本發(fā)明屬于智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人。

背景技術(shù)：

撿球機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一大種類，近五年已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。經(jīng)過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)分析可知，目前針對(duì)小球類物體撿拾機(jī)器人的研究成果比較少，國外研究的單位有西班牙University of Minho、美國MIT、英國University ofBradford和荷蘭Vrije University等，國內(nèi)研究單位主要有上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京理工大學(xué)以及深圳市綠瑞高爾夫科技有限公司、深圳市榮耀高爾夫用品有限公司以及廣州互發(fā)高爾夫用品有限公司等，研制的機(jī)器人主要有高爾夫球、網(wǎng)球、乒乓球和羽毛球等撿拾機(jī)器人，按照撿拾工作原理不同可分為機(jī)械手式、組合式、清掃式、氣吸式、輥輪式、滾筒式和彈簧式等撿拾機(jī)器人。經(jīng)過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)分析可知，除研制出高爾夫?qū)Ｓ檬涨驒C(jī)器人產(chǎn)品外，目前針對(duì)小球類物體撿拾機(jī)器人的研究成果比較少，大部分仍處于初級(jí)研究和嘗試階段，綜合技術(shù)水平和服務(wù)水平偏。針對(duì)復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境和不確定性作業(yè)任務(wù)條件下的小球類訓(xùn)練場等場所，上述機(jī)器人僅僅實(shí)現(xiàn)了“依靠虛擬地圖預(yù)測方法，哪里球多，去哪撿”或者“走到哪、撿到哪”的路徑規(guī)劃策略，存在漏撿拾現(xiàn)象；同時(shí)缺少對(duì)機(jī)器人的位置和方向?qū)崟r(shí)精確定位技術(shù)的應(yīng)用，撿球機(jī)器人全局導(dǎo)航實(shí)用性差，還缺少防護(hù)、光照調(diào)節(jié)等措施。截至目前，還沒有一種能夠適應(yīng)室內(nèi)外復(fù)雜多障礙非結(jié)構(gòu)化環(huán)境且適用于高爾夫球、乒乓球、羽毛球等訓(xùn)練場小球類物體的撿拾服務(wù)機(jī)器人。本發(fā)明緊密圍繞智能撿拾服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，針對(duì)訓(xùn)練場中人工撿拾小球類物體費(fèi)力、費(fèi)時(shí)、不安全等因素，同時(shí)現(xiàn)有專用撿球設(shè)備對(duì)復(fù)雜多障礙非結(jié)構(gòu)化環(huán)境(譬如，狹窄偏僻處物體的拾取)適應(yīng)能力差及其綜合技術(shù)水平和服務(wù)水平偏低的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目提出一種多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人。

訓(xùn)練場地中小球位置和數(shù)量具有不確定性，現(xiàn)有的撿拾機(jī)器人視覺識(shí)別方法多為顏色識(shí)別，即先對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字濾波，再利用由色調(diào)、飽和度、亮度組成的HSV顏色模型，對(duì)采集的圖像進(jìn)行識(shí)別。該識(shí)別方法簡單且速度快，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但進(jìn)行訓(xùn)練場球類清理工作時(shí)，利用現(xiàn)有的機(jī)器視覺識(shí)別技術(shù)無法滿足機(jī)器人撿球時(shí)的需要，主要原因?yàn)樽R(shí)別過程中存在諸多干擾，如光線變化、其他非球類物體、場地內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的人，因此只依靠單一的顏色識(shí)別則無法準(zhǔn)確完成識(shí)別任務(wù)。同時(shí)當(dāng)多機(jī)器人在多球環(huán)境下完成撿球工作時(shí)，利用現(xiàn)有的系統(tǒng)和技術(shù)，還需要解決撿球效率和協(xié)同合作問題，因此，多機(jī)多手等多智能體協(xié)同作業(yè)規(guī)劃是機(jī)械手式撿拾機(jī)器人提高工作效率的有效途徑。

