本发明涉及机器人擦冰技术领域，是一种冰壶机器人擦冰装置及其控制方法。
背景技术：
冰壶是一种通过投掷冰壶和擦冰共同完成的冰上竞技体育项目。冰壶的得分规则为，在每局比赛所有冰壶都被投出后，某队的一个冰壶位于或接触大本营，且比对方所有冰壶都更接近大本营圆心时，该队得一分。所以冰壶的最终落点决定着比赛的结果，而擦冰对冰壶的最终落点起关键作用。
冰壶场地是一个表面布满小冰粒的冰面，通过摩擦生热可以使小冰粒融化为一层薄薄的水膜，从而减小摩擦力。擦冰就是通过这一原理，减小冰壶滑行轨迹前方局部摩擦力，从而影响冰壶的滑行轨迹。
由于小冰粒的融化需要短时间内获得大量的热量，传统的擦冰方式需要使用毛刷在冰面上进行大力的、快速来回擦拭。对于冰壶机器人而言，很难提供足够的作用力使毛刷有效擦冰，且高速来回擦拭也会对机器人的运动造成很大的干扰，无法达到良好的擦冰效果。
如果使用加热模块直接对冰面进行加热，通过对职业运动员擦冰过程中不同擦冰力度及频率对冰壶滑行轨迹的影响分析，并将职业运动员的擦冰经验转化为对加热模块的控制策略，能够实现擦冰的功能。这种擦冰方式将降低擦冰过程对冰壶机器人的干扰，还能进一步增强擦冰的效果，能够更为准确地影响冰壶的滑行轨迹，使冰壶落位到目标位置。
技术实现要素：
本发明为实现能够根据冰壶预测滑行轨迹与参考轨迹的偏差自主生成擦冰指令，并执行擦冰动作，实现对冰壶滑行轨迹的调整，本发明提供了一种冰壶机器人擦冰装置及其控制方法，本发明提供了以下技术方案：
一种冰壶机器人擦冰装置，所述装置包括水平支架1、垂直支架2、加热模块3和电控单元4，所述水平支架1安装固定在垂直支架2上，所述垂直支架2固定安装在加热模块3上，所述电控单元4固定安装在水平支架1上。
优选地，所述水平支架1包括水平支架座11、水平步进电机12和水平滑块13；水平步进电机12与水平步进电机12的输出轴的螺旋丝杆共同固定于水平支架座11上，水平滑块13通过滚珠丝杆传动方式与水平步进电机12相连。
优选地，所述垂直支架2包括垂直支架座21、垂直步进电机22和垂直滑块23，垂直滑块23与垂直步进电机22也通过滚珠丝杆传动连接，垂直滑块23固定于垂直支架座21上。
优选地，所述水平滑块13与垂直滑块23固定连接。
优选地，电控单元4通过与冰壶机器人通信获取冰壶的预测轨迹与参考轨迹信息，电控单元4通过控制水平步进电机12和垂直步进电机22实现对加热模块3的位置控制，或直接控制加热模块3的开关，控制所述擦冰装置实现不同的擦冰动作。。
优选地，所述冰壶机器人擦冰装置通过冰壶机器人进行供电。
一种冰壶机器人擦冰装置控制方法，包括以下步骤：
步骤1：通过电控单元接收冰壶机器人发送的冰壶预测滑行轨迹与参考轨迹信息，选取轨迹间夹角θf与夹角变化率
步骤2：电控单元根据所述参考轨迹信息生成擦冰指令；
步骤3：根据擦冰指令，电控单元控制加热模块的位置和加热的开关，使得擦冰装置实现各种擦冰动作。
优选地，所述步骤1具体为：
步骤1.1：冰壶机器人给擦冰装置提供冰壶预测滑行轨迹xc冰壶参考轨迹f(x，y)，通过电控单元接收冰壶机器人发送的冰壶预测滑行轨迹xc及冰壶参考轨迹f(x，y)；
步骤1.2：选取轨迹间夹角θf与夹角变化率
θf＝θc-θref
其中，θc为预测轨迹速度与y轴夹角，θref为参考轨迹与y轴夹角。
优选地，所述步骤2具体为：
步骤2.1：根据选取轨迹间夹角θf与夹角变化率
e＝{负大，负小，零，正小，正大}＝{nb，ns，zo，ps，pb}
通过下式对轨迹间夹角误差的变化率ec进行模糊化：
ec＝{nb，ns，zo，pb，ps}
其中，nb表示为
步骤2.2：确定模糊控制的输出量uf，根据模糊控制的输出量uf对加热模块加热范围和开关进行控制，通过下式表示模糊控制的输出量uf：
