馮中澳 趙利達(dá)

摘要：設(shè)計(jì)一款發(fā)射方式多樣、自動化程度高、便攜性高的智能式乒乓球發(fā)球機(jī)器人。對其進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動設(shè)計(jì)、零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并使用inventor進(jìn)行機(jī)械零件、部件設(shè)計(jì)及模擬裝配。圍繞預(yù)期目的對不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合創(chuàng)新，完成設(shè)計(jì)。該機(jī)器人可以很好地模擬專業(yè)乒乓球訓(xùn)練人員，使用便攜高效。

關(guān)鍵詞：乒乓球?;發(fā)球機(jī)器人?;陪練機(jī)器人;?發(fā)球機(jī)構(gòu)?;模塊化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）08-0014-04

引言

隨著人們生活水平的提高，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，更加注重自身運(yùn)動，通過運(yùn)動來強(qiáng)身健體、陶冶情操、緩解壓力、鍛煉意志力。因此，運(yùn)動消費(fèi)作為一種綠色的消費(fèi)，在人們?nèi)粘ＯM(fèi)中所占的比例越來越大。乒乓球作為一項(xiàng)全民共享的健身運(yùn)動，有著廣泛的群眾基礎(chǔ)。學(xué)好乒乓球也許不是一朝一夕的事，對于初學(xué)者來說，撿球的時(shí)間要比練球的時(shí)間常，這樣往往會挫傷初學(xué)者的興趣，而對于專業(yè)人員來說，陪練者也不可能長時(shí)間地發(fā)球，專業(yè)人員進(jìn)行大強(qiáng)度的專業(yè)訓(xùn)練也是較為困難的，對于這一問題，我們可以引進(jìn)乒乓球自動發(fā)球機(jī)，因此，面對乒乓球自動發(fā)球機(jī)的普及使用，要求乒乓球自動發(fā)球機(jī)既能滿足初學(xué)者的使用要求，又能為專業(yè)的乒乓球員提供更好的服務(wù)。雖然目前乒乓球發(fā)球機(jī)器人已經(jīng)得到了一定的發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)一定的變頻變速和旋轉(zhuǎn)等功能，但是隨著乒乓球這門運(yùn)動的普及，人們對乒乓球發(fā)射機(jī)器人的要求越來越高，目前市面上的乒乓球發(fā)射機(jī)越來越難以滿足人們的需求。因此市場急需一種多樣化智能化的乒乓球訓(xùn)練機(jī)器人。

一、項(xiàng)目意義

針對我國乒乓球市場的需求，我方設(shè)計(jì)的一種智能式乒乓球發(fā)球機(jī)器人具有發(fā)射多樣化、自動化程度高、便捷性高等特點(diǎn)。

該機(jī)器人是一種特殊的乒乓球發(fā)球機(jī)器人，其特殊性在于：

1.在現(xiàn)有乒乓球發(fā)射機(jī)上進(jìn)行了改進(jìn)，使裝置實(shí)現(xiàn)多級變頻變速發(fā)射和多種發(fā)射球性的功能。

2.多維度發(fā)射模式，使裝置能夠在任意發(fā)球口進(jìn)行發(fā)射乒乓球，能夠更好地模擬專業(yè)乒乓球訓(xùn)練人員。

3.便攜式腿部和自動撐傘設(shè)計(jì)使機(jī)器人靈活移動，快速方便地切換與任意乒乓球桌，具有較高的便捷性。

4.采用新型控制系統(tǒng)和深度學(xué)習(xí)算法，能夠有效準(zhǔn)確而控制發(fā)球頻率、速度、球性、位置，幫助訓(xùn)練員快速提高發(fā)球水平。

因此該乒乓球發(fā)球機(jī)器人具有廣泛的應(yīng)用前景。

二、項(xiàng)目研究內(nèi)容

經(jīng)過調(diào)研后并綜合考慮應(yīng)用場景和功能需求后，初步確定機(jī)器人試下功能有變頻變速發(fā)射、多維度發(fā)射、智能行走和收集等功能。

