摘要：由于在臺球教學(xué)和平時練習(xí)中，撿球和擺球非常麻煩，本文提出一種臺球機(jī)器人將代替人完成撿球和擺球這種枯燥的任務(wù)。針對機(jī)器人的需求設(shè)計(jì)了一種基于臺達(dá)PCI-DMC-A01軸卡和伺服作為執(zhí)行器的臺球機(jī)器人。系統(tǒng)能根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)機(jī)器手的精準(zhǔn)定位，撿球，擺球，不會出現(xiàn)疊球現(xiàn)象。并能夠?qū)崿F(xiàn)異擺出系統(tǒng)球譜，基本實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對戰(zhàn)的功能。該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成熟后即將推向全國，將對中國的臺球競技培訓(xùn)和訓(xùn)練，以及為未來的臺球網(wǎng)上對戰(zhàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，因此，該系統(tǒng)具有廣闊的市場前景和非常大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：臺達(dá)，PCI-DMC-A01，臺球，機(jī)器人

1引言

在臺球教學(xué)和平時練習(xí)中，撿球和擺球是最麻煩。為了對練習(xí)此項(xiàng)運(yùn)動的選手一個一致的訓(xùn)練環(huán)境，提高職業(yè)技能，并且可以有效的評價(jià)選手在訓(xùn)練后水平能夠達(dá)到的一個程度，需要一種設(shè)備可以幫助完成從選手訓(xùn)練到后期評價(jià)考核全部內(nèi)容。本文提出一種臺球機(jī)器人將代替人完成撿球和擺球這種枯燥的任務(wù)。本文針對臺球機(jī)器人的需求設(shè)計(jì)了一種臺達(dá)軸卡和臺達(dá)伺服系統(tǒng)的移動臺球機(jī)器人。在鷹眼視覺基礎(chǔ)上，臺球機(jī)器人系統(tǒng)主要具有以下功能：

(1)通過此設(shè)備可以確定球在球桌的固定位置點(diǎn)，并且可以重新把球移動到一個特定的位置，以便選手可以重復(fù)練習(xí)，或者考試。

(2)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，或者更復(fù)雜的以訓(xùn)練和應(yīng)試為目地的動作。

(3)可以實(shí)現(xiàn)兩個選擇手異地對戰(zhàn)，或者輔助訓(xùn)練。

在進(jìn)行臺球機(jī)器人設(shè)計(jì)時,重點(diǎn)需要考慮設(shè)計(jì)的成本、機(jī)器人的質(zhì)量，電機(jī)類型和功率等因。為了提高機(jī)器人的撿球效率，應(yīng)盡量減少一些區(qū)域的多次重復(fù)行走，并確保不疊球，不碰球和不漏球。因此，找到一種符合上述目標(biāo)的機(jī)器人的控制算法和一套能實(shí)現(xiàn)上述功能的伺服系統(tǒng)尤為重要的。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和執(zhí)行器選擇

2.1機(jī)械模型建立及各軸控制要求

圖1臺球機(jī)器人模型

如圖1所示，X軸為垂掛結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由兩組工業(yè)鋁材構(gòu)成直線引動主支撐架，在其下部安裝有直線導(dǎo)軌，并且由雙T5齒形聚胺脂同步驅(qū)動中間滑板來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。該設(shè)計(jì)同時可以滿足X軸框架的剛度及運(yùn)動精度要求外，并且在安裝，調(diào)整精度上容易實(shí)現(xiàn)。軸根據(jù)計(jì)算，電機(jī)需要采用750W或以上伺服電機(jī)與之匹配的減速機(jī)減速比為4:1，需要2組極限傳感器和1組原點(diǎn)傳感器。

Y軸為垂掛結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由1組工業(yè)鋁材構(gòu)成直線引動主支撐架，在其下部和側(cè)面同時安裝有直線導(dǎo)軌，并且由1組T5齒形聚胺脂同步驅(qū)動中間滑板來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動。該設(shè)計(jì)同時可以滿足Y軸框架的剛度及運(yùn)動精度要求外，并且在安裝，調(diào)整精度上容易實(shí)現(xiàn)。軸根據(jù)計(jì)算，電機(jī)需要采用400W或以上伺服電機(jī)與之匹配的減速機(jī)減速比為4:1，需要2組極限傳感器和1組原點(diǎn)傳感器。

