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作品展示

原创作品:112908

系统分类: 机器人创想秀 - 梦想家

作品版权:112908 版权所有,禁止匿名转载;禁止个人使用。

112908

2016-6-15 19:34:43

决赛得分

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初赛得分

总分(63.62)点赞数(12)评委打分(62.13)

评委[创想秀_评委5]:足球回收机器人, 有实际的应用价值, 研究也比较深入。

作品亮点:

足球回收机器人利用了现代机器人技术在开阔平坦的球场上拾取掉落足球。该机器人以两条履带并列式前进来满足机器人的各种行动方式,履带式的行进方式可以让机器人更加平稳,也可以使机器人能进行急转弯等复杂动作。机器人机身上设置两个伸缩臂,在物体较远时进行伸缩运动来增加拾取距离,伸缩臂预装四指手爪以实现抓取足球,并放进机身内的空余部分,这样就可以收集散落的足球。机器人以能量密度高、寿命长、高温适应能力强的可充电锂电池为电源,在其机器身体表面布满太阳能电池板,有阳光时可以自行发电。在机器人顶部预装光学图像识别系统,该系统由一组特殊配置的透镜和计算机组成,透镜系统完成对三维光学图像的变换运算及相关运算,再由计算机完成控制、分析和判断任务,以实现机器人的正确识别足球。

作品说明:

一、引言
1.1作品背景及创意来源
我们经常看到足球运动员在练习踢球时把球踢到球场外却无人第一时间捡球,导致跑道上到处是足球的场景,这些散落的足球在球场肆意地滚动着,这对运动员的训练是一个很大的影响。这个时候如果有一台机器人能够自动识别并收集掉落的足球,就能节约很多时间、人力、物力和财力。基于这个想法,我认为有必要设计一个可以在开阔平坦地带的足球回收机器人。虽然进来对于足球机器人国内外有许多人在研究,但对于足球回收这一邻域并未有人员涉及。同时,如果这一项目能够开发,那么对于足球运动员的训练应该会有很大的帮助。

图1

图1
1  流落球场的足球
1.2研究现状及优缺点
目前在国内外虽然有人员在研究回收邻域的机器人,但都尚未涉及足球这一全球最大的体育项目,对于这一邻域来说,早就有教练和运动员在诟病捡球的问题,所以足球回收机器人有着很大的应用前景,但同时这种机器人也有一些缺陷,因其采用履带式行进方式,且此机器人体型不宜过大,在以锂电池供电后前进速度不会太快,在行进途中可能会浪费较多的时间。锂电池报废后的回收也是一大问题,对环境的影响不容忽视。

图2

图2

图3

图3
      2  履带式前进方式的交通工具                 3  锂电池
二、核心创意
在平坦开阔地带能进行足球回收的机器人有助于足球训练员进行足球训练时的足球回收,节约大量资源,并且不会让球打扰球员训练。其核心为通过顶部的摄像头进行图片拍摄,接由计算机处理后识别可拾取的足球,通过线路指
挥拾取系统进行足球的拾取,并存于自身的储存器中,待积累一定数量后倒入球框中。其具体识别操作过程如图4所示。机器人整体形状侧视图如图5所示。

图4

图4
4  机器人工作原理

图5

图5
5  机器人整体形态侧视图
三、可行性分析
3.1   机械系统
3.11  履带式行进结构
由于此机器人主要在平坦开阔地带工作,可以不用再复杂地形上工作,因此只需采用单节履带式移动机器人履带行走装置,单节的履带式装置虽然爬坡功能不是很好,但其结构相比于复杂的履带式移动行走装置而言要简单得多,同时驱动控制方便,机器的总体也比较小。如图6所示为单节履带式行走装置的结构示意图。                                                   

图6

图6
6  单节履带式移动机器人结构示意图
而在行进过程中,机器人的转向是不可避免的,因此,有必要研究一下机器人的转向问题。履带行走装置转向简化模型如图7所示。

图7

图7
7  机器人转向简化装置
图中,履带受到的地面横向作用力记为q,履带装置的转向半径为R为了计算的方便,我们简化履带行走装置的转向过程,主要考虑是忽略转向过程中履带的滑转和滑移。O1,O2为内外侧履带的中心,在这情况下,内外侧履带的转向力矩为:
      QQ图片20160615193036.png                            (1)
其中,计算 QQ图片20160615193056.png 转向系数的经验公式:
         QQ图片20160615193104.png                                     (2)
此式中,B为履带中心距;R= QQ图片20160615193119.png QQ图片20160615193129.png 为履带行走装置原地转向时的最大转向阻力系数;v1和v2分别为转向时内外侧履带的速度。
分别对O2,O1取矩,并整理得:
             QQ图片20160615193157.png                                  
           
    因此,利用简化模型,知道f、,可以确定转向时的牵引力、制动力和转向阻力矩。
3.1.2 伸缩臂收集系统
    伸缩臂由两段机械臂和一个四指手爪组成,其俯视图如图8所示。横向机械臂最长可伸长至r1,纵向的伸缩臂最长可伸长至r2,且机械臂可以以横向机械臂所在平面为轴顺逆旋转700,同时可以让纵向机械臂左右旋转,这样就能充分利用机械臂的可伸缩性,此时机器人可拾取的最远足球离机身大约可达 QQ图片20160615193219.png ,足以达到一般情况下的拾取要求。四指手爪由手爪电机、丝杆、手爪连杆和手指四部分组成,这种零件单个分离的设计使更换破损零件这项原本繁杂的事变得更加便利。同时,多达四根的手指可以更容易地抓取足球且不易掉落,这种情况下拾取足球的效率和质量就会大大提升。待收集到一定的数量后就能到指定的放置地点把机身内的足球统一取出,然后就又能继续去拾取散落的足球。

