[0001] 本发明属于服务机器人技术领域，涉及一种网球辅助训练装置，具体地说，涉及一种可循环收球与发球，与网球训练者进行隔网对打训练的自动化装置，具体提供一种双轮收发一体式网球陪练机器人及其运行方法。

[0002] 网球作为一项兼具趣味性和竞技性的体育运动项目，深受各个年龄段的运动群体喜爱，网球爱好者群体与日俱增。然而，网球运动入门门槛高、技术环节多，网球教练与陪练费用较高，现有训练装备智能化程度低，导致网球训练的科学性、普及性与效率受限。

[0003] 网球训练是一个人‑机‑球组成的人机交互问题。应用智能化训练装备并构建科学的人机交互训练模式，将极大程度节约训练时间和费用成本。网球发球机作为成熟且应用广泛的设备，能够有效控制不同的喂球落点，但其出球位置固定且工作过程常需配备上百个网球，一轮训练结束后还要收球并重新填充网球。现有的网球机器人主要用于配合发球机工作，实现自动化捡球功能；近年来，为模拟与专业陪练多球连续性对打效果，出现了一些初步具备接发球特性的网球机器人，但仍存在不足而有待优化提升。

[0004] 申请号为2018163353.3的专利提出了一种网球接发球机器人，接球装置收集到网球后通过输球装置和推送装置将网球输送至发球装置并实现不同速度和角度击发。其优点是收集效率高、击发效果好；缺点是无法进行智能定向移动，收球面积有限且不可调，缺乏保护结构易损坏，更没有储球构件而无法适应连续收发对打训练活动。

[0005] 申请号为201910957838.2和申请号为202020544433.4的专利，提出以一种通过仿生机械抓手捡拾网球并放入储球框的方式收球，并由四个麦克纳姆轮驱动的网球机器人。前者提出了通过机械臂抛球的方式与球员进行训练；后者搭载发球筒发球实现收发球一体化。这两种机器人的优点是能够实现自动捡球、抛球或发球，降低了人工劳动强度，但是两种机器人均不能实现与球员连续对打，且收发球时间较长，不能实现网球的循环使用。

[0006] 为满足网球陪练机器人移动位置、空间姿态、射球速度与旋转等参数可适时调控的需求，现有的网球收发或拾抛一体机器人往往机械结构复杂、重量和体积较大，以致失去机体轻便性与灵活移动性，对训练者击球的响应速度滞后、移动准确性受限，在对打过程中常常出现延时或是接球失败等问题。

[0007] 全新开发易于携带至球场的网球陪练机器人，并赋予其快速全向移动、训练者击球有效回收、精准机动发球等能力，将大大帮助训练者提升球技又节省雇用陪练的费用。此技术装备将为运动爱好者提供运动训练的有效工具与新兴模式，有助于球类体育运动产生人机融合的智能化训练新业态。

[0053] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更为清晰明了，下文将结合附图对本发明再行详细说明。

[0054] 为使附图简明易懂，本发明专利中的附图标号采用了二级标号规则，机器人所有的零部件并非全部标注，而仅详细标注本文所述的结构、工作原理等重要内容的相关零部件。

[0055] 在本文所描述的发明中，除非有特定的规定和限制，术语“安装”、“设置”、“连接”等词语应被广义理解。例如，它们可以包括固定连接、可拆卸连接、一体连接；可以是机械连接、电连接；可以是两个元件之间的直接相连，也可以是通过中间媒介实现的间接相连，甚至可以是元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员来说，可根据具体情境理解上述术语在发明中的特定含义。

[0056] 如图1所示为本发明所述的双轮收发一体式网球陪练机器人整体外形轴测图。所述双轮收发一体式网球陪练机器人采用模块化设计，其中收球模块3和移动模块2分别在所述机器人的上方和下方，壳体1(底壳罩除外)在所述机器人的中间，发球模块4在壳体内部。

