乒乓球机器人核心算法研究综述

作为一个集机器视觉与运动控制于一体的综合性研究平台,乒乓球机器人研究一直备受关注,其机械机构、视觉算法和运动控制的复杂性以及高实时性是阻碍乒乓球机器人发展的重要因素。为了提高乒乓球机器人的竞技性,需要解决乒乓球旋转测量、运动轨迹精确预测及击球策略选择等难题,这也是近几年乒乓球机器人的研究重点。基于近年来此领域的研究进展,文中对乒乓球机器人的视觉核心算法、回球核心算法等研究成果进行着重介绍,分析不同算法的优缺点并对未来研究趋势进行展望,为乒乓球机器人的研究与设计提供了参考依据。

数智化背景下庞勃特乒乓球机器人项目精准营销研究

人工智能服务于体育事业和体育文化等领域已有很多尝试,机器人逐渐从科幻电影走入真实的人类生活,本文以数智化背景下庞勃特乒乓球机器人项目为研究对象,分析了其发展面临的机遇和挑战,提出了有针对性的数智化精准营销策略:应以消费者运营为核心,满足个性需求;为实现需求端数据智能,人机共融;推动供需协同的端到端数字化,提升服务功能,追求和创造可持续的增长模式,最终实现助推国球运动事业发展的目标。

乒乓球机器人手臂及其击球策略

为了实现机器人自主完成击打乒乓球的操作,构建了由双目视觉摄像头、嵌入式中控、六自由度机械臂、视觉处理计算机和监控计算机等组成的乒乓球机器人系统.灵巧臂采用关节模块化设计方法,共有6个自由度,集成有关节位置、电机位置、关节力矩、驱动电流及温度等多种传感器.采用模块化、多层次的手臂电气结构,基于FPGA(field program-mable gate arrays)实现关节的通讯、电机驱动、传感器信息采集与处理等功能.中控处理器实现击打策略、机械臂正逆运动学、轨迹规划等,采用Intel Core II双核嵌入式CPU作为控制核心,以FPGA作为通信逻辑控制芯片.采用系统辨识方法预测乒乓球的轨迹,通过采集多个点,有效地减少偶然误差,提高预测精度.以预测的轨迹方程、乒乓球机器人的工作空间为基础,确定击球点的位置、姿态及速度;在机械臂的任务规划中,采用多个点、多个运动过程约束手臂末端的运动路径,提高击球成功率.击球实验证明了机器人系统及控制策略的有效性.

乒乓球机器人击打点的预测方法

针对乒乓球机器人项目中乒乓球击打点位置及球到达击打点速度的预测问题进行探讨,分别建立了乒乓球飞行阶段的状态方程模型和乒乓球反弹过程的运动模型.基于这两个模型,提出了一种主要通过状态方程数值迭代求解而进行击打点预测的方法.同时又提出一种离线学习来确定模型中待定参数的方法,以完成不同条件下的预测.针对乒乓球的空间坐标带有较大噪声的特点,在预测过程中特别注意增强容错性的处理.实验结果表明,这种方法具有较高的预测精度,且应用该方法所需的时间能够满足预测的实时性要求.

基于两阶段多目标模糊决策的乒乓球机器人击球点选择

对乒乓球机器人而言,回球时根据来球状态选择合适的击球点,可以降低回球难度,提高回球成功率.本文提出了一种利用多目标模糊决策确定击球点的方法.首先,根据机器人最优运动区间和来球速度确定搜索区域.然后,定义搜索区域内的相关轨迹点为决策论域.在此决策论域内,根据回球目标参数分别计算期望出球速度,并根据球拍参数定义了3个能量函数,分别代表乒乓球被击打前后的能量和动量变化.以此能量函数为指标函数决策得到优化的击球点.最后,在不同的实验情况下,对比了本文算法与固定高度平面算法,验证了本文算法的有效性.

