專利名稱：一種獲取乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域中的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，具體地說(shuō)是用于獲得乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的一種方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的計(jì)算主要通過以下兩種方法實(shí)現(xiàn)1)將乒乓球飛行軌跡模型簡(jiǎn)化為拋物線，將球拍反彈模型簡(jiǎn)化為鏡面反射模型(參見 "Kalpesh P. M.，F(xiàn)erat S.，and Eli S.，An application of human robot interaction development of a ping-pong playing robotic arm IEEE International Conference on Systems，Man and Cybernetics，第 2 卷，第 1831 1836 頁(yè)，2005?！?。2)利用學(xué)習(xí)算法和專家系統(tǒng)，通過大量的釆樣數(shù)據(jù)獲得球拍擊球姿態(tài)和擊球速度(參見“L. Acosta, J. Rodrigo, J. A. Mendez, G. N. Marichal and Μ. Sigut, Ping-pong player prototype, a PC-based, low-Cost, ping pong robot, IEEE Robotics and Automation Magazine,第 10 卷，第 4 期，第 44 52 頁(yè)，2003 年，，及"Michiya M.，Takaaki H.，Masahiro T.，and Fumio Μ. ,A Learning Approach to Robotic Table Tennis. IEEE Transaction on Robotics and Automation，第21卷，第4期，第767 771頁(yè)，2005年”)。其中第一種方法由于忽略乒乓球飛行時(shí)空氣阻力和球拍表面反彈特性，計(jì)算簡(jiǎn)單。但通過模型計(jì)算得出的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度存在較大的偏差，從而造成乒乓球機(jī)器人回球時(shí)落點(diǎn)較為分散，回球質(zhì)量較差， 只能實(shí)現(xiàn)乒乓球機(jī)器人與人簡(jiǎn)單對(duì)打。第二種方法利用學(xué)習(xí)算法和專家系統(tǒng)，通過大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)獲得球拍擊球姿態(tài)和擊球速度，對(duì)于采樣數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)，乒乓球機(jī)器人能夠計(jì)算正確球拍擊球姿態(tài)和擊球速度，但對(duì)于采樣數(shù)據(jù)集以外的數(shù)據(jù)，機(jī)器人計(jì)算出的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度并不能滿足控制精度要求。而且在訓(xùn)練采樣數(shù)據(jù)時(shí)，來(lái)球速度、擊球位置等多種因素共同決定了乒乓球機(jī)器人回球落點(diǎn)的位置和速度，訓(xùn)練較為困難，回去的落到位置和速度不可控，影響運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠克服上述不足、提高乒乓球機(jī)器人回球質(zhì)量的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度獲取方法。為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提出的一種獲取乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的方法，利用視覺單元、控制裝置中的控制PC機(jī)期望落點(diǎn)計(jì)算單元、預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元、擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元和非線性模型實(shí)現(xiàn)所述方法的具體步驟包括步驟Sl 由視覺單元采集乒乓球初始飛行時(shí)的一小段運(yùn)動(dòng)軌跡，建立乒乓球飛行解析模型，設(shè)定乒乓球落點(diǎn)位置及乒乓球落點(diǎn)速度；步驟S2 預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元利用飛行解析模型、視覺單元輸出的乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算出乒乓球來(lái)球速度Vin、乒乓球的擊打位置和擊球剩余時(shí)間；步驟S3 擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元利用飛行解析模型、預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元輸出擊打乒乓球的位置信息和擊球剩余時(shí)間、期望落點(diǎn)計(jì)算單元期望輸出的乒乓球落點(diǎn)位置、期望乒乓球落點(diǎn)速度計(jì)算并生成擊打點(diǎn)處的期望出球速度V1 ；步驟S4 