乒乓球拾球機(jī)器裝置計(jì)算設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u14244第一章緒論 2199091.1選題背景與意義 2266941.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 3106891.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 5315591.4本文研究?jī)?nèi)容 610750第二章總體方案設(shè)計(jì) 8175182.1設(shè)計(jì)思路 841162.2工作原理 828725第三章關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1027613.1葉輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10157703.2行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10171973.3吸球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13100643.4扭盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14285483.5儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1532635第四章元器件與電氣選型 176534.1能源的選擇 17231414.2減速電機(jī)的選擇 174824.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 18183834.4吸球風(fēng)扇的選擇 1993544.5穩(wěn)壓器的選擇 196086第五章控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2089515.1控制系統(tǒng)硬件框架 2038795.2識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21112615.3定位擇路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2220789第六章總結(jié)與展望 25201116.1總結(jié) 25120146.2展望 25摘要 本設(shè)計(jì)所針對(duì)的乒乓球球館場(chǎng)地上的乒乓球搜集問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能夠進(jìn)行自動(dòng)撿拾乒乓球的機(jī)器人，本設(shè)計(jì)主要對(duì)拾球機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)乒乓球撿拾過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)限度問(wèn)題。自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)主要包括行走機(jī)構(gòu)、葉輪機(jī)構(gòu)、吸球機(jī)構(gòu)、扭盤(pán)機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)部分，并對(duì)拾球機(jī)用SolidWorks軟件進(jìn)行建模。拾球機(jī)配備有電氣控制系統(tǒng)，其利用視覺(jué)傳感器進(jìn)行目標(biāo)物的搜尋，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)控制。自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)相比于傳統(tǒng)的人力撿球和機(jī)械手撿球，其具有的優(yōu)勢(shì)在于能夠方便、快速的搜尋并撿拾乒乓球，不在局限于“一抓一球”的工作方式，減少人力資源的消耗，提高球館自動(dòng)化水平。關(guān)鍵詞：拾球機(jī)器人；視覺(jué)傳感器；全方位移動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緒論如今是科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展早已不是靠單純的人力勞動(dòng)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也愈加體現(xiàn)出其重要性，許多機(jī)械化、智能化的產(chǎn)品逐漸進(jìn)入我們的生活。在乒乓球館，人們?cè)诰毩?xí)過(guò)程中會(huì)使用到大量乒乓球，這些散落在場(chǎng)館各處的乒乓球，收拾起來(lái)不但耗費(fèi)人力，還會(huì)造成人身安全等問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，我們計(jì)劃設(shè)計(jì)能夠在場(chǎng)館自動(dòng)檢測(cè)散落在地的乒乓球，并利用風(fēng)機(jī)將其收集起來(lái)的自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)。因?yàn)閭鞲衅?、控制器、材料等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，本項(xiàng)目的機(jī)器人具有廣闊的市場(chǎng)、光明的前景。1.1選題背景與意義當(dāng)今世界，中國(guó)以令全世界都震驚的速度飛快發(fā)展經(jīng)濟(jì)，AI智能的發(fā)展也是與時(shí)俱進(jìn)，生活中時(shí)常能夠看到智能產(chǎn)品的問(wèn)世，如智能音響、智能冰箱等等，機(jī)器人技術(shù)正在與我們的生活合二為一，服務(wù)機(jī)器人便是這一活動(dòng)的產(chǎn)物，人們對(duì)其的研究也越來(lái)越深入。在科學(xué)技術(shù)與國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展當(dāng)下，國(guó)民特別是新生代的身體素質(zhì)卻愈發(fā)低下，因此國(guó)家也越來(lái)越重視國(guó)民的體制健康，乒乓球作為我國(guó)的國(guó)球，在國(guó)民心中有著極高的地位，全國(guó)的大小省市、區(qū)縣都開(kāi)辦有乒乓球的球館與訓(xùn)練場(chǎng)地。