自动捡球机器人的设计与研究(附件)【字数：10963】
目录
一、 引言 1
(一) 课题研究背景 1
(二) 国内外研究现状 1
(三) 课题研究意义 3
二、 设计方案讨论及主要元器件的介绍 4
(一) 单片机主控核心 4
(二) 传感器避障 4
(三) 电机驱动模块 5
(四) 语音识别模块 5
(五) 捡球方式设计方案 6
(六) 计数显示设计 7
(七) 电源的选用 8
三、 系统硬件设计 10
(一) 系统框图 10
(二) 单片机最小系统 11
(三) 电压转换模块 12
(四) 行走电机模块 12
(五) 超声波模块 13
(六) 数码管显示模块 14
(七) 语音控制模块 15
四、 系统软件设计 16
(一) 超声波测距 16
(二) 电机运动 17
(三) 语音控制 18
(四) 红外计数显示 19
五、 仿真数据分析及结论 21
(一) 单片机控制直流电机遇障运转仿真 21
(二) 计数显示仿真 21
(三) 结论与分析 22
六、 总结与展望 23
致谢 24
参考文献 25
附录一 原理图 26
附录二 部分程序 28
引言
课题研
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究背景
随着我国机器人市场快速发展，机器人及其核心零部件产业链日渐成熟。其中，服务机器人的需求潜力巨大，当今社会人们都追求精致的物质生活，人工智能市场不断扩张；高智能的服务机器人需求也在不断增加。从当代人们发展的整体来看，工业机器人在我国机器人市场中占比最大超65%，其次为服务机器人占比超25%，特种机器人占比在8.6%左右。人们对智能化生活的向往从机器人技术智能化本质认识的加深中,机器人智能化的技术开始源源不断的渗透入人类活动的各个领域。而在这些智能化的机器人中,服务型机器人是其中一个重要的分支。本课题所设计和研究的捡球机器人，正是一种服务于乒乓球体育运动的智能服务机器人。
据调查统计乒乓球运动大约拥有8.5亿粉丝，国内没有任何一种室内运动可以超过它的地位。乒乓球运动有着锻炼眼睛、提高敏捷、手腕灵活等好处，深受人民喜爱。当今社会喜爱和关注乒乓球运动的人们日益增加，人们在娱乐训练时使用的乒乓球的数量是巨大的，导致场地内散落着大量的乒乓球，而在短时间内重复多次捡起散落的乒乓球球是一件非常耗时耗力且乏味的工作，所以在进行娱乐训练期间场地内需要一个自动捡球机器人来辅助，将散落的乒乓球收集统计。从而为每位乒乓球爱好者提供便利，还可以节省大量时间。
国内外研究现状
国内市场上关于乒乓球的捡球设备不太多，市面上最为常见的产品则是捡球器，是一种较为经济、方便的捡球工具，其工作方式大多以人工操作为主。现如今有两种捡球器使用比较广泛，利用垂直下压来实现将球挤进球框的垂直挤压式如图11，和利用球框的滚动来将球挤入球框的滚筒滚压式如图12，这类捡球器的工作原理非常简单，由于球框网格的尺寸相比乒乓球的直径略小，在用力下压或者滚动的时候，外力将使网格发生形变，从而扩大原来的尺寸，从而可以将乒乓球从变大的尺寸中进入球框，当外力消失，网格变回原来的尺寸，确保乒乓球球进入球框之后不会掉落，因其结构简单，操作方便并且价格便宜，所以深受球迷喜爱。
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图11 垂直挤压式 图12 滚筒滚压式
捡球器有着使用简单、操作方便、造价低廉的优点，同时也存在很多的缺点和不足，比如在捡球的过程中对乒乓球球体会有一定的损伤，需要人们自己来主动寻找并对准乒乓球球等缺点，其收集乒乓球的效率低下，且对于角落，地缝等地方可能无法顺利实现捡球动作。两种捡球器使用的都是相对比较原始的收集方法，具有明显的局限性。但其低成本，高效率，操作简易的优点，相对比较适用于乒乓球使用较少的娱乐训练场地。
国内针对捡球工作研究设计了许多种类的捡球机器人，2015年兰州理工牛丽波提出了智能捡球机器人的研究，其是基于视觉识别和多传感器数据融合的智能捡球机器人来代替人工捡球，主要是利用RFID的室内定位技术来将球定位，然后驱动机器人前往目标处，使用机械手臂根据精准定位来将小球拾起。采用RFID室内定位使机器人的视觉范围宽阔，且定位精准，但是其定位时间较长，且每次有且只能定位一个目标，收集较为缓慢。
2017年无锡工业职业技术学院左华林发表一篇智能捡球机器人视觉识别机构研究，通过USB摄像头视觉处理系统进行球体识别，通过超声波传感器信息融合算法达到探测障碍物的方位来实行自动避障。可以有效的搜寻散落的乒乓球，但由于视觉处理系统存在识别误差从而会导致在环境复杂的情况下没法精准高效的拾取。
国外目前针对乒乓球捡拾的研究划分可以分为机动和人推的两类。
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图13 乒乓球收集器 图14 自动捡球机
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