CN107685788A - 一种足球机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种足球机器人，其包括感应***、控制***和行走机构，所述感应***采集信号并传送给所述控制***，所述控制***发送控制信号控制所述行走机构，所述行走机构包括：第一撞击平台、第三撞击平台和驱动所述机器人重心倾斜装置，机器人活动灵活，驱动速度快，优化撞击平台设计，多电机联动控制，可以实现长时间带球运动、盲动、快速反应等。

Description

一种足球机器人

技术领域

本发明专利涉及一种足球机器人，尤其是实现盲动和具有优良对抗性的新型足球机器人的活动关节及以下部分。

背景技术

目前高度专业化、智能化的足球机器人已经面世，并且在世界足球机器人大赛中被应用，这种足球机器人的比赛，例如FIRA国际机器人联合会和ROBOTCUP国际机器人足球世界杯赛，带有很强的观赏性和趣味性，受到了世界人民的喜爱，尤其是机械工程师、电子工程师，甚至是计算机软件工程师的热爱。参加这种对抗足球赛的机器人，要有灵活的运动关节和指挥运动的大脑以及强有力智能控制装置。现在的机器人，大都是模仿人的运动关节来制造的，但是这种理念相对成熟，但是想让机器人在足球控制和多个及其人之间具体协调和配合，显得非常的笨拙，因为机器人本身没有太多的感知，以及没有灵活的机械运动能力，尤其是关节的运动控制要伴随着一系列的指挥才能实现。

在ROBOTCUP国际机器人足球世界杯赛中，每个人控制一个机器人，通过遥控器或者智能手柄来实现机器人对足球的控制，实现队伍之间的足球配合，这个过程仍然是人的智力活动和肢体动作参与到机器人足球大赛中，是一种人的游戏运动，就像是按照足球的规则赛玩具车，观赏性不够大。另外，在控制足球机器人的过程中，通常会有允许机器人之间产生碰撞的冲突，这就要求机器人具有很高的灵活性和抗冲击力，甚至是极快的反应速度。而在现有的升级后的足球机器人比赛中，要求机器人完全智能控制，不需要人作为足球机器人的选手参与足球机器人比赛，这对机器人高速移动以及精确定位球场上的其他机器人等提出了很高的要求。因此需要一种能够灵活自动控制的足球机器人的关节，能够在其他检测信号给出指令的情况下，采用高速灵敏转动的步进电机来带动足球机器人按照控制实现足球机器人的比赛。

在现有技术中公开了一种串并联混合的仿人足球机器人腿部机构，包括依次铰接的髋关节、两个大腿连杆、膝关节、两个小腿连杆、踝关节和脚板，小腿连杆的下部左右两侧均固定安装有踝关节驱动单元，两个踝关节驱动单元的旋转轴线重合，其背部通过第一踝关节紧固块和第二踝关节紧固块相连，两个踝关节驱动单元的背部转轴之间通过轴承相连，等机械结构，解决了现有技术腿部机构惯量过大、刚性不足的问题；但是这种机器人的结构仍然在智能化和灵活性上存在不足，无法适应现代足球机器人的比赛。还有，现有技术中如申请公布号为CN 205022730 U公开过一种人形机器人的腿形改良结构，主要将人形机械人下架具组成的两侧腿形架构，依平行杆相互组接，其中中段连结处设以电机锁固定定位，构成一膝关节状，配合平行连杆上端及与脚板连结底端，分别以伺服电机马达做不同轴向的转控连结，构成类似腿部的曲弧转控操作，通过平行连杆的组装，使机器人架撑定位时马达的出力，可收到省力安全且稳固确实的人形安全操控目的。但是这种支架结构，稳定性好灵活性不足，

对机器人的行走速度有很大的限制。且腿部惯量太大，不利于长时间行走情况。在长时间的行走下，惯量太大会导致机器人能量损耗过高的问题发生。

在另一篇专利文献中，公开了一种具有双球形髋关节机构和7自由度腿部的仿人机器人下肢结构，其中髋关节3个自由度，踝关节3个自由度，膝关节1个自由度，髋关节采用双球型机构，即六个旋转轴交于一点，这样在膝关节和踝关节不动作的时候，使仿人型机器人在不增加关节的情况下实现腰部功能，这种机器人的灵活性相比上一篇专利文献中的机器人灵活性大大提高，但是自由度的增加，使得仿人机器人的腿的控制需要更多的芯片计算部位运行的方式以及更多的传感器来控制机器人，操控指令非常复杂。在现有技术中公开的另一种机器人腿机构，包括基座和运动平台，基座通过传动机构与运动平台连接；传动机构包括固定在基座上的电机和与电机连接的运动单元；运动单元包括能使机器人腿机构向后摆动的第一运动单元和使运动平台下压或上提的第二运动单元；第一运动单元包括一顶端固定在基座上的支撑杆，与第一电机连接第一丝杆机构和一与运动平台铰接的第一定长杆；第一定长杆包括直杆部分和向外凸出的凸块部分，支撑杆的与直杆部分铰接，第一丝杆机构与凸块部分铰接；第二单元包括与第二电机连接的第二丝杆机构和与运动平台铰接的第二定长杆，第二丝杆机构与第二定长杆铰接；这种机器人用于足球比赛的好处是结构简单，承载能力强，体积较小，加工和装配工艺性好的优点，在对抗中占有一定的优点，由于这种机器人的腿部没有膝关节，运动性能不灵活，在控制进程中显得非常的笨拙，不适应现有的足球对抗赛。

在现有技术中，中国专利2014102998879中公开了一种一种基于蚁群算法的机器人足球动态决策装置及其方法，基于人类足球战术理念的优越性和蚁群算法在动态环境中寻找最优路径的高效性，提出了一种基于蚁群算法的机器人足球动态决策装置及其方法，通过将赛场局势和状态进行分析提炼，并将机器人战术任务效果作为反馈，以决策、评估、再决策的方式，做出最适合当前态势的策略，有利于提高己方战术策略的针对性和有效性，具有一定的动态自适应能力；公开了一种基于蚁群算法的机器人足球动态决策装置，包括以下几个模块：信息监测与提取模块、态势评估模块、动作决策模块、以及效果评估与反馈模块，信息监测与提取模块用于完成对球场信息的提取，态势评估模块对提取的球场信息进行数据处理与分析，对球场态势做出整体评估，评估结果分为攻势、较攻势、均衡、较守势、守势及危机，动作决策模块基于态势评估模块的评估结果，在有限的机器人小车动作组中，以一定的概率进行动作决策，选取下一进行的动作方案。

