隋裕召++楊小軍++應(yīng)振根++劉釗武++王振飛

摘 要：本文圍繞網(wǎng)球場(chǎng)地上網(wǎng)球的收集問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)識(shí)別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人。采用pixy視覺(jué)傳感器作為機(jī)器人的眼睛，通過(guò)顏色識(shí)別確定網(wǎng)球目標(biāo)；Arduino處理器基于最短距離原則確定第一目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走到距網(wǎng)球特定距離；三自由度的機(jī)械臂及其末端抓取機(jī)構(gòu)按固定預(yù)設(shè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的抓取、轉(zhuǎn)移、以及投放入收集器等動(dòng)作。本設(shè)計(jì)提高了網(wǎng)球愛(ài)好者和運(yùn)動(dòng)員的練球效率，節(jié)省時(shí)間和體力，適應(yīng)智能化潮流，具有良好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)識(shí)別 智能機(jī)器人 網(wǎng)球拾取 機(jī)械臂

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）08（b）-0156-05

Abstract： An intelligent Tennis-picking robot based on vision identification is designed in this paper， to deal with the tennis collection on the court. A pixy vision sensor is utilized as the robot's eyes， which determines the tennis target through the color identification. Arduino processor is used to confirm the first target based on the principle of shortest distance， and then drive the robot to a certain place away from the tennis. A manipulator of three degrees of freedom and a grasping mechanism are finally driven to grasp， move， and put in the tennis into the collector according to a preprogrammed action pattern. The design has a good prospect as it improves the efficiency of tennis enthusiasts and athletes， saves time and strength， and meets the trend of intelligence.

Key Words： Vision identification； Lntelligent robot； Tennis-picking； Mechanical arm

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人民生活水平的提高，人們對(duì)于健康越來(lái)越重視。而網(wǎng)球近些年來(lái)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，作為一項(xiàng)頗受歡迎的體育項(xiàng)目[1]，對(duì)于身體素質(zhì)的鍛煉有極大的幫助。我國(guó)現(xiàn)有網(wǎng)球場(chǎng)約85475個(gè)，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)人口864萬(wàn)，且運(yùn)動(dòng)人口數(shù)量每年以10%～12%的速度增長(zhǎng)。

但是網(wǎng)球是一項(xiàng)極為消耗體力的運(yùn)動(dòng)，因此許多練習(xí)網(wǎng)球的人都會(huì)攜帶多個(gè)網(wǎng)球，以避免拾取的麻煩，然而這就導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，球場(chǎng)上滿是網(wǎng)球。這不僅妨礙鍛煉的人發(fā)球接球，影響鍛煉時(shí)的樂(lè)趣，而且因?yàn)闈M地網(wǎng)球，鍛煉者極有可能在移動(dòng)中誤踩網(wǎng)球而導(dǎo)致跌倒，更有甚者可能會(huì)受到較大的身體傷害。

在網(wǎng)球比賽或訓(xùn)練時(shí)，一般通過(guò)人工方法撿球，工作效率低，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前專門(mén)從事網(wǎng)球拾取的球童數(shù)量較少[2]，多為網(wǎng)球場(chǎng)臨時(shí)雇傭或志愿者，沒(méi)有專門(mén)應(yīng)用在網(wǎng)球拾取上的機(jī)器人。

因此，如何能有效省力或不耗精力的將網(wǎng)球收集規(guī)整起來(lái)就成為亟待解決的問(wèn)題。本文將設(shè)計(jì)一種視覺(jué)識(shí)別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人，通過(guò)視覺(jué)傳感器捕捉網(wǎng)球影像并定位，經(jīng)路徑規(guī)劃后利用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的準(zhǔn)確抓取。可在網(wǎng)球訓(xùn)練和比賽過(guò)程中代替人工撿球，減少運(yùn)動(dòng)傷害，提高網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)效率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文基于視覺(jué)識(shí)別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，分別是對(duì)網(wǎng)球進(jìn)行識(shí)別辨認(rèn)、行走路徑規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)、以及對(duì)網(wǎng)球的抓取和收納動(dòng)作。機(jī)器人的整體方案（如圖1所示），機(jī)身直徑400mm，高度610mm，各主要部分的功能說(shuō)明如下。

（1）麥克納姆輪

麥克納姆輪是一種結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的全方位輪[3]。實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)上的根本原因是：其由輪轂和安裝在輪轂外緣上與輪轂軸線呈一定角度的無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)咏M成，無(wú)動(dòng)力輥?zhàn)硬粌H可繞輪轂軸公轉(zhuǎn)，也能在地面摩擦力作用下繞各自的支撐芯軸自轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的合運(yùn)動(dòng)速度與輪轂軸有一定的夾角。

