智能高爾夫收球機器人

智能高爾夫收球機器人

簡介：

智能高爾夫收球機器人是一款能夠自主回收高爾夫球的機器人。在高爾夫球場的正常營運時間內，其依靠自適應的機械結構，多傳感器的定位系統，機器視覺的相關算法，完成自主尋球、收球工作，很好的解決了運營時間內無法人工回收場地內的高爾夫球這一問題，具有巨大的市場價值。

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詳細介紹：

一、作品基本思路與創新點： 高爾夫球運動現已成為一項廣泛被人們所接受的健康運動。通常來說，一個高爾夫練習場占地約為100畝，有60到80個擊球位。每天從開館到閉館都會有絡繹不絕的人前來練習高爾夫球，因此回收打出去的高爾夫球成為了每一個高爾夫練習場所要完成的工作。 現階段傳統的高爾夫球場的撿球方式，主要都局限在人工驅動的領域，比如高爾夫撿球器（國內專利申請號：94214406.6、200720054633.6等）、兩或三聯撿球機等等。但諸如此類的撿球設備，都是需要人工來操作進行，這就不可避免地帶來了一個問題，即在正常營運時間，擊打出的高爾夫球會給人工收球的工作人員帶來傷害。 該作品的出現有效的解決了高爾夫球場運營與高爾夫收球之間的矛盾，也將機器人的設計從實驗室的實驗品推向了實用化、產業化的工業產品。該智能高爾夫收球機器人的設計是從工業化的角度考慮，從產品的穩定性，適應性，經濟性進行評判。智能高爾夫收球機器人采用多傳感器綜合定位的方式，增強了系統的穩定性。機器人整體呈車體形狀，通過兩個伺服電機進行驅動，采用多自由度的機械結構，便于拆裝。經過三維建模軟件和有限元仿真軟件SOLIDWORKS進行建模和仿真分析，對關鍵部位進行了靜力學和疲勞分析，從理論上保證了機械結構的穩定性和可靠性。在控制系統中，機器人通過CAN總線實現下位機對伺服電機的控制，最大程度上的確保了在復雜環境中的穩定性。在算法方面，高爾夫收球機器人的收球算法采用區域收集方式，選擇高爾夫球密集度大的區域收球作業，提高了智能高爾夫收球機器人的效率。 二、作品目的與意義： 智能高爾夫收球機器人定位為智能服務機器人，應用于高爾夫球場收集散落的高爾夫球。機器人通過自帶的多傳感器綜合定位以及相關的路徑規劃算法收球，由于無人參與，沒有高爾夫球擊傷人的可能，故可一直在球場中工作，從而解決高爾夫球場運營與高爾夫收球之間的矛盾。該作品以機器人技術代替人工勞動，大大的降低了人工成本，有著巨大的市場價值。 三、技術關鍵與主要技術指標： 技術關鍵 采用獨特的機械結構保證了橫向和縱向的自由度，對地形具有良好的自適應性。 采用廣泛應用于汽車工業的CAN總線，最大程度的降低了環境對機器人的干擾。 采用帶云臺的工業級CCD攝像頭，圖形采集穩定，快速，可調。 采用GPS、電子羅盤采集信息與預設地圖進行比較的方法，具有十分好的避障效果。 技術指標 體積：2.1m×1.7m×1.2m 質量：約60kg 電源：DC48V 功率：均值320W，峰值450W 四、科學性和先進性： （1）機構設計：機器人采用獨特的設計方式，保證了在運動過程中主動輪與收球機同時與地面接觸，確保了其全地形的動方式。主動輪采用伺服電機進行驅動，從而保證了在運動過程中對其速度，轉彎半徑的精確控制。 （2）自動控制：本作品為全自動機器人，提供良好的人機交互功能，工作人員只需將機器人放于指定位置，按下啟動按鈕后機器人便可開始自動進行收球，直至裝滿后，檢測到光電傳感器發出的信號后返回。 （3）人工智能：本作品采用多傳感器系統和機器視覺、路徑規劃等算法。機器人通過GPS和電子羅盤的綜合傳感系統得到當前坐標并與預設地圖進行比較，得出當前所在區域，并設定其為起始狀態。