利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、乒乓球球拍反彈模型、擊打點(diǎn)處的出球速度及乒乓球來(lái)球速度，建立包含乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度參數(shù)的非線性模型為Γ1 (V1-Vh) = ΚΓ1 (Vin-Vh) +B,式中T為已知的乒乓球機(jī)器人從世界坐標(biāo)系到球拍坐標(biāo)系的變換矩陣,V1為乒乓球在擊打點(diǎn)處的期望出球速度，Vh為球拍擊球速度，Vin為乒乓球在擊打點(diǎn)處的來(lái)球速度，K 是球拍速度反彈模型的比例系數(shù)矩陣，B是球拍速度反彈模型的偏移系數(shù)矩陣；Κ、Β為常數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定；步驟S5 設(shè)定非線性模型中球拍擊球速度Vh在Xw和Zw方向的速度分量為零，利用已知乒乓球在擊打點(diǎn)處的出球速度V1、乒乓球在擊打點(diǎn)處的來(lái)球速度Vin、常數(shù)K和B及 L-M優(yōu)化方法求解非線性方程組，計(jì)算得到余下的球拍姿態(tài)參數(shù)Q1* θ 2和球拍擊球速度在Yw方向上的速度分量，得到機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度；利用多項(xiàng)式插值規(guī)劃方法對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，控制球拍在擊球時(shí)刻以擊球速度到達(dá)擊球位置，并且使機(jī)器人球拍調(diào)整到擊球姿態(tài)完成擊球，實(shí)現(xiàn)對(duì)乒乓球的落點(diǎn)位置和落點(diǎn)速度控制。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明與以往乒乓球機(jī)器人的簡(jiǎn)單回球相比，能夠?qū)崿F(xiàn)乒乓球機(jī)器人的定點(diǎn)定速回球。本發(fā)明考慮乒乓球飛行阻力，建立了乒乓球飛行的解析模型和球拍的速度反彈模型，其參數(shù)均通過實(shí)驗(yàn)確定，本發(fā)明的突出特點(diǎn)是建立了乒乓球飛行的解析模型，利用該模型根據(jù)期望的回球落點(diǎn)和預(yù)測(cè)的擊打點(diǎn)位置，結(jié)合期望的回球落點(diǎn)速度，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出機(jī)器人球拍的擊球姿態(tài)和擊球速度，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)乒乓球機(jī)器人的控制。本發(fā)明的另一個(gè)突出特點(diǎn)是乒乓球機(jī)器人的回球落點(diǎn)位置和落點(diǎn)速度可以通過機(jī)器人球拍的擊球姿態(tài)和擊球速度控制。


圖Ia是本發(fā)明獲取乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的方法流程圖。圖Ib是本發(fā)明控制裝置中擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元的計(jì)算流程圖。圖加為乒乓球飛行受力模型的Xw-Yw平面。圖2b為乒乓球飛行模型的Yw-Zw平面。圖3為乒乓球機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理圖。圖如為定點(diǎn)回球落點(diǎn)位置球桌視圖。圖4b為定點(diǎn)回球落點(diǎn)位置放大視圖。主要元件說(shuō)明前后平移機(jī)構(gòu)1，左右平移機(jī)構(gòu)2，上下平移機(jī)構(gòu)3，左右旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4，上下俯仰機(jī)構(gòu)5，機(jī)器人球拍6，球桌7， 控制裝置8實(shí)際T， 期望Q。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖1示出本發(fā)明獲取乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的方法流程圖，本發(fā)明建立了乒乓球飛行的解析模型，利用該模型根據(jù)期望的回球落點(diǎn)和預(yù)測(cè)的擊打點(diǎn)位置， 結(jié)合期望的回球落點(diǎn)速度，可計(jì)算出機(jī)器人球拍擊球后的期望出球速度。根據(jù)球拍擊球前后的乒乓球速度，結(jié)合球拍的反彈模型和五自由度打乒乓球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立一組含有球拍擊球姿態(tài)和球拍擊球速度的非線性方程。利用公知的優(yōu)化方法求解非線性方程組，可以計(jì)算出機(jī)器人球拍的擊球姿態(tài)和擊球速度，使得乒乓球機(jī)器人的回球落點(diǎn)位置和落點(diǎn)速度可以通過機(jī)器人控制。利用乒乓球機(jī)器人的視覺單元8、控制裝置9中的控制PC 機(jī)期望落點(diǎn)計(jì)算單元、預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元、擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元和非線性模型實(shí)現(xiàn)獲取乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的步驟包括步驟Sl 由視覺單元采集乒乓球初始飛行時(shí)的一小段運(yùn)動(dòng)軌跡，建立乒乓球飛行解析模型，設(shè)定乒乓球落點(diǎn)位置及乒乓球落點(diǎn)速度；步驟S2 