基于影子的乒乓球机器人单目视觉系统标定

视觉系统的场景标定问题是乒乓球机器人研究中要解决的首要任务。针对传统的双目视觉方案中图像处理运算量大、成本高、高速同步采集实现较为困难的缺点,探索了一种单目摄像机下的基于影子辅助成像的视觉标定方法。从单目摄像机模型出发,简化立体映射为平面映射,利用视觉场景中灯光、乒乓球和影子之间的几何关系,结合最小二乘法和最小误差估计,准确地计算视觉系统中灯与摄像机的位置,为图像识别和3维目标定位奠定基础。该方法既标定了摄像机的参数,同时也标定了辅助灯的参数,而且从平面图像坐标计算3维坐标过程简便,实验结果证明其具有较高的精度(<4mm),可应用于快速图像处理的场合(>60fps),有望成为一种低成本、便捷而有效的方法。

在线角速度估计的乒乓球机器人视觉测量方法

针对目前乒乓球机器人在视觉跟踪过程中无法准确识别和跟踪旋转球轨迹,导致预测结果误差较大的问题,提出基于在线旋转角速度估计的视觉测量方法.该方法应用空气动力学的理论知识对旋转球的受力情况进行分析建模,构建旋转球轨迹的过程方程和观测方程,利用非线性扩展Kalman滤波器对包括角速度在内的运动状态进行估计.通过仿真实验和实际轨迹跟踪实验验证了该方法的有效性和正确性,且预测结果优于同类跟踪方法.该方法亦可应用于实时高速目标跟踪的场合.

乒乓球机器人的研究与发展

介绍了乒乓球机器人在国内外的发展情况。乒乓球机器人作为一个手眼协调系统,包括机械系统、视觉系统和控制系统3个子系统,其中视觉系统类似人的眼睛,机械系统类似人的手臂,控制系统类似人的大脑。乒乓球机器人可通过模仿和学习人的击球方法,实现手眼协调,以达到眼疾手快准确击球的目的。

乒乓球机器人击球装置的设计与研究

乒乓球机器人的研制涉及高速运动机械系统、实时视觉系统和智能计算机控制系统等多学科的前沿技术,对乒乓球机器人的研究可以对机械、视觉、控制等相关领域的理论和技术起到促进和推动作用,具有十分重要的社会意义和经济价值。本文针对乒乓球机器人的运动需求,进行了乒乓球机器人击球装置的研制,通过抬臂装置和转身装置来实现乒乓球机器人击球功能。

乒乓球机器人视觉系统的实时跟踪

针对乒乓球机器人视觉系统中的实时跟踪问题,分别在高速和低速2种摄影条件下设计完全不同的算法对乒乓球进行跟踪识别研究。在高速摄影条件下主要利用乒乓球的5大特征信息(圆度、周长、面积、X距和Y距)设置阈值进行识别;在低速摄影条件下将机器学习和图像匹配的方法进行代入,实现对带拖影乒乓球的识别。采用基于注意力的图像分割算法对图片进行预处理,可有效解决因环境干扰等造成的像素失真问题。提出规划感兴趣区(ROI)的算法,利用乒乓球的运动特征提前确定下一帧图像中乒乓球的可能位置,从而降低计算量,缩短计算时间,实现跟踪的实时性。

基于模糊自调节算法的乒乓球机器人回球速度计算

提出了一种新的回球速度计算模型,达到以期望的落球速度定点回球的目的.首先,忽略了运动过程中马格努斯力的影响,以多项式拟合乒乓球的运动轨迹,利用LM算法求解得到回球速度的初始值.然后,提出了一种新的基于区域分割的经验数据存储与替换模式,经线性拟合经验数据得到回球速度,并与初始速度求加权平均值,作为模糊调节的初始值.分析了回球速度的各分量对落点误差的影响,根据预测的落点误差,利用模糊算法调节回球速度,将调整后的结果用于控制回球过程中的球拍位姿与击球速度.实验结果验证了方法的有效性.

