基于視覺識別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的設(shè)計

隋裕召++楊小軍++應(yīng)振根++劉釗武++王振飛

摘 要：本文圍繞網(wǎng)球場地上網(wǎng)球的收集問題，設(shè)計了一種基于視覺識別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人。采用pixy視覺傳感器作為機(jī)器人的眼睛，通過顏色識別確定網(wǎng)球目標(biāo)；Arduino處理器基于最短距離原則確定第一目標(biāo)，驅(qū)動機(jī)器人行走到距網(wǎng)球特定距離；三自由度的機(jī)械臂及其末端抓取機(jī)構(gòu)按固定預(yù)設(shè)動作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的抓取、轉(zhuǎn)移、以及投放入收集器等動作。本設(shè)計提高了網(wǎng)球愛好者和運(yùn)動員的練球效率，節(jié)省時間和體力，適應(yīng)智能化潮流，具有良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：視覺識別 智能機(jī)器人 網(wǎng)球拾取 機(jī)械臂

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的提高，人們對于健康越來越重視。而網(wǎng)球近些年來在國內(nèi)迅速發(fā)展，作為一項頗受歡迎的體育項目[1]，對于身體素質(zhì)的鍛煉有極大的幫助。我國現(xiàn)有網(wǎng)球場約85475個，網(wǎng)球運(yùn)動人口864萬，且運(yùn)動人口數(shù)量每年以10%～12%的速度增長。

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

在網(wǎng)球比賽或訓(xùn)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(qiáng)度大。目前專門從事網(wǎng)球拾取的球童數(shù)量較少[2]，多為網(wǎng)球場臨時雇傭或志愿者，沒有專門應(yīng)用在網(wǎng)球拾取上的機(jī)器人。

因此，如何能有效省力或不耗精力的將網(wǎng)球收集規(guī)整起來就成為亟待解決的問題。本文將設(shè)計一種視覺識別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人，通過視覺傳感器捕捉網(wǎng)球影像并定位，經(jīng)路徑規(guī)劃后利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的準(zhǔn)確抓取。可在網(wǎng)球訓(xùn)練和比賽過程中代替人工撿球，減少運(yùn)動傷害，提高網(wǎng)球運(yùn)動效率。

1 總體方案設(shè)計

本文基于視覺識別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)三個功能，分別是對網(wǎng)球進(jìn)行識別辨認(rèn)、行走路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)、以及對網(wǎng)球的抓取和收納動作。機(jī)器人的整體方案（如圖1所示），機(jī)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(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動的全方位輪[3]。實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)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?zhàn)咏M成，無動力輥?zhàn)硬粌H可繞輪轂軸公轉(zhuǎn)，也能在地面摩擦力作用下繞各自的支撐芯軸自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的合運(yùn)動速度與輪轂軸有一定的夾角。

（2）行走盤電機(jī)

本文電機(jī)選用微型帶渦輪蝸桿型減速直流馬達(dá)。微型帶渦輪蝸桿減速直流馬達(dá)可以改變馬達(dá)的接線正負(fù)改變馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向。渦輪蝸桿減速電機(jī)具備自鎖性，即在馬達(dá)在沒有電的情況下，輸出軸是轉(zhuǎn)不動的，即自鎖，提高機(jī)器人位置控制的精確度。且減速箱輸出軸方向與馬達(dá)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(jī)

本設(shè)計采用Arduino開發(fā)板作為智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的核心處理器。實(shí)現(xiàn)調(diào)控各部位運(yùn)動的作用。

（4）pixy視覺傳感器

本設(shè)計采用pixy視覺傳感器[4]，通過對可視視野內(nèi)分析識別，實(shí)現(xiàn)識別目標(biāo)物及定位的作用。

（5）機(jī)械爪手指

本設(shè)計的機(jī)械爪手指即網(wǎng)球拾取機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計的原則是在強(qiáng)度滿足抓取要求的同時盡量輕便簡約，以減小機(jī)械臂負(fù)擔(dān)，所以綜合考慮采用合金鋁材料。

2 視覺識別系統(tǒng)設(shè)計

2.1 視覺傳感器

本文的設(shè)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(qiáng)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(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺數(shù)據(jù)，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(shè)計將pixy視覺傳感器作為智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的眼睛，通過編程將網(wǎng)球的顏色進(jìn)行目標(biāo)定性，可以讓它完成搜尋網(wǎng)球場地上網(wǎng)球的任務(wù)。

2.2 目標(biāo)顏色識別

Pixy視覺傳感器目標(biāo)顏色識別的主要特點(diǎn)是基于顏色特征信息庫，確定其閾值，然后與顏色庫相應(yīng)顏色進(jìn)行對應(yīng)匹配。

在機(jī)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(yīng)用，主要是由于計算機(jī)處理和表述數(shù)據(jù)時采用二進(jìn)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(shí)際環(huán)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(tǒng)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(jī)器視覺中應(yīng)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(shí)踐證明，光譜上的大多數(shù)顏色都可以用紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（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(biāo)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(biāo)軸上的頂點(diǎn)，青、深紅和黃色位于另外三個頂點(diǎn)，黑色位于原點(diǎn)，白色位于離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)，且灰度等級沿著黑白兩點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)人觀察一個彩色物體時，一般是用色調(diào)、色飽和度和亮度來描述它。據(jù)此，Munseu 提出了 HSI 顏色模型。 在 HSI 顏色模型中，H 代表 hue 即色調(diào)，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(shù)量，白光的含量越少，其飽和度越高；I 代表 intension 即強(qiáng)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(diǎn)表示不同的色調(diào)，位于圓周上的點(diǎn)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(qiáng)。在同一圓域上，顏色的亮度不變，只是色調(diào)和飽和度發(fā)生變化。