許多學(xué)校和大學(xué)也開(kāi)辦了各式的社團(tuán)或者將乒乓球引入體育課的課程之中。為了解決獨(dú)自練習(xí)乒乓球時(shí)的效率問(wèn)題，市場(chǎng)上發(fā)明有許多的自動(dòng)發(fā)球機(jī)，但是卻也引入了新的問(wèn)題。由于自動(dòng)發(fā)球機(jī)的快速、便捷，使得人們不需要進(jìn)行頻繁的發(fā)球與撿球工作，令球館經(jīng)常處于滿(mǎn)地皆為球的狀態(tài)，讓人無(wú)從下腳。為避免出現(xiàn)安全問(wèn)題，并且訓(xùn)練的球數(shù)量是有限的，需要進(jìn)行重復(fù)利用，這類(lèi)工作如果要使用人力進(jìn)行撿球會(huì)有很大的工作量并且效率很低。自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)的出現(xiàn)是解決此類(lèi)問(wèn)題的有效措施，還能夠讓乒乓球館趨于智能化，具有廣闊的市場(chǎng)與光明的前景。據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)許多小型乒乓球球館與一些學(xué)校訓(xùn)練場(chǎng)地即使可能配備有自動(dòng)乒乓球發(fā)球機(jī)用于個(gè)人練習(xí)以及提高練球時(shí)的效率，但大多數(shù)場(chǎng)地并沒(méi)有撿球機(jī)的配備或者是有人力進(jìn)行撿球。而自動(dòng)拾球機(jī)能夠解決此類(lèi)問(wèn)題，能夠有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的拾球機(jī)可以向各類(lèi)中小地區(qū)的球館普及。服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個(gè)年輕成員其具有為人類(lèi)提供輔助功能、擴(kuò)展人類(lèi)的能力、給人類(lèi)帶來(lái)便利并有一定自主性的智能機(jī)器人。經(jīng)歷了近幾年的研究，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)從科研場(chǎng)所走向?qū)嶋H生活中，服務(wù)機(jī)器人開(kāi)始與傳統(tǒng)行業(yè)相結(jié)合，給我們的生活帶來(lái)了巨大的變化?，F(xiàn)在，服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用在家庭、商場(chǎng)、政務(wù)服務(wù)等各類(lèi)領(lǐng)域里。有了成熟機(jī)器人作為基礎(chǔ)，加上國(guó)內(nèi)對(duì)于體育領(lǐng)域尤其是乒乓球訓(xùn)練智能化的需求，智能拾球機(jī)將會(huì)有很大的發(fā)展空間，具有一定的研究?jī)r(jià)值。1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外的機(jī)器人發(fā)展要領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)明來(lái)自于一位偉人的不懈努力與研究，被譽(yù)為“機(jī)器人之父”的恩格爾伯格他創(chuàng)辦了世界上第一家機(jī)器人公司名為“萬(wàn)能自動(dòng)公司”，他對(duì)機(jī)器人工業(yè)的創(chuàng)建做出了杰出的貢獻(xiàn)。在這之后博尼與莫維奇在這位“機(jī)器人之父”的基礎(chǔ)上發(fā)明了最早的壓力傳感器，時(shí)隔一年，麥卡錫幫助MIT在機(jī)器人上加入視覺(jué)傳感器，制造了有識(shí)別定位的機(jī)器人系統(tǒng)，由于這些偉大的創(chuàng)舉使得機(jī)器人的發(fā)展愈發(fā)迅猛，很快成為人們?nèi)粘Ｉ钪械牟豢苫蛉钡囊画h(huán)。機(jī)器人技術(shù)原先是用于工業(yè)領(lǐng)域，幫助工人從事危險(xiǎn)、單調(diào)的工作，但隨著機(jī)器人技術(shù)逐漸向人工智能領(lǐng)域越發(fā)深入，其所從事的領(lǐng)域也開(kāi)始從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域向軍事、醫(yī)療、服務(wù)、家庭等領(lǐng)域進(jìn)展。日本雖然不是最早發(fā)明機(jī)器人的國(guó)家，但確實(shí)對(duì)機(jī)器人行業(yè)最為重視的國(guó)家之一，其對(duì)于“機(jī)器人之父”為世界、為日本發(fā)展所做出的重大貢獻(xiàn)，為其頒發(fā)“日本國(guó)際獎(jiǎng)”，而世界第一屆機(jī)器人會(huì)議也是在此舉辦。國(guó)外服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展歷史悠久，日本的早稻田大學(xué)是世界機(jī)器人研究發(fā)展的一個(gè)地點(diǎn)，在這里誕生了世界第一臺(tái)人型機(jī)器人，Wabot-1運(yùn)用雙足行走，重要眼睛和耳朵可以測(cè)量距離和方向，雙手可以搬運(yùn)物體。在1983年也是由日本首先發(fā)明了名叫OmniBot2000的玩具機(jī)器人，它可進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控也能夠進(jìn)行播放預(yù)存儲(chǔ)的內(nèi)容和動(dòng)作也可攜帶小型物品。1988年美國(guó)的TRC發(fā)明了世界上第一臺(tái)服務(wù)機(jī)器人，利用了傳感器技術(shù)，可以協(xié)助護(hù)士為病人送飯、送藥等。1996年瑞典的一家公司發(fā)明了使用超聲波仿生技術(shù)的全自動(dòng)掃地機(jī)器人，其可以在黑暗的環(huán)境中自動(dòng)避障。到1999年，日本的索尼公司成功發(fā)明了具有人工智能的犬型寵物機(jī)器人。第二年日本的本田公司就研發(fā)出能夠跑、跳、開(kāi)瓶、倒水等動(dòng)作并且具有識(shí)別聲音、姿態(tài)、記憶能力的仿人機(jī)器人。到2003年德國(guó)一家公司研發(fā)出機(jī)動(dòng)游戲機(jī)器人。