本發(fā)明屬于體育場館自動化設(shè)備，具體涉及一種智能化的撿球機器人。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，體育場館內(nèi)的人工撿球方式存在效率低下、耗費人力等問題。特別是在網(wǎng)球、乒乓球等需要頻繁撿球的運動中，球員往往需要花費大量時間用于撿球，影響了訓(xùn)練和比賽的連續(xù)性和效率。此外，人工撿球也增加了工作人員的勞動強度和球場的開支，在大型賽事或訓(xùn)練場地中，這一問題尤為突出。

2、目前，除去主要的人力手工撿球方式外，縱觀目前市場上的撿球收集裝置，如乒乓球撿球機和網(wǎng)球撿球車等，種類較少，且主要依賴人工操作，對降低撿球的勞動強度十分有限，并未從實質(zhì)上改變撿球過程中的人工參與。而現(xiàn)在的撿球機器人市場上，暫時還沒有出現(xiàn)適用性較強、效率高的全自動撿球機器人，同時現(xiàn)有的撿球機器人結(jié)構(gòu)也幾乎全部集中于四輪及以上的撿球架構(gòu)，面對球場的部分障礙物時，受到自身機械架構(gòu)限制，可能難以規(guī)劃良好的撿球路徑。因此，開發(fā)一種能夠自主識別、定位、撿拾球體、運動便捷的智能化設(shè)備顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明主要根據(jù)球場(網(wǎng)球、乒乓球等)撿球的需求，模擬一個智能化“球童”，同時實現(xiàn)自主撿球和隨行撿球的控制功能。本發(fā)明采用自主設(shè)計的直齒輪嚙合傳動的自平衡兩輪小車，配合陀螺儀平衡感知、跟隨攝像云臺等技術(shù)，結(jié)合語音與視覺控制系統(tǒng)，研發(fā)具有自主巡航、語音遙控、自動跟隨以及視覺定位等功能的自動撿球智能機器人，實現(xiàn)球場撿球的主動模式與跟隨模式，同時輔以電子屏實現(xiàn)人機趣味交互，增強用戶體驗感。

2、為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種智能化的撿球機器人，以撿球機器人上板4作為結(jié)構(gòu)主體，撿球機器人的上板4上方設(shè)置tof測距模塊2、供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、二維舵機云臺、腦袋模塊；

4、所述的tof測距模塊2為撿球機器人提供不同方位上與障礙物之間的距離信息，以進(jìn)行避障功能；優(yōu)選設(shè)置為4個。

5、所述的供電系統(tǒng)包括電池保護(hù)殼3、電池49，為撿球機器人工作提供能量；

6、所述的控制系統(tǒng)用于統(tǒng)籌控制撿球機器人整體工作，包括電機驅(qū)動板46、主控制器47、防護(hù)外殼17，防護(hù)外殼17用于保護(hù)主控制器47與電機驅(qū)動板46；

7、所述的二維舵機云臺包括上側(cè)舵機10、上側(cè)舵機支架8、下側(cè)舵機7、下側(cè)舵機支架6、兩個舵機法蘭48以及一個u型支架11，下側(cè)舵機支架6固定在上板4上并與下側(cè)舵機7固定連接，其中一個舵機法蘭48與下側(cè)舵機7的可轉(zhuǎn)動的輸出軸、上側(cè)舵機支架8固定連接，上側(cè)舵機支架8再與上側(cè)舵機10固定連接，這使得下側(cè)舵機7輸出軸的轉(zhuǎn)動能夠帶動上側(cè)舵機10的運動，另一個舵機法蘭48與上側(cè)舵機10的輸出軸、u型支架11固定連接，u型支架11與腦袋模塊連接，這使得上側(cè)舵機10輸出軸的轉(zhuǎn)動能夠帶動u型支架11的運動，間接帶動腦袋模塊的轉(zhuǎn)動，且單個舵機支持270°的轉(zhuǎn)動，這為腦袋模塊提供了大范圍的二自由度旋轉(zhuǎn)空間；