本发明是模仿人的灵活关节的腿的结构，采用步进电机或者控制电机控制关节的活动，在相应的活动比例下，严格控制机器人的步伐的进退，这种电机的控制是建立在相应的控制结构以及运算方式下实现的，这样能够保证足球机器人灵活的运动和躲避对抗中的冲击，并且头部的传感器使得其能够获得好的视觉效果，产生较好的空间判断，以及足球追踪能力，能够在简单结构，下完成智能控制，甚至与其他足球机器人之间产生信息共享，完成团队的合作，并且这种机器人采用新的结构设计，制造容易，成本不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，制造容易，灵活运动，成本不高，操作简单的机器人结构，采用良好的关节设计和步进电机之间的安装配合，以及电机控制、信息采集和优良的计算机算法等，克服了现有技术中操作难，及其人不灵活，不能够在运行中精准控制，完成带球奔跑、躲避对手冲击等作用。

足球机器人包括感应***、控制***和行走机构，所述感应***采集信号并传送给所述控制***，所述控制***发送控制信号控制所述行走机构，其特征在于，所述行走机构为膝部及其以下部位，所述行走机构包括：第一撞击平台、第三撞击平台和驱动所述机器人重心倾斜装置，第一撞击平台下有安装有多电机同步控制的脚部部件。

本发明专利与同类智能机器人相比，本发明专利采用了模仿了人类活动的膝关节及以下部件采用双驱动模式驱动一个滚轮，驱动速度快，机器人活动灵活，反应迅速；优化撞击平台设计，可以实现长时间带球运动；采用了盲动设计，反应灵活；采用了视觉***与压力传感***同时监控，并且根据足球与机器人之间的距离设置监控选择了优先信号设置方式，实现了盲动与自动的控制；采用了良好的电机控制电路，能够实现多电机联动控制，实现了足球机器人的快速反应，等等。

附图说明

图1是现有技术中的一种足球机器人。图2是本发明专利的足球机器人的膝部及膝部以下部件结构示意图。图3、图4是本发明专利的足球机器人膝部及小腿转动部件的部分剖面示意图。图5是足球机器人部分示意图。图6为本发明足球机器人控制电路示意图。图7为本发明足球机器人对视觉***镜面成像示意图。图8是本发明足球机器人的视觉控制***框架图。图9是本发明足球机器人的控制***的网络图原理图。图10是本发明足球机器人的视觉***及控制原理图。图11是本发明足球机器人的电机控制电路原理图。

具体实施方式

图1是现有技术中的一种轮式足球机器人，足球机器人包括位于上板与下板之间的运动电机机构，固定于下板上的平射机构和吸球机构，固定于上板上，位于上板中间的挑射机构，上板与下板平行设置，通过圆柱支撑件联接，挑射机构包括固定于上板的挑射拉杆组件和固定于下板的挑射铲组件，挑射拉杆组件与挑射铲组件通过挑射滑架活动连接，平射机构的平射铲子来回穿梭于挑射铲组件形成的击球口或者来回穿梭于吸球机构形成的吸球口。电机通过减速箱与全向轮相连把运动传递给全向轮，从而使全向轮能够顺利的运转；本发明提供一种体积小且功能完善的足球机器人，可实现全向移动，吸球、平射、挑射等动作，并且集成度较高，结构紧凑，有效利用空间。这种机器人的缺点是功能过多，中央处理器无法分开计算，并且传感器感应不够灵敏，传感器与电机等配合的相应不够快，无法在足球比赛中较快的实现进球。

本发明是一种足球机器人，其中包括感应***、控制***、行走机构，行走机构主要包括模仿了人类活动的膝部及其以下部位，如图2所示，本发明的膝部及膝部以下部件，具体地包括，柔性外壳123、第一撞击平台1、驱动组件2(包括21、22、23)、蜗杆(包括由上到下的三个涡杆(下部蜗杆120、上部蜗杆121、中间蜗杆123)、第二工作平台4、涡轮5(包括涡轮51、52)、第三撞击平台6、第一工作平台7。第一撞击平台1和第三撞击平台6之间的部件(蜗轮、蜗杆、驱动组件、第一工作平台、第二工作平台等) 组成机器人重心倾斜装置，加速机器人快速启动。

体现在机器人上，第一撞击平台1上固定有一对1字型上支撑臂(第一对上支撑臂)，该对上支撑臂之间安装有T字形状的第一支撑架，该第一支撑架上安装有第一蜗杆120，第一蜗杆120连接下部驱动组件23，下部驱动组件23带动第一蜗杆旋转，第一蜗杆120驱动第一蜗轮52转动。第一蜗轮52带动第一蜗轮轴32旋转，第一涡轮轴32上固定安装有第一蜗轮52以及支持第二工作平台4的1字型第一对下支撑臂，第二工作平台4随着第一下支撑臂转动而左右转动，实现机器人左右摇晃。

中部蜗杆122通过驱动组件22驱动，中部蜗杆122安装在倒T字形状的第二支撑架上，该第二支撑架固定安装在第二工作平台4上，第二工作平台4上同时安装有一对1字型第二支撑臂(未标号，图中已示出)，该第二支撑臂与T字形状的第二支撑架互为十字形设置于第二工作平台上，其中1字型第二支撑架的高度高于T字型第二支撑臂。1字型支撑架上装配有第二蜗轮轴31，该第二涡轮轴在1字型支撑架上旋转带动支撑第一工作平台7的双臂式第二对下支撑臂转动，带动机器人的身体前倾或者后仰。

上部蜗杆121的两端通过轴承固定在L型轴承支架30上，上部蜗杆121能够相对支架顺时针或者逆时针转动，其中上部蜗杆121在远离上部驱动组件21的一端连接在轴承支架30，轴承支架30上部连接第三撞击平台6，轴承支架30下部连接第一工作平台7，上部蜗杆121与蜗轮5之间通过行星锥齿轮结构(图中未示出)驱动第二蜗轮51转动，为了快速响应，其中上部蜗杆121和中部蜗杆122可以同时驱动蜗轮 51转动，保证转动的及时性和精准性。其中第二蜗轮51顺时针和逆时针的转动可以带动第二涡轮轴31转动，第二涡轮轴上的两个双臂式支撑臂支撑第一工作平台7，第二蜗轮转动方对应对机器人的前面和后面，也是保证机器人快速前移、后移的重要措施之一。

