足球機器人守門員自動伸縮架的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種足球機器人守門員自動伸縮架，包括硬件機架系統(tǒng)與電機動力控制系統(tǒng)；硬件機架系統(tǒng)包括守門員的左右側(cè)梁和頂梁，左右側(cè)梁分別通過連桿連接一個側(cè)橫梁，在側(cè)橫梁一端設置滑槽和沿著滑槽滑動的滑塊，滑塊通過螺釘與曲柄相連，能相對于曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄另一側(cè)連接到電機；電機動力控制系統(tǒng)包括紅外測距傳感器、主控電路板。本發(fā)明增加了守門員的防守能力，沒有復雜的機械結(jié)構(gòu)，便于精確控制、快速反應，且極易進行大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利說明】足球機器人守門員自動伸縮架
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種自動伸縮架，特備涉及一種用于足球機器人比賽的守門員自動伸縮架。
【背景技術(shù)】
[0002]機器人足球比賽的設想是由加拿大不列顛哥倫比亞大學教授Alan Mackworth在1992年的論文《On Seeing Robot》中首先提出的,他的目標是為人工智能和智能機器人學科提出一個具有標志性和挑戰(zhàn)性的課題。1992年10月在東京召開的關(guān)于“人工智能領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)”學術(shù)研討會上，與會者認真討論了開展機器人足球比賽對發(fā)展科學技術(shù)的意義，在眾多挑戰(zhàn)性課題中認為讓機器人踢足球是機器人與人工智能領(lǐng)域最具挑戰(zhàn)性的研究課題。機器人足球比賽提出后得到了韓國、日本以及歐美等發(fā)達國家的很多大學和科研機構(gòu)的支持，開展了機器人足球比賽的研究，并選派自己的代表隊參加國際比賽。另外一些有實力的國際大公司如SONY公司、豐田公司、三星公司、LG公司、SUN公司等對世界杯機器人足球賽大力的贊助。
[0003]目前世界上影響和規(guī)模較大的機器人足球比賽組織者主要有兩個，一個是韓國為首的FIRA，另一個是日本為首的RoboCup。RoboCup在日本、歐美都有很大的影響，現(xiàn)已經(jīng)成為世界上有較大影響的機器人足球比賽組織。robocup足球機器人中型組是一項綜合性極強的比賽，其地位相當于世界杯在足球界的地位，比賽的最終目的是到2050年，戰(zhàn)勝人類足球隊。其一年一次的舉辦無疑是機器人屆的一大盛宴，是一種系統(tǒng)性、綜合性極強的科技創(chuàng)新比賽，為促進人工智能的發(fā)展，機器人自動化的進步，有著不可忽視的貢獻。
[0004]機器人足球系統(tǒng)是一個智能自動化程度要求相當高的系統(tǒng)。其整個比賽過程不能有人的干預，就相當于一個訓練好的球員在整個比賽過程自主地感知、判斷、決策、動作。其環(huán)境信息的復雜度及機器人系統(tǒng)本身的復雜度都很高。機器人系統(tǒng)是十分復雜的系統(tǒng)，為實現(xiàn)該系統(tǒng)需要解決大量的理論和技術(shù)問題，涉及很廣泛的研究和【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0005]為了促進足球機器人的持續(xù)發(fā)展，組委會每年會根據(jù)當年比賽情況制定一些新的規(guī)則，以使各參賽放朝著實現(xiàn)人工智能方向發(fā)展，最終規(guī)則將逐漸與現(xiàn)階段人類足球比賽規(guī)則相接近，其中，對于比賽機器人球員的最基本要求之一便是其尺寸要求。
[0006]根據(jù)《2012中國機器人大賽暨RoboCup中國公開賽中型組規(guī)則》規(guī)則4.2基本裝備:每個機器人隊員尺寸必須符合下列約束:
[0007]1.每個機器人外形在地板上投影須符合下列尺寸:最小30cmX30cm,最大52cmX52cm,每個機器人必須擁有各自的配置和執(zhí)行裝置。
