阅读说明：本技术 一种斯洛克自动集球与摆球装置及方法 (Automatic ball collecting and placing device and method for siloke ) 是由 汪泉 袁芬 胡沛 曾利磊 胡梦杰 陈晓田 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种斯洛克自动集球与摆球装置及方法,利用带滚动功能的delta机器人与软体机械臂相连,在收集台球的过程中,利用软体机械手能够在台球洞口自由转弯,并通过气动控制实现调入洞口台球的抓取功能；在放球过程中,设计了旋转三角架对15个红色球进行收集与摆放。从而实现了机器人对于台球的自动收集、分类与摆放的功能集成,也在一定程度上提高了集球与摆球的效率。(The invention discloses a device and a method for automatically collecting and placing a snooker ball, wherein a delta robot with a rolling function is connected with a soft mechanical arm, and in the process of collecting the snooker ball, the soft mechanical arm can freely turn at a snout of the snooker ball and realize the function of picking the snout ball by pneumatic control; in the ball placing process, a rotary tripod is designed to collect and place 15 red balls. Therefore, the automatic collection, classification and placement functions of the billiards by the robot are integrated, and the efficiency of ball collection and ball placement is improved to a certain extent.)

一种斯洛克自动集球与摆球装置及方法

技术领域

本发明涉及斯洛克台球辅助仪器，具体地指一种斯洛克自动集球与摆球装置及方法。

背景技术

随着我国经济建设不断发展，人们对机器人技术智能化本质认识加深。机器人逐步应用于人类工作与生活，服务机器人应运而生，其中捡球机器人作为服务机器人的一个重要分支，近几年已成为机器人研究领域的热点。斯洛克这种休闲与竞技并存的娱乐项目深受球类爱好者的喜爱，其中捡球和摆球这两个动作尤为繁琐与枯燥。目前投入市场的台球机器人多为只能实现台球摆放这一单一功能的机器人，无法满足大众对于高效快捷收集与摆放台球的功能需求。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种斯洛克自动集球与摆球装置及方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的斯洛克自动集球与摆球装置，其特征在于：包括带行走机构的机架，所述机架上安装有delta机器人、用于探测球洞是否与球的红外传感器、集球框和三角框，还包括控制模块和定位模块；

所述delta机器人上连接有软体机械臂，用于集球和摆放非红色的球；

所述集球框位于软体机械臂下方；

所述三角框通过转动机构连接在机架上，并能旋转到集球框外部；

所述机架底部设置有行走装置；

所述控制模块控制行走机构、delta机器人以及软体机械臂用于集球和摆放，还能用于识别球的颜色；

所述定位模块包括相互配合的位置坐标装置和识别装置，所述识别装置属于控制模块的一部分。

进一步地，所述软体机械臂前端设置光导纤维，利用内部光强变化检测机器人的触觉或变形，通过级联反馈曲率控制算法，可迭代雅可比矩阵计算出每一步需要的曲率。再利用气动改***体结构的变曲率达到精确控制软体结构的抓持，弯曲与放松动作。

进一步地，所述集球框用于收集红球，所述三角框用于收集非红色的球。

本发明还设计了一种如上所述的斯洛克自动集球与摆球方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1捡球：当装置按设定路线行走时，红外传感器检测到附近有球时，软体机械臂向下运动对桌面球进行抓取收集，当运动到球洞附近时，软体机械臂向下运动，完成洞内球体的抓取；利用内部光强变化检测机器人的触觉或变形，通过级联反馈曲率控制算法，再利用气动改***体结构的变曲率达到精确控制软体结构的抓持，弯曲与放松动作。

S2集球：本装置通过摄像头对识别的桌球颜色进行判断，若为红球，则放入三角框中，若为其他色则放入集球框中；

S3摆球：对于非红色的桌球，装置通过预设的位置坐标装置找到球所需要摆放的位置，控制模块控制软体机械手依次摆放；对于红色的桌球，装置利用三角框继续带球运动，当找到红球需要摆放的位置时，转动三角框，红球脱离球框，一次性摆放好15个红球。三角框是空心的，在水平方向拖着球一起运动。

