CN113491866A - 乒乓球机器人控制方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种乒乓球机器人控制方法，其包括预设组合球列表、组合运行模式和发球总次数；组合球列表包括预设单球参数，预设单球参数包括单球重复次数和发球间隔时间；乒乓球机器人循环如下工作模式，直至统计实际发球数等于发球总次数时，乒乓球机器人结束发球；工作模式为：乒乓球机器人依据组合运行模式，从组合球列表选取待发单球，并按照该待发单球的单球重复次数重复发球，完成该待发单球发球。本发明所述的乒乓球机器人控制方法，具有能够精细化控制发球模式和发球时间间隔的优点。

Description

乒乓球机器人控制方法及其应用

技术领域

本发明涉及乒乓球机器人领域，且特别涉及一种乒乓球机器人控制方法及其应用。

背景技术

乒乓球发球机器人广泛地应用在训练、教学和健身等领域。现阶段市场大多数通过橡胶轮挤出方式的乒乓球发球机器人大同小异，如图3所示，开始运行之后只能以一个固定的频率发球，不具有灵活性，同时系统实施开环控制，导致落点精度较差。

因此，如何提供一种能够实现精细化控制发球模式和发球间隔时间的乒乓球机器人是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决至少部分上述技术问题，本发明提供一种乒乓球机器人控制方法，其中该控制方法包括：预设组合球列表、组合运行模式和发球总次数；所述组合球列表包括预设单球参数，所述预设单球参数包括单球重复次数和发球间隔时间；乒乓球机器人循环如下工作模式，直至统计实际发球数等于所述发球总次数时，乒乓球机器人结束发球；所述工作模式为：乒乓球机器人依据所述组合运行模式，从所述组合球列表选取待发单球，并按照该待发单球的所述单球重复次数重复发球，完成该待发单球发球。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，所述组合运行模式包括按照所述组合球列表顺序的顺序发球模式、倒置所述组合球列表顺序的倒序发球模式和随机发球模式；所述随机发球模式为随机从所述组合球列表中选取待发单球。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，所述预设单球参数还包括：线速度、旋转速度、旋转方向和落点位置。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括根据所述线速度和所述旋转速度确定上轮电机的第一速度和下轮电机的第二速度。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，确定所述第一速度和所述第二速度的公式为：

v_up为所述第一速度，v_down为所述第二速度，v_b为所述线速度，w_b为所述旋转速度，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂和b₃是拟合模型的系数，通过标定获取。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，根据所述旋转方向确定乒乓球机器人侧旋电机的第一角度；根据所述落点和所述频率确定乒乓球机器人的俯仰电机的第二角度和左右电机角度的第三角度。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括：利用PID控制所述上轮电机达到所述第一速度；利用所述PID控制所述下轮电机达到所述第二速度；利用脉冲控制所述侧旋电机的转动角度达到所述第一角度；利用所述脉冲控制所述俯仰电机的转动角度达到所述第二角度；利用所述脉冲控制所述左右电机的转动角度达到所述第三角度。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括利用PWM控制所述乒乓球机器人的送球电机启动或关闭，控制发球的时间间隔。

在某些实施方式中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括：利用编码器检测所述上轮电机的速度和所述下轮电机的速度；当所述编码器检测所述上轮电机速度稳定保持所述第一速度和所述下轮电机速度稳定保持所述第二速度，所述第一角度、所述第二角度和所述第三角度均满足，且所述时间间隔达到预设的所述发球间隔时间，所述送球电机启动并发球；当所述编码器检测所述上轮电机的速度降低，所述编码器检测所述下轮电机的速度降低，则乒乓球机器人完成本次发球。

本发明另一方面还提供一种应用上述控制方法的乒乓球机器人。

本发明实施例所述的乒乓球机器人控制方法至少具有如下之一的有益效果：

1.本发明所述的乒乓球机器人控制方法，不同于传统开环控制送球电机，本发明利用编码器检测上轮电机的第一速度和下轮电机的第二速度，只有当第一速度和第二速度恒定且满足预设的线速度和预设的旋转速时，启动PWM控制送球电机运转，开始往挤球位置输送乒乓球，实现相对精确的落点控制，本方法采用闭环的控制方式实现对发球的精细化控制。