[0057] 壳体1，前机壳1‑1的类流线型设计能够减小机器人前进时空气阻力，对发球模块4起保护作用并对收球模块3起支撑作用，同时使网球机器人结构更加完整合理。

[0058] 移动模块2，控制电路板2‑6采用双轮差速驱动方式，分别控制两个电机轮的转速，实现机器人的定向移动，基于经典PID控制原理，保持机器人的平衡。

[0059] 收球模块3，通过接球网3‑3收集网球，并通过落球孔3‑7下方的储球筒4‑10送球至发球模块4。

[0060] 发球模块4，能够将收球模块3收集的网球以可调控的时间、速度、旋转、方向从出球口1‑4射出。

[0061] 定位模块，包括双目相机6‑1；超带宽定位基站6‑2；位置标签6‑3，能够测量网球、机器人、以及训练者的空间坐标。

[0062] 如图2所示为本发明所述的移动模块2与发球模块4组合轴测图，参阅图3与图7为两个模块单独呈现的视图，所述发球模块4通过支撑架4‑1安装在移动模块2的底盘上，为节约空间，发球模块调整射球角度过程中，射球电磁铁4‑12可向后伸至底壳罩1‑3中。

[0063] 如图3所示为本发明所述的移动模块轴测图，所述金属底盘2‑1和两个电机轮2‑2、2‑3呈对称分布，控制电路板2‑6粘接在底盘后端的右侧，蓄电池A2‑4与蓄电池B2‑5分别安装在底盘的后端左侧和前端右侧，一并为控制电路板2‑6供电。电机转轴2‑7和轮支座2‑8与电机轮轮毂通过螺栓连接。

[0064] 如图4和图5所示分别为本发明所述的收球模块轴测图和后视图，所述上收球框3‑1与下收球框3‑2通过铰接件与锁紧旋钮连接定位，支架3‑8采用空心金属管道和金属片焊接制成，通过铰接件与收球框下部连接并可相对转动；上伸缩杆3‑9通过支座和锁紧件与收球框上部相连，下伸缩杆3‑10通过支杆铰支座和螺钉与支架3‑8后沿相连；球盆3‑6粘接在支架3‑8上方，接球网3‑3通过绳子绑在收球框和支架3‑8上。

[0065] 如图6所示为本发明所述的收球模块左视图，即所述收球模块工作原理示意图，网球5从球场对面飞来，落地起跳后，触碰到收球框上的缓冲线，减速后落入球盆3‑6中；若经过缓冲线后球速依然较大，网球会撞击在接球网3‑3上，之后回弹落到球盆3‑6上，球盆采用底弹性材料，网球难以弹出收球框网之外，易于进入落球孔3‑7中。参阅图9，通过调整上伸缩杆3‑9与下伸缩杆3‑10的相对位置，并借助其上锁紧旋钮3‑4和3‑5，可调节收球框俯仰角或接球面积。参阅图10，网球机器人不在使用状态时可折叠收球机构，以大幅程度减小网球机器人的体积，此时伸缩杆还可用作机器人支撑脚或移动拦杆，提高机器人的便携性。

[0066] 如图7所示为本发明所述的发球模块轴测图，所述支撑架4‑1通过螺栓固定在底盘2‑1上，摩擦轮支撑板4‑8和三通支撑板4‑9通过轴承4‑7连接在俯仰调整轴4‑6上，摩擦轮板在电动推杆4‑11的推力作用下可绕俯仰调整轴旋转。