目前小球類物體撿拾機(jī)器人主要依靠視覺導(dǎo)航、紅外線避障和RRT路徑規(guī)劃等方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在室內(nèi)或者室外有限區(qū)域的自主導(dǎo)航作業(yè)，只能是一種“走到哪、撿到哪”的路徑規(guī)劃策略，而無法進(jìn)行撿球路徑的全局規(guī)劃，也無法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位，對(duì)于像高爾夫球訓(xùn)練場等較大環(huán)境的適應(yīng)能力還比較差，同時(shí)訓(xùn)練場中小球數(shù)量多，分布無規(guī)律，如果直接采用集中式全局?jǐn)z像機(jī)采集到的圖像進(jìn)行全局運(yùn)算方法，則存在計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差，計(jì)算誤差大等不足，因此還應(yīng)該對(duì)機(jī)器人拾球的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，需要考慮多傳感器信息融合的導(dǎo)航技術(shù)，保證導(dǎo)航的實(shí)用性，比如適用于室外大范圍的GPS衛(wèi)星定位與機(jī)器視覺的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)，適用于室內(nèi)或者室外小范圍(100m以內(nèi))的RFID射頻識(shí)別與機(jī)器視覺定位技術(shù)以及紅外線與超聲波組合的避障技術(shù)等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是考慮撿球機(jī)器人對(duì)復(fù)雜多障礙非結(jié)構(gòu)化環(huán)境等訓(xùn)練場所適應(yīng)能力差及其綜合技術(shù)水平和服務(wù)水平偏低的現(xiàn)狀，提供了一種輪式多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是克服撿球機(jī)器人漏球的缺陷和撿拾效率問題，通過視覺導(dǎo)航、視覺識(shí)別與定位和多機(jī)械手合理布置，解決上述缺陷。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是解決適用于室外大范圍的GPS衛(wèi)星定位與機(jī)器視覺的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)，適用于室內(nèi)或者室外小范圍(100m以內(nèi))的RFID射頻識(shí)別與機(jī)器視覺定位技術(shù)以及紅外與超聲波組合的避障技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)全局自己導(dǎo)航過程。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種輪式多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人，包括：

車廂主體，其底部設(shè)置有輪式底盤，所述車廂主體外圍設(shè)置有防護(hù)罩

定位器，其設(shè)置在防護(hù)罩頂部，以進(jìn)行導(dǎo)航定位；

距離探測傳感器，其設(shè)置在防護(hù)罩四周，包括紅外傳感器和超聲波傳感器，在平面內(nèi)，紅外和超聲波傳感器交錯(cuò)設(shè)計(jì)，并分層布置，用于探測障礙物的距離并避障；

攝像頭，設(shè)置在車廂主體上部支架上，以對(duì)小球進(jìn)行識(shí)別與定位；

機(jī)械手，其設(shè)在車廂主體上，以撿拾小球；所述機(jī)械手包括兩個(gè)前機(jī)械手和兩個(gè)后機(jī)械手，兩個(gè)前機(jī)械手設(shè)置在車廂主體前端的中部，兩個(gè)后機(jī)械手設(shè)置在車廂主體后端的兩側(cè)，使四個(gè)機(jī)械手的撿拾區(qū)域邊界相臨；

儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)，其設(shè)置在車廂主體上部，包括球箱，所述球箱下部設(shè)置有滾動(dòng)滑道，所屬滾動(dòng)滑道固定在車廂主體下面，球箱底部與滾動(dòng)滑道相配合，所述球箱由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

優(yōu)選的是，所述定位器包括GPS模塊和RFID讀寫器。

優(yōu)選的是，在豎直方向，紅外傳感器和超聲波傳感器均設(shè)置有3層，并且在水平和豎直方向紅外傳感器和超聲波傳感器探測區(qū)域相互重疊，形成非接觸式紅外傳感器和超聲波傳感器雙層探測網(wǎng)。

優(yōu)選的是，所述防護(hù)罩的前端設(shè)有前側(cè)窗口，攝像頭設(shè)置在前側(cè)窗口的后方；所述攝像頭與兩軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，以帶動(dòng)攝像頭繞水平軸線和豎直軸線旋轉(zhuǎn)，用于視覺導(dǎo)航和視覺識(shí)別與定位。

