專利名稱：自主撿球機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自主機器人，特別涉及一種能幫人們撿球的自主機器人。
背景技術：
隨著社會的發(fā)展，人們關注的焦點不單是衣食住行，更希望一種更加健康、 更加快樂的生活。參與體育運動無疑是絕佳的選擇，但是運動中的很多瑣事影 響著人們的運動熱情，例如在網(wǎng)球或乒乓球運動的發(fā)球練習中，會使大量的球 散落于地面，不停彎腰去撿地上的球無疑是一件令人心煩的事；而對于殘疾人 運動員來說，在打球時不斷撿地面上的球將面臨更多困難，甚至發(fā)生危險。目前己經(jīng)出現(xiàn)了 一些能夠實現(xiàn)撿球功能的設計，例如專利號為 CN200710190398. X的專利文獻中提出一種智能撿球方案，即在車頭安裝機械臂， 在車頭攝像頭的引導下找到球并利用機械臂將球撿起放到球籃內。專利號為 CN200710041084.3的專利文獻中提出一種利用氣泵將球吸進球盒的方法。專利 號為CN200610118792. 8的專利文獻中提出一種在裝置前端裝一個轉筒，轉筒上 插有轉板，轉板上有抄球板和定位板，轉筒轉動時利用抄球板和定位板夾住球， 然后將球送到收集容器里。另外幾個相關專利是將一個容器的底面做成彈性結 構，當人用力在球上方擠壓，球可以通過容器底面壓進容器，實現(xiàn)撿球功能。但是上述方法仍然有一些缺陷 一、撿球效率低，例如利用機械臂撿球的 方法， 一次只能撿一個球；利用轉筒結構撿球的方法，如何將球夾在抄球板與 定位板之間是一個難題。二、智能性低，已提出的方法中只有CN200710190398.X 提出了一種無需人工操作的智能撿球方法，其它方法都需要人親自參與撿球過 程，但CN200710190398. X提出的方法是在車頭安裝攝像頭進行球的識別以及小 車的引導，這樣攝像頭只能監(jiān)視小車前方小范圍內的圖像信息，視場范圍窄， 只能是一種"走到哪、撿到哪"的策略，無法進行撿球路徑的全局規(guī)劃，這樣 做雖然實現(xiàn)了自主撿球操作，但智能性不高。三、用氣泵吸球的方法需要安裝 氣泵，撿球裝置結構復雜，且在吸球的同時也會將地上的塵土、雜物吸入球盒， 雖然實現(xiàn)了撿球功能，但也帶來一些麻煩。發(fā)明內容為了克服現(xiàn)有技術撿球效率低和智能性低的缺陷，本發(fā)明提出 一種可自主 識別并收集地面上的球，然后將球傾倒至指定地點的機器人。該機器人有單機 運行和多機協(xié)作兩種工作模式，可以完成自主尋找地面上的球、自主收集地面 上的球、自主將球運送并傾倒至指定地點等任務，并具有自主充電的功能。本發(fā)明的技術方案是自主撿球機器人包括移動基本載體、充電裝置以及 控制系統(tǒng)。移動基本載體在控制系統(tǒng)的控制下尋找、識別、收集地面上的球， 將收集的球運送并傾倒至指定地點，并在電量不足時在控制系統(tǒng)的控制下與充 電裝置對接進行充電；控制系統(tǒng)采集并處理整個場地的圖像信息，并通過無線通訊控制移動基本載體進行找球、撿球、倒球與充電操作。移動基本載體包括撿球機構、倒球機構與移動平臺。其中，撿球機構包括 撿球刷、撿球擋板，通過控制系統(tǒng)控制撿球刷的轉動，將球推向撿球擋板，并隨著撿球刷轉動而逐漸上升，實現(xiàn)撿球功能；倒球機構在控制系統(tǒng)的控制下， 將球在指定地點倒出；移動平臺為撿球機構、倒球機構提供安裝支撐，并且在 控制系統(tǒng)的控制下移動到指定地點。本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)包括主處理器模塊和子處理器模塊。主處理器采集 并處理整個場地的圖像信息，并通過無線通訊與子處理器模塊進行通訊；子處 理器模塊安裝在移動基本載體上，采集并處理局部范圍的圖像信息，與主處理 器模塊進行無線通訊并對移動基本載體進行控制?？刂葡到y(tǒng)還可以包括自保護 模塊，通過檢測電流值控制供電回路的通斷。本發(fā)明提出的自主撿球機器人具有單機運行和多機協(xié)作兩種工作模式。當 場地較小時，自主撿球機器人可選擇工作于單機運行模式，此時自主撿球機器 人包括單個移動基本載體、單個充電裝置以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括單 個主處理器模塊、單個子處理器模塊以及單個自保護模塊；當場地較大時，自 主撿球機器人可選擇工作于多機協(xié)作模式，所述自主撿球機器人包括多個移動 基本載體、多個充電裝置以及控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)包括單個主處理器模 塊、多個子處理器模塊以及多個自保護模塊。