預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元利用飛行解析模型、視覺單元輸出的乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算出乒乓球來(lái)球速度Vin、乒乓球的擊打位置和擊球剩余時(shí)間；步驟S3 擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元利用飛行解析模型、預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元輸出擊打乒乓球的位置信息和擊球剩余時(shí)間、期望落點(diǎn)計(jì)算單元期望輸出的乒乓球落點(diǎn)位置、期望乒乓球落點(diǎn)速度計(jì)算并生成擊打點(diǎn)處的期望出球速度V1 ；步驟S4 利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、乒乓球球拍反彈模型、擊打點(diǎn)處的出球速度及乒乓球來(lái)球速度，建立包含乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度參數(shù)的非線性模型為Γ1 (V1-Vh) = ΚΓ1 (Vin-Vh) +B,式中T為已知的乒乓球機(jī)器人從世界坐標(biāo)系到球拍坐標(biāo)系的變換矩陣,V1為乒乓球在擊打點(diǎn)處的期望出球速度，Vh為球拍擊球速度，Vin為乒乓球在擊打點(diǎn)處的來(lái)球速度，K 是球拍速度反彈模型的比例系數(shù)矩陣，B是球拍速度反彈模型的偏移系數(shù)矩陣；Κ、Β為常數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定；步驟S5 設(shè)定非線性模型中球拍擊球速度Vh在Xw和Zw方向的速度分量為零，利用已知乒乓球在擊打點(diǎn)處的出球速度V1、乒乓球在擊打點(diǎn)處的來(lái)球速度Vin、常數(shù)K和B及 L-M優(yōu)化方法求解非線性方程組，計(jì)算得到余下的球拍姿態(tài)參數(shù)Q1* θ 2和球拍擊球速度在Yw方向上的速度分量，得到機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度；利用多項(xiàng)式插值規(guī)劃方法對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，控制球拍在擊球時(shí)刻以擊球速度到達(dá)擊球位置，并且使機(jī)器人球拍調(diào)整到擊球姿態(tài)完成擊球，實(shí)現(xiàn)對(duì)乒乓球的落點(diǎn)位置和落點(diǎn)速度控制。請(qǐng)參閱圖加及圖2b，乒乓球從Pl點(diǎn)飛行到P3點(diǎn)，在此過程中，乒乓球飛行經(jīng)過最高點(diǎn)P2。將乒乓球的飛行速度分別分解到球桌平面和Zw方向。如圖加所示為乒乓球飛行受力模型的Xw-Yw平面，在球桌平面乒乓球受到球桌平面方向的空氣阻力Fxy作用，該阻力的方向與乒乓球飛行方向相反，乒乓球飛行軌跡在球桌平面投影的傾角Θ。如圖2b所示為乒乓球飛行模型的Yw-Zw平面，在豎直方向，乒乓球在Pl點(diǎn)到P2點(diǎn)上升段飛行過程中受到豎直向下的重力mg和豎直向下的空氣阻力kfvzs2，在P2點(diǎn)到P3點(diǎn)下降段飛行過程中受到豎直向下的重力mg和豎直向上的空氣阻力kfvzx2。本發(fā)明建立的乒乓球飛行的解析模型如下
(1)乒乓球球速在球桌平面Xw和Yw方向的速度分量的函數(shù)表達(dá)式為
權(quán)利要求
1 一種獲取乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的方法，其特征在于，利用視覺單元、控制裝置中的控制PC機(jī)期望落點(diǎn)計(jì)算單元、預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元、擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元和非線性模型實(shí)現(xiàn)所述方法的具體步驟包括步驟Sl 由視覺單元采集乒乓球初始飛行時(shí)的一小段運(yùn)動(dòng)軌跡，建立乒乓球飛行解析模型，設(shè)定乒乓球落點(diǎn)位置及乒乓球落點(diǎn)速度；步驟S2 預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元利用飛行解析模型、視覺單元輸出的乒乓球的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)計(jì)算出乒乓球來(lái)球速度Vin、乒乓球的擊打位置和擊球剩余時(shí)間；步驟S3 擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元利用飛行解析模型、預(yù)測(cè)擊打點(diǎn)單元輸出擊打乒乓球的位置信息和擊球剩余時(shí)間、期望落點(diǎn)計(jì)算單元期望輸出的乒乓球落點(diǎn)位置、期望乒乓球落點(diǎn)速度計(jì)算并生成擊打點(diǎn)處的期望出球速度V1 ；步驟S4 利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、乒乓球球拍反彈模型、擊打點(diǎn)處的出球速度及乒乓球來(lái)球速度，建立包含乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度參數(shù)的非線性模型為 T"1 (V1-Vh) = Kr1 (Vin-Vh)+B,式中τ為已知的乒乓球機(jī)器人從世界坐標(biāo)系到球拍坐標(biāo)系的變換矩陣,V1為乒乓球在擊打點(diǎn)處的期望出球速度，Vh為球拍擊球速度，Vin為乒乓球在擊打點(diǎn)處的來(lái)球速度，K是球拍速度反彈模型的比例系數(shù)矩陣，B是球拍速度反彈模型的偏移系數(shù)矩陣；Κ、Β為常數(shù)由實(shí)驗(yàn)確定；步驟S5 