一种乒乓球发球机器人、乒乓球发球方法和计算机可读存储介质

摘要

本发明提供了一种乒乓球发球机器人、乒乓球发球方法和计算机可读存储介质。本发明根据需求配置乒乓球入射速度和角度，设置球拍击球后的乒乓球的期望落点、期望前进速度和期望旋转角速度，利用乒乓球与球拍的碰撞模型，得到机器人各个关节的角度和/或角速度，机器人控制各关节驱动球拍从当前位置到击打点完成发球动作。本发明的机器人发球更加拟人化和智能化。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种乒乓球发球机器人、乒乓球发球方法和计算机可读存储介质。

背景技术

乒乓球作为国球在我国具有全民参与的群众基础，大量的乒乓球爱好者和运动员通过乒乓球发球机进行锻炼和训练。申请号为201110136109.4的发明专利公开了一种获取乒乓球机器人球拍击球姿态和击球速度的方法，该方法描述了一种由落点计算乒乓球机器人击打之后期望的线速度的方法，但是该方法在计算过程中忽略了乒乓球飞行以及球拍击打之后的旋转角速度，而使用球拍发球的乒乓球需要较为精准的控制发球之后的旋转速度和方向。申请号为200610036109.6发明专利公开了一种机器人乒乓球发球机，该发球机左手向上抛球，右手持拍推打的发球机器人，但是该发明的挥拍手臂自由度少，挥拍幅度小，无法模拟人类拉上旋搓下旋的动作，同时对旋转和速度的控制方法上描述较少。

可见，如何使得乒乓球发球机器人进行旋转球发球时更加拟人化和智能化是目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使得发球更加拟人化和智能化的乒乓球发球机器人、乒乓球发球方法和计算机可读存储介质。为实现本发明的目的，本发明的技术方案如下。

一种乒乓球发球机器人，包括腰部、左手、右手，左手包括吐球装置，右手包括球拍，右手具有多个自由度；

吐球装置朝球拍斜向吐球；

所述乒乓球发球机器人按照预设发球策略控制腰部动作和控制右手动作，以使得球拍击球后乒乓球以期望旋转角速度旋转，同时使得乒乓球以期望前进速度朝期望落点运动。

优选的，所述腰部包括第一关节，所述右手包括第二关节、第三关节、第四关节，所述控制腰部动作包括控制第一关节的角度，所述控制右手动作包括分别控制第二关节、第三关节、第四关节的角度和角速度。

优选的，所述预设发球策略包括：根据球拍坐标系下的期望落点坐标、球桌坐标系下的期望落点坐标、球拍坐标系相对基座坐标系的转换矩阵、机器人相对球桌的位置关系之间的约束关系，计算出第一关节的角度； 其中，基座坐标系的原点位于腰部运动轴线，球桌坐标系的原点为球桌中心点，球拍坐标系的原点为球拍中心点，球桌坐标系的Z轴、球拍坐标系的Z轴和基座坐标系Z轴均竖直向上，球桌坐标系原点，基座坐标系原点和乒乓球在球桌面上的落点处于同一水平面。

优选的，所述预设发球策略包括：基于球桌坐标系下乒乓球与球拍碰撞前乒乓球的速度、碰撞后乒乓球的期望前进速度和期望旋转角速度，计算出第二关节、第三关节、第四关节的角度和角速度。

一种采用上述乒乓球发球机器人进行发球的方法，包括：

配置机器人的属性参数；

设置乒乓球的期望参数；

计算机器人的控制参数；

根据机器人的属性参数进行吐球操作，根据机器人的控制参数进行击球操作，以使得击球后的乒乓球具有期望参数。

优选的，所述配置机器人的属性参数包括：配置吐球装置吐出的乒乓球的速度和角度；所述设置乒乓球的期望参数包括：设置乒乓球的期望落点、设置球拍击球后乒乓球的期望旋转角速度和期望前进速度。

优选的，所述计算机器人的控制参数包括： 基于落点在基座坐标系和球拍坐标系之间变换的约束关系计算出第一关节的角度，其中，为球拍坐标系相对基座坐标系的转换矩阵，为基座坐标系下的期望落点的齐次坐标，其通过球桌坐标系下的预设期望落点和机器人位置的差值获取，为球拍坐标系下的期望落点的齐次坐标。

