本發(fā)明涉及一種乒乓球機(jī)器人，屬于機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，市面上的乒乓球機(jī)器人主要有人形(浙江大學(xué))、工業(yè)機(jī)械手臂(kuka)、并聯(lián)機(jī)械手(歐姆龍)等各種類型，這些乒乓球機(jī)器人要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要么體積龐大，要么價(jià)格昂貴，要么響應(yīng)過慢(運(yùn)動(dòng)不靈活)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種乒乓球機(jī)器人，以減輕重量，提升靈活度。

本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種乒乓球機(jī)器人，其特征在于，包括：鋼架和設(shè)置在鋼架上的滑臺(tái)，五自由度機(jī)械臂，安裝在滑臺(tái)上，舵機(jī)，設(shè)置在五自由度機(jī)械臂的至少一個(gè)關(guān)節(jié)處，視覺支架，視覺支架上具有兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)，形成雙目視覺。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征：其中，五自由度機(jī)械臂包括第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)，第一關(guān)節(jié)具有第一關(guān)節(jié)伺服電機(jī)，第一關(guān)節(jié)行星減速機(jī)和第一關(guān)節(jié)安裝基座，第一關(guān)節(jié)伺服電機(jī)安裝在第一關(guān)節(jié)行星減速機(jī)上，第一關(guān)節(jié)行星減速機(jī)安裝在第一關(guān)節(jié)安裝基座上。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征：其中，每個(gè)關(guān)節(jié)的兩側(cè)為機(jī)械臂桿件，機(jī)械臂桿件包括板材和設(shè)置在板材之間的支撐桿。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征：第二關(guān)節(jié)通過第二關(guān)節(jié)安裝板安裝在第一關(guān)節(jié)的上面。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征，還包括：第一拉簧，一端連接在第二關(guān)節(jié)安裝板上，另一端連接在第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)之間的第一支撐桿上。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征，還包括：第二拉簧，一端連接在第一支撐桿上，另一端連接在第三關(guān)節(jié)和第四關(guān)節(jié)之間的第二支撐桿上。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征：其中，第二關(guān)節(jié)處采用雙舵機(jī)。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征：其中，滑臺(tái)為滾輪直線滑臺(tái)。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征：第一關(guān)節(jié)伺服電機(jī)帶動(dòng)第一關(guān)節(jié)在水平面內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步，本發(fā)明的乒乓球機(jī)器人，還可以具有這樣的特征：其中，第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)的輸出軸均為空心軸。

發(fā)明的有益效果

本發(fā)明的舵機(jī)體積更小、重量更輕。通過設(shè)計(jì)一種舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，能夠大大減少機(jī)械臂的重量，滿足乒乓球機(jī)器人快速響應(yīng)、高加速度的需求。

進(jìn)一步，由于傳統(tǒng)的舵機(jī)齒輪傳動(dòng)以及舵盤的間隙，舵機(jī)的傳動(dòng)精度較差，本發(fā)明通過拉伸彈簧消除第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)的舵機(jī)間隙，使得舵機(jī)的傳動(dòng)精度得到了提升。

附圖說明

圖1是乒乓球機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)；

圖2是五自由度機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖1所示，乒乓球機(jī)器人包括：鋼架1，滾輪直線滑臺(tái)2，五自由度機(jī)械臂3，關(guān)節(jié)舵機(jī)，以及視覺支架4。

滾輪直線滑臺(tái)2，設(shè)置在鋼架1上。滾輪直線導(dǎo)軌允許的最大線速度為10m/s，將五自由度機(jī)械臂3安裝在x軸滾輪直線滑臺(tái)的滑塊上，能夠保證x軸方向的跑合速度。滾輪直線滑臺(tái)2為滾輪直線導(dǎo)軌組成的模組，傳動(dòng)方式為帶傳動(dòng)。7.5kw的大功率伺服電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與滑臺(tái)的輸出軸相連，電機(jī)通過帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)上的五自由度機(jī)械臂3在x軸方向上快速移動(dòng)。由于本實(shí)施方式的五自由度機(jī)械臂3質(zhì)量輕，通過計(jì)算，7.5kw的伺服電機(jī)就能夠保證機(jī)械臂在水平方向的加速度。

五自由度機(jī)械臂3，安裝在滾輪直線滑臺(tái)2上。五自由度機(jī)械臂3具有五個(gè)關(guān)節(jié)，分別是第一關(guān)節(jié)、第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)、第四關(guān)節(jié)、第五關(guān)節(jié)。

