一種乒乓球顛球機(jī)器人的設(shè)計

陳昊 汪林玉 楊磊 劉童

摘要：根據(jù)顛球運動的特點，設(shè)計了乒乓球顛球機(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三維位置信息，并結(jié)合乒乓球的動力學(xué)模型預(yù)測乒乓球軌跡，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;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)運動。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)、運動目標(biāo)識別定位預(yù)測技術(shù)、動態(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

基于乒乓球顛球運動的特點，設(shè)計了一臺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)器人正運動學(xué)模型

正運動學(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O設(shè)在機(jī)械臂基座中心，A點是大臂減速器和小臂減速器中心，B點是大臂末端中心，C點是小臂末端中心，D點是乒乓球拍中心。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長為L1，AB長為L2，BC長為L3，CD長為L4，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)器人逆運動學(xué)模型

逆運動學(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

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)動步進(jìn)電機(jī)，給舵機(jī)發(fā)出控制信號。該系統(tǒng)各部分都采用了獨立供電電源，減少了系統(tǒng)各部分之間的干擾。

3 機(jī)器視覺設(shè)計

為了實現(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別、空間定位和軌跡預(yù)測功能，其中乒乓球的空間定位是核心問題，而實現(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)器人通過對乒乓球的顏色識別和形狀識別，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)測模型，預(yù)測乒乓球軌跡。軌跡預(yù)測效果如圖5所示，軌跡預(yù)測平均誤差為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)測乒乓球到達(dá)擊打平面時的位置、速度、時間;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)測擊打位置的正下方，然后控制球拍豎直向上運動，并同時控制球拍姿態(tài)和速度;最后球拍豎直向下運動返回球拍初始平面。乒乓球與球拍碰撞后會有能量損失，如果球拍始終保持靜止，顯然乒乓球最終會停止運動，所以碰撞時球拍需具有一定速度。球拍達(dá)到一定速度是需要時間的，所以每次彈球的高度不能太低。由于機(jī)器人視覺探測范圍有限，乒乓球的彈球高度也不能太高，本項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)械臂的運動性能也有所下降，所以機(jī)器人需要在機(jī)械臂有更好運動性能的工作空間內(nèi)進(jìn)行顛球，即要實現(xiàn)穩(wěn)定顛球，需對顛球后乒乓球的彈起高度以及乒乓球在擊打平面的落點位置加以控制。

5 結(jié)語

本文闡述了乒乓球顛球機(jī)器人的本體設(shè)計、控制電路設(shè)計、機(jī)器視覺設(shè)計要點和顛球控制策略，乒乓球顛球機(jī)器人是一個典型的實時智能系統(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，具有很高的科研價值。

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收稿日期：2020-09-01

作者簡介：陳昊（1992—），男，四川成都人，實驗師，研究方向：自動化、機(jī)器人。