一种智能捡球机器人及其机械臂控制方法技术

本发明专利技术公开一种智能捡球机器人包括检测装置、移动装置、拾取装置和电能储存装置；检测装置、拾取装置和电能储存装置都设置在移动装置上。检测装置包括摄像头，通过支杆设置在移动装置上，摄像头倾斜对准移动装置的正前方；移动装置上设置有直流电机和电机驱动板，通过电机驱动板进行PWM调速控制直流电机转动，控制移动装置前进、后退或者转弯；拾取装置包括机械臂底座7、机械臂和舵机驱动板，舵机驱动板用于驱动机械臂的运动，舵机驱动板设置在距离机械臂底座处，通过运动规划使机械臂末端到达空间中的某个位置。本发明专利技术采取自主化智能捡球模式，实现寻物、移动、抓取、装框，装置精简，抓取范围广，并能抓取各个方向的小球。

【技术实现步骤摘要】
一种智能捡球机器人及其机械臂控制方法
本专利技术是一种智能捡球机器人及其机械臂控制方法，属于智能机器人

技术介绍
体育活动渐渐成为我们日常生活不可替代的部分，在篮球、网球、乒乓球、羽毛球的训练场地看到球童或工作人员帮忙捡球，费时费力，现有技术中，一般基于单片机进行捡球，例如基于STM32的智能小型机械臂设计，识别情况易受环境干扰，背光一侧识别到向光一侧可能就识别不到，捡球不准确，识别速度慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，公开一种智能捡球机器人及其机械臂控制方法，采用机器视觉技术对目标物体色块进行精准识别与定位，将目标物体色块的位置信息发送给舵机驱动板，从而控制小车与机械臂。识别装置保证了识别目标物体色块的精度与准确度，且速度快。识别装置与控制装置的良好通信确保了小车与机械臂的动作顺利进行。本专利技术具体技术方案为：一种智能捡球机器人，包括检测装置、移动装置、拾取装置和电能储存装置；检测装置、拾取装置和电能储存装置都设置在移动装置上。检测装置包括摄像头，通过支杆设置在移动装置上，摄像头倾斜正对移动装置的正前方；移动装置上设置有直流电机和电机驱动板，通过电机驱动板进行PWM调速控制直流电机转动，控制移动装置移动；拾取装置包括机械臂底座、机械臂和舵机驱动板，舵机驱动板用于驱动机械臂的运动，舵机驱动板设置在距离机械臂底座处，通过运动规划使机械臂末端到达空间中的某个位置。机械臂包括舵机和机械手，舵机包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和第五舵机；所述第一舵机固定设置在机械臂底座上，第一舵机与第二舵机通过第一支架相连接；第二舵机与第三舵机通过第二支架相连接，第三舵机与第四舵机通过第三支架相连接，第四舵机与第五舵机通过第四支架相连接，第五舵机连接机械手。第一舵机用于控制方向，第五舵机控制机械手的开合，第二舵机、第三舵机和第四舵机用于控制旋转角度。所述第一支架和第四支架为固定支架，第二支架为两节U形支架，第三支架为U形支架。一种智能捡球机器人，进行捡球具体包括以下步骤：S1，采集目标物体色块的阈值；S2，通过图像处理得到目标物体色块的位置信息，获取目标物体色块的中心点坐标，目标物体色块中心与机械臂底座之间的距离a，判断机械臂是否可达，机械臂不可达，进入步骤S3，机械臂可达，进入步骤S4；S3，通过舵机驱动板控制电机驱动板，电机驱动板收到舵机驱动板发出的指令进行PWM调速控制电机转动快慢，控制移动装置前进(两个直流电机转速相同且都为正转)、后退(两个直流电机转速相同且都为反转)或者转弯(两个直流电机转速不同)；S4，驱动移动装置与机械臂的舵机驱动板上接收到了关于物体色块的位置信息，根据所述位置信息，计算机械臂的舵机转动的角度和电机转动时间。步骤S2具体包括以下步骤：对识别到的色块获取色块中心点的坐标(blob.cx,blob.cy)，将目标物体色块中心的y坐标blob.cy标记为y,y＝blob.cy；目标物体色块中心与机械臂底座之间的距离a通过摄像头获取到的目标物体色块中心的y坐标值计算；选取一个用于参考的y坐标，用于参考的y坐标将目标物体色块放在机械臂正前方能抓取到的位置，记录此时的y坐标，记为y_r，机械臂能抓取到的最近目标物体色块的中心坐标ymax＝y_r+f，能抓取到的最远目标物体色块的中心坐标ymin＝y_r-e，当y_t>y_r+f时或者y_t<y_r-e时，机械臂不可达，驱动移动装置移动，否则，机械臂可达，进入步骤S4，y_t为当前目标物体色块中心y坐标值，f为机械臂能抓取到的最近目标物体色块的中心y坐标与参考目