自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉仕文

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

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(chǎng)上訓(xùn)練或比賽的時(shí)候，地面上肯定會(huì)有很多出界和無(wú)效的乒乓球。目前，主要還是通過(guò)人工的方式來(lái)?yè)烨蚝退颓?，這明顯降低了工作的效率和提高了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。雖然已經(jīng)有很多智能機(jī)器人被應(yīng)用到我們的日常生活中，但是并沒(méi)有被專門(mén)應(yīng)用于乒乓球場(chǎng)上的機(jī)器人。因此，如果能將智能機(jī)器人應(yīng)用于乒乓球場(chǎng)上，實(shí)現(xiàn)撿球和送球的自動(dòng)化，其必將大大提高該工作的效率和降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

本自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人主要應(yīng)用于乒乓球訓(xùn)練場(chǎng)或比賽場(chǎng)上，其主要功能是自動(dòng)拾取乒乓球。該自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人的工作流程如下：當(dāng)自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人通過(guò)聲控裝置自動(dòng)識(shí)別并接收到運(yùn)動(dòng)員發(fā)出的撿球命令后，首先采用圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別乒乓球的方位，接著對(duì)乒乓球的位置分布作一個(gè)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(jī)器人接收到由運(yùn)動(dòng)員發(fā)出的送球指令后，再自動(dòng)把乒乓球送給運(yùn)動(dòng)員。

為便于讀者更好地理解機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，本文從一開(kāi)始就引入總體設(shè)計(jì)方案，然后對(duì)各主要機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析，最后介紹設(shè)計(jì)的總體效果。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 行走方式

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分類(lèi)和特點(diǎn)如表1所示[1]。

由于乒乓球場(chǎng)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(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程相對(duì)其它類(lèi)型機(jī)器人較為簡(jiǎn)單，其自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也相對(duì)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(jì)一個(gè)機(jī)械手，直接將乒乓球抓取起來(lái)，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(lái)，再存放到存放腔中。如果設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手直接抓取乒乓球，則需要設(shè)計(jì)的活動(dòng)關(guān)節(jié)較多，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)將較為復(fù)雜，而且在自動(dòng)控制方面也較難處理。由于自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人作用的對(duì)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(jì)采用第二種方案。這就需要安裝一個(gè)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(jī)作圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械裝置使真空泵內(nèi)部的隔膜做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，以對(duì)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?gòu)呐艢饪谂懦鰜?lái)，完成一個(gè)吸氣的過(guò)程[2]。

在真空泵吸氣的過(guò)程中，空氣如果能從乒乓球的出口進(jìn)入，則會(huì)減少?gòu)钠古仪蛉肟谶M(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(jì)一個(gè)堵氣機(jī)構(gòu)。在微型真空泵吸氣的過(guò)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(kāi)，讓乒乓球走出來(lái)，進(jìn)入存放腔中。在本機(jī)器人中，設(shè)計(jì)了一個(gè)平面四連桿機(jī)構(gòu)的堵氣機(jī)構(gòu)。

1.3 驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向方式

本機(jī)器人采用12v的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且采用前輪驅(qū)動(dòng)、后輪導(dǎo)向的方式。采用萬(wàn)向輪導(dǎo)向，萬(wàn)向輪的結(jié)構(gòu)如圖2所示。萬(wàn)向輪可由廠家直接生產(chǎn)制造出來(lái)，不必另外設(shè)計(jì)，而且比較容易獲得，使用起來(lái)也比較方便。安裝導(dǎo)向輪的腳輪輪子支架能在動(dòng)載或者靜載中水平360度旋轉(zhuǎn)，從而起到導(dǎo)向的作用。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方法很多。常用的有以下幾種：（1）差動(dòng)型轉(zhuǎn)向。對(duì)于輪式和履帶式機(jī)器人的轉(zhuǎn)向來(lái)說(shuō)，差動(dòng)法是最為常用的方法。當(dāng)轉(zhuǎn)向時(shí)，機(jī)器人的一側(cè)輪子或履帶停止前進(jìn)或反向運(yùn)動(dòng)，另一側(cè)輪子或履帶則繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器人向輪子或履帶停止或反向運(yùn)動(dòng)的一側(cè)轉(zhuǎn)向。（2）汽車(chē)型轉(zhuǎn)向。汽車(chē)型轉(zhuǎn)向雖然沒(méi)有差動(dòng)型轉(zhuǎn)向的機(jī)動(dòng)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(jī)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(chē)型轉(zhuǎn)向。三輪車(chē)型轉(zhuǎn)向的最大缺點(diǎn)就是，如果驅(qū)動(dòng)機(jī)器人兩側(cè)車(chē)輪的電機(jī)中一個(gè)速度略微慢一點(diǎn)，機(jī)器人所行進(jìn)的路徑就會(huì)變成曲線。使用三輪車(chē)型轉(zhuǎn)向的機(jī)器人，必須保證其用于轉(zhuǎn)向的兩側(cè)電機(jī)同步，否則無(wú)法保證機(jī)器人作直線行進(jìn)。（4）全方位型轉(zhuǎn)向。這種方式要求機(jī)器人有三個(gè)具備轉(zhuǎn)向功能的驅(qū)動(dòng)輪，而這些車(chē)輪需要兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)用于轉(zhuǎn)向，另一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)車(chē)輪運(yùn)轉(zhuǎn)。全方位型轉(zhuǎn)向機(jī)器人有很強(qiáng)的靈活性，并且轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確，但技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較困難[3]。

