本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人。
背景技术：
乒乓球机器人是一种能够和人类打乒乓球的机器人。在乒乓球比赛中，为了能够精准快速的进行击球动作，要求机器人能够在极短的时间内预测乒乓球的轨迹，计算出击球策略，并移动到击球位置完成击球。
现有的乒乓球机器人主要有以下四种形式：1、将一个串联机械臂倒挂固定于乒乓球桌的上面，该串联机械臂的末端连接有乒乓球拍(新松机器人)。2、六自由度串联机器人，其第一个自由度是沿着乒乓球桌的宽度方向做直线平移运动(新松机器人)。3、将一个五自由度并联机械臂倒挂固定在乒乓球桌上方，该并联机械臂的末端连接有球拍(omron)4、工业机械手臂(kuka)
上述第1、2、3种乒乓球机器人因为固定在球桌上方，运动范围非常有限，很难处理落点靠近球桌边缘的乒乓球；上述第4种机器人由于底座固定，只能击打靠近球桌中线的乒乓球，且价格昂贵。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种实现精准、快速击球，并且可以大范围移动以处理各种路线乒乓球的乒乓球机器人。
为达到上述目的，本发明提出一种基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，包括四目视觉系统、视觉处理上位机、全向移动小车、六自由度机械臂和机械控制下位机；
其中，所述六自由度机械臂和所述机械控制下位机均设于所述全向移动小车上，所述机械控制下位机驱动所述全向移动小车位移以及驱动所述六自由度机械臂；
所述四目视觉系统与所述视觉处理上位机信号连接。
优选的，所述四目视觉系统包括第一视觉支架、第二视觉支架和至少四台工业相机；所述工业相机分别设于所述第一视觉支架和所述第二视觉支架上。
优选的，所述工业相机为四台；其中，两台所述工业相机设于所述第一视觉支架上以形成第一双目视觉子系统，两台所述工业相机设于所述第二视觉支架上，以形成第二视觉子系统；
所述第一双目视觉子系统和所述第二视觉子系统均架设于乒乓球桌的上方，并且所述第一视觉支架和所述第二视觉支架均与所述乒乓球桌宽度方向的中线相平行。
优选的，所述全向移动小车包括底座和四组驱动模块；所述驱动模块包括伺服电机、编码器、行星减速机和麦克纳姆轮；
所述伺服电机的输出端与所述行星减速机活动连接，所述行星减速机与所述麦克纳姆轮活动连接；
每一组所述驱动模块设于所述底座的四个角，以驱动所述全向移动小车实现位移。
优选的，所述视觉处理上位机为一台高性能工控机，所述高性能工控机与所述工业相机和所述机械控制下位机均实现信号连接。
优选的，所述六自由度机械臂包括第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节、第四驱动关节、第五驱动关节、第六驱动关节、乒乓球拍、第一连接板、第二连接板和第三连接板；
所述第一驱动关节的输出端与所述第二驱动关节的固定端活动连接，所述第二驱动关节的输出端与所述第一连接板的一端活动连接，所述第一连接板的另一端与所述第三驱动关节的固定端活动连接，所述第三驱动关节的输出端与所述第四驱动关节的固定端活动连接，所述第四驱动关节的输出端与所述第二连接板的一端活动连接，所述第二连接板的另一端与所述第五驱动关节的固定端活动连接，所述第五驱动关节的输出端与所述第三连接板的一端活动连接，所述第三连接板的另一端与所述第六驱动关节的固定端活动连接，所述第六驱动关节的输出端定端与所述乒乓球拍活动连接。
优选的，所述第一驱动关节包括第一驱动关节伺服电机，第一驱动关节编码器和第一驱动关节减速机；
所述第一驱动关节伺服电机与所述第一驱动关节编码器信号连接，所述第一驱动关节伺服电机与所述第一驱动关节减速机的输入端活动连接。
优选的，所述第二驱动关节包括两个通信舵机和安装基座；所述第一驱动关节减速机的输出端与所述安装基座固定连接，两个所述通信舵机并联设于所述安装基座上，所述第一连接板的一端连接于两个所述通信舵机之间；
所述第三驱动关节包括第三驱动关节伺服电机和第三驱动关节编码器，所述第三驱动关节伺服电机和第三驱动关节编码器实现信号连接。