标物体色块的中心y坐标的最大增量，e为能抓取到的最远目标物体色块的中心y坐标与参考目标物体色块的中心y坐标的最大增量的绝对值；步骤S3具体包括以下步骤：控制电机驱动板上的逻辑输入引脚IN1和IN2输入高电平1或低电平0，确定电机的转动方向，对使能端输出PWM脉冲，计算驱动直流电机转动时间，进行直流电机调速；计算驱动直流电机转动时间具体包括以下步骤：当y_t<y_r-e，目标物体色块位于机械臂够不到的位置，此时驱动直流电机正转时间为：(y_r-e-y)*h(ms)，h为电机转动系数；当y_r-e≤y_t≤y_r+f目标物体色块处于能被机械臂抓取到的位置，直流电机不转动，直接控制机械臂，进入步骤S4；当y_t>y_r+f目标物体色块距离机械臂过近，此时驱动直流电机反转时间为：(y_r+f-y)*h(ms)；步骤S4具体包括以下步骤：获取的目标物体色块的中心到机械臂底座距离为a，第四舵机距离地面高度为b；若则机械臂可达；进行舵机转动角度计算，然后驱动机械臂完成捡球动作若则机械臂不可达，需要驱动移动装置到达机械臂可到达的范围内，然后进行舵机转动角度计算，进而驱动机械臂完成捡球动作；舵机转动角度θ计算公式为：L0+c+L1cosθ1＝b+L2sin[θ2-(90°-θ1)]L0+c+L1cosθ1＝b-L2cos(θ1+θ2)①L1sinθ1+L2cos[θ2-(90°-θ1)]+L3＝a+L4L3+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)＝a+L4②θ1、θ2和θ3以连接舵机的前一连杆延长线为起始线进行的度量，顺时针转过为正，逆时针转过为负；以L0的延长线为起始线，第二舵机驱动第二舵机与第三舵机之间的大臂顺时针转过的角度为θ1，第二舵机驱动第二舵机与第三舵机之间的大臂逆时针转过的角度为-θ1；L0为第一舵机与第二舵机之间的连杆长度，θ1为第二舵机旋转角度，第一舵机到地面的高度为c；L1为第二舵机与第三舵机之间大臂的长度，θ2为第三舵机旋转角度；L2为第三舵机与第四舵机之间小臂的长度，θ3为第四舵机旋转角度；L3为第四舵机与第五舵机之间的连杆长度，第四舵机到地面的高度为b；L4为第五舵机与目标物体色块的水平距离，θ4为第五舵机旋转角度；第一舵机转动角度为θ0，第二舵机转动角度为θ1，第三舵机转动角度为θ2，第四舵机转动角度为θ3，第五舵机转动角度为θ4，控制机械手的开合；联立①和②L0+c+L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)＝bL3+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)＝a+L4则：令则：cosθ2＝uθ2＝arcosu代入①式得：L1cosθ1+L2cosθ1cosθ2-L2sinθ1sinθ2＝b-L0-c整理得：令则：整理可得：Xm2+Ym+Z＝0X＝b-L0-c+L1+uL2Z＝b-L0-c-L1-uL2解得90°-θ1-θ3＝θ2第一舵机的驱动过程具体包括以下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能捡球机器人，其特征在于，包括检测装置、移动装置、拾取装置和电能储存装置；/n检测装置、拾取装置和电能储存装置都设置在移动装置上；/n检测装置包括摄像头，通过支杆设置在移动装置上，摄像头倾斜正对移动装置的正前方；/n移动装置上设置有直流电机和电机驱动板，通过电机驱动板进行PWM调速控制直流电机转动，控制移动装置移动；/n拾取装置包括机械臂底座、机械臂和舵机驱动板，舵机驱动板用于驱动机械臂的运动，舵机驱动板设置在距离机械臂底座处，通过运动规划使机械臂末端到达空间中的某个位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种智能捡球机器人，其特征在于，包括检测装置、移动装置、拾取装置和电能储存装置；
检测装置、拾取装置和电能储存装置都设置在移动装置上；
检测装置包括摄像头，通过支杆设置在移动装置上，摄像头倾斜正对移动装置的正前方；
移动装置上设置有直流电机和电机驱动板，通过电机驱动板进行PWM调速控制直流电机转动，控制移动装置移动；
拾取装置包括机械臂底座、机械臂和舵机驱动板，舵机驱动板用于驱动机械臂的运动，舵机驱动板设置在距离机械臂底座处，通过运动规划使机械臂末端到达空间中的某个位置。