本設(shè)計(jì)采用差動(dòng)型轉(zhuǎn)向。在機(jī)器人兩側(cè)的相對(duì)應(yīng)位置各安裝一個(gè)相同型號(hào)的電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車(chē)輪，并且實(shí)現(xiàn)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人的兩個(gè)輪子以相等的速度和相同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前或向后的運(yùn)動(dòng);當(dāng)左輪停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人左轉(zhuǎn)向;當(dāng)右輪停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人右轉(zhuǎn)向;當(dāng)兩輪以相同速率正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人將會(huì)原地轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jì)的機(jī)器人共需要三個(gè)輪子。安裝在前面的兩個(gè)車(chē)輪是驅(qū)動(dòng)輪，起到驅(qū)動(dòng)的作用，并且兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。安裝在后面的一個(gè)車(chē)輪是萬(wàn)向輪，起到導(dǎo)向的作用。

1.4 主體材料的選擇

制作機(jī)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(diǎn)是它的價(jià)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(lèi)較多，可以根據(jù)機(jī)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(jiān)硬，但它只能通過(guò)切削來(lái)定型，其一般用于硬塑料玩具、電器產(chǎn)品和其他對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(guò)加熱的方法來(lái)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(shù)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(shù)脂。

（3）金屬材料。這種材料的強(qiáng)度較大，而且來(lái)源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。但是選用這種材料會(huì)使機(jī)器人體重增加，會(huì)增大電機(jī)的負(fù)載。

（4）有機(jī)玻璃。這種材料比較難獲得，而且價(jià)格相對(duì)其它材料也比較昂貴。

由于制作的自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)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(shù)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(shù)脂可以切割、鉆孔和拋光。因此，選用該種塑料作為本機(jī)器人的主體材料比較合適。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.1.1 電源的選擇

機(jī)器人常用的電池有以下幾種類(lèi)型：

（1）干電池。由于干電池屬于一次性使用電池，成本也相對(duì)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(shí)候，電壓會(huì)下降得很厲害，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大電流工況下的連續(xù)工作。因此，干電池并不是機(jī)器人系統(tǒng)的理想電源。

（2）鉛酸蓄電池。它的最大優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較低、耐過(guò)充的能力強(qiáng)，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(lái)相對(duì)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(guò)充和放電的能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。但是，其最致命的缺點(diǎn)是：在充放電過(guò)程中，如果處理不當(dāng)，會(huì)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(diǎn)，使得鎳鎘電池在機(jī)器人中的應(yīng)用越來(lái)越少。

（4）鋰離子/鋰聚合物動(dòng)力電池。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)候必須配備專門(mén)的防過(guò)充電、過(guò)放電保護(hù)電路。鋰離子電池價(jià)格也相對(duì)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(jià)格是鉛酸蓄電池的十倍以上。

綜合實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性考慮，在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，選用鉛酸蓄電池。本設(shè)計(jì)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(jī)的選擇

微型機(jī)器人使用的電機(jī)一般有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)三種類(lèi)型。這三種電機(jī)的控制都相對(duì)簡(jiǎn)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(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，再加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使對(duì)機(jī)器人的控制變得簡(jiǎn)單。

（2）直流電機(jī)。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(guò)載能力較強(qiáng)，而且具有很好的性價(jià)比，是一種通用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

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

本機(jī)器人采用步進(jìn)電機(jī)。

2.1.3 車(chē)輪的確定

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

采用萬(wàn)向輪作為導(dǎo)向輪。萬(wàn)向輪一般可由廠家直接生產(chǎn)提供，而且價(jià)格也比較便宜。因此，萬(wàn)向輪不需要再另外設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，采用紅旗山電子有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)向輪，該萬(wàn)向輪的產(chǎn)品編號(hào)為：JXGJWXL40，其外形如圖5所示。[5]

