智能高尔夫收球机器人

智能高尔夫收球机器人

简介：

智能高尔夫收球机器人是一款能够自主回收高尔夫球的机器人。在高尔夫球场的正常营运时间内，其依靠自适应的机械结构，多传感器的定位系统，机器视觉的相关算法，完成自主寻球、收球工作，很好的解决了运营时间内无法人工回收场地内的高尔夫球这一问题，具有巨大的市场价值。

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详细介绍：

一、作品基本思路与创新点： 高尔夫球运动现已成为一项广泛被人们所接受的健康运动。通常来说，一个高尔夫练习场占地约为100亩，有60到80个击球位。每天从开馆到闭馆都会有络绎不绝的人前来练习高尔夫球，因此回收打出去的高尔夫球成为了每一个高尔夫练习场所要完成的工作。 现阶段传统的高尔夫球场的捡球方式，主要都局限在人工驱动的领域，比如高尔夫捡球器（国内专利申请号：94214406.6、200720054633.6等）、两或三联捡球机等等。但诸如此类的捡球设备，都是需要人工来操作进行，这就不可避免地带来了一个问题，即在正常营运时间，击打出的高尔夫球会给人工收球的工作人员带来伤害。 该作品的出现有效的解决了高尔夫球场运营与高尔夫收球之间的矛盾，也将机器人的设计从实验室的实验品推向了实用化、产业化的工业产品。该智能高尔夫收球机器人的设计是从工业化的角度考虑，从产品的稳定性，适应性，经济性进行评判。智能高尔夫收球机器人采用多传感器综合定位的方式，增强了系统的稳定性。机器人整体呈车体形状，通过两个伺服电机进行驱动，采用多自由度的机械结构，便于拆装。经过三维建模软件和有限元仿真软件SOLIDWORKS进行建模和仿真分析，对关键部位进行了静力学和疲劳分析，从理论上保证了机械结构的稳定性和可靠性。在控制系统中，机器人通过CAN总线实现下位机对伺服电机的控制，最大程度上的确保了在复杂环境中的稳定性。在算法方面，高尔夫收球机器人的收球算法采用区域收集方式，选择高尔夫球密集度大的区域收球作业，提高了智能高尔夫收球机器人的效率。 二、作品目的与意义： 智能高尔夫收球机器人定位为智能服务机器人，应用于高尔夫球场收集散落的高尔夫球。机器人通过自带的多传感器综合定位以及相关的路径规划算法收球，由于无人参与，没有高尔夫球击伤人的可能，故可一直在球场中工作，从而解决高尔夫球场运营与高尔夫收球之间的矛盾。该作品以机器人技术代替人工劳动，大大的降低了人工成本，有着巨大的市场价值。 三、技术关键与主要技术指标： 技术关键 采用独特的机械结构保证了横向和纵向的自由度，对地形具有良好的自适应性。 采用广泛应用于汽车工业的CAN总线，最大程度的降低了环境对机器人的干扰。 采用带云台的工业级CCD摄像头，图形采集稳定，快速，可调。 采用GPS、电子罗盘采集信息与预设地图进行比较的方法，具有十分好的避障效果。 技术指标 体积：2.1m×1.7m×1.2m 质量：约60kg 电源：DC48V 功率：均值320W，峰值450W 四、科学性和先进性： （1）机构设计：机器人采用独特的设计方式，保证了在运动过程中主动轮与收球机同时与地面接触，确保了其全地形的动方式。主动轮采用伺服电机进行驱动，从而保证了在运动过程中对其速度，转弯半径的精确控制。 （2）自动控制：本作品为全自动机器人，提供良好的人机交互功能，工作人员只需将机器人放于指定位置，按下启动按钮后机器人便可开始自动进行收球，直至装满后，检测到光电传感器发出的信号后返回。 （3）人工智能：本作品采用多传感器系统和机器视觉、路径规划等算法。机器人通过GPS和电子罗盘的综合传感系统得到当前坐标并与预设地图进行比较，得出当前所在区域，并设定其为起始状态。