劉仕文

摘? 要：文章詳細(xì)探討了自動拾取乒乓球機器人機械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計。首先用UG NX 6.0軟件構(gòu)建出自動拾取乒乓球機器人的立體模型，再對其各運動機構(gòu)進(jìn)行分析說明，最后用AutoCAD2008軟件繪制出相應(yīng)零部件的工程圖和機器人的裝配圖。

關(guān)鍵詞：機器人;乒乓球;機械結(jié)構(gòu);UG NX 6.0

中圖分類號：TP242? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0001-08

Abstract： In this paper， the design of the mechanical structure of the automatic pickup table tennis robot is discussed in detail. Firstly， the three-dimensional model of the automatic pick-up table tennis robot is constructed by UG NX 6.0. then the motion mechanism of the robot is analyzed and explained. finally， the engineering drawing of the corresponding parts and the assembly drawing of the robot are drawn by AutoCAD2008 software.

Keywords： robot; table tennis; mechanical structure; UG NX 6.0

在乒乓球場上訓(xùn)練或比賽的時候，地面上肯定會有很多出界和無效的乒乓球。目前，主要還是通過人工的方式來撿球和送球，這明顯降低了工作的效率和提高了工作人員的勞動強度。雖然已經(jīng)有很多智能機器人被應(yīng)用到我們的日常生活中，但是并沒有被專門應(yīng)用于乒乓球場上的機器人。因此，如果能將智能機器人應(yīng)用于乒乓球場上，實現(xiàn)撿球和送球的自動化，其必將大大提高該工作的效率和降低工作人員的勞動強度。

本自動拾取乒乓球機器人主要應(yīng)用于乒乓球訓(xùn)練場或比賽場上，其主要功能是自動拾取乒乓球。該自動拾取乒乓球機器人的工作流程如下：當(dāng)自動拾取乒乓球機器人通過聲控裝置自動識別并接收到運動員發(fā)出的撿球命令后，首先采用圖像識別技術(shù)自動識別乒乓球的方位，接著對乒乓球的位置分布作一個最優(yōu)的行程判斷，然后再走到乒乓球所在的地方，最后將乒乓球撿起并放進(jìn)存放腔中;當(dāng)機器人接收到由運動員發(fā)出的送球指令后，再自動把乒乓球送給運動員。

為便于讀者更好地理解機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路，本文從一開始就引入總體設(shè)計方案，然后對各主要機構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計和分析，最后介紹設(shè)計的總體效果。

1 總體設(shè)計方案

1.1 行走方式

機器人行走機構(gòu)的分類和特點如表1所示[1]。

由于乒乓球場一般都比較寬敞，且地面比較平整，所以選擇輪式行走方式比較合理。而且，輪式機器人的設(shè)計和制作過程相對其它類型機器人較為簡單，其自動控制系統(tǒng)的設(shè)計也相對容易。

1.2 撿球方式

撿球方式有兩種可供選擇的方案。一種方案是設(shè)計一個機械手，直接將乒乓球抓取起來，再將乒乓球放到存放腔中;另一種方案是仿照吸塵器的原理，將乒乓球吸起來，再存放到存放腔中。如果設(shè)計一個機械手直接抓取乒乓球，則需要設(shè)計的活動關(guān)節(jié)較多，所設(shè)計的機構(gòu)將較為復(fù)雜，而且在自動控制方面也較難處理。由于自動拾取乒乓球機器人作用的對象是乒乓球，其重量較輕、體積較小，因而比較容易吸取。因此，本設(shè)計采用第二種方案。這就需要安裝一個可以吸氣的微型真空泵。微型真空泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微型真空泵的工作原理是：電機作圓周運動，通過機械裝置使真空泵內(nèi)部的隔膜做往復(fù)式運動，以對固定容積的真空泵腔內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮、拉伸而形成真空、負(fù)壓，從而使真空泵的抽氣口處與外界大氣壓產(chǎn)生壓力差。在壓力差的作用下，將氣體壓（吸）入泵腔內(nèi)，再從排氣口排出來，完成一個吸氣的過程[2]。