2.1.4 驅(qū)動(dòng)裝置

（1）傳動(dòng)方式的確定

一般來(lái)講，機(jī)器人的傳動(dòng)裝置主要有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和蝸桿傳動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中，采用齒輪傳動(dòng)，這樣不僅可以使設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，而且齒輪傳動(dòng)也較為平穩(wěn)。主動(dòng)齒輪和從動(dòng)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(jī)軸的連接

為了將齒輪安裝到電機(jī)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(méi)有，可以自己鉆孔，并對(duì)其攻絲。

圖6 使用緊定螺釘將電機(jī)軸與齒輪連接起來(lái)

（3）前軸的軸系結(jié)構(gòu)

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

（4）驅(qū)動(dòng)裝置的總體結(jié)構(gòu)

將驅(qū)動(dòng)裝置的各個(gè)零部件組裝起來(lái)而成為一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其效果如圖8所示。

2.2 撿球機(jī)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(jī)構(gòu)采用微型真空泵吸氣裝置。首先，機(jī)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(jī)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(lái)，進(jìn)而進(jìn)入乒乓球存放腔中。為了使機(jī)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(shí)，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(lái)。使用黏合劑連接時(shí)，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(gòu)買(mǎi)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(hào)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(shí)，真空泵抽氣，將乒乓球撿進(jìn)來(lái);吸球完成后，真空泵打氣，將球吹到存放腔內(nèi)。本設(shè)計(jì)選用成都新為誠(chéng)科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)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(guò)程中，難免會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)的現(xiàn)象，從而影響機(jī)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(shí)間后，所抽氣體中含有的粉塵會(huì)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(guò)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(zhǎng)泵的有效壽命，有必要在進(jìn)氣管處安裝一個(gè)過(guò)濾器。對(duì)于FAA系列的真空泵，選擇中號(hào)的過(guò)濾器較合適。過(guò)濾器可以由廠家直接生產(chǎn)和提供，不再需要另外設(shè)計(jì)。

2.2.3 堵氣機(jī)構(gòu)

（1）堵氣機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)

真空泵在吸氣的過(guò)程中，為了防止空氣從乒乓球的出口進(jìn)入，而無(wú)法使乒乓球從入口處被吸起來(lái)。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)堵氣機(jī)構(gòu)。當(dāng)真空泵吸氣的時(shí)候，乒乓球的出口關(guān)閉，其將乒乓球從入口處吸進(jìn)來(lái);當(dāng)真空泵吸氣完成后，出球口打開(kāi)，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(guò)程。該機(jī)器人的堵氣機(jī)構(gòu)如圖13所示。

（2）工作原理

當(dāng)真空泵吸氣的時(shí)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(kāi)始工作，在電磁鐵拉力的作用下，堵氣蓋打開(kāi)，此時(shí)真空泵開(kāi)始打氣，將乒乓球吹出來(lái)。乒乓球出來(lái)后，電磁鐵斷電而停止工作，在機(jī)器人上的彈簧和電磁鐵內(nèi)部彈簧的共同作用下，堵氣機(jī)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(gè)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(jì)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(lèi)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(pán)式等。電磁鐵的工作電壓一般是直流12V或24V。根據(jù)自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)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(jì)選用武進(jìn)繼電器廠生產(chǎn)的電磁鐵，其型號(hào)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(jī)器人中，彈簧的作用主要有兩個(gè)。第一，當(dāng)真空泵吸氣時(shí)，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(lái)后，電磁鐵斷電而停止工作，堵氣蓋要靠彈簧的拉力來(lái)復(fù)位，從而使機(jī)器人為拾取下一個(gè)乒乓球做好準(zhǔn)備。復(fù)位后，安裝在機(jī)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(lèi)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(lèi)型。在本機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，采用圓柱螺旋拉伸式彈簧（小號(hào)半圓勾環(huán)型）。其外形如圖15所示。

（5）堵氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算

該機(jī)構(gòu)是一個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)。平面連桿機(jī)構(gòu)一般具有以下特點(diǎn)。第一，它的運(yùn)動(dòng)副往往是低副，而且運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)中的低副一般是幾何封閉的，對(duì)保證工作的可靠性起到了非常重要的作用。第二，在原動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不變的條件下，可以改變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度而使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，可以根據(jù)機(jī)器人的需要和電磁鐵的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)各個(gè)連桿的相對(duì)長(zhǎng)度和形狀。第三，連桿上各點(diǎn)的軌跡是各種不同形狀的曲線，其形狀隨著各構(gòu)件相對(duì)長(zhǎng)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(jī)器人的設(shè)計(jì)中，其堵氣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖16所示。