（2）行走盤(pán)電機(jī)

本文電機(jī)選用微型帶渦輪蝸桿型減速直流馬達(dá)。微型帶渦輪蝸桿減速直流馬達(dá)可以改變馬達(dá)的接線正負(fù)改變馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向。渦輪蝸桿減速電機(jī)具備自鎖性，即在馬達(dá)在沒(méi)有電的情況下，輸出軸是轉(zhuǎn)不動(dòng)的，即自鎖，提高機(jī)器人位置控制的精確度。且減速箱輸出軸方向與馬達(dá)軸是垂直布置，輸出軸方向的占用空間少，合理安裝空間。

（3）單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用Arduino開(kāi)發(fā)板作為智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的核心處理器。實(shí)現(xiàn)調(diào)控各部位運(yùn)動(dòng)的作用。

（4）pixy視覺(jué)傳感器

本設(shè)計(jì)采用pixy視覺(jué)傳感器[4]，通過(guò)對(duì)可視視野內(nèi)分析識(shí)別，實(shí)現(xiàn)識(shí)別目標(biāo)物及定位的作用。

（5）機(jī)械爪手指

本設(shè)計(jì)的機(jī)械爪手指即網(wǎng)球拾取機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)的原則是在強(qiáng)度滿足抓取要求的同時(shí)盡量輕便簡(jiǎn)約，以減小機(jī)械臂負(fù)擔(dān)，所以綜合考慮采用合金鋁材料。

2 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 視覺(jué)傳感器

本文的設(shè)計(jì)采用pixy視覺(jué)傳感器（如圖2所示），它是一個(gè)開(kāi)源視覺(jué)傳感器，強(qiáng)大的處理器上搭載著圖像傳感器，采用以顏色為中心的方法，能將特定顏色的物體的視覺(jué)數(shù)據(jù)發(fā)送給相互配合的微型控制器，而不是輸出所有視覺(jué)數(shù)據(jù)，即：選擇性的處理有用的信息。此外，pixy視覺(jué)傳感器支持多物體、多色彩的顏色識(shí)別（如圖3所示），最高支持7種顏色。endprint

本設(shè)計(jì)將pixy視覺(jué)傳感器作為智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的眼睛，通過(guò)編程將網(wǎng)球的顏色進(jìn)行目標(biāo)定性，可以讓它完成搜尋網(wǎng)球場(chǎng)地上網(wǎng)球的任務(wù)。

2.2 目標(biāo)顏色識(shí)別

Pixy視覺(jué)傳感器目標(biāo)顏色識(shí)別的主要特點(diǎn)是基于顏色特征信息庫(kù)，確定其閾值，然后與顏色庫(kù)相應(yīng)顏色進(jìn)行對(duì)應(yīng)匹配。

在機(jī)器視覺(jué)和圖像處理中，二值圖像和灰度圖像得到了廣泛的應(yīng)用，主要是由于計(jì)算機(jī)處理和表述數(shù)據(jù)時(shí)采用二進(jìn)制形式，而且生物視覺(jué)在理解這兩種圖像時(shí)沒(méi)有任何困難。但是它無(wú)法分辨實(shí)際環(huán)境中灰度值相近的顏色。因此，研究基于彩色信息的視覺(jué)系統(tǒng)是普遍趨勢(shì)。而選取一種合適的顏色空間模型對(duì)彩色圖像的研究是十分重要的。目前，在機(jī)器視覺(jué)中應(yīng)用較多的兩種彩色空間模型分別是 RGB模型 和 HIS模型[5]。

2.2.1 RGB 顏色模型

實(shí)踐證明，光譜上的大多數(shù)顏色都可以用紅（Red）、綠（Green）、藍(lán)（Blue）三種單色按照一定的比例混合生成。基于 RGB 三原色的顏色表示稱為 RGB 顏色模型。

在笛卡兒坐標(biāo)系中，RGB 顏色模型（如圖4所示）。圖中，R、G、B 位于立方體在三個(gè)坐標(biāo)軸上的頂點(diǎn)，青、深紅和黃色位于另外三個(gè)頂點(diǎn)，黑色位于原點(diǎn)，白色位于離原點(diǎn)最遠(yuǎn)的頂點(diǎn)，且灰度等級(jí)沿著黑白兩點(diǎn)的連線依次分布。在該模型中，每一種顏色都可以用第一象限中的一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，即它可分解成 RGB 三個(gè)原色的分量。