摄像头采集附近的图像信息，经图像处理算法计算出附近区域中高尔夫球相对集中的区域，并将该区域设定为目标状态。与此同时计算机运用路径规划的算法计算出一条较优路径，并发出指令向目标区域行驶。到达目标区域后，用覆盖性搜索清扫整个区域。 五、市场分析： 现在的高尔夫球回收工作以人工为主。一个普通的高尔夫球练习场，需要15到20人来完成这项工作，以月工资2000元计算，一年需要36万到48万，可见具有很高的人工成本。本高尔夫收球机器人其产业化的成本大约在3万元左右，具有明显的价格优势。从国内外市场上来看，还没有开发成熟的智能高尔夫收球机器人出现，该作品结构稳定可靠，鲁棒性强，维护简单，价格合理，具有较好的市场前景。 六、国内外同类课题研究水平概述 从高尔夫收球机器人这一领域来说，之前国内有零星的一些关于这方面的作品，但是从工业化和实用化的角度都存在很大的问题。中国地质大学在2011年制作的高尔夫球场智能机器人，采用的是小型三轮车结构和舵机机械手收球的方式，大小约为600mmX400mmX800mm。从总体来看，其设计与工业化、产业化的目标相差较远。在实际的收球过程中，其所设计的机器人是靠舵机机械手以抓捡单个高尔夫球的方式收球，不仅收球效率低下，且在环境极其复杂的高尔夫球场地中，其可靠性也值得商榷。尤其是舵机机械手的关键器件——舵机，其本身是用于模型玩具的器件，稳定性和可靠性都不是很高，在裸露的室外则更会加大其损坏的概率。除此之外在驱动能力和能源方面其也存在着一些先天缺陷。因此无论从对地形的适应还是从驱动能力甚至到控制系统、收球效率来说都存在巨大的问题，与机器代替人工收球的目标相差较远。而本作品所设计的智能高尔夫收球机器人大小约为2.1m×1.7m×1.2m，采用三联滚道收球机收球，在收球效率有着巨大的优势，仅需一小时，就可对整个高尔夫球场进行全覆盖扫描。而且在设计过程中，也充分考虑到高尔夫球场的环境特征，着重对场地的适应性进行了独特的机械结构设计，具有很好的自适应性。在控制方面更是采用了广泛应用于汽车工业的CAN总线对电机进行控制，在复杂环境中具有良好的鲁棒性。 从算法上来看，目前国际上机器人大多是结合超声波、红外线技术，单片机用优先级裁决算法实现智能循迹、避障、识别等功能。该智能高尔夫收球机器人在路径规划时，巧妙的利用了球场环境的不变性。预先输入一张地图，在地图上标明危险区域（如大坑，树林，草坪保养区），通过GPS和电子罗盘进行定位，在计算路径时绕过这些区域，达到了无需识别就可蔽障的效果。 七、推荐者对作品的说明 推荐者：伍小平 中国科学院院士、教授、博士生导师 在每一个高尔夫球练习场中都存在这样一个问题，即在高尔夫球场正常运营时间内，为避免对回收高尔夫球的工作人员造成伤害，高尔夫球场不允许人工回收场地内的高尔夫球，从而造成场地内高尔夫球的大量积累。 该作品成功的研制了一种智能高尔夫收球机器人。其可在高尔夫球场的正常营运时间内，依靠自适应的机械结构，多传感器的定位系统，机器视觉的相关算法，完成自主寻球、收球工作，很好的解决了运营时间内无法人工回收场地内的高尔夫球这一问题，具有巨大的市场价值。该作品涉及到机械设计，自动控制，模式识别，人工智能等多学科知识，具有较大的设计难度，对学生的动手实践能力提出了较高的要求。该作品在理论研究和实际应用上都有较大的创新，在国内外还未见相关案例，故予以推荐参加“挑战杯”竞赛。 推荐者：孔凡让 教授、博士生导师 智能高尔夫收球机器人作品是一款能够在环境较为复杂的高尔夫球练习场地完成自动收捡高尔夫球任务的机器人。该作品涉及机械设计、电路控制、程序算法等诸多方面，是多领域的融合创新，是光机电算一体化的典型代表。该作品以机器代替人工，解决了在高尔夫球场运营时间，击打出的高尔夫球会给人工收球的工作人员带来伤害的问题，具有巨大的市场价值。

