自动拾取乒乓球机器人的研究

自动拾取乒乓球机器人的研究

李明瑞裴福玉王新林剑宝

哈尔滨远东理工学院黑龙江哈尔滨150025

摘要：为了提高效率，设计一套基于扫地机器人的乒乓球自动拾取机器人系统，由扫地机器人平台搭载塑料桶自由移动对散落在乒乓球场地的乒乓球进行侦测并拾取。采用扫地机器人的控制系统平台，并通过加装一套无动力的拾取乒乓球的装置；将乒乓球拾取后放入容器中。经模拟乒乓球场运行证明设计方案可行，该设计的引入节省了大量的人力与时间。开发的乒乓球自动拾取机器人系统有很强的实用性，具有一定的推广意义。

关键词：自动拾取；扫地机器人；装置；乒乓球

我国是乒乓球运动的大国和强国，乒乓球爱好者在练球时，往往练得满地都是乒乓球。劳累的运动员弯腰捡球既费时又费力。利用扫地机器人的原理，改造成自动拾取乒乓球机器人，如果成功，对于乒乓球爱好者练球时省时省力，一定会受到欢迎的。

乒乓球捡球设备作为乒乓球训练场馆以及居家场地上的常见设备，在实现机械捡球的同时，也起到了捡球效率高，节省了训练者的大量时间，保存了体力的作用。但是由于目前机械捡球设备结构及功能的单一性，造成以下问题:一是无法做到快速及时的捡球，使得训练者的练习效率低下，如在乒乓球馆中训练者的速度远远大于捡球的速度，无法进行及时有效的捡球。这点在乒乓球训练场馆和室外练球场地尤为突出；二是堵球问题，在捡球输送的过程中，这些捡球装置由于机械结构的限制，在乒乓球集中的地方出现了堵球问题；三是无法进行颜色识别，使得乒乓球混在一起无法进行分类；四是不能输送到指定位置，把捡到的球运到指定位置。因此，针对现有乒乓球机械捡球装置中使用存在的捡球效率低、堵球问题、无法颜色识别分类及运送到指定位置。

因此，针对现有乒乓球机械捡球设备中使用存在的问题，需要在结构和功能上进行综合考虑，以设计满足捡球效率高、无堵塞、颜色识别以及运送到指定位置的一种用于乒乓球的自动拾取及颜色分类存储的设备。日常乒乓球训练中，为了提高训练效果，减轻运动员和教练员的负担，在乒乓球比赛中最大限度地规避球童受伤的风险，研究人员想到了用扫地机器人来拾取乒乓球。

1自动拾取乒乓球机器人的发展现状

国内、国外都还没有专门用来自动拾取机器人出现，经过查阅相关资料和相关报道，有关于乒乓球拾取的应用，现在没有成熟可推广的技术。自动拾取乒乓球机器人的应用，能使运动员节省体力与时间，增加训练时间，节省人力和节约经费。

对于我国来说，乒乓球是国球，参与学习和训练的爱好者，数量庞大，该自动拾取乒乓球机器人的应用节省弯腰捡球次数，提高工作效率，降低了训练成本，不在需要球童来捡球，节省了人力。

国内、国外都还没有专门用来自动拾取乒乓球机器人的出现。现在没有成熟可推广的技术。自动拾取乒乓球机器人可以依托扫地机器人，拾取系统和球袋子。若产品研发成功便可填补这领域的空白。

2自动拾取乒乓球机器人的设计

路径规划技术是机器人控制技术研究中一个十分重要的问题，到目前为止，研究方法主要有传统方法和智能法2大类。传统的路径规划方法———自由空间法、图搜索法、删格解耦法和人工势场法等；智能路径规划的方法———基于模糊逻辑的机器人路径规划和基于神经乒乓络方法的机器人路径规划等。

