基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统

摘要

本发明的目的是提供一种基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，该系统由基于双目视觉的双模智能捡球机器人和嵌入式手柄组成，该机器人可在自主识别模式和远程控制模式下工作；该机器人应用双目视觉技术扩大了有效识别范围、提高了识别效率；该机器人环境感知系统中的传感器布局合理，识别效率高；该机器人控制系统电路结构精简、运算准确。本系统的优点是：识别范围广、捡球效率高。

权利要求

1.基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：包括基于双目视觉的双模智能捡球机器人和嵌入式手柄，所述基于双目视觉的双模智能捡球机器人包括带有四轮驱动的方形底座，底座的底部有能够容纳捡球部的空腔，邻靠于捡球部并设置于捡球部靠近机器人尾部的一侧设有收纳盒，方形底座内还设有能够控制其行进路线并捡取球体的控制部，控制部与电源连接，方形底座靠近捡球部的一端顶部两侧设有两个互呈夹角为30°的摄像头，方形底座的每个角落下部至少设有一个传感器，所述每个轮子的一侧有能够控制其前进和后退的驱动舵机，驱动舵机设置于方形底座的底部，控制部包括远程遥控模块和自主识别模块，自主识别模块和远程遥控模块均分别与四轮的驱动舵机、四个传感器和两个摄像头连接，远程遥控模块和嵌入式手柄均内嵌有相匹配的无线模块。

2.根据权利要求1所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：所述捡球部包括两侧的圆盘和用于连接两个圆盘且与两个圆盘垂直并均匀的分布于两个圆盘之间的至少四片捡球垫片。

3.根据权利要求1所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：所述沿方形底座的前进方向，方形底座靠近后方的有两个能够容纳两个传感器的槽口，两个传感器嵌入方形底座的槽口内，传感器的头部不超过方形底座的最外围。

4.根据权利要求1所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：所述远程遥控模块和自主识别模块均采用ARM Cortex-A9处理器。

5.根据权利要求1所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：所述嵌入式手柄包括显示屏、无线模块、摇杆、电源和芯片。

6.根据权利要求2所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：所述捡球部的一侧设有捡球舵机，捡球舵机和远程遥控模块连接。

7.根据权利要求2所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：所述捡球部的圆盘外围还设有一圈橡胶层。

8.根据权利要求6所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：沿方形底座高度方向，所述圆盘靠近地面的一端不超过轮子靠近地面的一端。

9.根据权利要求7所述的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，其特征在于：沿方形底座高度方向，所述轮子靠近底面的一端不超过圆盘靠近地面的一端。

说明书

基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种机器人，特别是一种用于网球、乒乓球等场馆的基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统。

背景技术

[0002] 乒乓球、网球场馆的捡球工作是一项繁重的体力劳动，人工捡球费时费力，且效率不高。近年来，人们不断尝试用智能机器人代替人工来从事此项工作。

[0003] 目前，已授权的专利一种双模智能捡球机器人控制系统(专利号：ZL201320227287.2)提出的自动捡球模式和遥控捡球模式相互结合的工作方式在一定程度上解决了智能捡取乒乓球、网球的问题，但是，该机器人所采用的自动捡球模式是无目的、盲目搜索式的捡球，捡球效率低，另外，该机器人在遥控捡球模式工作时，操控人员必须采用目视观察球场，而且遥控手柄采用红外技术传输控制指令，均导致操控人员必须在近距离对机器人进行控制，无法远距离操控，操控局限性较大；已经授权的专利基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球系统(专利号：ZL201310294170.0)具备视觉识别球体和捡取球体的能力，但是该系统只有正前方的一个摄像头采集图像，摄像头视野有限，无法做到大范围搜索和识别球体。因此，研发一种基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统来扩大搜索范围、提高捡球效率是十分必要的。

发明内容

[0004] 发明目的：本发明的目的是提供一种基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，该系统由基于双目视觉的双模智能捡球机器人、嵌入式手柄组成。

[0005] 技术方案：本发明采用如下技术方案：基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，包括基于双目视觉的双模智能捡球机器人和嵌入式手柄，所述基于双目视觉的双模智能捡球机器人包括带有四轮驱动的方形底座，底座的底部有能够容纳捡球部的空腔，邻靠于捡球部并设置于捡球部靠近机器人尾部的一侧设有收纳盒，方形底座内还设有能够控制其行进路线并捡取球体的控制部，控制部连接电源，方形底座靠近捡球部的一端顶部两侧设有两个互呈夹角为30°的摄像头，方形底座的每个角落下部至少设有一个传感器，所述每个轮子的一侧有能够控制其前进和后退的驱动舵机，驱动舵机设置于方形底座的底部，控制部包括远程遥控模块和自主识别模块，自主识别模块和远程遥控模块均分别与四轮的驱动舵机、四个传感器和两个摄像头连接，远程遥控模块和嵌入式手柄均内嵌有相匹配的无线模块。

