毽球机器人及控制方法技术

毽球机器人及控制方法属于机器人领域。本发明专利技术提供一种能够在三维空间活动的毽球机器人及控制方法。包括运行轨道部分、击球部分及视觉部分，在纵向轨道上设置有纵向滑块，在横向轨道上设置有横向滑块；纵向、横向同步带分别与电机相连；在横向滑块上设置有击球部分，球拍的轴与电机的轴相连；视觉部分包括两个互相垂直的摄像头；在电机内部设置有传感器。其控制方法：采集图像进行二值化处理，提取毽球图像坐标，将毽球图像坐标转换为实际坐标；建立三维直角坐标系，求取毽球的三维坐标；对坐标进行卡尔曼滤波；进行轨迹预估；通过传感器检测球拍信息，与预估坐标一起传入信号控制系统，由伺服系统控制电机完成机器人沿轨道的运行及击球的动作。

【技术实现步骤摘要】

-本专利技术属于机器人领域，特别涉及一种能够在三维空间活动的。技术背景-自1959年第一台真正意义上的机器人在美国诞生，机器人技术经历了飞速的发展，其发 展方向也日趋智能化、专业化。在体育机器人系统的开发过程中，不仅要综合人工智能、精 密机械、通讯与计算机技术等，而且还涉及图像处理、传感器数据融合、决策与对策等多学 科的内容。毽球机器人作为体育机器人众多分支中的一.支，已成为国内外各科研机构、学术 单位重点发展的项目。然而，由于传统的体育机器人对于数据的处理及动作反馈大多局限于 二维空间，使其视觉系统对物体位置的预判效果不好，导致对物体的识别和定位不够精确。 体现在毽球机器人上，就是毽球机器人对毽球位置的预判效果不好，导致对毽球的识别和定 位不够精确。
技术实现思路
本专利技术针对现有体育机器人对于数据的处理及动作反馈仅局限于二维空间的问题，提供 一种能够在三维空间活动的。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案， 一种毽球机器人，包括运行轨道部分、击球部分及视觉部分，所述的运行轨道部分包括具有纵向轨道的底座，在纵向轨^:'上设置有可在纵向轨道上运动的上方具有横向轨道的纵向滑块，-在纵向滑块的横向轨道上设置有可在横向轨道上运动的横向滑块；在纵向轨道间、横向轨道间分别设置有纵向同步带、横向同步 带，纵向同步带、横向同步带分别与底座侧方的纵向控制电机、横向控制电机相连；在横向 滑块上设置有所述的击球部分，所述的击球部分包括固定有球拍的底板，球拍的轴与电机的 蜗轮减速器的轴相连；所述的视觉部分包括设置在毽球场地上方的与毽球机器人控制系统相 连的两个互相垂直的摄像头；在轨道部分的纵向控制电机、横向控制电机及击球部分的电机 内部设置有检测球拍角度及位置信息的传感器。所述的毽球机器人的控制方法，包括如下步骤步骤一通过两个互相垂直的摄像头采集两幅互相垂直的二维平面图像，并通过OPENCV 软件将采集到的二维平面图像进行二值化处理，得到两幅二值图像；最后在两幅二值图像中 提取出毽球的图像坐标，并对提取的毽球的图像坐标进行图像径向畸变和投影畸变的校正， 将毽球的图像坐标转换为相对于场地的实际坐标；步骤二根据两幅互相垂直的二值图像建立三维直角坐标系，在三维直角坐标系中确定 毽球在水平二值图像中的实际坐标P^Xb y" O)及毽球在垂直二值图像中的实际坐标P2(0, y2， z2);测得垂直摄像头在三维直角坐标系中的实际坐标Pd (x山y。,，Zd)及水平摄像头在三维直角坐标系中的实际坐标PC2(Xe2，ye2，Z。2);连接^与PC:，得到空间直线U，连接P2与PC2，得到空间直线L2，空间直线"、L2的公垂线段的中点Pt(Xt,yt,Zt)即为毽球在三维直角坐标系 中的坐标；步骤三对步骤二中求得的毽球在三维直角坐标系中的坐标Pt(Xt，yt，Zt)进行卡尔曼滤波，得到一个滤波后的毽球在三维直角坐标系中的坐标Pt' (Xt，yt，Zt);步骤四通过力学分析得到毽球的轨迹运动方程；再结合步骤三中得到的滤波后的毽球 在三维直角坐标系中的坐标Pt' (xt,yt,zt)，用最小二乘法进行轨迹预估；预估得到毽球下一 时刻落点的三维坐标P(Xp, yP, Zp)，并将该点的坐标传入信号控制系统；步骤五通过设置在轨道部分及击球部分的电机内部的传感器，检测球拍的角度信息及位置信息，并以电压信号传入信号控制系统；信号控制系统再结合步骤四中得到的毽球下一时刻落点的三维坐标P(Xp，yp，Zp)，计算出毽球机器人的'运动量，并通过电机伺服控制系统控制电机，完成毽球机器人沿轨道的运行及击球的动作；即由纵向控制电机及横向控制电机带动击球部分在水平轨道部分运动，而后再控制击球部分的电机执行击球动作。