優(yōu)選的是，所述儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)包括電機(jī)，其通過雙剪式聯(lián)軸器與滾珠絲杠副連接，所述滾珠絲杠副的螺母與球箱連接，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)球箱前后移動(dòng)。

優(yōu)選的是，所述防護(hù)罩上設(shè)置有光源。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供的輪式多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人，用于在室內(nèi)外復(fù)雜多變的高爾夫球、乒乓球、網(wǎng)球等訓(xùn)練場環(huán)境下?lián)烨蜃鳂I(yè)，具有對(duì)小球準(zhǔn)確識(shí)別與定位，自主導(dǎo)航與避障，多機(jī)械手高效撿拾等功能。該發(fā)明將填補(bǔ)國內(nèi)外多機(jī)械手撿球服務(wù)機(jī)器人空白，對(duì)智能撿球服務(wù)機(jī)器人發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的輪式多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的距離探測傳感器水平探測區(qū)域示意圖。

圖3為本發(fā)明所述的距離探測傳感器垂直探測區(qū)域示意圖。

圖4為本發(fā)明所述的機(jī)械手工作區(qū)域示意圖。

圖5為本發(fā)明所述的儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種輪式多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人，包括車廂主體1，在車廂主體1外圍設(shè)置有防護(hù)罩19，以對(duì)車體進(jìn)行防護(hù)。

所述防護(hù)罩19頂部設(shè)置有定位器，以進(jìn)行位置定位。所述定位器包括GPS模塊8和RFID讀寫器7，GPS模塊8進(jìn)行全局定位；RFID讀寫器7，進(jìn)行區(qū)域定位，通過GPS模塊8和RFID讀寫器7的配合使用，使定位過程快速、準(zhǔn)確。

如圖1、圖2、圖3所示，所述防護(hù)罩19的四周設(shè)置有距離探測傳感器，用于進(jìn)行障礙物的檢測。所述距離探測傳感器包括紅外傳感器15和超聲波傳感器18。超聲波傳感器18主要進(jìn)行遠(yuǎn)距離(10米以內(nèi))障礙物的檢測，紅外傳感器15，主要進(jìn)行近距離(半米以內(nèi))障礙物檢測。在水平方向，紅外傳感器和超聲波傳感器交錯(cuò)設(shè)計(jì)，在豎直方向分層布置，距離探測傳感器設(shè)置有3層，探測區(qū)域相互重疊，從而實(shí)現(xiàn)了盲區(qū)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)360度全方位無死角雙層探測網(wǎng)。

在防護(hù)罩19的前端面上部設(shè)有前側(cè)窗口16，在防護(hù)罩內(nèi)部，前側(cè)窗口16的后方設(shè)置有攝像頭14，其固定在調(diào)整架12的前端，所述調(diào)整架12的后端兩軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，帶動(dòng)攝像頭14繞水平軸線和豎直軸線旋轉(zhuǎn)，使攝像頭能夠上下左右移動(dòng)，從而調(diào)整攝像頭14的攝錄方向和視角。在運(yùn)動(dòng)過程中，攝像頭不間斷進(jìn)行小球20掃描識(shí)別。攝像頭14上方設(shè)置有光源13，用于照亮防護(hù)罩內(nèi)目標(biāo)，便于攝像頭14進(jìn)行識(shí)別。

一并參閱圖4，所述智能撿球機(jī)器人還包括機(jī)械手，所述機(jī)械手包括前機(jī)械手17和后機(jī)械手5，所述前機(jī)械手17設(shè)置有兩個(gè)，呈左右布置，并且位于防護(hù)罩前端的中部。所述后機(jī)械手5也設(shè)置有兩個(gè)，呈左右布置，并且位于車廂主體1后端的左右兩側(cè)，從而在橫向方向，四個(gè)機(jī)械手的工作區(qū)域相交接，通過四個(gè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)全部區(qū)域的覆蓋，無死角的產(chǎn)生。