Z軸主要由兩部份夠成。用于垂直方向折疊的軸，用于完成Z軸方向軸桿的收縮折疊，包括主要用于收縮的無桿氣缸和用于旋轉(zhuǎn)的氣缸構(gòu)成，氣缸各付帶兩組位置傳感器用于檢測位置。用于臺球工作狀態(tài)舉升的軸，包括一組升降氣缸完成，氣缸付帶有兩組位置傳感器用于檢測位置。Z軸還包括用于吸臺球的真空吸嘴全部氣缸控制氣動由電磁閥組完成，其中電磁閥組還包括控制真空吸嘴的吸球動作，此外氣路還有用于產(chǎn)生真空的真空發(fā)生器。

2.2基本運(yùn)動控制說明

(1)初始化動作

在設(shè)備開機(jī)后，X，Y軸需要有一個單向運(yùn)動返回來找X，Y軸原點(diǎn)，以確定X，Y軸的初始位置。Z軸需要為返回最下位置點(diǎn)做準(zhǔn)備，無桿氣缸和用于旋轉(zhuǎn)的直線氣缸分別動作以保證吸氣嘴已經(jīng)垂直于球桌表面，這時用于升降的氣缸應(yīng)該在上位，以保證吸嘴和臺球的安全距離。

(2)臺球的搬移過程

當(dāng)接收到程序令后，X，Y軸電機(jī)同時起動帶動吸嘴平移，插補(bǔ)運(yùn)動找到目標(biāo)點(diǎn)，停止后，升降氣缸下移，吸嘴接觸臺球，真空閥打開，吸起臺球，真空感應(yīng)開關(guān)判斷是否真空，關(guān)斷閥切斷氣路，升降氣缸上移，帶動臺球上移，X，Y軸重新帶動吸嘴臺球平移到新的目標(biāo)點(diǎn)上方，升降氣缸下移，關(guān)斷閥打開，真空破壞閥加電，真空消失，臺球穩(wěn)定在臺面上，真空感應(yīng)開關(guān)判斷是不是常壓，升降氣缸重新上移，吸嘴離開臺球，重新找下一目標(biāo)點(diǎn)，重復(fù)動作。

(3)完成返回動作

當(dāng)完成所有目標(biāo)臺球移動后，升降氣缸上移，無桿氣缸上移回縮，并且用于旋轉(zhuǎn)的氣缸反向動作把Z軸旋轉(zhuǎn)至平行于球桌表面，完成Z軸的折疊動作后，同時給上位機(jī)信號。

2.3控制器設(shè)計(jì)和設(shè)備選型

臺達(dá)PCI-DMC-A01控制卡是臺達(dá)順應(yīng)多軸運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，推出了全新通訊型PCI總線高速運(yùn)動控制軸卡——通過內(nèi)建獨(dú)特的DMC-NET總線，可高速連接各種裝置，例如伺服馬達(dá)、步進(jìn)馬達(dá)、遠(yuǎn)端模塊、DD馬達(dá)，直線馬達(dá)等。再配合臺達(dá)自主研發(fā)的高精度與高性能伺服系統(tǒng)，將不僅大大提升設(shè)備的整合能力，而且還將節(jié)省成本和配線。所有裝置均掛到DMC-NET總線上，不必再配置針對不同驅(qū)動器的脈沖、模擬量、IO接口板，避免了接口類型太多帶來的系統(tǒng)兼容性和穩(wěn)定性的問題。在固定的1ms指令周期內(nèi)可交換12軸馬達(dá)的數(shù)據(jù)。依托自身高穩(wěn)定度的DMCNET總線，搭配臺達(dá)A2系列伺服驅(qū)動器，構(gòu)成很高穩(wěn)定度的控制系統(tǒng)，降低了干擾雜波的產(chǎn)生，系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力大幅提升。臺達(dá)DMC控制卡比傳統(tǒng)控制卡的優(yōu)勢主要有：

因此，系統(tǒng)控制器選用臺達(dá)PCI-DMC-A01控制卡，X軸選用臺達(dá)1kWASD-A2-1021-F伺服驅(qū)動器和1KWECMA-E11310ES伺服馬達(dá)；Y軸選用臺達(dá)750WASD-A2-0721-F伺服驅(qū)動器和750WECMA-C10807ES伺服馬達(dá)。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3控制算法選擇和控制程序編寫

