一種智能乒乓球拾取機器人

鐘 勇，湯韜略，張 樹，邱煌樂，李方舟

（福建工程學院福建省汽車電子與電驅動重點實驗室，福建 福州 350118）

在生活節奏快的今天，為了保持較高的身體素質，體育運動越來越被人們所重視，其中乒乓球作為中國的國球就受到非常多的人喜愛，但是對于非專業運動員的普通大眾來說，由于一部分人球技還不熟練，經常發生失球的情況，這就導致拾取乒乓球占據了大量時間而壓縮了打球的時間。

乒乓球由于其彈跳性好，導致掉下球桌后四散彈跳到很遠的地方，而人們去撿球就要花費許多的時間在來回的撿球路上，這樣不僅消耗了很多的體力和精力而且浪費時間，特別是對于那些新手或者訓練的人來說更加需要頻繁撿球。因此如果有一輛能夠自動撿球的智能撿球機器人去代替人工撿球，這就能給人們帶來極大的便利，只需要專注于打球這件事。目前已有的撿球機器人主要通過管道吸取、機械爪抓取、前置滾筒將球壓進帶橡皮筋的滾筒內。

因此為了讓人們能更專注于打球這件事，設計了一種智能乒乓球拾取機器人。

1 背景技術

目前已有的撿球機器人主要通過前置滾筒將球壓進帶橡皮筋的滾筒內，機械爪通過吸的方式進行收集。

對于前置滾筒式雖然可能同時收集多個球，但是收集裝置太過于龐大不利于一些角落等狹窄地方進行撿球作業，并且采集到其中的球由于擠壓可能從里面掉出來；機械爪型的撿球機器人由于一次只能采集一個球，并且對于力度的控制要求較高，導致撿球效率不高，并且它的集球框容量也不高，不能大量采集乒乓球；同樣對于吸取式的撿球機器人也是無法大量采集乒乓球，并且它會產生一定的噪聲，影響人們心情。

2 智能撿球機器人設計

2.1 主要構造以及工作原理

本乒乓球拾取機器人包括主車體和撿球機構，如圖1 所示。

圖1 乒乓球拾取機器人結構

主車體包括上下底板、左右萬向前輪、集球框、下底板集球口擋球板、電池以及攝像頭和雷達，電池為全車提供電能，電池可以通過有線和無線方式進行充電，攝像頭識別乒乓球的大概位置將信號傳遞給單片機，并通過雷達檢測躲避障礙物，左右后輪各有一個電機驅動，通過單片機控制左右后輪電機差速控制其轉向，車體中部上下底板之間設有一個拾取器，貫穿上下底板，由電機帶動驅動機構驅動拾取器上下運動拾取乒乓球，拾取器包括一進球口，進球口設置有并排彈性線，并排彈性線的間距小于乒乓球直徑，當拾取器將乒乓球壓入后使乒乓球不會掉下來；進球口上端連接有一直徑稍大于乒乓球的圓柱形進球通道，進球通道向上延伸貫穿上底板并進入集球框內，乒乓球在進球通道內不斷向上累積直到掉出到集球框內；集球框可拆卸安裝在上底板上。

撿球機器人不需要精確定位每個乒乓球的具體位置，只需運動到乒乓球附近位置即可進行工作，在撿球機器人拾取過程中，通過底盤上的擋板將乒乓球匯集到固定位置，拾球器下方開口較大，可以同時拾取多個乒乓球，拾取成功率較高。

2.2 撿球機構

撿球機構主要由如圖2 所示的帶擋板的V 形下底板收球口以及由如圖3 所示的電機驅動拾取器組成，滑塊連桿機構在許多機械中被采用，它能將電機的圓周運動轉變成直線運動，本撿球機也采用此機構將下底板上的電機的旋轉運動轉變成滑塊的上下運動，同時與滑塊固定連接的連接桿帶動拾取器進行上下運動，如圖4 所示，拾取器下端口有數根間距小于乒乓球的彈性繩，通過乒乓球的擠壓，使彈性繩變形，使彈性繩之間的間距變大，使乒乓球壓進其中，而后彈性繩復原之前的間距，使乒乓球不會掉下來，從而不斷對收球口內的乒乓球進行拾取。

