基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统及方法，属于机器人领域。本发明专利技术的预测系统包括：肌电信号采集套，用于采集和处理来球的旋转信息；激光雷达，用于实时采集和处理来球的位置信息和速度信息；信息处理与控制装置，该装置与肌电信号采集套、激光雷达信号连接，用于接收来球的旋转信息、位置信息和速度信息，并根据期望回球落点位置计算击球总时间，以及在对应时刻的击球姿态和击球力，再编译回球控制指令发送给乒乓球机器人的控制系统。本发明专利技术提高了信息检测的准确度，而且缩短反应时间，使得乒乓球机器人能够快速准确的击球。

The prediction system of table tennis robot sparring EMG ball mode and method based on

The invention discloses a sparring ping-pong robot based on EMG ball mode prediction system and method, which belongs to the field of robots. Including the prediction of the system of the invention: EMG signal acquisition, information acquisition and processing for rotating the ball; laser radar for real-time acquisition and processing to the ball position and velocity information; information processing and control device, the device and the EMG signal acquisition, laser radar signal connection for receiving the ball rotation information, location information and velocity information, and according to the expectations of the ball hitting the landing position calculation time, and at the corresponding moment hitting posture and hitting force, then compiled the ball control command is sent to the control system of the table tennis robot. The invention improves the accuracy of the information detection and shortens the reaction time, so that the table tennis robot can hit the ball quickly and accurately.

【技术实现步骤摘要】
基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统及方法
本专利技术涉及机器人
，更具体地说，涉及一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统和方法。
技术介绍
目前，绝大数乒乓球机器人主要是通过多台智能摄像机采集乒乓球飞行过程中的位置坐标，并根据空气动力学和碰撞反弹动力学原理对乒乓球运动轨迹进行预测。最后，乒乓球机器人根据乒乓球运动轨迹选取最佳击球位置和击球姿态，将乒乓球回击到期望落点处。对于乒乓球轨迹的预测，乒乓球的旋转测量是一个比较重要并且比较难的问题。在现有的测量方法中，精确度高的方法是通过在乒乓球上画网格，然后用高速摄像机采集乒乓球在飞行中的网格速度的变化，通过对所采集的数据进行处理得到乒乓球的旋转速度。这种方法虽然精度较高，但是不具有实时性，不能满足乒乓球机器人对于乒乓球轨迹快速识别的需求。因而，现有的乒乓球机器人在进行打乒乓球作业时，无法处理旋转中的乒乓球。如中国专利申请号：201310272639.0，申请日：2013年7月2日，该申请案公开了一种用于乒乓球机器人的乒乓球自旋角速度的预测方法，建立了乒乓球飞行轨迹的动力学模型，利用该模型分析由视觉捕捉系统得到的乒乓球飞行轨迹，并由此来计算乒乓球的自旋角速度。