在真空泵吸氣的過程中，空氣如果能從乒乓球的出口進(jìn)入，則會減少從乒乓球入口進(jìn)入的空氣，而達(dá)不到撿球的作用。為了防止這一情況的出現(xiàn)，現(xiàn)另外設(shè)計一個堵氣機構(gòu)。在微型真空泵吸氣的過程中，乒乓球的出口關(guān)閉。當(dāng)微型真空泵吸氣完成后，乒乓球的出口打開，讓乒乓球走出來，進(jìn)入存放腔中。在本機器人中，設(shè)計了一個平面四連桿機構(gòu)的堵氣機構(gòu)。

1.3 驅(qū)動和轉(zhuǎn)向方式

本機器人采用12v的步進(jìn)電機驅(qū)動，并且采用前輪驅(qū)動、后輪導(dǎo)向的方式。采用萬向輪導(dǎo)向，萬向輪的結(jié)構(gòu)如圖2所示。萬向輪可由廠家直接生產(chǎn)制造出來，不必另外設(shè)計，而且比較容易獲得，使用起來也比較方便。安裝導(dǎo)向輪的腳輪輪子支架能在動載或者靜載中水平360度旋轉(zhuǎn)，從而起到導(dǎo)向的作用。

實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)向的方法很多。常用的有以下幾種：（1）差動型轉(zhuǎn)向。對于輪式和履帶式機器人的轉(zhuǎn)向來說，差動法是最為常用的方法。當(dāng)轉(zhuǎn)向時，機器人的一側(cè)輪子或履帶停止前進(jìn)或反向運動，另一側(cè)輪子或履帶則繼續(xù)向前運動，從而使機器人向輪子或履帶停止或反向運動的一側(cè)轉(zhuǎn)向。（2）汽車型轉(zhuǎn)向。汽車型轉(zhuǎn)向雖然沒有差動型轉(zhuǎn)向的機動性好，但它適用于室外路況，特別是不平坦的路面。采用此種轉(zhuǎn)向方式的機器人其轉(zhuǎn)向圓的圓心在輪子的外側(cè)，而不是在兩輪之間，因此可以獲得更大一些的牽引力。（3）三輪車型轉(zhuǎn)向。三輪車型轉(zhuǎn)向的最大缺點就是，如果驅(qū)動機器人兩側(cè)車輪的電機中一個速度略微慢一點，機器人所行進(jìn)的路徑就會變成曲線。使用三輪車型轉(zhuǎn)向的機器人，必須保證其用于轉(zhuǎn)向的兩側(cè)電機同步，否則無法保證機器人作直線行進(jìn)。（4）全方位型轉(zhuǎn)向。這種方式要求機器人有三個具備轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動輪，而這些車輪需要兩個電機，一個用于轉(zhuǎn)向，另一個用于驅(qū)動車輪運轉(zhuǎn)。全方位型轉(zhuǎn)向機器人有很強的靈活性，并且轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確，但技術(shù)實現(xiàn)比較困難[3]。

本設(shè)計采用差動型轉(zhuǎn)向。在機器人兩側(cè)的相對應(yīng)位置各安裝一個相同型號的電機，分別驅(qū)動兩個車輪，并且實現(xiàn)差動驅(qū)動。機器人的兩個輪子以相等的速度和相同的方向轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)機器人向前或向后的運動;當(dāng)左輪停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，可以實現(xiàn)機器人左轉(zhuǎn)向;當(dāng)右輪停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，可實現(xiàn)機器人右轉(zhuǎn)向;當(dāng)兩輪以相同速率正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時，機器人將會原地轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)機器人的原地左轉(zhuǎn)或原地右轉(zhuǎn)。其工作原理如圖3所示。

綜上可知，本設(shè)計的機器人共需要三個輪子。安裝在前面的兩個車輪是驅(qū)動輪，起到驅(qū)動的作用，并且兩輪獨立驅(qū)動。安裝在后面的一個車輪是萬向輪，起到導(dǎo)向的作用。

