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五自由度乒乓球机器人控制系统设计
摘要：设计了一种五自由度乒乓球机器人视觉控制系统。它由球感测、轨迹预测、运动规划和运动控制四部分组成。开发了一种基于并行结构的高速立体视觉系统，对乒乓球的运动进行检测。根据球在多个测量位置上的预测轨迹，预测出球的位置、速度、时间等击球参数。运动计算机接收预测的打击参数，并对机器人进行运动规划。运动计算机中嵌入的运动控制卡接收规划结果，并通过X轴和Y轴的伺服驱动器控制机器人的运动。微处理器被设计成通过驱动器产生脉冲来控制其余三个轴的运动。通过实验验证了所研制的机器人和控制系统的有效性。
关键词：立体视觉；球感；运动规划；乒乓球机器人；控制系统
一、介绍
机器人与人打乒乓球是一种涉及高速球感测、精确轨迹预测和快速运动控制的应用，近几十年来，它引起了机器人和机器视觉领域的许多研究者的注意。早在1983年，比林斯利就提议开发乒乓球机器人。随后，许多乒乓球机器人被开发出来[2]、[3]、[4]、[8]、[9]。例如，安德森设计了一个乒乓球机器人系统，由一个六自由度的彪马260和四个摄像头组成[4-7]，机器人在1988年实现了与人类打乒乓球。在该系统中，设计了一个专家系统，用于控制器更新球信息，但球感测速度和机器人打击球的工作范围有限。纳格迪等人[8]1993年提出了一种具有两个线性解耦关节的乒乓球机器人，用于定位拍子叶位置和两个旋转关节，用于确定拍子叶方向，在通信中使用了转发器来提高机器人的工作速度。同年，Fassler等人[9]制造了一个由三自由度手臂和三自由度手腕组成的机器人，以赢得最后一场机器人乒乓球比赛，摩托罗拉微处理器MC68020和MC68000作为其机器人控制系统的主控制器。因此，控制器的能力是有限的。
视觉和机器人技术的进步促使研究人员开发出性能更好、更强的乒乓球机器人[10-12]。例如，Acosta[10]在2003年提出了一种基于PC的低成本乒乓球机器人原型：一个摄像头被用来检测球的位置，执行机构采用伺服电机，机器人能以接近90%的成功率将球送回，但是桌子比标准的小。同样，宫崎骏等人[12-15]开发了一个四自由度的笛卡尔式乒乓球机器人，使用了一种特殊的立体视觉系统（快速MAG系统3）。他们采用局部加权回归预测击球参数，以控制球在理想的落地位置落地，采用五阶多项式作为各轴的位置轨迹，拍子可以在桌子的一半范围内移动，但撞击点被指定为固定的高度。最近，乒乓球采用了冗余和并行的机器人[16-19]。冗余度机器人的运动精度提高，但运动规划变得更加复杂，并联机器人可以比机械手更快地移动拍子叶，但其工作范围很小。
结果表明，臂型结构的乒乓球机器人的工作范围和打击速度是有限的。本文提出了一种更适合乒乓球运动的Z轴笛卡尔机器人，设计了一个平行结构的立体视觉系统来感知球的运动，采用个人电脑和交流伺服电机来保证机器人的性能。
本文的其余部分组织如下，第二节讲述了设计五自由度笛卡尔式乒乓球机器人的机构；第3节介绍了控制系统的配置；第四节详细介绍了控制系统的设计，包括并行结构的高速视觉系统、控制策略、运动规划和控制方法；第五节给出了实验和实验结果，对所设计的机器人和控制系统进行了验证；第6节进行总结。
二、机制
如图1（a）、（b）所示，所设计的机器人机构由底座、一对纵向平行导轨、横向导轨、纵向导轨、轴等组成。纵向平行导轨以Y轴安装在底座两侧，Y轴的两个滑块通过横向导轨连接，在两个导轨之间安装一个滚轮作为传动轴，纵向平行导轨上的两条皮带由两个皮带轮同时移动，固定在两条皮带上的Y轴的两个滑块同时平移，带动横向导轨沿Y轴方向移动；横向导轨作为X轴，横向导轨上的滑块通过与X轴伺服电机连接的皮带轮带动皮带运动，垂直导轨固定在X轴（即Z轴）的滑块上。同样，垂直导轨上的滑块与皮带一起移动，皮带由与Z轴伺服电机连接的皮带轮驱动。X、Y和Z轴如图1（a）所示，旋转机构安装在Z轴滑块上作为S轴，另一个旋转机构作为P轴安装在S轴的末端，S轴可左右回转，P轴可上下回转，如图1（b）所示，拍子叶安装在P轴末端。因此，拍子可以在X，Y，Z方向移动，左右旋转，上下移动，换句话说，设计的乒乓球机器人有五个自由度，拍子叶的可用工作范围覆盖了桌子的一半。
