一种捡乒乓球机器人本体及乒乓球运动轨迹建模方法技术

本发明专利技术公开了一种捡乒乓球机器人本体及乒乓球运动轨迹建模方法，其中捡乒乓球机器人包括机器人本体

【技术实现步骤摘要】
一种捡乒乓球机器人本体及乒乓球运动轨迹建模方法


[0001]本专利技术涉及机器人技术和机械设计领域，具体涉及一种捡乒乓球机器人本体及乒乓球运动轨迹建模方法
。

技术介绍

[0002]在传统的乒乓球制造工厂，其生产过程中存在着因流水线设备误差导致的乒乓球掉落的风险，导致需要消耗人工进行乒乓球捡拾任务，很大程度上降低了生产效率
、
浪费了生产成本
。
同时，乒乓球是人们在日常生活中非常热爱的体育活动，由于其场地较容易搭建
、
活动设备平价且轻便，所以受到了各个年龄段人们的欢迎
。
一般打乒乓球是对弈双方自己跑来跑去捡球，但在大型运动场地和专业的训练场上，重复去捡乒乓球是一个耗时耗力的事情，尤其是对于残疾人运动员，其自身活动不便，捡乒乓球对于他们来说更是麻烦，因此捡乒乓球机器人的存在不可或缺
。
[0003]现有的捡乒乓球机器人技术仍不够完备，比如机械臂捡球机器人，其为保证捡球成功率，机械臂捡球的力度必须较大，可能会夹碎乒乓球，故一般不采用；扇叶捡球机器人利用风力将乒乓球吸入收集装置中，但会吸入尘土及其他杂物；集球网捡球机器人使用弹性带的弹性进行捡球，但是弹性带经常在地上摩擦容易变脏且安装较为麻烦；收割机捡球机器人类似收割机，使用毛刷进行捡球，但会将一些杂物捡入收集框，且体积较大，有一定的危险性
。