优选的，第四驱动关节包括第四驱动关节舵机，第五驱动关节包括第五驱动关节舵机，第六驱动关节包括第六驱动关节舵机。
优选的，所述第一连接板的长度大于所述第二连接板，所述第二连接板的长度大于所述第三连接板；
所述第一连接板、所述第二连接板和所述第三连接板均使用工字梁加固。
优选的，所述机械控制下位机包括主控板、电机驱动板、舵机驱动板和供电电池；所述主控板的输出端与所述电机驱动板和舵机驱动板信号连接，所述电机驱动板与所述全向移动小车的伺服电机相连，所述电机驱动板还与所述第一驱动关节和所述第三驱动关节信号连接，所述舵机驱动板与所述第二驱动关节、所述第四驱动关节、所述第五驱动关节和所述第六驱动关节信号连接；
所述供电电池与所述主控板、电机驱动板、舵机驱动板、各舵机和各伺服电机实现电连接。
与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明的乒乓球机器人通过第一双目视觉子系统获取乒乓球轨迹，通过第二双目视觉子系统识别击球者的击球姿态；视觉处理上位机接收数据，并通过轨迹预测算法预测乒乓球落点以及计算击球位置；六自由度机械臂相较传统的五自由度机械臂引入了更多自由度，能实现更为复杂优美的笛卡尔空间轨迹规划，补全了在姿态表达上对位置的影响的未知量，使得机械臂的运动更为精准，机械臂的计算效率也进一步提升；通过全向麦克纳姆轮平台使六自由度机械臂快速到达水平平面上的击球处，增大了乒乓球机器人的活动范围和运动速度。
附图说明
图1为本发明实施例中基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中全向移动小车的底部结构示意图；
图3为本发明实施例中六自由度机械臂的结构示意图；
图4为本发明实施例中四目视觉系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。
如图1所示，本发明提出一种基于全向麦克纳姆轮101平台的乒乓球机器人，包括四目视觉系统3、视觉处理上位机4、全向移动小车1、六自由度机械臂2和机械控制下位机；
其中，六自由度机械臂2和机械控制下位机均设于全向移动小车1上，机械控制下位机驱动全向移动小车1位移以及驱动六自由度机械臂2；四目视觉系统3与视觉处理上位机4信号连接。
在本实施例中，如图4所示，四目视觉系统3包括第一视觉支架301、第二视觉支架303和至少四台工业相机302；工业相机302分别设于第一视觉支架301和第二视觉支架303上。
在本实施例中，工业相机302为四台；其中，两台工业相机302设于第一视觉支架301上以形成第一双目视觉子系统，两台工业相机302设于第二视觉支架303上，以形成第二视觉子系统；
第一双目视觉子系统和第二视觉子系统均架设于乒乓球桌的上方，并且第一视觉支架301和第二视觉支架303均与乒乓球桌宽度方向的中线相平行。
在本实施例中，如图2所示，全向移动小车1包括底座和四组驱动模块；驱动模块包括伺服电机102、编码器103、行星减速机104和麦克纳姆轮101；
伺服电机的输出端与行星减速机104活动连接，行星减速机104与麦克纳姆轮101活动连接；
每一组驱动模块设于底座的四个角，以驱动全向移动小车1实现位移。
在本实施例中，视觉处理上位机4为一台高性能工控机，高性能工控机与工业相机302和机械控制下位机均实现信号连接。
在本实施例中，如图3所示，六自由度机械臂2包括第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节、第四驱动关节209、第五驱动关节212、第六驱动关节214、乒乓球拍215、第一连接板206、第二连接板210和第三连接板213；
第一驱动关节的输出端与第二驱动关节的固定端活动连接，第二驱动关节的输出端与第一连接板206的一端活动连接，第一连接板206的另一端与第三驱动关节的固定端活动连接，第三驱动关节的输出端与第四驱动关节209的固定端活动连接，第四驱动关节209的输出端与第二连接板210的一端活动连接，第二连接板210的另一端与第五驱动关节212的固定端活动连接，第五驱动关节212的输出端与第三连接板213的一端活动连接，第三连接板213的另一端与第六驱动关节214的固定端活动连接，第六驱动关节214的输出端定端与乒乓球拍215活动连接。