[0008]2.場地上的機器人(不包括守門員)在任何時候的尺寸都不得超過52cmX52cm。
[0009]3.當有球射向球門時，守門員可以在短時間內(nèi)擴大它的尺寸(最多不得超過I秒)，擴大的范圍不得超過60cmX60cm的投影尺寸或者90cm的高度限制。守門員必須自己判斷這種情況，但是守門員只有在它的尺寸完全恢復到正常持尺寸限制4秒鐘以后才能再次擴大它的尺寸。另外，只允許在一個方向短時間內(nèi)擴展尺寸(向左、向右或者向上)。[0010]4.機器人的高度必須在40cm到80cm之間(除了守門員，守門員在擴大尺寸時不得90cm)
[0011]由規(guī)則，我們可以發(fā)現(xiàn)，當對方球員射門的一剎那，守門員的防守面積及其防守架尺寸是允許短暫擴大的。當皮球來襲時，守門架的快速反應，并在足球來襲時迅速擴大其尺寸，阻擋皮球進入球門，往往能決定比賽的最終結(jié)果。完善守門員守門能力的關(guān)鍵之一就是增大守門員面積，即擴大守門員的長度與寬度，但是根據(jù)比賽規(guī)則，對守門員的尺寸有一定的限制，只能在短暫時間內(nèi)擴大面積，對于不能擴大防守面積的守門員，其防守面積只能限制在一個狹小的面積內(nèi)，于是他的邊緣便成了極容易被對方攻擊的軟肋，容易被對方鉆孔射門的四角。在國外，有多個參賽隊伍借助其前向視覺解決了這道難關(guān)，但是由于國內(nèi)該技術(shù)研究較晚，目前市場上還是一片空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]在機器人足球隊里，守門員的任務是當皮球來襲時，及時調(diào)整位置與姿態(tài)，以把來襲的足球阻擋在球門外，于是不斷完善射門球員與己方守門員守門能力成為比賽勝負的一個關(guān)鍵。
[0013]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種足球機器人守門員自動伸縮架，避開傳統(tǒng)的利用前向視覺捕捉足球這一難關(guān)，利用傳感器捕捉高速飛行的足球。
[0014]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0015]一種足球機器人守門員自動伸縮架，包括硬件機架系統(tǒng)與電機動力控制系統(tǒng)；硬件機架系統(tǒng)包括守門員的左右側(cè)梁和頂梁，左右側(cè)梁分別通過連桿連接一個側(cè)橫梁，在側(cè)橫梁一端設置滑槽和沿著滑槽滑動的滑塊，滑塊通過螺釘與曲柄相連，能相對于曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄另一側(cè)連接到電機；當曲柄在電機的帶動下轉(zhuǎn)動時，滑塊隨之繞著螺釘轉(zhuǎn)動，進而推動側(cè)橫梁左右移動；電機動力控制系統(tǒng)包括紅外測距傳感器、主控電路板，紅外測距傳感器檢測其視野特定范圍內(nèi)是否有障礙物，當對方球員射門時，足球距離機器人守門員小于該范圍時，就被紅外傳感器檢測到，并相應產(chǎn)生一個模擬電流脈沖信號，傳輸?shù)街骺仉娐钒?，主控電路板根?jù)這一信號，產(chǎn)生一個電流脈沖，驅(qū)動電機產(chǎn)生一個角位移，進而驅(qū)動機架的轉(zhuǎn)動。
[0016]有益效果
[0017]作為一個足球隊，守門員的守門強度無疑是整個團隊是否取勝的重要因素，是整個隊伍防守能力強弱的關(guān)鍵。本發(fā)明實現(xiàn)的守門員伸縮架，好比給機器人守門員增加了一雙可以自由伸展的手臂，極大的增加了守門員的防守能力，當對方球員射門時，能根據(jù)足球的飛行軌跡及時伸出自己的“手臂”進行攔截，極大的增加了守門員的防守能力。本發(fā)明的伸展原理完全借助于最基本的機械模型，包括平行四邊形的不穩(wěn)定性、曲柄滑塊機構(gòu)等。沒有復雜的機械結(jié)構(gòu)，因此便于精確控制、快速反應，且極易進行大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的硬件機架整體結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2為電機與曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3為硬件機架的力學傳遞圖；[0021]圖4為機架安裝圖；