2.2.2 HSI 顏色模型

當(dāng)人觀察一個(gè)彩色物體時(shí)，一般是用色調(diào)、色飽和度和亮度來(lái)描述它。據(jù)此，Munseu 提出了 HSI 顏色模型。 在 HSI 顏色模型中，H 代表 hue 即色調(diào)，它取決于光的波長(zhǎng)，說(shuō)明彩色光的顏色；S 代表 saturation 即色飽和度，它取決于彩色光中混入的白光數(shù)量，白光的含量越少，其飽和度越高；I 代表 intension 即強(qiáng)度或亮度。HSB、HSL、HSV 也屬于 HSI 顏色模型。

HSI 模型的三維空間表示如圖5所示，圖中，垂直軸表示光的亮度變化，頂端表示白光，底端表示黑光；水平圓域上的各點(diǎn)表示不同的色調(diào)，位于圓周上的點(diǎn)是飽和顏色，從圓心到圓周的徑向表示顏色飽和度逐漸增強(qiáng)。在同一圓域上，顏色的亮度不變，只是色調(diào)和飽和度發(fā)生變化。

RGB 顏色模型和 HSI 顏色模型有如下關(guān)系[6]：

（1）

（2）

其中， （3）

（4）

本文Pixy視覺(jué)傳感器便是采用了屬于HIS顏色模型的六角錐體模型HSV來(lái)確定目標(biāo)顏色特征。然后因?yàn)樗捎玫膱D像采集識(shí)別模塊提供了API函數(shù)供系統(tǒng)調(diào)用，通過(guò)識(shí)別網(wǎng)球的顏色（灰度值），調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)可得到網(wǎng)球的寬度、高度、中心點(diǎn)的x，y坐標(biāo)。

3 控制系統(tǒng)及路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Arduino開(kāi)發(fā)板（如圖6所示）作為智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的核心處理器，每款A(yù)rduino開(kāi)發(fā)板以及衍生產(chǎn)品都有標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，能讓客制化設(shè)計(jì)電子組件堆棧在處理器電路板之上，以充實(shí)正在開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)原型。Arduino不只是硬件，它具備完整軟硬件的原型制作系統(tǒng)[7]。

智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的控制過(guò)程如圖7所示，在pixy視覺(jué)傳感器確定網(wǎng)球目標(biāo)之后，Arduino處理器通過(guò)API函數(shù)獲得網(wǎng)球的位置信息（寬度、高度以及中心點(diǎn)坐標(biāo)等）。隨后處理器通過(guò)計(jì)算網(wǎng)球的面積，判斷對(duì)網(wǎng)球與機(jī)器人之間的距離（網(wǎng)球與機(jī)器人距離較遠(yuǎn)時(shí)，網(wǎng)球面積較??；距離較近時(shí)，網(wǎng)球面積較大）。

然后針對(duì)多個(gè)網(wǎng)球進(jìn)行行走路徑規(guī)劃，找到第一目標(biāo)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)使行走機(jī)構(gòu)原地旋轉(zhuǎn)使得目標(biāo)網(wǎng)球位于pixy視覺(jué)窗口正中心，此后機(jī)器人朝目標(biāo)網(wǎng)球移動(dòng)，當(dāng)網(wǎng)球面積達(dá)到設(shè)定值（及機(jī)器人和網(wǎng)球的距離達(dá)到設(shè)定值）時(shí)，機(jī)器人停止行走，通過(guò)固化的機(jī)械臂動(dòng)作過(guò)程，機(jī)械爪抓起網(wǎng)球，經(jīng)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)把網(wǎng)球放入網(wǎng)球收納空間中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的抓取。

3.2 規(guī)劃路徑的選擇

當(dāng)pixy視野里有多個(gè)網(wǎng)球時(shí)，智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人采取行走路程最短，即最短距離原則，假想場(chǎng)景（如圖8所示）。

當(dāng)機(jī)器人使用pixy傳感器識(shí)別到有三個(gè)網(wǎng)球在視野中，分別為網(wǎng)球Ⅰ、網(wǎng)球Ⅱ、網(wǎng)球Ⅲ。通過(guò)測(cè)距比較與網(wǎng)球Ⅰ距離最短，則機(jī)器人向網(wǎng)球Ⅰ運(yùn)動(dòng)并實(shí)行撿球動(dòng)作（需注意的是此過(guò)程中目標(biāo)將鎖定網(wǎng)球Ⅰ，直至將網(wǎng)球Ⅰ拾取完成）。到達(dá)網(wǎng)球Ⅰ位置后再對(duì)視野內(nèi)目標(biāo)網(wǎng)球再次進(jìn)行比較判別，假若圖中網(wǎng)球Ⅱ與網(wǎng)球Ⅲ仍同時(shí)在視野中且無(wú)其他目標(biāo)物出現(xiàn)，則比較距離驅(qū)使機(jī)器人駛向網(wǎng)球Ⅱ，以此類推。

