多功能撿球機(jī)器人的研制*

趙藝兵a，楊泳雪b

(南京工程學(xué)院 a.工業(yè)中心；b.自動化學(xué)院，南京211167)

摘要：文章介紹了一種基于無線技術(shù)的多功能撿球機(jī)器人，包含機(jī)械結(jié)構(gòu)、遙控電路和障礙檢測電路等硬件設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)。機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)撿起直徑介于38mm與65mm之間球體；遙控電路基于CMOS大規(guī)模集成電路TX-2/RX-2設(shè)計(jì)，通過手持遙控設(shè)備來控制機(jī)器人的運(yùn)動路徑；障礙檢測電路采用紅外傳感模塊控制機(jī)器人自動進(jìn)行避障檢測，對場地目標(biāo)進(jìn)行搜尋，并通過機(jī)器人來完成撿球動作。該撿球機(jī)器人能夠撿起高爾夫球、乒乓球、網(wǎng)球等直徑介于38mm與65mm之間多種球體，不僅具有手動、遙控及自動搜尋三種撿球模式，而且成本低，可靠性高。通過實(shí)物模型的性能測試表明，該撿球機(jī)器人撿球效果良好，便于推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：撿球機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)；遙控電路；障礙檢測電路

文章編號：1001-2265(2015)09-0129-03

收稿日期：2014-11-11

基金項(xiàng)目：*江蘇省自然科學(xué)

作者簡介：趙藝兵(1966—)，男，呼和浩特人，南京工程學(xué)院高級實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器人及數(shù)控技術(shù)，(E-mail)zdhxzyb@njit.edu.cn。

中圖分類號：TH122;TG659

The Development of Multifunctional Robot for Picking up Balls

ZHAO Yi-binga,YANG Yong-xueb

(a.Industry Center; b.Automation Department, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

Abstract：In this paper a multifunctional robot for picking up balls based on wireless technology is described. It includes the hardware design such as mechanical structure, remote control circuit and obstacle avoidance circuit as well as the software development. Mechanical structure can achieve to pick the balls which diameters are between 38mm and 65mm; Remote control circuit is designed based on CMOS LSI TX-2/RX-2 and the running path is controlled by hand remote control; Obstacle detection circuit is designed by using the infrared sensor module to control the robot to detect obstacles automatically, search for target sites and pick up balls by the robot. The robot can pick up several balls such as golf, table tennis and tennis. It not only has three picking up balls methods such as hand control，remote control and automatic search, but also has low cost and high reliability. The performance testing on the practical model of the robot shows that the ball picking robot works well and it is easy to popularize and apply.

Key words： robot for picking up balls;mechanical structure;remote control circuit;obstacle detection circuit

0引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展, 機(jī)器人的用途越來越廣, 開始從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域向軍事、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域滲透。2004年2月25日, 世界第一屆機(jī)器人會議在日本福岡市落下帷幕, 會議發(fā)表了《世界機(jī)器人宣言》, 與會代表一致認(rèn)為：在機(jī)器人領(lǐng)域正經(jīng)歷著從產(chǎn)業(yè)用機(jī)器人時(shí)代向生活用機(jī)器人時(shí)代的轉(zhuǎn)變。2005年1月, 我國863計(jì)劃先進(jìn)制造與自動化技術(shù)領(lǐng)域辦公室和國家自然科學(xué)基金會信息科學(xué)部聯(lián)合組織召開了智能服務(wù)機(jī)器人戰(zhàn)略研討會。近年來, 在國家“863”計(jì)劃的支持下, 我國在服務(wù)機(jī)器人研究和產(chǎn)品研發(fā)方面已開展了大量工作,并取得了一定的成績[1-3]。

眾所周知，人們在打球，特別是練習(xí)打球時(shí)，需要撿起大量散落在場地上的球，靠人撿球既累又耗時(shí)，因此一些相對高級的球類運(yùn)動如高爾夫球、網(wǎng)球等會聘請球童撿球。但還有很多球類運(yùn)動的參與人群雇不起球童，只能自己彎腰揀球[4]。為此已有學(xué)者在撿球工具研究方面做出了努力，給出了相關(guān)報(bào)道，但依然存在不足。例如中國專利號為ZL 201120132476.2的實(shí)用新型專利《乒乓球撿球機(jī)器人》[5]，所采用的技術(shù)方案不具備自動撿球功能，而且撿球種類僅限于拾撿乒乓球,中國專利號為ZL 201110046558的發(fā)明專利《智能型吸氣式自動撿球機(jī)器人》所采用的技術(shù)方案，不能自動行走，依然需要人工推行[6]。

本文設(shè)計(jì)的撿球機(jī)器人，不僅能撿高爾夫球、乒乓球、網(wǎng)球等多種球，而且具備手動、遙控及自動搜尋三種撿球模式。通過對已設(shè)計(jì)的撿球機(jī)器人模型進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該機(jī)器人不僅能撿起直徑介于38mm與65mm之間球體，而且具有成本低、功能多樣、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，便于推廣使用。

1總體方案

該撿球機(jī)器人包括具有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人本體及安裝在機(jī)器人上的撿球機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。機(jī)器人本體成箱體狀，由兩塊成十字交叉的隔板和轉(zhuǎn)軸形成滾筒，三塊后擋板形成引球板，后輪、滾筒、引球板構(gòu)成撿球機(jī)構(gòu)，左、右兩個(gè)驅(qū)動電機(jī)、車體、前輪、后輪、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成行走機(jī)構(gòu)，為防止機(jī)器人后退時(shí)球掉出還安裝有由活簾和橫桿構(gòu)成的防掉機(jī)構(gòu)。

