乒乓球对弈机器人的设计
打乒乓球对于人类来说是一件看似简单的任务，然而要实现让机
器人打乒乓球却绝对是一项富有挑战性的工作，特别是在设计用十打乒乓球的仿人机器人这一项目中，需要机器人像人类一样对乒乓球的运动轨迹，和击打力度作出较为准确判断，因此在设计过程中应当采用（1）双目视觉定位，这可以对飞来的球的轨迹做出判断，然后做出相应动作做；（2）机器人的机械手臂，可以对非来的球进行随意击打，比如：兵乓球在运动过程中会有，上旋，下旋，等自身的转动，或者快球，慢球这样就要求机器人有比较灵活的手臂；（3）控制系统，用以将机器人采集到的信息进行加工处理，最后命令其做出相应动作。
乒乓球机器致上可以分为 3 个子系统：视觉系统，控制系统和机械系统。
一．视觉系统设计
人类在打乒乓球时眼睛的作用至关重要，通过双眼获得关于乒乓
球在三维空间中运动的相关信息后我们才能做出正确的击球动作。相应地，在机器人打乒乓球的过程中，利用机器人的视觉系统对乒乓球在三维空间中的位置信息进行实时的、准确的测量也是实现其打乒乓球的基础。采用软件和硬件相结合，首先采用摄像头，传感器等硬件提取球的位置和距离。然后将采集到的数据进行软件处理，比如用图像处理技术进行分割，识别。视觉系统的组成如下：
硬件 软件 机器人视觉系统 摄像机 传感器 视频处理器 计算机软件 图像处理算法 机器人控制软
各主要部分作用：
（1）摄像头：对球的的获取，并且对其进行三维立体定位，所有的几何信息都是从摄像头获取的图像中得到。要求摄像头的可视角度可以覆盖整个桌台（-180º—180º）
（2）传感器：对球体的位置进行定位，跟踪，然后将信息传到硬件综合处理中心。
（3）视频处理器：对摄像头和传感器传来的图像和位置进行处理生成计算机系统可以处理的一系列信息。
（4）图像处理：对所得图像进行特征提取，采用一系列算法进行特征匹配，最终得到球体的三维坐标。
下来就是对对乒乓球进行跟踪，根据对乒乓球目标识别和定位得到的观测信息利用相关算法乒乓球当前运动状态进行估计，实现对乒乓球三维位置的跟踪。并对下一采样时刻乒乓球的运动状态进行预测，得到三维位置的预估值。然后进行乒乓球目标的识别，获得对乒乓球的观测信息并利用相关算法实现对乒乓球目标的跟踪。还需要对发球、击球和与球台碰撞的情况进行检测，当这些情况发生时，都会导致乒乓球运动轨迹的剧烈变化。比如可以在球台桌面上均匀取20个点，分别位于球桌的两侧。距离球台桌面的高度假设分别为50mm，200mm，350mm，500mm，650mm，这样就共有20个定位基准点。这些基准点代表了在打乒乓球过程中乒乓球在世界坐标系中分布的可能位置，其实际的世界坐标是己知的，将直径为40mm的标准黄色乒乓球放
置在这些基准点上，并利用外部视觉系统对乒乓球位置进行测量。但是我们最终要实现在机器人打乒乓球的过程中利用视觉系统实现对乒乓球在世界坐标系中的三维位置信息的实时的、精确的测量。由于机器人本体在工作过程中不可避免地存在移动，使得固定在其上面的视觉系统的位姿发生偏移。所以说这种视觉系统判别乒乓球的落球点，和击打轨迹肯定会错在误差。
二．机械系统设计
人类在进行乒乓球击打中可以任意的改变手中球拍的姿势，并且
根据所接到球的运动状态和位置可以进行手臂的弯曲度并且可以自由的以不同的力度击打飞来的球。所以当设计一个可以高度模仿人类打乒乓球的机器人必须要有一个近乎和人类一样手臂的机械手臂。 首先，要设计的机械手臂应为6个自由度，故应选择6个电机。机械系统采用实验室已经研究成型的六自由度仿人快速机械手，它具有六个自由度，属于三维开环链式结构，其中6个关节包括肩关节2个，肘关节1个，腕关节3个。从而可以实现以下功能：肩部回转、肩部俯仰、肘部俯仰、腕部回转、腕部俯仰以及腕部侧摆。其次，要求每个关节在击球时做出的反应时间必须少，否则无法完成攻击到球。所以在这个周期中需要由一些嵌入式系统的参与，包括计算机处理，以便更精确的控制电机。