本发明的优点在于：利用带滚动功能的delta机器人与软体机械臂相连，同时对delta机器人进行(x,y,z)位置定义，可以满足快速精确地对台球进行定位、抓取与收集；在放球过程中，设计了一套旋转三角架实现对15个红色球进行收集与摆放，其余球类用软体机械手进行摆放。因此从台球收集及摆球等功能原理上进行了创新设计与组合。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明的本发明的的俯视结构示意图。

图3为本发明的软体结构手结构示意图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为delta机器人机械臂间连接关系图。

图6为软体机械手向下捡球初始状态图。

图7为软体机械手开始发生形变状态图。

图8软体机械手抓取到球状态图.

图9为旋转三角框旋转过程图。

图10为黑球收集效果图。

图11为红球收集效果图。

图12为旋转三角框与电机结构示意图。

图中：麦克那姆轮1，轮子轴2，机器人外框3，红外传感器4，红外支架5，动平台6，双摇杆机构7，旋转臂8，静平台9，气动装置10，软体机械手11，电动机12，旋转三角框13，摄像头14，旋转轴15，气动导管16，驱动系统17，连接件18，供电系统19，联轴器20，密封圈21，滚动轴承23，套筒25，轴端挡圈24、26。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

下面结合附图对本发明做更详细的描述，本发明的组成部分包括：麦克那姆轮1，轮子轴2，机器人外框3，红外传感器4，红外支架5，动平台6，双摇杆机构7，旋转臂8，静平台9，气动装置10，软体机械手11，电动机12，旋转三角框13，摄像头14，旋转轴15。

本发明所设计的斯洛克自动集球与摆球装置，是一种既能完成球类识别与收集，又能实现球类定点摆放功能的装置。其总体机构如图1，2所示。包括带行走机构的机架，机架上安装有delta机器人、用于探测桌面及球洞内是否有球的红外传感器、集球框和三角框，还包括控制模块和定位模块；

delta机器人上连接有软体机械臂，用于集球和摆放非红色的球；

集球框位于软体机械臂下方；

三角框通过转动机构连接在机架上，并能旋转到软体机械臂上方；

机架底部设置有行走装置；

控制模块控制行走机构、delta机器人以及软体机械臂用于集球和摆放，还能用于识别球的颜色；

定位模块包括相互配合的位置坐标装置和识别装置，识别装置属于控制模块的一部分。位置坐标装置设置在球桌上，用于本装置在摆球时定位球的位置。本发明中采用位移传感器和红外传感器实现。

斯洛克台球自动集球与摆球装置的工作原理如下:delta机器人连接软体机械臂11，对delta机器人进行(x,y,z)位置定义，通过电机运动可使delta机器人运动，进而带动下端软体机械手的运动。软体结构可连续变形，从原理上可以实现无限自由度，并且具有良好的安全性与柔顺性，这些特点恰好贴合了台球抓取所需的条件。在集球过程中，当灰度传感器识别到到达球洞附近时，三角框13旋转180度，气动软体手向下运动到达洞中，气动软体手通过气动控制变形，在铁丝网27上捡到球28后返回，若摄像头判断球的颜色为红色，气动软体手将球放到三角框中；若摄像头14判断球的颜色为其他颜色，则放到机器人的下端框内，完成所有球的收集后，机器人通过传感器4找到预设的点对球进行摆放斯洛克比赛开局各种颜色的球的位置。在放球过程中，旋转三角框13对15个红色球进行收集与摆放，其余球类用软体机械手进行摆放。放球过程以红球为例，当找到对应的点后，机器人的三角框旋转180度，此时机器人便可放下球离开，进行其他颜色球的摆放。