在本实施例中，第一驱动关节包括第一驱动关节伺服电机201，第一驱动关节编码器202和第一驱动关节减速机203；
第一驱动关节伺服电机201与第一驱动关节编码器202信号连接，第一驱动关节伺服电机201与第一驱动关节减速机203的输入端活动连接。
在本实施例中，第二驱动关节包括两个通信舵机205和安装基座204；第一驱动关节减速机203的输出端与安装基座204固定连接，两个通信舵机205并联设于安装基座204上，第一连接板206的一端连接于两个通信舵机205之间；
第三驱动关节包括第三驱动关节伺服电机207和第三驱动关节编码器208，第三驱动关节伺服电机207和第三驱动关节编码器208实现信号连接。
第四驱动关节包括第四驱动关节舵机，第五驱动关节包括第五驱动关节舵机，第六驱动关节包括第六驱动关节舵机。
在本实施例中，第一连接板206的长度大于第二连接板210，第二连接板210的长度大于第三连接板213；
第一连接板206、第二连接板210和第三连接板213均使用工字梁211加固。
在本实施例中，机械控制下位机包括主控板、电机驱动板、舵机驱动板和供电电池；主控板的输出端与电机驱动板和舵机驱动板信号连接，电机驱动板与全向移动小车1的伺服电机相连，电机驱动板还与第一驱动关节和所述第三驱动关节信号连接，舵机驱动板与第二驱动关节、第四驱动关节209、第五驱动关节212和第六驱动关节214信号连接；供电电池与主控板、电机驱动板、舵机驱动板和各伺服电机102实现电连接。
在本实施例中，以乒乓球桌的中心为原点，x轴方向为从原点沿乒乓球桌长边方向的中线指向六自由度机械臂2，y轴方向为从原点沿乒乓球网远离视觉处理上位机4方向，z轴方向为原点竖直向上方向，x、y、z轴成右手坐标系，构成直角坐标系；
本发明的工作原理为：通过第一双目视觉系统采集乒乓球飞行的轨迹，通过第二双目视觉系统采集击球者的击球姿态；所述视觉处理上位机4接收数据，并通过轨迹预测算法预测乒乓球落点以及计算击球位置；全向麦克纳姆轮101平台将六自由度机械臂2移动到xy平面的击球点处，(其中x、y、z方向请参阅图1所示)通过所述第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节、第四驱动关节209、第五驱动关节212、和第六驱动关节214控制乒乓球拍215在z轴方向上达到击球位置。
进一步，乒乓球拍215击球时x轴方向的速度由第一驱动关节提供，能够实现较高的击球速度，乒乓球拍215在z轴方向的位置由第二驱动关节、第四驱动关节209和第五驱动关节212确定，结合所述全向麦克纳姆轮101平台，能使六自由度机械臂2在三维空间内进行较大范围和精准的运动；乒乓球拍215的姿态由第三驱动关节与第六驱动关节214确定，使乒乓球拍215达到击球所需的姿态。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
1.一种基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，包括四目视觉系统、视觉处理上位机、全向移动小车、六自由度机械臂和机械控制下位机；
其中，所述六自由度机械臂和所述机械控制下位机均设于所述全向移动小车上，所述机械控制下位机驱动所述全向移动小车位移以及驱动所述六自由度机械臂；
所述四目视觉系统与所述视觉处理上位机信号连接。
2.根据权利要求1所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述四目视觉系统包括第一视觉支架、第二视觉支架和至少四台工业相机；所述工业相机分别设于所述第一视觉支架和所述第二视觉支架上。