上述方案虽然能够使乒乓球机器人顺利完成回球，但是智能摄像机视觉系统预测乒乓球运动轨迹还是有一些缺陷，比如工作环境中光线的强弱和颜色变化对乒乓球轨迹的预测有影响；各个智能相机之间位置的标定比较复杂。中国专利申请201310254377.5公开了一种用于乒乓球机器人预测乒乓球轨迹的方法和装置，主要是通过采集乒乓球飞行过程中两点位置坐标，利用时间差和位置信息预测出乒乓球的飞行轨迹，分析判断轨迹是否在击球区域。该方案并没有具体给出如何对乒乓球的轨迹进行检测，难以获取有效信息。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的在于克服现有技术中视觉捕捉系统受乒乓球颜色差异和外部环境光线强弱的影响大、难以判别来球旋转特征的不足，提供了一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统和方法。本专利技术利用肌电信号检测和激光雷达系统对乒乓球的旋转、速度和位置信息等进行检测，提高了信息检测的准确度，而且缩短反应时间，使得乒乓球机器人能够快速准确的击球。2.技术方案为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：本专利技术的一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，包括：肌电信号采集套，穿戴在运动员握拍上肢上，用于采集和处理来球的旋转信息；激光雷达，用于实时采集和处理来球的位置信息和速度信息；信息处理与控制装置，该装置与肌电信号采集套、激光雷达信号连接，用于接收来球的旋转信息、位置信息和速度信息，并根据期望回球落点位置计算击球总时间，以及在对应时刻的击球姿态和击球力，再编译回球控制指令发送给乒乓球机器人的控制系统。作为本专利技术更进一步的改进，所述肌电信号采集套包括肌电信号采集与处理系统、下臂信号采集套和上臂信号采集套，所述下臂信号采集套和上臂信号采集套通过弹性连接套连接。作为本专利技术更进一步的改进，所述下臂信号采集套和上臂信号采集套均包括绑带和气囊带，相邻的绑带通过气囊带连接，在绑带内侧设置检测电极，在气囊带排气状态下，位于绑带内侧的检测电极与手臂贴合，用于检测击球时的肌电信号。作为本专利技术更进一步的改进，所述下臂信号采集套中绑带上的检测电极对应于肱桡肌和桡侧弯曲肌区域。作为本专利技术更进一步的改进，所述上臂信号采集套中绑带上的检测电极对应于肱二头肌和肱三头肌区域。作为本专利技术更进一步的改进，所述气囊带两侧为波纹带，相邻的气囊带之间通过导气管连通；当气囊带排气时，波纹带折叠为层状使腿带收紧。作为本专利技术更进一步的改进，所述激光雷达使用相位测距法预测乒乓球的位置信息；使用多普勒频移法预测乒乓球的速度信息；并将位置信息和速度信息实时传递到信息处理与控制装置的系统内。作为本专利技术更进一步的改进，所述信息处理与控制系统是通过无线设备接收肌电信号采集套和激光雷达发送来的信息，并向乒乓球机器人发送控制指令。本专利技术的一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测方法，其过程为：步骤1、运动员握拍上肢上穿戴肌电信号采集套，并使检测电极对应在相应区域；步骤2、运动员开始击球动作，肌电信号采集套所采集肌电信号经内部系统处理后传递至信息处理与控制系统；步骤3、乒乓球运动过程中，激光雷达检测其位置信息和速度信息，并把信息发送至信息处理与控制系统；步骤4、信息处理与控制系统根据空气动力学原理和激光雷达探测的来球位置和速度信息，预测乒乓球的运动轨迹并判断乒乓球是否出界或未过网；当来球进入可击打区域时，根据空气动力学原理、来球速度信息、回球最佳落点位置以及乒乓球机器人自身所处的位姿确定最佳击球位置；根据来球速度信息、旋转信息、球拍与球的反弹动力学原理、空气动力学原理和回球最佳落点位置，计算击球总时间，以及在这段时间里各时刻击球姿态和击球力，编译出乒乓球机器人的回球控制指令。作为本专利技术更进一步的改进，步骤2中对运动员发出的弧旋球，采用基于小波变换和VPMCD算法对肌肉产生的肌电信号进行模式识别。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)本专利技术利用肌电检测信号预测运动员击球时的旋球信息，应用运动员击球时从上肢采集的肌电信号来判断对手出球方式，不受乒乓球颜色差异和外部环境光线强弱的影响，易于判别来球旋转特征，提高了对旋球信息预测的准确性，从而使乒乓球机器人有更准确的击球姿态和击球点；有助于提高运动员的技术水平；(2)本专利技术应用激光雷达系统进行位置和速度检测，无需外界光源，分辨率高，有效解决了视觉捕捉系统中存在的乒乓球轨迹预测受工作环境中光线强弱和颜色变化的影响问题。深刻体现了信息化、智能化在机器人