2.根据权利要求1所述的一种智能捡球机器人，其特征在于，
机械臂包括舵机和机械手，舵机包括第一舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和第五舵机；所述第一舵机固定设置在机械臂底座上，第一舵机与第二舵机通过第一支架相连接；第二舵机与第三舵机通过第二支架相连接，第三舵机与第四舵机通过第三支架相连接，第四舵机与第五舵机通过第四支架相连接，第五舵机连接机械手；
第一舵机用于控制方向，第五舵机控制机械手的开合，第二舵机、第三舵机和第四舵机用于控制旋转角度。


3.根据权利要求2所述的一种智能捡球机器人，其特征在于，
所述第一支架和第四支架为固定支架，第二支架为两节U形支架，第三支架为U形支架。


4.根据权利要求2所述的一种智能捡球机器人，其特征在于，
进行捡球具体包括以下步骤：
S1，采集目标物体色块的阈值；
S2，通过图像处理得到目标物体色块的位置信息，获取目标物体色块的中心点坐标，目标物体色块中心与机械臂底座之间的距离a，判断机械臂是否可达，机械臂不可达，进入步骤S3，机械臂可达，进入步骤S4；
S3，通过舵机驱动板控制电机驱动板，电机驱动板收到舵机驱动板发出的指令进行PWM调速控制电机转动快慢，控制移动装置前进、后退或者转弯；
S4，驱动移动装置与机械臂的舵机驱动板上接收到了关于物体色块的位置信息，根据所述位置信息，计算机械臂的舵机转动的角度和电机转动时间。