如圖1、圖5所示，防護(hù)罩內(nèi)還設(shè)置有儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)。所述儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)包括球箱6，雙剪式聯(lián)軸器9、電機(jī)10、滾動(dòng)滑道21以及滾珠絲杠副22。機(jī)械手抓去的小球20會(huì)放入到球箱6內(nèi)。所述滾動(dòng)滑道21沿前后方向固定在車廂主體1下面。所述球箱6的底部與滾動(dòng)滑道21相配合，使球箱6能夠前后移動(dòng)。所述電機(jī)10通過雙剪式聯(lián)軸器9與滾珠絲杠副22連接，所述滾珠絲杠副22的螺母固定在球箱6上，從而通過電機(jī)10的旋轉(zhuǎn)，能夠帶動(dòng)球箱在滾動(dòng)滑道21上前后移動(dòng)，完成卸球。

所述車廂主體1包括支架11、車廂和底盤，其中車廂安裝在底盤上，支架11安裝在車廂上部。底盤包括伺服電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器、軸、聯(lián)軸器、可調(diào)軸承座、輪胎，其中輪胎固定在軸一端，另一端穿過軸承座，通過聯(lián)軸器與減速器相連。車廂包括控制箱4、電池箱2、隔板，控制箱4位于車廂前半部，通過信息處理，進(jìn)行目標(biāo)定位和運(yùn)動(dòng)控制，電池箱2提供能源。軸承座固定在車廂底部側(cè)壁，軸穿過車廂側(cè)壁連接輪胎和減速器。

本發(fā)明提供的輪式多機(jī)械手智能撿球機(jī)器人，能夠在室外復(fù)雜多變的環(huán)境下，快速，準(zhǔn)確的對(duì)小球進(jìn)行識(shí)別與定位，并完成避障，撿球的功能，發(fā)明人模仿人的撿拾原理，以攝像頭作為眼睛，控制系統(tǒng)作為大腦，底盤作為雙腿，機(jī)械手臂執(zhí)行手的撿拾動(dòng)作。

本發(fā)明采用攝像頭作為圖像采集工具，使用Labview作為圖像處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確識(shí)別與定位。使用嵌入式系統(tǒng)作為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心，借助四個(gè)伺服電機(jī)和多個(gè)紅外傳感器和超聲波傳感器，實(shí)完成車型主體的運(yùn)動(dòng)和避障。使用四個(gè)機(jī)械手，完成對(duì)小球的抓取。使用Labview編寫圖像處理軟件運(yùn)行在PC機(jī)上，通過串口實(shí)現(xiàn)與嵌入式系統(tǒng)芯片的數(shù)據(jù)通信。機(jī)器人開啟后，PC機(jī)上的圖像處理程序驅(qū)動(dòng)攝像頭拍攝圖像，并對(duì)其進(jìn)行處理從而得出目標(biāo)的三維坐標(biāo)，通過串口與控制系統(tǒng)通信，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行至機(jī)械手可執(zhí)行范圍內(nèi)后根據(jù)目標(biāo)坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行抓取。本發(fā)明不僅能夠適應(yīng)不同的地形環(huán)境，還能進(jìn)行智能的識(shí)別，定位和準(zhǔn)確抓取，對(duì)服務(wù)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

緊密圍繞訓(xùn)練場等智能撿拾服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，本發(fā)明首先進(jìn)行適于高爾夫球、網(wǎng)球和乒乓球等撿拾機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，搭建視覺系統(tǒng)標(biāo)定平臺(tái)，對(duì)匯聚式攝像頭進(jìn)行標(biāo)定；研究非結(jié)構(gòu)化環(huán)境多目標(biāo)識(shí)別方法，應(yīng)用最小二乘法三維重建定位技術(shù)對(duì)球類物體進(jìn)行定位；對(duì)機(jī)器人全局自主導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行研究，以提高工作效率為目標(biāo)，充分考慮機(jī)器人方位、人機(jī)交互信息、避障策略以及區(qū)域內(nèi)路徑規(guī)劃和球體分布規(guī)律等因素，模糊優(yōu)化出不確定性作業(yè)任務(wù)全局自主導(dǎo)航控制策略，實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下不確定性作業(yè)任務(wù)多機(jī)械手自律協(xié)同撿拾智能服務(wù)機(jī)器人技術(shù)。