技术实现思路

[0004]1、
捡乒乓球机器人本体
[0005]为了实现在各种复杂场景下无障碍捡拾乒乓球，本专利技术提出了一种捡乒乓球机器人，可通过毛刷将边角处
、
转弯处等位置的乒乓球扫出来，便于进行正常捡球过程
。
所述机器人包括机器人本体
、
导航传感器
、
视觉识别元件
、
控制电路板及电源
。
所述机器人本体包括底盘部分
、
聚拢收集部分
、
储球部分及外壳主体，能够为乒乓球运动轨迹建模提供参考
。
[0006]所述底盘部分包括底板
、
四个轮子
、
电机
、
连接件
、
机底盒
。
底板呈矩形，中间挖空，为电路板
、
电线和电源的安置预留了空隙
。
轮子选用麦克纳姆轮，四个麦克纳姆轮分别与四个电机通过连接件相连，固定在机器人底板上，麦克纳姆轮可以实现全方位运动，使得机器人在收集小球时更加灵活快捷
。
机底盒安装在底板下方，用于安放控制电路板
、
电线和电源
。
[0007]所述聚拢收集部分包括支架
、
摩擦轮
、
聚拢触手
、
毛刷
。
支架安装在机器人底板的前端，两个摩擦轮呈对称固定在支架的斜面下侧，左侧摩擦轮逆时针转动，右侧摩擦轮顺时针转动
。
聚拢触手安装在支架左右两侧向前伸出部分，毛刷固定在聚拢触手上方
。
当机器人识别到乒乓球时，通过自主导航到指定位置，两个毛刷随即以固定的速度转动，将乒乓球扫入可触及范围内，机器人前进收集乒乓球时，聚拢触手阻挡球体乱跑，将其聚拢到摩擦轮中间
。
当乒乓球被送到两个摩擦轮之间时，摩擦轮的同速转动会给予其一个向上的初速度，将
乒乓球顺利送入储球盒中
。
[0008]所述储球部分包括两个固定底座
、
储球盒
、
储球挡板
。
两个固定底座固定在机器人底板后端，用于固定储球盒
。
储球盒可拆卸，与固定底座嵌合在一起，左侧
、
右侧
、
后侧的上方皆有长方形小孔，用于连接储球挡板
。
储球挡板呈半包围状，用以防止小球进入储球盒时因抛掷过高而弹出，下侧有三个卡扣用来和储球盒相连
。
[0009]所述外壳主体包括外壳
、
引导面
、
支撑板
。
外壳包括两个轮壳和主体壳，主体壳中空部分固定一个用于帮助乒乓球顺利进入储球盒的引导面
。
主体壳罩在底板前端，以螺丝压合的方式与底板固定在一起，使连接更加牢固
、
不易损坏
。
两个轮壳罩在两个前侧轮子上方，用螺丝和主体壳
、
底板连接在一起，使得机器人整体更加美观
。
支撑板通过铜柱固定在外壳前侧上方
。
[0010]所述导航传感器包括激光雷达，用铜柱安装在支撑板上方
。
所述视觉识别元件包括摄像头，位于外壳前侧上方，摄像头的左侧为电量显示器，通过数码管显示当前电池电量，方便及时充电和更换电池；摄像头右侧依次为开关按钮和复位按钮，便于手动调试和操作机器人
。
[0011]2、
乒乓球运动轨迹建模方法
[0012]为了使机器人在捡拾乒乓球的过程中能够将乒乓球准确的抛入储球盒中，实现精准
、
快速的自动捡球过程，本专利技术提出一种以所述捡乒乓球机器人本体为参考进行乒乓球运动轨迹建模方法
。
[0013]乒乓球运动过程包括以下步骤：首先，摩擦轮给予其初速度；然后，乒乓球进入支架斜面；最后，乒乓球经由引导面被抛入储球盒
。
在捡乒乓球机器人设计和运动控制过程中，支架斜面倾斜角度
α
和乒乓球初速度
V
m
是两个关键参数，如果该参数设计不合理，将导致乒乓球不能按照预期的轨迹抛入储球盒中
。
本专利技术从忽略空气阻力
、
计算空气阻力和计算空气阻力与机器人自身运动三个场景进行分析，得出不同条件下乒乓球初速度与支架斜面倾斜角度之间的耦合关系，从而获得最优控制参数，优化捡球过程
。
[0014]机器人静止不动时
(
比如调试机器人程序
、
单纯测试摩擦轮作用下乒乓球是否能抛到储球盒中
)
应用第二种方案，机器人实际运动捡球时应用第三种，因为机器人在实际捡球过程中会运动
。
[0015]忽略空气阻力这种是提供了一种思考方式，乒乓球迎风面积较小，空气阻力也比较小
。
提供一种忽略空气阻力的推导过程，也是为后来的两种场景做个铺垫，让推导过程更好理解
。
[0016](1)
忽略空气阻力时
[0017]第一阶段：设定乒乓球与引导面斜面之间无摩擦力或是忽略摩擦力，并且重力与空气阻力均取理想值
。
乒乓球由静止状态被卷入两个摩擦轮之间，在摩擦轮的带动下进行加速，
m
为乒乓球的质量，
M
为摩擦轮的质量，
R
M
为摩擦轮的半径，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种捡乒乓球机器人，其特征在于，包括机器人本体
