乒乓球击球系统构建方法、击球控制方法及乒乓球机器人与流程

本发明涉及乒乓球机器人，具体为乒乓球击球系统构建方法、击球控制方法及乒乓球机器人。背景技术：：：1、乒乓球机器人是一种能够模拟真人对手进行乒乓球训练的机器设备。它能够进行多种球路、速度、旋转的模拟，并且可以根据球员的水平进行自动调整，是乒乓球训练的好帮手。目前，乒乓球机器人在技术上已经有了很大的进步，能够实现更加真实的球路和速度模拟，以及更加智能的自动调整功能。如申请公布号为cn107315349a公开了一种机器人的击球运动控制方法，又如授权公告号为cn103389738b公开了一种用于乒乓球机器人预测乒乓球轨迹的方法和装置。2、然而，现有的乒乓球机器人仍然存在一些不足之处，例如：目前的乒乓球机器人应对复杂多变球路的技术还不太成熟，常常会出现回击错误甚至接不到球的情况；其次，在实际的工作环境中，乒乓球机器人的控制精度往往会受到多种外部干扰的影响，这些干扰会严重破坏机器人的稳定运行，进而影响回击的准确性。技术实现思路1、本发明的目的在于提供乒乓球击球系统构建方法、击球控制方法及乒乓球机器人，以解决上述背景技术：：中提出的问题。2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：3、乒乓球机器人控制系统构建方法，包括如下步骤：4、s1、对飞行过程和碰撞过程中的乒乓球进行模型简化：乒乓球做非旋转运动；乒乓球在飞行过程中只受到重力、浮力和空气阻力；乒乓球与桌面的碰撞为弹性碰撞；5、s2、对模型简化后的乒乓球进行受力分析，建立乒乓球的飞行轨迹模型和碰撞轨迹模型；6、s3、用观测器估计乒乓球轨迹的误差信号，量化观测器性能，构建乒乓球轨迹的非线性最优观测器，根据非线性最优观测器输出的零时刻下乒乓球速度，预测出乒乓球轨迹信息；7、s4、根据乒乓球轨迹信息确定的机器人执行器末端位姿，建立乒乓球机器人的运动学模型和动力学模型；8、s5、针对乒乓球机器人的动力学模型，设计一种鲁棒伺服控制器，通过鲁棒伺服控制器抑制整个系统中各种不确定因素的影响，对乒乓球机器人击球过程进行控制。9、作为本发明进一步的方案，所述步骤s2中乒乓球的飞行轨迹模型为：10、，；11、其中，为乒乓球在x轴方向上的坐标信息，为乒乓球在y轴方向上的坐标信息，为乒乓球在z轴方向上的坐标信息，为乒乓球在x轴方向上的飞行速度，为乒乓球在y轴方向上的飞行速度，为乒乓球在z轴方向上的飞行速度，为乒乓球球质量，为重力加速度，为阻力系数，为空气密度，a为乒乓球有效面积，d为乒乓球直径；12、乒乓球的碰撞轨迹模型为：13、；14、其中，为在x轴方向上碰撞前乒乓球的入射速度，为在y轴方向上碰撞前乒乓球的入射速度，为在z轴方向上碰撞前乒乓球的入射速度，为在x轴方向上碰撞后乒乓球的出射速度，为在y轴方向上碰撞后乒乓球的出射速度，为在z轴方向上碰撞后乒乓球的出射速度，为在x轴方向上的碰撞衰减系数，为在y轴方向上的碰撞衰减系数，为在z轴方向上的碰撞衰减系数。15、作为本发明进一步的方案，所述步骤s2中非线性最优观测器的表达式为：16、；17、其中，表示模型在水平方向上的轨迹信号，表示模型在竖直方向上的轨迹信号，和为实测轨迹用非线性最小二乘法近似表示后的轨迹信号系数。18、作为本发明进一步的方案，所述步骤s4中选取乒乓球在水平方向到达桌面边缘处为击球点，机器人执行器末端位姿具体表示为：19、；20、其中，表示机器人末端坐标系的x轴在参考坐标系下的描述，为机器人末端坐标系的x轴在参考坐标系x轴上的投影，为机器人末端坐标系的x轴在参考坐标系y轴上的投影，为机器人末端坐标系的x轴在参考坐标系z轴上的投影；21、 表示机器人末端坐标系的y轴在参考坐标系下的描述，为机器人末端坐标系的y轴在参考坐标系x轴上的投影，为机器人末端坐标系的y轴在参考坐标系y轴上的投影，为机器人末端坐标系的y轴在参考坐标系z轴上的投影；22、 表示机器人末端坐标系的z轴在参考坐标系下的描述，为机器人末端坐标系的z轴在参考坐标系x轴上的投影，为机器人末端坐标系的z轴在参考坐标系y轴上的投影，为机器人末端坐标系的z轴在参考坐标系z轴上的投影；23、表示机器人末端在参考坐标系中的位置，为机器人末端在参考坐标系x轴上的坐标，为机器人末端在参考坐标系y轴上的坐标，为机器人末端在参考坐标系z轴上的坐标；24、其中，、 以及为对应的姿态描述，为位置描述，合称为位姿描述，以此，作为机器人执行器末端位姿；25、乒乓球机器人具体采用六轴机械臂，乒乓球机器人的运动学模型中全部关节变量为：26、；27、；28、；29、；30、；31、；32、其中，；33、；34、 ；35、；36、其中，分别表示机器人各关节角度向量，表示各个连杆的扭角，表示各个连杆的长度，，和为连杆固有参数；37、选择<mi>q</mi><mi>=</mi><mi>[</mi><msub><mi>θ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>θ</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>θ</mi><mn>3</mn></msub><msub><mi>θ</mi><mn>4</mn></msub><msub><mi>θ</mi><mn>5</mn></msub><msub><mi>θ</mi><mn>6</mn></msub><msup><mi>]</mi><mi>t</mi></msup>作为描述机器人系统的广义坐标，乒乓球机器人的动力学模型用矩阵形式表示为：38、；39、其中，表示时间，表示惯性矩阵，表示离心和科里奥利矩阵，为摩擦矢量，为重力矢量，为广义力矢量；40、设定的条件如下：41、1）、是一致正定矩阵，总有一个常数标量，满足；则42、，；43、其中，是单位矩阵；44、2）、，；45、其中，，，；46、采用库仑-粘性摩擦模型对系统进行摩擦补偿，库仑-粘性摩擦模型的数学描述如下：47、，；48、式中，为库仑摩擦系数，为粘性摩擦系数。49、作为本发明进一步的方案，所述步骤s5中设计的鲁棒伺服控制器如下：50、；51、其中，，52、，53、<msub><mi>k</mi><mi>p</mi></msub><mi>=diag{[</mi><msub><mi>k</mi><mi>pi</mi></msub><msub><mi>]</mi><mi>6×6</mi></msub><mi>}</mi>，54、<msub><mi>k</mi><mi>d</mi></msub><mi>=diag{[</mi><msub><mi>k</mi><mi>di</mi></msub><msub><mi>]</mi><mi>6×6</mi></msub><mi>}</mi>，55、，，；56、其中，是基于不确定性的上界的分段函数，，且是一个非常可调的小值，矩阵是常数或可调参数变量，矩阵是常数或可调参数变量；57、其中，矩阵、、以及的分解为：58、；59、；60、；61、；62、其中，、、以及为对应的标称部分，、、以及为对应的不确定部分；63、不确定性的边界用标量函数来估计，具体表示为：64、；65、其中，66、；67、是不确定性的上界，给定矩阵<mtable><mtr><mtd><mrow><mi>s=diag{[</mi><msub><mi>s</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>]</mi><mi>n×n</mi></msub><mi>},</mi><msub><mi>s</mi><mi>i</mi></msub><mi>&gt;0</mi></mrow></mtd></mtr></mtable>为常数，；68、若使系统的不确定性都消失，则；69、其中，定义为机器人执行器末端的期望轨迹，设定条件为：是连续二阶可微的，对任意给定时间是一致有界的。70、击球控制方法，包括如下步骤：71、对乒乓球的运动轨迹进行实时记录，并将实时记录的图像信息发送给控制器一；72、根据接收的图像信息，控制器一通过自身配置的非线性最优观测器计算出零时刻下乒乓球速度，基于零时刻下乒乓球速度、乒乓球的飞行轨迹模型和碰撞轨迹模型，预测出乒乓球轨迹信息，并将其发送至控制器二；73、根据接收的乒乓球轨迹信息，控制器二计算出球拍的期望轨迹信息；74、根据球拍的期望轨迹信息和当前球拍的位姿信息，通过鲁棒伺服控制器对六轴机械臂各个关节处电机的输出转矩进行鲁棒控制，执行击球动作。75、作为本发明进一步的方案，当前球拍的位姿信息由传感器检测得到，传感器具体为六轴机械臂各个关节处的电机编码器。76、乒乓球机器人，包括六轴机械臂以及安装在六轴机械臂末端的球拍，还包括：视觉装置，用于对乒乓球的运动轨迹进行实时记录，并将实时记录的图像信息发送给控制器一；77、控制器一，其配置有非线性最优观测器，用于根据接收的图像信息，控制器一通过非线性最优观测器计算出零时刻下乒乓球速度，基于零时刻下乒乓球速度、乒乓球的飞行轨迹模型和碰撞轨迹模型，预测出乒乓球轨迹信息，并将其发送至控制器二；78、控制器二，其配置有鲁棒伺服控制器，用于根据接收的乒乓球轨迹信息，控制器二计算出球拍的期望轨迹信息，根据球拍的期望轨迹信息和当前球拍的位姿信息，通过鲁棒伺服控制器对六轴机械臂各个关节处电机的输出转矩进行鲁棒控制，执行击球动作；79、传感器，用于检测当前球拍的位姿信息。80、与现有技术相比，本发明的有益效果是：81、1、本发明通过构建乒乓球轨迹的非线性最优观测器，利用非线性最优观测器输出的零时刻下乒乓球速度，基于零时刻下乒乓球速度、乒乓球的飞行轨迹模型和碰撞轨迹模型，预测出乒乓球轨迹信息，预测的出乒乓球轨迹信息和落点与现有技术相比相对更精准，有利于选择合适的击球点进行还击，可更好地应对各种复杂球路，回击的准确性也得到了提高；82、2、本发明通过设计的鲁棒伺服控制器对机器人的控制输出转矩进行鲁棒控制，让机器人拥有了相对较高的运动精度，最大程度上减小乒乓球机器人系统在各种不确定性因素影响下的关节轨迹跟踪误差，能够平稳、快速、精确地到达击球点，达到“眼到手到”的预期效果。当前第1页12当前第1页12