[0067] 如图8所示为本发明所述的发球模块左视图，即发球模块工作原理示意图，射球筒4‑13正对两个摩擦轮的间隙区域，网球5被推出三通管口后凭借上摩擦轮4‑2与下摩擦轮4‑
3产生的摩擦力射出。储球筒4‑10中的网球5进入射球筒4‑13中，得到发球时间信号后，射球电磁铁4‑12将储球筒中的网球推至摩擦轮4‑2与4‑3空隙处，网球经过两个摩擦轮的摩擦和挤压作用射出，两个摩擦轮的摩擦力与相对速度大小决定了网球射出速度和旋转程度。通过改变摩擦轮的转速大小调整网球射出的初速度；两个摩擦轮的线速度一致则出球不旋转，若线速度有差异则出旋转球。电动推杆4‑11推动摩擦轮支撑板4‑8绕俯仰调整轴4‑6旋转，调节发球机构俯仰角，从而调整射出网球的高度角。实际上，若变更发球模块与底板安装角度，使射球平面与轮轴方位一致，即可通过控制机体摇摆角度而射出侧旋球。基于此，所述机器人能够实现精准发球。

[0068] 如图9所示为本发明所述的收球模块倾角调节状态的左视图，通过调节松紧定位螺钉，上收缩杆3‑9向下收缩至下收缩杆3‑10内，随之上收球框3‑1和下收球框3‑2向后倾斜，即可改变收球框倾角或收球面积。

[0069] 如图10所示为本发明所述的收球模块折叠状态的左视图，通过调节铰接件的松紧螺钉，上收球框3‑1和下收球框3‑2向后倾斜，并调节锁紧旋钮3‑4和3‑5，使上收球框3‑1折叠，将上收缩杆3‑9与上收球框3‑1连接的支座与锁紧件拆卸，上收球框3‑1可置于球盆3‑6中或水平放置，同时上收缩杆3‑9收回至下收缩杆3‑10内，可旋转至紧贴机身外壳1后，底部接触地面以辅助支撑机器人。

[0070] 图11所示为所述的网球陪练机器人工作场景示意图。在网球场的四个角落分别布置一个定位基站6‑2，在网球陪练机器人控制电路板2‑6安装一个定位标签6‑3，以采集网球陪练机器人以及训练者的实时位置坐标。

[0071] 控制电路板2‑6安装一个位置标签6‑3，基于现有超带宽定位(UWB)原理获取网球陪练机器人相对网球场的具体位置坐标；

[0072] 机器人的定位原理是四个基站固定，一个位置标签安装在机器人的移动模块上，然后系统能够通过位置标签和四个基站的距离，计算机器人的坐标。

[0073] 超带宽定位基站为控制电路板提供机器人位置坐标是现有技术。

[0074] 四个基站有一个主基站与计算机连接，能够读取标签与四个基站分别的位置，从而通过公式计算移动模块的位置坐标，是现有技术。

[0075] 在球场的训练者一侧安装一台双目相机6‑1，所述双目相机能够高速采集场景的RGB图像和深度图像，使用常规神经网络识别网球在RGB图像中的平面坐标，结合双目相机自带的深度信息，综合形成网球空间位置坐标；同理获得训练者的坐标。通过下述网球空气动力学模型预测网球落点位置，将结果通过Wi‑Fi发送至网球机器人。

[0076] 双目相机通过神经网络训练后识别网球空间位置，是现有技术；

[0077] 网球空气动力学模型预测网球落点位置，是现有技术；

[0078] 双目相机将预测网球落点位置结果通过Wi‑Fi发送至控制电路板，是现有技术。

[0079] 网球从发球机射出后，网球的位置P(x,y,z)遵循空气动力学模型。设发球机的出球点位置为P0，初速度v，转速ω(底线击球通常为上旋)。在网球的飞行过程中，网球受到空气阻力FD，重力FG以及升力FL，可建立空气动力学平衡方程

[0080]

[0081] 式中FD＝‑0.5CDρAC|v|v,FG＝[0 0 ‑mBg]T,FL＝0.5CLρAC|v|v。

[0082] 典型情况下，空气密度ρ＝1.2754kg·m3，网球质量mB＝0.055Kg，网球半径R＝2
33mm，网球截面积AC＝πR。网球的阻力系数CD和升力系数CL在前人的研究工作中已经确定，本本发明使用较为常用的数值CD＝0.55,CL＝0.6Rω/v。