优选的，所述基于约束关系计算出第一关节的角度包括：

根据式一（I）

计算出第一关节的角度

，其中，第一关节到第二关节的距离，为第三关节与第一关节在球拍坐标系X轴方向的距离，是第三关节到球拍中心的距离。

优选的，采用式七（VII）求解乒乓球与球拍碰撞瞬间的速度和姿态，

其中为球拍法向恢复系数，为球拍切向恢复系数，为球拍旋转恢复系数，为乒乓球的半径，、和是球拍的固有属性；，为用球桌坐标系的乒乓球与球拍碰撞前的速度矢量，为碰撞之后的期望速度，为期望旋转，分别为乒乓球与球拍碰撞瞬间球拍在球拍坐标系Y轴方向的速度、球拍在球拍坐标系Z轴方向的速度、球拍拍面与球拍坐标系Z轴的夹角。

优选的，所述计算机器人的控制参数包括：

根据式八（VIII）计算第二关节的角度、第三关节的角度、第四关节的角度，

根据式九（VIIII）计算第二关节的角速度、第三关节的角速度、第四关节的角速度，

其中，分别为乒乓球与球拍碰撞瞬间球拍在球拍坐标系Y轴方向的速度、球拍在球拍坐标系Z轴方向的速度、球拍拍面与球拍坐标系Z轴的夹角。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法。

相对于现有技术，本发明的有益技术效果在于：

1、本发明采用挥拍机械臂击打乒乓球的方式实现不同速度和旋转的发球更加的拟人化和智能化，实现较为精度的发球控制；

2、本发明右手挥拍手臂经过独特的自由度分布设计，自由度更多，运动范围更大，能够实现更多不同旋转和速度的发球；

3、本发明采用斜向吐球的方式能够减小挥拍手臂的驱动需求，有利于实现更大范围的速度和旋转速度。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的乒乓球发球机器人在基座坐标系下的一示意图；

图2为本发明的乒乓球发球机器人在基座坐标系下的另一示意图；

图3为本发明的乒乓球发球机器人腰部关节角的求解示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

本实施例的乒乓球发球机器人包括腰部、左手、右手，左手包括吐球装置6，右手包括球拍5，右手具有多个自由度；

吐球装置6朝球拍5斜向吐球；

所述乒乓球发球机器人按照预设发球策略控制腰部动作和控制右手动作，以使得球拍击球后乒乓球8以期望旋转角速度旋转，同时使得乒乓球8以期望前进速度朝期望落点运动。

可选的，所述腰部包括第一关节1，所述右手包括第二关节2、第三关节3、第四关节4，所述控制腰部动作包括控制第一关节1的角度，所述控制右手动作包括分别控制第二关节2、第三关节3、第四关节4的角度和角速度。

示例性的，如图1-2所示，乒乓球发球机器人具有第一关节1，左手具有吐球装置6，右手具有3个关节，右手末端装有乒乓球拍。左手吐球装置6朝右手实现斜向吐球，右手通过第二关节2、第三关节3和第四关节4控制末端球拍与乒乓球碰撞时刻的速度矢量和姿态，第一关节1控制发球的朝向与落点。

可选的，所述预设发球策略包括：根据球拍坐标系下的期望落点坐标、球桌坐标系下的期望落点坐标、球拍坐标系相对基座坐标系的转换矩阵、机器人相对球桌7的位置关系之间的约束关系，计算出第一关节1的角度；其中，基座坐标系的原点位于腰部运动轴线，球桌坐标系的原点为球桌中心点，球拍坐标系的原点为球拍中心点，球桌坐标系的Z轴、球拍坐标系的Z轴和基座坐标系Z轴均竖直向上，球桌坐标系原点，基座坐标系原点和乒乓球在球桌面上的落点处于同一水平面。

示例性的，如图1-3所示，根据机器人各关节之间的杆件参数之间的约束关系合理配置吐球装置的吐球速度、吐球装置与球拍坐标系Y轴和Z轴所在铅垂面的夹角和吐球装置与球拍坐标系X轴和Y轴所在水平面的夹角，以保证吐出来的乒乓球顺利击中挥拍手臂初始状下的球拍中心，同时通过乒乓球在空气中自由飞行的动力学方程，可以获取乒乓球与球拍碰撞瞬间的在球桌坐标系下的速度矢量，根据右手挥拍手臂的自由度配置和入射速度的配置，利用乒乓球与球拍的碰撞模型可以获得乒乓球与球拍碰撞之后在球拍坐标系方向上的速度大小为，其中为球拍的切向恢复系数，是一个需要标定的参数。此外需要设置机器人相对球桌7的位置关系以及读取用户配置的期望发球的上下旋转角速度、前向线速度和球桌坐标系下描述的落点。

