謝凱 李含希 張藝瓊 王存萍

摘要：隨著黨和國家對社會主義強(qiáng)國建設(shè)的迫切需要，不管是國家還是個(gè)人都在不斷的超越自我，追求更快更強(qiáng)。我們擬設(shè)計(jì)一款乒乓球陪練機(jī)器人，用于個(gè)人能力的提高和對自我的超越，本文對此款機(jī)器人的三大系統(tǒng)進(jìn)行了簡要分析。

一、視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)會收集對手的力量、速度、旋轉(zhuǎn)打球的方法等數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)自主學(xué)習(xí)，隨時(shí)根據(jù)不同對手的能力調(diào)整自己的打球水平。

乒乓球陪練機(jī)器人以每秒上百次的頻率捕捉乒乓球的位置，再通過人工智能的算法計(jì)算出球的速度和旋轉(zhuǎn)，從而精確預(yù)測出球的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)出指令，時(shí)間、方向、速度和力度都控制的剛剛好，這樣就實(shí)現(xiàn)了與運(yùn)動(dòng)員的博弈。

視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及兩個(gè)部分，一個(gè)是雙目相機(jī)的標(biāo)定，一個(gè)是目標(biāo)檢測方法。相比于單目相機(jī)而言，雙目相機(jī)更加方便計(jì)算空間中乒乓球的三維信息。雙目相機(jī)的標(biāo)定是獲取相機(jī)參數(shù)以及轉(zhuǎn)換矩陣的過程，標(biāo)定精度對于三維信息的獲取至關(guān)重要。第三個(gè)相機(jī)是用來關(guān)注人的行為特征，這些行為特征可以理解為多分類問題，例如：可以識別人的發(fā)球姿勢，把運(yùn)動(dòng)員分為幾個(gè)級別，根據(jù)不同的級別來改變陪練難度，相當(dāng)于匹配一個(gè)旗鼓相當(dāng)?shù)膶κ?。不僅如此，攝像機(jī)還需要觀察人的臉部表情特征，如果發(fā)現(xiàn)人的表情變得疲倦或難受[1]，機(jī)器人可以詢問運(yùn)動(dòng)員是否需要休息，多與運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行溝通或者鼓舞之類，在得到運(yùn)動(dòng)員的語音反饋信息后便可根據(jù)語音識別系統(tǒng)進(jìn)行輸出回答，實(shí)現(xiàn)真正的智能化陪練體系。而這一套體系運(yùn)用了深度學(xué)習(xí)的知識來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，首先需要采集大量的運(yùn)動(dòng)員的姿態(tài)、動(dòng)作、表情等圖像信息，這些信息可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取，通過深度學(xué)習(xí)中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練提升判斷的準(zhǔn)確性，這個(gè)訓(xùn)練過程是一個(gè)權(quán)重參數(shù)與偏置參數(shù)的不斷更新迭代過程，找到最合適的權(quán)重偏置參數(shù)，便能達(dá)到最佳的狀態(tài)判別結(jié)果，從而能夠準(zhǔn)確判斷出運(yùn)動(dòng)員的水平和心情狀態(tài)信息[2]。

對于目標(biāo)檢測方法，有利用前后幀關(guān)系進(jìn)行目標(biāo)檢測，還有基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測方法，前者無法排除非所需目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，后者檢測精度與效率不能同時(shí)兼顧，除上述方法外，顏色分割目標(biāo)檢測方法在場景單一前提下可以滿足精度與效率的問題。考慮到顏色受光照的影響，選擇HSV通道顏色分割方法。經(jīng)過HSV閾值分割算法后，可以得到一張二值化圖像。對于顏色分割，背景中往往會存在一些處于該范圍的噪點(diǎn)，這些噪點(diǎn)面積要比乒乓球目標(biāo)小得多，但是仍然會影響查找乒乓球目標(biāo)位置。所以需要對閾值分割的二值化圖像在進(jìn)行腐蝕操作，圖像腐蝕操作雖然會一定程度減小目標(biāo)面積，但由于最終只需要乒乓球的目標(biāo)位置點(diǎn)，所以影響不大。

通過目標(biāo)檢測與標(biāo)定好的雙目相機(jī)參數(shù)計(jì)算出乒乓球的實(shí)際三維坐標(biāo)。通過拍攝乒乓球運(yùn)動(dòng)過程中的多個(gè)瞬間位置信息，便可以預(yù)測球的運(yùn)動(dòng)軌跡。

二、控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對球的擊打，分為三個(gè)模塊：機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊、機(jī)器人對乒乓球臺避障模塊，機(jī)器人擊球動(dòng)作路徑設(shè)計(jì)模塊。

1.機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解模塊

首先我們利用 D-H 法。該方法是在每個(gè)關(guān)節(jié)處建立一個(gè)三維坐標(biāo)系，然后通過相連關(guān)節(jié)間的旋轉(zhuǎn)平移矩陣來描述有機(jī)器人基座坐標(biāo)系到末端坐標(biāo)系間的關(guān)系。從而，機(jī)械臂可以轉(zhuǎn)動(dòng)或者平移起來。