在2003-2015年間，國(guó)外又不斷推出具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)和觸覺(jué)傳感器的醫(yī)療護(hù)理機(jī)器人；能夠表達(dá)人類(lèi)所有情緒的表情機(jī)器人；具有25個(gè)自由度，有豐富肢體語(yǔ)言的雙足人型教育機(jī)器人；能夠陪伴老人左右的老年陪伴機(jī)器人。在國(guó)外，由美國(guó)最早研發(fā)出一款包含視覺(jué)處理技術(shù)、傳感器測(cè)距技術(shù)的機(jī)器人，在其后的時(shí)間里對(duì)傳感器技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)作為研究重點(diǎn)，研發(fā)新的視覺(jué)定位系統(tǒng)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)位置追蹤和規(guī)避障礙。美國(guó)在機(jī)器人歷史上具有舉足輕重的地位，不但是因?yàn)槠涫亲钤缪邪l(fā)機(jī)器人的國(guó)家，更是因?yàn)樵谄涞耐茝V下，機(jī)器人技術(shù)遍布世界各地，而美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)也并沒(méi)有因此落后，而是一直處于領(lǐng)先先地位。日本作為后起之秀但卻獲得了“機(jī)器人王國(guó)”的稱(chēng)號(hào)，其設(shè)計(jì)的機(jī)器人不但有那些基礎(chǔ)的功能更具有雷達(dá)定位、立體攝像機(jī)、可實(shí)現(xiàn)自主定位導(dǎo)航功能。之后所研發(fā)方輪椅機(jī)器人具有圖像識(shí)別、傳感器定位。通過(guò)移動(dòng)距離和方向計(jì)算所在位置。意大利在2017年也發(fā)明通過(guò)攝像頭定位的，自動(dòng)跟在用戶(hù)后面的行李機(jī)器人。在這中自主式移動(dòng)機(jī)器人是一種具有高度自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力，適合于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境中工作的機(jī)器人。如今，自主式移動(dòng)機(jī)器人的主要工作范圍是無(wú)人干預(yù)，執(zhí)行地點(diǎn)明確或者是周?chē)兓〉沫h(huán)境中，進(jìn)行有目的的移動(dòng)。與人類(lèi)一樣，機(jī)器人的發(fā)展與人類(lèi)對(duì)于未知空間的探索息息相關(guān)，不斷的擴(kuò)大其運(yùn)動(dòng)的范圍，使其具有更加強(qiáng)大的自主能力與學(xué)習(xí)能力。面對(duì)如今細(xì)致、全面的生活環(huán)境，機(jī)器人也要不斷提升其靈活性與智能性，可以更好的適應(yīng)不同環(huán)境、不同的操作人員。機(jī)器人技術(shù)在如今已經(jīng)有了一定程度的成熟發(fā)展，其能夠不輸于人類(lèi)的出色、快捷、安全的完成此類(lèi)工作。所以有很多學(xué)者也在撿球工具研究方面做出了努力，并有相關(guān)報(bào)道。國(guó)外對(duì)于撿乒乓球機(jī)器人的研究主要包括于球的檢測(cè)、環(huán)境感知、球的拾取、定位導(dǎo)航這些模塊，在拾球機(jī)器人這一大類(lèi)中，學(xué)術(shù)領(lǐng)域更多的關(guān)注于機(jī)器視覺(jué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和識(shí)別、拾球乒乓球的能力；在商用領(lǐng)域，撿球機(jī)器人已有高爾夫撿球機(jī)器人、網(wǎng)球撿球機(jī)器人問(wèn)世，目前對(duì)于撿球機(jī)器人的研究主要著手于機(jī)器視覺(jué)、機(jī)械手的設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)，有很大的發(fā)展空間。1.3國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀中國(guó)服務(wù)機(jī)器人行業(yè)保持著良好的增長(zhǎng)趨勢(shì)，在未來(lái)仍將迅速發(fā)展并且具有很大的發(fā)展?jié)摿?。中?guó)的服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)廣大，種類(lèi)花樣繁多。其可應(yīng)用在教育、家庭、醫(yī)療、物流、健康、安防等眾多行業(yè)和場(chǎng)景。根據(jù)IFR統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)的服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模約22億美元，占全球市場(chǎng)份額的25%。自2015年到2020年間，我國(guó)的服務(wù)服務(wù)機(jī)器人相比于我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人雖然總量還沒(méi)有達(dá)到，但是其增長(zhǎng)額卻高于工業(yè)機(jī)器人，與國(guó)外相比，我國(guó)的服務(wù)機(jī)器人的增長(zhǎng)額也是高于國(guó)外的，具有良好的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。我國(guó)是目前全球范圍最大的工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)，但機(jī)器人的數(shù)量與質(zhì)量仍與發(fā)達(dá)國(guó)家有不小的差距，在未來(lái)，服務(wù)機(jī)器人的普及是勢(shì)不可擋的，服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)格外激烈，我國(guó)是人口眾多的國(guó)家，各行各業(yè)都需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，我們相信我國(guó)仍然會(huì)是全球最大的服務(wù)機(jī)器人需求市場(chǎng)。