基于期望落点的腰关节求解模块是通过用户配置的期望乒乓球机器人使用球拍发出来的乒乓球在球桌上碰撞的落点，使用乒乓球在空气中自由飞行的动力学方程和黄金分割迭代法获得乒乓球与球拍碰撞之后的期望速度。

如图3所示，虚线为乒乓球的飞行轨迹，根据上述球拍坐标系下的期望速度可以计算获得球拍坐标系下的落点坐标，根据用户配置的落点和机器人相对球桌的位置可以获得落点在基座坐标系下的坐标。

其中，进一步可以计算得到落点在基座坐标系和球拍坐标系之间变换约束关系，其中为球拍坐标系相对基座坐标系的转换矩阵，为落点在基座坐标系下的坐标的齐次形式，为球拍坐标系下的落点坐标的齐次形式。

写成矩阵形式如下

对式一（I）进行矩阵计算，可以得到第一关节1的角度为：

其中，是第一关节1到第二关节2的距离，为第三关节3与第一关节1在球拍坐标系X轴方向的距离，是第三关节3到球拍中心的距离。

可选的，所述预设发球策略包括：基于球桌坐标系下乒乓球与球拍碰撞前乒乓球的速度、碰撞后乒乓球的期望前进速度和期望旋转角速度，计算出第二关节2、第三关节3、第四关节4的角度和角速度。

示例性的， 利用球拍坐标系的乒乓球与球拍碰撞前的速度矢量、碰撞之后的期望速度和期望旋转角速度，获取乒乓球与球拍碰撞瞬间的速度和姿态。受限于右手挥拍的3个自由度，球拍与乒乓球碰撞瞬间，发球机器人只能为球拍提供在球拍坐标系Y轴方向的速度、球拍在球拍坐标系Z轴方向的速度、球拍拍面与球拍坐标系Z轴的夹角。乒乓球与球拍的非弹性碰撞模型满足如下方程：

式二（II）中，为乒乓球拍姿态坐标系相对描述乒乓球速度和旋转的球桌坐标系的旋转矩阵，其中为待求的球拍在球拍坐标系下的俯仰角，为球拍相对球拍坐标系的偏航角，此处在击球瞬间的

位置约束满足，上标T表示转置；

为乒乓球与球拍碰撞之后的速度，

为乒乓球与球拍碰撞之后的旋转角速度，

为球拍速度，

为乒乓球与球拍碰撞之前的速度，

为乒乓球与球拍碰撞之前的旋转角速度，

表示碰撞后线速度与碰撞前线速度之间的转换矩阵，表示碰撞后角速度与碰撞前线速度之间的转换矩阵，表示碰撞后线速度与碰撞前角速度之间的转换矩阵，表示碰撞后角速度与碰撞前角速度之间的转换矩阵，

其中为球拍法向恢复系数，为球拍切向恢复系数，为球拍旋转恢复系数，为乒乓球的半径；、和系数与球拍相关，通过标定球拍获得。

对乒乓球与球拍的非弹性碰撞模型满足的方程进行变换，可以得到球拍速度的求解表达式为：

其中，表示三维单位矩阵。

需要说明的是，对式二（II）进行变换得到式三（III）为现有技术，在此不再赘述。

将式三（III）回代入式二（II）中进一步得到：

其中，是与相关的矩阵，如上文所说，进一步根据式四（IV）得到

根据式五（V）可以求解获得球拍拍面与球拍坐标系Z轴的夹角为：

将式六（VI）回代至式五（V）中，可以得到球拍在球拍坐标系Y轴方向的速度为：

球拍在球拍坐标系Z轴方向的速度为：

在获得球拍状态参数、和之后，需要进一步求得乒乓球机器人使用球拍发球时挥拍手臂各关节的角度和角速度。

根据图1所示乒乓球机器人，该机器人的最大特点是第三关节3的角度值时，球拍5的位置不受第二关节2和第四关节4角度影响，而且在此位置球拍的速度大小也不受第二关节2和第四关节4的影响，将击球点设计在第三关节3角度值时的球拍中心位置，同时第四关节4的角度不影响球拍5的速度和位置，从而实现第三关节3为球拍5提供击打速度大小，第二关节2调整球拍速度在球拍坐标系y方向和z方向的分量，第四关节4与第二关节2的角度和决定球拍姿态的功能解耦。