、
导航传感器
、
视觉识别元件
、
控制电路板及电源；其中机器人本体包括底盘部分
、
聚拢收集部分
、
储球部分及外壳主体；所述底盘部分包括底板
、
四个轮子
、
电机
、
连接件
、
机底盒；底板呈矩形，中间挖空，为电路板
、
电线和电源的安置预留了空隙；轮子选用麦克纳姆轮，四个麦克纳姆轮分别与四个电机通过连接件相连，固定在机器人底板上；机底盒安装在底板下方，用于安放控制电路板
、
电线和电源；所述聚拢收集部分包括支架
、
摩擦轮
、
聚拢触手
、
毛刷；支架安装在机器人底板的前端，两个摩擦轮呈对称固定在支架的斜面下侧，左侧摩擦轮逆时针转动，右侧摩擦轮顺时针转动；聚拢触手安装在支架左右两侧向前伸出部分，毛刷固定在聚拢触手上方；所述储球部分包括两个固定底座
、
储球盒
、
储球挡板；两个固定底座固定在机器人底板后端，用于固定储球盒；储球盒可拆卸，与固定底座6嵌合在一起，左侧
、
右侧
、
后侧的上方皆有长方形小孔，用于连接储球挡板；储球挡板呈半包围状，下侧有三个卡扣用来和储球盒相连；所述外壳主体包括外壳
、
引导面
、
支撑板；外壳包括两个轮壳和主体壳，主体壳中空部分固定引导面；主体壳罩在底板前端，两个轮壳罩在两个前侧轮子上方；支撑板
21
通过铜柱固定在外壳前侧上方；所述导航传感器包括激光雷达，用铜柱安装在支撑板上方；所述视觉识别元件包括摄像头，位于外壳前侧上方，摄像头的左侧为电量显示器，右侧依次为开关按钮和复位按钮
。2.
应用如权利要求1所述一种捡乒乓球机器人的乒乓球运动轨迹建模方法，其特征在于，乒乓球运动过程包括以下步骤：首先，摩擦轮给予其初速度；然后，乒乓球进入支架斜面；最后，乒乓球经由引导面被抛入储球盒；在捡乒乓球机器人设计和运动控制过程中，支架斜面倾斜角度
α
和乒乓球初速度
V
m
是两个关键参数，如果该参数设计不合理，将导致乒乓球不能按照预期的轨迹抛入储球盒中；从忽略空气阻力
、
计算空气阻力和计算空气阻力与机器人自身运动三个场景进行分析，得出不同条件下乒乓球初速度与支架斜面倾斜角度之间的耦合关系，从而获得最优控制参数，优化捡球过程；机器人静止不动时，包括调试机器人程序
、
单纯测试摩擦轮作用下乒乓球是否能抛到储球盒中应用第二种方案，机器人实际运动捡球时应用第三种，因为机器人在实际捡球过程中会运动；
(1)
忽略空气阻力时第一阶段：设定乒乓球与引导面斜面之间无摩擦力或是忽略摩擦力，并且重力与空气阻力均取理想值；乒乓球由静止状态被卷入两个摩擦轮之间，在摩擦轮的带动下进行加速，
m
为乒乓球的质量，
M
为摩擦轮的质量，
R
M
为摩擦轮的半径，
ω
为摩擦轮的角速度，则：乒乓球的动能：摩擦轮的转动惯量：摩擦轮的动能：其中乒乓球的动能由摩擦轮赋予，由于乒乓球的质量
m
远小于摩擦轮的质量
M
，所以乒
乓球从摩擦轮获取的动能远小于摩擦轮本身的动能，在卷起乒乓球的过程中，摩擦轮的转速下降极小，可视为不变；由于摩擦轮摩擦系数较大，所以乒乓球与摩擦轮之间无相对滑动，乒乓球在极短的时间里达到与摩擦轮一起运动的速度，所以摩擦轮边缘的线速度视为乒乓球在离开摩擦轮时的初速度
V
m
；第二阶段：乒乓球离开摩擦轮后进入支架斜面，在忽略空气阻力的情况下，只受重力和支持力，乒乓球在支架斜面上做匀减速运动；
F
＝
mg sin
α
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)V
q2
‑
V
m2
＝
2aX
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
其中，
g
为重力加速度，
α
为支架斜面倾斜角度即支架斜面与水平面夹角，
X
为支架斜面的长度，
V
q
为乒乓球离开支架斜面时的运动速度，
V
m
为乒乓球在离开摩擦轮时的初速度；第三阶段：乒乓球在离开支架斜面后做斜抛运动，经由引导面抛入储球盒，在忽略空气阻力时，乒乓球的运动轨迹为标准的抛物线；此阶段只受重力影响，在水平方向上不受力；设
V
qx
为
V
q
水平方向速度分量，
V
qy
为
V
q
竖直方向速度分量，
t
为乒乓球离开支架斜面后的运动时间，以水平方向为
x
轴，竖直方向为
y
轴建立坐标系得：轴建立坐标系得：设乒乓球竖直方向位移为
Y
L

【专利技术属性】
技术研发人员：范青武，宋昕原，介文洋，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：