本發(fā)明提出的自主撿球機器人的撿球機構以及倒球機構并不是只針對某一 種體積的球而設計，而是適用于不同體積的球類，特別適用于網(wǎng)球、乒乓球等 球類。撿球機構的工作原理類似于古代水車，利用撿球刷的轉動，將球推向撿 球擋板，并隨著撿球刷轉動而逐漸上升，實現(xiàn)撿球功能。只要符合此原理，都 可以實現(xiàn)撿球操作，而不局限于本例中描述的撿球機構的形狀、安裝方式。本發(fā)明提出的自主撿球機器人的運動控制方式采用差動控制，控制兩個主 動輪的轉速和轉向就可以實現(xiàn)移動基本載體的進退及轉向，控制方式簡單靈活。 本發(fā)明提出的自主撿球機器人亦可以采用其它控制方式來實現(xiàn)運動控制，例如 以直流電機驅動，由舵機控制方向的控制方式。本發(fā)明還提出了自主撿球機器人完成自主撿球的方法，包括自主找球的步 驟、自主撿球的步驟、自主倒球的步驟、自主充電的歩驟以及人機交互的步驟。本發(fā)明提出的自主撿球機器人的有益效果是重量小、容量大，運動靈巧輕 便，具有機械結構緊湊合理，實用性、穩(wěn)定性、節(jié)能性、經(jīng)濟性和通用性好等 特點，能夠代替人工完成撿球工作，撿球效率高，智能性高。本發(fā)明的具體方案和優(yōu)點將在具體實施方式
部分進行進一步闡述。


圖1 為本發(fā)明自主撿球機器人的工作效果圖(側視)。圖2 為本發(fā)明自主撿球機器人的工作效果圖(俯視)。 圖3 為本發(fā)明自主撿球機器人移動基本載體示意圖(側視)。 圖4 為本發(fā)明自主撿球機器人移動基本載體示意圖(俯視)。 圖5 為本發(fā)明自主撿球機器人撿球機構示意圖(側視)。 圖6 為本發(fā)明自主撿球機器人撿球機構示意圖(正視)。 圖7 為本發(fā)明自主撿球機器人倒球結構示意圖(正視)。 圖8 為本發(fā)明自主撿球機器人倒球結構示意圖(側視)。 圖9 為本發(fā)明自主撿球機器人充電插頭示意圖。 圖10為本發(fā)明自主撿球機器人充電裝置示意圖(正視)。 圖11 為本發(fā)明自主撿球機器人充電裝置示意圖(俯視)。 圖12 為本發(fā)明自主撿球機器人控制系統(tǒng)示意圖。 圖中各標號表示 1、全局視覺傳感器 4、倒球處 7、從動輪 10、充電插頭 13、撿球電機 16、撿球機構殼體側壁 19、撿球入口2、無線通訊模塊甲 5、局部視覺傳感器 8、球筐11、無線通訊模塊乙 14、人機交互模塊 17、撿球機構殼體上蓋 20、撿球出口3、充電裝置 6、主動輪 9、控制系統(tǒng)盒 12、倒球電機 15、緊急按鍵 18、撿球擋板 21、撿球刷22、撿球驅動軸25、倒球驅動軸 28、球筐出球口 31、充電裝置入口23、球筐側壁 26、球筐進球口 29、充電裝置主面板 32、充電插座24、倒球葉片 27、球筐底面 30、充電裝置側壁具體實施方式
本發(fā)明提出的自主撿球機器人工作效果圖如圖1、圖2所示，圖中所示自主 撿球機器人的工作地點為網(wǎng)球場地，但本發(fā)明提出的自主撿球機器人的運行環(huán) 境并不局限于網(wǎng)球場地。如圖1所示，機器人正在進行撿球工作，全局視覺傳 感器(1)架設在場地上方，主處理器與無線通訊模塊甲(2)放置于場地的旁 邊。如圖2所示，本發(fā)明提出的自主撿球機器人的充電裝置(3)、倒球處(4) 都放置在場地旁邊。圖2中所示四臺機器人移動基本載體A、 B、 C、 D工作于多 機協(xié)作模式，移動基本載體A與B正處于撿球工作狀態(tài)，球與球之間的連線表 示移動基本載體的撿球路徑；移動基本載體C正在進行充電；移動基本載體D 正在進行倒球操作。自主撿球機器人有單機運行與多機協(xié)作兩種工作模式，圖l 所示自主撿球機器人工作于多機協(xié)作模式，適合于場地較大的條件；當場地較 小時，自主撿球機器人可選擇工作于單機運行模式。本發(fā)明提出的自主撿球機器人包括移動基本載體、充電裝置(3)以及控制 系統(tǒng)，如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11以及圖12所 示。本發(fā)明所述的移動基本載體，如圖3、圖4所示，包括撿球機構、倒球機構 以及移動平臺。