一种基于视觉定位捡球机器人

1.本发明涉及球类运动的散落球体的收集技术领域。具体为，本发明涉及捡球机器人。


背景技术：

2.在常见的球类运动中，乒乓球运动员在训练时，会有因失误导致掉落的乒乓球在地面，宝贵的训练时间用在捡球上是非常浪费的。当前市场有一些简单的捡球装置，如手推式弹性绳捡球，在地面推进过程中挤压乒乓球，乒乓球撑开弹性绳进入收纳空间里面，但是这种方式需要人工操作；再比如市场上的负压式吸球装置，只能单个吸入，噪声大，且涉及捡球准确度问题，使设计复杂度增加；再比如，机械臂夹球装置，设计复杂大材小用，性价比不高，且捡球效率低下。因此，综合以上现有产品，本发明设计一款捡球机器人，捡球效率高，结构设计满足多种球类的需求，智能化程度高。


技术实现要素：

3.为了克服背景技术中的其他市场产品问题，根据捡球场景下的实际需求，本发明设计一款高效率，满足多种类球，智能化程度高的捡球机器人；捡球机器人体积小巧，同时结构简单，使用方便，可以实现一次性捡拾同一位置多个球的需求。
4.对于上述技术要求，本发明有以下实现方式：捡球机器人为满足自主、高效、准确捡球动作，其设计结构包括捡球机器人整体外壳起到支撑和收集作用；用于识别周围环境确定小球位置的深度摄像机，其固定于机器人前方，方便探测前方环境；驱动捡球机器人前进的驱动电机，给机器人提供动力，连接单片机和电池；驱动轮，轴承上有和电机齿轮啮合的传动齿轮，位于机器人底座后方位置；控制转向轮转向的舵机，可以与转向轮的末端齿轮相啮合，连接单片机和电池；转向轮，控制机器人前进的方向，固定于机器人整体外壳的前方中间位置；捡球扇叶，中间有固定轴承横向贯穿机器人前部整体外壳，起到固定作用，轴承承载着三片扇叶，扇叶用于收集散落的乒乓球，将球推向收集箱，轴承一侧装有传动齿轮，为扇叶转动提供动力；驱动扇叶转动的电机，固定在机器人整体外壳轴承有传动齿轮的一侧，连接电池和单片机，与轴承伸出的齿轮相啮合，机器人待机状态下单片机控制电机停转。
5.前端预留的深度摄像机将拍摄的图片数据传输到单片机进行处理，单片机对深度摄像机所拍摄的图片进行处理，其中包括采用阈值分割图像法对图像进行处理使目标和背景分别开来，之后对形状的识别采用hough变化，进而识别出目标球体，确定所在位置；根据识别出的目标位置确定机器人前进方向，单片机控制驱动电机和舵机转动让机器人朝目标位置出发。
6.捡球机器人的电机驱动加入了pid控制算法，确保机器人的前进始终保持稳定的速度。
7.前进动作的同时收集小球的扇叶由电机带动持续旋转，收集路径上的小球；捡球
机器人外壳前部分斜坡铲球的结构将球聚集到一起，等待旋转扇叶将聚集的小球托起进入收集箱内。
8.球在被托起一定高度到达收集小球斜坡的最高点时，收集扇叶继续转动，而小球在重力作用下，滚过最高点到收纳部分的下斜坡进入收集箱的内部被收集起来。收集扇叶重复此过程，不断将铲在一起的地面的小球送入收集箱里。
9.总结以上机器人捡球共分为：深度摄像机采集图像信息，传送给单片机进行处理、分析。单片机接收信息，进行处理、分析，得出小球位置，进而下达前进命令，确保准确、稳定的达到小球所处位置，为下一步捡球做准备。在前进过程中捡球扇叶完成捡球动作，将散落的球体收集在收集箱里，从而达到捡球的目的。
10.与现有技术相比,本发明的有益技术效果为：1. 深度摄像机为捡球过程的第一步检测球体位置提供了准确的有效信息，单片机对传回的信息进行处理，采用的图像分割法及对形状的识别算法保证了对目标位置的准确定位；2. 捡球扇叶工作过程中，可以将机器人前面的散落的球体聚龙在一起并托起运动到收集箱内，机器人前进过程中也可以起到聚集散落球体的作用；整体外壳前面突出收集小球的部分两侧有遮挡，可以保证球体滚落到旁侧，从而保证了捡球的实用性，提高了捡球的效率；3. 捡球机器人结构简单，各个功能模块单独运作，由单片机总成控制协调，成本低，使用方便，捡球效果明显，对小球定位准确，单位时间内捡球数量多，满足运动场地捡球作业需求；4. 综上特点，本发明捡球机器人具有一定的智能性，捡球效率高，结构简单，捡球速度符合使用需求，可以完成运动场地的捡球作业工作。