2.2.4 存放腔的設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人的體積較小，如果將存放腔設(shè)計(jì)成直道的形式，那么它存放乒乓球的數(shù)目會(huì)比較少。為了使機(jī)器人可以一次性裝取更多的乒乓球，故將存放腔設(shè)計(jì)成一個(gè)彎曲的形狀。這樣，存放腔一次可以裝取8個(gè)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(lái)。為了使乒乓球可以順利地被存放，將軌道設(shè)計(jì)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(lái)后，護(hù)欄可以向上撥動(dòng)。這樣，當(dāng)需要將乒乓球從機(jī)器人中取出來(lái)時(shí)，可以將護(hù)欄向上撥動(dòng)，再將乒乓球拿出來(lái)。這樣的設(shè)計(jì)不僅可以使存放腔的加工制造較容易，而且使用起來(lái)也較方便。乒乓球存放腔的結(jié)構(gòu)圖如圖19所示。

3 機(jī)器人的傳感器

3.1 機(jī)器人的視覺(jué)

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

CCD圖像識(shí)別傳感器有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）清晰度高。像點(diǎn)的大小為μm級(jí)，可感測(cè)及識(shí)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(cè)到。（3）適用環(huán)境范圍廣。它可以同時(shí)偵測(cè)及分辨強(qiáng)光和弱光，不因亮度差異大而造成信號(hào)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(jī)器人的觸覺(jué)

機(jī)器人在乒乓球場(chǎng)上工作的時(shí)候，難免會(huì)遇到障礙物或者碰到墻壁，這會(huì)使機(jī)器人失去自動(dòng)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(jì)在機(jī)器人的“身體”上安裝了一個(gè)胡須觸覺(jué)開(kāi)關(guān)。當(dāng)機(jī)器人遇到障礙物或碰到墻壁時(shí)，胡須觸覺(jué)開(kāi)關(guān)就會(huì)自動(dòng)“察覺(jué)”到，并且自動(dòng)與其避開(kāi)。胡須觸覺(jué)開(kāi)頭及它在電路板上的安裝示意圖如圖20所示。

3.3 機(jī)器人的計(jì)數(shù)功能

由于設(shè)計(jì)的自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人一次最多只能存放8個(gè)乒乓球。因此，機(jī)器人每次撿起一個(gè)乒乓球時(shí)，都必須要自動(dòng)地進(jìn)行計(jì)數(shù)。本設(shè)計(jì)采用光電計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

光電計(jì)數(shù)器的應(yīng)用非常廣泛，具有高的可靠性，并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能，使用起來(lái)較為方便。將光電計(jì)數(shù)器安裝在機(jī)器人吸氣嘴的入口處，每當(dāng)機(jī)器人撿起一個(gè)乒乓球時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)送一個(gè)脈沖，光電計(jì)數(shù)器則計(jì)數(shù)為1。這樣就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)數(shù)的功能。

4 設(shè)計(jì)的總效果與工作流程

4.1 設(shè)計(jì)的總效果

將機(jī)器人各個(gè)機(jī)構(gòu)的零部件組裝起來(lái)，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(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人的詳細(xì)工作流程如下：

（1）機(jī)器人通過(guò)聲控裝置識(shí)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人直走或者轉(zhuǎn)彎，使機(jī)器人走到乒乓球相應(yīng)的位置。

（4）機(jī)器人控制系統(tǒng)使微型真空泵啟動(dòng)，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(shí)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(shí)，真空泵停止工作。

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

（7）機(jī)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(lái)后，電磁鐵斷電，在機(jī)器人上的彈簧和電磁鐵內(nèi)部彈簧的共同作用下，堵氣機(jī)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(gè)乒乓球做好準(zhǔn)備。

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

5 結(jié)論

本自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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。現(xiàn)有應(yīng)用在乒乓球場(chǎng)上的機(jī)器人，大多都是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手直接抓取乒乓球，這不但會(huì)使設(shè)計(jì)過(guò)程更加繁瑣，而且其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，制造成本也會(huì)相應(yīng)地增加。這明顯不利于在市場(chǎng)上的推廣與應(yīng)用。第二，用一塊電磁鐵和一個(gè)非常簡(jiǎn)單的平面連桿機(jī)構(gòu)就可以將出球口塞住，防止空氣進(jìn)入，這個(gè)機(jī)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但可靠性比較高、實(shí)用性也比較強(qiáng)，而且制作起來(lái)也比較容易。

參考文獻(xiàn)：

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