當(dāng)前來(lái)看，未來(lái)服務(wù)機(jī)器人會(huì)成為強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)奪新興產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的重要戰(zhàn)場(chǎng)。在我國(guó)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)整體仍然處于發(fā)展早起階段，但由于市場(chǎng)需求的持續(xù)存在，各公司都在著投入手人力、物力進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。在2013-2020年間，我國(guó)在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的投資持續(xù)升高，不管是投資金額亦或是投資頻率，都呈現(xiàn)良好的態(tài)勢(shì)，這其中為翹楚的是2017與2018年。雖然2019年沒(méi)有前兩年如此的火爆，數(shù)據(jù)有所下降，但依舊不可小窺，仍然存在大額資金的投入。如今，投資者們開(kāi)始傾向于龍頭企業(yè)、永遠(yuǎn)核心技術(shù)的廠商以及應(yīng)用范圍明確的整機(jī)廠商。如何在機(jī)器人浪潮中、在時(shí)代的狂潮里找到獨(dú)屬于我們的光明大道，是我國(guó)未來(lái)機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵我國(guó)的服務(wù)機(jī)器人在文體領(lǐng)域的相關(guān)研究處于起步階段，民眾對(duì)于機(jī)器人應(yīng)用于體育健康等方面的了解甚少，雖然在許多大型球類(lèi)館中能夠找到類(lèi)似于發(fā)球機(jī)器人、得分計(jì)數(shù)機(jī)器人等之類(lèi)的服務(wù)機(jī)器人，但仍存在著許多不便之處。我國(guó)對(duì)于智能拾球機(jī)器人方面的研究相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)對(duì)于智能拾球機(jī)器人的研究才剛剛興起，沒(méi)有系統(tǒng)的成熟結(jié)果，目前的研究主要集中于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和乒乓球的檢查識(shí)別等幾個(gè)方面。目前國(guó)內(nèi)的研究人員如：徐東偉等人所研究的機(jī)器人傾向于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；宋安琦等人使用攝像頭對(duì)乒乓球進(jìn)行定位，借由超聲波進(jìn)行避障，這類(lèi)機(jī)器人的移動(dòng)是通過(guò)檢測(cè)乒乓球來(lái)進(jìn)行控制；還有趙家良等人沒(méi)有進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)僅詳細(xì)描述了檢測(cè)乒乓球、導(dǎo)航控制的原理只進(jìn)行了模擬測(cè)試。在拾球機(jī)器人這一服務(wù)機(jī)器人中的一類(lèi)里，國(guó)內(nèi)的研究方向大多集中在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺(jué)和路徑規(guī)劃這幾個(gè)方面，研究的內(nèi)容也大多是路徑的選擇、運(yùn)動(dòng)控制和如何識(shí)別球與障礙物。在我國(guó)此類(lèi)拾球機(jī)器人的需求是持續(xù)存在的，可以對(duì)拾球機(jī)器人進(jìn)行更近一步的研究。1.4本文研究?jī)?nèi)容本文研究的基本內(nèi)容主要有：（1）對(duì)自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)的總體技術(shù)方案進(jìn)行分析。（2）對(duì)自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)構(gòu)建出自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)的模型。（3）對(duì)自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)的主要元器件和電機(jī)進(jìn)行選型。（4）對(duì)自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？傮w方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)思路在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)代，人們注重精神與心理健康的教育，卻漸漸忽視了身體方面的鍛煉?，F(xiàn)如今，人們也開(kāi)始加強(qiáng)生理健康，注重身體鍛煉，許多市區(qū)、縣區(qū)、小區(qū)都有建設(shè)體育館和各種球類(lèi)館。作為我國(guó)的國(guó)球，乒乓球一直在我國(guó)具有很高的人氣，全國(guó)各地都建設(shè)有乒乓球球館。我本人也是乒乓球的愛(ài)好者，經(jīng)常在球館打球，時(shí)間一長(zhǎng)，也發(fā)現(xiàn)了球館里有一些設(shè)施設(shè)計(jì)的不合理，在球館里，雖然能夠看到自動(dòng)發(fā)球機(jī)幫助節(jié)省人們的時(shí)間，但這也間接造成了在球館里散落許多乒乓球，影響人們的行動(dòng)與運(yùn)動(dòng)，有安全隱患。有部分球館采用人力撿球的方式解除此類(lèi)問(wèn)題，這雖然能夠緩解此類(lèi)問(wèn)題，但不能徹底解決，如果球館夠大，那么撿球人員就要合理安排，如果人手太少，問(wèn)題就不能很好解決；人手太多，則會(huì)造成球館的擁擠以及較大的服務(wù)支出。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我就會(huì)思考能否運(yùn)用機(jī)器人來(lái)解決，運(yùn)用機(jī)器人在球館里撿散落在地的乒乓球。本產(chǎn)品智能乒乓球拾球機(jī)通過(guò)視覺(jué)傳感器，能夠自動(dòng)鎖定乒乓球，對(duì)網(wǎng)球精確拾取。