現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機(jī)已具有變頻變速功能，基于此該機(jī)器人進(jìn)行了改進(jìn)，使乒乓球發(fā)射具有更好的發(fā)射性能;為了更好地模擬發(fā)球特性，該機(jī)器人在角度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上增加了變位功能，使其發(fā)射口能夠高低左右變化，能實(shí)現(xiàn)專業(yè)訓(xùn)練員任意發(fā)射位置進(jìn)行發(fā)射;同時(shí)，不同于普通發(fā)球機(jī)，該機(jī)器人具有儲球和送球功能;為了使機(jī)器人能夠靈活切換乒乓球桌，該機(jī)器人具有行走功能以準(zhǔn)確定位到乒乓球桌，自動開傘收傘功能能夠自動開傘和收傘去掉了人工開傘環(huán)節(jié)，增加了該裝置的便捷性。

三、原理及設(shè)計(jì)

（一）整體設(shè)計(jì)

該機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

為了實(shí)現(xiàn)多維度多方位發(fā)射和智能行走等功能，機(jī)器人整體從功能進(jìn)行分類，可分為發(fā)射模塊、角度調(diào)節(jié)模塊、變位移動模塊、儲球模塊、收集模塊、行走模塊。

其中，發(fā)射模塊由多級摩擦輪機(jī)構(gòu)組成，通過電機(jī)驅(qū)動及變位齒輪傳動實(shí)現(xiàn)發(fā)球的變速變位功能;變角度模塊是由俯仰機(jī)構(gòu)和橫擺機(jī)構(gòu)組成，兩個(gè)裝置分別實(shí)現(xiàn)發(fā)射口沿y軸和z軸旋轉(zhuǎn)的功能;變位移動模塊中橫移裝置和伸縮裝置能調(diào)節(jié)從z軸和y軸分別調(diào)節(jié)發(fā)射口;儲球模塊中通過自傳式儲球艙、抬升裝置和裝夾機(jī)械手配合使用實(shí)現(xiàn)裝置儲球和運(yùn)球的功能;收集模塊由自動收集傘組成，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對乒乓球的攔阻，并通過高度差將攔阻后的乒乓球運(yùn)送至收集艙中。行走模塊主要由行走裝置組成使裝置具有智能行走的功能，如圖3、4。

根據(jù)現(xiàn)有的乒乓球桌的尺寸可以知道，其長度為2740mm，寬度為1525mm，高度為760mm。

所以根據(jù)乒乓球桌尺寸我們設(shè)計(jì)的乒乓球發(fā)射機(jī)器人的發(fā)球口距地面高度為1076mm，整體高度為1300mm，同時(shí)為了滿足機(jī)器人在橫向移動時(shí)能夠覆蓋整個(gè)乒乓球桌，其橫向展開尺寸為1830mm。為了保證機(jī)器人的收集模塊能夠覆蓋整個(gè)桌面且保證尺寸盡可能小，其前后尺寸為500mm。

（二）發(fā)射模塊：

發(fā)射模塊主要由電機(jī)驅(qū)動，兩級摩擦輪組加速機(jī)構(gòu)，傳動變速機(jī)構(gòu)，發(fā)射管x軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)組成。

1.多級摩擦輪組發(fā)射機(jī)構(gòu)，如圖5所示：為了實(shí)現(xiàn)了球速及球性的控制，我方設(shè)計(jì)了二級摩擦輪加速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其中一級摩擦輪直徑d1為30mm，通過高速直流電機(jī)直接帶動，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)特性為高轉(zhuǎn)速，高平穩(wěn)性。主要負(fù)責(zé)對球進(jìn)行加速，增加其初速度，上下兩摩擦輪1-2保持相同轉(zhuǎn)速∞，其加速后初速度值為：

V1=wXd/2

第二級摩擦輪直徑d2為40mm，由第一級摩擦輪間接變速傳動而來。設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)特性為高轉(zhuǎn)速，高變頻。第二級摩擦輪過控制上下摩擦輪的轉(zhuǎn)速不同，對由第一級過來的球添加球性，實(shí)現(xiàn)旋球。當(dāng)?shù)谝欢壞Σ凛喩舷螺?-4轉(zhuǎn)速w3=w4時(shí)，乒乓球不旋轉(zhuǎn)，最終發(fā)射速度為：

v=c1Xd2/2

當(dāng)兩級摩擦輪轉(zhuǎn)速w3》∞4，球獲得向輪3的旋向，當(dāng)w3《∞4，球獲得相反方向的旋向，以上兩種情況球的最終發(fā)射素的均為：

v=（w3+∞4）xd2/4

2.傳動變速機(jī)構(gòu)，如圖6所示：傳動變速機(jī)構(gòu)主要由錐齒輪、皮帶輪以及凸輪擺桿變速機(jī)構(gòu)組成，共兩套分別對稱分布在發(fā)球管兩側(cè)，分別負(fù)責(zé)上下摩擦輪2-3、1-4之間的傳動。