基于上述击球约束和构型特点的逆运动学，可以得到第三关节3的角度值以确保击球点的不动性；第二关节2的角度值由球拍速度在球拍坐标系y轴和z轴的分量和的比值唯一确定；最后在击球时刻表征球拍姿态的球拍面与球拍坐标系z轴的夹角由第二关节2与第四关节4的角度和确定，而第二关节2又可以通过上一步求解获得，从而得到第四关节4的角度值。

对于第二关节2、第三关节3和第四关节4的角速度而言，由于在击球点球拍速度由第三关节3唯一确定，不受第二关节2和第四关节4的运动影响，所以可以设计第二关节2的角速度和第四关节4的角速度，以达到运动解耦的目的，第三关节3的角速度唯一确定了球拍速度大小，满足，从而得到了；进而实现利用发球机器人的逆运动学可以完成球拍速度和姿态到关节角度和角速度的求解。

实施例二

本实施例为采用实施例一所述的乒乓球发球机器人进行发球的方法，方法包括：

配置机器人的属性参数；

设置乒乓球的期望参数；

计算机器人的控制参数；

根据机器人的属性参数进行吐球操作，根据机器人的控制参数进行击球操作，以使得击球后的乒乓球具有期望参数。

可选的，所述配置机器人的属性参数包括：配置吐球装置吐出的乒乓球的速度和角度；所述设置乒乓球的期望参数包括：设置乒乓球的期望落点、设置球拍击球后乒乓球的期望旋转角速度和期望前进速度。

可选的，所述计算机器人的控制参数包括： 基于落点在基座坐标系和球拍坐标系之间变换的约束关系计算出第一关节1的角度，其中，为球拍坐标系相对基座坐标系的转换矩阵，为基座坐标系下的期望落点的齐次坐标，其通过球桌坐标系下的预设期望落点和机器人位置的差值获取，为球拍坐标系下的期望落点的齐次坐标。

可选的，所述基于约束关系计算出第一关节1的角度包括：

根据式一（I）计算出第一关节的角度：

，

其中，是第一关节1到第二关节2的距离，为第三关节3与第一关节1在球拍坐标系X轴方向的距离，是第三关节3到球拍中心的距离。

可选的，采用式七（VII）求解乒乓球与球拍碰撞瞬间的速度和姿态，

式七（VII）中，为球拍法向恢复系数，为球拍切向恢复系数，为球拍旋转恢复系数，为乒乓球的半径，、和是球拍的固有属性；，为用球桌坐标系的乒乓球与球拍碰撞前的速度矢量，，为碰撞之后的期望速度，为期望旋转角速度，分别为乒乓球与球拍碰撞瞬间球拍在球拍坐标系Y轴方向的速度、球拍在球拍坐标系Z轴方向的速度、球拍拍面与球拍坐标系Z轴的夹角。

可选的，所述计算机器人的控制参数包括：

根据式八（VIII）计算第二关节2的角度、第三关节3的角度、第四关节4的角度，

根据式九（VIIII）计算第二关节2的角速度、第三关节3的角速度、第四关节4的角速度，

式八（VIII）和式九（VIIII）中，分别为乒乓球与球拍碰撞瞬间球拍在球拍坐标系Y轴方向的速度、球拍在球拍坐标系Z轴方向的速度、球拍拍面与球拍坐标系Z轴的夹角。

根据当前各个关节的状态设计各个关节角在各个时刻的位置，控制各关节在指定的时间以期望的速度通过期望的位置，从而实现球拍与乒乓球精准碰撞，完成期望的发球，本发明采用的是比较通用的五次多项式规划，以保证挥拍手臂运动的平稳性。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例二所述方法。

本发明主要基于一种使用球拍发球的乒乓球机器人提出了相应的发球控制方法，从而实现更加拟人化和智能化的发球。本发明首先依据需求配置合适的乒乓球入射速度，其次依据期望落点、期望前进速度和期望旋转角速度获得乒乓球被球拍击打之后的反射速度，其次利用乒乓球拍的碰撞模型获取球拍的速度和姿态，接着依据乒乓球发球机器人的构型得到各个关节的角度和速度，最后各关节驱动球拍从当前位置到击打点完成发球动作。

本申请实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。