机器人在准确击打乒乓球时，需要解决两个方面的问题：一是机器人控制，保证机器人能在指定的时间以指定的速度、姿态到达指定位置；二是击打策略，即解决机器人在何时以何种速度，姿态到达什么位置。具体而言，击打策略可分为乒乓球轨迹预测，击球时机预测，姿态速度计算以及出手策略等部分。
击球点的预测：
击球点包括三个方面的内容：第一包括拍和球的接触点距地面的高度；第二包括接触点距身体的前后距离；第三包括距身体的左右距离。对击球点选择得否合适，将决定着击球质量的好坏，它将直接影响着击球的力量、速度、弧线、落点，最终将导致影响击球的命中率，因此选择合适的击球点至关重要。乒乓球运动速度相对较快，机械手臂需要控制球拍事先向击球点移动，调整好球拍位姿，这样才能有效的完成击球。因此，要想提高击球的实时性、准确性和有效性，就必须快速准确地预测出击球点的三维坐标。
乒乓球旋转的研究：
乒乓球的受力线是否通过球的重心决定着乒乓球是否产生旋转，
若受力线不通过重心，则球在平动的同时还会产生转动，从而产生了旋转。实际情况下，球和球拍的表面不是绝对光滑的，球和球拍相互作用时就会产生不同程度的摩擦力，球受到的摩擦力和撞击力的合力
偏离球的重心，导致乒乓球产生旋转。球拍挥动越快、球与球拍表面的摩擦力越大，乒乓球的旋转就越强烈。乒乓球的旋转分为横轴旋转、纵轴旋转和竖轴旋转。这三种旋转又可根据方向的不同进行划分，横轴旋转分为顺着轴方向的下旋球和逆着轴方向的上旋球；纵轴旋转可分为左侧旋球和右侧旋球；竖轴旋转可分为四种：分别是左侧下旋球、左侧上旋球、右侧下旋球和右侧上旋球。
球拍位姿的研究：
要想快速准确的将球击打回对方球台，在球即将到达击球点之
前，确定出球拍的位姿是必不可少的。影响球拍位姿的因素有很多：外界因素（如乒乓球在空中受到的各种力的组合效果、外界环境如温度的影响、不同地域重力加速度会有稍许的差异等等）；乒乓球的质量；乒乓球在三维空间中初始坐标；乒乓球发出时瞬间的速度以及角度大小；乒乓球、球台和球拍本身的因素（球与球台以及球拍之间的摩擦力，碰撞造成的能量损失等都与此因素有关）；乒乓球被击打回 对方球台的落点等等。
三． 控制系统
这个系统以视觉系统的输出作为输入，对数据进行处理，控制机械手臂完成击球动作。控制系统最重要的一点是要有较快的实时响应速度，利用视觉系统提供的相关数据控制机械手臂完成击球。而除了对视觉系统提供的数据进行处理之外，还要能够对机械手臂进行多轴联动控制，使球拍能够在最合适的时间和位置完成击球，将乒乓球击回到对方球台。
为了使机器人像人类一样可以进行前后左右移动，弯腰，以及捡球等动作。因此需要有一个控制系统来对其进行控制。所以可以选择多个的PC进行控制。每个PC能够在同一时刻，能够的安其自身的程序执行，并且又相互协调的完成总体系统功能。
运动控制系统由 PC 机及运动控制卡组成。PC 机可选用市场主流工业 PC 机即可，主要完成人机交互界面及机器人视觉运算处理、及运动轨迹规划、控制指令的发送，运动控制卡完成运动控制的所有细节（包括脉冲和方向信号的输出、原点及限位信号的检测等）。一款基于 PCI 总线的高性能运动控制卡，它可控制多达四轴步进或伺服电机。其它系列产品相比，他们具有更快的运动速度、有更好的直线和圆弧插补功能，同时还增加了编码器位置锁存、位置比较等高级功能。直线和圆弧插补，该卡提供了 2 轴、3 轴和 4 轴直线插补函数，任意 2 轴可进行圆弧插补。直线插补函数由硬件实现，故插补速度快。连续插补运动，具有缓冲积存器结构，这使得连续运动指令之间的连接没有任何间隔，因而连续插补运动十分连续、平滑。在运动中可修改速度及终点位置，该卡提供了强大的修改速度、目标位置函数，在电机运动过程中，程序可以根据不同的条件修改该运动过程的速度和目标位置。位置锁存，该卡提供位置锁存函数，当锁存信号 LTC 被触发，编码器当前位置就立即被捕获。该动作由硬件高速完成，确保位置测量准确、可靠。位置比较，该卡提供位置比较函数，当电机位置和寄存器中的位置相同时,立即自动送出触发信息。运动
同时开始或停止，该卡使用软件或外部输入信号可以控制各个轴或多块卡上的轴同时开始运动或同时减速、停止运动。