驱动组件21、22、23包括，驱动电机、电机架以及电机控制装置，可实现绕X、Y、Z三个轴的旋转运动；其中电机控制装置的信号是根据感应***的信号(视觉***信号和传感器信号)进行控制，具体控制方式的内容在下面进行独立描述。中央处理器在视觉感应***没有下达命令的情况下，作出驱动足部运动的命令，该命令传送给足部的转动轮，让其作出相应的运动，具体的操作方式在后面的驱动电路中说明。

第一撞击平台1和第三撞击平台6为圆角方形，在每个方向上都安装有压力传感器，第一撞击平台1 上的传感器111、第三撞击平台6上的传感器311为压力传感器，这些压力传感器可以是常见的传感电子元件。通常根据撞击平台的大小来设置传感器的多少，和中央处理器对传感器的编号，这种编号在中央处理器的数据处理中作为计算机编程的参考值。压力传感器111、311可以感知足球撞击时候的力量和方向，其中通过撞击的力量和方向判断足球撞击后运动方向。

足球在运动中撞击到第一撞击平台、第三撞击平台的时候，会发生弹性形变，其中形变的过程反应出受力的大小，足球撞击初期，为压缩形变，该过程中其运动速度逐渐减小，当速度减小到0后，足球发生膨胀的形变，逐渐恢复球形，该形变中足球做反方向的运动，形变越大弹出的速度越快。本发明中充分利用了足球的形变过程，在压力传感器达到最大压力的时候，根据压力方向，中央处理器驱动机器人运动，这种方式使得机器人的运动要早于视觉上看到足球变化后才运动，因此这种机器人能够比其他仅依靠视觉运动的机器人的反应速度更灵敏，充分模仿了有灵感的足球运动员。

外壳123为柔性褶层材料，连接在第一撞击平台1和第三撞击平台6之间。外壳123包覆了第一撞击平台1和第三撞击平台6之间的所有装置部件，使得膝部转动部件在转动中不受足球撞击的影响，并且保证了在足球运动中放置其他足球机器人倒地等动作影响了，为第一撞击平台1和第三撞击平台6之间的活动，起到了安全防护作用。尤其是，柔性材料可以防止其中控制驱动部件的线路被撞击，产生信号误差或者短路等故障，克服了普通足球机器人在对抗中机器人遭遇撞击后突然失灵的情况。

第一撞击平台1为圆角的正方形，正方向的角为带有弧度的圆角，圆角的弧度很小，为了便于控制，圆角处不再设置传感器。第三撞击平台6也为圆角的正方形，正方向的角为带有弧度的圆角，圆角的弧度很小，为了便于控制，圆角处不再设置传感器。由于带有弧度的圆角的宽度最大，在实验数据中显示，这种带有弧度的圆角与对手撞击的概率与足球撞击概率的比例大致为11:1；在计算机仿真中，甚至在某些实验中足球机器人之间的撞击远远的超过了与足球撞击的概率，由于其他足球运动机器人的设置通常中间比较大，因此第三撞击平台6撞击其他足球机器人的概率大于第一撞击平台1撞击其他足球机器人的概率。近似正方形的第一撞击平台1或者第三撞击平台6，保证了在足球比赛的对抗中，可以使用第三撞击平台 6撞击其他足球运动机器人，使用第一撞击平台较多的撞击足球；因此第三撞击平台6的面积要稍大于第一撞击平台1的面积。在模拟对抗实验中，上述设计的足球机器人，能够较好的满足足球对抗和进球。

在本发明中，另一实施例中，将第三撞击平台6的厚度设计为比第一撞击平台1厚，大约是第一撞击平台厚度的2倍。第一撞击平台1与第三撞击平台6的上表面的面积大小略有不同，第一撞击平台6***的边长仅大于第三撞击平台1***边长2-5厘米；两者之间的不同仅在还于撞击面的厚度不同，其他方面都是相同的。第一撞击平台1与第三撞击平台6之间的距离小于足球的直径，小型组比赛规则中规定机器人的尺寸为直径小于18厘米，高度小于15厘米，防止足球卡在两者之间，以及确保撞击足球的部位在第一撞击平台1或者第三撞击平台6。第二平台4的面积小于第一撞击平台1或者第三撞击平台6的面积，足球在弹跳或者空中行走中不会撞击到第二平台。这种设计保证了足球仅撞击第一撞击平台1，或者同时撞击第一撞击平台1与第三撞击平台6，或者仅撞击第三撞击平台6。

同时撞击第一撞击平台1与第三撞击平台6时候，由于第三撞击平台6的面积大于第一撞击平台的面积，大多概率下足球会优先接触第三撞击平台6，使得足球的运动方向是向前下方运动，有利于机器人控制足球前进；实现机器人带球运动的情况。这种设计是以前的足球机器人不具有的功能。

图2是本发明另一实施例中足球机器人下部整体的大致结构示意图。在另外的实施例中，针对某些具有攻击性的机器人，膝部转动部件的外壳123为俩段的不锈钢的外壳，确保在对抗中不被卡坏，这种设计使得机器人的腿部更像人的腿。在图2中示出了这种结构。图2中，还将机器人脚部部件设计为近似矩形，是将防护罩放置在了滚轮的外面，在机器人运动中仍然是靠内部的滚轮来运动，这种设计使得机器人更像人类。机器人脚部部件的结构在下面说明。

本发明膝部转动部件采用了涡轮蜗杆***传动的，该膝部转动部件利用涡轮蜗杆传动单级传动比大、结构紧凑，传动平稳、无噪音，具有自锁功能等优点，大大提高空间利用率，减少机构质量，从而达到降低驱动装置负担的目的。