2.本发明所述的乒乓球机器人控制方法，通过设置增加单球频率和单球次数，使发球组合球具有更高的灵活性。

3.本发明所述的乒乓球机器人控制方法，利用上轮电机和下轮电机判断乒乓球是否完成发球，利用送球电机的启动和关闭控制发球间隔时间，精准控制发球间隔时间。

附图说明

图1是本发明其中一个实施方式中所述的乒乓球机器人控制方法的第一流程示意图。

图2是本发明其中一个实施方式中所述的乒乓球机器人控制方法的第二流程示意图。

图3是现有技术中乒乓球机器人的结构示意图。

附图标记：

1代表上轮电机，2代表下轮电机，3代表侧旋电机，4代表俯仰电机，5代表左右电机，6代表送球电机。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为具体公开了该范围的上限和下限以及它们之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“和/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，本发明提供一种乒乓球机器人控制方法，其中该控制方法包括：预设组合球列表、组合运行模式和发球总次数；所述组合球列表包括预设单球参数，所述预设单球参数包括单球重复次数和发球间隔时间；乒乓球机器人循环如下工作模式，直至统计实际发球数等于所述发球总次数时，乒乓球机器人结束发球；所述工作模式为：乒乓球机器人依据所述组合运行模式，从所述组合球列表选取待发单球，并按照该待发单球的所述单球重复次数重复发球，完成该待发单球发球。

上述方案中，按照预设单球参数进行发球的发球模块是具体驱动机器人发球的控制单元，以实现单次发球功能。完成单次发球之后更新当前单球重复次数和发球总次数，进入下一次发球的循环。

本发明专利公开了一种乒乓球发球机器人的控制方法，本发明专利的控制对象是组合球发球，即用户可以将多种类型的单球组合在一起形成组合球列表，实现上旋球、下旋球、侧旋球等各类型球自主切换发球，它具体需要配置各预设单球参数，组合运行模式和发球总次数。

所述组合运行模式包括按照所述组合球列表顺序的顺序发球模式、倒置所述组合球列表顺序的倒序发球模式和随机发球模式；所述随机发球模式为随机从所述组合球列表中选取待发单球。描述的是各单球之间的切换方式。

上述方案中，所述的乒乓球机器人控制方法中，所述预设单球参数还包括：线速度、旋转速度、旋转方向和落点位置。

上述方案中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括根据所述线速度和所述旋转速度确定上轮电机1的第一速度和下轮电机2的第二速度。

根据配置的单球参数乒乓球的线速度和旋转速度，利用橡胶轮挤球的约束模型，获取机器人期望的上轮电机1的第一速度和下轮电机2的第二速度。

上述方案中，所述的乒乓球机器人控制方法中，确定所述第一速度和所述第二速度的公式为：

v_up为所述第一速度，v_down为所述第二速度，v_b为所述线速度，w_b为所述旋转速度，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂和b₃是拟合模型的系数，通过标定获取。a₁，a₂，a₃，b₁，b₂和b₃的确定过程为，确定上轮电机1和下轮电机2之间的轮间距后，测定上轮电机1的速度、下轮电机2的速度，线速度和球旋转速度后，确定a₁，a₂，a₃，b₁，b₂和b₃的数值。

上述方案中，所述的乒乓球机器人控制方法中，根据所述旋转方向确定乒乓球机器人侧旋电机3的第一角度；根据所述落点和所述频率确定乒乓球机器人的俯仰电机4的第二角度和左右电机5角度的第三角度。

根据配置的旋转方向，利用驱动约束关系获取期望的侧旋电机3角度，公式如下：

q_motor＝n_ratioq_j (2)

其中，q_motor表示侧旋电机3角度值，n_ratio表示驱动减速比，q_j表示旋转方向。

根据配置的乒乓球落点位置和个数，利用乒乓球飞行动力学约束和乒乓球与球桌的碰撞约束获得期望俯仰电机4和左右电机5角度。

乒乓球飞行动力学约束公式：

其中V(t)代表线速度矢量，||V(t)||代表相对速度大小，k_c为阻力系数，k_b为马格努斯力系数，w_x，w_y，w_z分别代表旋转速度在三维坐标系下的三个分量，且旋转速度在乒乓球飞行过程中认为是保持不变，g为重力加速度是一个负数常量。

乒乓球与球桌的碰撞约束公式：

其中a是乒乓球与球桌的摩擦系数，e_n是碰撞恢复系数，r是乒乓球的半径。

上述方案中，所述送球电机6负责将储球框内的乒乓球输送到上轮电机1和下轮电机2位置；左右电机5调节发球的左右方向；俯仰电机4调节发球的俯仰方向；侧旋电机3调节发球旋转速度的方向；上轮电机1和下轮电机2将乒乓球挤压出去，调节上轮电机1和下轮电机2的速度差可以控制乒乓球的旋转。