基于OpenGL乒乓球机器人手臂分解加速度仿真

为提高6自由度乒乓球机器人手臂的击球命中率,在Windows框架下,利用OpenGL和C++的混合编程建立了机器人手臂模型,并运用分解加速度控制算法和函数插值算法对机械手臂末端进行轨迹规划控制,实现了手臂末端沿直线和抛物线2种轨迹运动。仿真结果表明,分解加速度控制算法能够提高手臂击球的命中率。

乒乓球机器人在“新工科”教育背景下的课程教学与改革探索

“新工科”教育是培养新一代工业体系下创新复合型人才的有效手段之一。现有的“新工科”教育大都使用理论+实践的教学模式,在一定程度上可培养学生动手实操的能力。但由于实践教学深度不够,导致学生学习的大都以操作为主,不能深入到实际项目核心中,对创新设计及解决问题有效性较差。针对此问题,本文探讨了一种基于项目课程的“新工科”培养模式,用乒乓球机器人项目作为项目课程的核心内容,培养学生参与到实际项目中,根据项目特色分组别设计课程,最终完成对完整项目的设计和联调。学生在参与项目课程同时,利用本项目参与各类科创大赛,取得了很多国家级奖项及荣誉,学生的创新设计、解决难点及团队合作能力得到巨大提升,对本次项目课程教学改革表示高度认同。

基于极坐标系的乒乓球机器人运动平台设计

乒乓球机器人的研制涉及高速运动机械系统、实时视觉系统和智能计算机控制系统等多学科的前沿技术,对乒乓球机器人的研究可以对机械、视觉、控制等相关领域的理论和技术起到促进和推动作用,具有十分重要的社会意义和经济价值.本文针对乒乓球机器人的运动需求,进行了乒乓球机器人移动平台的研制,采用大齿轮转盘的转动和同步带带动机器人来实现乒乓球机器人在基于极坐标系的二维平台上快速、准确的移动.

乒乓球机器人最优击球规划

针对目前乒乓球机器人击球水平不高,对于快球、旋转比较大的球不能很好回击的问题,根据牛顿运动定律,分析乒乓球在空中的受力情况,建立乒乓球的飞行模型和碰撞模型,通过仿真实验验证了模型合理性;然后,对乒乓球运动轨迹进行分析和预测,结合机器人自身限制条件确定最优击球点,遵循和平球原则,规划乒乓球回球轨迹;最后,将击球点位置和初始速度,结合乒乓球碰撞模型,反推算得到球拍即机器人末端执行器的击球速度和姿势.用MATLAB进行仿真实验,验证了乒乓球以规划速度和姿势能够到达对方期望击球点.

基于VxWorks的乒乓球机器人控制系统设计

针对当前乒乓球机器人控制系统在实时性和处理速度方面存在的问题,设计了一个乒乓球机器人控制系统,系统采用嵌入式处理器作为控制核心,移植了VxWorks操作系统。介绍了控制系统的硬件组成和软件系统的设计,并通过实验测试了控制系统的计算速度和通信响应速度。

应用乒乓球机器人进行辅助训练的效果观察──国家男子乒乓球队主力队员应用研究总结

在最高层次国家队主力队员对乒乓球机器人的应用研究，是国内外乒乓球技术训练史上又一项创举。实践证明效果良好，应用前景广阔。

乒乓球机器人球拍位姿的确定

针对乒乓球机器人球拍位置及球拍击球姿势进行了探讨,分析乒乓球从击球点到落点的运动过程,列出了相应的状态方程,基于这些状态方程,最终确定出球拍位姿。

用微型电子和打乒乓球机器人进行教学的经验

微型电子鼠和乒乓球机器人是机电一体化的两个典型实例,引起了人们广泛的兴趣。近几年,世界上一些教育机构开始以这两种“趣味”机器人概念为基础,实施一种更为系统的机器人工程教育。香港城市大学用微型电子鼠进行正规化教育已有多年时间,最近,他们又把打乒乓球机器人引进了课堂。本文主要介绍香港城市大学在这方面取得的经验,在培训学生方面所起的作用以及对现代工业所包含的意义。

应用乒乓球机器人进行辅助训练效果的观察——PJ-1型乒乓球机器人应用于辅助训练之研究

由计算机控制的辅助训练装置PJ-1型乒乓球机器人是一项新的科研成果。我国青年男子乒乓球队首先将辅助训练装置应用于技术训练并纳入训练计划,很快又扩展到国家男子乒乓球队。这在我国乒乓球技术训练史上开创了新的一页,走在了其他国家的前面。文中总结了国家青年男队和国家男队应用机器人进行辅助训练的效果及规律,反映了基本功练习的重要地位和以实战技术作为仿真依据的科学性。该项研究成果有广泛的应用前景。