智能乒乓球拾球機(jī)的推廣，可以減少球館的人力費(fèi)用，有助于實(shí)現(xiàn)城市的智能化。2.2工作原理自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)運(yùn)用機(jī)器人頭部的視覺(jué)傳感器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，由于視覺(jué)傳感器的攝像頭是有盲區(qū)的，如果單用其搜索乒乓球會(huì)限制機(jī)器人的發(fā)揮，無(wú)法全方位的工作，所以需要輔助旋轉(zhuǎn)扭盤(pán)機(jī)構(gòu)解決視覺(jué)傳感器的盲區(qū)。當(dāng)拾球機(jī)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)乒乓球所在位置時(shí)，拾球機(jī)運(yùn)用葉輪機(jī)構(gòu)將乒乓球卷入機(jī)器內(nèi)部；當(dāng)乒乓球球卷入機(jī)器內(nèi)部時(shí)，作為吸取裝置的風(fēng)扇啟動(dòng)，吸球管道內(nèi)形成負(fù)壓，將葉輪機(jī)構(gòu)內(nèi)的乒乓球壓入吸取管道內(nèi)，風(fēng)扇停止運(yùn)作，乒乓球掉入儲(chǔ)球室內(nèi)；存放在儲(chǔ)球室內(nèi)的乒乓球通過(guò)在外殼上的門(mén)將其取出。圖自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)其主要的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括扭盤(pán)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、葉輪機(jī)構(gòu)、吸球機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)。扭盤(pán)機(jī)構(gòu)主要是用于擴(kuò)大視覺(jué)傳感器的感知范圍，提高裝置的性能；行走機(jī)構(gòu)選用麥克納姆輪可以提供全方位、無(wú)死角的移動(dòng)；葉輪機(jī)構(gòu)由一個(gè)6片扇翼組成用于將乒乓球送至裝置內(nèi)部；吸球機(jī)構(gòu)是由吸球管道與風(fēng)扇組成，作為一個(gè)中間裝置，將乒乓球由葉輪機(jī)構(gòu)傳送至儲(chǔ)球室；儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)主要指的是儲(chǔ)球室，存取乒乓球。使用蓄電池為拾球機(jī)提供動(dòng)力，利用視覺(jué)傳感器確定目標(biāo)，通過(guò)單片機(jī)控制完成乒乓球的獲取、存入過(guò)程。關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1葉輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)拾球機(jī)的葉輪機(jī)構(gòu)是由一個(gè)有6片扇翼的扇輪、掃球板以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)組成。其工作過(guò)程為：在球館內(nèi)，乒乓球散落在場(chǎng)館各處，拾球機(jī)通過(guò)視覺(jué)傳感器運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)物處，通過(guò)葉輪機(jī)構(gòu)將乒乓球卷入裝置中。葉輪機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)乒乓球位于葉輪機(jī)構(gòu)下方時(shí)，扇翼逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將乒乓球卷至2片扇翼中間的夾縫處，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，乒乓球隨扇翼被帶動(dòng)到吸球管道端口處再通過(guò)吸球管道將乒乓球運(yùn)送到儲(chǔ)球室內(nèi)。圖葉輪機(jī)構(gòu)3.2行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)選用四輪結(jié)構(gòu)，采用可以全方位移動(dòng)的麥克納姆輪進(jìn)行運(yùn)作，麥克納姆輪是瑞典一家公司的發(fā)明的，輪子由中心輪以及在中心輪周?chē)妮嗇S組成，這些輪軸與與中心輪成一定的夾角，夾角主要是用于提高輪子的法向力。麥克納姆輪的原理主要是讓分散在不同方向的力最終能夠合成到任意指定的方向，讓裝置能夠在最終合成力的方向上移動(dòng)。在每一個(gè)小的輪軸上都分布有小滾子，這讓輪子可以進(jìn)行橫向的移動(dòng)。用四個(gè)麥克納姆輪組裝的機(jī)器機(jī)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活，方便實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)的功能。麥克納姆輪可以讓拾球機(jī)在各種乒乓球場(chǎng)地進(jìn)行任務(wù)工作。圖麥克納姆輪采用麥克納姆輪為移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拾球機(jī)在進(jìn)行前后移動(dòng)時(shí)，麥克納姆輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖3-所示。圖中的紅色實(shí)線箭頭是輪子在向前轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，左邊機(jī)器的車(chē)輪全部會(huì)向前轉(zhuǎn)，但前側(cè)兩輪與后側(cè)兩輪的側(cè)向分力抵消于是左邊的小車(chē)會(huì)向前進(jìn)，同理右邊的小車(chē)受到摩擦力影響會(huì)向后退。圖前后移動(dòng)示意圖再如圖3所示，左邊小車(chē)前側(cè)兩輪左側(cè)的向前轉(zhuǎn)，右側(cè)的向后轉(zhuǎn)，這使得前側(cè)有向右的分力，而后側(cè)兩輪與前側(cè)兩輪同向，因而有向左的分力，這使得左邊的小車(chē)做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)。