8、所述的腦袋模塊包括腦袋前外殼14、腦袋后外殼12、openart攝像頭15、電容觸摸顯示屏16，openart攝像頭15為撿球機器人提供視覺信息，電容觸摸顯示屏16用于顯示動態(tài)圖形表現(xiàn)撿球機器人的表情及相關(guān)撿球機器人狀態(tài)信息以增強人機互動的趣味性，二維舵機云臺的u型支架11與腦袋后外殼12連接，腦袋模塊利用二維舵機云臺能夠圍繞二維舵機云臺進(jìn)行二自由度轉(zhuǎn)動，不僅增強人機互動趣味性的同時，還擴(kuò)寬了openart攝像頭15的視覺范圍，有利于撿球機器人系統(tǒng)獲得范圍更寬的視覺信息。

9、進(jìn)一步地，上板4下方安裝了左側(cè)卡線槽18、右側(cè)卡線槽5，在修飾撿球機器人外觀的同時卡住上板4下方的電線，起到線路保護(hù)作用。

10、上板4下方設(shè)置左右動力輪胎系統(tǒng)，所述的上板4分別與左右兩側(cè)的固定支架1連接，固定支架1與中盤27連接，使得上板4與左右動力輪胎系統(tǒng)連接；

11、進(jìn)一步地，所述的右側(cè)標(biāo)志殼30、左側(cè)標(biāo)志殼13分別與左右兩側(cè)的固定支架1連接，起到裝飾作用；

12、撿球機器人左右兩側(cè)均以中盤27為核心，構(gòu)成左右兩側(cè)動力系統(tǒng)。中盤27的一側(cè)與電機安裝座43連接，電機安裝座43同時固定電機29與軸承座44，為撿球機器人提供第一級的動力輸出；使用兩個錐齒輪45分別與電機29的電機轉(zhuǎn)軸和連接軸35連接，兩個錐齒輪45緊密嚙合，將第一級的動力輸出傳遞到與連接軸35相連接的大齒輪31上，為撿球機器人提供了第二級的動力輸出；軸承座支架33與中盤27的一側(cè)、軸承座34連接，軸承座34與軸承座44共同起到固定和保障連接軸35的轉(zhuǎn)動。外圈內(nèi)齒輪28與大齒輪31、3個小齒輪25嚙合，將第二級動力傳輸?shù)酵馊?nèi)齒輪28上，為撿球機器人提供對地面的第三級動力輸出，其中每個小齒輪25均起支撐作用，動力傳輸主體對象為外圈內(nèi)齒輪28與大齒輪31。

13、進(jìn)一步地，電機29通過電機轉(zhuǎn)軸與多個齒輪之間的嚙合傳動，達(dá)到了電機外側(cè)外置減速器的效果，電機轉(zhuǎn)軸到外圈內(nèi)齒輪28之間的減速比優(yōu)選為81：20，增大了電機對外圈內(nèi)齒輪28的扭矩輸出，使得對外圈內(nèi)齒輪28的控制更迅速；

14、進(jìn)一步地，內(nèi)側(cè)支架36的內(nèi)端與中盤27內(nèi)側(cè)固定，外側(cè)支架26的內(nèi)端與中盤27外側(cè)固定，每個內(nèi)側(cè)支架36的中部、外側(cè)支架26的中部、通過六角自鎖螺母37、塞打螺絲38固定連接，同時深溝球軸承32固定在齒輪25中心，并安裝在塞打螺絲38的光軸上，深溝球軸承32在塞打螺絲38的光軸上可以自由轉(zhuǎn)動，且由內(nèi)側(cè)支架36的內(nèi)側(cè)面、外側(cè)支架26的內(nèi)側(cè)面共同保證了深溝球軸承32的豎直以及卡位，內(nèi)側(cè)支架36與外側(cè)支架26同時保證了小齒輪25與外圈內(nèi)齒輪28的豎直以及卡位，外圈內(nèi)齒輪28與3個小齒輪25之間可以相互轉(zhuǎn)動。

15、中盤27內(nèi)側(cè)與懸掛支架40連接；懸掛支架40上安裝有六角對鎖螺絲39，六角對鎖螺絲螺母39的光滑螺桿部分上套裝了一個彈簧41，彈簧41下方、六角對鎖螺絲螺母39的光滑螺桿部分上再套裝一個可沿著光滑螺桿上下活動的吊環(huán)魚眼螺桿42，圓柱螺母套21將中央鋼管9與吊環(huán)魚眼螺桿42連接，這種設(shè)計方式使得撿球內(nèi)筒裝置與外側(cè)的外圈內(nèi)齒輪28不同軸心。

