摘要：由于在臺球教學和平時練習中，撿球和擺球非常麻煩，本文提出一種臺球機器人將代替人完成撿球和擺球這種枯燥的任務。針對機器人的需求設計了一種基于臺達PCI-DMC-A01軸卡和伺服作為執行器的臺球機器人。系統能根據指令實現機器手的精準定位，撿球，擺球，不會出現疊球現象。并能夠實現異擺出系統球譜，基本實現遠程對戰的功能。該系統實驗成熟后即將推向全國，將對中國的臺球競技培訓和訓練，以及為未來的臺球網上對戰產生深遠的影響，因此，該系統具有廣闊的市場前景和非常大的實用價值。

關鍵詞：臺達，PCI-DMC-A01，臺球，機器人

1引言

在臺球教學和平時練習中，撿球和擺球是最麻煩。為了對練習此項運動的選手一個一致的訓練環境，提高職業技能，并且可以有效的評價選手在訓練后水平能夠達到的一個程度，需要一種設備可以幫助完成從選手訓練到后期評價考核全部內容。本文提出一種臺球機器人將代替人完成撿球和擺球這種枯燥的任務。本文針對臺球機器人的需求設計了一種臺達軸卡和臺達伺服系統的移動臺球機器人。在鷹眼視覺基礎上，臺球機器人系統主要具有以下功能：

(1)通過此設備可以確定球在球桌的固定位置點，并且可以重新把球移動到一個特定的位置，以便選手可以重復練習，或者考試。

(2)可以進行遠程控制，或者更復雜的以訓練和應試為目地的動作。

(3)可以實現兩個選擇手異地對戰，或者輔助訓練。

在進行臺球機器人設計時,重點需要考慮設計的成本、機器人的質量，電機類型和功率等因。為了提高機器人的撿球效率，應盡量減少一些區域的多次重復行走，并確保不疊球，不碰球和不漏球。因此，找到一種符合上述目標的機器人的控制算法和一套能實現上述功能的伺服系統尤為重要的。

2控制系統設計和執行器選擇

2.1機械模型建立及各軸控制要求

圖1臺球機器人模型

如圖1所示，X軸為垂掛結構，此結構由兩組工業鋁材構成直線引動主支撐架，在其下部安裝有直線導軌，并且由雙T5齒形聚胺脂同步驅動中間滑板來實現運動。該設計同時可以滿足X軸框架的剛度及運動精度要求外，并且在安裝，調整精度上容易實現。軸根據計算，電機需要采用750W或以上伺服電機與之匹配的減速機減速比為4:1，需要2組極限傳感器和1組原點傳感器。

Y軸為垂掛結構，此結構由1組工業鋁材構成直線引動主支撐架，在其下部和側面同時安裝有直線導軌，并且由1組T5齒形聚胺脂同步驅動中間滑板來實現運動。該設計同時可以滿足Y軸框架的剛度及運動精度要求外，并且在安裝，調整精度上容易實現。軸根據計算，電機需要采用400W或以上伺服電機與之匹配的減速機減速比為4:1，需要2組極限傳感器和1組原點傳感器。

Z軸主要由兩部份夠成。用于垂直方向折疊的軸，用于完成Z軸方向軸桿的收縮折疊，包括主要用于收縮的無桿氣缸和用于旋轉的氣缸構成，氣缸各付帶兩組位置傳感器用于檢測位置。用于臺球工作狀態舉升的軸，包括一組升降氣缸完成，氣缸付帶有兩組位置傳感器用于檢測位置。Z軸還包括用于吸臺球的真空吸嘴全部氣缸控制氣動由電磁閥組完成，其中電磁閥組還包括控制真空吸嘴的吸球動作，此外氣路還有用于產生真空的真空發生器。

2.2基本運動控制說明

(1)初始化動作

在設備開機后，X，Y軸需要有一個單向運動返回來找X，Y軸原點，以確定X，Y軸的初始位置。Z軸需要為返回最下位置點做準備，無桿氣缸和用于旋轉的直線氣缸分別動作以保證吸氣嘴已經垂直于球桌表面，這時用于升降的氣缸應該在上位，以保證吸嘴和臺球的安全距離。

(2)臺球的搬移過程

當接收到程序令后，X，Y軸電機同時起動帶動吸嘴平移，插補運動找到目標點，停止后，升降氣缸下移，吸嘴接觸臺球，真空閥打開，吸起臺球，真空感應開關判斷是否真空，關斷閥切斷氣路，升降氣缸上移，帶動臺球上移，X，Y軸重新帶動吸嘴臺球平移到新的目標點上方，升降氣缸下移，關斷閥打開，真空破壞閥加電，真空消失，臺球穩定在臺面上，真空感應開關判斷是不是常壓，升降氣缸重新上移，吸嘴離開臺球，重新找下一目標點，重復動作。

