乒乓球捡球机器人的设计与实现Word格式.docx
- 文档编号:13107245
- 上传时间:2022-10-05
- 格式:DOCX
- 页数:5
- 大小:177.16KB
乒乓球捡球机器人的设计与实现Word格式.docx
《乒乓球捡球机器人的设计与实现Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《乒乓球捡球机器人的设计与实现Word格式.docx(5页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
CMOS图像传感器;
运动控制
中图分类号:
TP242.3 文献标识码:
A文章编号:
1001-3881(2014)3-016-4
DesignandRealizationofTableTennisPickingRobot
XUDongwei,LIUJianqun,LINGan
(SchoolofElectromechanicalEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,
GuangzhouGuangdong510006,China)
Abstract:
Inordertosolvetheproblemoftabletennispickinginthetabletenniscourt,anautomaticballpickingrobotwhichmaincontrollerbasedonARMprocessorwasdesigned.Thesuctiongeneratedbyfanwasusedbythetabletennispickingrobottorealizepickingupofthetabletennis.ThetabletenniswasidentifiedautomaticallybythisrobotusingtheCMOSimagesensor.Theobstacleavoidingwasautomaticallyrealizedthroughinfraredsensorsmonitoringofthesurroundingenvironment.Theperformancetestingonthepracticalmodelofrobotshowsthatthetabletennispickingrobotworkswell,whichprovidereferencefordevelopmentofothermoretypesofballpickingrobots.
Keywords:
Tabletennispickingrobot;
Tabletennis;
CMOSimagesensor;
Motioncontrol
收稿日期:
2013-01-30
基金项目:
广东省创新实验资助项目(1184510002);
广东省引进创新科研团队计划资助项目(201001G0104781202)
作者简介:
许东伟(1989—),男,硕士研究生,研究方向为机器人与数控技术。
E-mail:
xodongwei@。
随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。
在这其中,服务机器人作为一个重要分支,在国内外研究领域已经得到普遍重视。
服务机器人的应用范围很广,主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作⑴。
文中所述的捡球机器人,正是一种应用于乒乓球体育运动的自主式移动的服务机器人。
在乒乓球室里,由于训练或者比赛的时候,地面上将会有很多出界或者无效的乒乓球。
如果由人工来捡球,将会造成效率低、工作量大等弊端。
因此,如果能有一种捡球机器人应用于乒乓球场馆里,且能迅速找到球的位置并能够实现自动捡球的功能,将可以使人们摆脱一些繁琐的工作、大大减轻人们的劳动强度、提高人们的生活质量。
目前已有的乒乓球捡球机器人种类较少,且捡球动作的实现主要是通过机械手等机械装置来捡球⑵。
这些捡球装置多因为机械机构的限制,对于位于墙角处和藏于障碍物之间的乒乓球不能有效捡取,因而只适用于障碍物较少且远离墙壁的乒乓球的捡取。
1机器人结构设计
1.1捡球原理设计与实现
乒乓球的直径为40mm,质量为2.7g,具有体积小、质量轻的特点,特别适合吸力装置吸取。
风扇在转动时,抽风的一端会形成负压;
如果将一个管道与风扇的抽风面相连接,则在风扇的作用下,管道内的气压将小于管道外的大气压,管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里。
因此,若采用由强力风扇与一个两端开口的管道组成的吸球管,乒乓球就可以顺利被吸取。
同时,为了提高吸球的效率与稳定性,可将吸球管道沿斜面布置,通过斜面减轻乒乓球向上运动所需的力。
在风力作用下,若乒乓球在斜面上作瞬时纯滚动,其受力如图1所示,根据理论力学平衡方程:
(Fw-Gsina)R=M,
式中:
心为风作用力,R为乒乓球半径,M、为滚动摩阻,则有"
F:
F.=-ypi2(Kf)=ypr:
C,4
1匕=8N=Qngcoso
其中:
c,为风力系数(球体取0.5)'
;
p为空气密度,在地球近地面环境,温度为203C,标准大气压下,p=1.2kg/in'
f为风速;
A为迎风面积,.4=云;
5为滚动摩阻系数,取5=5mm。
图I乒乓球在斜面的受力情况
町以解得要使乒乓球顺利在斜面匕向上滚动的最小风速为:
/<
Sc(>
sa+出in%
f林2哽