目前市场上捡球机器人所采用的夹持器以虎钳式为主，夹持精度不高，运动效率低，而专业化的机械臂价格昂贵，功能多样化，可以完成机械臂在非特定环境下的自主抓取。目前国内已有一部分可以拾取乒乓球的机器人，但还没有基于真实环境的机型，现有的机器人采用的抓取方法主要以虎钳式为主，所用夹持器只有2～3个自由度，自由度不高，作业半径小。国外现有的拾取乒乓球机器人只能实现半自动化，无法独立自主找到散落的球并完成捡拾，而且因为体型过于庞大，无法运用于赛场。总体来说，国内外在通过移动平台捡拾乒乓球上的技术还是不够成熟，提升空间很大，同时，它的市场前景又相当广阔。针对以上存在的问题，本文在以往方法的基础上，改善乒乓球自拾取过程的各个环节，提出一种基于视觉捕捉的乒乓球自拾取方法，并设计整体方案，搭建物理样机，开发出一套造价低廉，控制精度较高，适用于市场的乒乓球拾取机器人系统，即移动机器人与机械臂联合平台，并进行效果验证。

自动拾取乒乓球机器人将传统人工捡球器与智能无线可侦测障碍物机器人相结合，制成自动全方位侦测并捡取乒乓球的智能人工机器人。

自动拾取乒乓球机器人基于扫地机器人的原理，有四个轮子，利用智能无线可侦测障碍物机器人的红外线传感装置检测乒乓球位置并锁定。前轮在地面滚动并带动轮轴转动，轴上的瓦楞形成四张大嘴巴，吞吃前面的乒乓球，咽进大肚子(球袋)。它比人工捡球更省力方便，克服了费时费力的缺点，在一定程度上弥补了人工上的缺陷，达到了便捷节省效率的目的。

3自动拾取乒乓球机器人的实验和应用

本文搭建了自动拾取乒乓球机器人样机，并在多种场合进行了测试，机器人可以精确地识别乒乓球的位置并反馈给机器人；在视野中如果没有发现乒乓球，摄像头会自动调用子程序转动舵机寻找各个方位乒乓球的位置，实现了乒乓球的高效、精准地抓取。

虽然市面上已经出现乒乓球捡拾机器人，但国内大多数是运用传感器进行识别，红外线进行定位，由于识别距离有限，响应速度有一定的延迟。国外运用高精度CCD摄像头进行识别的乒乓球捡拾机器人，虽然精度高，但是价格昂贵，使用成本太高，不适合投入市场大量运用。而本文所搭建的自动拾取乒乓球机器人利用扫地机器人，搭载的PixyCmuCam5摄像头，价格适中，性价比高，并且可以做到快速识别。装置中采用真空吸取、依靠惯性等捡取乒乓球的方式，还运用了一套简单的装置，虽然增加了成本，但大大提高了捡球效率，可以高效而又精准地实现拾取乒乓球。

本文的研究内容包括分析研究扫地机器人的总体结构；分析计算可侦测障碍红外线传感装置结构形式和参数；自动拾取乒乓球机器人拾取装置的研究；自动拾取乒乓球机器人球袋子的研究。

本文实现的目标有设计确定了扫地机器人改造方式方法；确定了可侦测障碍红外线传感装置结构形式和参数；解决拾取装置的设计；实现自动拾取乒乓球机器人完成拾取工作。

4结论

本文设计开发的基于扫地机器人自动拾取乒乓球的机器人系统，解决了耗费人力资源而且人工捡球效率低的问题。在研究过程中，机器人的路径规划问题一直是一个难点。机器人在运行过程中有时会偏离运行轨迹，要提高机器人运动精度，需要软件和硬件协调配合，这在后期的工作中需要进一步加强。本系统具有广阔的应用前景，可以用在任意乒乓球场地。

参考文献:

［1］张颖，吴成东，原宝龙．机器人路径规划方法综述［J］．控制工程，2003，10(增刊1):152－155

［2］赵晓东，鲍方．清洁机器人路径规划算法研究综述［J］．机电工程，2013，30(11):1440－1444．

［3］彭惠青，李海燕．机器人视觉定位的图像处理［J］．计算技术与自动化，2004，23(1):74－76．

［4］于乃功，黄灿，林佳．基于单目视觉的机器人目标定位测距方法研究［J］．计算机测量与控制，2012，20(10):2654－2656．

基金项目

黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201713301030）阶段性成果。

作者简介

李明瑞（1997—），男，黑龙江尚志人，哈尔滨远东理工学院本科在读，研究方向：机械设计及理论。