16、中筒大輪19設(shè)置于外圈內(nèi)齒輪28外周。中筒大輪19、中筒深溝球軸承20、限位環(huán)22、圓柱螺母套21、中央鋼管9由外及內(nèi)依次相連接，中筒深溝球軸承20由限位環(huán)22固定在圓柱螺母套21上，限位環(huán)22配合懸掛支架40用于保證位于二者之間的中筒大輪19豎直以及卡位，中筒大輪19套裝在中筒深溝球軸承20上，使得中筒大輪19可以圍繞中筒深溝球軸承20豎直平面上自由轉(zhuǎn)動；中筒大輪19的圓盤邊緣分布大小間隔相同的孔位，在對應(yīng)孔位靠近懸掛支架40的一側(cè)固定一枚小螺絲，雙通螺母套管23的兩端分別固定小螺絲超出中筒大輪19的螺栓部分和雙頭螺栓24的一端，同時雙頭螺栓24的另一側(cè)以同樣的方式進(jìn)行固定。通過對孔位內(nèi)相鄰雙頭螺栓24間距的均勻調(diào)節(jié)，撿球內(nèi)筒裝置能夠選擇性地拾取不同大小的球類物體，通過球類物體和雙頭螺栓24的彈性，將目標(biāo)球類物體壓入撿球內(nèi)筒裝置完成撿球操作；同時，只需將一根雙頭螺栓24兩側(cè)的雙通螺母套管23擰到脫離中筒大輪19上對應(yīng)連接的小螺絲的程度之后，即可取下雙頭螺栓24，并從這個間距擴(kuò)大了的位置進(jìn)行取球操作；

17、優(yōu)選的，所述的孔位設(shè)置60個，如拾取網(wǎng)球時兩根雙頭螺栓24之間的間距為4個孔位。由此，圓柱螺母套21、中筒深溝球軸承20、限位環(huán)22、中筒大輪19、雙頭螺栓24、雙通螺母套管23、中央鋼管9共同構(gòu)成了撿球機器人的撿球內(nèi)筒裝置。

18、一種智能化的撿球機器人的使用過程，包括以下步驟：

19、啟動撿球機器人后，可利用手機藍(lán)牙或者語音控制，向主控制器47下達(dá)相關(guān)命令。當(dāng)為運動控制指令時，則主控制器47將控制信號輸出到電機驅(qū)動板46，電機驅(qū)動板46輸出相應(yīng)的電壓到兩側(cè)的電機29上，進(jìn)行對兩側(cè)電機29的速度調(diào)控，電機29通過電機轉(zhuǎn)軸與多個齒輪之間的嚙合傳動，最終轉(zhuǎn)化為對外圈內(nèi)齒輪28的速度控制。同時主控制器47在進(jìn)行各項運動時均會接受來自電機編碼器與陀螺儀的信息，對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)控進(jìn)行反饋環(huán)節(jié)的操作，保證撿球機器人的平衡直立狀態(tài)。當(dāng)主控制器47接收到自主撿球的撿球任務(wù)時，將屏蔽來自手機藍(lán)牙端傳遞的速度調(diào)控部分，同時openart攝像頭15將給主控制器47實時傳遞目標(biāo)球類的相對坐標(biāo)信息，主控制器47處理球類坐標(biāo)信息并利用相關(guān)算法規(guī)劃路徑，最后轉(zhuǎn)化為對左右兩個電機29轉(zhuǎn)速的控制信號輸出。當(dāng)執(zhí)行自主撿球時，openart攝像頭15的視覺范圍內(nèi)沒有目標(biāo)球類時，將利用二維舵機云臺將openart15往上移動一定角度，拓大視覺范圍繼續(xù)尋找目標(biāo)球類，如果視覺范圍內(nèi)顯示沒有目標(biāo)球類，則利用電容觸摸顯示屏16的表情變化表示已將目標(biāo)球類拾取完畢。利用手機端藍(lán)牙操控或者語音操控等方式，可以切換電容觸摸顯示屏16上顯示的信息及相關(guān)動畫表情，如已撿到的球類數(shù)目、電池電量等信息。僅當(dāng)關(guān)閉自主撿球功能后，方能啟動手機藍(lán)牙對撿球機器人的具體速度控制。當(dāng)開啟了避障模式時，則主控制器47將在各個運動狀態(tài)接收到來自tof測距模塊2的距離信息，并執(zhí)行相應(yīng)的避障表現(xiàn)。在撿球機器人的動態(tài)運動過程中，撿球內(nèi)筒裝置在左右兩側(cè)動力系統(tǒng)的不同推力效果下，實現(xiàn)左右兩輪的差速合成運動。撿球內(nèi)筒裝置與目標(biāo)球類相遇時，利用雙頭螺栓24與目標(biāo)球類的自身彈力，將目標(biāo)球類迅速壓入筒內(nèi)完成撿球任務(wù)。電池49為撿球機器人提供整體動力。