1.4 主體材料的選擇

制作機器人常用的材料主要有以下幾種。

（1）木材。選用木材的最大優(yōu)點是它的價格低廉、加工方便、可直接用手工鋸進(jìn)行加工。但是，它在零件接頭的地方較易被損壞和磨損。

（2）塑料。塑料的種類較多，可以根據(jù)機器人的不同功能，選用不同的塑料。主要有以下三種塑料可供選擇。a.熱固性塑料。該種塑料較堅硬，但它只能通過切削來定型，其一般用于硬塑料玩具、電器產(chǎn)品和其他對結(jié)構(gòu)強度有一定要求的產(chǎn)品中。b.彈性塑料。該種塑料具有很高的彈性，其和熱固性塑料一樣，不能通過加熱的方法來定型。c.熱塑性塑料。該種塑料可作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有ABS（丙烯腈-丁二烯）、丙烯酸塑料、纖維素塑料、環(huán)氧樹脂、尼龍、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亞氨酯、PVC（聚氯乙烯）、硅樹脂。

（3）金屬材料。這種材料的強度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。但是選用這種材料會使機器人體重增加，會增大電機的負(fù)載。

（4）有機玻璃。這種材料比較難獲得，而且價格相對其它材料也比較昂貴。

由于制作的自動拾取乒乓球機器人體積較小，要求的重量也較輕，因此，主體的制造材料選用環(huán)氧樹脂塑料。該材料是一種非常耐用而且干凈的塑料，通常用作玻璃纖維的黏合劑。它在大多數(shù)情況下成液態(tài)，被用于灌注到別的零件或者玻璃纖維基體上。干燥后，環(huán)氧樹脂可以切割、鉆孔和拋光。因此，選用該種塑料作為本機器人的主體材料比較合適。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 驅(qū)動機構(gòu)

2.1.1 電源的選擇

機器人常用的電池有以下幾種類型：

（1）干電池。由于干電池屬于一次性使用電池，成本也相對較高，并且干電池的內(nèi)阻一般都比較大。因此，當(dāng)負(fù)載比較大的時候，電壓會下降得很厲害，無法實現(xiàn)大電流工況下的連續(xù)工作。因此，干電池并不是機器人系統(tǒng)的理想電源。

（2）鉛酸蓄電池。它的最大優(yōu)點是價格較低、耐過充的能力強，大電流放電能力和可靠性高。但是，它的質(zhì)量比較大，維護(hù)起來相對較困難。

（3）鎳鎘/鎳氫電池。它具有良好的大電流放電特性、耐過充和放電的能力強、維護(hù)簡單等優(yōu)勢。但是，其最致命的缺點是：在充放電過程中，如果處理不當(dāng)，會出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”，使得電池容量和使用壽命大大縮短。此外，鎘是一種有毒金屬，因而鎳鎘電池不利于環(huán)境的保護(hù)，廢棄后必須嚴(yán)格地進(jìn)行回收。由于其眾多的缺點，使得鎳鎘電池在機器人中的應(yīng)用越來越少。

（4）鋰離子/鋰聚合物動力電池。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點。但是，鋰離子電池的充電和放電必須嚴(yán)格小心，通常在使用鋰離子電池組的時候必須配備專門的防過充電、過放電保護(hù)電路。鋰離子電池價格也相對比較高，并且需要另外配備保護(hù)電路。因此，相同能量的鋰離子電池的價格是鉛酸蓄電池的十倍以上。

綜合實用性和經(jīng)濟性考慮，在本機器人的設(shè)計中，選用鉛酸蓄電池。本設(shè)計采用山東金科力電源科技有限公司生產(chǎn)的鉛酸蓄電池，其性能參數(shù)如表2所示。[4]

2.1.2 電機的選擇

微型機器人使用的電機一般有步進(jìn)電機、直流電機和直流伺服電機三種類型。這三種電機的控制都相對簡單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。