足球机器人的第一撞击平台1下面安装有机器人脚部部件，是驱动机器人行走的主要部分，该部分包括了滚轮101、步进电机103、万向节104、防护罩102等部件。机器人脚部部件带有四个滚轮101，分别设置在第一撞击平台1的下面，且从上面直视的时候，不裸露出第一撞击平台1，在图2中示出了三个。也就是，在足球运动中，确保不会有足球撞击到滚轮。每个滚轮101的上面通过步进电机103驱动，万向节104连接步进电机103和第一撞击平台1，四个滚轮设计在第一撞击平台1的四个角上，在步进电机103 的驱动下，可以同时驱动滚轮101转动(滚轮为全向轮)，驱使足球机器人朝着一个方向运动，这种足球机器人的通常是通过在运动中撞击足球，或者在其他足球机器人撞击足球，使得足球运动后，撞击到第一撞击平台1或者第三撞击平台6上，使得足球运动。由于当前的足球机器人撞击足球的力度都不大，并且机器人足球赛中足球的大小比一般的足球小很多，所以大部分足球活动会撞击到第一撞击平台1。防护罩 102安装在万向节104的侧边，用于防护万向节104、步进电机103，以及罩住部分滚轮101。在优选的实施例中，可以选择部分视觉感应***安装在防护罩内，视觉感应***观测足球的运动方向，直接对步进电机103作出驱动命令。在本专利中，中央处理器在视觉感应***给出的信号中，足球在球场内且不在球网内的时候，中央处理器给出的信号就是足球机器人紧靠足球，让足球在机器人的撞击下不断向对方的球网前进。也就是，模仿足球运动员带球的活动，这些活动的作出通过中央处理器的指令来完成。其中的步进电机可以更换成控制性能更好的无刷直流电机，但是这种更换会显著提升成本。

另一实施例中，第一撞击平台1、第三撞击平台6是质地轻强度高的材料，防护罩是强度高的合金材料，例如铝合金；滚轮使用全向轮，可使足球机器人在运动过程中保持自身姿态不变，滚轮设有防撞挡块，能在对抗中有效的防止全向轮因碰撞导致的失效和变形。

本发明的另一个实施例中，脚部部件的高度h₁略微小于足球高度h₂的(√5-1)/2倍，在叠加上第一撞击平台1的厚度h₃的一半的时候，即第一撞击平台1的中心距离地面的高度H＝h₁+h₃/2＝(√5-1)h₂/2，在足球碰击第一撞击平台1的时候，足球的重心在脚部部件的下面，这样使得足球的受力方向倾斜向下于地面，这种机器人可以在使得足球总是在自己的附近，而不远离足球机器人，在设定足球机器人的奔跑速度的时候，根据足球的受力和足球的弹性系数，通过建立数学模型，可以在计算机仿真的实验中，可以通过传感器明确的确定足球的离开第一撞击平台1的速度和角度，这种数学建模的求解、验证、再分析、修改假设和在求解的迭代中由于参量比较少，数据是相对确定的。

在模拟的足球比赛中，足球撞击第一撞击平台1，或者同时撞击第一撞击平台1与第三撞击平台6，或者仅撞击第三撞击平台6的概率基本上稳定在:27：2:1。这种统计的概率，为中央处理器作出优先具体的电机给出了选择，因此只要是足球撞击第一撞击平台1就优先驱动步进电机103，而不是其他的传动机构，保证足球机器人和足球的运动同步。如果作出的判断是错误的，那么根据视觉传感***给出的足球位置，作出调整。

图3、图4是膝部及小腿转动部件的部分剖面示意图，本发明的机器人膝部及小腿转动部件模仿了人类活动的方式，采用了多级的齿轮机构，下面是仿真实验中针对本发明的建模，下面的建模有利于理解本发明。转动部件在运动输入量分别为θ₁，θ₂和θ₃，输出量为ψ₁，ψ₂和ψ₃，其中上部蜗杆121的转动的运动输入量分别为θ₁，驱动下部锥齿轮转动带动蜗轮51旋转，固定在第二涡轮轴上的支撑臂随着轴转动，输出量为ψ₁，这种输入量是相应的驱动电机给出的，而输出是为上部蜗杆121对应的下面的涡轮51 的变化给出的，这种结构对应图2中最上层的齿轮结构。同样的结构使得中部蜗杆122的运动输入分量θ₂对应的涡轮51的第二蜗轮轴的输出量为ψ₂；下部蜗轮120对应输入量为θ₃对应的涡轮的输出量为ψ₃。这些对应量的变化是通过具体的差动公式，在大量的实验数据下模拟计算的公式来实现的。膝部及小腿转动部件传动路线如下：运动输入量θ₁单独实现膝部转动部件的直齿轮z₁绕机座轴线的转动ψ₁，运动输入量θ₂通过蜗杆运动量L₂带动的直齿轮运动z₂和直齿轮运动z₁，涡轮运动z₅将运动传递给行星锥齿轮运动 z₆；输入量θ₃通过蜗杆运动L₃带动的直齿轮运动z₃和直齿轮运动z₂，涡轮运动z₁₀将运动传递给行星锥齿轮运动z₁₁将运动传递涡轮给了组成的差动机构，实现膝部转动部件的转动ψ₂和ψ₃，作出屈膝的两个输出运动。图5是足球机器人部分示意图。基于这种结构的实验室仿真公式的建立，输入量和输出量的运动关系公式：

ψ₁＝θ₁……(3.111)

ψ₂＝1/2(θ₂-θ₁)z₁ z₂ z₅ z₆/L₂……(3.112)

ψ₃＝1/2[(θ₃-θ₂)z₃ z₂ z₁₀ z₁₁/L₃-1/4(θ₂-θ₁)z₁ z₂ z₅ z₆/L₂] ……(3.113)

这种机器人腿部变换的矩阵公式为：R＝R[ψ₁₍θ₁₎,ψ₂(θ₂),ψ₃(θ₃)]下面是实验室中仿真计算的一部分数据，供了解机器人运动。计算机对应于广义速率的广义主动力F_θ1为