uf＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}
＝{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}
其中，pb与nb均为满功率加热，加热模块位于y′轴-25cm位置，沿x′轴[-15cm，0]或[0，15cm]范围内往复摆动；pm与nm均为满功率加热，加热模块位于y′轴-20cm位置，沿x′轴[-10cm，0]或[0，10cm]范围内往复摆动；ps与ns均为满功率加热，加热模块位于y′轴-20cm位置，沿x′轴[-5cm，0]或[0，5cm]范围内往复摆动；zo为关闭加热模块，且加热模块位于y′轴-15cm位置；
步骤2.3：基于模糊控制器生成模糊规则表。
优选地，所述步骤3具体为：
步骤3.1：对水平支架上步进电机控制，不断输入由nh个正向脉冲与nh个负向脉冲形成的脉冲序列到步进电机内，使步进电机实现在lh范围内的往复移动；
步骤3.2:对垂直支架上步进电机控制，输入np个正或负脉冲信号，使滑块实现在支架上的位置调整，
步骤3.3：对加热模块工作方式的进行控制，根据模糊控制器的输出量uf，对加热开关的要求控制加热模块供电的通断，将uf按uf＝[uhupus]t分为3部分，分别进行加热模块的水平位置控制、垂直位置控制和电源通断控制，实现对各种冰壶轨迹偏移情况产生相应的擦冰动作，以使冰壶能准确到达目标位置。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过与冰壶机器人通信获取外部信息，并处理冰壶机器人输入信息作为控制器输入，基于模糊控制确定擦冰指令，并控制步进电机与加热模块实现擦冰指令，确保擦冰动作准确执行，使冰壶最终到达目标位置，本发明使用范围广、精度高、理论成熟，填补了该领域的空缺，非常具有实用意义。
附图说明
图1为冰壶机器人擦冰装置结构示意图；
图2为冰壶机器人擦冰装置控制方法流程图；
图3为冰壶预测轨迹与参考轨迹示意图；
图4为擦冰装置建系示意图；
图5为擦冰装置控制框图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
如图1所示，本发明提供的冰壶机器人擦冰装置，包括水平支架1、垂直支架2、加热模块3和电控单元4，其中：
所述水平支架1包括水平支架座11、水平步进电机12和水平滑块13；水平步进电机12与水平步进电机12的输出轴的螺旋丝杆共同固定于水平支架座11上，水平滑块13通过滚珠丝杆传动方式与水平步进电机12相连，能在丝杆范围内任意移动；。
所述垂直支架2包括垂直支架座21、垂直步进电机22和垂直滑块23，垂直滑块23与垂直步进电机22也通过滚珠丝杆传动连接，能在丝杆范围内任意移动；垂直滑块23固定于垂直支架座21上。
所述水平滑块13与垂直滑块23固定连接。
所述加热模块3用于加热冰面，使冰面局部摩擦力减小，从而影响冰壶的滑行轨迹；
所述电控单元4内含擦冰装置控制算法，用于根据外部输入的冰壶预测轨迹和参考轨迹计算二者间的角度偏差及偏差变化率，并根据偏差自主生成擦冰指令，控制擦冰装置执行擦冰动作，实现对冰壶滑行轨迹的调整。
电控单元4可通过与冰壶机器人通信获取冰壶的预测轨迹与参考轨迹信息，并能通过控制水平步进电机12和垂直步进电机22实现对加热模块3的位置控制，也能直接控制加热模块3的开关，从而控制擦冰装置实现不同的擦冰动作；擦冰装置整体按照图1所示方式固定于冰壶机器人上，并由冰壶机器人对整套装置进行供电。
如图2所示，利用上述系统实现的冰壶机器人擦冰控制算法，包括如下步骤：
步骤一：接收冰壶机器人发送的冰壶预测滑行轨迹与参考轨迹信息：