中的广泛应用；(3)本专利技术的肌电信号采集套，绑带通过气囊带相连接，气囊带两侧为波纹带，相邻的气囊带之间通过导气管连通，当气囊带排气时，波纹带折叠收缩，使腿带收紧绑定在手臂上，不会因臂部肌肉的舒展而胀裂，适合在运动中使用。附图说明图1为本专利技术中肌电信号采集套的结构示意图；图2为本专利技术中肌电检测电极片的分布位置示意图；图3为本专利技术中肌电信号采集套的系统模块图；图4为本专利技术中运动员动作类型识别流程图；图5为本专利技术中回球预测系统结构示意图；图6为本专利技术中预测系统的系统模块图；图7为本专利技术中回球方式的预测方法流程示意图。示意图中的标号说明：1、肌电信号采集套；11、下臂信号采集套；12、气囊带；13、第一电极绑带；14、开关；15、第二电极绑带；16、弹性连接套；17、上臂信号采集套；18、第三电极绑带；19、第四电极绑带；2、激光雷达系统；3、信息处理与控制系统；4、乒乓球机器人。具体实施方式为进一步了解本专利技术的内容，结合附图和实施例对本专利技术作详细描述。实施例1结合图1和图3本实施例的用于采集旋球信息的肌电信号采集套1，包括肌电信号采集与处理系统、下臂信号采集套11和上臂信号采集套17，所述下臂信号采集套11和上臂信号采集套17通过弹性连接套16连接。该弹性连接套16可以为弹性布料缝制而成，穿戴时可以调整相对位置，不会影响运动员击球时的动作。肌电信号采集与处理系统包括检测电极、前置调理电路板、采集卡和处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，其特征在于，包括：肌电信号采集套(1)，穿戴在运动员握拍上肢上，用于采集和处理来球的旋转信息；激光雷达(2)，用于实时采集和处理来球的位置信息和速度信息；信息处理与控制装置，该装置与肌电信号采集套(1)、激光雷达(2)信号连接，用于接收来球的旋转信息、位置信息和速度信息，并根据期望回球落点位置计算击球总时间，以及在对应时刻的击球姿态和击球力，再编译回球控制指令发送给乒乓球机器人(4)的控制系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，其特征在于，包括：肌电信号采集套(1)，穿戴在运动员握拍上肢上，用于采集和处理来球的旋转信息；激光雷达(2)，用于实时采集和处理来球的位置信息和速度信息；信息处理与控制装置，该装置与肌电信号采集套(1)、激光雷达(2)信号连接，用于接收来球的旋转信息、位置信息和速度信息，并根据期望回球落点位置计算击球总时间，以及在对应时刻的击球姿态和击球力，再编译回球控制指令发送给乒乓球机器人(4)的控制系统。2.根据权利要求1所述的一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，其特征在于：所述肌电信号采集套(1)包括肌电信号采集与处理系统、下臂信号采集套(11)和上臂信号采集套(17)，所述下臂信号采集套(11)和上臂信号采集套(17)通过弹性连接套(16)连接。3.根据权利要求2所述的一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，其特征在于：所述下臂信号采集套(11)和上臂信号采集套(17)均包括绑带和气囊带(12)，相邻的绑带通过气囊带(12)连接，在绑带内侧设置检测电极，在气囊带(12)排气状态下，位于绑带内侧的检测电极与手臂贴合，用于检测击球时的肌电信号。4.根据权利要求3所述的一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，其特征在于：所述下臂信号采集套(11)中绑带上的检测电极对应于肱桡肌和桡侧弯曲肌区域。5.根据权利要求3所述的一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，其特征在于：所述上臂信号采集套(17)中绑带上的检测电极对应于肱二头肌和肱三头肌区域。6.根据权利要求3～5中任一项所述的一种基于肌电信号的陪练乒乓球机器人回球方式的预测系统，其特征在于：所述气囊带(12)两侧为波纹带，相邻的气囊带(12)之间通...

【专利技术属性】
技术研发人员：王璐，葛科铎，谢能刚，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34