圖2為五自由度機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，第一關(guān)節(jié)伺服電機(jī)302安裝在第一關(guān)節(jié)行星減速機(jī)303上，第一關(guān)節(jié)行星減速機(jī)303通過法蘭安裝在第一關(guān)節(jié)安裝基座301上，第二關(guān)節(jié)安裝板306安裝在第一關(guān)節(jié)行星減速機(jī)303的輸出法蘭上。第一關(guān)節(jié)光電開關(guān)304安裝在第一關(guān)節(jié)安裝基座301上，第一關(guān)節(jié)限位桿305安裝在第二關(guān)節(jié)安裝板306上，用于第一關(guān)節(jié)的找零。

第二關(guān)節(jié)舵機(jī)308有兩個(gè)，安裝在第二關(guān)節(jié)舵機(jī)固定板309上，第二關(guān)節(jié)舵機(jī)固定板309通過第二關(guān)節(jié)壓塊307安裝在第二關(guān)節(jié)安裝板306上。第二關(guān)節(jié)法蘭軸324通過軸承及卡簧固定在兩個(gè)第二關(guān)節(jié)舵機(jī)固定板309之間，兩個(gè)第一桿件310固定在第二關(guān)節(jié)法蘭軸324的法蘭上，并通過第一支撐桿311進(jìn)行支撐，形成一個(gè)剛體。第一桿件310位于第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)之間。

第三關(guān)節(jié)舵機(jī)313安裝在第三關(guān)節(jié)舵機(jī)固定板312上，第三關(guān)節(jié)舵機(jī)固定板312安裝在第一桿件310上。第三關(guān)節(jié)法蘭軸325通過軸承及卡簧固定兩個(gè)第一桿件310之間，第二桿件315固定在第三關(guān)節(jié)法蘭軸325的法蘭上，并通過第二支撐桿314進(jìn)行支撐。

第四關(guān)節(jié)舵機(jī)316安裝在兩個(gè)第二桿件315之間。第一連接架317安裝在第四關(guān)節(jié)舵機(jī)316的主舵盤和副舵盤上。

第一桿件310和第二桿件315為開有方形孔的7075-t6鋁合金板材，每個(gè)桿件的兩塊鋁合金板材之間用兩端開有螺孔的鋁合金管材作為支撐桿進(jìn)行支撐，并用螺釘固定住。

第五關(guān)節(jié)舵機(jī)318安裝在第一連接架317上，第五關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)接板319通過軸承和螺釘安裝在第五關(guān)節(jié)舵機(jī)318的輸出軸上。球拍321通過螺釘固定在兩個(gè)球拍固定支架320之間，球拍固定支架320安裝在第五關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)接板319上。第一關(guān)節(jié)拉簧322安裝在第一支撐桿311和第二關(guān)節(jié)安裝板306的吊環(huán)螺釘上，用于抵消第二關(guān)節(jié)舵機(jī)308的間隙。第二關(guān)節(jié)拉簧323安裝在第一支撐桿311和第二支撐桿314上，用于抵消第三關(guān)節(jié)舵機(jī)313的間隙。

第二關(guān)節(jié)、第三關(guān)節(jié)和第五關(guān)節(jié)的輸出軸均為空心軸，這種結(jié)構(gòu)在保證了機(jī)械臂強(qiáng)度和剛度的條件下，大大減少了機(jī)械臂的重量和慣量，再加上舵機(jī)體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)在同等驅(qū)動(dòng)力矩作用下大大提高了機(jī)械臂的加速度和響應(yīng)速度。

在本發(fā)明的不同實(shí)施方式中，舵機(jī)可以在多種舵機(jī)中選擇，只要舵機(jī)的性能參數(shù)：扭矩和控制精度，能滿足乒乓球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)即可，工業(yè)舵機(jī)、機(jī)器人專用舵機(jī)皆可。工業(yè)舵機(jī)的力矩較大、剛性相對(duì)會(huì)好一點(diǎn)，但是較重；機(jī)器人專用舵機(jī)力矩小、剛性相對(duì)較差，但是質(zhì)量輕。然而不論是哪種舵機(jī)，均較現(xiàn)有的乒乓球機(jī)器人的機(jī)械臂的解決方案更輕便。

第二關(guān)節(jié)由于承受的力矩大，故采用雙舵機(jī)的結(jié)構(gòu)，雙舵機(jī)可以通過同步信號(hào)線實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)同步。

第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)采用外置的舵機(jī)并通過軸承對(duì)輸出軸進(jìn)行支撐，相對(duì)于內(nèi)置的舵機(jī)，能夠避免舵機(jī)副舵盤的間隙并且拆卸方便靈活。