以單側(cè)傳動機(jī)構(gòu)為例，電機(jī)帶動輪1軸輸出動力，經(jīng)過錐齒輪傳遞給皮帶輪，帶動凸輪擺桿變速機(jī)構(gòu)。其中錐齒輪的傳動比為1：1，皮帶輪的傳動比為1：2。

凸輪擺桿變速機(jī)構(gòu)主要由輸入輸出軸、行星齒輪傳動、三個(gè)凸輪、三個(gè)擺桿、三個(gè)弧形壓板槽以及超越離合器組成，組成相互獨(dú)立的三組凸輪擺桿機(jī)構(gòu)。三個(gè)凸輪間隔的裝在凸輪軸上對應(yīng)三個(gè)擺桿。

凸輪擺桿無極變速機(jī)構(gòu)可通過調(diào)節(jié)擺桿的軸向相對位置實(shí)現(xiàn)無級變速，體積小、零件少、結(jié)構(gòu)精巧，傳動較為精確，能較好實(shí)現(xiàn)兩級摩擦輪之間傳動的無級變速。

凸輪擺桿無級變速機(jī)構(gòu)輸出動力后再經(jīng)過皮帶輪錐齒輪傳動，將動力輸入輪4。通過兩側(cè)傳動裝置改變不同的傳動比，實(shí)現(xiàn)摩擦輪3、4的差速旋轉(zhuǎn)。

3.發(fā)射管x軸轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)，如圖7、8所示：通過電機(jī)齒輪帶動位于發(fā)射管根部的齒輪，實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)射管沿著x軸旋轉(zhuǎn)。通過發(fā)射管的x軸轉(zhuǎn)向，配合摩擦輪3、4的差速旋轉(zhuǎn)，可以發(fā)射任何旋向旋球，更好地控制球性。

發(fā)射管截面直徑稍大于乒乓球，內(nèi)設(shè)四條軸向的導(dǎo)軌，乒乓球不直接與管壁接觸，降低了乒乓球在管中運(yùn)動過程中因摩擦帶來的能量損失，同時(shí)也減少了筒壁對旋球的不利影響。

（三）角度調(diào)節(jié)模塊

角度調(diào)節(jié)模塊由俯仰調(diào)節(jié)裝置和橫擺調(diào)節(jié)裝置組成。

1.俯仰調(diào)節(jié)裝置，如圖9所示：為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射口的俯仰調(diào)節(jié)功能，該裝置運(yùn)用導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，以電機(jī)為輸出動力，通過齒輪組減速，帶動曲柄旋轉(zhuǎn)使固連于導(dǎo)桿末端的發(fā)射臺繞軸旋轉(zhuǎn)。

2.橫擺調(diào)節(jié)裝置，如圖10、11所示：橫擺裝置運(yùn)用了空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，通過曲柄旋轉(zhuǎn)帶動滑塊沿滑槽運(yùn)動，使滑槽沿軸旋轉(zhuǎn)，與滑槽固定連接的上層裝置在滑槽的帶動下沿軸擺動。同時(shí)安裝一對減速齒輪使該機(jī)構(gòu)減速增矩以承接上層發(fā)射口的重量。

（四）變位模塊

變位模塊主要由伸縮裝置和橫移裝置組成，伸縮裝置運(yùn)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)射口在不同高度發(fā)射的功能;橫移裝置可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射口沿左右兩側(cè)運(yùn)動，兩個(gè)裝置配合使用實(shí)現(xiàn)裝置不同發(fā)射口發(fā)射任意乒乓器的功能。

1.伸縮裝置，如圖12、13所示：伸縮裝置運(yùn)用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，在電機(jī)驅(qū)動下通過齒輪減速增矩后，曲柄帶動滑塊沿直線往復(fù)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)裝置的伸縮功能。

當(dāng)機(jī)器人處于初始狀態(tài)時(shí)，發(fā)射口距桌面的高度為360mm，當(dāng)機(jī)器人頭部抬升到最大高度時(shí)，發(fā)射口距桌面高度為480mm，所以曲柄的長度為60mm。

2.橫移裝置，如圖14所示：橫移裝置主要由導(dǎo)軌部分、夾緊部分和移動部分組成;

