一種智能乒乓球撿拾機器人的設(shè)計研究

趙曉玉 李宇 李玲玲

摘 要：乒乓球運動是一種世界流行的球類體育項目，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器人。本機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、識別計數(shù)裝置和報警與自動出球裝置組成，多種裝置巧妙設(shè)計機械結(jié)構(gòu)和連接電路，它們之間相互配合工作，使機器人能夠圓滿地完成撿拾球的任務(wù)。此款智能乒乓球撿拾機器人集識別、撿拾、計數(shù)、顯示、自動出球、報警、遠程控制等一系列功能于一體，可實現(xiàn)不間歇工作，減少勞動力，撿拾效率高，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：撿拾機器人;乒乓球;識別;報警;遠程控制

1 研制背景及意義

眾所周知，乒乓球運動是一種世界流行的球類體育項目，同時它也是我們中國的國球，我們的乒乓球健將取得世界乒乓球比賽的大部分冠軍，甚至多次包攬整個賽事的所有冠軍。這項運動老少咸宜，又不需要十分復(fù)雜的運動場地和器械，因此受到大多數(shù)人的喜愛，越來越多的人開始學(xué)習(xí)打乒乓球。但是在打乒乓球的過程中總有一件事讓打球的人很頭疼，那就是撿球。現(xiàn)在的乒乓球直徑40.00毫米，比一個雞蛋還要小，其重量為2.6～2.8克，也比較輕，不太容易撿拾。每當要撿起一個乒乓球的時候，撿球的人就要彎一次腰，對于長期從事這項工作的人來說是一個很大的身體負擔(dān)。正因為如此，設(shè)計一種能夠代替人撿拾乒乓球的機器人就有了它的重要性。這種機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，然后放入指定的位置進行回收，以便下一次使用。盡管這個機器人所實現(xiàn)的功能相對來說十分簡單，但是它確實能幫助人類完成工作，減少人類的負擔(dān)，這也是服務(wù)類機器人的重要使命。

2 智能乒乓球撿拾機器人的組成及工作原理

2.1 智能乒乓球撿拾機器人簡介

該機器人外殼部分主要由鋁板制作，其主要特點是全智能化、自動化撿球。機器人的控制電路簡單，其主控芯片是STM32F407，該系列芯片是ST旗下的一款常用的增強型系列微控制器，功能強大，運行速度快，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。撿球機器人上有高分辨率觸摸顯示屏，該顯示屏用來控制開始與結(jié)束，在機器人開始撿球時顯示屏上會顯示工作的時間，并且實時反映出已經(jīng)撿拾的數(shù)量，機器人用OpenMV攝像頭進行識別乒乓球的位置，然后迅速前往小球位置，將小球掃入車體盒內(nèi)，并用LD3320語音模塊進行語音控制、可以與機器人進行對話交流控制它的開始與結(jié)束，智能乒乓球撿拾機器人上方有聲音與燈光提示裝置，當機器人在不同工作狀態(tài)時將顯示不同的燈光，當盒內(nèi)裝滿球時也會有與之對應(yīng)的聲音和燈光進行提醒。

2.2 識別和計數(shù)裝置

識別和計數(shù)顯示裝置由OpenMV攝像頭、光電對管及顯示屏組成。為使視角范圍最大化，將攝像頭安裝于機器人前上方。由于乒乓球常見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。通過攝像頭精確識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器人內(nèi)部時，光電對管會檢測到乒乓球，并將其個數(shù)呈現(xiàn)在顯示屏上。顯示屏安裝于機器人外部，以便于人們讀數(shù)。此外，顯示屏還可以記錄機器人的工作時長。