所述的撿球機構，如圖5、圖6所示，包括撿球機構殼體、撿球 入口 (19)、撿球出口 (20)、撿球驅動軸(22)、撿球刷(21)以及撿球電機(13)。 所述的撿球機構殼體包括殼體側壁(16)、殼體上蓋(17)以及撿球擋板(18)。 撿球機構殼體側壁(16)為半圓形，殼體側壁(16)豎直安裝，使半圓形的直 邊垂直地面；殼體上蓋(17)為圓弧面，殼體上蓋(17)從殼體側壁(16)最 高點向下沿側壁弧線邊安裝；撿球擋板(18)為圓弧面，撿球擋板(18)從殼 體側壁(16)最低點向上沿側壁弧線邊安裝，撿球擋板(18)的上邊沿要比撿 球機構殼體側壁(16)圓心低AH， AH值需要根據(jù)球的體積進行調整；撿球機 構殼體上蓋(17)與撿球擋板(18)之間為撿球入口 (19)與撿球出口 (20); 撿球驅動軸(22)安裝在兩個撿球機構殼體側壁(16)之間，撿球驅動軸(22) 在殼體側壁(16)上的安裝點位于殼體側壁的圓心，撿球驅動軸(22)由撿球 電機(13)驅動，可繞側壁圓心轉動；撿球刷(21)安裝在撿球驅動軸(22)上，調整撿球刷(21)的長度使撿球刷(21)正好接觸撿球擋板(18)內表面； 撿球電機(13)裝配有減速箱與編碼器，通過前法蘭的方式安裝在撿球機構殼體側壁(16)上。所述的倒球機構，如圖7、圖8所示，包括球筐(8)、倒球驅 動軸(25)、倒球葉片(24)以及倒球電機(12)。所述的球筐(8)包括球筐進 球口 (26)、球筐出球口 (28)以及球筐底面(27)。其特征是球筐底面(27) 自球筐進球口 (26)至出球口 (28)向下傾斜，與地面成a角，ct角度值需要 根據(jù)球的體積進行調整；倒球驅動軸(25)安裝在球筐出球口 (28)上端，兩 個球筐側壁(23)之間，倒球驅動軸(25)由倒球電機驅動(12)，可繞側壁上 的安裝點轉動；倒球葉片(24)安裝在倒球驅動軸(25)上，倒球葉片(24) 的面積近似等于球筐出球口 (28)截面，倒球葉片(24)的初始位置為與地面 垂直的位置，從而將球筐出口 (28)封堵?。坏骨螂姍C(12)裝配有減速箱與 編碼器，通過前法蘭安裝在球筐側壁(23)上。所述移動平臺包括移動平臺主 框架，主動輪(6)、從動輪(7)、驅動電機、控制系統(tǒng)盒(9)以及充電插頭(10)。 其特征是移動平臺主框架為系統(tǒng)各機構提供安裝支撐；主動輪(6)安裝在移動 平臺主框架前端左右兩側，由驅動電機驅動；從動輪(7)安裝在移動平臺主框 架后端左右兩側，可隨意轉向，只起支撐作用；驅動電機裝配有減速箱與編碼 器，通過前法蘭安裝在移動平臺主框架上；控制系統(tǒng)盒(9)安裝在球筐(8) 上方，為部分控制系統(tǒng)電路提供安裝支撐，整個控制系統(tǒng)盒相當于球筐(8)的 上蓋，調試時可以將整個控制系統(tǒng)盒(9)掀起，檢查球筐(8)的內部狀況； 充電插頭(10)安裝在控制系統(tǒng)盒(9)處于移動基本載體尾部一側的面板上。本發(fā)明所述的充電裝置(3)，如圖10、圖11所示，包括充電裝置主面板(29)、 充電裝置側壁(30)、充電裝置入口 (31)以及充電插座(32)，充電裝置安裝 在場地的旁邊。其特征是充電裝置主面板(29)豎直安裝，寬度要比移動基本 載體移動基本載體寬，寬出的幅度主要根據(jù)圖像識別的精度確定；充電裝置側 壁(30)為折線形，安裝在充電裝置主面板(29)的左右兩端；充電裝置入口 (31)由外向內逐漸變小，在充電裝置側壁(30)折線拐點處減小至主面板寬 度，自此向內不再發(fā)生變化；充電插座(32)分正負兩極，安裝在充電裝置主 面板(29)上，安裝高度與充電插頭(10)的高度一致，且充電插座(32)的 截面積大于充電插頭(10)的截面，以方便兩者的對接。本發(fā)明所述的控制系統(tǒng)，如圖12所示，包括主處理器模塊、子處理器模塊 以及自保護模塊。所述的主處理器模塊包括主處理器、全局視覺傳感器(1)以 及無線通訊模塊甲(2)。其特征是全局視覺傳感器(1)安裝在場地上方，采集整個場地的圖像信息；主處理器安裝在場地的旁邊，接受并處理全局視覺傳感器(1)的圖像信息輸出；無線通訊模塊甲(2)安裝在場地旁邊，主處理器通 過無線通訊模塊甲(2)進行無線通訊。所述子處理器模塊安裝在移動基本載體 上，子處理器模塊包括子處理器、局部視覺傳感器(5)、無線通訊模塊乙(11)、 人機交互模塊(14)、電源管理模塊以及電機驅動器。所述人機交互模塊(14) 包括顯示屏、顯示驅動器、按鍵以及按鍵接口電路。