计算机对应于广义速率的广义主动力F_θ2为

计算机对应于广义速率的广义主动力F_θ3为

然后，计算对应于广义速率的广义惯性力根据(4-11)代入已知数据算得广义速率

引起的广义惯性力为

计算对应于广义速率的广义主动力为：

计算对应于广义速率的广义主动力为：

将所求得的广义主动力F_θ1～F_θ3和广义惯性力代入式(4-13)即可得到机器人的动力学方程：

求解(4-13)得到关节的驱动力矩为：

根据足球机器人的实际工作要求，设定膝关节1～3的最大角加速度为最大角速度为在Solidworks软件中可以自动计算连杆L₁～L₃的惯性参数所示，将上述已知值代入(4-14)通过数值仿真得到各关节的驱动力矩τ₁～τ₃。同时运用软件仿真得到各个关节的驱动力矩，比较发现数值仿真结果与软件仿真结果无明显差异，说明本节建立的动力学方程是正确的。

盲动设计

本发明的在建模的过程中使用了常用的数学建模软件SAS，这种软件下的在不复杂的编程下就可以实现，实验中也使用过MATLAB软件来实现，这种实现方式的数据分析没有SAS的数据分析简单，两者的实验效果因为这种机器人的设置比较优良，足球机器人的抢断和带球效果都好于其他机器人。在撞击的同时，中央处理器就可以指挥机器人的脚部部件的步进电机103快速响应，每次给其一个通信信号，让步进电机 103转动两周或者更多，带动滚轮转动至少一周，提前移动机器人，这种盲动，即不再视觉感应***的指令下，仅仅依靠传感器的感应就调整机器人运动，使得机器人的反应快于普通的足球机器人近半个身位，确保了在带球运动中，能够保持对足球的长期控制权。机器人的盲动设计，表现本发明的另一个发明点上，压力传感器给予的信号优先于视觉感应***中采集的视觉信号。如果压力来自于足球，这种跟着足球的运动的轨迹是容易理解的，也是通过软件编程容易实现的。但是在第一撞击平台1和第三撞击平台同时碰撞的过程中，则设定第一撞击平台1上的传感器信号优先于第三撞击平台上的传感器信号，优先执行第一碰撞平台的信号，步进电机驱动管轮向着足球的方向蛇形运动。仅是第三撞击平台撞击到其他机器人，则根据视觉感应***中给出的足球位置，优先于执行视觉感应***给出的信号。这种信号的判断是基于将足球作为最先级别的目标，追赶足球，带球，撞击足球，避开其他障碍物的设计，最大程度的满足长时间控球，而不是与其他足球机器人之间的纠缠。

图6为本发明足球机器人控制电路示意图。该图清楚的表述了足球机器人的膝盖部以下的控制原理和过程。视觉感应***中视信号装置提供的视觉信号传送给足球机器人的中央处理器(CPU)，中央处理器优先根据压力传感***提供的压力信号作出驱动膝关节运动的指示，实施例中，如果足球机器人第一撞击平台收到前部压力传感器受力后，压力传感器发出电信号给中央处理器，中央处理器向上部驱动组件发出向前运动的信号，上部驱动组件中的电机411顺时针运动，驱动第二蜗轮转动，造成机器人上体向前倾的效果；同时，视觉感应***判断出足球距离机器人的距离在一个足球距离内，即为足球带来的压力；视觉感应***向中央处理器发出第一信号，根据该第一信号中央处理器作出驱动中部驱动组件中电机的第一驱动信号，使中部驱动组件也驱动第二蜗轮，足球机器人迅速前倾，重心前移，能够及时冲撞前面障碍物以及跟随足球向前运动；中央处理器根据第一信号和压力传感器信号，给驱动机器人脚部部件401、402、403、 404发送驱动信号，启动进电机，步进电机带动滚轮转动，机器人向前移动。

本发明使用PLC来实现变频调速器的多电机控制，具体的控制方式在后面专门介绍。在驱动过程中，足球机器人第一撞击平台收到前部压力传感器受力后，压力传感器发出电信号给中央处理器，中央处理器向上部驱动组件发出向前运动的信号，上部驱动组件中的电机411顺时针运动，驱动第二蜗轮转动，造成机器人上体向前倾的效果，这种效果在机器人对抗中也有利于保持平衡，不被撞倒；如果，视觉感应***判断出足球距离机器人的距离在两个足球距离以上，即为其他冲击造成的压力，可能是与其他足球机器人的碰撞；视觉感应***向中央处理器发出第二信号，根据该第二信号中央处理器作出驱动中部驱动组件中电机的第二驱动信号，使中部驱动组件驱动第二蜗轮向反方向转送，同时停止上部驱动部件的电机运动，足球机器人迅速停止前倾，重心后移，保持机器人重心垂直地面；中央处理器根据第二信号和压力传感器信号，暂时不作出驱动机器人脚部部件401、402、403、404的驱动信号，步进电机停止，滚轮停止转动，机器人保持原地不动。

在驱动过程中，足球机器人的第一撞击平台、第三撞击平台没有压力信号输入，视觉感应***判断出足球距离机器人的距离在两个足球距离以上，中央处理器根据视觉感应***提供的信号(第二信号)，向中部驱动组件或者下部驱动组件发出第三驱动信号，造成机器人膝部以上身体向足球所在位置方向或者足球运动方向倾斜；同时，中央处理器向机器人脚部部件401、402、403、404发出第3启动信号，脚部部件401、402、403、404中的步进电机启动，滚轮跟随机器人身体倾斜方向转动，足球机器人向足球所在位置方向或者足球运动方向移动。

中央处理器的执行步骤，步骤1，接收视觉感应***和压力传感***的信号；

步骤2，判断是否为压力传感信号；是压力传感信号，启动上部驱动组件的驱动电机，带动足球机器人的膝盖以上部分向压力方向倾斜，实现机器人第一次盲动；不是压力传感信号，不驱动上部驱动组件。

步骤3，判断信号是否为视觉感性***的信号，优先判断信号是否为第二信号，即足球机器人距离足球的长度是否为2个足球直径以上的距离；

步骤4，在步骤3中，是视觉感性***的第二信号，中央处理器判断是否有压力传感信号；

没有压力传感信号，步骤4.1，向中部驱动组件或者下部驱动组件发出第三驱动信号，根据视觉信号的方向，造成机器人的膝部以上身体向足球所在位置方向或者足球运动方向倾斜，实现第二次盲动；同时，中央处理器向机器人脚部部件发出第3启动信号，滚轮跟随机器人身体倾斜方向转动，足球机器人向足球所在位置方向或者足球运动方向移动。