上述方案中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括：利用PID控制所述上轮电机1达到所述第一速度；利用所述PID控制所述下轮电机2达到所述第二速度；利用脉冲控制所述侧旋电机3的转动角度达到所述第一角度；利用所述脉冲控制所述俯仰电机4的转动角度达到所述第二角度；利用所述脉冲控制所述左右电机5的转动角度达到所述第三角度。

上述方案中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括利用PWM控制所述乒乓球机器人的送球电机6启动或关闭，控制发球的时间间隔。

上述方案中，所述的乒乓球机器人控制方法中，该控制方法还包括：利用编码器检测所述上轮电机1的速度和所述下轮电机2的速度；

当所述编码器检测所述上轮电机1速度稳定保持所述第一速度和所述下轮电机速度稳定保持所述第二速度，所述第一角度、所述第二角度和所述第三角度均满足，且所述时间间隔达到预设的所述发球间隔时间，所述送球电机6启动并发球；

当所述编码器检测所述上轮电机1的速度降低，所述编码器检测所述下轮电机2的速度降低，则乒乓球机器人完成本次发球。

进一步当上轮电机1的速度和下轮电机2的速度达到期望速度的第一速度和第二速度且稳定，侧旋电机3、俯仰电机4和左右电机5均到达期望角度以及定时器累加时间到位条件都满足时，启动PWM控制送球电机6运转，开始往挤球位置输送乒乓球。

最后利用挤球过程中上轮速度和下轮速度会减速的特性检测是否有乒乓球通过，也就是判断此次发球的乒乓球是否挤出。当检测到乒乓球通过，送球电机6停止，定时器时间清零，此次单球参数发球完成。

本发明还包括一种应用上述控制方法的乒乓球机器人。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

Claims (10)

1.一种乒乓球机器人控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

预设组合球列表、组合运行模式和发球总次数；所述组合球列表包括预设单球参数，所述预设单球参数包括单球重复次数和发球间隔时间；

乒乓球机器人循环如下工作模式，直至统计实际发球数等于所述发球总次数时，乒乓球机器人结束发球；

所述工作模式为：乒乓球机器人依据所述组合运行模式，从所述组合球列表选取待发单球，并按照该待发单球的所述单球重复次数重复发球，完成该待发单球发球。

2.根据权利要求1所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，所述组合运行模式包括按照所述组合球列表顺序的顺序发球模式、倒置所述组合球列表顺序的倒序发球模式和随机发球模式；所述随机发球模式为随机从所述组合球列表中选取待发单球。

3.根据权利要求2所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，所述预设单球参数还包括：线速度、旋转速度、旋转方向和落点位置。

4.根据权利要求3所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，该控制方法还包括根据所述线速度和所述旋转速度确定上轮电机(1)的第一速度和下轮电机(2)的第二速度。

5.根据权利要求4所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，确定所述第一速度和所述第二速度的公式为：

v_up为所述第一速度，v_down为所述第二速度，v_b为所述线速度，w_b为所述旋转速度，a₁，a₂，a₃，b₁，b₂和b₃是拟合模型的系数，通过标定获取。

6.根据权利要求4所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，根据所述旋转方向确定乒乓球机器人侧旋电机(3)的第一角度；根据所述落点和所述频率确定乒乓球机器人的俯仰电机(4)的第二角度和左右电机(5)角度的第三角度。

7.根据权利要求6所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：

利用PID控制所述上轮电机(1)达到所述第一速度；

利用所述PID控制所述下轮电机(2)达到所述第二速度；

利用脉冲控制所述侧旋电机(3)的转动角度达到所述第一角度；

利用所述脉冲控制所述俯仰电机(4)的转动角度达到所述第二角度；

利用所述脉冲控制所述左右电机(5)的转动角度达到所述第三角度。

8.根据权利要求7所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，该控制方法还包括利用PWM控制所述乒乓球机器人的送球电机(6)启动或关闭，控制发球的时间间隔。

9.根据权利要求8所述的乒乓球机器人控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：利用编码器检测所述上轮电机(1)的速度和所述下轮电机(2)的速度；

当所述编码器检测所述上轮电机(1)速度稳定保持所述第一速度和所述下轮电机(2)速度稳定保持所述第二速度，所述第一角度、所述第二角度和所述第三角度均满足，且所述时间间隔达到预设的所述发球间隔时间，所述送球电机(6)启动并发球；

当所述编码器检测所述上轮电机(1)的速度降低，所述编码器检测所述下轮电机(2)的速度降低，则乒乓球机器人完成本次发球。

10.一种应用如权利要求1至9任一项所述的控制方法的乒乓球机器人。

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