附图说明
11.为了对本发明在上述内容介绍的前提下进行更直接更明了的说明，下面基于本发明构思对具体构造进行附图说明，辅助技术人员对本发明内容的了解。
12.图1为本发明提供捡球机器人的整体结构图；图2为本发明提供捡球机器人的左侧整体示意图；图3为本发明提供捡球机器人整体结构图的正视图；图4为本发明提供捡球机器人整体结构图的侧视图；图5为本发明提供捡球机器人整壳体示意图；图6为本发明提供捡球机器人捡球扇叶示意图。
13.本发明附图中所标注图标说明：1-驱动电机；2-驱动齿轮；3-电机固定装置；4-驱动车轮；5-承重轴承；6-承轴固定装置；7-从动齿轮；8-整体车壳；9-扇叶轴承；10-捡球扇叶；11-运球口；12-深度相机；13-铜柱；14-舵机；15-传动齿轮；16-车轮支架；导向轮17；前轮转轴18。
具体实施方式
14.为了方便对本发明更直白的进一步了解和使用，下面结合附图和实施例对本发明
进行清楚、完整的说明，增加技术人员及使用人员对本发明的理解。本实施例仅为本发明部分说明实施例，受用个体或单位在没有创造性劳动前提下获得本发明其他实施例的，均属于本发明权利范围内，且受到保护。
15.图1为本发明所描述的捡球机器人结构示意图。
16.本发明包括驱动电机1、驱动齿轮2、电机固定装置3、驱动车轮4、承重轴承5、承轴固定装置6、从动齿轮7、整体车壳8、扇叶轴承9、捡球扇叶10、运球口11、深度相机12、铜柱13、舵机14、传动齿轮15、车轮支架16、导向轮17、前轮转轴18基本装置结构，表示在结构附图1中。其中附图5整体车壳8为小车的基本框架示意图，捡球机器人整体车壳8被安装于后置驱动轮4和前置导向轮17之上，由三个车轮控制捡球机器人的走向运动，保证机器人可以全范围的捡球工作。驱动车轮4由承重轴承5连接用来支撑机器人，且承重轴承5的一端靠近驱动车轮位置装有从动齿轮7，用来接收来自驱动电机1的动力转化为机器人前进动力。从动齿轮7的对应位置啮合驱动齿轮2，连接吻合能够进行传动作业。驱动齿轮2连接着驱动电机1且不发生滑动。驱动电机1与电机固定装置3使用螺丝拧紧固定，保证连接紧密不松动，电机固定装置3通过螺丝与整体车壳8固定。这一配套装置通过电机的动力传动将动能转化为机器人的驱动车轮运动为机器人前进提供动力。
17.捡球扇叶10共有三扇，均匀分布固定在扇叶轴承9上，扇叶轴承9转动带动捡球扇叶10转动进而完成捡球作业。收集的小球经过运球口11由捡球扇叶10带动到一定高度，当小球到达运球口11的最高点时，小球在重力作用下不会继续向上运动而是向收集箱滚动，完成捡球这一工作。扇叶轴承9的一侧突出且装有从动齿轮7，从动齿轮7在对应位置有驱动齿轮2相啮合，完成传动工作。驱动齿轮2固定在驱动电机1上且不会发生滑动，驱动电机1与电机固定装置3进行固定，电机固定装置3与小车通过螺丝进行固定且不会发生晃动。电机工作时带动与自己相固定的驱动齿轮一起转动，驱动齿轮通过与从动齿轮的啮合带动与从动齿轮相固定的扇叶轴承进行旋转动作，连接扇叶轴承的扇叶因此可以重复转动过程完成捡球动作。