2.機(jī)器人對乒乓球臺的避障路徑規(guī)劃

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中可能會遇到乒乓球臺，所以需要設(shè)計(jì)可行的避障方法，使得機(jī)器人在不會碰到障礙物情況下根據(jù)系統(tǒng)的不同需求選取一條最優(yōu)路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這類問題被稱為機(jī)器人避障路徑規(guī)劃問題。

（1）機(jī)器人擊球位置對乒乓球臺避障路徑規(guī)劃

對于避障問題，當(dāng)決策系統(tǒng)決策出合適的擊球點(diǎn)位置和姿態(tài)時(shí)，機(jī)器人可以與無窮組關(guān)節(jié)角與之對應(yīng)，所以根據(jù)系統(tǒng)的需求選取合適的機(jī)器人構(gòu)型尤為重要[3]。機(jī)器人通過自運(yùn)動(dòng)讓前臂與上臂位于乒乓球臺上方時(shí)，機(jī)器人不會與乒乓球臺進(jìn)行碰撞，因此只要計(jì)算出機(jī)器人位于乒乓球臺上方時(shí)的臂形角范圍，即可在機(jī)器人與乒乓球臺不碰撞的情況下選擇最優(yōu)構(gòu)型。

觀察機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可知，機(jī)器人與乒乓球臺的碰撞主要是機(jī)械人前臂對乒乓球臺邊緣的碰撞和機(jī)器人末端位置與乒乓球臺面的碰撞，所以可以將機(jī)器人擊球位置與乒乓球臺碰撞問題抽象成求解三維空間中一條直線與圓錐曲面交點(diǎn)、以及三維中某一點(diǎn)處于某一平面上或下的問題。因此只要計(jì)算出機(jī)器人位于乒乓球臺上方時(shí)的臂形角范圍，即可在機(jī)器人與乒乓球臺不碰撞的情況下選擇最優(yōu)構(gòu)型。

算出機(jī)器人避免碰撞乒乓球臺的臂形角范圍，即機(jī)器人在擊球位置避免碰撞乒乓球臺的臂形角范圍為[ &1-&2 ]

3.機(jī)器人擊球動(dòng)作路徑規(guī)劃

根據(jù)前文的工作雖然可以讓機(jī)器人不碰撞的運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)，但是機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，將直接停在目標(biāo)點(diǎn)上，使得機(jī)器人沒有運(yùn)動(dòng)速度，無法完成擊球動(dòng)作，所以需要對機(jī)器人最后的擊球路徑進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

我們選取選取最后一個(gè)點(diǎn)作為機(jī)器人需要到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)，選取距離最后一個(gè)點(diǎn)五、六個(gè)采樣時(shí)間的點(diǎn)作為機(jī)器人擊球擊點(diǎn)。由于軌跡預(yù)測給出的乒乓球軌跡數(shù)據(jù)中保存有該點(diǎn)的采樣信息，所以假設(shè)標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)信息為p1，時(shí)間信息為t1，擊球點(diǎn)坐標(biāo)信息為p2，時(shí)間信息為t機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)路徑如圖所示，因此對機(jī)器人的擊球路徑總體設(shè)計(jì)如下。

在時(shí)間坐標(biāo)系下，根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)與擊球點(diǎn)間的連線，在目標(biāo)點(diǎn)與擊球點(diǎn)之間采集兩個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)，在擊球點(diǎn)后采集兩個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)。然后根據(jù)這些點(diǎn)的坐標(biāo)以及目標(biāo)點(diǎn)的姿態(tài)通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法得到5組七個(gè)關(guān)節(jié)的角度。設(shè)定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度v，計(jì)算機(jī)器人從目標(biāo)點(diǎn)到最后一個(gè)采樣點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間th。

控制機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)路徑運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)，并記錄運(yùn)動(dòng)的時(shí)間tm，運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)或進(jìn)行一段時(shí)間等待，并記錄等待時(shí)間tw

當(dāng)tm+tw+th>t1-t2時(shí)，控制機(jī)器人依次按照5關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)到各個(gè)采樣點(diǎn)即目標(biāo)點(diǎn)。因此乒乓球到達(dá)擊球點(diǎn)位置時(shí)，機(jī)器人將以向量p1p2方向，速度v擊打乒乓球。

三、決策系統(tǒng)

決策系統(tǒng)可以將視覺系統(tǒng)收集到的信息進(jìn)行整合，最后進(jìn)行決策輸出。首先，決策系統(tǒng)依賴于大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)，機(jī)器學(xué)習(xí)將在大數(shù)據(jù)的幫助下輸入無窮個(gè)樣本，這些樣本包括用戶平時(shí)的行為打法，國際頂尖運(yùn)動(dòng)員的打球技巧等，不斷自我訓(xùn)練提高水平。通過視覺系統(tǒng)捕捉到用戶和球的信息后，在決策系統(tǒng)中進(jìn)行檢索相應(yīng)回球方案，最終將指令發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行回球。

參考文獻(xiàn)

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[2] ?鄭魁敬， ?崔培. ?乒乓球機(jī)器人的研究與發(fā)展[J]. 機(jī)床與液壓， 2009， 37（8）：238-241.

[3] ?Billingsley J. Machineroe joins new title fight[J]. Practical Robotics， 1984： 14-16.

第一作者簡介：謝凱，1996.10.10生，男，漢族，四川樂山，西南民族大學(xué)學(xué)生