擦冰是指运动员持冰刷在冰壶滑行轨迹前方不断擦拭冰面以调整冰壶滑行轨迹的过程。所以擦冰装置一般不单独使用，而是与冰壶机器人或其他移动平台配合使用。也因此，擦冰装置不必配备独立电源及传感器，由冰壶机器人或其他移动平台进行供电并输入信号即可实现相应功能。但考虑到可能存在擦冰装置单独调试的需求及模块化设计要求，本发明为擦冰装置配备了电控单元。
在本发明的优选实例中，擦冰装置和冰壶机器人配套使用。所述冰壶机器人可以预测冰壶的滑行轨迹，并能规划出每一时刻冰壶到达投掷目标点的参考轨迹。轨迹的具体描述如图3所示：
以冰壶场地前卫线为x轴，以冰壶滑行方向左侧边界为y轴，两轴交点为原点(0，0)，建立直角坐标系。图3中，(x，y)为冰壶当前坐标，(x0，y0)为投掷目标点，f(x，y)为连接两点的线段，称为参考轨迹；xc为冰壶机器人预测的冰壶滑行轨迹，轨迹中包含每一点的坐标(xc，yc)和速度(vcx，vcy)，即xc＝[xcycvcxvcy]t，设每一点的速度与参考轨迹的夹角为θf，在参考轨迹左侧为正，θf＝θc-θref。
其中，
擦冰的目标是确保冰壶最终能准确到达目标位置，则需要使冰壶尽量按照参考轨迹滑行，即预测轨迹与参考轨迹间的偏差应尽量小。选择轨迹间的夹角θf及夹角变化率
为实现上述目标，需以θf与
步骤二：根据输入的轨迹信息生成擦冰指令：
由步骤一可以得到θf与
职业运动员在擦冰时，对于不同程度的轨迹偏移情况，会采取不同的擦冰动作；若对偏移情况基本相同的冰壶采取不同的擦冰动作，对滑行轨迹造成的影响也有较大差别。即擦冰过程存在着不同的冰壶轨迹偏移情况，且不同情况对应有不同的擦冰动作，运动员将轨迹偏移情况及擦冰动作进行了分类与对应。这一过程和模糊控制的控制过程相类似，于是可以建立一个双输入单输出的模糊控制器对擦冰装置进行控制：
其中，输入量选择如下：
由于双输入模糊控制的输入量一般为偏差量e及偏差变化量ec，在本发明中，取e＝θf、
输入量的模糊化规则为：
将e按e＝{负大，负小，零，正小，正大}＝{nb，ns，zo，ps，pb}分成5个模糊集，其中：
其中，nb表示
同理，ec＝{nb，ns，zo，pb，ps}。
输出量选择方式如下：
继续对职业运动员擦冰过程进行分析，可以发现：不同的擦冰动作对冰面的加热功率不同；且对于左偏的冰壶，运动员只对冰壶滑行轨迹的右前方擦冰；对于右偏的冰壶，运动员只对冰壶滑行轨迹的左前方擦冰。
于是模糊控制器的输出量uf应是对加热模块加热功率及加热范围的控制量。但由于加热模块的升温、降温过程存在较大延迟，而擦冰过程十分短暂，于是将对加热功率的控制转化为对加热模块离冰面距离的控制，通过改变加热距离间接改变对冰面的加热功率。
输出量的模糊化方式如下：
为方便说明，按照图4所示方式，以水平支架为x′轴，以水平支架中垂线为y′轴建立直角坐标系。则加热模块可沿x′轴移动范围为[-15cm，15cm]，沿y′移动范围为[-25cm，5cm]。初始时，加热模块位于(0，-25)，即几乎贴近冰面，且位于冰壶预测滑行轨迹的正上方。uf模糊规则为uf＝{负大，负中，负小，零，零，正小，正中，正大}＝
{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}
其中，pb(或nb)为满功率加热，加热模块位于y′轴-25cm位置，沿x′轴[-15cm，0](或[0，15cm])范围内往复摆动；pm(或nm)为满功率加热，加热模块位于y′轴-20cm位置，沿x′轴[-10cm，0](或[0，10cm])范围内往复摆动；ps(或ns)为满功率加热，加热模块位于y′轴-20cm位置，沿x′轴[-5cm，0](或[0，5cm])范围内往复摆动；zo为关闭加热模块，且加热模块位于y′轴-15cm位置。