5.根据权利要求4所述的一种智能捡球机器人，其特征在于，
步骤S2具体包括以下步骤：
对识别到的色块获取色块中心点的坐标(blob.cx,blob.cy)，将目标物体色块中心的y坐标blob.cy标记为y,y＝blob.cy；
目标物体色块中心与机械臂底座之间的距离a通过摄像头获取到的目标物体色块中心的y坐标值计算；
选取一个用于参考的y坐标，用于参考的y坐标将目标物体色块放在机械臂正前方能抓取到的位置，记录此时的y坐标，记为y_r，机械臂能抓取到的最近目标物体色块的中心坐标ymax＝y_r+f，能抓取到的最远目标物体色块的中心坐标ymin＝y_r-e，当y_t>y_r+f时或者y_t<y_r-e时，机械臂不可达，驱动移动装置移动，否则，机械臂可达，进入步骤S4，y_t为当前目标物体色块中心y坐标值，f为机械臂能抓取到的最近目标物体色块的中心y坐标与参考目标物体色块的中心y坐标的最大增量，e为能抓取到的最远目标物体色块的中心y坐标与参考目标物体色块的中心y坐标的最大增量的绝对值；
步骤S3具体包括以下步骤：控制电机驱动板上的逻辑输入引脚IN1和IN2输入高电平1或低电平0，确定电机的转动方向，输出PWM脉冲，计算驱动直流电机转动时间，进行直流电机调速；
计算驱动直流电机转动时间具体包括以下步骤：
当y_t<y_r-e，
目标物体色块位于机械臂够不到的位置，此时驱动直流电机正转时间为：(y_r-e-y)*h(ms)，h为电机转动系数；
当y_r-e≤y_t≤y_r+f
目标物体色块处于能被机械臂抓取到的位置，直流电机不转动，直接控制机械臂，进入步骤S4；
当y_t>y_r+f
目标物体色块距离机械臂过近，此时驱动直流电机反转时间为：(y_r+f-y)*h(ms)；
步骤S4具体包括以下步骤：
获取的目标物体色块的中心到机械臂底座距离为a，第四舵机距离地面高度为b；
若则机械臂可达；进行舵机转动角度计算，然后驱动机械臂完成捡球动作
若则机械臂不可达，需要驱动移动装置到达机械臂可到达的范围内，然后进行舵机转动角度计算，进而驱动机械臂完成捡球动作；
舵机转动角度θ计算公式为：
L0+c+L1cosθ1＝b+L2sin[θ2-(90°-θ1)]
L0+c+L1cosθ1＝b-L2cos(θ1+θ2)①
L1sinθ1+L2cos[θ2-(90°-θ1)]+L3＝a+L4
L3+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)＝a+L4②
θ1、θ2和θ3以连接舵机的前一连杆延长线为起始线进行的度量，顺时针转过为正，逆时针转过为负；
以L0的延长线为起始线，第二舵机驱动第二舵机与第三舵机之间的大臂顺时针转过的角度为θ1，第二舵机驱动第二舵机与第三舵机之间的大臂逆时针转过的角度为-θ1；
L0为第一舵机与第二舵机之间的连杆长度，θ1为第二舵机旋转角度，第一舵机到地面的高度为c；
L1为第二舵机与第三舵机之间大臂的长度，θ2为第三舵机旋转角度；
L2为第三舵机与第四舵机之间小臂的长度，θ3为第四舵机旋转角度；
L3为第四舵机与第五舵机之间的连杆长度，第四舵机到地面的高度为b；
L4为第五舵机与目标物体色块的水平距离，θ4为第五舵机旋转角度；
第一舵机转动角度为θ0，第二舵机转动角度为θ1，第三舵机转动角度为θ2，第四舵机转动角度为θ3，第五舵机转动角度为θ4，控制机械手的开合；
联立①和②
L0+c+L1cosθ1+L2cos(θ1+θ2)＝b
L3+L1sinθ1+L2sin(θ1+θ2)＝a+L4
则：
令
则：cosθ2＝uθ2＝arcosu



代入①式得：L1cosθ1+L2cosθ1cosθ2-L2sinθ1sinθ2＝b-L0-c
整理得：
令则：



整理可得：Xm2+Ym+Z＝0
X＝b-L0-c+L1+uL2



Z＝b-L0-c-L1-uL2
解得



90°-θ1-θ3＝θ2



第一舵机的驱动过程具体包括以下步骤：
如果目标物体色块位于机械臂正前方，通过输出占空比1500实现对第一舵机的控制；当目标物体位于机械臂的左边一侧或右边一侧时，第一舵机输出占空比Y1与目标物体色块中心的像素点坐标左右偏差X成一次线性关系；
X＝blob.cx-img.width/2；
blob.cx为目标物体色块中心x坐标，img.width为摄像头拍摄图片的像素点宽度；
Y1＝1500-5XX≧0
Y1＝1500-7.5XX<0...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋书波，钱程，于文伟，张浩楠，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32