RGB 顏色模型和 HSI 顏色模型有如下關(guān)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(biāo)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(shù)供系統(tǒng)調(diào)用，通過識別網(wǎng)球的顏色（灰度值），調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)可得到網(wǎng)球的寬度、高度、中心點(diǎn)的x，y坐標(biāo)。

3 控制系統(tǒng)及路徑規(guī)劃設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計采用Arduino開發(fā)板（如圖6所示）作為智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的核心處理器，每款A(yù)rduino開發(fā)板以及衍生產(chǎn)品都有標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，能讓客制化設(shè)計電子組件堆棧在處理器電路板之上，以充實(shí)正在開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)原型。Arduino不只是硬件，它具備完整軟硬件的原型制作系統(tǒng)[7]。

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

然后針對多個網(wǎng)球進(jìn)行行走路徑規(guī)劃，找到第一目標(biāo)。驅(qū)動電機(jī)使行走機(jī)構(gòu)原地旋轉(zhuǎn)使得目標(biāo)網(wǎng)球位于pixy視覺窗口正中心，此后機(jī)器人朝目標(biāo)網(wǎng)球移動，當(dāng)網(wǎng)球面積達(dá)到設(shè)定值（及機(jī)器人和網(wǎng)球的距離達(dá)到設(shè)定值）時，機(jī)器人停止行走，通過固化的機(jī)械臂動作過程，機(jī)械爪抓起網(wǎng)球，經(jīng)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動把網(wǎng)球放入網(wǎng)球收納空間中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的抓取。

3.2 規(guī)劃路徑的選擇

當(dāng)pixy視野里有多個網(wǎng)球時，智能網(wǎng)球拾取機(jī)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(dāng)機(jī)器人使用pixy傳感器識別到有三個網(wǎng)球在視野中，分別為網(wǎng)球Ⅰ、網(wǎng)球Ⅱ、網(wǎng)球Ⅲ。通過測距比較與網(wǎng)球Ⅰ距離最短，則機(jī)器人向網(wǎng)球Ⅰ運(yùn)動并實(shí)行撿球動作（需注意的是此過程中目標(biāo)將鎖定網(wǎng)球Ⅰ，直至將網(wǎng)球Ⅰ拾取完成）。到達(dá)網(wǎng)球Ⅰ位置后再對視野內(nèi)目標(biāo)網(wǎng)球再次進(jìn)行比較判別，假若圖中網(wǎng)球Ⅱ與網(wǎng)球Ⅲ仍同時在視野中且無其他目標(biāo)物出現(xiàn)，則比較距離驅(qū)使機(jī)器人駛向網(wǎng)球Ⅱ，以此類推。

4 機(jī)械臂及抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計

4.1 機(jī)械臂設(shè)計

智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的機(jī)械臂是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球精準(zhǔn)抓取的關(guān)鍵，它要完成網(wǎng)球拾取、轉(zhuǎn)移、投放入收集器等動作。本設(shè)計采用三個自由度調(diào)度各部位，外形結(jié)構(gòu)（如圖9所示），主要包括：大臂設(shè)計值直徑40mm長度250mm，為最底部支撐，起調(diào)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(jī)構(gòu)調(diào)度至抓取位置或投放位置的作用；機(jī)械臂最大伸展長度400mm。

在三個關(guān)節(jié)處各置有伺服電機(jī)控制機(jī)械臂做出動作，整根機(jī)械臂設(shè)計在一個豎直平面內(nèi)運(yùn)動，一方面便于控制機(jī)械臂的精準(zhǔn)運(yùn)動定位，另一方面也可減輕控制系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，簡單實(shí)用。機(jī)械臂的運(yùn)動服從預(yù)設(shè)的固定動作，當(dāng)處理器給出撿球信號后，機(jī)械臂的運(yùn)動過程受既定程序控制，完成特定的伸屈抓取、轉(zhuǎn)移、投放等動作。

4.2 抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)械臂末端是抓取機(jī)構(gòu)。考慮到機(jī)器人總體質(zhì)量及其穩(wěn)定性，本文機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計原則是輕巧簡約、可控、收縮自如。采用拉桿式三指機(jī)械爪結(jié)構(gòu)，夾指部位材料選用硬質(zhì)塑料或鋁材等，設(shè)計纖細(xì)簡約（如圖10所示）。

構(gòu)件主要有電機(jī)、卷筒軸、聯(lián)軸器、軸承、軸承座、鋼絲繩、彈簧、以及組成爪的各構(gòu)件。卷筒軸一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)聯(lián)結(jié)，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(nèi)壁。抓取機(jī)構(gòu)的中心軸線長度110mm，最大抓取直徑90mm。這樣的設(shè)計完全可以勝任抓取網(wǎng)球、投放網(wǎng)球的動作，并且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，不會給機(jī)器人機(jī)身很大的負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)語

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

基于視覺識別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的特點(diǎn)為：采用pixy視覺傳感器作為機(jī)器人的眼睛，通過顏色識別確定網(wǎng)球目標(biāo)；Arduino處理器基于最短距離原則確定第一目標(biāo)，驅(qū)動機(jī)器人行走到距網(wǎng)球特定距離；三自由度的機(jī)械臂及其末端抓取機(jī)構(gòu)按固定預(yù)設(shè)動作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的抓取、轉(zhuǎn)移、以及投放入收集器等動作。

本文設(shè)計的基于視覺識別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人，可以提高網(wǎng)球愛好者和運(yùn)動員的練球效率，在網(wǎng)球比賽和訓(xùn)練過程中，省時省力，適應(yīng)當(dāng)今健康、運(yùn)動、智能化的潮流，具有良好的發(fā)展前景。

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