4 機(jī)械臂及抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的機(jī)械臂是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球精準(zhǔn)抓取的關(guān)鍵，它要完成網(wǎng)球拾取、轉(zhuǎn)移、投放入收集器等動(dòng)作。本設(shè)計(jì)采用三個(gè)自由度調(diào)度各部位，外形結(jié)構(gòu)（如圖9所示），主要包括：大臂設(shè)計(jì)值直徑40mm長(zhǎng)度250mm，為最底部支撐，起調(diào)度作用的同時(shí)更是承受大部分的承重；中臂直徑38mm長(zhǎng)度150mm，起到將末端抓取機(jī)構(gòu)調(diào)度至抓取位置或投放位置的作用；機(jī)械臂最大伸展長(zhǎng)度400mm。

在三個(gè)關(guān)節(jié)處各置有伺服電機(jī)控制機(jī)械臂做出動(dòng)作，整根機(jī)械臂設(shè)計(jì)在一個(gè)豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一方面便于控制機(jī)械臂的精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)定位，另一方面也可減輕控制系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)單實(shí)用。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)服從預(yù)設(shè)的固定動(dòng)作，當(dāng)處理器給出撿球信號(hào)后，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程受既定程序控制，完成特定的伸屈抓取、轉(zhuǎn)移、投放等動(dòng)作。

4.2 抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂末端是抓取機(jī)構(gòu)?？紤]到機(jī)器人總體質(zhì)量及其穩(wěn)定性，本文機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則是輕巧簡(jiǎn)約、可控、收縮自如。采用拉桿式三指機(jī)械爪結(jié)構(gòu)，夾指部位材料選用硬質(zhì)塑料或鋁材等，設(shè)計(jì)纖細(xì)簡(jiǎn)約（如圖10所示）。

構(gòu)件主要有電機(jī)、卷筒軸、聯(lián)軸器、軸承、軸承座、鋼絲繩、彈簧、以及組成爪的各構(gòu)件。卷筒軸一端通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)聯(lián)結(jié)，另一端通過(guò)軸承固定，軸承安裝在軸承座里并固定在爪腕內(nèi)壁。抓取機(jī)構(gòu)的中心軸線長(zhǎng)度110mm，最大抓取直徑90mm。這樣的設(shè)計(jì)完全可以勝任抓取網(wǎng)球、投放網(wǎng)球的動(dòng)作，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，不會(huì)給機(jī)器人機(jī)身很大的負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)網(wǎng)球日常訓(xùn)練和比賽中存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)識(shí)別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人，主要功能為將散落在場(chǎng)地內(nèi)的網(wǎng)球拾取并收集起來(lái)。

基于視覺(jué)識(shí)別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人的特點(diǎn)為：采用pixy視覺(jué)傳感器作為機(jī)器人的眼睛，通過(guò)顏色識(shí)別確定網(wǎng)球目標(biāo)；Arduino處理器基于最短距離原則確定第一目標(biāo)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走到距網(wǎng)球特定距離；三自由度的機(jī)械臂及其末端抓取機(jī)構(gòu)按固定預(yù)設(shè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球的抓取、轉(zhuǎn)移、以及投放入收集器等動(dòng)作。

本文設(shè)計(jì)的基于視覺(jué)識(shí)別的智能網(wǎng)球拾取機(jī)器人，可以提高網(wǎng)球愛(ài)好者和運(yùn)動(dòng)員的練球效率，在網(wǎng)球比賽和訓(xùn)練過(guò)程中，省時(shí)省力，適應(yīng)當(dāng)今健康、運(yùn)動(dòng)、智能化的潮流，具有良好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 席念楚.運(yùn)動(dòng)健身網(wǎng)球熱[J].投資北京，2005（5）：101.

[2] 趙靜茹，肖文龍.北京市網(wǎng)球球童發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)查與研究[J].運(yùn)動(dòng)，2010（2）：60-61.

[3] 陳博翁，范傳康，賀驥.基于麥克納姆輪的全方位移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].東方電氣評(píng)論，2013（4）：7-11.

[4] 本刊編輯.Pixy視覺(jué)傳感器：小智慧大用途[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2013（19）：4.

[5] 胡文.基于彩色圖像的視覺(jué)定位研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[6] 岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2003.

[7] 胡珂.基于Arduino的智能小車(chē)測(cè)距安全行駛系統(tǒng)的研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.endprint