根据以上对专业运动员擦冰过程及擦冰经验的分析，结合本发明的擦冰装置结构特点，建立如表1所示模糊控制规则表：
表1模糊规则表
按照上述方式建立的模糊控制器，可以对不同轨迹偏移情况产生不同的擦冰指令uf，以适应擦冰过程中情况多变的擦冰需求。
步骤三：根据擦冰指令控制加热模块的位置和运动方式：
通过步骤二可以生成擦冰指令uf，这一擦冰指令是通过控制加热模块的位置及加热模块的开关实现的，下面介绍具体的控制方法：
首先介绍加热模块的位置控制方法：
本发明中，如图1所示，加热模块3固定于垂直支架2上，它的移动能力靠垂直支架2提供；由于水平支架1固定于冰壶机器人上，则与其固定的水平滑块13及垂直滑块23均没有垂直方向的自由度；水平滑块13通过滚珠丝杆与水平步进电机12连接，水平步进电机12旋转带动丝杆旋转，通过滚珠丝杆传动使水平滑块13带动垂直滑块23在丝杆范围内水平移动；由于垂直滑块23与垂直支架2在水平方向没有自由度，于是加热模块3通过水平步进电机12获得水平方向移动能力；同理，加热模块3通过垂直步进电机22获得垂直方向移动能力。
于是对加热模块的位置控制就是对步进电机旋转的控制。由于步进电机的旋转受脉冲信号控制：即每输入一个脉冲信号，步进电机会旋转一个步距角θb。且电机会带动丝杆旋转θ′b，使滑块产生xb大小的位移。即每个脉冲使滑块产生xb大小位移，位移的方向受步进电机旋转方向影响，而步进电机旋转方向与脉冲的正负有关。
通过上述分析，可将对加热模块的位置控制转化为对脉冲数量及脉冲方向的控制，具体控制方式如下：
对水平支架的控制uh：根据步骤二中uf对水平支架的要求可知，要求滑块能在支架上某一段范围lh内往复移动，于是每个单程滑块的位移量为lh，产生位移所需的脉冲数量为
对垂直支架的控制up：根据步骤二中uf对垂直支架的要求可知，要求滑块在支架上某点移动到另一点后静止，即滑块朝某一方向产生一段位移lp，所需的脉冲数量为
通过上述对水平支架及垂直支架的控制，可以实现对加热模块的位置控制。
然后介绍加热模块开关的控制：
对加热模块开关的控制us：由于步骤二中要求加热模块全功率工作，因此只是对加热模块的通电与断电控制，则us只需实现加热模块的开关即可。
通过上述方法，如图5所示，可以将uf按uf＝[uhupus]t分为3部分分别进行加热模块的水平位置控制、垂直位置控制和电源通断控制。从而使擦冰装置实现各种擦冰动作，以应对不同的冰壶轨迹偏移情况，最终确保冰壶能准确到达目标位置。
以上所述仅是一种冰壶机器人擦冰装置及其控制方法的优选实施方式，一种冰壶机器人擦冰装置及其控制方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
1.一种冰壶机器人擦冰装置，其特征是：所述装置包括水平支架(1)、垂直支架(2)、加热模块(3)和电控单元(4)，所述水平支架(1)安装固定在垂直支架(2)上，所述垂直支架(2)固定安装在加热模块(3)上，所述电控单元(4)固定安装在水平支架(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种冰壶机器人擦冰装置，其特征是：所述水平支架(1)包括水平支架座(11)、水平步进电机(12)和水平滑块(13)；水平步进电机(12)与水平步进电机(12)的输出轴的螺旋丝杆共同固定于水平支架座(11)上，水平滑块(13)通过滚珠丝杆传动方式与水平步进电机(12)相连。
3.根据权利要求1所述的一种冰壶机器人擦冰装置，其特征是：所述垂直支架(2)包括垂直支架座(21)、垂直步进电机(22)和垂直滑块(23)，垂直滑块(23)与垂直步进电机(22)也通过滚珠丝杆传动连接，垂直滑块(23)固定于垂直支架座(21)上。