其特征是局部視覺傳感器 (5)安裝在撿球機構殼體上蓋(17)之上，采集移動基本載體前方局部范圍內 的圖像信息；子處理器安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，子處理器接收并處理來自局 部視覺傳感器(5)的圖像輸出；無線通訊模塊乙(11)安裝在控制系統(tǒng)盒(9) 上頂蓋，子處理器通過無線通訊模塊乙(11)與主處理器進行通訊；顯示屏安 裝在控制系統(tǒng)盒(9)的上頂蓋；顯示驅動器安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，子處 理器通過顯示驅動器控制顯示屏；按鍵安裝在控制系統(tǒng)盒(9)上頂蓋，按鍵通 過按鍵接口電路與子處理器相連，子處理器采集按鍵輸入信息；電源管理模塊 安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，電源管理模塊與子處理器相連，充電插頭(10)通 過電源管理模塊與電池相連，電源管理模塊時刻檢測充電插頭之間電壓；電機 驅動器安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，電機驅動器與驅動電機、撿球電機(13)以 及倒球電機(12)相連，子處理器通過電機驅動器控制電機的轉動。所述自保 護模塊包括限流保護電路以及緊急按鍵(15)。其特征是限流保護電路安裝在控 制系統(tǒng)盒(9)內，限流保護電路串聯(lián)在電池供電回路中，檢測電流值；緊急按 鍵(15)安裝在控制系統(tǒng)盒(9)上頂蓋，串聯(lián)在電池供電回路中，可控制供電 回路的通斷。本發(fā)明提出的自主撿球機器人的運動控制方式采用差動控制，控制兩個主 動輪(6)的轉速和轉向就可以實現(xiàn)移動基本載體的進退及轉向，例如，控制兩 個主動輪(6)以相同的速度正轉，可以實現(xiàn)移動基本載體前進；控制兩個主動 輪(6)以相同的速度反轉，可以實現(xiàn)移動基本載體后退；控制左側主動輪(6) 轉速大于右側主動輪(6)，移動基本載體實現(xiàn)右轉；控制右側主動輪(6)轉速 大于左側主動輪(6)，移動基本載體實現(xiàn)左轉。本發(fā)明提出的自主撿球機器人完成自主找球任務的過程為全局視覺傳感 器(1)采集整個視場范圍內的圖像信息，主處理器根據(jù)全局圖像信息可初步判 定移動基本載體的位置、球的位置及障礙物的位置，然后規(guī)劃撿球路徑。為了 提高機器人對球的識別率，減少相似形狀或顏色物體的干擾，局部視覺傳感器 (5)同時采集移動基本載體前方局部范圍內的圖像信息，子處理器對局部圖像12信息的處理結果作為全局圖像信息處理結果的補充，當兩者的處理結果相吻合 時，子處理器將執(zhí)行主處理器發(fā)出的控制命令；當兩者的處理結果不吻合時， 子處理器將通過無線通訊模塊乙(11)向主處理器發(fā)出重判信號，主處理器對 全局圖像信息進行重新處理并再次發(fā)送控制命令，若仍不能吻合，則再次發(fā)出 重判信號，重復三次后仍然不能吻合，則認為是噪點，放棄對該點的處理。本發(fā)明提出的自主撿球機器人完成自主撿球任務的過程為當子處理器收 到主處理器發(fā)出的控制命令，并且子處理器對局部圖像信息的處理結果與控制 命令一致時，子處理器控制移動基本載體沿主處理器規(guī)劃的撿球路徑行駛。當 全局圖像信息顯示撿球機構與目標球之間距離小于撿球啟動距離，且局部圖像 信息也發(fā)現(xiàn)目標球時，子處理器控制移動基本載體繼續(xù)按圖5中箭頭方向前進， 控制撿球電機(13)轉動，轉動的撿球刷(21)逆時針轉動，將到達撿球入口(19)的球推至撿球擋板(18)，轉動的撿球刷(21)與撿球擋板(18)形成合 力，使撿球刷(21)與撿球擋板(18)之間的球不斷上升，球達到撿球出口 (20) 時，由于撿球擋板(18)上邊沿比撿球殼體側壁(16)圓心低AH，此刻的撿球 刷(21)是傾斜的，因此球在自身重力作用下滾動出撿球機構。當全局圖像信 息中移動基本載體已完全覆蓋目標球位置，且局部圖像信息中的球也消失，主處理器認為此次撿球任務已完成，并將撿球個數(shù)加一，開始對下一個目標球的 撿球操作。本發(fā)明提出的自主撿球機器人完成自主倒球任務的過程為當主處理器記 錄的撿球個數(shù)接近球筐(8)的容量時，主處理器啟動自主倒球程序。