圖2 收球口

圖3 拾取器

圖4 連接桿

對于收集的乒乓球在上底板上采用一個如圖5 所示的集球框進行收集，拾取器的上端貫穿上底板以及集球框，拾取器內的乒乓球在內部不斷累積直到掉出到集球框內，集球框可以方便地拆卸拿下也可以打開側面的小門讓球落到專門的集球框內。

圖5 集球框

2.3 行走及識別檢測系統

一般的驅動模式有兩前輪控制轉向，兩后輪用來驅動的模式，但是這種轉向模式需要添加專門的轉向舵機增加額外的機構，因此本撿球機器人采用兩前輪為萬向輪，后輪各采用一個電機獨立驅動，前后輪通過下底板連接起來，電機固定在下底板上，2 個電機分別獨立為左右后輪提供動力，當需要轉彎時，由單片機控制左右電機差速進行轉彎，實現方便轉向。

對于乒乓球的識別與定位，機器人上底板上有1個攝像頭，用于對乒乓球的識別，采用雙目攝像頭，單目攝像頭雖然也能對乒乓球進行識別，但是由于1個攝像頭拍出來的照片是二維的，無法判斷一個物體是否為一個球體，所以采用雙目攝像頭通過2 個角度拍攝的照片對比進而判斷是否為球體，而對于乒乓球的定位就需要知道距離乒乓球的遠近，通過一定的算法對2 組行進中拍攝的照片進行對比分析得出距離，同時上底板左右各有一個可旋轉的雷達，撿球機器人在行進過程中難免會遇到一些障礙物，而雷達可以對周邊障礙物進行實時快速掃描檢測，當需要轉向時，雷達也會在程序的控制下，根據轉彎角度的大小旋轉對應的角度值進行掃描檢測，并將信號傳遞到單片機控制左右后輪驅動電機進行避障轉彎，進而使小車能夠避開人和其他障礙物。

2.4 供電及控制系統

供能對于機器人來說是至關重要的，本機器人設計配備鋰電池，提供全車電機、雷達、攝像頭以及控制系統一定時長的正常工作電量需求，安置在電池架上并且可以拆卸下來充電，電池可通過無線或者有線方式進行充電。電源是所有機構正常運行的基礎保證，如果選取工作時長8 h，則電池容量需為41.67 Ah，大容量電池成本較高，由于該機器人主要用于室內場地，因此充電比較方便，可選取工作時長4 h，容量為20.84 Ah 的電池，可以通過更換電池或者在空閑時間進行充電。

采用樹莓派作為控制系統核心，樹莓派是一款基于ARM 的微型電腦主板，以SD/MicroSD 卡為內存硬盤，主板周圍有1/2/4 個USB 接口和一個10/100 以太網接口，同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI 高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC 的基本功能，攝像頭以及雷達傳回來的信號經樹莓派處理后發出指令控制撿球機構以及行走系統對場地的乒乓球進行拾取，從而實現智能化、無人化撿球操作?？刂葡到y工作流程示意圖如圖6 所示。