本发明采用旋转三角框对15个红色球进行收集与摆放，不用重复多次捡球，且旋转三角框与电动机直接相连，速度较快，从而提高了集球与摆球的效率，在功能上delta机器人与软体机械臂相连，取球过程定义的是球洞的位置，可反解出电机旋转角度，控制电机旋转角就可以实现定位了。可参考3D打印技术。摆球过程定义桌面位置，同时对delta机器人对进行(x,y,z)球洞位置进行定义，可以满足快速精确地对球进行定位与抓取与收集，软体机械手的变形可抓取球洞中的球，在放球过程中，通过摄像头识别颜色，依次摆放，从而实现了机器人对于台球的自动收集、分类与摆放的功能集成。颜色识别采用的时灰度传感器。

抓取与摆放机构如图4所示，delta机器人为现有技术，技术已经非常成熟，国内已广泛应用与3D打印机等设备，delta机器人具有高速度、结构紧凑等特点，本专利涉及到的delta机器人的空间定位原理，是采用的位置逆解方式，通过设定所需到达位置，求解与机械臂相连的六个电机的旋转角度。而实际过程是这个过程的逆向过程。delta机器人机械臂间的连接关系如图5所示，该机械臂通过转动机构连接在机架上，转动机构由控制模块模块，实现机械臂连接的软体机械手上下运动。抓取桌面球该装置的状态图如图6所示，抓取球洞内的球该装置的状态如图7，8所示，收集红球状态图如图8所示。旋转三角框与发电机之间的传动结构工程图如图12所示。

本发明中气动装置与软体机械手的结构示意图如图4所示，该装置为气动软体结构，软体部分11采用超弹性硅胶材料，使其可以伸长收缩，驱动为基于流体的变压驱动，气动装置包括气动导管16，驱动系统17，连接件18，供电系统19,。本作品选择的驱动方式为气动，一方面气动介质重量轻，来源广泛，另一方面气动不污染环境，不会产生工业废水。选用电池供电的集成化驱动系统。利用电动推杆直接驱动汽缸，软体抓持部分迅速响应，对球进行抓取。在软体结构中前有光导纤维，利用内部光强变化检测机器人的触觉或变形，通过级联反馈曲率控制算法，可迭代雅可比矩阵计算出每一步需要的曲率，再利用气动改***体结构的变曲率达到精确控制软体结构的抓持，弯曲与放松动作。delta机器人连接软体机械臂，对delta机器人进行(x,y,z)位置定义，通过电机运动可使delta机器人运动，进而带动下端软体机械手的运动。

具体功能实现的详细描述如下：

1、捡球。当该装置上的红外传感器检测到附近有球时，电机带动delta机器人运动，最终软体机械手向下运动，完成桌面球的抓取，其中delta机器人的结构如图6所示，对于球洞中的球，本作品采用气动控制的软体机械手抓取。当机器人运动到球洞附近时，并联机械臂旋转带动软体机械手向下运动，如图7所示。当软体机械手到达球框底部时，通过气动控制的软体机械手发生弹性形变，抓取台球28，如图7，8所示。

2、收集球。当机器人捡球时识别球，发现该球是红球时，旋转三角架旋转180度，如图9所示，将红球放入三角架中，当机器人捡球时识别到为其他颜色的球时，将球放入机器人下方的框子内，非红球收集效果图如图10所示，红球收集效果图如图11所示。

3、摆放球。机器人通过预设坐标找到球(红球以外的球)所需要摆放的位置，软体机械手依次摆放；机器人利用三角框继续带球运动，当找到红球需要摆放的位置时，三角框旋转180度，红球脱离球框，一次性摆放好15个红球。

其中，旋转三角框13与电机的连接关系工程图如图12所示。主要零部件有：电动机12，旋转三角框13，旋转轴15，联轴器20，密封圈21，滚动轴承23，套筒25，轴端挡圈24、26。通过电机带动旋转周15运动，实现旋转三角框的翻转，从而在集球和摆球时使用。

以上为本发明较佳的实施方案，本发明所属领域的技术人员还能对上述实施方案进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方案，凡是本领域技术人员在发明的基础上所做的显而易见的该改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。