攝像頭采集附近的圖像信息，經圖像處理算法計算出附近區域中高爾夫球相對集中的區域，并將該區域設定為目標狀態。與此同時計算機運用路徑規劃的算法計算出一條較優路徑，并發出指令向目標區域行駛。到達目標區域后，用覆蓋性搜索清掃整個區域。 五、市場分析： 現在的高爾夫球回收工作以人工為主。一個普通的高爾夫球練習場，需要15到20人來完成這項工作，以月工資2000元計算，一年需要36萬到48萬，可見具有很高的人工成本。本高爾夫收球機器人其產業化的成本大約在3萬元左右，具有明顯的價格優勢。從國內外市場上來看，還沒有開發成熟的智能高爾夫收球機器人出現，該作品結構穩定可靠，魯棒性強，維護簡單，價格合理，具有較好的市場前景。 六、國內外同類課題研究水平概述 從高爾夫收球機器人這一領域來說，之前國內有零星的一些關于這方面的作品，但是從工業化和實用化的角度都存在很大的問題。中國地質大學在2011年制作的高爾夫球場智能機器人，采用的是小型三輪車結構和舵機機械手收球的方式，大小約為600mmX400mmX800mm。從總體來看，其設計與工業化、產業化的目標相差較遠。在實際的收球過程中，其所設計的機器人是靠舵機機械手以抓撿單個高爾夫球的方式收球，不僅收球效率低下，且在環境極其復雜的高爾夫球場地中，其可靠性也值得商榷。尤其是舵機機械手的關鍵器件——舵機，其本身是用于模型玩具的器件，穩定性和可靠性都不是很高，在裸露的室外則更會加大其損壞的概率。除此之外在驅動能力和能源方面其也存在著一些先天缺陷。因此無論從對地形的適應還是從驅動能力甚至到控制系統、收球效率來說都存在巨大的問題，與機器代替人工收球的目標相差較遠。而本作品所設計的智能高爾夫收球機器人大小約為2.1m×1.7m×1.2m，采用三聯滾道收球機收球，在收球效率有著巨大的優勢，僅需一小時，就可對整個高爾夫球場進行全覆蓋掃描。而且在設計過程中，也充分考慮到高爾夫球場的環境特征，著重對場地的適應性進行了獨特的機械結構設計，具有很好的自適應性。在控制方面更是采用了廣泛應用于汽車工業的CAN總線對電機進行控制，在復雜環境中具有良好的魯棒性。 從算法上來看，目前國際上機器人大多是結合超聲波、紅外線技術，單片機用優先級裁決算法實現智能循跡、避障、識別等功能。該智能高爾夫收球機器人在路徑規劃時，巧妙的利用了球場環境的不變性。預先輸入一張地圖，在地圖上標明危險區域（如大坑，樹林，草坪保養區），通過GPS和電子羅盤進行定位，在計算路徑時繞過這些區域，達到了無需識別就可蔽障的效果。 七、推薦者對作品的說明 推薦者：伍小平 中國科學院院士、教授、博士生導師 在每一個高爾夫球練習場中都存在這樣一個問題，即在高爾夫球場正常運營時間內，為避免對回收高爾夫球的工作人員造成傷害，高爾夫球場不允許人工回收場地內的高爾夫球，從而造成場地內高爾夫球的大量積累。 該作品成功的研制了一種智能高爾夫收球機器人。其可在高爾夫球場的正常營運時間內，依靠自適應的機械結構，多傳感器的定位系統，機器視覺的相關算法，完成自主尋球、收球工作，很好的解決了運營時間內無法人工回收場地內的高爾夫球這一問題，具有巨大的市場價值。該作品涉及到機械設計，自動控制，模式識別，人工智能等多學科知識，具有較大的設計難度，對學生的動手實踐能力提出了較高的要求。該作品在理論研究和實際應用上都有較大的創新，在國內外還未見相關案例，故予以推薦參加“挑戰杯”競賽。 推薦者：孔凡讓 教授、博士生導師 智能高爾夫收球機器人作品是一款能夠在環境較為復雜的高爾夫球練習場地完成自動收撿高爾夫球任務的機器人。該作品涉及機械設計、電路控制、程序算法等諸多方面，是多領域的融合創新，是光機電算一體化的典型代表。該作品以機器代替人工，解決了在高爾夫球場運營時間，擊打出的高爾夫球會給人工收球的工作人員帶來傷害的問題，具有巨大的市場價值。