所述的对图像坐标进行图像径向畸变和投影畸变的校正，将毽球的图像坐标转换为相对 于场地的实际坐标，具体实现过程如下(1) 对两个互相垂直的摄像头所视毽球场地沿场地内沿分别加以标定，以场地左上角为 原点，测出标定点的实际坐标；并通过在图像中点击标定点得出标定点的图像坐标；(2) 利用径向畸变的多项式标定方法，建立实际坐标(xw， yw)与图像坐标(u， v)之 间的三次多项式关系:<formula>formula see original document page 7</formula>(3) 根据步骤(1)中测出的标定点的实际坐标及图像坐标，利用最小二乘法解超定方程组<formula>formula see original document page 7</formula>[y, - (6。 + Vu +…+)ki = o [乂-(Wd+…+V'丄=0,=1(3)其中，",( 0,1,2…9)， W!、0,l，2…9)为参数，求出",(/ = 0，1,2...9)， = 0,1,2…9)的值；即建立了图像坐标与实际坐标之间的映射关系；(4)根据步骤(3)中建立的图像坐标与实际坐标之间的映射关系，及步骤一中在两幅 二值图像中提取出的毽球的图像坐标，求出毽球相对于毽球场地的实际坐标。所述的毽球在三维直角坐标系中的坐标Pt Oct, yt, Zt)的具体计算过程如下(1)求取空间直线"、L2的方程 空间直线L"'y一A空间直线L2;c一x，y一h(4)(5)一 乂2 _少2 Zc2(2) 以距离平方和为目标函数的求取似0,，;^)=《20,,;^,2,) + ^22"，；^) (6)其中，M(x,，^z,)'为目标函数，《，A分别为毽球在三维直角坐标系中的坐标Pt(Xt， yt, Zt)距空间直线；^的距离；(3) 毽球在三维直角坐标系中的坐标Pt (xt， yt， Zt)的求得对步骤(2)中求取的目标函数M"'，y'，z')分别求关于W(，z'的偏导数，联立成方程组:9x,3M(x'，x，z,)=0 =0 =0(7)求解此方程组，得到毽球在三维直角坐标系中的坐标Pt (Xt, yt, Zt)的坐标值( 所述的轨迹预估的具体过程^口下建立空气阻力模型<formula>formula see original document page 9</formula>(8)其中，k为毽球的固有参数，在空气密度基本不变的情况下与其体积及形状有关; 此外，毽球还受重力，<formula>formula see original document page 9</formula>(9)<formula>formula see original document page 9</formula>(10)附根据牛顿运动学定律，又有<formula>formula see original document page 9</formula>(11)由于毽球是在三维空间内运动，现将毽球的运动分解为三个沿轴方向上运动的分量，综合以上方程，最终得到毽球轨迹的运动方程<formula>formula see original document page 9</formula>以X方向为例:(13)<f本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种毽球机器人，其特征在于，包括运行轨道部分（１）、击球部分（１２）及视觉部分，所述的运行轨道部分（１）包括具有纵向轨道（２）的底座（９），在纵向轨道（２）上设置有可在纵向轨道（２）上运动的上方具有横向轨道（５）的纵向滑块（４），在纵向滑块（４）的横向轨道（５）上设置有可在横向轨道（５）上运动的横向滑块（７）；在纵向轨道（２）间、横向轨道（５）间分别设置有纵向同步带（３）、横向同步带（６），纵向同步带（３）、横向同步带（６）分别与底座（９）侧方的纵向控制电机（１０）、横向控制电机（８）相连；在横向滑块（７）上设置有所述的击球部分（１２），所述的击球部分（１２）包括固定有球拍（１７）的底板（１３），球拍（１７）的轴（１６）与电机（１１）的蜗轮减速器（１４）的轴（１５）相连；所述的视觉部分包括设置在毽球场地上方的与毽球机器人控制系统相连的两个互相垂直的摄像头；在轨道部分（１）的纵向控制电机（１０）、横向控制电机（８）及击球部分（１２）的电机（１１）内部设置有检测球拍（１７）角度及位置信息的传感器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：满永奎，胡景新，原所先，秦娜娜，赵亮，刘膑生，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]