[0006] 所述传感器为红外线传感器。

[0007] 包括自主识别模块和远程遥控模块，则既可以让机器人进行自主识别捡球，也可以采用远程遥控进行捡球操作。

[0008] 与上一代的单个摄像头相比，由于此次模拟了人眼的布局，使得固定摄像头完全能够达到所需的效果，故采用两个摄像头固定，即可完成本方案的实施。

[0009] 同时，与上一代相比，取消的中间位置的传感器，由于中间位置两侧的传感器分布，无法给机器人带来预想的效果，待发现障碍物时，虽然中间能够绕开，但是后部由于惯性，仍会与障碍物产生摩擦。

[0010] 作为优化，所述捡球部包括两侧的圆盘和用于连接两个圆盘且与两个圆盘垂直并均匀的分布于两个圆盘之间的至少四片捡球垫片。

[0011] 根据所需捡的球体的大小可以选择多个捡球垫片，提高捡球效果，如果所需捡取的球体直径偏大，则采用四片捡球垫片，所需捡取的球体偏小，且分布密度大，则采用五个以上的捡球垫片可以大大提高捡球效率。

[0012] 作为优化，所述沿方形底座的前进方向，方形底座靠近后方的有两个能够容纳两个传感器的槽口，两个传感器嵌入方形底座的槽口内，传感器的头部不超过方形底座的最外围。

[0013] 方形底座的前方由于有传感器和摄像头的存在，故能够精确的避障，但是后部的视野范围小，行进过程中无法及时避让产生摩擦，会损坏传感器，故传感器设置于方形底座内。

[0014] 作为优化，所述远程遥控模块和自主识别模块均采用ARM Cortex-A9处理器。

[0015] 一个芯片即可实现两种功能，取材容易，实验简单。

[0016] 作为优化，所述嵌入式手柄包括显示屏、无线模块、摇杆、电源和芯片。

[0017] 作为优化，所述捡球部的一侧设有捡球舵机，捡球舵机和远程遥控模块连接。

[0018] 作为优化，所述捡球部的圆盘外围还设有一圈橡胶层。

[0019] 无需提供额外的能源。

[0020] 作为优化，沿方形底座高度方向，所述圆盘靠近地面的一端不超过轮子靠近地面的一端。

[0021] 圆盘靠近地面的一端不超过轮子靠近底面的一端，防止圆盘与底面接触，影响四个轮子的行进方向。

[0022] 作为优化，沿方形底座高度方向，所述轮子靠近底面的一端不超过圆盘靠近地面的一端。

[0023] 使得圆盘与地面接触，在橡胶层和地面摩擦的带动下，圆盘转动，进行捡球操作，无需其他能源的提供。

[0024] 作为优化，所述方形底座收纳盒的底部还有朝向捡球部并向斜下方延伸的挡板，挡板宽度与捡球部宽度相同，挡板靠近捡球部的一端与捡球部的捡球垫片的最短距离不超过所需捡的球的最大直径。

[0025] 工作原理：

[0026] 自主识别模式：摄像头对面前景物进行拍摄，将得到的数据传递给控制部的自主识别模块进行判定，控制部判定完毕，通过四轮驱动向目标物行进，在过程中圆盘在捡球舵机的带动下持续转动，直到捡取到球体。

[0027] 远程遥控模式：摄像头对面前景物进行拍摄，将得到的数据传递给控制部的远程遥控模块，远程遥控模块通过相匹配的无线模块将数据传递给嵌入式手柄的显示屏，通过观测显示屏，推动摇杆，控制四轮驱动进行捡球操作。

[0028] 有益效果：本发明与现有技术相比：

[0029] 基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统采用双目视觉技术扩大了机器人观察球场的视野，提高了机器人的捡球效率；采用可视化的远程操控方式，可以使操控人员在非视距的情况下控制机器人捡取球体，大大丰富了机器人的应用场景。