[0022]圖5為電機動力控制系統(tǒng)時序圖。
[0023]圖中，1:側(cè)橫梁，用于伸縮臂側(cè)向直線伸展；2:滑槽，限制滑塊3在沿著側(cè)橫梁上下直線運動；3:滑塊，通過螺釘與曲柄4相連，能相對于曲柄4轉(zhuǎn)動；4:曲柄，兩側(cè)分別與電機5與滑塊3連接，并與它們能產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動；5:電機，提供某一角位移，為機架的動力系統(tǒng)；6:側(cè)梁，支撐橫梁，底部與機器人相連，起支撐作用；7:3mm螺頂孔，其連接各部件與實現(xiàn)轉(zhuǎn)動副作用；8:電機底座；9:連桿；10:曲柄；11:頂部上升梁，能相對于頂梁13上下移動；12:頂部滑槽；13:頂梁，在其下部能通過螺釘與機器人視覺系統(tǒng)頂端固定。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖，具體說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。
[0025]本實施例主要核心部件包括硬件機架系統(tǒng)與電機動力控制系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)實現(xiàn)伸縮臂的自由伸縮以及保證其強度與一定剛度；而電力控制系統(tǒng)主要作用為:檢測足球的飛襲,對這一,清況作出反應并驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。
[0026]硬件機架是實現(xiàn)足球機器人守門員能自由伸縮的部件，如圖1所示，利用平行四邊形的不穩(wěn)定原理實現(xiàn)機架的擴大。其左右邊總體結(jié)構(gòu)為一四連桿結(jié)構(gòu)(由構(gòu)件1、6、9組成)，當搖桿9轉(zhuǎn)動某一角度時，上部的搖桿隨之保持統(tǒng)一角度轉(zhuǎn)動，于是使側(cè)橫桿8彈出，實現(xiàn)了左右兩邊的面積擴大。本實施例設計了多個搖桿9，多個搖桿9的設計，加強了側(cè)橫梁I的力學性能，強度大為改善。
[0027]在力傳導方面，本實施例采用曲柄滑塊機構(gòu)(由電機、曲柄、滑塊、滑槽)予以實現(xiàn)，如附圖2所示。利用曲柄，當曲柄4在電機5的帶動下轉(zhuǎn)動時，滑塊3隨之繞著中心點(螺釘)轉(zhuǎn)動，進而推動橫桿I左右移動，從而實現(xiàn)了由轉(zhuǎn)動向水平移動的轉(zhuǎn)變，大大減少了平行四邊形傳遞位移時存在的位移誤差，而滑槽2的作用便是實現(xiàn)其運動副的統(tǒng)一。
[0028]由于平行四邊形收縮時其總體長度會變長，若將和左右兩邊同樣的平行四邊形構(gòu)架應用于機架上部，其實際尺寸將受到限制而不得不縮短，為了充分利用其空間，我們將上述平行四邊形構(gòu)架改為可直接折疊的結(jié)構(gòu)，如附圖1所示，“T”型上升梁11的底部豎直柄，被頂梁13的兩個位置水平的螺釘“夾住”，兩螺釘?shù)乃街本€距離剛好為底部豎直柄的寬度，以使頂部上升梁11只能相對于頂梁13上下移動，而不能水平移動；而其傳動機構(gòu)不變，在上升梁(11) 一端設置滑槽(12 )和沿著滑槽滑動的滑塊，滑塊通過螺釘與曲柄(10 )相連，能相對于曲柄(10)轉(zhuǎn)動，曲柄(10)另一側(cè)連接到電機；當曲柄(10)在電機的帶動下轉(zhuǎn)動時，滑塊隨之繞著螺釘轉(zhuǎn)動，進而推動頂部上升梁(11)上下移動；從而利用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)其力學傳動。
[0029]整個機架結(jié)構(gòu)的力學傳導途徑如附圖3所示:
[0030]為了提高機架的抗沖擊強度，本實施例對機架的材料選擇也進行了一系列設計。為了提高其抗沖擊強度，提高其轉(zhuǎn)動慣量，以抵抗足球沖擊帶來的彎矩以及變形，本實施例仿照“工”字梁結(jié)構(gòu)，所有受力的橫梁由兩塊木板中間夾幾塊木片疊加而成，使材料的抗沖擊能力加強。
[0031]在機架的固定方面，根據(jù)機器人的結(jié)構(gòu)特點，本實施例采用三個點固定，如附圖4所示的上、中、下三個安裝點，下部利用榫接與機器人固定，中部利用一根橫桿阻擋住因為足球沖擊而后仰的皮球，但是橫梁與機架間又保持一定距離，以使機架受力時具有一定的柔性，中部橫梁利用子母扣與機器人視覺底座相連；上部利用2個螺釘與機器人的視覺頂部相連。
[0032]電機動力控制系統(tǒng)的主要部件包括紅外測距傳感器、主控電路板(CPU)、電池。紅外測距傳感器能檢測到其視野80cm內(nèi)是否有障礙物，當對方球員射門時，足球飛來，當距離機器人守門員小于80cm時，就被紅外傳感器檢測到，并相應產(chǎn)生一個模擬電流脈沖信號，傳輸?shù)街骺仉娐钒濉Ｖ骺仉娐钒甯鶕?jù)這一信號，產(chǎn)生一個電流脈沖,驅(qū)動電機產(chǎn)生一個角位移，進而驅(qū)動機架的轉(zhuǎn)動。
[0033]電機動力控制系統(tǒng)的時序圖如附圖5所示。主控電路板主要實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，是電機電力系統(tǒng)的核心部件。當其接受到由紅外傳感器傳來的電流模擬脈沖信號時，首先判斷該信號距離上一次電機轉(zhuǎn)動的時間間隔是否超過5秒鐘，如果沒有，則電機保持不動，機架不伸縮；如果時間間隔大于5秒，則電機啟動，產(chǎn)生一個角位移，驅(qū)動曲柄4旋轉(zhuǎn)，于是機架實現(xiàn)伸展；當機架伸縮后，機架在原地停留I秒鐘，接著主控電路板再輸出一個相反的電機驅(qū)動信號，驅(qū)動電機反向旋轉(zhuǎn)一個與前面位移相等的角位移，于是伸縮架復位，實現(xiàn)機架的收縮。
[0034]電機是整個裝置的動力系統(tǒng)，根據(jù)電機鎖安放的位置以及其功能，分為頂部電機與側(cè)部電機。頂部電機放置在左側(cè)梁頂部，以驅(qū)動頂部上升梁的伸縮；而兩個側(cè)電機分別放置在機架的左右兩側(cè)，實現(xiàn)左右兩側(cè)伸縮梁11的伸展。
[0035]本實施例在實驗中取得了較好的實驗效果:
[0036]作為一個足球隊，守門員的守門強度無疑是整個團隊是否取勝的重要因素，是整個隊伍防守能力強弱的關(guān)鍵。而足球機器人自動伸縮臂的實現(xiàn)，無疑極大的增加了守門員的防守能力。守門員伸縮架相當于給守門員安裝了一雙可以自由伸展的手臂，當對方球員射門時，能根據(jù)足球的飛行軌跡及時伸出自己的“手臂”進行攔截，再最大限度利用規(guī)則的同時，極大的增加其防守能力。而在沒有安裝守門員伸縮架前守門員防守對方射門的唯一方法就是利用自己的軀干去阻擋對方射來的皮球，防守面積有限，防守能力大打折扣。
[0037]在整體上，本實施例的足球機器人守門員伸縮架的伸展原理完全借助于最基本的機械模型，包括平行四邊形的不穩(wěn)定性、曲柄滑塊機構(gòu)等。沒有復雜的機械結(jié)構(gòu)，因此便于精確控制、快速反應，且極易進行大規(guī)模生產(chǎn)。各部件零件之間的配合方式采用螺釘緊固連接，既可以給機架一定的位移空間增加其柔度，進而加大其抗沖擊強度。也便于比賽前后的組裝拆卸，結(jié)構(gòu)簡單，便于運輸。而且在部分零件損壞后，更換便捷，適合大型比賽快速、穩(wěn)固的特點。
[0038]在材料選擇方面。硬件機架的基本材料為木板或高壓絕緣板，能保證整體機架具有一定的柔性，當遭受大的力學沖擊時，能產(chǎn)生適當?shù)膽π巫兊恢聦е聶C架的損壞。還有伸縮架的橫截面采用2-3塊木板疊合而成，由此增加了材料的轉(zhuǎn)動慣量，進而則增加了其抗扭矩彎曲的能力。