而右邊的小車(chē)前側(cè)有向左的分力，后側(cè)有向右的分力，使得小車(chē)做逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)圖旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖若令前側(cè)兩輪左邊的向后轉(zhuǎn)，右邊的向前轉(zhuǎn)，后側(cè)兩輪則與前側(cè)相反，可以使底盤(pán)做出向左平移的運(yùn)動(dòng)；若前側(cè)兩輪左邊的向前轉(zhuǎn)，右邊的向后轉(zhuǎn)，后側(cè)兩輪與前側(cè)的也是相反的，這就可以使得底盤(pán)做出向右平移的運(yùn)動(dòng)。如圖3所示。當(dāng)四個(gè)輪子中只驅(qū)動(dòng)對(duì)角兩個(gè)輪子則可以令機(jī)器做出向左前、左后、右前、右后方平移的動(dòng)作。圖左右平移示意圖如圖3所示，四個(gè)麥克納姆輪，只需驅(qū)動(dòng)對(duì)角兩個(gè)輪子就可實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的斜向平移運(yùn)動(dòng)，比如前側(cè)兩輪中左輪不驅(qū)動(dòng)，處于停車(chē)狀態(tài)，右輪向前轉(zhuǎn)，則受到向左前方的合力；后側(cè)兩輪中左輪向前轉(zhuǎn)，右輪不驅(qū)動(dòng)，處于停車(chē)狀態(tài)，則受到向左前方的合力，所以底盤(pán)會(huì)做出向左前方平移的運(yùn)動(dòng)。又如前側(cè)兩輪中左輪不驅(qū)動(dòng)，右輪向后轉(zhuǎn)，則受到向右后方的合力；后側(cè)兩輪中左輪向后轉(zhuǎn)，右輪不驅(qū)動(dòng)，則受到向右后方的合力，所以底盤(pán)會(huì)做出向右后方平移的運(yùn)動(dòng)。圖斜向平移示意圖拾球機(jī)的重量大致在20kg-30kg之間，可選擇麥克納姆輪的直徑為100mm，其最大的負(fù)載能力為40kg，材質(zhì)為鋁合金，可減輕重量，使得一組4個(gè)含聯(lián)軸器重1.52kg。3.3吸球機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)乒乓球的直徑為40mm，質(zhì)量為2.7g，其具有體積小，質(zhì)量輕的特點(diǎn)。吸球機(jī)構(gòu)的工作原理是利用管道內(nèi)外大氣壓差來(lái)進(jìn)行工作。吸球機(jī)構(gòu)主要由吸球管道、風(fēng)扇。復(fù)位擋板組成。將風(fēng)扇安裝于吸球管道末端，啟動(dòng)風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)形成的風(fēng)壓能夠使吸球管道內(nèi)部的壓強(qiáng)要小于外部的，此時(shí)乒乓球在大氣壓的作用下被壓入管道內(nèi)。管道的設(shè)計(jì)采用斜坡，這有利于乒乓球的滾動(dòng)以及減弱風(fēng)扇的風(fēng)力降低電耗。圖吸球機(jī)構(gòu)力學(xué)平衡計(jì)算公式為：(F式中的FM為風(fēng)力，R為乒乓球半徑，MF式中的CF為風(fēng)力系數(shù)（球體的系數(shù)取0.5），標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下取ρ=1.2kg/m3,A為迎風(fēng)面積（A=πR2），δ乒乓球在斜面上滾動(dòng)的最小風(fēng)速為：

v=δcosα+RsinαπRV=kvSmax式中k=1.5，α=37°，m=2.7g,g=9.78N/kg,可得風(fēng)扇的最小排量為V=4.72m乒乓球球在吸球管道內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)是被約束的，但因?yàn)橄侣鋾r(shí)受到風(fēng)力的作用，會(huì)使下落的精度受到影響，若要使乒乓球能夠安全下落至儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)內(nèi)，本裝置在吸取管道的末端設(shè)置了一段延伸的管道，稱(chēng)為出球口，出球口要為乒乓球下落時(shí)起到一定的定位作用，所以其長(zhǎng)度大致在30mm左右。因?yàn)樵O(shè)立了出球口，這使得吸球管道內(nèi)外的壓差會(huì)變小，這會(huì)增加吸球難度。因此，需要在吸球管的出球口處設(shè)置復(fù)位擋板。未工作時(shí)，出球口處的復(fù)位擋板處于打開(kāi)狀態(tài)，工作時(shí)，復(fù)位擋板在受到管道內(nèi)的負(fù)壓作用下將被吸起，蓋住出球口處，使得乒乓球能夠順利進(jìn)入吸球管道內(nèi)。為了保證吸球管道與葉輪處的精確接合，需要在吸球管的前端設(shè)計(jì)延伸板，延伸板既要使乒乓球能夠過(guò)渡到吸球管內(nèi)，也要與葉輪有配合，不至于出現(xiàn)乒乓球落到管外的地方。在設(shè)計(jì)延伸板時(shí)，其長(zhǎng)度為30mm。3.4扭盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)扭盤(pán)機(jī)構(gòu)的目的是輔助識(shí)別搜尋目標(biāo)，識(shí)別系統(tǒng)是靠視覺(jué)傳感器的傳感器來(lái)捕捉目標(biāo)，一般標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的視覺(jué)約為30°，如果不通過(guò)此結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)輔助搜尋，則拾球機(jī)最多有330°的視覺(jué)盲區(qū)。這會(huì)極大程度的降低機(jī)器人的性能。若扭盤(pán)承載整個(gè)機(jī)身，則需要更大的扭矩，雖然可以通過(guò)改變電機(jī)馬力的方式來(lái)工作，但這樣就需要耗費(fèi)大量的電能，為節(jié)約成本，我們選擇將扭盤(pán)運(yùn)作于裝置頭部。