附图说明

[0030] 图1是系统结构图；

[0031] 图2是机器人圆盘采用橡胶圈的结构示意图；

[0032] 图3是机器人圆盘采用捡球舵机的结构示意图；

[0033] 图4是机器人底层截面图；

[0034] 图5是机器人前视图；

[0035] 图6是嵌入式手柄电路结构图。

具体实施方式

[0036] 如图1至图6所示，基于双目视觉的双模智能捡球机器人系统，包括基于双目视觉的双模智能捡球机器人1和嵌入式手柄2，所述基于双目视觉的双模智能捡球机器人1包括带有四轮(1-9、1-10、1-11、1-12)驱动的方形底座，底座的底部有能够容纳捡球部1-4的空腔，邻靠于捡球部1-4并设置于捡球部1-4靠近机器人1尾部的一侧设有收纳盒1-16，方形底座内还设有能够控制其行进路线并捡取球体的控制部，方形底座靠近捡球部1-4的一端顶部两侧设有两个互呈夹角为30°的摄像头(1-1、1-2)，方形底座的每个角落下部至少设有一个传感器(1-5、1-6、1-7、1-8)，所述每个轮子(1-9、1-10、1-11、1-12)的一侧有能够控制其前进和后退的驱动舵机(1-17、1-18、1-19、1-20)，驱动舵机(1-17、1-18、1-19、1-20)设置于方形底座的底部，控制部包括远程遥控模块和自主识别模块，自主识别模块和远程遥控模块均分别与四轮的驱动舵机(1-17、1-18、1-19、1-20)、四个传感器(1-5、1-6、1-7、1-8)和两个摄像头(1-1、1-2)连接，远程遥控模块和嵌入式手柄2均内嵌有相匹配的无线模块。

[0037] 所述传感器为红外线传感器。

[0038] 包括自主识别模块和远程遥控模块，则既可以让机器人进行自主识别捡球，也可以采用远程遥控进行捡球操作。

[0039] 与上一代的单个摄像头相比，由于此次模拟了人眼的布局，使得固定摄像头完全能够达到所需的效果，故采用两个摄像头固定，即可完成本方案的实施。

[0040] 同时，与上一代相比，取消的中间位置的传感器，由于中间位置两侧的传感器分布，无法给机器人带来预想的效果，待发现障碍物时，虽然中间能够绕开，但是后部由于惯性，仍会与障碍物产生摩擦。

[0041] 所述捡球部包括两侧的圆盘和用于连接两个圆盘1-31且与两个圆盘1-31垂直并均匀的分布于两个圆盘1-31之间的至少四片捡球垫片1-32。

[0042] 根据所需捡的球体的大小可以选择多个捡球垫片，提高捡球效果，如果所需捡取的球体直径偏大，则采用四片捡球垫片，所需捡取的球体偏小，且分布密度大，则采用五个以上的捡球垫片可以大大提高捡球效率。

[0043] 所述沿方形底座的前进方向，方形底座靠近后方的有两个能够容纳两个传感器(1-7、1-8)的槽口，两个传感器嵌入方形底座的槽口内，传感器的头部不超过方形底座的最外围。

[0044] 方形底座的前方由于有传感器和摄像头的存在，故能够精确的避障，但是后部的视野范围小，行进过程中无法及时避让产生摩擦，会损坏传感器，故传感器设置于方形底座内。

[0045] 所述远程遥控模块和自主识别模块均采用ARM Cortex-A9处理器。

[0046] 一个芯片即可实现两种功能，取材容易，实验简单。

[0047] 所述嵌入式手柄包括显示屏2-3、无线模块2-2、摇杆2-4、电源2-5和芯片2-1。

[0048] 所述捡球部1-4的一侧设有捡球舵机(1-17,1-18,1-19和1-20)，捡球舵机(1-17,1-18,1-19和1-20)和远程遥控模块连接。

[0049] 所述捡球部1-4的圆盘1-31外围还设有一圈橡胶层1-33。

[0050] 无需提供额外的能源。

[0051] 沿方形底座高度方向，所述圆盘1-31靠近地面的一端不超过轮子靠近地面的一端。

[0052] 圆盘靠近地面的一端不超过轮子靠近底面的一端，防止圆盘与底面接触，影响四个轮子的行进方向。

[0053] 沿方形底座高度方向，所述轮子靠近底面的一端不超过圆盘1-31靠近地面的一端。

[0054] 使得圆盘与地面接触，在橡胶层和地面摩擦的带动下，圆盘转动，进行捡球操作，无需其他能源的提供。

[0055] 所述方形底座收纳盒1-16的底部还有朝向捡球部1-4并向斜下方延伸的挡板1-13，挡板1-13宽度与捡球部1-4宽度相同，挡板1-13靠近捡球部1-4的一端与捡球部1-4的捡球垫片的最短距离不超过所需捡的球的最大直径。

[0056] 工作原理：

[0057] 自主识别模式：摄像头(1-1、1-2)对面前景物进行拍摄，将得到的数据传递给控制部的自主识别模块进行判定，控制部判定完毕，通过四轮(1-9、1-10、1-11、1-12)驱动向目标物行进，在过程中圆盘在驱动舵机1-21的带动下持续转动，直到捡取到球体。

[0058] 远程遥控模式：摄像头(1-1、1-2)对面前景物进行拍摄，将得到的数据传递给控制部的远程遥控模块，远程遥控模块通过相匹配的无线模块2-2将数据传递给嵌入式手柄的显示屏2-3，通过观测显示屏2-3，推动摇杆2-4，控制四轮(1-9、1-10、1-11、1-12)驱动进行捡球操作。

[0059] 以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解成为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。