设吸球管管II最大面积为s~、,安全系数为R则选用风扇的排量可以近似为:
US-AS 土烛竺点
V-4-f顽沁一mg
1.2吸球管设计
乒乓球的直径为40mm,选用风扇的尺寸为50mmx50nunx28mm,吸球管1j水平的倾斜角度a=37。
。
为了提高捡球效率,将吸球【1改为敞II设计•同时,号虑到敞口会降低吸球管的负压,增大乒乓球的吸取难度.敞口部分不宜过大综合考虑各种影响因素,该检球机器人的敞口尺寸设计为:
最大敞口面积Sj=140nunx50mm,敞口锥角45。
,其设汁效果如图2所示。
图2吸球管前端敞口设计效果图
根据以上设计,则选用风扇的最小排扯为:
V=kSz隹乓典瓦I,考虑到存在漏气等情况,
\JirKpCy
取安全系数*=1.5,代入a=37。
,=140x50mm2,m=2.7g,g=9.78N/kg,可以计算出风扇最小排量丫=4.72m'
/min=168.57CFM
为了使被吸起的乒乓球能顺利落到装球腔内,在吸球管的末端设计有•个方形的出球汀,并设计长度为20i»
.n的轨道确保斤.乓球的下落位置出球11的设置将不可避免地降低吸球管内的负压程度,增大球的吸取难度于是,在出球口的末端.设计-个质量很轻的方形挡板(自复位挡板):
平时在重力作用下,挡板会自动处于垂直位置,出球门为打开状态;
当捡球风扇启动时,由于吸球管内的负压,挡板将在气压差作用下被吸起,覆盖在出球11I:
.从而提高吸球管内部的负压程度,确保吸球的有效性吸球风扇关闭时,挡板自动打开,球也顺利落进装球腔图3是出球L1自夏位挡板的示意图,图(a)是吸球风扇未启动时挡板位性的示意图,图(b)是吸球风扇启动时挡板位置的示意图
图3吸球管道出球口自复位挡板示意图
为了减缓乒乓球被吸起进入吸球管的阻力,在吸球管的前端设计了一个伸出板伸出板是配合吸球管吸球的部分,对它的设计主要:
就是计算它距离地面的高度和伸出的长度:
如果距离地面太近,可能会因为微小的起伏就导致伸出板与地面接触.不利于机器人的行走;
如果距离地面太高,会出现伸出板挡住球运动从而捡不到球的情况,影响捡球的效果在该设计中,伸出板的最前端距离地面高度为3mm1.3捡球机器人整体结构设计
乒乓球捡球机器人主要:
由车体、吸球装置、CMOS图像传感器、装球腔、电机及其减速箱、系统电路板和锂电池等部分构成,图4为捡球机器人的总体结构示意图。
图4捡球机器人总体结构示意图
捡球机器人的后轮山直流电机配套减速箱带动,通过系统的控制.可方便实现机器人的前进、左转和右转。
机器人的吸球功能主要是通过控制连接吸球管的吸球风扇来实现的。
当吸球风扇工作时,乒乓球将在负压作用下被吸进吸球管;
吸球风扇停止工作时,在重力势能作用下,乒乓球会自动掉进装球腔。
CMOS图像传感器可以实时监测场地上乒乓球的位置,使机器人迅速到达乒乓球附近捡球。
红外传感器可以使机器人有效躲避障碍物,增强机器人本身应变环境的能力。
2机器人控制系统设计
捡球机器人的控制系统硬件框图如图5所示。
图5控制系统硬件框图
其中,主控制器采用夭嵌科技有限公司型号为TQ2440的ARM9开发板来实现。
该开发板采用S3C2440A芯片作为CPU,具有功能齐全、运算速度快等优点。
2.1电压转换模块设计
捡球机器人的吸球风扇的额定电压为12V;
机器人主控制器的输入电压为5V;
直流电机的额定电压也为5V。
可将主控制器模块与直流电机共用1个电源,吸球风扇由于所需功率较大采用独立电源。
由于采用锂电池供电,为了保证主控制器能在额定电压下正常工作,需要外接一个稳压电路。
较为常用的稳压电路是利用芯片进行调压⑹。
该系统中运用的是三端集成稳压器LM7805芯片进行调压。
电源经LM7805芯片的稳压后,可达到5V的要求,为主控制器和各芯片Vcc端供电。
考虑到锂电池的放电量较大及LM7805在输出大电流时功耗较大、发热严重⑺,采用两个LM7805稳压芯片并联输出来降低单个芯片的功耗,防止芯片过热稳压失效。
根据吸球风扇的选择设计,吸球风扇的供电可直接采用12V锂电池,并通过继电器进行控制。
2.2基于CMOS图像传感器的乒乓球位置检测模块
CMOS图像传感器凭借其高灵敏度、短曝光时间和日渐缩小的像素尺寸获得广泛的应用。
所设计的捡球机器人视觉部分采用CMOS图像传感器来感知周围环境并获取乒乓球的位置。
在实际捡球过程中,可能'
机器人视野中会同时出现多个乒乓球,这时需要对所捕获的乒乓球位置数据进行处理,寻找出距离机器人最近的乒乓球所在位置进行捡球工作。
CMOS图像传
感器(摄像头)的工作流程如图6所示。
图6CMOS图像传感器的工作流程图
2.3红外线传感器避障模块
红外线传感器抗干扰能力强,可以避免阳光和电灯等光线中红外线成分的干扰,且具有可见光的反射特性,常作为避障传感器使用。
红外线传感器有内置的光滤波器,除了光敏二极管发出的红外线外,其它光线均不允许通过,这就保证了探测的准确性⑶。
该捡球机器人采用距离可调节的NPN型光电开关红外避障传感器,可检测距离为3~80cm。
捡球机器人的避障控制流程图如图7所示。
|)@近运动开始|
图7机器人避障控制流程图
3软件设计
图8捡球机器人的软件流程图
软件设计是在ADS开发调试环境F采用纯C语育编程实现的,软件设计包括摄像头图像处理程序设计、外部中断红外避障程序设计、捡球动作程序设计捡球机器人的软件流程如图8所示
4实验
经过捡球原理与机械结构的设计,最终完成的捡球机器人实物模型如图9所示
图9捡球
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 乒乓球 机器人 设计 实现