（1）步進(jìn)電機。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，再加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使對機器人的控制變得簡單。

（2）直流電機。它有極寬的功率調(diào)節(jié)范圍，調(diào)整特性平滑，適應(yīng)性好，過載能力較強，而且具有很好的性價比，是一種通用的驅(qū)動電機。

（3）伺服電機。它是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點是可控。一般來講，它主要由以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。

本機器人采用步進(jìn)電機。

2.1.3 車輪的確定

本自動拾取乒乓球機器人采用前輪驅(qū)動、后輪定位的方式。該機器人靠前輪與地面之間的摩擦力驅(qū)動前進(jìn)。因此，前輪作為一個驅(qū)動輪，在其上要設(shè)置一些花紋，以增大摩擦力。在該機器人的設(shè)計中，將前輪的直徑設(shè)計為64mm。前輪的設(shè)計效果如圖4所示。

采用萬向輪作為導(dǎo)向輪。萬向輪一般可由廠家直接生產(chǎn)提供，而且價格也比較便宜。因此，萬向輪不需要再另外設(shè)計。在本設(shè)計中，采用紅旗山電子有限公司生產(chǎn)的萬向輪，該萬向輪的產(chǎn)品編號為：JXGJWXL40，其外形如圖5所示。[5]

2.1.4 驅(qū)動裝置

（1）傳動方式的確定

一般來講，機器人的傳動裝置主要有齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動和蝸桿傳動。在本設(shè)計中，采用齒輪傳動，這樣不僅可以使設(shè)計變得更加簡單，而且齒輪傳動也較為平穩(wěn)。主動齒輪和從動齒輪的模數(shù)m為0.8，齒數(shù)z為50，則齒輪的直徑d=mz=0.8×50=40（mm）。

（2）齒輪與電機軸的連接

為了將齒輪安裝到電機軸上，通常要使用緊定螺釘進(jìn)行連接，如圖6所示。大多數(shù)的齒輪都有自帶的緊定螺釘和用以旋入螺釘?shù)目?。如果沒有，可以自己鉆孔，并對其攻絲。

圖6 使用緊定螺釘將電機軸與齒輪連接起來

（3）前軸的軸系結(jié)構(gòu)

前軸安裝驅(qū)動輪，它的主要功用是支承零件及傳遞動力。前軸軸系零件主要有：軸承、從動齒輪、定位套筒、軸承套、前輪和螺母等。各個零部件的安裝位置如圖7所示。

（4）驅(qū)動裝置的總體結(jié)構(gòu)

將驅(qū)動裝置的各個零部件組裝起來而成為一個完整的驅(qū)動系統(tǒng)，其效果如圖8所示。

2.2 撿球機構(gòu)

2.2.1 吸氣裝置

由于乒乓球的重量較輕、體積較小，而且比較容易吸取。因此，撿球機構(gòu)采用微型真空泵吸氣裝置。首先，機器人判別乒乓球的位置。然后，走到乒乓球的位置前。最后，由單片機控制微型真空泵，使乒乓球被吸進(jìn)塑料制成的軟膠管道，并從出口處出來，進(jìn)而進(jìn)入乒乓球存放腔中。為了使機器人具有自我清潔的作用，可以在乒乓球的入口處安放一些毛刷，當(dāng)乒乓球剛進(jìn)入管道時，即除去灰塵。

粗塑料軟膠管的內(nèi)徑約為60mm，細(xì)塑料軟膠管的內(nèi)徑約為10mm（分別與微型真空泵的進(jìn)氣口和吸氣口連接）。粗塑料軟膠管和細(xì)塑料軟膠管連接的地方，可以用黏合劑將它們連接起來。使用黏合劑連接時，要注意保持接觸表面的清潔，并用砂紙打磨接觸面。塑料軟膠管可以直接購買獲得，按圖9所示的位置布局并安裝。