4.根据权利要求1所述的一种冰壶机器人擦冰装置，其特征是：所述水平滑块(13)与垂直滑块(23)固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种冰壶机器人擦冰装置，其特征是：电控单元(4)通过与冰壶机器人通信获取冰壶的预测轨迹与参考轨迹信息，电控单元(4)通过控制水平步进电机(12)和垂直步进电机(22)实现对加热模块(3)的位置控制，或直接控制加热模块(3)的开关，控制所述擦冰装置实现不同的擦冰动作。
6.根据权利要求1所述的一种冰壶机器人擦冰装置，其特征是：所述冰壶机器人擦冰装置通过冰壶机器人进行供电。
7.一种冰壶机器人擦冰装置控制方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种冰壶机器人擦冰装置，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：通过电控单元接收冰壶机器人发送的冰壶预测滑行轨迹与参考轨迹信息，选取轨迹间夹角θf与夹角变化率
步骤2：电控单元根据所述参考轨迹信息生成擦冰指令；
步骤3：根据擦冰指令，电控单元控制加热模块的位置和加热的开关，使得擦冰装置实现各种擦冰动作。
8.根据权利要求7所述的一种冰壶机器人擦冰装置控制方法，其特征是：所述步骤1具体为：
步骤1.1：冰壶机器人给擦冰装置提供冰壶预测滑行轨迹xc冰壶参考轨迹f(x，y)，通过电控单元接收冰壶机器人发送的冰壶预测滑行轨迹xc及冰壶参考轨迹f(x，y)；
步骤1.2：选取轨迹间夹角θf与夹角变化率
θf＝θc-θref
其中，θc为预测轨迹速度与y轴夹角，θref为参考轨迹与y轴夹角。
9.根据权利要求7所述的一种冰壶机器人擦冰装置控制方法，其特征是：所述步骤2具体为：
步骤2.1：根据选取轨迹间夹角θf与夹角变化率
e＝{负大，负小，零，正小，正大}＝{nb，ns，zo，ps，pb}
通过下式对轨迹间夹角误差的变化率ec进行模糊化：
ec＝{nb，ns，zo，pb，ps}
其中，nb表示为
步骤2.2：确定模糊控制的输出量uf，根据模糊控制的输出量uf对加热模块加热范围和开关进行控制，通过下式表示模糊控制的输出量uf：
uf＝{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}
＝{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}
其中，pb与nb均为满功率加热，加热模块位于y′轴-25cm位置，沿x′轴[-15cm，0]或[0，15cm]范围内往复摆动；pm与nm均为满功率加热，加热模块位于y′轴-20cm位置，沿x′轴[-10cm，0]或[0，10cm]范围内往复摆动；ps与ns均为满功率加热，加热模块位于y′轴-20cm位置，沿x′轴[-5cm，0]或[0，5cm]范围内往复摆动；zo为关闭加热模块，且加热模块位于y′轴-15cm位置；
步骤2.3：基于模糊控制器生成模糊规则表。
10.根据权利要求7所述的一种冰壶机器人擦冰装置控制方法，其特征是：所述步骤3具体为：
步骤3.1：对水平支架上步进电机控制，不断输入由nh个正向脉冲与nh个负向脉冲形成的脉冲序列到步进电机内，使步进电机实现在lh范围内的往复移动；
步骤3.2：对垂直支架上步进电机控制，输入np个正或负脉冲信号，使滑块实现在支架上的位置调整，
步骤3.3：对加热模块工作方式的进行控制，根据模糊控制器的输出量uf，对加热开关的要求控制加热模块供电的通断，将uf按uf＝[uhupus]t分为3部分，分别进行加热模块的水平位置控制、垂直位置控制和电源通断控制，实现对各种冰壶轨迹偏移情况产生相应的擦冰动作，以使冰壶能准确到达目标位置。
技术总结