有压力传感信号，步骤4.2，中央处理器向中部驱动组件发出第二驱动信号，使中部驱动组件驱动第二蜗轮向反方向转送，同时停止上部驱动部件的电机运动，足球机器人迅速保持机器人重心垂直地面，机器人保持原地不动，实现对抗状态，也就是足球中的盯人防守。

步骤5，在步骤3中，不是视觉感性***的第二信号，中央处理器立即判断足球距离机器人的距离是否在一个足球距离内，即是否为第一信号，

是第一信号，根据该第一信号中央处理器作出驱动中部驱动组件中电机的第一驱动信号，使中部驱动组件也驱动第二蜗轮，足球机器人迅速前倾，重心前移，能够及时冲撞前面障碍物以及跟随足球向前运动；中央处理器根据第一信号和压力传感器信号，给驱动机器人脚部部件发送第1启动信号，整个足球机器人向前移动。

不是第一信号，不再判断是否有压力传感信号，中央处理器启动中部或者下部驱动组件向足球方向移动，向驱动机器人脚部部件发送第2启动信号，整个足球机器人向足球所在位置移动，保证足球机器人带球运动。

设计中，考虑了步骤5中，中足球距离机器人的距离在1-2个足球的距离，当对方机器人与第一或者第三碰撞平台接触的情况，这种情况下，无论是否产生压力传感信号，中央处理器都会直接向中部或者下部驱动组件发出驱动信号，驱动其向足球方向或者足球移动方向快速移动，必要时候，可以给上部驱动电机驱动信号，实现重心更加快速的向足球方向或者足球移动方向倾斜，并且连续向机器人脚部部件出脉宽启动信号，确保下面的步进电机或者永磁无刷电机快速完成启动，确保最短速度到达足球位置，控制足球。

视觉***

由于图像信息是机器人感知环境的主要来源，所以，视觉***的设计要求比较高，首先是观察范围的要求，根据实际比赛的场地，视觉子***所能观察到的范围应该为16mX12m，才能观察到整个场地的环境。其次是定位精度的要求，因为视觉子***输出的定位信息直接影响到数据融合、决策子***的处理，若定位误差较大，则机器人的动作及行走路线都会出现错误，最后是实时性的要求，只有定位快的***，才能准确的反应场上的局势，机器人的反应也较快。

本发明采用了现有技术中的视觉伺服概念***，利用视觉信息控制机器人膝关节及以下部件与目标物体(足球)之间的相对位置和姿势(position and orientation),其中，摄像头在机器人四面分别设置摄像头，每一面的头部和第一撞击平台和第三撞击平台之间设置了至少两个摄像头，同时利用了eye-in –hand和eye-to–hand的混合方式，加上压力传感器提供的信息，实现了基于位置、基于图像和混合视觉的三种伺服控制方式。

在第一撞击平台和第三撞击平台之间设置的摄像头为俯视安装，导致其视距保证在2个足球直径的位置内，特别有利于判断足球的位置，也就是足球处于该摄像头摄像范围内，可以直接启动步骤5中的控制模式，中央处理器直接向中部或者下部驱动组件发出驱动信号，驱动其向足球方向或者足球移动方向快速移动，并且连续向机器人脚部部件出脉宽启动信号，确保下面的步进电机或者永磁无刷电机快速完成启动，确保最短速度到达足球位置，控制足球。本发明的单个摄像头成像基本原理是由反射镜面将入射光线反射至摄像机镜头进而CCD芯片成像，在光路分析基础上，给出了反射至平面成像的限制公式，指出在单视点条件下，可以将全景图像的像素点投影到离视点任意距离的某个平面上形成平面投影图像，得到的图像看起来与普通摄像机得到的图像并无差别，而观察视角更大，从而可以使用一般的处理投影图的方法进行图像分析和处理。本发明的视觉为全景视觉，主要由组合等比例全向反射镜、石英玻璃镜筒、数字摄像机、摄像机安装座以及调节机构组成。整套设备在调整好之后可安装固定，以确保在使用过程中不会出现松动、移位等影响全向视觉***标定参数的现象，完全适用于中型组比赛激烈对抗的需要。

图7为本发明足球机器人对视觉***镜面成像示意图。根据足球机器人比赛对视觉***的要求，摄像方式采用水平等比镜面，水平等比镜面是指水平面和所成图像中的对应点之间的距离关系是线性的，镜面成像示意图如图6所示。图6中点处的入射光路经镜面反射成像于摄像机CCD上距离光轴x处。

Φ－反射光线与垂直线的夹角；θ－镜面法线与垂直线的夹角；

－入射角；Y(t)－镜面母线方程；

f－摄像机焦距；h－像平面与水平地之间的距离。

镜面母线方程Y(t)可由如下模型给出。

d＝ax+b，a＞＞b 1-(2)

将1-(2)、1-(3)、1-(4)式代入1-(1)式后得到一个微分方程，采用数值解法可以得到镜面母线方程 Y(t)的数值解；通过这种计算方式，实现了足球距离与机器人距离的计算，可以得到t(x)。

本发明视觉传感***中采用了视觉反馈完成远距离移动足球的跟踪任务，跟踪速度在5米/秒，使用频率为60HZ的固定摄像头立体视觉***跟踪，这种设置是在现有技术的基础上做成的。由于足球场上机器人之间的移动较多，为了防止干扰摄像，采用了不需要标定参照物，仅利用摄像头本身参数之间的约束关系来标定的摄像头自标定法，这种方法是利用KRUPPPA防风的自标定方法，也实验过利用二次曲面的自标定法和基于主动视觉的自标定法。这些自标定方法本身不是本发明的创新，本发明的创新在于将这种视觉***与控制***结合起来，实现足球机器人的快速响应。安装在头部的摄像头利用摄像机采集足球运动的图像信息，实时的对图像进行分析处理，计算足球的位置和姿势，并且把这些信息进行处理，传送给中央处理器(CPU)，中央处理器根据视觉***提供的信息，结合足球机器人的运动方式以及所处的位置，控制驱动组件和脚部部件，使其高速完成动作。本发明的视觉***主要的功能是获取与机器人有一定距离的图像信息，例如球门、球场、白线、其他机器人以及与本机器人有一定距离的球的图像信息，并通过处理这些信息，得到目标物体的位置信息，例如机器人自身、其他机器人、与本机器人有一定距离的球的位置信息，全景视觉的优点是一次就能获得整个场景信息，信息的实时性较好。