20、本發(fā)明的有益效果是：

21、(1)直齒輪嚙合傳動的自平衡兩輪運動方式的新型撿球機器人。自平衡的兩輪差速運動方式，使得該撿球機器人在面對球場上一些相對狹小的空間時，可以利用原地360°轉(zhuǎn)向等的優(yōu)勢，更好地完成撿球任務(wù)，運動更加靈活。

22、(2)大大降低了撿球任務(wù)中球的數(shù)量增加對整個裝置的負(fù)載影響，并利用彈簧41轉(zhuǎn)移裝置的重力，使得撿球機器人重心上移而使整個撿球機器人更好平衡，同時增大撿球內(nèi)筒裝置對地摩擦，使得撿球內(nèi)筒裝置更好運動。在撿球機器人懸空不接觸地面時，吊環(huán)魚眼螺桿42將不與外圈內(nèi)齒輪同軸，而是向下方偏移，這使得撿球內(nèi)筒裝置的所受的整體重力基本由地面承擔(dān)，而非左右兩側(cè)的動力系統(tǒng)；當(dāng)撿球機器人接觸地面時吊環(huán)魚眼螺桿42與六角對鎖螺絲螺母39的光滑螺桿的接觸點將上移，使得彈簧41發(fā)生形變，并對上下接觸，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力的作用，起到了轉(zhuǎn)移裝置重力的效果，減輕了左右兩側(cè)動力系統(tǒng)對地的摩擦力，并增加中部撿球內(nèi)筒裝置對地摩擦力，具體描述如下：彈簧41一方面對吊環(huán)魚眼螺桿42產(chǎn)生向下的力，可以增加撿球內(nèi)筒裝置對地面的摩擦力，因為撿球內(nèi)筒裝置在撿球過程中實質(zhì)上是由左右兩側(cè)動力系統(tǒng)提供單純的向前的推力，增大對撿球內(nèi)筒裝置對地面的摩擦有利于其在撿球過程以及撿球機器人差速運動時能保持良好的轉(zhuǎn)動，而非被拖拽著保持靜止；彈簧41另一方面對懸掛支架40提供向上的力，提升了左右兩側(cè)動力系統(tǒng)以及上板4等主體裝置的重心，使得控制撿球機器人的平衡更容易。

23、(3)本裝置內(nèi)滾筒上彈性桿(即雙頭螺栓24)的間距可調(diào)，用戶可以根據(jù)撿球需要自行選擇合適間距。如兩彈性桿之間的間距為4個孔位時可以選擇性地拾取網(wǎng)球，而當(dāng)間距為3個孔位時則可拾取乒乓球，這樣的設(shè)計大幅降低了設(shè)計成本并提供了更多可供選擇的撿球效果。

24、(4)本裝置將openart攝像頭15與電容觸摸顯示屏16創(chuàng)新結(jié)合了二維舵機云臺的使用，一方面拓寬了攝像頭的視覺范圍，使得撿球機器人能夠獲得更大范圍的視覺信息。同時其外觀上的小腦袋形態(tài)，增強了人機互動的趣味性。

25、(5)本裝置具有自主撿球功能。相較于傳統(tǒng)球場上依托人力的撿球方式，本裝置利用視覺對球場上的目標(biāo)球類進(jìn)行定位并自主規(guī)劃路徑進(jìn)行撿球操作，極大程度上提升了撿球效率，同時節(jié)約了人力成本。

26、(6)本發(fā)明提供的智能化的撿球機器人，能夠精準(zhǔn)識別目標(biāo)球類，自主在球場完成撿球任務(wù)，撿球效率與可靠性大大提高。

27、(7)不同于常規(guī)單一功能的撿球機器人，本發(fā)明在外觀設(shè)計以及人機互動方面有著獨特的設(shè)計方式，大幅提高了趣味性與外觀美感。