自主捡球机器人

摘要

本发明涉及一种能帮人们捡球的自主机器人，包括移动基本载体、充电装置以及控制系统。移动基本载体在控制系统的控制下完成移动、捡球与倒球操作；充电装置为移动基本载体充电；控制系统采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯对移动基本载体进行控制。自主捡球机器人有单机运行和多机协作两种工作模式，能实现自主找球、自主捡球、自主倒球以及自主充电等功能，捡球效率高，智能性高。

主权项

一种自主捡球机器人，其特征在于：包括移动基本载体、充电装置(3)以及控制系统；其中移动基本载体在控制系统的控制下寻找、识别、收集地面上的球，将收集的球运送并倾倒至指定地点，并在电量不足时在控制系统的控制下与充电装置对接进行充电；控制系统采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯控制移动基本载体进行找球、捡球、倒球与充电操作；所述移动基本载体包括捡球机构、倒球机构与移动平台；其中，捡球机构包括捡球刷、捡球机构壳体、捡球入口(19)、捡球出口(20)、捡球驱动轴(22)以及捡球电机(13)；并且捡球机构壳体包括壳体侧壁(16)、壳体上盖(17)和捡球挡板，通过控制系统控制捡球刷的转动，将球推向捡球挡板，并随着捡球刷转动而逐渐上升，实现捡球功能；所述捡球机构壳体侧壁(16)为半圆形，壳体侧壁(16)竖直安装，使半圆形的直边垂直地面；壳体上盖(17)为圆弧面，壳体上盖(17)从壳体侧壁(16)最高点向下沿侧壁弧线边安装；所述捡球挡板(18)为圆弧面，捡球挡板(18)从壳体侧壁(16)最低点向上沿侧壁弧线边安装，捡球挡板(18)的上边沿要比捡球机构壳体侧壁(16)圆心低ΔH，ΔH值需要根据球的体积进行调整；捡球机构壳体上盖(17)与捡球挡板(18)之间为捡球入口(19)与捡球出口(20)；捡球驱动轴(22)安装在两个捡球机构壳体侧壁(16)之间，捡球驱动轴(22)在壳体侧壁(16)上的安装点位于壳体侧壁的圆心，捡球驱动轴(22)由捡球电机(13)驱动，可绕侧壁圆心转动；捡球刷(21)安装在捡球驱动轴(22)上，调整捡球刷(21)的长度使捡球刷(21)正好接触捡球挡板(18)内表面；捡球电机(13)装配有减速箱与编码器，通过前法兰的方式安装在捡球机构壳体侧壁(16)上；所述倒球机构在控制系统的控制下，将球在指定地点倒出；倒球机构包括球筐(8)、倒球驱动轴(25)、倒球叶片(24)以及倒球电机(12)，其中球筐(8)包括球筐进球口(26)、球筐出球口(28)以及球筐底面(27)；球筐底面(27)自球筐进球口(26)至出球口(28)向下倾斜，与地面成α角，α角度值需要根据球的体积进行调整；倒球驱动轴(25)安装在球筐出球口(28)上端，两个球筐侧壁(23)之间，倒球驱动轴(25)由倒球电机驱动(12)，可绕侧壁上的安装点转动；倒球叶片(24)安装在倒球驱动轴(25)上，倒球叶片(24)的面积近似等于球筐出球口(28)截面，倒球叶片(24)的初始位置为与地面垂直的位置，从而将球筐出口(28)封堵住；倒球电机(12)装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在球筐侧壁(23)上；所述移动平台包括移动平台主框架，主动轮(6)、从动轮(7)、驱动电机、控制系统盒(9)以及充电 