設(shè)定非線性模型中球拍擊球速度Vh在Xw和Zw方向的速度分量為零，利用已知乒乓球在擊打點(diǎn)處的出球速度力、乒乓球在擊打點(diǎn)處的來(lái)球速度Vin、常數(shù)K和B及L-M優(yōu)化方法求解非線性方程組，計(jì)算得到余下的球拍姿態(tài)參數(shù)9工和θ 2和球拍擊球速度在YwS 向上的速度分量，得到機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度；利用多項(xiàng)式插值規(guī)劃方法對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，控制球拍在擊球時(shí)刻以擊球速度到達(dá)擊球位置，并且使機(jī)器人球拍調(diào)整到擊球姿態(tài)完成擊球，實(shí)現(xiàn)對(duì)乒乓球的落點(diǎn)位置和落點(diǎn)速度控制。
2.如權(quán)利要求1所述獲取乒乓球機(jī)器人的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的方法，其特征在于，所述擊打點(diǎn)出球速度計(jì)算單元計(jì)算步驟包括步驟S31 建立乒乓球球速在球桌平面Xw和Yw方向的速度分量vlx、vly的函數(shù)；建立乒乓球飛行軌跡在球桌平面的投影距離c的函數(shù)；建立乒乓球處于上升階段時(shí)，乒乓球球速在Zw方向的速度分量Vzs的函數(shù)；建立乒乓球處于上升階段時(shí)，乒乓球在Zw方向的位置分量 Zs的函數(shù)；建立乒乓球處于下降階段時(shí)，乒乓球球速在Zw方向的速度分量Vzx的函數(shù)；建立乒乓球處于下降階段時(shí)，乒乓球在球桌平面Zw方向的位置分量\的函數(shù)；步驟S32 利用乒乓球球速在球桌平面Xw和Yw方向的速度分量的函數(shù)表達(dá)式，根據(jù)回球落點(diǎn)速度在球桌平面的速度分量和擊打點(diǎn)到落點(diǎn)之間的飛行距離計(jì)算擊打點(diǎn)處乒乓球期望出球速度在Xw和Yw方向的速度分量Vlx和Vly ；步驟S33 利用乒乓球球速在球桌平面Xw和YwS向的速度分量的函數(shù)表達(dá)式和乒乓球飛行軌跡在球桌平面的投影距離的函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算乒乓球從擊打點(diǎn)飛行到落點(diǎn)的時(shí)間式中，m是乒乓球質(zhì)量，kf是空氣阻力系數(shù)，V3xy是落點(diǎn)處乒乓球速度在球桌平面的合速度，Vlxy是擊打點(diǎn)處乒乓球期望出球速度在球桌平面的合速度；步驟S34 利用乒乓球處于上升階段時(shí)，在Zw方向的位置分量表達(dá)式和乒乓球處于下降階段時(shí)，在Zw方向的位置分量表達(dá)式得到乒乓球在落點(diǎn)處τ、方向的位置分量^等于乒乓球的半徑如下表示
3.如權(quán)利要求2所述的乒乓球機(jī)器人的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的獲取方法，其特征在于，所述乒乓球在擊打點(diǎn)處期望出球速度在Xw和Yw方向的速度分量Vlx和Vly的函數(shù)表達(dá)式為
4.如權(quán)利要求2所述的乒乓球機(jī)器人的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的獲取方法，其特征在于，所述乒乓球飛行軌跡在球桌平面的投影距離c的函數(shù)表達(dá)式為
5.如權(quán)利要求2所述的乒乓球機(jī)器人的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的獲取方法，其特征在于，所述乒乓球處于上升階段時(shí)，乒乓球球速在Zw方向的速度分量Vzs表示為
6.如權(quán)利要求2所述的乒乓球機(jī)器人的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的獲取方法，其特征在于，所述乒乓球處于上升階段時(shí)，乒乓球在Zw方向的位置分量Zs為
7.如權(quán)利要求2所述的乒乓球機(jī)器人的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的獲取方法，其特征在于，所述乒乓球處于下降階段時(shí)，乒乓球球速在Zw方向的速度分量Vzx為
8.如權(quán)利要求2所述的乒乓球機(jī)器人的球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的獲取方法，其特征在于，所述乒乓球處于下降階段時(shí)，乒乓球在Zw方向的位置分量\為
全文摘要
本發(fā)明是一種獲取乒乓球機(jī)器人球拍擊球姿態(tài)和擊球速度的方法，建立了乒乓球飛行的解析模型，利用該模型根據(jù)期望的回球落點(diǎn)和預(yù)測(cè)的擊打點(diǎn)位置，結(jié)合期望的回球落點(diǎn)速度，計(jì)算出機(jī)器人球拍擊球后的出球速度。根據(jù)球拍擊球前后的乒乓球速度，結(jié)合球拍的反彈模型和乒乓球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，推導(dǎo)出一組含有球拍擊球姿態(tài)和球拍擊球速度的非線性方程。利用公知的優(yōu)化方法求解非線性方程組，計(jì)算出機(jī)器人球拍的擊球姿態(tài)和擊球速度。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102200760SQ201110136109
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者張正濤, 徐德, 楊平, 譚民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所