Development of an Autonomous Tennis Ball Retriever Robot As an Educational Tool

I. Elamvazuthi, Jeffery Law, Vedpal Singh, M.K.A. Ahamed Khan, S. Parasuraman

M. Balaji and M. Chandrasekaran

aDepartment of Electrical and Electronic Engineering, Universiti Teknologi PETRONAS

32610 Bandar Seri Iskandar, Perak Darul Ridzuan, Malaysia

bFaculty of Engineering, University Selangor, 45600 Bestari Jaya, Selangor, Malaysia

cSchool of Engineering, Monash University Malaysia, Bandar Sunway, 46150 Selangor, Malaysia

d Frontline Electronics Pvt. Ltd,Salem, India

eDepartment of ECE,Government College of Engineering Bargur, India.

*E-mail: irraivan_elamvazuthi@petronas.com.my (Corresponding Author)

Abstract

Over the years, research into robotics has yielded many applications in several sectors such as manufacturing, domestic and sports industries. This paper discusses the development of an autonomous tennis ball retriever robot for the sports sector. The robot was developed with the aim of saving the time and energy of the tennis player from manually collecting the tennis balls after training sessions. The developed autonomous robot is able to retrieve tennis balls by sweeping around the tennis court. The paper discusses the system configuration in terms of mechanical and controller subsystems, the navigation and system performance. The knowledge and experience gained from the development of various sub-systems of the robot is useful for educating the undergraduate students.

copy; 2015 Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Peer-review under responsibility of organizing committee of the 2015 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent

Keywords: robotics, autonomous, retriever, tennis ball, educational tool

copy; 2015 I. Elamvazuthi et al. Published by Elsevier B.V.

Peer-review under responsibility of organizing committee of the 2015 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors (IRIS 2015).

*Corresponding Author: Tel: 605-3687882; Fax: 605-3657443

E-mail address: irraivan_elamvazuthi@petronas.com.my

1877-0509 copy; 2015 Published by Elsevier B.V. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

Peer-review under responsibility of organizing committee of the 2015 IEEE International Symposium on Robotics and Intelligent Sensors (IRIS 2015) doi:10.1016/j.procs.2015.12.270

Introduction

Nowadays, Robotics is a multi-disciplinary field of technology that is applied in several sectors such as manufacturing, domestic and sports industries. Recently, the use of robotics in the sports sector has received extensive attention from robotics community. In particular, intelligent robotic systems are increasingly used in the detection of the dynamical variations of environment using sensor, selection and generation of proper movement in order to realize the goal task¹.

With the progress of science and technology, intelligent robot system has been applied in service industry. The research and design of service-oriented autonomous mobile robots have attracted more and more attention from enterprises and businesses. Tennis is known as one of important sporting event which has gained popularity in recent years. Correspondingly, coaching or training sessions have increased where the feedback received from majority of tennis trainees is the daunting task of collecting the tennis balls manually after each training session since the tennis courts often become cluttered with balls when they are being used. The literature review that has been carried out in the course of this study shows that a number of robotics tennis balls retriever have been developed over the years as indicated in^2-11. However, there are many drawbacks. The drawbacks of current method of collecting the tennis balls have resulted in waste of time, insufficient resting time for tennis players which results in more energy exhaustion and unsatisfactory performance of the tennis players during training sessions. Therefore, the objectives of this study are to develop an autonomous robot that can sweep around the tennis court to collect tennis balls autonomously, enhances tennis coaching/training quality, saves time and energy of tennis players and most importantly, serve as an educational tool. In this paper, an intelligent tennis pickup robot based on swarm intelligence is designed around the collection of tennis on the tennis court. Firstly, the paper briefly describes the purpose of the path planning of the Ryukyu robot and the working characteristics of the visual processing. It analyzes the problems faced by the design of the autonomous ball-racing robot. Then, based on the rolling window theory, an autonomous mobile robot based on the visual sensor is proposed. Multi-objective path planning algorithm. The algorithm effectively reduces the time for the mobile croquet robot to perform tasks and improves its croquet efficiency.

This paper is organized in the following manner. Section 2 discusses the design requirements of the autonomous tennis ball retriever robot, section 3 describes system configuration followed by the description of the implementation details in section 4 and finally conclusion in section 5.

Design Requirements

The diameter and weight of a tennis ball is 6.67cm and 57.7 grams res

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作教育工具使用的自主网球寻回机器人的开发

I. Elamvazuthi, Jeffery Law, Vedpal Singh, M.K.A. Ahamed Khan, S. Parasuraman

M. Balaji and M. Chandrasekaran

aDepartment of Electrical and Electronic Engineering, Universiti Teknologi PETRONAS

32610 Bandar Seri Iskandar, Perak Darul Ridzuan, Malaysia

bFaculty of Engineering, University Selangor, 45600 Bestari Jaya, Selangor, Malaysia

cSchool of Engineering, Monash University Malaysia, Bandar Sunway, 46150 Selangor, Malaysia

d Frontline Electronics Pvt. Ltd,Salem, India

eDepartment of ECE,Government College of Engineering Bargur, India.