Z axis
Y axis
X axis
Y axis
Base
S axis
Paddle
P axis
a
b
图1
- 控制系统配置
设计的乒乓球机器人系统如图2所示。它由两台智能摄像机、一台视觉计算机、一台运动计算机、一个轮毂、一个机器人控制器和机器人机构组成。这两个智能相机和视觉计算机组成了一个高速立体视觉系统，摄像机安装在桌子后面和上面的天花板上，它们通过局域网（LAN）与视觉计算机通信，它们与数字信号处理器（DSP）和可编程门阵列（FPGA）集成，可与视觉计算机并行编程和运行；视觉计算机是一种通用的商用个人计算机，它通过局域网与运动计算机通信。
利用运动计算机对机器人的运动轨迹进行规划。运动计算机中嵌入的双轴运动控制卡接收规划结果，通过伺服驱动器控制X、Y轴的运动；机器人控制器中装有微处理器和电机驱动器。微处理器接收运动计算机的规划结果，通过伺服驱动器产生控制Z轴的脉冲命令，通过步进电机驱动器产生控制Z轴的其他两个轴的脉冲命令，它通过RS232串行端口与运动计算机通信。
Camera B
Ball
Camera A
Mechanism
Hub
Camera B
Ball
Camera A
Mechanism
Hub
- 控制系统设计
众所周知，当人在打乒乓球时，他会采取一系列的动作，如观察进球，估计出球的飞行轨迹，预测出球的击球位置，规划手臂的运动，以适当的击球速度和划拍子姿势将划拍子移到所需的位置。与人类一样，机器人击球的过程也分为四个步骤，如球感测和轨迹预测、运动规划和运动控制。方框图如图3所示。
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相机图像 A 相机图像 B 采集与处理 采集与处理
计算球的三维位置
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预测球的轨迹和打击参数 |
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击球后所需的球速和着案点 拍子姿态和速度计算 运动规划 轴心运动 |
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- 基于视觉的打击参数预测
图像采集和图像处理在两个智能相机中并行执行[20，21]。这两个智能摄像头提取球的图像坐标并将它们发送到视觉计算机。视觉计算机根据图像坐标和摄像机的内外参数计算球的三维位置。
视觉计算机利用测得的球三维位置用二阶多项式拟合测得的球轨迹。建立了一个拟合的球运动轨迹作为时间函数来计算初始球的位置和速度。然后通过（1）中给出的球飞行模型预测出后续的球轨迹。
其中j=1，2，3hellip;.，tc是迭代步骤的时间间隔，km是通过实验确定的系数，g是重力加速度。（xj，yj，zj）是第j步预测的球位置， v j=（vxj，vyj，vzj）是第j步预测的球速度。 在预测的弹道中，着陆点是在zj=0的情况下计算出来的，同时计算了着陆速度；利用着陆速度的回弹模型，得到了弹回后的球速度；在以着陆位置为初始球位，反弹后速度为初始速度的条件下，利用（1）中的飞行模型对弹回轨迹进行预测。当球达到篮板弹道中zj=zhit的规定高度时，以该点为打击点，以该点的位置、速度和力矩为打击参数。
- 运动规划
- 战略
为了使球顺利回击，球拍应在适当的时间以适当的姿势和击球速度移到击球位置，程序分为接近、打击和返回三个阶段：
接近：击打前，将拍子叶从原位移到原位。该拍子被加速到所需的打击速度，并调整到所需的姿势。
击打：以所需的击打速度和姿势将拍子移到击打位置。