(3)完成返回動作

當完成所有目標臺球移動后，升降氣缸上移，無桿氣缸上移回縮，并且用于旋轉的氣缸反向動作把Z軸旋轉至平行于球桌表面，完成Z軸的折疊動作后，同時給上位機信號。

2.3控制器設計和設備選型

臺達PCI-DMC-A01控制卡是臺達順應多軸運動控制技術的發展趨勢，推出了全新通訊型PCI總線高速運動控制軸卡——通過內建獨特的DMC-NET總線，可高速連接各種裝置，例如伺服馬達、步進馬達、遠端模塊、DD馬達，直線馬達等。再配合臺達自主研發的高精度與高性能伺服系統，將不僅大大提升設備的整合能力，而且還將節省成本和配線。所有裝置均掛到DMC-NET總線上，不必再配置針對不同驅動器的脈沖、模擬量、IO接口板，避免了接口類型太多帶來的系統兼容性和穩定性的問題。在固定的1ms指令周期內可交換12軸馬達的數據。依托自身高穩定度的DMCNET總線，搭配臺達A2系列伺服驅動器，構成很高穩定度的控制系統，降低了干擾雜波的產生，系統可靠性和抗干擾能力大幅提升。臺達DMC控制卡比傳統控制卡的優勢主要有：

因此，系統控制器選用臺達PCI-DMC-A01控制卡，X軸選用臺達1kWASD-A2-1021-F伺服驅動器和1KWECMA-E11310ES伺服馬達；Y軸選用臺達750WASD-A2-0721-F伺服驅動器和750WECMA-C10807ES伺服馬達。系統控制結構如圖2所示。

圖2控制系統結構圖

3控制算法選擇和控制程序編寫

3.1控制算法選擇

路徑規劃根據對環境信息的把握程度可劃分為全局路徑規劃和局部路徑規劃。其中，全局路徑規劃需要掌握關于環境的所有信息，根據環境地圖進行大粒度的路徑規劃，在全局路徑規劃算法領域，經典方法大致可以分為以下四類：基于圖的方法、基于柵格的方法、勢場法和數學編程法。從獲取障礙物信息是靜態或是動態的角度看，全局路徑規劃屬于靜態規劃，局部路徑規劃屬于動態規劃。本文主要探討如何利用蟻群算法來解決機器人的全局路徑規劃問題，找到一條優化的撿球行進路徑[1-6]。

在基于圖的路徑規劃方法中，路徑圖由捕捉到的存在機器人的一維網格曲線在自由空間中的結點組成，所建立起來的路徑圖可以看作是一系列標準路徑，而路徑的初始狀態和目標狀態同路徑中的點相對應，這樣路徑規劃問題就演變為在這些點之間搜索路徑的問題。由于在本系統中機器人路徑中的各個起始點和目標點都已經由鷹眼系統給定，因此本系統選擇圖的方法做為機器人的控制算法，并對原有的算法進行了改進，對每個球的路徑進行編號，并加入了防止疊球算法。

3.2控制程序編寫

根據控制要求編寫控制程序，首先開機后系統等待撿球命令，接到撿球命令后，系統從鷹眼獲取去的坐標位置和球的目標坐標位置，然后通過所設計的路徑規劃算法進行路徑規劃，找到一種最優的移動路徑，并對每個需要移動的球進行編號。并進一步加入了防疊球處理程序和安全防護處理程序，對撿球和放球也做了防抖處理。控制程序流程圖如圖3所示，控制程序監控界面如圖4所示，斯諾克(Snooker)球桌長約3569毫米、寬1778毫米，臺面四角以及兩長邊中心位置各有一個球洞，使用的球分為1個白球，15個紅球和6個彩球共22個球。本程序監控界面根據實際球桌比例縮放制作。控制參數設置如圖5所示。

圖3控制程序流程圖

圖4控制程序監控畫面監控畫面

圖5控制參數設置

4結論

本文系統是在國家體育總局某部門的主導下完成的，設計的臺球機器人系統采用了臺達PCI-DMC-A01控制卡，1kWECMA-E11310ES和750WECMA-C10807ES伺服馬達作為執行器，采用基于圖的方法做為主要路徑規劃算法，并對算法做了改進，加入了防抖、放疊球處理程序和安全防護的處理程序。通過大量的實驗和現場應用證明，該系統能根據指令實現機器手的精準定位，撿球，擺球，不會出現疊球現象。并能夠實現異地擺出系統球譜，基本實現遠程對戰的功能。下一步在控制算法上和遠程對戰上需要進一步改善。該系統實驗成熟后即將推向全國，首先在在各大臺球協會應用。將對中國的臺球競技培訓和訓練，以及為未來的臺球網上對戰產生深遠的影響，因此，該系統具有廣闊的市場前景和非常大的實用價值。

參考文獻

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