图8

图8
8  伸缩臂俯视图
3.2   控制系统
3.2.1  光学识别系统
基于此机器人自身的体型问题,其顶部的系统整体装置不宜过大,为了实现整体装置的小型化,设计思路是在保证系统总体性能优良的前提下尽量简化光学系统的结构,而减小光学系统的筒长可以很好地做到这一点。和传统的折射透镜相比较,二元衍射元件在材料选择方面具有很大的灵活度,可以实现简洁化、集成化、轻量化和低成本化,同时,可以通过改变其环带的槽深和位置槽宽缩短光学筒长,使其具有较大的设计自由度。因此,该机器人以合理的结构形式为基础,在传统的折射式光学元件之上,引入二元衍射面,设计出一种折衍混合光学识别系统,经由光学元件实时获得照片,由中央计算机处理识别确定为足球后,信号通过线路发送至伸缩臂,这样就可以实时拾取足球了。
3.2.2处理器与传感器
本机器人的控制系统是一种多处理器分级控制系统,分主控制系统和从控制系统两级控制。采用这种分级控制架构,信息的交流可以通过串口实现,主从系统分工合理,这样可以充分缓解主控制模块由于多中断源频繁中断而受到的压力,机器人的运行稳定性和反应能力可以得到明显地增强。
主控制系统包括全局环境传感模块、主控模块、局部环境传感模块、电源模块、显示模块、传感器扩展模块。从控制系统包括电源模块、测速模块、从控模块、驱动模块等。系统整体框图如图9所示。主控制系统可以执行以下四个基本功能:1)传输控制指令给从控制系统;2)把传感器节点在无线传感器网络环境下传输给主控制系统的光码盘信息和全局环境传感信息进行处理;3)基于传感器d的信息对机器人周围的环境和自身位置进行分析,给机器人一个人运动轨迹;4)实时显示机器人状态信息及局部环境传感信息等。而从控制系统则有两个功能:1)按照来自主控制系统传输的动作指令,并结合机器人自身运动的各种数据和编码盘信息,采用闭环的控制方式给出相应的驱动和行进方案;2)采集机器人两边的光电编码器的信息。
在传感器方面,机器人实现消息的感知与传递主要依靠无线传感器网络。无线传感器网络是指通过无线方式并由大量成本低廉的传感器节点组成的网络,可以通过传感器与施动器实现和机器人周围环境的实时交互是其余传统网络的不同之处。传感器网络采用分布式处理,这种方式具有高容错性、可远程监控、监测高精度、覆盖区域大等众多优点,这些特点非常适合足球回收机器人自身的性质,利于其在大型球场上、在人多球杂的环境中准确找到足球,万一发生故障时也可以进行远程遥控以防造成更大的事故。

图9

图9
9  控制系统整体框图
3.2.3  能源驱动系统
本机器人主要采用锂电池为驱动的能源,同时辅以太阳能发电板来协助晴天时的机器人运作。锂电池体积小、自放电率低、放点电压稳定、无记忆效应、重量轻、工作温度范围宽、无公害、储存寿命长等优点,目前已逐渐替各种旧式污染较大的蓄电池,成为动力电池的主流,总之,锂电池非常适合足球机器人这种小型化机械,是其不二之选。机器人兼采用锂电池管理系统,用于直接检测及管理储能电池工作的全过程。充分实现机器人的全自动化运作,即使出现故障也可以由机器人自身第一时间诊断,减少不必要的损失。
对于第二能源系统,主要看重的是其使用寿命,一般的太阳能电池板寿命可达20年以上,同时转化效率也有一定的保证,可以减少一些锂电池的运作,节约一定的能源。

图10

图10
10  太阳能电池板
四、应用前景
机器人运用于一般人的生活中是机器人领域的最终目标,通过机器人的存在,人类节约了大量的时间和资源,然后将这些节约下来的资源用于其他领域的研究,这是机器人事业的宗旨,而足球回收机器人可以很好地贯彻为人类服务的信念。
足球作为全球最大、最热门的体育项目有着广大的消费群体,随之产生的足球训练一系列市场都有着巨大的潜力。足球回收机器人可以很好地解决训练球场上满是散落足球的问题,为球员们的训练提供了良好的环境,因此,足球回收机器人会有美好的应用前景。当然,其具体实用性还有待于实践的检验,机器人整体的协作互动能力需要进一步加强,制作成本需要降低以满足大规模批量化地生产。这些不足之处都值得进一步地研究强化。
结论
本文主要对在开阔平坦的球场进行足球回收的机器人做了一些设计研究。通过一般情况下训练球场的足球散落乱像想到设计一个实用性较大的足球回收机器人。从机械系统、控制系统、能源系统,三大方面进行分析设计。在机械系统方面采用伸缩臂及四指手爪结构,增大机器人的拾取距离,提高足球拾取的效率与质量,单节的履带式行走装置结构简单易制作且符合机器人的行走要求;在控制系统方面,装配小型化的光学识别系统,提高了识别效率,减小了机器人的体型,同时多级的处理传感器可以降低机器人的错误率,提高容错率,增加其可行性;在能源系统方面,锂电池和太阳能双能源系统保证能源充足,使用寿命又长。通过上述分析,足球回收机器人完全可以胜任在杂乱球场上的足球拾取工作。
通过足球回收机器人的研究,我对单节履带式行走装置、小型化光学识别、多级处理与传感器、锂电池管理系统等方面的知识有了一个系统的学习。熟练运用可运用的资源,在网上寻找自己所需的资料,为以后的科研工作奠定了良好的基础。
对于足球回收机器人的研究仍然存在若干细节问题,有待于进一步研究。

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