主處理器 根據(jù)全局視覺圖像信息確定移動基本載體位置、倒球處(4)位置以及障礙物位 置，然后規(guī)劃倒球路徑，使移動基本載體能以最快的方式到達倒球處(4)。主 處理器引導移動基本載體到達倒球處(4)前方，調整移動基本載體的運動方向， 使移動基本載體尾部對準倒球處(4)，然后子處理器控制倒球電機(12)逆時 針轉動，如圖8所示，倒球葉片(24)從初始位置向上轉動P角度，由于倒球 電機(12)配有編碼器，因此通過編碼器的反饋可以控制倒球葉片(24)的轉 動范圍，P角度值需要根據(jù)球的體積來確定。由于球筐底面(27)傾斜，倒球 葉片(24)轉動至高位后，球筐(8)內的球便從球筐出球口 (28)落入倒球處 (4)。球筐(8)內無球后，子處理器控制倒球葉片(24)向下轉動至初始位置， 封堵住球筐出球口 (28)，完成倒球任務。本發(fā)明提出的自主撿球機器人完成自主充電操作的過程為電源管理模塊 時刻檢測電池電量， 一旦發(fā)現(xiàn)電池電量低于額定電量的某一閾值時便向子處理器發(fā)出電量不足信號，發(fā)出電量不足信號，是為了移動基本載體有充足的電量 從工作地點運行至充電裝置(3)。主處理器接到子處理器發(fā)出的電量不足信號 后，首先根據(jù)全局圖像信息確定移動基本載體的位置、充電裝置(3)的位置以 及障礙物位置，規(guī)劃充電行駛路徑，使移動基本載體能以最快的速度到達充電 裝置(3)。然后判斷機器人的撿球工作進度，當移動基本載體距離目標球撿球 啟動距離時，直接暫?，F(xiàn)在的撿球工作，然后駛向充電裝置(3);若移動基本 載體距離目標球小于等于撿球啟動距離時，移動基本載體先完成此次撿球操作， 然后再駛向充電裝置(3)。移動基本載體到達充電裝置(3)后首先調整運動方向，使移動基本載體尾部對準充電裝置入口 (31)，然后倒車進入充電裝置(3)， 當充電插頭(10)與充電插座(32)穩(wěn)定對接后，電源管理模塊檢測到充電插 頭(10)之間存在電壓，便向子處理器發(fā)出成功對接信號，子處理器控制移動 基本載體停止后退，電源管理模塊控制電池對移動基本載體的供電回路斷開， 并將充電插頭(10)與電池正負極之間連線接通，開始自動充電。待電池充滿， 電源管理模塊重新將充電插頭(10)與電池正負極之間連線斷開，然后將電池 對移動基本載體的供電回路接通，移動基本載體駛出充電裝置(3)，完成自主 充電任務。本發(fā)明提出的自主撿球機器人的人機交互功能為子處理器控制顯示屏實 時顯示機器人工作狀態(tài)、比賽比分、賽事預告以及天氣預報等信息；人們可以 通過按鍵查詢機器人的詳細工作參數(shù)，當機器人工作異常時，可以通過此方式 查看機器人的通訊數(shù)據(jù)，控制命令等詳細參數(shù)，以便對系統(tǒng)故障進行診斷。本發(fā)明提出的自主撿球機器人的自保護功能為限流保護電路實時檢測系 統(tǒng)供電回路的電流值，當出現(xiàn)過流情況時，限流保護電路就會切斷供電回路， 以保護系統(tǒng)電路的安全；通過緊急按鍵(15)可以緊急停止移動基本載體的運 行，例如，移動基本載體運行過程中，可能與障礙物或人發(fā)生碰撞，或因程序 錯誤而出現(xiàn)移動基本載體高速無序運動，此時人可以通過緊急按鍵(15)停止 移動基本載體的運行，保障人和物的安全。本發(fā)明不限于此實例，凡是利用本設計的設計思路，做一些簡單變化的設 計都應落入本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種自主撿球機器人，其特征在于包括移動基本載體、充電裝置(3)以及控制系統(tǒng)；其中移動基本載體在控制系統(tǒng)的控制下尋找、識別、收集地面上的球，將收集的球運送并傾倒至指定地點，并在電量不足時在控制系統(tǒng)的控制下與充電裝置對接進行充電；控制系統(tǒng)采集并處理整個場地的圖像信息，并通過無線通訊控制移動基本載體進行找球、撿球、倒球與充電操作。
2、 根據(jù)權利要求l所述的自主撿球機器人，其特征在于所述控制系統(tǒng)包 括主處理器模塊和子處理器模塊；主處理器模塊采集并處理整個場地的圖像信 息，并通過無線通訊與子處理器模塊進行通訊；子處理器模塊安裝在移動基本 載體上，采集并處理局部范圍的圖像信息，與主處理器模塊進行無線通訊并對 移動基本載體進行控制。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的自主撿球機器人，其特征在于自主撿球 機器人工作于單機運行模式時，包括單個移動基本載體、單個充電裝置以及控制 系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)包括單個主處理器模塊、單個子處理器模塊；自主撿球 機器人工作于多機協(xié)作模式時，包括多個移動基本載體、多個充電裝置以及控 制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括單個主處理器模塊、多個子處理器模塊。