图8是本发明足球机器人的视觉控制***框架图。视觉控制装置把信号传送给处理器，处理器控制控制驱动组件和脚部部件运动，其中把控制过程引起足球机器人环境变化，通过CCD摄像机的摄像头拍摄下来，及时传送给图像处理器，图像处理器发送信号给控视觉控制装置，形成闭合的视觉控制回路。

图9是本发明足球机器人的控制***的网络图原理图。图9是图像控制这种设计采用了基于PCI芯片的控制******硬件接口设计，采用运动控制卡和图像采集卡通过PCI总线设计实现与足球机器人的中央处理器CPU的通信，CCD摄像机和图像采集卡中间采用的图像连线标准连接，运动控制卡把足球机器人的控制指令转换为电机的速度信号传送给电机驱动控制器，并提供位置反馈信号，同时运动控制卡的I/O口接收外部传感器的反馈的电信号，完成初始设置调整等工作指令，具体的操作方式，本领域的控制人员可以通过图中给出的电路信号关系图来实现。需要说明的是，视觉***的控制装置和足球机器人采用的是并行运行的机制，两个模块互相不干扰，并且能够充分利用***中提供的缓存资源实现整个机器人***的协调稳定工作。图10是本发明足球机器人的视觉***及控制原理图。

图10中机器人图像采集后，实施例中通过图像采集控制电机运动的控制电路。其中PCI总线是用于将信息传输的，其中控制总线PCI分别并行连接了运动控制卡PCI7358以及图像采集卡PCI1426，这两种芯片由于具有较好的***电路设计特点，容易实现控制编程控制。通过CCD摄像机图像采集，直接输送给图像采集卡PCI1426，图像采集的过程中，触发信号的获取是通过追踪运动的足球来实现的。当足球静止时，处于不完全追踪状态，这时候切断光的控制，节省用电。图像采集的信号通过PCI总线传输到控制部件CPU,控制部件通过控制总线将信号传送给运动控制部件(运动控制卡)，运动控制卡控制伺服控制电机实现视觉***部件控制。本发明中，对伺服电机控制中，引入了接近开关，在近距离接触足球后，尤其是第一撞击平台和第三撞击平台不断传送压力传感信号的时候，也就是足球机器人距离足球的距离小于一个足球直径的距离，接近开关关闭视觉***信号输入，以压力传感信号指挥足球机器人运动；其他设计为本领域的技术人员根据上述原理图可以实现，不再赘述。

视觉控制模块的计算机仿真中需要认真考虑了摄像机的平滑去噪、图像锐化等问题，本发明的好处在于，图像处理中由于采用了较低速度的追踪，足球运动速度5米/秒，因此采集的图像中基本不会因为上述原因带来图像清晰度下降等问题，因此容差性比较好。

电机控制

单个电机的控制技术非常完善，在足球机器人中要用多台电动机，这些电动机可能是分工协作完成一个动作，例如上部驱动组件中的电机21结合中部驱动组件22中的电机共同作用，实现第2蜗轮的选择，实现第三碰撞平台的位置调整，即完成了机器人膝部以上身体的位置变化。本发明中也可能是电机分别完成各自的旋转，相互之间没有任何联系，这就需要机器人去控制多台电机，使其协调运行，针对一台电机的控制在足球机器人移动中已经不能满足其带球、防守等要求，而需要控制多台电机，让其更好地协调运行，本发明采用了多电机同步控制。其中设定上部驱动部件中的电机为主令电机，决定***的转速，中部驱动部件中的电机为从动电机，从动电机的速度向主令电机看齐。

图9中示出了两个电机的情况，在虚线部分可以接入多个电机。足球机器人的第一撞击平台1下面安装有，驱动机器人行走的主要部分为4个相同的部分，在机器人脚部部件中设定一电机为主令电机，决定***的转速，其它三个电机为从动电机，从动电机的速度向主令电机看齐。电机控制***中采用多电机同步控制网络，采用西门子S7-200PLC作为主控单元，通过RS-485总线通讯跟变频器连接。这两台变频器1、变频器2分别控制一主电机和一从电机，两电机都带有旋转编码器反馈转速，旋转编码器反馈转速信号给变频器的同时也反馈给PLC可编程控制器，PLC控制器内根据反馈的转速信号做数据处理，并得出实际转速，以及根据实际转速所得到的补偿值。上位机监控软件通过RS-485总线连接到网络中，实现网络的连接，并可监控下位机的状态，实现数据交换，发出相应指令。在多个电机的同步控制网络中，采用了三个从电机结构。

在本发明中多电机同步控制***中，为了保证生产设备正常运转，要求各电机之间必须协调运行，使各台电机之间转速或线速度始终保持一定的比例关系。所谓协调控制，就是在多变量控制***中，采用某种控制方法，使各受控量的控制过程相互配合和“协调”，进而使各变量之间保持某种协调关系，使用PLC 来实现变频调速器的多电机控制，具有体积小，重量轻，启动电流低，PLC可编程控制器，具有丰富的输入输出接口，可以实现软件编程，可以根据足球场上对方机器人的移动规律进行适当调整程序，实现相对对方机器人反应灵敏的特点。PLC可编程控制器包括CPU模块、I/O口模块、电源模块，编程设备等模块，***中还配了置上位机、操控界面、数字/模拟量扩展模块、通信模块等一些特殊模块。这些硬件结构本身并不是本发明的专有的，而是如何将其中电机控制能够实现机器人的功能。

上部驱动组件中的电机结合中部驱动组件中的电机的控制***，这种***可以用于机器人脚部部件中四个电机的控制。以两台电机控制为例子，该控制***包括：两台电动机、变频器、PC机，其中，电机为两台电动机、变频器采用两台西门子MM系列变频器对电机进行变频调速控制，0.12～11Kw小功率电机的控制，所有的变频器都是由S7PLC通过RS485串行通讯口使用USS协议来控制的，增强了***的控制性能而且减少了***布线和调试时间。PC机采用S7-200编程软件STEP7。