2.2.2 微型真空泵的選擇

（1）型號的確定

為了使乒乓球能夠順利地送出去，可以選用抽氣和打氣兩用的微型真空泵。吸球時，真空泵抽氣，將乒乓球撿進(jìn)來;吸球完成后，真空泵打氣，將球吹到存放腔內(nèi)。本設(shè)計選用成都新為誠科技有限公司生產(chǎn)的型號為FAA8006的微型真空泵，其性能參數(shù)如表3所示。[2]

（2）配件的選擇

真空泵在抽氣和打氣的過程中，難免會產(chǎn)生震動的現(xiàn)象，從而影響機器人的工作性能和使用壽命。因此，有必要安裝一套與微型真空泵配套的減震膠墊。其安裝前后的效果如圖12所示。

當(dāng)真空泵工作一段時間后，所抽氣體中含有的粉塵會積累在泵腔內(nèi)部，破壞泵的氣密性，使其真空度下降。因此，為了過濾氣體中的粉塵雜質(zhì)，確保真空泵內(nèi)部的精密氣密性元件正常工作，延長泵的有效壽命，有必要在進(jìn)氣管處安裝一個過濾器。對于FAA系列的真空泵，選擇中號的過濾器較合適。過濾器可以由廠家直接生產(chǎn)和提供，不再需要另外設(shè)計。

2.2.3 堵氣機構(gòu)

（1）堵氣機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)

真空泵在吸氣的過程中，為了防止空氣從乒乓球的出口進(jìn)入，而無法使乒乓球從入口處被吸起來。因此，必須設(shè)計一個堵氣機構(gòu)。當(dāng)真空泵吸氣的時候，乒乓球的出口關(guān)閉，其將乒乓球從入口處吸進(jìn)來;當(dāng)真空泵吸氣完成后，出球口打開，真空泵打氣，將乒乓球吹到存放腔內(nèi)，完成乒乓球撿起的過程。該機器人的堵氣機構(gòu)如圖13所示。

（2）工作原理

當(dāng)真空泵吸氣的時候，電磁鐵不工作，堵氣蓋由于彈簧拉力的作用，將乒乓球的出口塞住，防止空氣進(jìn)入。當(dāng)真空泵吸氣完成，電磁鐵通電而開始工作，在電磁鐵拉力的作用下，堵氣蓋打開，此時真空泵開始打氣，將乒乓球吹出來。乒乓球出來后，電磁鐵斷電而停止工作，在機器人上的彈簧和電磁鐵內(nèi)部彈簧的共同作用下，堵氣機構(gòu)復(fù)位，回復(fù)到初始狀態(tài)，將乒乓球出口塞住，為去吸取下一個乒乓球做好準(zhǔn)備。

為了讓堵氣蓋充分地塞住乒乓球出口，減少漏氣，故將堵氣蓋設(shè)計成圓錐形狀，如圖13所示。

（3）電磁鐵的選擇

電磁鐵主要分為以下幾種類型：框架式、圓柱式、直立式、拉式、推式、推拉式、單向磁保持式、雙向磁保持式、吸盤式等。電磁鐵的工作電壓一般是直流12V或24V。根據(jù)自動拾取乒乓球機器人的工作需要，直流12V電壓的拉式電磁鐵較合適。

本設(shè)計選用武進(jìn)繼電器廠生產(chǎn)的電磁鐵，其型號為MQ26，它的主要性能參數(shù)如表4所示，其外形如圖14所示。[6]

（4）彈簧的選擇

在該機器人中，彈簧的作用主要有兩個。第一，當(dāng)真空泵吸氣時，堵氣蓋要靠彈簧的拉力作用將乒乓球出口塞住，防止空氣從乒乓球的出口進(jìn)入，而起不到吸球的效果。第二，乒乓球出來后，電磁鐵斷電而停止工作，堵氣蓋要靠彈簧的拉力來復(fù)位，從而使機器人為拾取下一個乒乓球做好準(zhǔn)備。復(fù)位后，安裝在機器人上的彈簧依然處于拉伸的狀態(tài)，使堵氣蓋緊緊地塞住乒乓球出口，以確保其密封性。