[0039]在硬件機架上，實現(xiàn)動力學傳遞的構(gòu)件為平行四邊形四連桿機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)，避免了復雜的力傳遞，因此，力傳遞、位移傳遞迅速精準適應了競技性比賽的需要。在識別對方守門員射門動作這方面，采用的是紅外測距傳感器檢測足球的來襲，當足球進入傳感器的測距時(80cm)，傳感器檢測到這一信息并相應的輸出一個電流脈沖，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。整個過程不需要大規(guī)模的辨別處理、數(shù)據(jù)計算時間，因此傳動迅速，攔球成功率高。而國際強隊荷蘭隊的守門架采用的是前向視覺識別，利用足球顏色與環(huán)境顏色亮度的不匹配性識別射門這一動作，需要經(jīng)過計算機的數(shù)據(jù)處理計算，因此反應較慢，且抗干擾能力弱。
[0040]整個伸縮系統(tǒng)包括硬件機架、電機自動控制系統(tǒng)，電力控制系統(tǒng)的基本構(gòu)件又包括電池、紅外測距傳感器、主控板(CPU)，而上述系統(tǒng)都是完全獨立于機器人的其他硬件系統(tǒng)，包括電源供電采用的都是自帶的一套電源。這樣做的好處是，一方面該自動伸縮架能適用于任何一款機器人，不受特定機器人的電源控制、視覺控制、主控電路系統(tǒng)的限制。另一方面，獨立的系統(tǒng)使機器人的各部件能夠各司其職，互相之間不受影響，有效的避免了各組件之間的耦合現(xiàn)象。而且假若守門員伸縮架出了故障，機器人守門員仍能執(zhí)行。
[0041]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種足球機器人守門員自動伸縮架，其特征在于，包括硬件機架系統(tǒng)與電機動力控制系統(tǒng)；硬件機架系統(tǒng)包括守門員的左右側(cè)梁和頂梁(13)，左右側(cè)梁分別通過連桿(9)連接一個側(cè)橫梁(1)，在側(cè)橫梁一端設置滑槽(2)和沿著滑槽滑動的滑塊(3)，滑塊(3)通過螺釘與曲柄(4)相連，能相對于曲柄(4)轉(zhuǎn)動，曲柄(4)另一側(cè)連接到電機(5);當曲柄(4)在電機(5)的帶動下轉(zhuǎn)動時，滑塊(3)隨之繞著螺釘轉(zhuǎn)動，進而推動側(cè)橫梁(I)左右移動；電機動力控制系統(tǒng)包括紅外測距傳感器、主控電路板，紅外測距傳感器檢測其視野特定范圍內(nèi)是否有障礙物，當對方球員射門時，足球距離機器人守門員小于該范圍時，就被紅外傳感器檢測到，并相應產(chǎn)生一個模擬電流脈沖信號，傳輸?shù)街骺仉娐钒?，主控電路板根?jù)這一信號，產(chǎn)生一個電流脈沖，驅(qū)動電機產(chǎn)生一個角位移，進而驅(qū)動機架的轉(zhuǎn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種足球機器人守門員自動伸縮架，其特征在于，還包括位于硬件機架系統(tǒng)的頂梁(13)上部的“T”型上升梁(11 )，上升梁(11)的底部豎直柄被頂梁(13)的兩個位置水平的螺釘“夾住”，兩螺釘?shù)乃街本€距離剛好為底部豎直柄的寬度，以使頂部上升梁(11)只能相對于頂梁(13)上下移動，而不能水平移動；在上升梁(11) 一端設置滑槽(12)和沿著滑槽滑動的滑塊，滑塊通過螺釘與曲柄(10)相連，能相對于曲柄(10)轉(zhuǎn)動，曲柄(10)另一側(cè)連接到電機；當曲柄(10)在電機的帶動下轉(zhuǎn)動時，滑塊隨之繞著螺釘轉(zhuǎn)動，進而推動頂部上升梁(11)上下移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種足球機器人守門員自動伸縮架，其特征在于，硬件機架的基本材料為木板或高壓絕緣板，所有受力的橫梁由兩塊木板中間夾幾塊木片疊加而成。
【文檔編號】A63H13/04GK103505882SQ201310292042
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月12日
【發(fā)明者】陳杰浩, 王喻林, 吳嘉豪, 韓峰, 梁宇, 申宇, 符積高, 楊一川, 張雪巖, 徐杰, 齊冀, 張博偉, 馬辰, 閆梓禎 申請人:北京理工大學