圖6 控制系統工作流程示意圖

2.5 工作實施過程

撿球機器人運動到乒乓球附近，通過下底板上的帶有擋球板的內凹口將球匯集到乒乓球拾取器正下方處，通過撿球驅動電機驅動短連桿帶動長連桿轉動繼而帶動連接架運動，連接架被滑塊和導軌約束，有固定軌跡，進行上下運動，由于連接架與乒乓球拾取器相連接，繼而帶動乒乓球拾取器上下運動拾取集球口處的乒乓球。乒乓球拾取器底部裝有數根間距小于乒乓球直徑的彈性繩，彈性繩可以使用皮筋或尼龍繩。通過向下的擠壓力使彈性繩之間產生彈性形變使兩彈性繩之間的間距變大從而將乒乓球壓進拾取器內，乒乓球拾取器上方通道直徑只能通過一個乒乓球，通過的乒乓球在拾取器內不斷向上累積，直到從頂部出口端掉落到集球框中，集球框可以從上底板上拆卸，當需要取球時，可直接卸下集球框，不用彎腰取球。

本產品主要通過可旋轉的攝像頭（種類、形式、數量不限）識別落球點，并且通過電機控制可旋轉雷達（種類、數量、安裝位置等不限）識別障礙物進行避障，電機驅動連桿滑塊機構使撿球器進行上下運動，自主驅動拾取乒乓球，也可通過絲桿螺母機構、齒輪齒條機構等驅動撿球器進行撿球動作。乒乓球可以通過在乒乓球拾取器中不斷累加，擠滿乒乓球拾取器后自動落入頂部的集球框內，方便取球。車身可以是立方體、圓柱體等。

3 實施可行性

3.1 乒乓球的識別與定位

由于乒乓球主要是黃色和白色2 種顏色，且有固定的規格大小，本機器人采用OpenMV 對雙目攝像頭拍攝的照片進行處理，由于乒乓球具有特定的大小，根據圖像中物體的投影面積、周長、圓度等判斷該物體是否為球體[1]，進而排除掉一些非球體的雜物，然后對整張圖中的球體進行顏色閾值判斷，并對閾值進行設置，將白色以及黃色設置為閾值以內的顏色，其他閾值以外的顏色呈現為黑色[2]。通過連續拍攝的照片判斷球的位置，并且不斷修正機器人的行進方向和速度，以更精確地到達乒乓球的位置。

3.2 轉向控制

通過算法對所獲取的圖片中乒乓球的位置進行計算分析后，得出電機所需要的高電平值，通過主控機構輸出對應的PWM 波高電平值給驅動電機，使機器人后輪差速運轉進行轉向，從而實現對機器人的轉向控制。

3.3 速度控制

要想高效撿球，撿球機器人必須具有一定的行進速度但同時又能在靠近目標時降低到合適的速度，因此需要設計合適的高要求算法使撿球機器人能更高效地運動到乒乓球附近，配合底盤的收球口進行一系列撿球的操作，控制其運動速度的合理性。根據攝像頭拍攝的照片判斷其與乒乓球的距離，從而計算出與距離相適應的運行速度，采用一定的控制算法對機器人的速度進行調節，使撿球機器人快速穩定地達到相應的速度，實現速度由它們之間的距離自動調控的模式。

4 優異效果

本拾球機器人優異之處主要在于：①通過電機驅動連桿機構，帶動連接架運動，連接架被滑塊導軌約束有固定軌跡，帶動拾取器上下運動，不斷拾取乒乓球，并通過乒乓球在拾取器中的累積被運送到上方的集球框中，拾取效率較高；②不需要精確定位每個乒乓球的具體位置，只需運動到乒乓球附近位置即可進行工作，在撿球機器人拾取過程中，通過底盤上的擋板將乒乓球匯集到固定位置，拾球器下方開口較大，可以同時拾取多個乒乓球，拾取成功率較高；③在取球過程中，頂部的集球框離地具有一定的高度，人不用彎腰可直接取下上方的集球框，方便取球。

5 結論

通過對現有乒乓球撿球機器人的研究與分析，本項目針對已有產品的不足以及缺陷進行改進創新，設計了本乒乓球撿球機器人以提高撿球效率以及降低人的勞動強度，對于專門體育場館的管理水平具有良好的提升作用，由于第一代產品可能有一些不足之處，需要后期不斷跟進改善，以達到更好的工作效果。