zhuǎn)向掃視，保證360°無(wú)死角。

2.5 報(bào)警和出球裝置

報(bào)警裝置由蜂鳴器和四個(gè)LED燈組成，位于機(jī)器人上方，LED燈在不同的工作狀態(tài)下將呈現(xiàn)不同的燈光;出球裝置由一個(gè)舵機(jī)和搖桿構(gòu)成，模擬機(jī)械結(jié)構(gòu)中的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，蓋板模擬滑塊，通過(guò)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度精確控制開(kāi)啟板蓋的搖桿，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)合板蓋的功能。當(dāng)機(jī)器人收集一定數(shù)量的乒乓球后，便會(huì)由攝像頭識(shí)別到原位置的黑色標(biāo)記，然后自動(dòng)回到原點(diǎn)。此時(shí)報(bào)警裝置和自動(dòng)出球裝置開(kāi)始工作，提醒人們?nèi)∽咂渌占钠古仪颉?/p>

2.6 智能乒乓球撿拾機(jī)器人工作原理

該機(jī)器人由行走裝置、撿拾裝置、識(shí)別和計(jì)數(shù)顯示裝置組成。在工作的時(shí)候，機(jī)器人從原位置出發(fā)，當(dāng)攝像頭未識(shí)別到乒乓球的時(shí)候，機(jī)器人在原地360°轉(zhuǎn)向掃視;當(dāng)識(shí)別到乒乓球時(shí)，行走裝置便在超聲波避障裝置的配合下驅(qū)使機(jī)器人駛向球的位置，然后撿拾裝置開(kāi)始工作，將乒乓球掃入機(jī)器人內(nèi)部，同時(shí)，計(jì)數(shù)顯示裝置將乒乓球數(shù)量記錄并呈現(xiàn)在顯示屏上。在收集乒乓球達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，攝像頭會(huì)識(shí)別到原始位置的黑色標(biāo)記使機(jī)器人自動(dòng)回到原點(diǎn)，此時(shí)，報(bào)警裝置和自動(dòng)出球裝置工作，提醒人們?nèi)∽咂古仪颉?/p>

3 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

如下圖所示。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）全智能化、自動(dòng)化撿球，機(jī)器人的控制電路簡(jiǎn)單，自主地進(jìn)行工作，具有極大的便利性和易操作性。（2）具有報(bào)警功能，可以起到提醒作用。（3）擁有自動(dòng)躲避障礙物能力。（4）具有自動(dòng)計(jì)數(shù)顯示的裝置，方便人們對(duì)機(jī)器人內(nèi)部乒乓球數(shù)量的讀取。（5）全自動(dòng)開(kāi)關(guān)后蓋，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出球功能。

4.2 應(yīng)用

此款智能乒乓球撿拾機(jī)器人通過(guò)紅外傳感器、超聲波傳感器和攝像頭的配合實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別。通過(guò)自動(dòng)化單片機(jī)識(shí)別設(shè)計(jì)，充分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和人為操控的方便與穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足各類(lèi)消費(fèi)者的需求并保證了用電的安全性。據(jù)今為止，雖然有一些普通的人工輔助撿球工具，但只能輔助人們工作而不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，極大地消耗了人力物力，而通過(guò)改良機(jī)器人產(chǎn)品是減少人力的最有效的途徑。因此該機(jī)器人以“惠民便民”和“高效便捷”為宗旨，綜合了多種現(xiàn)存撿球機(jī)器人的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了它們的不足，具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)、易操作等優(yōu)點(diǎn)，可適用于乒乓球俱樂(lè)部等場(chǎng)所。該機(jī)器人擁有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項(xiàng)目：由遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（項(xiàng)目編號(hào)：201910146277）

作者簡(jiǎn)介：趙曉玉（1997—），本科，專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程;李宇（1999—），本科，專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械電子工程;李玲玲（1965—），吉林樺甸人，碩士，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

指導(dǎo)老師：李玲玲。