隨著機(jī)器人學(xué)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,面向體育運(yùn)動的機(jī)器人的研究開始出現(xiàn)在各大高校和實(shí)驗(yàn)室,使用機(jī)器人進(jìn)行乒乓球運(yùn)動或比賽在我國有著很大的應(yīng)用前景。乒乓球機(jī)器人涉及到機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)和機(jī)器人控制技術(shù),搭建出的平臺可以對這三項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行綜合研究,然后使用該平臺對技術(shù)綜合后的成果進(jìn)行展示。本文以七自由度機(jī)械臂作為研究對象,重點(diǎn)面向乒乓球運(yùn)動對機(jī)械臂的運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文首先對七個關(guān)節(jié)的機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)上的分析,先是介紹了機(jī)械臂的各項(xiàng)參數(shù)和D-H矩陣,根據(jù)參數(shù)求解了機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué),然后在此基礎(chǔ)上對機(jī)械臂的擊球軌跡進(jìn)行了一定的規(guī)劃。規(guī)劃的算法采用的是改進(jìn)后的三次B樣條曲線,使用該方法擬合能夠保證機(jī)械臂在運(yùn)動過程中不會產(chǎn)生振動,同時機(jī)械臂也能夠通過所有的控制點(diǎn)。在對機(jī)械臂的軌跡進(jìn)行確定后,需要在關(guān)節(jié)空間對機(jī)械臂的運(yùn)動時間進(jìn)行一定的限制,保證機(jī)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(guān)節(jié)的速度和加速度參數(shù)作為個體的基因進(jìn)行編碼,通過一代代的遺傳和優(yōu)勝劣汰操作,使機(jī)械臂的運(yùn)動時間達(dá)到最短,從而保證機(jī)械臂擊球成功。規(guī)劃完運(yùn)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(xué)上海市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

底座固定后的乒乓球機(jī)器人

面向乒乓球運(yùn)動的七自由度機(jī)械臂運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)32009年，德國達(dá)姆施塔特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用的也是7個關(guān)節(jié)的機(jī)器人，然后在機(jī)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(jī)器人擊球過程規(guī)劃為三個階段：(1)準(zhǔn)備階段：根據(jù)對手擊球動作預(yù)測乒乓球軌跡；(2)擊球階段：基于較復(fù)雜的模型和公式推導(dǎo)，模仿乒乓球運(yùn)動員的回球軌跡進(jìn)行揮拍動作；(3)結(jié)束階段：結(jié)束擊球過程，機(jī)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(zhǔn)確度得到了不錯的提升[16]。圖1-2達(dá)姆施塔特大學(xué)的乒乓球機(jī)器人底座關(guān)節(jié)受限制的機(jī)械臂運(yùn)算速度較快，實(shí)際表現(xiàn)也不錯。另外，這種類型的機(jī)器人運(yùn)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(jì)算和求解逆運(yùn)動學(xué)問題，對系統(tǒng)的運(yùn)算能力也有著很大的考驗(yàn)。第二類機(jī)器人有兩個特點(diǎn)：一是只能通過導(dǎo)軌進(jìn)行移動，二是為了避免逆運(yùn)動學(xué)求解復(fù)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(guān)節(jié)機(jī)械臂來接打乒乓球，在1988年成功拿下了機(jī)器人領(lǐng)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(jī)器人的制作過程，該系統(tǒng)有四個關(guān)節(jié)，能在平面上自由運(yùn)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(jī)械臂，也是可以在軌道上移動的機(jī)器人，五個自由度保證了逆運(yùn)動學(xué)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(yùn)動的七自由度機(jī)械臂運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4圖1-3基于移動軌道的乒乓球機(jī)器人1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，浙江大學(xué)從2004年也開始了乒乓球機(jī)器人的研究道路，韋巍團(tuán)隊(duì)首先研究了一個帶有兩個攝像頭的系統(tǒng)，該機(jī)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(jī)械臂的兩端，電機(jī)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(jī)，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(jī)驅(qū)動導(dǎo)致加速度不足的基礎(chǔ)上，使用舵機(jī)代替其驅(qū)動結(jié)構(gòu)，解決了揮拍力度不足的缺點(diǎn)，同時使用了兩個高速相機(jī)，大幅提高了擊球的準(zhǔn)確率。圖1-4韋巍團(tuán)隊(duì)搭建的可移動軌道的乒乓球機(jī)器人基于移動導(dǎo)軌基座的多自由度腕關(guān)節(jié)乒乓球機(jī)器人通過在球桌上使用移動軌道來增加運(yùn)動范圍，既保證了機(jī)械臂的運(yùn)動空間，其低自由度的特性也降低了逆運(yùn)動學(xué)求解的困難，另外，低自由度也有效地避免了機(jī)械臂與桌面的碰撞，節(jié)省了系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行移動，不符合現(xiàn)實(shí)生活中的乒乓球運(yùn)動，同時，機(jī)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(jī)器人，該機(jī)器人有32個關(guān)節(jié)可以活動，其中手臂部位有7個可活動的關(guān)節(jié)，與人的構(gòu)造

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：2972230