按照彈簧所承受載荷的不同，其可分為拉伸型、壓縮型、扭轉(zhuǎn)型和彎曲型4種基本類型;而按照彈簧形狀結(jié)構(gòu)的不同，又可將其分為螺旋式、環(huán)形式、碟形式、板簧式和平面渦卷式等類型。在本機器人的設(shè)計中，采用圓柱螺旋拉伸式彈簧（小號半圓勾環(huán)型）。其外形如圖15所示。

（5）堵氣機構(gòu)的運動分析與計算

該機構(gòu)是一個平面連桿機構(gòu)。平面連桿機構(gòu)一般具有以下特點。第一，它的運動副往往是低副，而且運動副元素大多數(shù)為面接觸，其所承受的壓力較小，因此其承載能力較大，加工制造較容易。而且，平面連桿機構(gòu)中的低副一般是幾何封閉的，對保證工作的可靠性起到了非常重要的作用。第二，在原動件的運動規(guī)律不變的條件下，可以改變各構(gòu)件的相對長度而使從動件得到不同的運動規(guī)律。因此，可以根據(jù)機器人的需要和電磁鐵的性能參數(shù)，設(shè)計各個連桿的相對長度和形狀。第三，連桿上各點的軌跡是各種不同形狀的曲線，其形狀隨著各構(gòu)件相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形式多樣，可滿足不同的工作需要。在本機器人的設(shè)計中，其堵氣機構(gòu)的運動簡圖如圖16所示。

2.2.4 存放腔的設(shè)計

由于機器人的體積較小，如果將存放腔設(shè)計成直道的形式，那么它存放乒乓球的數(shù)目會比較少。為了使機器人可以一次性裝取更多的乒乓球，故將存放腔設(shè)計成一個彎曲的形狀。這樣，存放腔一次可以裝取8個乒乓球。

乒乓球的存放腔分為兩部分。第一部分是存放腔的軌道，可以用模具加工制造，制造材料采用塑料。也可以用塑料薄片和薄的木板連接起來。為了使乒乓球可以順利地被存放，將軌道設(shè)計成稍微傾斜的形狀，防止前球擋住后球而不能順利進(jìn)入存放腔。第二部分是乒乓球的護(hù)欄，用以防止乒乓球掉落到地面上，其可以用鐵絲直接繞成。將這兩部分組裝起來后，護(hù)欄可以向上撥動。這樣，當(dāng)需要將乒乓球從機器人中取出來時，可以將護(hù)欄向上撥動，再將乒乓球拿出來。這樣的設(shè)計不僅可以使存放腔的加工制造較容易，而且使用起來也較方便。乒乓球存放腔的結(jié)構(gòu)圖如圖19所示。

3 機器人的傳感器

3.1 機器人的視覺

機器人要準(zhǔn)確判斷出乒乓球在球場上的具體方位，就必須要“看到”乒乓球的位置。在自動拾取乒乓球機器人中，采用CCD圖像識別傳感器來充當(dāng)機器人的“眼睛”。將CCD傳感器和紅外線傳感器裝在機械人“身體”上，并且通過360度旋轉(zhuǎn)來“看到”每個乒乓球的具體位置，再通過控制系統(tǒng)算出最優(yōu)的行程路線去撿球。

CCD圖像識別傳感器有以下幾方面的優(yōu)點：（1）清晰度高。像點的大小為μm級，可感測及識別精細(xì)物體，影像品質(zhì)高。（2）敏感度高。很低光度的入射光也能被其偵測到。（3）適用環(huán)境范圍廣。它可以同時偵測及分辨強光和弱光，不因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象，適用環(huán)境范圍廣。（4）良好的線性特性曲線。（5）大面積感光。（6）體積小、重量輕。

