乒乓球撿球機器人

張淼 滕睿 施應偉

摘要：針對乒乓球館散落的乒乓球如何整理回收的問題，對乒乓球撿放機械臂及圖像識別模塊進行了系統(tǒng)上的設計和優(yōu)化，設計了完全自動的乒乓球撿球機器人。本機器人采用STM8系列單片機作為核心MCU，采用較輕的鋁合金作為機械部分材料，本機器人的設計廣泛應用在乒乓球館、體育館等場合，該機器人的設計有著很高的實際使用價值以及市場研發(fā)價值。

關鍵詞：機器人;機械;乒乓球;MCU系統(tǒng)

引言

乒乓球作為一種國球運動，越來越受到人們的歡迎，但是在乒乓球訓練過程中，地面會出現(xiàn)大量散落的乒乓球。目前通常采用的人工撿取方式，非常消耗時間和精力，因此設計一款智能乒乓球撿放機器人尤為必要。本文設計了一種全自動乒乓球撿球機器人，借助電動機驅(qū)動撿球機前進，并在前進過程中實現(xiàn)自動撿球，一定程度上提高了撿球的工作效率，同時降低了撿球人員的勞動強度和勞動量。實現(xiàn)以機代人的效果，大大降低撿球者的勞動程度。撿球機可以快速實現(xiàn)撿拾滿地的乒乓球，以此來滿足大型乒乓球球場或者運動員訓練場的需求。本文自主研究和發(fā)明一種自動的乒乓球撿球機，能夠使機器人自主的完成撿球的動作，對乒乓球運動有著十分重要的社會意義和經(jīng)濟效益。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從機器人技術(shù)的剛剛起步到大概1980年，機器人技術(shù)發(fā)展的十分緩慢，十多年后，現(xiàn)在與機器人相關的這些技術(shù)，如電腦技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)的發(fā)展都有了較大的飛躍，從而帶動了機器人行業(yè)的崛起。近年來，國外機器人研究呈現(xiàn)出以下趨勢：

機器人在我國起步較晚，與發(fā)達國家相比仍有差距，但隨著國家的支持，機器人產(chǎn)業(yè)在我國快速發(fā)展，一些國產(chǎn)工業(yè)機器人和智能機器人產(chǎn)品廣泛應用于的中國各種行業(yè)，出現(xiàn)了大量的機器人研究人才。中國有200多家研發(fā)和應用工程單位，其中有75家從事工業(yè)機器人的研究和應用。公司生產(chǎn)各類工業(yè)機器人800余臺，年生產(chǎn)銷售近3億元，國家“863”計劃有沈陽西碩機器人公司、哈爾濱博自動化公司、一汽集團、涂料技術(shù)中心、北京機械工業(yè)自動化機器人中心、大連西安分公司等9家大型機器人研發(fā)機構(gòu)在9個產(chǎn)業(yè)化基地建立了智能機器人的主題。機器人的開發(fā)和生產(chǎn)，我國已經(jīng)初步規(guī)模，機器人關鍵部件的生產(chǎn)，開發(fā)了一種噴漆、焊接、組裝，如機器人包括超過130集噴涂機器人在20多個企業(yè)近30自動噴漆生產(chǎn)線規(guī)模、弧焊機器人在汽車焊接線與應用程序。

機器人機身材料選擇

對于現(xiàn)如今的機器人而言，主體材料無非如下幾種。

（1）木材。選擇木材最主要的原因是因為它經(jīng)濟性好，容易加工，而且可以手工鋸制。然而，用木材制造的機器人更容易因為關節(jié)的摩擦運動導致磨損。

（2）塑料。塑料種類繁多，可根據(jù)機器人的不同功能選擇不同的材料。塑料有三種主要類型可供選擇。首先，熱固性塑料。此種塑料硬度高。他只有通過切割才能成型。我們平時玩的硬質(zhì)塑料玩具還有一些電器產(chǎn)品中都有他的身影。第二，熱塑性塑料。他可作為多種用途、不同厚度的材料使用。第三，彈性塑料。如其名，它具有很高的彈性，就像熱固性塑料一樣，不能通過加熱來成形。

（3）金屬材料。這種材料的強度很大，來源廣泛，通常是碳鋼和鋁合金。但是，這種材料的選擇會稍微增加機器人的重量，增加電機的負載。

（4）有機玻璃。這種材料很難獲得，而且比其他材料貴。

由于制作的自動撿球機器人體積較小，而且考慮其結(jié)構(gòu)的硬度剛度要求，最終主體的研制材料選用鋁合金。儲球筐則選用普通塑料即可。

行走方式設計

機器人移動機構(gòu)的分類以及各類的特點如表1所示

由于乒乓球訓練場一般都比較寬敞，地面也比較平整，所以選擇輪式移動方式會比較合理。并且，輪式的機器人設計和制造的過程相對其他類型的機器人較為簡單，在控制系統(tǒng)的設計上的處理也比較容易。

撿球方式

對于撿球方式有三種方案。第一種方法呢就是設計一個抽吸裝置，類似于吸塵器的原理，靠風力把乒乓球吸入儲球用的裝置內(nèi)，第二種方法就是設計一個機械手，直接抓起乒乓球，然后再把乒乓球放到儲存用的倉內(nèi)。第三種是設計一種自動扣緊并將球壓入框內(nèi)的撿球裝置。如果設計一個機械手抓取乒乓球，則需要設計的傳動機構(gòu)以及關節(jié)較多，較為復雜，并且也難以控制;雖說乒乓球的質(zhì)量小、體積小，用吸球的方式雖然可以把球吸入框內(nèi)但是難免將地上的一些其他東西一同吸入。因此，撿球的方式宜采用第三種，這就需要設計一些傳動機構(gòu)用以實現(xiàn)撿球目的。

MCU控制系統(tǒng)

自動清潔機器人采用了STM8單片機作為MCU，STM8系列是意法半導體公司生產(chǎn)的8位單片機。該型號單片機分為STM8A、STM8S、STM8L三個系列。該設計選用STM8S103F3為主控芯片，其采用了高級STM8內(nèi)核，具有5級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)。采用了具有8K字節(jié)Flash存儲器;在50。C環(huán)境下環(huán)境可保存30年;具有528字節(jié)的EEPROM;可達20余萬次的電擦除。工作電壓范圍廣3到6V，靈活的時鐘控制并且自帶4個主時鐘源：低功率晶體振蕩器、外部時鐘輸入、用戶可調(diào)整的內(nèi)部16MHzRC和內(nèi)部低功耗128kHzRC。

機械機構(gòu)設計

拾取機器人結(jié)構(gòu)的設計中，將拾取裝置置于機器人前部，將機器人中部設計為乒乓球和控制裝置存放地，將機器人后部設計為蓄電池、驅(qū)動電機放置的地方。這樣設計可以將機器人重量較大的部分放到驅(qū)動輪所在的機器人后部，可以使機器人運行更加穩(wěn)定，拾取效率也大大提高。

結(jié)語

本文研究的乒乓球撿球機器人設計是基于目前乒乓球設備中沒有智能化撿球設備，運動后仍需人為去撿球的現(xiàn)狀提出的。本機器人的設計，減輕了人們的負擔，促進了機器人向智能化發(fā)展的進程。