導(dǎo)軌部分：橫移裝置中一共三段導(dǎo)軌，中間為固定端，兩側(cè)導(dǎo)軌與中間端成鉸鏈連接，各導(dǎo)軌均安裝齒條。兩側(cè)導(dǎo)軌末端與雙腿通過滑塊連接，滑塊上端與導(dǎo)軌末端鉸接。導(dǎo)軌中部通過氣彈簧與身體連接。

夾緊部分：夾緊部分采用雙滑塊機(jī)構(gòu)，電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使滑塊沿直線運(yùn)動，兩側(cè)滑塊沿中心運(yùn)動，帶動機(jī)械爪向中間合攏固定導(dǎo)軌。

移動部分：移動部分通過電機(jī)驅(qū)動齒輪組傳動，滑臺兩側(cè)的滑動輪與中間導(dǎo)軌相接起到限位的作用，移動平臺上端與機(jī)器人發(fā)射頭相接，通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)裝置的快速移動。

橫移裝置工作時(shí)，機(jī)器人雙腿沿左右兩側(cè)行走，兩側(cè)導(dǎo)軌沿鉸鏈旋轉(zhuǎn)展開，與中間導(dǎo)軌拼接，夾緊部分夾緊導(dǎo)軌末端，固定導(dǎo)軌，氣彈簧伸縮從下側(cè)固定導(dǎo)軌，從移動部分中的齒輪與導(dǎo)軌中的齒條嚙合，通過點(diǎn)擊帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，使移動部分沿導(dǎo)軌直線運(yùn)動實(shí)現(xiàn)裝置橫向移動。

（五）儲球模塊

儲球模塊主要由旋轉(zhuǎn)式儲球筒、旋轉(zhuǎn)裝置、抬升裝置和夾緊裝置組成，如圖15所示;

儲球模塊一共三個(gè)儲球筒均位于定角度旋轉(zhuǎn)裝置之上，當(dāng)機(jī)器人開始運(yùn)動時(shí)，旋轉(zhuǎn)裝置將儲球模塊旋轉(zhuǎn)至抬升裝置之下，抬升裝置工作將儲球筒送至發(fā)射模塊下部，夾緊裝置將裝夾手裝夾于儲球筒兩側(cè)，使儲球筒固定，開始松送球，如圖16。

1.環(huán)形儲球筒，如圖17所示：儲球筒中乒乓球儲存于子儲球筒中，通過絲杠傳動使抬升座向上抬升是實(shí)現(xiàn)乒乓球的運(yùn)輸，當(dāng)子儲球口送球完畢后，電機(jī)帶動蝸輪蝸桿使槽輪機(jī)構(gòu)工作，使固連在槽輪機(jī)構(gòu)上的子儲球筒旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入下一儲球口。

2.旋轉(zhuǎn)輪換裝置：旋轉(zhuǎn)輪換裝置主要由槽輪機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成，環(huán)形儲球筒放置于輪換裝置之上。通過槽輪機(jī)構(gòu)3個(gè)環(huán)形儲球筒以60度方位旋轉(zhuǎn)。為了使儲球筒穩(wěn)定連接，通過電機(jī)帶動曲柄滑塊固定儲球筒。

三個(gè)收集桶等角度分布在同一圓周上，所以槽輪徑向槽之間的夾角為120°。結(jié)合整體尺寸，得到槽輪機(jī)構(gòu)中心距為88mm，槽盤半徑為72.5mm，曲柄銷長度為90mm，徑向槽的長度為39mm，曲柄銷半徑為11.8mm，如圖18所示。

3.抬升裝置運(yùn)用剪叉機(jī)構(gòu)，剪叉機(jī)構(gòu)由電機(jī)輸入動力，電機(jī)旋轉(zhuǎn)使絲桿帶動滑塊移動，與滑塊鉸接的連桿同時(shí)向上旋轉(zhuǎn)，使儲球筒向上抬升。

4.夾緊裝置安裝于機(jī)器人上端，使旋轉(zhuǎn)式儲球艙抬升后固定，該裝置采用雙滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊向內(nèi)運(yùn)動帶動夾手夾緊儲球艙，如圖19。

（六）收集模塊

收集模塊一共由三級展開裝置組成，展開傘展開后，對乒乓球臺收攏以阻攔回?fù)艉蟮钠古仪?，如圖20所示。

一級展開裝置，如圖21所示。一級展開裝置由兩節(jié)連桿組成，通過電動推桿推動，使連桿繞軸旋轉(zhuǎn)至于平臺平行的位置，一級展開裝置隨后展開，與裝置末端的阻攔網(wǎng)隨其繃直，一級展開裝置具有兩個(gè)自由度，能夠靈活控制連桿的旋向，使裝置準(zhǔn)確展開。