使用優(yōu)質(zhì)的軸承固定中心轉(zhuǎn)軸，工作時(shí)能夠減少摩擦力，對(duì)電機(jī)進(jìn)行編程控制，使其正反方向交替反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至識(shí)別系統(tǒng)搜尋到目標(biāo)物體停止轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)行交替轉(zhuǎn)動(dòng)的目的是防止裝置的機(jī)身頭部與機(jī)身下部之間的下路發(fā)生纏繞現(xiàn)象。為了便于扭盤(pán)的正反方向交替反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在扭盤(pán)機(jī)構(gòu)上設(shè)立了兩個(gè)小滑輪，滑輪起到輔助軸承旋轉(zhuǎn)的作用，在拾球機(jī)的下部裝置還存在一條環(huán)形軌道用于確定滑輪的位置和減小摩擦。由于扭盤(pán)要支撐整個(gè)機(jī)身，可以設(shè)計(jì)一個(gè)彈簧減震器，可以減輕裝置在行走時(shí)地面不平整帶來(lái)的震動(dòng)，保護(hù)機(jī)器人。圖扭盤(pán)機(jī)構(gòu)3.5儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)主要是用于儲(chǔ)存被裝置搜尋到的乒乓球的機(jī)構(gòu)，儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)樣式簡(jiǎn)單，主要部分是外殼與裝置機(jī)構(gòu)之間的空間，用這部分空間進(jìn)行乒乓球的存儲(chǔ)。乒乓球通過(guò)葉輪機(jī)構(gòu)進(jìn)入裝置內(nèi)部，再由吸球管道運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)球機(jī)構(gòu)部分。若乒乓球存儲(chǔ)達(dá)到上限則可以通過(guò)位于外殼的閘門(mén)將球取出來(lái)，閘門(mén)通過(guò)滑槽的方式進(jìn)行打開(kāi)。選用滑槽機(jī)構(gòu)是因?yàn)槠湎啾扔谄渌绞浇Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于拆卸，工作人員可以通過(guò)將手指放于門(mén)裝置上的凹槽處，向上推動(dòng)即可打開(kāi)將乒乓球倒出。圖儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)元器件與電氣選型4.1能源的選擇乒乓球拾球機(jī)需要在乒乓球場(chǎng)地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的單獨(dú)運(yùn)作，所以需要有穩(wěn)定持續(xù)的電源供應(yīng)，且由于拾球機(jī)并非一次性工具，需要重復(fù)使用，選擇蓄電池是比較經(jīng)濟(jì)合理的選擇，在多方面比較下，我們選擇鉛蓄電池，因?yàn)槠鋬r(jià)格便宜、放電時(shí)電動(dòng)勢(shì)較穩(wěn)定，工作電壓平穩(wěn)、貯存性能好。圖鉛蓄電池4.2減速電機(jī)的選擇本拾球機(jī)主要是在球館進(jìn)行工作，拾球機(jī)器人需要在球、障礙物以及運(yùn)動(dòng)的人之間穿梭，這需要電機(jī)能夠保持拾球機(jī)位置控制的精確度。拾球機(jī)選用的是具有全方位移動(dòng)功能的麥克納姆輪，但因?yàn)辂溈思{姆輪主要是利用每個(gè)輪子其速度和方向來(lái)進(jìn)行力的合成，最終的合力的方向便是機(jī)器的運(yùn)動(dòng)方向，由于復(fù)雜的工作原理，這需要對(duì)每個(gè)輪子由精確的控制，普通的電機(jī)不但無(wú)法完成這操作，還會(huì)因?yàn)檎`差使得輪子的壽命減少。在進(jìn)行比較下，本裝置的電機(jī)選用編碼電機(jī)。根據(jù)電機(jī)輸出力可知：T=9.55式中，F(xiàn)為摩擦阻力，可預(yù)估算為10N；η為電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)效率，預(yù)估算為70%；v為設(shè)計(jì)機(jī)器人一下的最高速度，取值1m/s；n是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，取110r/min；由式子(4-1)算得T=1.2N*m根據(jù)公式知電機(jī)加到負(fù)載上的輸出力為12kg*cm，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為110r/min，扭力為16kg*cm。電機(jī)的額定電壓可選擇12V。圖電機(jī)規(guī)格參數(shù)圖通過(guò)上述的參數(shù)選擇編碼電機(jī)其型號(hào)為JGB37-520，如圖4-3所示。、圖編碼電機(jī)4.3步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)接收脈沖信號(hào)輸出角位移或者線位移，其轉(zhuǎn)速和啟停只受脈沖信號(hào)的數(shù)量和頻率的影響，具有很高的穩(wěn)定性，這種性質(zhì)令步進(jìn)電機(jī)只有周期性誤差沒(méi)有累計(jì)誤差，這使得其能夠簡(jiǎn)易、方便操作機(jī)器人。因此拾球機(jī)的葉輪機(jī)構(gòu)選用步進(jìn)電機(jī)。慣性矩計(jì)算公式：I步進(jìn)電機(jī)的角速度公式如下：ε=轉(zhuǎn)矩公式如下：T=(J×ε+由以上的公式可得T=1.2N*m。為保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)可選用的步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為42BYGH34S。4.4吸球風(fēng)扇的選擇選用的風(fēng)扇的額定電壓為12v，其最小排量根據(jù)公式有：V=kv其要考慮有氣體泄漏，則取安全系數(shù)k=1.5，代入α=37°，m=2.7g,g=9.78N/kg等數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出風(fēng)扇的最小排量