*E-mail: irraivan_elamvazuthi@petronas.com.my (Corresponding Author)

摘要

多年来，机器人的研究已经在制造业、国内和体育行业等多个领域产生了许多应用。本文讨论了一种用于体育领域的自主网球寻回机器人的研制。开发这个机器人的目的是为了节省网球运动员在训练后手动收集网球的时间和精力。这款自主机器人能够通过在网球场内扫荡来取回网球。本文从机械子系统和控制器子系统、导航系统和系统性能等方面讨论了系统的组成。从机器人各个子系统的开发中获得的知识和经验对本科生的教育非常有用的。

关键词: 机器人，自动，寻回，网球，教育工具

介绍

如今，机器人技术是一个综合了多个领域多学科的一种技术，被广泛应用于制造业、体育行业等多个部门。近年来，机器人在体育领域的应用受到了自动化机器人行业内的广泛关注。尤其是智能机器人系统越来越多地应用于利用传感器检测环境的动态变化以及适应多功能的运动方式，以此实现最终的设定目标。

随着科学技术的进步，智能机器人系统也已经在服务业得到了应用。专门为服务行业而设计的自主移动机器人的研究也愈发受到企业的关注。而在体育行业中，机器人却很少涉足。以网球为例，网球被认为是重要的体育赛事之一，近年来越来越受广大运动爱好者的欢迎。但是相应地也增加了教练或培训课程的压力，据悉，大多数的网球运动爱好者们都反馈说，在每次培训课程后手动收集网球是一项非常艰巨的任务，因为网球场地在使用时经常被球弄得乱七八糟。而且由于寻回的方式方法不当，从而导致网球运动员浪费时间，休息时间不足，精力更加耗竭，在训练中表现不佳。因此，本文研究的目标是开发一种能够在网球场周围自动清扫并自动收集网球的机器人，提高网球训练质量，节省网球运动员的时间和精力，最重要的是，该项目研究的主攻方向与发展的前景是要走向教育化工具，争取能够作为一种可以使教学简化的器械。本文围绕网球场上的网球采集，设计了一种基于群智能的智能网球拾取机器人。首先简要介绍了琉球机器人路径规划的目的和视觉处理的工作特点。分析了自主赛球机器人设计中所面临的问题。然后，基于滚动窗口理论，提出了一种基于视觉传感器的自主移动机器人。多目标路径规划算法。该算法有效地减少了移动槌球机器人执行任务的时间，提高了移动槌球机器人的槌球效率。

本文的构成如下：第2节讨论了自主网球寻回机器人的设计要求，第3节描述了系统配置，然后是描述实现细节在第4节，最后的结论在第5节。

设计要求

网球的直径大都是6.67厘米，重量是57.7克。网球场的典型尺寸是长29.80米，宽14.63米。据了解，现如今的网球的发球训练模式大致分为人工投掷网球和机器投掷网球，学员需要在进行接球训练时挥动球拍并击打，以此来达到提高接球能力的效果。在每次的训练中，教练都会给向网球学员发射成百上千的网球，所以会有很多网球散落在球场。图1为每一轮训练后网球在球场上的散射情况。但是在训练过程中，由于球的数量太多，而且学员们在球的另一侧场地，往往难以悉数将球捡回，当球用完时，不得不耗费大量时间将球捡回，这大大降低了练习的效率，因此这款自动寻回球机器应当具备以下几点技术要求：

图1.网球散落分布

（1）能够实现自主驱动并且拥有足够的可待机时间，以满足运动员的运动时长需要

（2）具备自动寻路功能，并能够识别前方是否有异物、是否是网球

（3）需要一定容量，以便能够储存大量网球。但体积不宜过大，以免在工作过程中造成阻碍

系统配置

自主式网球寻回机器人分为机械子系统和控制子系统。

• 1. 机械子系统

不同视图下的自主式网球寻回机器人的机械子系统如图2所示。俯视图显示机器人的控制面板。从设计的正面来看，机器人由三个限位开关、网球寻回器、轮子和电机组成。当障碍物触发限位开关时，它就会被激活。网球寻回器由3个刀片组成，可将网球扫进储存室。同时，直流电机用于旋转网球寻回器。

• • 1. 主视图

从该设计原型的的其他角度可以看出，网球储藏室是用来存放被机器的收集部位扫进的网球的。电力仓是用于放置机器人的所有控制器系统和蓄电池的。机器的脚轮可以根据用来导航的系统发出的指令而自由转动。机器人的后部由两个直流伺服电机组成，用于控制机器人的导航方向。