科学性、先进性

（1）机构设计：机器人采用独特的设计方式，保证了在运动过程中主动轮与收球机同时与地面接触，确保了其全地形的动方式。主动轮采用伺服电机进行驱动，从而保证了在运动过程中对其速度，转弯半径的精确控制。 （2）自动控制：本作品为全自动机器人，提供良好的人机交互功能，工作人员只需将机器人放于指定位置，按下启动按钮后机器人便可开始自动进行收球，直至装满后，检测到光电传感器发出的信号后返回。 （3）人工智能：本作品采用多传感器系统和机器视觉、路径规划等算法。机器人通过GPS和电子罗盘的综合传感系统得到当前坐标并与预设地图进行比较，得出当前所在区域，并设定其为起始状态。摄像头采集附近的图像信息，经图像处理算法计算出附近区域中高尔夫球相对集中的区域，并将该区域设定为目标状态。与此同时计算机运用路径规划的算法计算出一条较优路径，并发出指令向目标区域行驶。到达目标区域后，用覆盖性搜索清扫整个区域。

使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测

一、使用说明和技术优势 智能高尔夫收球机器人主要用于高尔夫球场的收球，操作十分简单，只需按下开关，机器人就可以自动完成从找球到收球的全部工作。鉴于高尔夫球场环境的复杂性，智能高尔夫收球机器人着重的考虑了对环境适应和机械结构、控制系统稳定的要求。控制系统中采用上下位机的控制方式，同时在下位机到电机的通信传输上采用稳定的工业化的CAN总线方式。在机械机构的设计上，为保证运动过程中驱动轮和收球机始终同时着地，采用了独特的两段方式，可以保证其在凹凸不平的地面上始终具有较强的驱动能力。智能高尔夫收球机器人的收球算法所采用的是区域收集的方式。 二、适用范围及经济效益预测 智能高尔夫收球机器人的经济效益十分显著。从合肥某高尔夫训练场来看。其每天回收高尔夫球需要15到20人，按每人每月2000元工资来算。平均每个月所需人工费用为3万到4万，一年则为36万到48万。而该机器人的制作成本约为3万，可为高尔夫球场节约大量的人工成本。因此，智能高尔夫收球机器人的出现一定会有良好的市场前景和较高的经济效益。

同类课题研究水平概述

从高尔夫收球机器人这一领域来说，之前国内有零星的一些关于这方面的作品，但是从工业化和实用化的角度都存在很大的问题。 中国地质大学在2011年制作的高尔夫球场智能机器人，采用的是小型三轮车结构和舵机机械手收球的方式，大小约为600mmX400mmX800mm。从总体来看，其设计与工业化、产业化的目标相差较远。在实际的收球过程中，其所设计的机器人是靠舵机机械手以抓捡单个高尔夫球的方式收球，不仅收球效率低下，且在环境极其复杂的高尔夫球场地中，其可靠性也值得商榷。尤其是舵机机械手的关键器件——舵机，其本身是用于模型玩具的器件，稳定性和可靠性都不是很高，在裸露的室外则更会加大其损坏的概率。除此之外在驱动能力和能源方面其也存在着一些先天缺陷。因此无论从对地形的适应还是从驱动能力甚至到控制系统、收球效率来说都存在巨大的问题，与机器代替人工收球的目标相差较远。而本作品所设计的智能高尔夫收球机器人大小约为2.1m×1.7m×1.2m，采用三联滚道收球机收球，在收球效率有着巨大的优势，仅需一小时，就可对整个高尔夫球场进行全覆盖扫描。而且在设计过程中，也充分考虑到高尔夫球场的环境特征，着重对场地的适应性进行了独特的机械结构设计，具有很好的自适应性。在控制方面更是采用了广泛应用于汽车工业的CAN总线对电机进行控制，在复杂环境中具有良好的鲁棒性。 从算法上来看，目前国际上机器人大多是结合超声波、红外线技术，单片机用优先级裁决算法实现智能循迹、避障、识别等功能。该智能高尔夫收球机器人在路径规划时，巧妙的利用了球场环境的不变性。预先输入一张地图，在地图上标明危险区域（如大坑，树林，草坪保养区），通过GPS和电子罗盘进行定位，在计算路径时绕过这些区域，达到了无需识别就可蔽障的效果。