4、 根據(jù)權利要求3所述的自主撿球機器人，其特征在于所述移動基本載 體包括撿球機構、倒球機構與移動平臺；其中，撿球機構包括撿球刷、撿球擋 板，通過控制系統(tǒng)控制撿球刷的轉動，將球推向撿球擋板，并隨著撿球刷轉動 而逐漸上升，實現(xiàn)撿球功能；倒球機構在控制系統(tǒng)的控制下，將球在指定地點 倒出；移動平臺為撿球機構、倒球機構提供安裝支撐，并且在控制系統(tǒng)的控制 下移動。
5、 根據(jù)權利要求4所述的自主撿球機器人，其特征在于所述的撿球機 構包括撿球機構殼體、撿球入口 (19)、撿球出口 (20)、撿球驅動軸(22)、撿 球刷(21)以及撿球電機(13)，其中撿球機構殼體包括殼體側壁(16)、殼體 上蓋(17)以及撿球擋板(18);撿球機構殼體側壁(16)為半圓形，殼體側壁(16)豎直安裝，使半圓形的直邊垂直地面；殼體上蓋(17)為圓弧面，殼體 上蓋(17)從殼體側壁(16)最高點向下沿側壁弧線邊安裝；撿球擋板(18) 為圓弧面，撿球擋板(18)從殼體側壁(16)最低點向上沿側壁弧線邊安裝， 撿球擋板(18)的上邊沿要比撿球機構殼體側壁(16)圓心低AH， AH值需要 根據(jù)球的體積進行調整；撿球機構殼體上蓋(17)與撿球擋板(18)之間為撿球入口 (19)與撿球出口 (20);撿球驅動軸(22)安裝在兩個撿球機構殼體側壁(16)之間，撿球驅動軸(22)在殼體側壁(16)上的安裝點位于殼體側壁 的圓心，撿球驅動軸(22)由撿球電機(13)驅動，可繞側壁圓心轉動；撿球 刷(21)安裝在撿球驅動軸(22)上，調整撿球刷(21)的長度使撿球刷(21) 正好接觸撿球擋板(18)內表面；撿球電機(13)裝配有減速箱與編碼器，通 過前法蘭的方式安裝在撿球機構殼體側壁(16)上；所述倒球機構包括球筐(8)、 倒球驅動軸(25)、倒球葉片(24)以及倒球電機(12)，其中球筐(8)包括球 筐進球口 (26)、球筐出球口 (28)以及球筐底面(27);球筐底面(27)自球 筐進球口 (26)至出球口 (28)向下傾斜，與地面成a角，a角度值需要根據(jù) 球的體積進行調整；倒球驅動軸(25)安裝在球筐出球口 (28)上端，兩個球 筐側壁(23)之間，倒球驅動軸(25)由倒球電機驅動(12)，可繞側壁上的安 裝點轉動；倒球葉片(24)安裝在倒球驅動軸(25)上，倒球葉片(24)的面 積近似等于球筐出球口 (28)截面，倒球葉片(24)的初始位置為與地面垂直 的位置，從而將球筐出口 (28)封堵??；倒球電機(12)裝配有減速箱與編碼 器，通過前法蘭安裝在球筐側壁(23)上；所述移動平臺包括移動平臺主框架， 主動輪(6)、從動輪(7)、驅動電機、控制系統(tǒng)盒(9)以及充電插頭(10)， 其中移動平臺主框架為系統(tǒng)各機構提供安裝支撐；主動輪(6)安裝在移動平臺 主框架前端左右兩側，由驅動電機驅動；從動輪(7)安裝在移動平臺主框架后 端左右兩側，可隨意轉向，只起支撐作用；驅動電機裝配有減速箱與編碼器， 通過前法蘭安裝在移動平臺主框架上；控制系統(tǒng)盒(9)安裝在球筐(8)上方， 為部分控制系統(tǒng)電路提供安裝支撐，整個控制系統(tǒng)盒相當于球筐(8)的上蓋， 調試時可以將整個控制系統(tǒng)盒(9)掀起，檢查球筐(8)的內部狀況；充電插 頭(10)安裝在控制系統(tǒng)盒(9)處于移動基本載體尾部一側的面板上。
6、根據(jù)權利要求5所述的自主撿球機器人，其特征在于所述充電裝置 (3)包括充電裝置主面板(29)、充電裝置側壁(30)、充電裝置入口 (31)以 及充電插座(32)，充電裝置安裝在場地的旁邊；充電裝置主面板(29)豎直安 裝，寬度要比移動基本載體移動基本載體寬，寬出的幅度根據(jù)圖像識別的精度 確定；充電裝置側壁(30)為折線形，安裝在充電裝置主面板(29)的左右兩 端；充電裝置入口 (31)由外向內逐漸變小，在充電裝置側壁(30)折線拐點 處減小至主面板寬度，自此向內不再發(fā)生變化；充電插座(32)分正負兩極， 安裝在充電裝置主面板(29)上，安裝高度與充電插頭(10)的高度一致，且 充電插座(32)的截面積大于充電插頭(10)的截面，以方便兩者的對接。