3.根据权利要求2所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述工业相机为四台；其中，两台所述工业相机设于所述第一视觉支架上以形成第一双目视觉子系统，两台所述工业相机设于所述第二视觉支架上，以形成第二视觉子系统；
所述第一双目视觉子系统和所述第二视觉子系统均架设于乒乓球桌的上方，并且所述第一视觉支架和所述第二视觉支架均与所述乒乓球桌宽度方向的中线相平行。
4.根据权利要求1所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述全向移动小车包括底座和四组驱动模块；所述驱动模块包括伺服电机、编码器、行星减速机和麦克纳姆轮；
所述伺服电机的输出端与所述行星减速机活动连接，所述行星减速机与所述麦克纳姆轮活动连接；
每一组所述驱动模块设于所述底座的四个角，以驱动所述全向移动小车实现位移。
5.根据权利要求3所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述视觉处理上位机为一台高性能工控机，所述高性能工控机与所述工业相机和所述机械控制下位机均实现信号连接。
6.根据权利要求1所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述六自由度机械臂包括第一驱动关节、第二驱动关节、第三驱动关节、第四驱动关节、第五驱动关节、第六驱动关节、乒乓球拍、第一连接板、第二连接板和第三连接板；
所述第一驱动关节的输出端与所述第二驱动关节的固定端活动连接，所述第二驱动关节的输出端与所述第一连接板的一端活动连接，所述第一连接板的另一端与所述第三驱动关节的固定端活动连接，所述第三驱动关节的输出端与所述第四驱动关节的固定端活动连接，所述第四驱动关节的输出端与所述第二连接板的一端活动连接，所述第二连接板的另一端与所述第五驱动关节的固定端活动连接，所述第五驱动关节的输出端与所述第三连接板的一端活动连接，所述第三连接板的另一端与所述第六驱动关节的固定端活动连接，所述第六驱动关节的输出端定端与所述乒乓球拍活动连接。
7.根据权利要求6所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述第一驱动关节包括第一驱动关节伺服电机，第一驱动关节编码器和第一驱动关节减速机；
所述第一驱动关节伺服电机与所述第一驱动关节编码器信号连接，所述第一驱动关节伺服电机与所述第一驱动关节减速机的输入端活动连接。
8.根据权利要求7所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述第二驱动关节包括两个通信舵机和安装基座；所述第一驱动关节减速机的输出端与所述安装基座固定连接，两个所述通信舵机并联设于所述安装基座上，所述第一连接板的一端连接于两个所述通信舵机之间；
所述第三驱动关节包括第三驱动关节伺服电机和第三驱动关节编码器，所述第三驱动关节伺服电机和第三驱动关节编码器实现信号连接。
9.根据权利要求6所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，第四驱动关节包括第四驱动关节舵机，第五驱动关节包括第五驱动关节舵机，第六驱动关节包括第六驱动关节舵机。
10.根据权利要求6所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述第一连接板的长度大于所述第二连接板，所述第二连接板的长度大于所述第三连接板；
所述第一连接板、所述第二连接板和所述第三连接板均均使用工字梁加固。
11.根据权利要求6所述的基于全向麦克纳姆轮平台的乒乓球机器人，其特征在于，所述机械控制下位机包括主控板、电机驱动板、舵机驱动板和供电电池；所述主控板的输出端与所述电机驱动板和舵机驱动板信号连接，所述电机驱动板与所述全向移动小车的伺服电机相连，所述电机驱动板还与所述第一驱动关节和所述第三驱动关节信号连接，所述舵机驱动板与所述第二驱动关节、所述第四驱动关节、所述第五驱动关节和所述第六驱动关节信号连接；
所述供电电池与所述主控板、电机驱动板、舵机驱动板、各舵机和各伺服电机实现电连接。
技术总结