二級展開裝置，如圖22所示。二級展開裝置功能由剪叉機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，使滑塊沿直線運(yùn)動，剪叉機(jī)構(gòu)隨及展開。

三級展開裝置。三級展開裝置由舵機(jī)控制，使連接桿繞軸旋轉(zhuǎn)至水平向下。三級展開裝置展開后，收集網(wǎng)最終打開。同時(shí)由于三級展開裝置的連接網(wǎng)傾斜放置，阻攔后的乒乓球，被收集網(wǎng)阻攔后沿傾斜軌道向下滾動至收集軌道中，并通過收集軌道進(jìn)入儲球艙中，完成收集。

乒乓球桌的長度為2740mm，寬度為1525mm，所以當(dāng)收集機(jī)構(gòu)展開是其長度應(yīng)至少等于1370mm，寬度為1525mm。同時(shí)為了保證當(dāng)收集機(jī)構(gòu)展開時(shí)乒乓球不會落入縫隙中，則收集機(jī)構(gòu)與乒乓球桌在長度和寬度的縫隙應(yīng)小于乒乓球直徑，同時(shí)為了保證乒乓球彈起時(shí)不會彈出界外，取收集模塊的高度z為500mm。則收集機(jī)構(gòu)長度為1400mm，寬度為1550mm。

（七）行走模塊

為了使機(jī)器人能夠靈活移動，本裝置增加了行走模塊，該模塊主要分為直行裝置和轉(zhuǎn)向裝置和定位裝置，如圖23。

直行裝置，如圖24、25所示。該裝置通過二級傳動實(shí)現(xiàn)直行的功能，電機(jī)通過錐齒輪傳動，帶動同軸的直齒輪旋轉(zhuǎn)，與小齒輪嚙合的大齒輪帶動車路做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過二級減速后，該裝置獲得較大扭矩。

轉(zhuǎn)向裝置，如圖26所示。轉(zhuǎn)向裝置通過齒輪組傳動，大齒輪與直行裝置固連，小齒輪帶動大齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

四、整體創(chuàng)新點(diǎn)

（一）功能創(chuàng)新：采用無極變速器實(shí)現(xiàn)發(fā)球速度的連續(xù)變化，能夠分別應(yīng)用于不同狀態(tài)的發(fā)球訓(xùn)練。采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)球機(jī)構(gòu)的高度變化以適應(yīng)不同狀態(tài)的發(fā)球訓(xùn)練。采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)射模塊的橫向移動已適應(yīng)不同狀態(tài)的發(fā)球訓(xùn)練。頂端作為搭載傳感器的平臺，通過主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，達(dá)到全方面檢測的目的。該機(jī)器人還搭載視頻采集系統(tǒng)，通過視頻的采集及傳輸，通過專業(yè)的軟件系統(tǒng)分析發(fā)球狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多種狀態(tài)的發(fā)球。

（二）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點(diǎn)：角度俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，通過導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)球模塊的縱向角度調(diào)節(jié)使發(fā)球靈活多樣。發(fā)球模塊搖擺機(jī)構(gòu)：通過空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動發(fā)球模塊實(shí)現(xiàn)橫向角度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了在橫向上的多角度發(fā)射。收集機(jī)構(gòu)：通過電動推桿，剪叉機(jī)構(gòu)和舵機(jī)反轉(zhuǎn)桿實(shí)現(xiàn)了對乒乓球的無縫收集。

結(jié)語

通過對機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，該機(jī)器人擁有多種角度調(diào)節(jié)發(fā)射模式，功能多樣，能應(yīng)用于各種不同的場景，能適用于不同年齡段和不同水平的人群訓(xùn)練，具有廣闊的市場前景。裝置整體設(shè)計(jì)人性化：裝置功能完備，可有效減少人手操作步驟，降低工作強(qiáng)度;裝置適用性強(qiáng)：可適應(yīng)不同的訓(xùn)練環(huán)境，適應(yīng)不同年齡段和不同訓(xùn)練水平的人群;可推廣性強(qiáng)：裝置原理簡單，各構(gòu)件成本較低，與現(xiàn)有的乒乓球機(jī)器人相比，功能更為齊全，便于推廣。

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