3.2 機器人的觸覺

機器人在乒乓球場上工作的時候，難免會遇到障礙物或者碰到墻壁，這會使機器人失去自動撿球的功能，達(dá)不到預(yù)期的效果。為了克服這一困難，本設(shè)計在機器人的“身體”上安裝了一個胡須觸覺開關(guān)。當(dāng)機器人遇到障礙物或碰到墻壁時，胡須觸覺開關(guān)就會自動“察覺”到，并且自動與其避開。胡須觸覺開頭及它在電路板上的安裝示意圖如圖20所示。

3.3 機器人的計數(shù)功能

由于設(shè)計的自動拾取乒乓球機器人一次最多只能存放8個乒乓球。因此，機器人每次撿起一個乒乓球時，都必須要自動地進(jìn)行計數(shù)。本設(shè)計采用光電計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。

光電計數(shù)器的應(yīng)用非常廣泛，具有高的可靠性，并且可以實現(xiàn)自動控制的功能，使用起來較為方便。將光電計數(shù)器安裝在機器人吸氣嘴的入口處，每當(dāng)機器人撿起一個乒乓球時，系統(tǒng)就會發(fā)送一個脈沖，光電計數(shù)器則計數(shù)為1。這樣就可以簡單地實現(xiàn)自動計數(shù)的功能。

4 設(shè)計的總效果與工作流程

4.1 設(shè)計的總效果

將機器人各個機構(gòu)的零部件組裝起來，并且用UG NX6.0軟件構(gòu)建相應(yīng)的立方體模型，所得到的效果圖如圖21、圖22和圖23所示。

4.2 工作流程

本自動拾取乒乓球機器人的詳細(xì)工作流程如下：

（1）機器人通過聲控裝置識別并接收撿球命令。

（2）用圖像傳感器和紅外線傳感器定位乒乓球的位置。

（3）控制系統(tǒng)控制機器人驅(qū)動裝置的左右兩個驅(qū)動電機，實現(xiàn)機器人直走或者轉(zhuǎn)彎，使機器人走到乒乓球相應(yīng)的位置。

（4）機器人控制系統(tǒng)使微型真空泵啟動，真空泵吸氣，將乒乓球吸入管道內(nèi)，安裝在吸嘴處的毛刷即時清潔乒乓球表面的灰塵。

（5）當(dāng)乒乓球到達(dá)管道內(nèi)相應(yīng)的位置時，真空泵停止工作。

（6）電磁鐵通電而開始工作。在電磁鐵拉力和堵氣機構(gòu)的作用下，機器人的堵氣蓋打開。

（7）機器人控制系統(tǒng)使真空泵處于打氣狀態(tài)，將乒乓球吹入存放腔中。

（8）電磁鐵斷電而停止工作。乒乓球出來后，電磁鐵斷電，在機器人上的彈簧和電磁鐵內(nèi)部彈簧的共同作用下，堵氣機構(gòu)復(fù)位，回復(fù)到初始狀態(tài)，將乒乓球出口塞住，為去吸取下一個乒乓球做好準(zhǔn)備。

（9）機器人繼續(xù)去撿下一個乒乓球。當(dāng)需要取出乒乓球時，用人工的方法將存放腔的護(hù)欄撥動，取出乒乓球。

5 結(jié)論

本自動拾取乒乓球機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，體現(xiàn)了一定程度的創(chuàng)新。第一，仿照日常生活中吸塵器的原理，采用真空泵將乒乓球吸取?，F(xiàn)有應(yīng)用在乒乓球場上的機器人，大多都是設(shè)計一個機械手直接抓取乒乓球，這不但會使設(shè)計過程更加繁瑣，而且其控制系統(tǒng)的設(shè)計也較為復(fù)雜，制造成本也會相應(yīng)地增加。這明顯不利于在市場上的推廣與應(yīng)用。第二，用一塊電磁鐵和一個非常簡單的平面連桿機構(gòu)就可以將出球口塞住，防止空氣進(jìn)入，這個機構(gòu)雖然簡單，但可靠性比較高、實用性也比較強，而且制作起來也比較容易。

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