隨著機器人學和人工智能技術(shù)的發(fā)展,面向體育運動的機器人的研究開始出現(xiàn)在各大高校和實驗室,使用機器人進行乒乓球運動或比賽在我國有著很大的應用前景。乒乓球機器人涉及到機器視覺、深度學習和機器人控制技術(shù),搭建出的平臺可以對這三項技術(shù)進行綜合研究,然后使用該平臺對技術(shù)綜合后的成果進行展示。本文以七自由度機械臂作為研究對象,重點面向乒乓球運動對機械臂的運動控制系統(tǒng)進行研究。本文首先對七個關節(jié)的機械臂進行運動學上的分析,先是介紹了機械臂的各項參數(shù)和D-H矩陣,根據(jù)參數(shù)求解了機械臂的正運動學和逆運動學,然后在此基礎上對機械臂的擊球軌跡進行了一定的規(guī)劃。規(guī)劃的算法采用的是改進后的三次B樣條曲線,使用該方法擬合能夠保證機械臂在運動過程中不會產(chǎn)生振動,同時機械臂也能夠通過所有的控制點。在對機械臂的軌跡進行確定后,需要在關節(jié)空間對機械臂的運動時間進行一定的限制,保證機械臂能夠在規(guī)定的時間里移動到擊球的位置,本文采用了遺傳算法的優(yōu)化方法,將關節(jié)的速度和加速度參數(shù)作為個體的基因進行編碼,通過一代代的遺傳和優(yōu)勝劣汰操作,使機械臂的運動時間達到最短,從而保證機械臂擊球成功。規(guī)劃完運動控制部分并沒有結(jié)束擊球的過程,由... 

【文章來源】：東華大學上海市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

底座固定后的乒乓球機器人

面向乒乓球運動的七自由度機械臂運動控制系統(tǒng)設計32009年，德國達姆施塔特大學的研究團隊使用的也是7個關節(jié)的機器人，然后在機器人眼睛部位安裝了兩個攝像頭，組成了圖1-2的整套系統(tǒng)[15]。他們將機器人擊球過程規(guī)劃為三個階段：(1)準備階段：根據(jù)對手擊球動作預測乒乓球軌跡；(2)擊球階段：基于較復雜的模型和公式推導，模仿乒乓球運動員的回球軌跡進行揮拍動作；(3)結(jié)束階段：結(jié)束擊球過程，機械臂返回初始位置。2014年，Glover等人在乒乓球的旋轉(zhuǎn)問題上有了重大的突破，使用了巧妙的方法來擊打旋轉(zhuǎn)球，使回球的準確度得到了不錯的提升[16]。圖1-2達姆施塔特大學的乒乓球機器人底座關節(jié)受限制的機械臂運算速度較快，實際表現(xiàn)也不錯。另外，這種類型的機器人運算過程相對快速、方便，但是，在許多情況下，需要大量的時間來計算和求解逆運動學問題，對系統(tǒng)的運算能力也有著很大的考驗。第二類機器人有兩個特點：一是只能通過導軌進行移動，二是為了避免逆運動學求解復雜的問題，其自由度一般不是很高。1990年，瑞士的Fassler等人組建了圖1-3的6關節(jié)機械臂來接打乒乓球，在1988年成功拿下了機器人領域的乒乓球比賽第一名[17]。2002年，日本的miyazaki等人也完成了相同類型機器人的制作過程，該系統(tǒng)有四個關節(jié)，能在平面上自由運動，在與人對打方面有著不俗的表現(xiàn)[18]。2003年，西班牙的Acosta打造了一個機械臂，也是可以在軌道上移動的機器人，五個自由度保證了逆運動學的求解較為簡單，對低速度的乒乓球的接打能力表現(xiàn)較好，有著接近90%的成功率[19]。

面向乒乓球運動的七自由度機械臂運動控制系統(tǒng)設計4圖1-3基于移動軌道的乒乓球機器人1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，浙江大學從2004年也開始了乒乓球機器人的研究道路，韋巍團隊首先研究了一個帶有兩個攝像頭的系統(tǒng)，該機器人安裝在一個水平移動的軌道上[20]。初代系統(tǒng)也是使用雙球拍，球拍位置分別在機械臂的兩端，電機驅(qū)動和氣缸使其能夠?qū)崿F(xiàn)七個自由度的動作，由于視覺檢測模塊使用的一個相機，檢測精度不足，因此采用就近原則作為回球策略，來完成與人對打。第二代系統(tǒng)在電機驅(qū)動導致加速度不足的基礎上，使用舵機代替其驅(qū)動結(jié)構(gòu)，解決了揮拍力度不足的缺點，同時使用了兩個高速相機，大幅提高了擊球的準確率。圖1-4韋巍團隊搭建的可移動軌道的乒乓球機器人基于移動導軌基座的多自由度腕關節(jié)乒乓球機器人通過在球桌上使用移動軌道來增加運動范圍，既保證了機械臂的運動空間，其低自由度的特性也降低了逆運動學求解的困難，另外，低自由度也有效地避免了機械臂與桌面的碰撞，節(jié)省了系統(tǒng)進行碰撞檢測的時間。但是，其弊端也在于由于只能在固定軌道上進行移動，不符合現(xiàn)實生活中的乒乓球運動，同時，機械臂的擊球軌跡太過單一，簡單的揮拍動作難以保證回球的成功率。2010年，陳小鵬等人完成了圖1-5的整體構(gòu)造都符合人體構(gòu)造的機器人，該機器人有32個關節(jié)可以活動，其中手臂部位有7個可活動的關節(jié)，與人的構(gòu)造

【參考文獻】：
期刊論文
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[10]基于快速擴展隨機樹的7R機械臂避障達點運動規(guī)劃[J]. 謝碧云,趙京,劉宇.  機械工程學報. 2012(03)

博士論文
[1]七自由度乒乓球機器人的視覺檢測及擊球決策研究[D]. 李志奇.哈爾濱工業(yè)大學 2015

碩士論文
[1]基于學習的旋轉(zhuǎn)乒乓球定位與軌跡預測[D]. 吳珺.浙江大學 2018
[2]基于PC的七自由度乒乓球機器人伺服控制系統(tǒng)的研究[D]. 洪永潮.浙江大學 2006



本文編號：2972230