V=4.72經(jīng)過(guò)比較、選擇，本裝置最終選用電壓12v、風(fēng)量為252CFM、電流4.8A、功率57.6W的型號(hào)為PFC1212DE大排量風(fēng)扇。圖風(fēng)扇4.5穩(wěn)壓器的選擇裝置內(nèi)不同元器件的電壓是不同的，行走機(jī)構(gòu)的編碼電機(jī)其額定電壓為12v，吸球機(jī)構(gòu)的風(fēng)扇其額定電壓也是12v，這兩個(gè)元件能夠共用一個(gè)大功率的電源；但是拾球機(jī)的主控制器的電壓只有5v，使得主控制器則需功率較小的獨(dú)立電源。本裝置所采用的電源是蓄電池，其電壓較高，不適用于主控制器和各種芯片，所以拾球機(jī)的主控制器需要穩(wěn)壓芯片的調(diào)壓功能將電源的電壓降至5v，達(dá)到其額定電壓，這樣就可以為主控制器和各種芯片供電。圖LM7805三端穩(wěn)壓器對(duì)于穩(wěn)壓器的選擇，考慮其要有功耗低，輕便、小巧的特點(diǎn)，我們選擇LM7805三端集成穩(wěn)壓器芯片。因?yàn)樾铍姵氐碾娏枯^大，單個(gè)穩(wěn)壓芯片會(huì)因?yàn)橥ㄟ^(guò)的電流過(guò)大造成芯片發(fā)熱的情況，選用兩個(gè)芯片進(jìn)行并聯(lián)來(lái)避免這種情況，而編碼電機(jī)與風(fēng)扇的額定電壓為12v，則可以直接采用12v的鋰蓄電池進(jìn)行供電?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)5.1控制系統(tǒng)硬件框架控制器是系統(tǒng)的大腦，智能乒乓球拾球機(jī)的控制系統(tǒng)硬件框圖如圖5-1所示：圖控制系統(tǒng)硬件框架圖 視覺(jué)傳感器將所接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，將比對(duì)結(jié)構(gòu)傳送至主控制器；主控制器對(duì)所接收的信息進(jìn)行處理計(jì)算，利用計(jì)算得出的數(shù)據(jù)對(duì)拾球機(jī)的行進(jìn)路徑進(jìn)行規(guī)劃；主控制器發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)，拾球機(jī)向目標(biāo)物移動(dòng)，并且主控制器實(shí)時(shí)計(jì)算位置信息與目標(biāo)進(jìn)行比對(duì)；到達(dá)指定地點(diǎn)后，主控制器驅(qū)動(dòng)葉輪電機(jī)，葉輪機(jī)構(gòu)將目標(biāo)物卷送至拾球機(jī)內(nèi)部；緊接著風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，目標(biāo)物通過(guò)管道被運(yùn)送至儲(chǔ)球室內(nèi)，至此拾球機(jī)完成一次撿拾工作，然后視覺(jué)傳感器繼續(xù)搜索目標(biāo)，執(zhí)行上述步驟。如果目標(biāo)物的路徑上有其他障礙物，可通過(guò)避障模塊重新規(guī)劃路徑。5.2識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)需要拾球機(jī)尋找散落在場(chǎng)地各處的乒乓球、規(guī)避障礙物。這就要拾球機(jī)具有能感知周?chē)h(huán)境變化的視覺(jué)傳感器。本裝置選用pixy視覺(jué)傳感器，它是一種開(kāi)源視覺(jué)傳感器，通過(guò)顏色來(lái)區(qū)分物體，pixy視覺(jué)傳感器能夠?qū)Χ鄠€(gè)目標(biāo)物進(jìn)行識(shí)別，具有顏色的物體通過(guò)攝像頭將其特別的顏色發(fā)送到和其對(duì)應(yīng)的控制器中，視覺(jué)傳感器就能夠識(shí)別該物體，目前pixy視覺(jué)傳感器支持最多7種顏色。本裝置采用pixy視覺(jué)傳感器，是因?yàn)槠古仪蚴蔷哂絮r明顏色的物體，運(yùn)用傳感器能方便的將其與障礙物識(shí)別出來(lái)，幫助完成自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)的撿拾工作。本裝置所選用的傳感器的型號(hào)為：pixyCMUcam5Sensor圖像識(shí)別傳感器圖pixy視覺(jué)傳感器Pixy視覺(jué)傳感器有其自己一套的顏色特征信息庫(kù)，通過(guò)攝像頭確認(rèn)目標(biāo)物體的顏色閾值，將其反饋到控制器與顏色庫(kù)中的顏色進(jìn)行對(duì)比。因?yàn)橛?jì)算機(jī)采用的是二進(jìn)制運(yùn)算，所以視覺(jué)傳感器在對(duì)圖像的處理時(shí)，多數(shù)會(huì)采用二值圖像與灰度圖像。通過(guò)顏色來(lái)區(qū)分物體的視覺(jué)系統(tǒng)是現(xiàn)在的主流，也是人們最能夠理解的。如今的機(jī)器視覺(jué)中多采用RGB模型與HSI模型。本裝置的視覺(jué)傳感器目標(biāo)顏色識(shí)別采用HSI模型的六角錐體模型，HIS模型是利用色調(diào)、飽和度與亮度來(lái)分辨物體，HSI模型對(duì)于物體的感知與人類(lèi)的視覺(jué)感知物體的色彩是一樣的，利用HSI模型可以最大限度的辨別物體。物體被識(shí)別出來(lái)后，需要對(duì)物體的大小和其所處的位置進(jìn)行定位利用API函數(shù)確定目標(biāo)物的坐標(biāo)以及高度、寬度。圖pixy顏色識(shí)別示意圖5.3定位擇路系統(tǒng)設(shè)計(jì)定位擇路系統(tǒng)是采用pixy視覺(jué)傳感器，能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)乒乓球，并結(jié)合測(cè)距技術(shù)確定最短路徑。裝置的的單片機(jī)屬于控制型單片機(jī)，Arduino是一款開(kāi)源電子原型平臺(tái)，用戶(hù)可以用編程語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程程序。Arduino通過(guò)使用傳感器來(lái)感知裝置周身的變化，通過(guò)各種延伸的模塊與裝置來(lái)改變周身的情況。單片機(jī)通過(guò)Arduino專(zhuān)門(mén)的編寫(xiě)平臺(tái)來(lái)編寫(xiě)程序，其具有體積小、質(zhì)量輕、便于實(shí)現(xiàn)模塊化、提高機(jī)器的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。本裝置所選用的單片機(jī)型號(hào)可為：ATMega2560R3圖Arduino主板自動(dòng)乒乓球拾球機(jī)器人運(yùn)行流程為：圖