7、 根據(jù)權利要求6所述的自主撿球機器人，其特征在于所述控制系統(tǒng) 包括主處理器模塊、子處理器模塊以及自保護模塊，其中主處理器模塊包括主 處理器、全局視覺傳感器(1)以及無線通訊模塊甲(2);全局視覺傳感器(1) 安裝在場地上方，采集整個場地的圖像信息；主處理器安裝在場地的旁邊，接 受并處理全局視覺傳感器(1)的圖像信息輸出；無線通訊模塊甲(2)安裝在 場地旁邊，主處理器通過無線通訊模塊甲(2)進行無線通訊；所述子處理器模 塊安裝在移動基本載體上，子處理器模塊包括子處理器、局部視覺傳感器(5)、 無線通訊模塊乙(11)、人機交互模塊(14)、電源管理模塊以及電機驅動器； 所述人機交互模塊(14)包括顯示屏、顯示驅動器、按鍵以及按鍵接口電路，局部視覺傳感器(5)安裝在撿球機構殼體上蓋(17)之上，采集移動基本載體 前方局部范圍內的圖像信息；子處理器安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，子處理器接 收并處理來自局部視覺傳感器(5)的圖像輸出；無線通訊模塊乙(11)安裝在控制系統(tǒng)盒(9)上頂蓋，子處理器通過無線通訊模塊乙(11)與主處理器進行 通訊；顯示屏安裝在控制系統(tǒng)盒(9)的上頂蓋；顯示驅動器安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，子處理器通過顯示驅動器控制顯示屏；按鍵安裝在控制系統(tǒng)盒(9) 上頂蓋，按鍵通過按鍵接口電路與子處理器相連，子處理器采集按鍵輸入信息； 電源管理模塊安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，電源管理模塊與子處理器相連，充電 插頭(10)通過電源管理模塊與電池相連，電源管理模塊時刻檢測充電插頭之 間電壓；電機驅動器安裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，電機驅動器與驅動電機、撿球 電機(13)以及倒球電機(12)相連，子處理器通過電機驅動器控制電機的轉 動；所述自保護模塊包括限流保護電路以及緊急按鍵(15)，是限流保護電路安 裝在控制系統(tǒng)盒(9)內，限流保護電路串聯(lián)在電池供電回路中，檢測電流值； 緊急按鍵(15)安裝在控制系統(tǒng)盒(9)上頂蓋，串聯(lián)在電池供電回路中，可控 制供電回路的通斷。
8、 根據(jù)權利要求7所述的自主撿球機器人，其特征在于控制系統(tǒng)控制移動基本載體進行找球、撿球、倒球與充電操作的方法包括1)控制系統(tǒng)控制移動基本載體完成自主找球球任務的步驟為全局視覺傳 感器(1)采集整個視場范圍內的圖像信息，主處理器根據(jù)全局圖像信息初歩判 定移動基本載體的位置、球的位置及障礙物的位置，然后規(guī)劃撿球路徑；局部 視覺傳感器(5)同時采集移動基本載體前方局部范圍內的圖像信息，子處理器 對局部圖像信息的處理結果作為全局圖像信息處理結果的補充，當兩者的處理 結果相吻合時，子處理器執(zhí)行主處理器發(fā)出的控制命令；當兩者的處理結果不吻合時，子處理器通過無線通訊模塊乙(11)向主處理器發(fā)出重判信號，主處 理器對全局圖像信息進行重新處理并再次發(fā)送控制命令，若仍不能吻合，則再 次發(fā)出重判信號，重復三次后仍然不能吻合，則認為是噪點，放棄對該點的處 理；2) 控制系統(tǒng)控制移動基本載體完成自主撿球任務的步驟為當子處理器收 到主處理器發(fā)出的控制命令，并且子處理器對局部圖像信息的處理結果與控制 命令 -致時，子處理器控制移動基本載體沿主處理器規(guī)劃的撿球路徑行駛；當 全局圖像信息顯示撿球機構與目標球之間距離小于撿球啟動距離，且局部圖像 信息也發(fā)現(xiàn)目標球時，子處理器控制移動基本載體繼續(xù)前進，并控制撿球電機(13)轉動，撿球刷(21)逆時針轉動，將到達撿球入口 (19)的球推至撿球 擋板(18)，轉動的撿球刷(21)與撿球擋板(18)形成合力，使撿球刷(21) 與撿球擋板(18)之間的球不斷上升，球達到撿球出口 (20)時，由于撿球擋 板(18)上邊沿比撿球殼體側壁(16)圓心低AH，此刻的撿球刷(21)是傾斜 