(b) 前视图 (c) 右视图

1. 左视图
2. 后视图
   1. 控制子系统与导航

机器的控制子系统如图3所示。控制分系统由前、侧限位开关板、电机驱动板、调节5V到9V的电源板、单片机板和L298N电机驱动板组成。机器人的导航/收集区域是根据所查询的文献综述确定的，其中提到这样的一种现象：由于网球的运动方式以及运动员的挥拍方向特点，网球在受力后，大部分都会分布在球场的后面。因此，我们为机器人制定了一种自动寻路的轨迹，使得机器人能够有效的寻回80%以上的网球。图4中展示的即为网球落地的偏好区域。图5则是制定的一种机器人自动寻路的导航方案路径。

图3.控制系统 图4.网球容易积落的区域 图5.机器人的自动寻路路径

机器人的导航系统主要靠前驱动与轮毂配合而实现的。其规划路径是呈“S”状分布的，这样有利于提高回收的性能与效率。导航使用的算法流程大致可以概括为“行动——检测——行动”，从起点出发直行，在遇到障碍时遇到需要回收的网球则进行回收，如行进到角落或者预期之外的障碍时，选择掉头，重复如此过程直到结束。

导航算法如图6所示的流程图所示，首先，用户需要打开电源。在按下左按钮的情况下，如果前开关被触发，机器人将反转并左转。然后它会继续前进. 第二次触发前开关时，机器人将会倒车并右转。然后，它将继续向前。当前开关被触发，左右交替地掉头时，同样的步骤就会重复。另一种情况是，如果左/右开关和前开关都被触发，这意味着检测到机器人已经到达一个角落，它将被停止。

启动

Y

N

左按钮

直行

直行

选择左右按钮

打开开关

N

N

触发？

触发？

N

Y

掉头右转

N

直行

N

N

触发

触发

触发左边按钮

Y

触发右边按钮

Y

触发前按钮 触发前按钮

Y

Y

停止

结束

掉头左转

Y

掉头右转

Y

N

直行

掉头左转

Y

N

图6.算法流程图

功能实现的细节处理

最终装配完成的机器人如图7所示，控制子系统如图8所示.

图7.装配机器人的机械子系统系统系统系统 图8.装配机器人控制子系统

从俯视图中我们可以清晰明亮的看到整个机械子系统的组成。机器人的设计是以稳固和坚实为前提和基础的。而整个控制子系统是由前、侧限位开关板、直流电机驱动器、电源板、L298N电机驱动器、侧限位开关板、单片机板组成的。

我们对自主式网球寻回机器人进行了多次实验研究之后，发现这个寻回器机器人原型能够很轻松的取回网球，基本能够达成预期效果。例如，在10次重复运行中，平均收集到的球约为60%(12/20个球)，但也有机器人无法回收所有球的情况，一次实验中，机器的回收率为0%(0/20个球)。造成这种现象的原因是由于伺服电机故障，导致整个流程无法进行。但需要强调的是，本次研究的主要目标已经实现，即设计一台可作为教育工具的自主寻回网球机器。综上所述，网球寻回机器人由机械结构、控制器系统和导航系统组成，为大学生提供了必要的知识和技能，同时对训练的内容有了一定的技术保障。为了产生更好的结果，该机器需要进行改进。该原型可以添加新的功能来改进，如太阳能供电和距离传感器来取代限位开关，并通过结合传感器和基于群的控制器来进行进一步高效的工作。

结论

本文主要介绍了一种网球寻回机器人样机的研制和测试。虽然机器人的性能相当令人满意，但是还需要进一步改进。在未来的研究中，可能会加强导航和储物间的大小。从机器人各个子系统的开发中获得的知识和经验对本科生的教育是有用的

鸣谢

作者要感谢马来西亚国家石油大学(UTP)、马来西亚雪兰戈大学、马来西亚莫纳什大学、印度塞勒姆第线电子有限公司以及印度巴古尔政府工程学院ECE系的支持。

参考文献

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3. 陈志伟，“戏剧治疗指导中以艺术为基础的表演研究”，《应用艺术与健康》，第3卷，第49-58页，2012年。
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5. K. Muuml;lling, J. Kober和J. Peters，“用仿生机器人设置模拟人类乒乓球”，《从动物到动画》11,ed:施普林格，2010,273-282页。
6. 吕福友， “基于远程控制技术的网球自动拾取器的设计”，《机电工程技术》，第6卷，第034页，2010年。
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10. 王志军。基于模糊逻辑的差动驱动轮式移动机器人(WMR)控制，中国机械工程，2010,26(4):583 - 588。
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12. 王志明。基于超启发式算法的直流伺服电机PID整定，中国电机工程学报 p551 - 554。

文献bull; 开放阅读

拾取机械手的设计及其运动学仿真

引用本文:Zhongdang Zhang et al 2018 IOP Conf. Ser。:地球环境。Sci 170 042136。

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