1.機(jī)器人 2.撿球機(jī)構(gòu) 3.箱體 4.5.前輪 6.7. 電機(jī) 8.9.后輪 10.轉(zhuǎn)軸

11.12.隔板 13.橫桿 14.活簾 15.控制機(jī)

圖1機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)器人設(shè)計(jì)為前輪驅(qū)動，即左、右兩個(gè)前輪連接左、右兩個(gè)電機(jī)，左、右兩個(gè)電機(jī)連接控制機(jī)構(gòu)。機(jī)器人運(yùn)用差速原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。引球板設(shè)在滾筒轉(zhuǎn)動上升方向的一側(cè)，引球板下端位于滾筒下方。機(jī)器人行走時(shí)通過地面摩擦帶動后輪運(yùn)轉(zhuǎn)，后輪運(yùn)轉(zhuǎn)會帶動滾筒轉(zhuǎn)動。當(dāng)滾筒中的隔板遇到球體時(shí)，球體就會被卷入兩塊隔板和后擋板構(gòu)成的相對封閉的空間中，隨著機(jī)器人向前運(yùn)行，由轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動將球體推到箱體中，這一過程即完成了撿球。為防止進(jìn)入箱體后的球體掉出，設(shè)置由活簾和橫桿構(gòu)成防掉機(jī)構(gòu)，安裝在撿球機(jī)構(gòu)前?？刂破饔?1單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng)、紅外開關(guān)、遙控電路、電機(jī)控制器及手持遙控器等組成。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撿球機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)核心是由一根長度為360mm的鋁合金軸，兩塊270×170mm的有機(jī)玻璃隔板和三塊長度為300mm的有機(jī)玻璃后擋板構(gòu)成，如圖2所示。撿球機(jī)器人的撿球原理是機(jī)器人向前運(yùn)動時(shí)，當(dāng)隔板碰到直徑介于38mm與65mm之間的球體且機(jī)器人具有一定運(yùn)行速度，球體就會被置在兩塊隔板和后擋板構(gòu)成的相對封閉的空間中，隨著機(jī)器人的向前運(yùn)行，由合金軸的轉(zhuǎn)動將球體推到放置小球的箱體中，這一過程即完成了機(jī)器人撿球的動作。機(jī)器人隔板與最底部的后擋板之間的間距約為5mm，機(jī)器人的三視圖如圖3所示。

圖2　撿球機(jī)構(gòu)示意圖

圖3　撿球機(jī)器人的三視圖

3硬件設(shè)計(jì)

3.1遙控電路設(shè)計(jì)

遙控電路的設(shè)計(jì)采用CMOS規(guī)模集成電路TX-2/RX-2來制作，通過手持遙控設(shè)備來控制機(jī)器人的運(yùn)行路徑，并通過機(jī)器人來完成撿球動作，遙控電路和信號接收電路的原理圖分別如圖4和5所示。

圖4　遙控電路原理圖

圖5　信號接收電路原理圖

3.2障礙檢測電路

障礙檢測模塊的傳感器選用紅外傳感器，其優(yōu)點(diǎn)是對近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，不同方位的傳感器之間信號不會相互干擾，造成誤動作。其工作原理是，傳感器由紅外發(fā)射端D1發(fā)出紅外線，如果紅外接收端D2接收到反射光，D2端電平被拉低，經(jīng)過LM741和LM567會輸出一個(gè)低電平，說明檢測到有障礙物。反之，沒有檢測到障礙物。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求該紅外傳感器有效的檢測距離為20cm。

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。為此，障礙檢測電路控制器選用STM89C52，其原理圖如圖6所示。

圖6　障礙檢測電路控制器原理圖

3.3電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動電路選擇L298N雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片，該芯片內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時(shí)驅(qū)動2個(gè)二相或1個(gè)四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個(gè)H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時(shí)序信號。驅(qū)動電路的原理圖如圖7所示。該電機(jī)驅(qū)動電路不僅控制方便而且成本低，便于推廣。

圖7　電機(jī)驅(qū)動電路原理圖

4軟件編程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軟件程序包括電機(jī)驅(qū)動控制、障礙檢測程序等，為方便設(shè)計(jì)及其后續(xù)的修改和調(diào)整,運(yùn)用C 語言編寫程序[7]。

經(jīng)過撿球機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)，最終完成了多功能撿球機(jī)器人樣機(jī)試制，并進(jìn)行了功能測試證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的正確性。

5結(jié)論

研制了一種基于無線技術(shù)的多功能撿球機(jī)器人，通過對實(shí)物模型的測試表明：該撿球機(jī)器人不僅能夠撿起直徑介于38mm與65mm之間的多種小球，而且具有手動、遙控及自動搜尋三種撿球模式，使用靈活性高，與市面上銷售的同類產(chǎn)品相比，具有成本低、功能多樣、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，便于在實(shí)際中推廣使用。

[參考文獻(xiàn)]

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[4] 安丹陽．新型自主式乒乓球撿球機(jī)器人的構(gòu)形及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．沈陽: 東北大學(xué)， 2008．

[5] 乒乓球撿球車[P].實(shí)用新型專利，ZL201120132476.2.

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[7] 鐘文勝,陶學(xué)恒,盧金石.油煙管道清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2013(4):122-124.

(編輯李秀敏)

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