的，因此球在自身重力作用下滾動出撿球機構；當全局圖像信息中移動基本載 體已完全覆蓋目標球位置，且局部圖像信息中的球也消失，主處理器認為此次 撿球任務已完成，并將撿球個數(shù)加一，開始對下一個目標球執(zhí)行撿球操作；3) 控制系統(tǒng)控制移動基本載體完成自主倒球任務的步驟為當主處理器記 錄的撿球個數(shù)接近球筐(8)的容量時，主處理器啟動自主倒球程序；主處理器 根據(jù)全局視覺圖像信息確定移動基本載體位置、倒球處(4)位置以及障礙物位 置，然后規(guī)劃倒球路徑，使移動基本載體能以最快的方式到達倒球處(4);主 處理器引導移動基本載體到達倒球處(4)前方，調整移動基本載體的運動方向， 使移動基本載體尾部對準倒球處(4)，然后子處理器控制倒球電機(12)逆時 針轉動，倒球葉片(24)從初始位置向上轉動e角度，由于倒球電機(12)配 有編碼器，因此通過編碼器的反饋可以控制倒球葉片(24)的轉動范圍，P角 度值需要根據(jù)球的體積來確定；由于球筐底面(27)傾斜，倒球葉片(24)轉 動至高位后，球筐(8)內的球便從球筐出球口 (28)落入倒球處(4);球筐(8) 內無球后，子處理器控制倒球葉片(24)向下轉動至初始位置，封堵住球筐出 球口 (28)，完成倒球任務；4) 控制系統(tǒng)控制移動基本載體完成自主充電任務的步驟為電源管理模塊 時刻檢測電池電量， 一旦發(fā)現(xiàn)電池電量低于額定電量的某一閾值時便向子處理 器發(fā)出電量不足信號，以使移動基本載體有充足的電量從工作地點運行至充電裝置(3);主處理器接到子處理器發(fā)出的電量不足信號后，首先根據(jù)全局圖像信息確定移動基本載體的位置、充電裝置(3)的位置以及障礙物位置，規(guī)劃充 電行駛路徑，使移動基本載體能以最快的速度到達充電裝置(3)，然后判斷機 器人的撿球工作進度，當移動基本載體距離目標球撿球啟動距離時，直接暫停 現(xiàn)在的撿球工作，然后駛向充電裝置(3);若移動基本載體距離目標球小于等 于撿球啟動距離時，移動基本載體先完成此次撿球操作，然后再駛向充電裝置 (3);移動基本載體到達充電裝置(3)后首先調整運動方向，使移動基本載體尾部對準充電裝置入口 (31)，然后倒車進入充電裝置(3)，當充電插頭(10) 與充電插座(32)穩(wěn)定對接后，電源管理模塊檢測到充電插頭(10)之間存在 電壓，便向子處理器發(fā)出成功對接信號，子處理器控制移動基本載體停止后退， 電源管理模塊控制電池對移動基本載體的供電回路斷開，并將充電插頭(10) 與電池正負極之間連線接通，開始自動充電，待電池充滿，電源管理模塊重新 將充電插頭(10)與電池正負極之間連線斷開，然后將電池對移動基本載體的 供電回路接通，移動基本載體駛出充電裝置(3)，完成自主充電任務。
9. 根據(jù)權利要求7所述的自主撿球機器人，其特征在于控制系統(tǒng)控制移動基本載體進行人機交互的方法為子處理器控制顯示屏實時顯示機器人工作狀態(tài)；人們通過按鍵查詢機器人的詳細工作參數(shù)，當機器人工作異常時，通過 此方式查看機器人的詳細參數(shù)，以便對系統(tǒng)故障進行診斷。
10. 根據(jù)權利要求7所述的自主撿球機器人，其特征在于控制系統(tǒng)實現(xiàn)自 保護功能的方法為限流保護電路實時檢測系統(tǒng)供電回路的電流值，當出現(xiàn)過 流情況時，限流保護電路切斷供電回路，以保護系統(tǒng)電路的安全；通過緊急按 鍵(15)可以緊急停止機器人的運行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能幫人們撿球的自主機器人，包括移動基本載體、充電裝置以及控制系統(tǒng)。移動基本載體在控制系統(tǒng)的控制下完成移動、撿球與倒球操作；充電裝置為移動基本載體充電；控制系統(tǒng)采集并處理整個場地的圖像信息，并通過無線通訊對移動基本載體進行控制。自主撿球機器人有單機運行和多機協(xié)作兩種工作模式，能實現(xiàn)自主找球、自主撿球、自主倒球以及自主充電等功能，撿球效率高，智能性高。
文檔編號B25J19/06GK101579857SQ20081018323
公開日2009年11月18日 申請日期2008年12月12日 優(yōu)先權日2008年12月12日
發(fā)明者元 付, 劉亞辰, 張占磊, 毅 楊, 鑫 楊, 勇 雷, 雷金周, 魏冠偉 申請人:北京理工大學