第四關(guān)節(jié)由于力臂較小，內(nèi)置舵機(jī)的副舵盤間隙影響較小，采用內(nèi)置舵機(jī)的方式能夠減輕第四關(guān)節(jié)的重量。

第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)舵機(jī)的安裝法蘭為可拆卸的模塊，使用方便靈活，如果第三關(guān)節(jié)的力矩不夠，還可以安裝一個(gè)法蘭組成雙舵機(jī)提高第三關(guān)節(jié)的力矩。

第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)兩端分別設(shè)置第一關(guān)節(jié)拉簧322和第二關(guān)節(jié)拉簧323，以消除第二關(guān)節(jié)舵機(jī)和第三關(guān)節(jié)舵機(jī)的齒輪的間隙。

在第五關(guān)節(jié)輸出軸末端裝上軸承用于支撐球拍，防止球拍擊中球桌產(chǎn)生的大力矩?fù)p壞第五關(guān)節(jié)舵機(jī)。

視覺支架，設(shè)置在鋼架的后方，視覺支架上具有兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)5，形成雙目視覺。工業(yè)相機(jī)5可調(diào)角度。

x軸伺服電機(jī)(圖中未顯示)通過聯(lián)軸器與滾輪直線滑臺(tái)的輸出軸連接，通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)五自由度機(jī)械臂3在水平x軸方向快速移動(dòng)。五自由度機(jī)械臂3通過拖鏈進(jìn)行走線，拖鏈與五自由度機(jī)械臂3同時(shí)在水平方向快速移動(dòng)。兩個(gè)工業(yè)相機(jī)5安裝在視覺支架4上，能沿著視覺支架4上的橫桿水平移動(dòng)。視覺支架4上的兩個(gè)工業(yè)相機(jī)5采集乒乓球離開球拍后10幀的圖像，通過圖像識(shí)別算法對(duì)乒乓球機(jī)器人的前10幀軌跡進(jìn)行識(shí)別，通過預(yù)測(cè)算法對(duì)落球點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并計(jì)算出擊球點(diǎn)，視覺識(shí)別系統(tǒng)將擊球位置信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算出擊球策略，將擊球信息發(fā)送給乒乓球機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行擊球。

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的乒乓球機(jī)器人的擊球過程：通過雙目視覺識(shí)別系統(tǒng)采集乒乓球離開球拍后10幀的圖像，通過圖像識(shí)別算法對(duì)前10幀圖像中的乒乓球軌跡進(jìn)行識(shí)別，通過軌跡規(guī)劃算法對(duì)落球點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并計(jì)算出擊球點(diǎn)，雙目視覺識(shí)別系統(tǒng)將擊球位置信息發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過擊球策略算法計(jì)算出乒乓球機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度等參數(shù)，最終將這些信息發(fā)送給乒乓球機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行擊球。

本實(shí)施方式的乒乓球機(jī)器人的舵機(jī)由于內(nèi)置齒輪減速裝置，相對(duì)于同等驅(qū)動(dòng)力矩的“伺服電機(jī)+減速機(jī)”驅(qū)動(dòng)裝置具有體積更小、重量更輕的優(yōu)勢(shì)。

本實(shí)施方式的機(jī)械臂由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠大大減少機(jī)械臂的重量，滿足乒乓球機(jī)器人快速響應(yīng)、高加速度的需求。

進(jìn)一步，由于舵機(jī)齒輪傳動(dòng)以及舵盤的間隙，舵機(jī)的傳動(dòng)精度較差，需要通過額外的消隙裝置來抵消舵機(jī)的間隙。

本實(shí)施方式的乒乓球機(jī)器人的機(jī)械臂共有五個(gè)關(guān)節(jié)，乒乓球拍裝在機(jī)械臂的末端，通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)第二到第五關(guān)節(jié)來調(diào)整球拍擊球的位置，通過“伺服電機(jī)+減速機(jī)”的裝置來驅(qū)動(dòng)第一關(guān)節(jié)提供大力矩，完成機(jī)械臂揮拍擊球的動(dòng)作，通過拉伸彈簧消除第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)的舵機(jī)間隙；將五自由度的機(jī)械臂安裝在水平方向的滾輪直線滑臺(tái)上，大功率的伺服電機(jī)通過同步帶驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)，帶動(dòng)機(jī)械臂在水平方向上快速移動(dòng)。因此本實(shí)施方式的乒乓球機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、響應(yīng)快速、成本低的特點(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)舵機(jī)、伺服電機(jī)、減速機(jī)、水平滑臺(tái)便能得以實(shí)現(xiàn)，大大降低了乒乓球機(jī)器人的設(shè)計(jì)門檻。