插头(10)，其中移动平台主框架为系统各机构提供安装支撑；主动轮(6)安装在移动平台主框架前端左右两侧，由驱动电机驱动；从动轮(7)安装在移动平台主框架后端左右两侧，可随意转向，只起支撑作用；驱动电机装配有减速箱与编码器，通过前法兰安装在移动平台主框架上；控制系统盒(9)安装在球筐(8)上方，为部分控制系统电路提供安装支撑，整个控制系统盒相当于球筐(8)的上盖，调试时可以将整个控制系统盒(9)掀起，检查球筐(8)的内部状况；充电插头(10)安装在控制系统盒(9)处于移动基本载体尾部一侧的面板上；所述移动平台为捡球机构、倒球机构提供安装支撑，并且在控制系统的控制下移动；所述充电装置(3)包括充电装置主面板(29)、充电装置侧壁(30)、充电装置入口(31)以及充电插座(32)，充电装置安装在场地的旁边；充电装置主面板(29)竖直安装，宽度要比移动基本载体宽，宽出的幅度根据图像识别的精度确定；充电装置侧壁(30)为折线形，安装在充电装置主面板(29)的左右两端；充电装置入口(31)由外向内逐渐变小，在充电装置侧壁(30)折线拐点处减小至主面板宽度，自此向内不再发生变化；充电插座(32)分正负两极，安装在充电装置主面板(29)上，安装高度与充电插头(10)的高度一致，且充电插座(32)的截面积大于充电插头(10)的截面，以方便两者的对接；所述控制系统包括主处理器模块、子处理器模块以及自保护模块；主处理器模块采集并处理整个场地的图像信息，并通过无线通讯与子处理器模块进行通讯；子处理器模块安装在移动基本载体上，采集并处理局部范围的图像信息，与主处理器模块进行无线通讯并对移动基本载体进行控制；所述主处理器模块包括主处理器、全局视觉传感器(1)以及无线通讯模块甲(2)；全局视觉传感器(1)安装在场地上方，采集整个场地的图像信息；主处理器安装在场地的旁边，接受并处理全局视觉传感器(1)的图像信息输出；无线通讯模块甲(2)安装在场地旁边，主处理器通过无线通讯模块甲(2)进行无线通讯；所述子处理器模块安装在移动基本载体上，子处理器模块包括子处理器、局部视觉传感器(5)、无线通讯模块乙(11)、人机交互模块(14)、电源管理模块以及电机驱动器；所述人机交互模块(14)包括显示屏、显示驱动器、按键以及按键接口电路，局部视觉传感器(5)安装在捡球机构壳体上盖(17)之 上，采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息；子处理器安装在控制系统盒(9)内，子处理器接收并处理来自局部视觉传感器(5)的图像输出；无线通讯模块乙(11)安装在控制系统盒(9)上顶盖，子处理器通过无线通讯模块乙(11)与主处理器进行通讯；显示屏安装在控制系统盒(9)的上顶盖；显示驱动器安装在控制系统盒(9)内，子处理器通过显示驱动器控制显示屏；按键安装在控制系统盒(9)上顶盖，按键通过按键接口电路与子处理器相连，子处理器采集按键输入信息；电源管理模块安装在控制系统盒(9)内，电源管理模块与子处理器相连，充电插头(10)通过电源管理模块与电池相连，电源管理模块时刻检测充电插头之间电压；电机驱动器安装在控制系统盒(9)内，电机驱动器与驱动电机、捡球电机(13)以及倒球电机(12)相连，子处理器通过电机驱动器控制电机的转动；所述自保护模块包括限流保护电路以及紧急按键(15)，限流保护电路安装在控制系统盒(9)内，限流保护电路串联在电池供电回路中，检测电流值；紧急按键(15)安装在控制系统盒(9)上顶盖，串联在电池供电回路中，可控制供电回路的通断；所述控制系统控制移动基本载体进行找球、捡球、倒球与充电操作的方法包括：1)控制系统控制移动基本载体完成自主找球球任务的步骤为：全局视觉传感器(1)采集整个视场范围内的图像信息，主处理器根据全局图像信息初步判定移动基本载体的位置、球的位置及障碍物的位置，然后规划捡球路径；局部视觉传感器(5)同时采集移动基本载体前方局部范围内的图像信息，子处理器对局部图像信息的处理结果作为全局图像信息处理结果的补充，当两者的处理结果相吻合时，子处理器执行主处理器发出的控制命令；当两者的处理结果不吻合时，子处理器通过无线通讯模块乙(11)向主处理器发出重判信号，主处理器对全局图像信息进行重新处理并再次发送控制命令，若仍不能吻合，则再次发出重判信号，重复三次后仍然不能吻合，则认为是噪点，放弃对该点的处理；2)控制系统控制移动基本载体完成自主捡球任务的步骤为：当子处理器收到主处理器发出的控制命令，并且子处理器对局部图像信息的处理结果与控制命令一致时，子处理器控制移动基本载体沿主处理器规划的捡球路径行驶；当全局图像信息显示捡球机构与目标球之间距离小于捡球启动距离，且局部图像信息也发现目标球时，子处理器控制移动基本载体继续前进，并控制捡球电机 (13)转动，捡球刷(21)逆时针转动，将到达捡球入口(19)的球推至捡球挡板(18)，转动的捡球刷(21)与捡球挡板(18)形成合力，使捡球刷(21)与捡球挡板(18)之间的球不断上升，球达到捡球出口(20)时，由于捡球挡板(18)上边沿比捡球壳体侧壁(16)圆心低ΔH，此刻的捡球刷(21)是倾斜的，因此球在自身重力作用下滚动出捡球机构；当全局图像信息中移动基本载体已完全覆盖目标球位置，且局部图像信息中的球也消失，主处理器认为此次捡球任务已完成，并将捡球个数加一，开始对下一个目标球执行捡球操作；3)控制系统控制移动基本载体完成自主倒球任务的步骤为：当主处理器记录的捡球个数接近球筐(8)的容量时，主处理器启动自主倒球程序；主处理器根据全局视觉图像信息确定移动基本载体位置、倒球处(4)位置以及障碍物位置，然后规划倒球路径，使移动基本载体能以最快的方式到达倒球处(4)；主处理器引导移动基本载体到达倒球处(4)前方，调整移动基本载体的运动方向，使移动基本载体尾部对准倒球处(4)，然后子处理器控制倒球电机(12)逆时针转动，倒球叶片(24)从初始位置向上转动β角度，由于倒球电机(12)配有编码器，因此通过编码器的反馈可以控制倒球叶片(24)的转动范围，β角度值需要根据球的体积来确定；由于球筐底面(27)倾斜，倒球叶片(24)转动至高位后，球筐(8)内的球便从球筐出球口(28)落入倒球处(4)；球筐(8)内无球后，子处理器控制倒球叶片(24)向下转动至初始位置，封堵住球筐出球口(28)，完成倒球任务；4)控制系统控制移动基本载体完成自主充电任务的步骤为：电源管理模块时刻检测电池电量，一旦发现电池电量低于额定电量的某一阈值时便向子处理器发出电量不足信号，以使移动基本载体有充足的电量从工作地点运行至充电装置(3)；主处理器接到子处理器发出的电量不足信号后，首先根据全局图像信息确定移动基本载体的位置、充电装置(3)的位置以及障碍物位置，规划充电行驶路径，使移动基本载体能以最快的速度到达充电装置(3)，然后判断机器人的捡球工作进度，当移动基本载体距离目标球捡球启动距离时，直接暂停现在的捡球工作，然后驶向充电装置(3)；若移动基本载体距离目标球小于等于捡球启动距离时，移动基本载体先完成此次捡球操作，然后再驶向充电装置(3)；移动基本载体到达充电装置(3)后首先调整运动方向，使移动基本载体尾部对准充电装置入口(31)，然后倒车进入充电装置(3)，当充电插头(10)与充电插座(32)稳定对接后，电源管理模块检测到充电插头(10)之间存在电压，便向子处理器发出成功对接信号，子处理器控制移动基本载体停止后退， 电源管理模块控制电池对移动基本载体的供电回路断开，并将充电插头(10)与电池正负极之间连线接通，开始自动充电，待电池充满，电源管理模块重新将充电插头(10)与电池正负极之间连线断开，然后将电池对移动基本载体的供电回路接通，移动基本载体驶出充电装置(3)，完成自主充电任务；所述控制系统控制移动基本载体进行人机交互的方法为：子处理器控制显示屏实时显示机器人工作状态；人们通过按键查询机器人的详细工作参数，当机器人工作异常时，通过此方式查看机器人的详细参数，以便对系统故障进行诊断；所述控制系统实现自保护功能的方法为：限流保护电路实时检测系统供电回路的电流值，当出现过流情况时，限流保护电路切断供电回路，以保护系统电路的安全；通过紧急按键(15)可以紧急停止机器人的运行。