图11是本发明足球机器人的电机控制电路原理图。具体的电机控制芯片采用了包含了一个4K字节 FLASH存储器的51型号单片机，具有32个双向I/O口。控制原理图，其中单片机的主要作用是接收拨码盘中得到的拨码值，然后再通过按键中断，从而使软件程序开始启动运行。其中电源控制器U4、U5、U7 分别连接控制开关Q1-Q3，和三个控制晶体管的引脚4、6，实现电源控制；然后再通过端口P1.0，P1.1 和P1.2传递步进电机的时序脉冲，构成脉冲电源控制电路，经过光电隔离通过软件程序进行对脉冲的分配，在经过IGBT驱动模块，把单片机输出的脉冲信号通过功率放大以至于驱动步进电机，三个上拉电阻分别连接在芯片控制引脚P1.0，P1.1和P1.2，使得达到电机运行所需的功率从而控制电机正常运行。

电路通过PSEN(29)连接外部程序储存器的接通信号，这种信号来源于PLC可编程控制器包括CPU 模块，信号为视觉信号给予CPU后产生的控制信号。图10中，K1，K2分别接到P2.7和P2.5。R1，R2为上拉电阻，接5V电源。通过与非门74LS00接非门74LS04接到INT0中断口。这种连接关系，形成开关控制电路。工作状态下，两个30PF的电容(C4和C5)并联一个晶振(X1)组成的外部晶体振荡器，其中该晶振的频率为12Hz。两端分别接到时钟信号引脚XTAL1和XTAL2上，构成晶振电路。在运行过程中输出一个高电平信号，然后延时一定的时间后，再输入一个低电平信号，接着又会延时一定的时间，如此循环下去。从而我们只要通过改变延时时间就能改变脉冲周期，电机正常运行时的频率决定脉冲周期。P2口 (21-28)为准双向I/0口。

在步进电机运行过程中，是根据改变绕组的通电顺序或者通电方式从而控制电机转动的方向。对于三相六拍工作方式：正相旋转：A→AB→B→BC→C→CA。反相旋转：CA→C→CB→B→BA→A。这种控制时序在电机控制中是常见的，足球机器人的步进电机控制采用了常规的控制时序。P0口对应引脚39-32：双向I/O 口；口1-8为准双向通用I/0口；其中通过引脚P0.0—P0.7中前四个引脚连接四个输入端U9B、U9A、U2F、 U2E的引脚构成公共引脚，以及并行连接的控制器开关8、4、2、1四个引脚，形成集电极开路高压输出的六相缓冲器，要作用是用来选中拨码盘而且还能够吸收大电流。8、4、2、1四个引脚与公共引脚的导通状态，其中它的四个1K电阻R17、R18、R19、R20是起限流作用。

XTL1和XTL2连接的电路构成振荡电路，由电容C4、C5和电感器X1构成，其中电容为并联连接后接地。上述控制方式实现了停止断电功能，能够在足球机器人不运动的过程中，实现自动断电，可以大大减少电源重量，实现足球机器人重量器，启动快的特点，能够极好的摆脱对方的拦截和抢断。***程序如下：

在本发明专利中公开的不仅限于技术方案、优点和特性的任意特定选取或组合等等，本领域的技术人员都可以认为在本发明专利所阐述的技术方案、优点和特性的各种组合以及变型、简单的改造均构成了在本发明专利中所公开的技术方案。

Claims (8)

1.一种足球机器人，包括感应***、控制***和行走机构，所述感应***采集信号并传送给所述控制***，所述控制***发送控制信号控制所述行走机构，其特征在于，所述行走机构为膝部及其以下部位，所述行走机构包括：第一撞击平台、第三撞击平台和驱动所述机器人重心倾斜装置，所述第三撞击平台面积大于第一平台且位于第一平台的上方。

2.根据权利要求1所述的足球机器人，所述重心倾斜装置还包括蜗杆、蜗轮、驱动组件，所述蜗杆包括第一蜗杆、第二蜗杆、第三蜗杆；所述蜗轮包括第一蜗轮和第二蜗轮；所述驱动组件包括上部驱动组件、中部驱动组件和下部驱动组件。

3.根据权利要求2所述的足球机器人，还包括，所述第一撞击平台上面安装有第一对上支撑臂，第一对上支撑臂安装有第一蜗轮轴，所述第一涡轮轴(32)上固定安装有第一蜗轮(52)和支撑第二工作平台的第一对下支撑臂；所述第一对支撑臂之间安装有T字形状的第一支撑架，所述第一支撑架上安装有下部蜗杆(120)和驱动所述第一蜗杆的下部驱动组件(23)。

4.根据权利要求3所述的足球机器人，还包括，所述第二工作平台上安装有第二对上支撑臂，第二对上支撑臂安装有第二蜗轮轴(31)，所述第二涡轮轴上固定安装有第二蜗轮(51)和支撑第一工作平台(7)的第二对下支撑臂；所述第二对支撑臂之间安装有T字形状的第二支撑架，所述第二支撑架上安装有中部蜗杆(122)和驱动所述中部蜗杆的中部驱动组件(22)。

5.根据权利要求4所述的足球机器人，还包括，所述第一工作平台上的轴承支架(30)连接所述第三撞击平台，所述轴承支架上的上部驱动组件(21)驱动所述上部蜗杆通过行星锥齿轮驱动所述第二蜗轮；所述柔性外壳连接在所述第一撞击平台和所述第三撞击平台之间，包裹所述重心倾斜装置。

6.根据权利要求5所述的足球机器人，其中圆角方形的所述第一撞击平台和所述第三撞击平台在每个方向上都安装有所述感应***，所述控制***根据所述感应***的压力方向驱动机器人运动。

7.根据权利要求6所述的足球机器人，还包括，所述第一撞击平台下安装有多电机同步控制的脚部部件，所述脚部部件中的每个电机都带有一个控制电路，该控制电路包括控制电源时序的脉冲电源控制电路、调节电机运行的开关控制电路、保证电机稳定驱动的晶振电路、带有集电极开路高压输出六项缓冲器的电机时序控制电路；其中所述电机时序控制电路分别连接限流电阻。

8.根据权利要求7所述的足球机器人，由两个电容(C4、C5)和电感器(X1)构成的所述晶振电路连接时钟电路引脚，所述电容并联连接后接地；所述脉冲电源控制电路与芯片控制引脚之间连接电连接上拉电阻。