18.导向轮17通过车轮支架16固定在整体车壳8的前部，由前轮转轴18固定，可以发生滑动。车轮支架16为非动力装置，通过顶端的可转动卡扣连接在车壳前端，支架本身顶端可以绕中心轴转动，因此可以使导向轮17发生角度偏差进行转弯动作。车轮支架16下端嵌套传动齿轮15，传动齿轮15通过啮合的方式与舵机14下端固定的传动齿轮15进行传动，舵机14转动的角度由单片机下发信号确定。舵机接收由单片机下发的信号进行给定角度的转动，通过舵机末端的传动齿轮与车轮支架传动齿轮的啮合进行动力传输，此时，传动支架转动一定的角度，带动导向轮转弯，从而完成转弯动作。
19.深度相机12在捡球机器人前进的过程中实时收集球体散落的画面，将所收集带有深度信息的画面传送至车载单片机，单片机对接收深度相机12传送的画面进行处理，其中包括采用阈值分割图像法对图像进行处理使目标和背景分别开来，之后对形状的识别采用hough变化，进而识别出目标球体，确定所在位置；根据识别出的目标位置确定机器人前进方向，单片机控制驱动电机和舵机转动让机器人朝目标位置出发。
20.捡球过程的实现，在一定特定的环境中，启动深度摄像机12对周围环境拍摄收集图像信息，摄像机将所拍摄的图片传回单片机，单片机通过对画面的处理，得出画面中有目标球的位置。根据得出的结果，向舵机14和驱动电机1发送指令，进行驱动。电机1通过传动
齿轮使驱动车轮4进行转动，从而是机器人前进；而舵机14通过传动齿轮15对导向轮17进行角度调整，使机器人能够按照既定的路线行走，从而达到指定位置。在前进过程中，驱动电机1通过齿轮传动使扇叶轴承9进行转动，捡球扇叶10在扇叶轴承9的带动下不断旋转从而达到收集路径上的散落小球的目的。收集的小球经过运球口11由捡球扇叶10带动到一定高度，当小球到达运球口11的最高点时，小球在重力作用下不会继续向上运动而是向收集箱滚动，完成捡球这一工作。在捡球储存箱内的球达到储存最大值的时候，工作人员可以将机器人收集的小球取出。取完球的机器人可以继续工作。
21.本发明中的捡球机器人在工作过程中，可以在单位时间内收集更多的目标球，收球效率高。在本实施例中是对乒乓球进行收集，根据不同球类运动的需求可以进行适当延长运球口11的伸展长度，调整捡球扇叶10的宽度，以适应不同球类和场地的捡球需求。通过深度相机12所采集的信息在经过单片机的图像阈值分割法和形状识别的处理，可以自主的完成球类的识别和捡球动作。有效的提高了捡球的准确性和效率。捡球扇叶10和驱动车轮4的动力装置相互独立，互不影响，使捡球作业更加稳定可靠。捡球扇叶10的长度大，运球口11的开口大，使收集过程中可以实现扎堆目标球的快速收集，且结构简单，在满足使用要求的前提下，降低了成本，提高了效率。
22.捡球机器人整体车壳8的设计有以下特征，驱动车轮4与车壳前端的导向轮17共同支撑起机器人，所述前后车轮的中心轴承使机器人前后高于水平面相同距离，从而保证机器人的稳定性。运球口11伸出的舌口末端距离水平地面有一定高度（具体数据根据作业场地进行调整，一般保持在0.5mm以上为宜），保证捡球过程中不会与地面发生摩擦，阻碍机器人的前进。在捡球数量需求较大的应用中，可以适当提高运球口11的最高点，增大储球箱腹部（底部）缓坡的角度直至垂直。在提高运球口11的最高点同时，因适当的对应加大捡球扇叶10的宽度，同时对应的加高扇叶轴承9的水平高度。
23.本发明所用单片机为stm32f7系列，其接口丰富，后期根据需求可以进行相应功能的拓展，如储球箱满球的检测报警、前进受阻报警、电池电量低警告、初始点记忆复位功能，或无线通信功能。在要求需要更高性能处理芯片的情况下，可以由树莓派等功能更加强大的处理器进而代替功能不足的单片机。
24.相比于同类智能捡球机器人的作业方式，本发明捡球效率高，操作简单，满足捡球快速性和准确性要求，根据不同作业方式可以进行相应灵活的改变，且具有一定的智能性。
25.以上所述为本发明的优选实例方式，其相应的，在本发明基础上未经创造性劳动，可以进行适当的改进和更替，此改进和更替应视为本发明的保护范围。