2.3 乒乓球撿拾裝置

撿拾裝置由一個直流電機和一對錐齒輪組成。錐齒輪安裝于機器人內(nèi)部，與另一雙頭錐齒輪軸相互嚙合，對稱布置，動力源為直流電機。根據(jù)掃地機器人原理，錐齒輪另一端固定類似“掃把”裝置。一對“掃把”在旋轉(zhuǎn)工作時，不能夠產(chǎn)生間隙，考慮到干涉問題，同時也為了防止掃把與乒乓球接觸時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，由直流電機帶動雙頭錐齒輪軸運轉(zhuǎn)，進而帶動錐齒輪工作，將乒乓球掃入機器人內(nèi)部，以便于收集。

2.4 行走裝置

行走裝置由兩個直流電機驅(qū)動的車輪及萬向輪構(gòu)成，均安裝于機器人底部。為了減小車輪磨損，車輪采用四驅(qū)越野車輪，安裝于機器人后方，一對萬向輪安裝于機器人前方。行走裝置受微處理器控制系統(tǒng)控制，當攝像頭識別到乒乓球時，控制系統(tǒng)響應(yīng)使行走裝置工作，從而驅(qū)使機器人靠近乒乓球，為了解決機器人行走過程中躲避障礙物的問題，機器人前方裝有超聲波傳感器，可以更加靈活地躲避障礙物。當攝像頭未識別到乒乓球時，控制車輪運轉(zhuǎn)的一對直流電機將差速運轉(zhuǎn)，配合萬向輪作用，從而使機器人在原地轉(zhuǎn)向掃視，保證360°無死角。

2.5 報警和出球裝置

報警裝置由蜂鳴器和四個LED燈組成，位于機器人上方，LED燈在不同的工作狀態(tài)下將呈現(xiàn)不同的燈光;出球裝置由一個舵機和搖桿構(gòu)成，模擬機械結(jié)構(gòu)中的搖桿滑塊機構(gòu)，蓋板模擬滑塊，通過舵機旋轉(zhuǎn)一定角度精確控制開啟板蓋的搖桿，實現(xiàn)自動開合板蓋的功能。當機器人收集一定數(shù)量的乒乓球后，便會由攝像頭識別到原位置的黑色標記，然后自動回到原點。此時報警裝置和自動出球裝置開始工作，提醒人們?nèi)∽咂渌占钠古仪颉?/p>

2.6 智能乒乓球撿拾機器人工作原理

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

3 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

如下圖所示。

4 創(chuàng)新點及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點

（1）全智能化、自動化撿球，機器人的控制電路簡單，自主地進行工作，具有極大的便利性和易操作性。（2）具有報警功能，可以起到提醒作用。（3）擁有自動躲避障礙物能力。（4）具有自動計數(shù)顯示的裝置，方便人們對機器人內(nèi)部乒乓球數(shù)量的讀取。（5）全自動開關(guān)后蓋，實現(xiàn)自動出球功能。

4.2 應(yīng)用

此款智能乒乓球撿拾機器人通過紅外傳感器、超聲波傳感器和攝像頭的配合實現(xiàn)智能化識別。通過自動化單片機識別設(shè)計，充分實現(xiàn)了自動化和人為操控的方便與穩(wěn)定，能夠滿足各類消費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現(xiàn)全自動化，極大地消耗了人力物力，而通過改良機器人產(chǎn)品是減少人力的最有效的途徑。因此該機器人以“惠民便民”和“高效便捷”為宗旨，綜合了多種現(xiàn)存撿球機器人的特點，彌補了它們的不足，具有成本低、實用性強、易操作等優(yōu)點，可適用于乒乓球俱樂部等場所。該機器人擁有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

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基金項目：由遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃專項經(jīng)費資助（項目編號：201910146277）

作者簡介：趙曉玉（1997—），本科，專業(yè)領(lǐng)域為機械電子工程;李宇（1999—），本科，專業(yè)領(lǐng)域為機械電子工程;李玲玲（1965—），吉林樺甸人，碩士，副教授，研究方向：機械設(shè)計及理論。

指導(dǎo)老師：李玲玲。