原創(chuàng)性提出一種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下不確定性作業(yè)任務(wù)多機(jī)械手自律協(xié)同撿拾智能服務(wù)機(jī)器人技術(shù)，是本發(fā)明的研究特色。以撿拾時(shí)間均衡和不相互干涉為目標(biāo)，采用相向靠近的撿拾方式和機(jī)械手逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方法，重點(diǎn)解決非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下不確定性作業(yè)任務(wù)多機(jī)械手自律協(xié)同撿拾關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)械手高效率協(xié)同作業(yè)過程，并研制適用于高爾夫球、網(wǎng)球、乒乓球等訓(xùn)練場的撿拾機(jī)器人，填補(bǔ)國內(nèi)外多機(jī)械手球類物體智能撿拾機(jī)器人的空白。

在室內(nèi)外非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，突破并實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練場撿拾機(jī)器人全局自主導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)，是本項(xiàng)目研究的創(chuàng)新之處。以提高工作效率為目標(biāo)，充分考慮機(jī)器人方位、人機(jī)交互信息、避障策略以及區(qū)域內(nèi)路徑規(guī)劃和球體分布規(guī)律等因素，模糊優(yōu)化給出不確定性作業(yè)任務(wù)訓(xùn)練場內(nèi)全局自主導(dǎo)航控制策略。

高爾夫球、網(wǎng)球、乒乓球等訓(xùn)練場中小球類物體位置和分布數(shù)量具有隨機(jī)性，其撿拾過程屬于不確定性作業(yè)任務(wù)，難以通過“走到哪、撿到哪”的單一路徑規(guī)劃策略來實(shí)現(xiàn)效率撿拾問題，而缺少對(duì)機(jī)器人方位進(jìn)行較為精確的定位技術(shù)和球類物體分布規(guī)律的預(yù)測，為此造成該類撿拾機(jī)器人全局導(dǎo)航實(shí)用性差的關(guān)鍵技術(shù)問題。本項(xiàng)目在時(shí)間、位置和數(shù)量等約束條件下對(duì)訓(xùn)練場內(nèi)球類物體的分布規(guī)律進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并以提高工作效率為目標(biāo)，充分考慮機(jī)器人方位、人機(jī)交互信息、避障策略以及區(qū)域內(nèi)的路徑規(guī)劃和球體分布規(guī)律等因素，模糊優(yōu)化出不確定性作業(yè)任務(wù)全局自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制策略，突破撿拾機(jī)器人全局自主導(dǎo)航這一關(guān)鍵技術(shù)問題。

訓(xùn)練場內(nèi)球類物體撿拾不僅屬于不確定性作業(yè)任務(wù)，同時(shí)還受光照、室內(nèi)外自然環(huán)境多場景等因素影響，若采用基于單一顏色圖像識(shí)別方法，檢測誤差很大，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)球體的準(zhǔn)確定位。為此，本項(xiàng)目采用RGB加權(quán)法對(duì)彩色圖像處理進(jìn)行灰度化處理基礎(chǔ)上，進(jìn)行Otsu分割閾值算法進(jìn)行圖像二值化，利用標(biāo)號(hào)矩陣對(duì)球類物體圖像進(jìn)行連通域檢測，測量單個(gè)連通域的面積、周長、最小外接多邊形面積等參數(shù)，同時(shí)采用幾何特征和改進(jìn)形狀因子法，進(jìn)行多目標(biāo)球類物體識(shí)別，并分別提取左右攝像頭圖像中任一目標(biāo)球體的中心點(diǎn)。在球形物體定位基礎(chǔ)上，以撿拾時(shí)間均衡和不相互干涉為目標(biāo)，采用相向靠近的撿拾方式，進(jìn)行撿拾機(jī)械手作業(yè)區(qū)間內(nèi)動(dòng)態(tài)劃分技術(shù)研究，同時(shí)結(jié)合小球坐標(biāo)信息，應(yīng)用機(jī)械手逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法，計(jì)算各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍，自動(dòng)合理規(guī)劃機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)多機(jī)械手協(xié)同作業(yè)要求。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。