3.1控制算法選擇

路徑規(guī)劃根據(jù)對環(huán)境信息的把握程度可劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃。其中，全局路徑規(guī)劃需要掌握關(guān)于環(huán)境的所有信息，根據(jù)環(huán)境地圖進(jìn)行大粒度的路徑規(guī)劃，在全局路徑規(guī)劃算法領(lǐng)域，經(jīng)典方法大致可以分為以下四類：基于圖的方法、基于柵格的方法、勢場法和數(shù)學(xué)編程法。從獲取障礙物信息是靜態(tài)或是動態(tài)的角度看，全局路徑規(guī)劃屬于靜態(tài)規(guī)劃，局部路徑規(guī)劃屬于動態(tài)規(guī)劃。本文主要探討如何利用蟻群算法來解決機(jī)器人的全局路徑規(guī)劃問題，找到一條優(yōu)化的撿球行進(jìn)路徑[1-6]。

在基于圖的路徑規(guī)劃方法中，路徑圖由捕捉到的存在機(jī)器人的一維網(wǎng)格曲線在自由空間中的結(jié)點(diǎn)組成，所建立起來的路徑圖可以看作是一系列標(biāo)準(zhǔn)路徑，而路徑的初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)同路徑中的點(diǎn)相對應(yīng)，這樣路徑規(guī)劃問題就演變?yōu)樵谶@些點(diǎn)之間搜索路徑的問題。由于在本系統(tǒng)中機(jī)器人路徑中的各個起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)都已經(jīng)由鷹眼系統(tǒng)給定，因此本系統(tǒng)選擇圖的方法做為機(jī)器人的控制算法，并對原有的算法進(jìn)行了改進(jìn)，對每個球的路徑進(jìn)行編號，并加入了防止疊球算法。

3.2控制程序編寫

根據(jù)控制要求編寫控制程序，首先開機(jī)后系統(tǒng)等待撿球命令，接到撿球命令后，系統(tǒng)從鷹眼獲取去的坐標(biāo)位置和球的目標(biāo)坐標(biāo)位置，然后通過所設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，找到一種最優(yōu)的移動路徑，并對每個需要移動的球進(jìn)行編號。并進(jìn)一步加入了防疊球處理程序和安全防護(hù)處理程序，對撿球和放球也做了防抖處理?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖3所示，控制程序監(jiān)控界面如圖4所示，斯諾克(Snooker)球桌長約3569毫米、寬1778毫米，臺面四角以及兩長邊中心位置各有一個球洞，使用的球分為1個白球，15個紅球和6個彩球共22個球。本程序監(jiān)控界面根據(jù)實(shí)際球桌比例縮放制作?？刂茀?shù)設(shè)置如圖5所示。

圖3控制程序流程圖

圖4控制程序監(jiān)控畫面監(jiān)控畫面

圖5控制參數(shù)設(shè)置

4結(jié)論

本文系統(tǒng)是在國家體育總局某部門的主導(dǎo)下完成的，設(shè)計(jì)的臺球機(jī)器人系統(tǒng)采用了臺達(dá)PCI-DMC-A01控制卡，1kWECMA-E11310ES和750WECMA-C10807ES伺服馬達(dá)作為執(zhí)行器，采用基于圖的方法做為主要路徑規(guī)劃算法，并對算法做了改進(jìn)，加入了防抖、放疊球處理程序和安全防護(hù)的處理程序。通過大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用證明，該系統(tǒng)能根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)機(jī)器手的精準(zhǔn)定位，撿球，擺球，不會出現(xiàn)疊球現(xiàn)象。并能夠?qū)崿F(xiàn)異地?cái)[出系統(tǒng)球譜，基本實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對戰(zhàn)的功能。下一步在控制算法上和遠(yuǎn)程對戰(zhàn)上需要進(jìn)一步改善。該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)成熟后即將推向全國，首先在在各大臺球協(xié)會應(yīng)用。將對中國的臺球競技培訓(xùn)和訓(xùn)練，以及為未來的臺球網(wǎng)上對戰(zhàn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，因此，該系統(tǒng)具有廣闊的市場前景和非常大的實(shí)用價(jià)值。

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