科學性、先進性

（1）機構設計：機器人采用獨特的設計方式，保證了在運動過程中主動輪與收球機同時與地面接觸，確保了其全地形的動方式。主動輪采用伺服電機進行驅動，從而保證了在運動過程中對其速度，轉彎半徑的精確控制。 （2）自動控制：本作品為全自動機器人，提供良好的人機交互功能，工作人員只需將機器人放于指定位置，按下啟動按鈕后機器人便可開始自動進行收球，直至裝滿后，檢測到光電傳感器發出的信號后返回。 （3）人工智能：本作品采用多傳感器系統和機器視覺、路徑規劃等算法。機器人通過GPS和電子羅盤的綜合傳感系統得到當前坐標并與預設地圖進行比較，得出當前所在區域，并設定其為起始狀態。攝像頭采集附近的圖像信息，經圖像處理算法計算出附近區域中高爾夫球相對集中的區域，并將該區域設定為目標狀態。與此同時計算機運用路徑規劃的算法計算出一條較優路徑，并發出指令向目標區域行駛。到達目標區域后，用覆蓋性搜索清掃整個區域。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

一、使用說明和技術優勢 智能高爾夫收球機器人主要用于高爾夫球場的收球，操作十分簡單，只需按下開關，機器人就可以自動完成從找球到收球的全部工作。鑒于高爾夫球場環境的復雜性，智能高爾夫收球機器人著重的考慮了對環境適應和機械結構、控制系統穩定的要求。控制系統中采用上下位機的控制方式，同時在下位機到電機的通信傳輸上采用穩定的工業化的CAN總線方式。在機械機構的設計上，為保證運動過程中驅動輪和收球機始終同時著地，采用了獨特的兩段方式，可以保證其在凹凸不平的地面上始終具有較強的驅動能力。智能高爾夫收球機器人的收球算法所采用的是區域收集的方式。 二、適用范圍及經濟效益預測 智能高爾夫收球機器人的經濟效益十分顯著。從合肥某高爾夫訓練場來看。其每天回收高爾夫球需要15到20人，按每人每月2000元工資來算。平均每個月所需人工費用為3萬到4萬，一年則為36萬到48萬。而該機器人的制作成本約為3萬，可為高爾夫球場節約大量的人工成本。因此，智能高爾夫收球機器人的出現一定會有良好的市場前景和較高的經濟效益。

同類課題研究水平概述

從高爾夫收球機器人這一領域來說，之前國內有零星的一些關于這方面的作品，但是從工業化和實用化的角度都存在很大的問題。 中國地質大學在2011年制作的高爾夫球場智能機器人，采用的是小型三輪車結構和舵機機械手收球的方式，大小約為600mmX400mmX800mm。從總體來看，其設計與工業化、產業化的目標相差較遠。在實際的收球過程中，其所設計的機器人是靠舵機機械手以抓撿單個高爾夫球的方式收球，不僅收球效率低下，且在環境極其復雜的高爾夫球場地中，其可靠性也值得商榷。尤其是舵機機械手的關鍵器件——舵機，其本身是用于模型玩具的器件，穩定性和可靠性都不是很高，在裸露的室外則更會加大其損壞的概率。除此之外在驅動能力和能源方面其也存在著一些先天缺陷。因此無論從對地形的適應還是從驅動能力甚至到控制系統、收球效率來說都存在巨大的問題，與機器代替人工收球的目標相差較遠。而本作品所設計的智能高爾夫收球機器人大小約為2.1m×1.7m×1.2m，采用三聯滾道收球機收球，在收球效率有著巨大的優勢，僅需一小時，就可對整個高爾夫球場進行全覆蓋掃描。而且在設計過程中，也充分考慮到高爾夫球場的環境特征，著重對場地的適應性進行了獨特的機械結構設計，具有很好的自適應性。在控制方面更是采用了廣泛應用于汽車工業的CAN總線對電機進行控制，在復雜環境中具有良好的魯棒性。 從算法上來看，目前國際上機器人大多是結合超聲波、紅外線技術，單片機用優先級裁決算法實現智能循跡、避障、識別等功能。該智能高爾夫收球機器人在路徑規劃時，巧妙的利用了球場環境的不變性。預先輸入一張地圖，在地圖上標明危險區域（如大坑，樹林，草坪保養區），通過GPS和電子羅盤進行定位，在計算路徑時繞過這些區域，達到了無需識別就可蔽障的效果。