返回：及时将拍子移回原位。
- 规划
运动计算机根据球在对半工作台上指定的落地位置和速度计算出击球后所需的球速度，然后根据击球后所需的球速，预测击球点的进球速度和球拍反弹模型，计算出球拍的打击速度和姿态。
在接近阶段，S、P和Z轴根据所需的姿势和高度迅速移动到所需的位置，他们的位置保持在引人注目的阶段；在返回阶段，它们被移到原位。因此，S、P和Z轴的运动平面图是容易的，应仔细规划X轴和Y轴上的运动。
在X-Y平面上的规划拍子轨迹如图所示，一条直线和一条弧线被规划为接近的轨迹，设计了一条平行于Y轴的直线作为打击轨迹，打击位置在打击轨迹的中间，返回轨迹由两个弧组成，轨迹是闭合的。
Figure 4. Paddle trajectory planning in X-Y plane
根据以下方程式规划不同阶段的拍子速。在接近阶段，接近速度的计算如（2）所示。
其中，vap是接近速度，vhit是撞击速度，ACC是接近阶段的加速度，由实验确定。tap是接近阶段的时间。VT是定义VAP范围的实验常数。
如（3）所示，计算出第一弧返回段的拍子速。
其中，vrtn1是返回阶段的第一个返回速度，VRTN2是第二个弧的返回速度，设置为等速。
在规划了三个阶段的运动轨迹和速度后，可以估计出从起始位置到打击位置所需的拍子叶运动时间。如果所需时间小于从当前时刻到撞击时刻的剩余时间，拍子将等待，直到剩余时间足以满足所需时间。
c.运动控制
将X轴和Y轴的运动规划参数下载到运动控制卡上，将位置和速度转换为控制变量，运动控制卡采用速度和位置闭环控制，PID控制器用于控制X和Y伺服驱动器，对于Z、S和P等轴，电机驱动器通过微处理器产生的脉冲命令进行控制。
- 实验及结果
利用所设计的乒乓球机器人进行了实验研究。
利用第四节提出的方法，对X轴和Y轴的运动规划进行了测试。打乒乓球的实验结果如图所示。预计撞击力矩为459ms，期望撞击速度vhit为1500 mm/s，X轴速度为零，Y轴速度达到撞击时刻的撞击速度。接近阶段从开始到现在是400毫秒，撞击阶段从400毫秒到500毫秒，返回阶段从500毫秒开始到1620毫秒结束，从而成功地实现了所需的拍子运动。
记录了拍子的运动轨迹和击打位置。如图所示，红色标记是睾丸的显著位置。实体雕刻是X-Y平面上的拍子轨迹。撞击位置在拍子轨迹上，验证了运动规划和运动控制的有效性。 对设计的乒乓球机器人和人进行了一系列实验。实验结果表明，所设计的机器人具有良好的控制效果。它可以连续与一个人玩12个触摸在一个集会。结果表明，所设计的控制系统是有效的。
六、结论
设计了一种五自由度乒乓球机器人视觉控制系统。研制了一种由两台智能摄像机和一台视觉计算机组成的高速立体视觉系统。视觉计算机计算出球的三维位置，并预测出球的后续轨迹和打击参数。利用运动计算机对拍子叶在接近、打击和返回阶段的运动轨迹和速度进行规划，实验结果验证了所设计的控制系统的有效性。
感谢
作者要感谢中国国家自然科学基金会61075035号资助下的这项工作。
参考文献
[1] J. Billingsley. Robot ping pong. Practical Computing, May 1983.
[2] J. Hartley. “Toshiba progress towards sensory control in real time;” The Industrial robot, no.1, vol. 14, pp. 50-52, 1987.
[3] H. Hashimoto, F. Ozaki, K. Asano, et al., “Development of a ping pong robot system us
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资料编号：[2944]
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