[0083] 基于上述网球运动规律模型，通过下列迭代公式，可预测出网球落点Pd(z＝0)的坐标

[0084]

[0085] 在一个对打训练回合中，网球机器人的发球模块首先将球发射至训练者所在的坐标前方1米处，要求训练者以机器人所在位置为目标进行回球。训练者回球后，双目相机捕捉并计算网球落点，在控制电路板2‑6的控制下，机器人移动模块移动到网球落点处收球模块实现收球，同时发球模块发射下一个网球。

[0086] 双目相机捕捉并计算网球落点，就是“网球空气动力学模型预测网球落点位置”。

[0087] 控制电路板2‑6控制移动模块2中的两个电机轮旋转，使移动模块移动到网球落点处收球模块实现收球，同时控制电路板2‑6控制发球模块发射下一个网球，是现有技术。

[0088] 图12为本发明所述的网球陪练机器人控制方法流程图。蓄电池A2‑4与蓄电池B2‑5一并为控制电路板2‑6提供电能，控制电路板2‑6通过控制发球模块4中的上摩擦轮电机4‑4与下摩擦轮电机4‑5转速，实现发球速度与旋转的调节；控制电路板2‑6通过控制电动推杆4‑11的伸缩位置，使摩擦轮支撑板4‑8绕俯仰调整轴4‑6旋转，从而调整发球的高度角；控制电路板2‑6通过控制射球电磁铁4‑12的通断，实现射球筒4‑13中网球发射时间的控制。训练者击打来自机器人的网球后，双目相机为控制电路板2‑6提供网球坐标，UWB为控制电路板提供机器人位置坐标，控制电路板2‑6控制移动模块2中的电机轮A2‑2与电机轮B2‑3旋转，使机器人移动至网球落点位置。最后，收球模块3中的接球网3‑3拦截训练者击打的网球后，网球落入球盆3‑6并滚入储球筒4‑10中。每次从射球筒4‑13发射一个网球，储球筒4‑10中将重新填充一个网球至射球筒4‑13。

[0089] 标准网球场长度23.7米，机器人和击球落点都在场地内，设击球飞行距离20米，一般球员击球速度为20m/s,所以人打出后机器人约有1秒的时间内判断落点、移动到位。但从移动速度来看，机器人所用的电机轮在负载60kg时,运行速度最大速度在5m/s，从静止开始2
1秒可移动3米(网球陪练机器人质量在20kg以内，因此其加速度高于3m/s)。所以其基本可覆盖底线练习的半场区域。在陪练过程，只需要设定训练者往机器所在的半场击球，其基本可实现接球。即，在陪练方案设定时，训练者需要以机器人作为目标点，这样可以减轻机器人的接球和控制难度。

[0090] 通过发球框去接球可拥有较大容错量，提升网球收球的成功率。若个别情况未能实现收球，机器人的储球筒4‑10中存放多个备用网球，并不影响陪练。

[0091] 双轮收发一体式网球陪练机器人有三种运行模式，既可进行单独收球或发球，又实现收发球一体化；既可进行定点训练，又可实现动态训练。

[0092] 具体说明如下：

[0093] 其一，收发一体对打训练模式，收球模块3和发球模块4同时工作，由训练者或陪练机器人先发球。以训练者先发球为例，机器人的储球筒4‑10中球处于待发射状态，收球模块3收集到网球再由发球模块4射出，如此往复进行训练；

[0094] 其二，“发球机”模式，将收球模块3折叠，在球盆3‑6和储球筒4‑10中装满一定数量网球，同时可选择关闭机器人的移动模块，也可事先设定机器人的特定移动方式，不断改变机器人发球方向和初速度，开展回球训练；

[0095] 其三，“球童”模式，关闭机器人的发球模块4，同时可关闭机器人的移动模块2，也可事先设定机器人特定移动方式，训练者在另一侧发球，以击打网球进入机器人收球模块3为目标进行固定目标点和变动目标点的发球准确度训练。

[0096] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术。