一種網(wǎng)球陪練機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

武金亮，孫亮波，王懿偲，許佳敏

(武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048)

1 現(xiàn)有產(chǎn)品性能分析

網(wǎng)球是一項(xiàng)優(yōu)美激烈的運(yùn)動(dòng)，深受大家的喜愛(ài)。隨著網(wǎng)球普及至尋常百姓家，人們需要一款陪練機(jī)以便在沒(méi)有同伴的情況下也能享受網(wǎng)球帶來(lái)的樂(lè)趣，此外陪練機(jī)還可以用于運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練。與此同時(shí)，人們還需要一種能夠自動(dòng)撿球的機(jī)器，以避免因反復(fù)撿球所產(chǎn)生的疲勞。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上網(wǎng)球發(fā)球裝置和收球裝置的主要產(chǎn)品及其性能分析見(jiàn)表1。

表1 市場(chǎng)現(xiàn)有同類(lèi)產(chǎn)品

通過(guò)分析可知，現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球裝置和收球裝置主要存在以下問(wèn)題：1)不能同時(shí)改變網(wǎng)球發(fā)射的速度和方向；2)普遍體積龐大,較為笨重，不利于攜帶[5]；3)售價(jià)太高，不利于普及[6]；4)自動(dòng)化程度不高；5)主流裝置一般只有一個(gè)功能，只能發(fā)射網(wǎng)球或收集網(wǎng)球，很少有既具有發(fā)射功能又具有收集功能的機(jī)器。

本文將以這5個(gè)問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)滿足功能要求的網(wǎng)球陪練機(jī)。

2 網(wǎng)球陪練機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

基于以上對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有的發(fā)射和收集網(wǎng)球裝置的性能分析，設(shè)計(jì)了一款新型網(wǎng)球陪練機(jī)。該陪練機(jī)可以自主收集網(wǎng)球，收集滿20個(gè)后，根據(jù)初始設(shè)置的難度隨機(jī)發(fā)射速度、方向各不相同的網(wǎng)球，且可以邊發(fā)射邊移動(dòng)，模擬真實(shí)對(duì)抗場(chǎng)景。儲(chǔ)存裝置的20個(gè)網(wǎng)球發(fā)射完以后，重新開(kāi)始收集網(wǎng)球。

該網(wǎng)球陪練機(jī)的機(jī)械部分由收集模塊、儲(chǔ)存和傳送模塊、推出模塊、發(fā)射模塊和俯仰角調(diào)節(jié)模塊5個(gè)部分組成，與功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。為了合理利用空間、減小機(jī)身尺寸，該陪練機(jī)采用發(fā)射裝置在前、儲(chǔ)存?zhèn)魉脱b置在中間、收集裝置在后的整體布局，如圖2所示。當(dāng)收集網(wǎng)球時(shí)，后部作為“車(chē)頭”；當(dāng)發(fā)射網(wǎng)球時(shí)，前部作為“車(chē)頭”。陪練機(jī)驅(qū)動(dòng)輪為麥克拉姆輪，可以向任意方向移動(dòng)。

圖1 網(wǎng)球陪練機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖

1—發(fā)射模塊；2—儲(chǔ)存和傳送模塊；3—推出模塊；4—收集模塊；5—俯仰角調(diào)節(jié)模塊

3 網(wǎng)球陪練機(jī)功能實(shí)現(xiàn)與尺寸設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)球陪練機(jī)功能實(shí)現(xiàn)

3.1.1收集網(wǎng)球的實(shí)現(xiàn)

收集模塊由組合擺桿機(jī)構(gòu)和連桿翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)兩者的配合形成類(lèi)似掃帚掃地的軌跡，將球收進(jìn)收集模塊。模塊利用了擺桿機(jī)構(gòu)的急回特性，給予球較大的速度，使其進(jìn)入收集模塊的過(guò)程更加順利。

如圖3所示，組合擺桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)流程如下：原動(dòng)桿4逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使桿6向右運(yùn)動(dòng)，到右端最大行程后原動(dòng)桿9順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使擋板8由水平變?yōu)樨Q直。桿4繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使桿6向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)擺桿機(jī)構(gòu)為急回行程，通過(guò)擋板8將網(wǎng)球以較快速度拉進(jìn)收集裝置。然后桿9逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使擋板8由豎直回到水平，完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。桿7,8,9,11長(zhǎng)度分別為140 mm、50 mm、120 mm、50 mm，此時(shí)通過(guò)桿9的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以讓擋板8在0°到90°之間運(yùn)動(dòng)。其三維模型如圖4所示。

1—擺桿；2—機(jī)架；3—步進(jìn)電機(jī)；4,9—原動(dòng)桿；5—牽連桿；6—伸出桿；7—連桿；8—擋板；10—步進(jìn)電機(jī)；11—連架桿

1—擺桿機(jī)構(gòu)；2—視覺(jué)識(shí)別攝像頭；3—翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

3.1.2傳送網(wǎng)球的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)球陪練機(jī)通過(guò)鏈輪鏈條帶動(dòng)擋板進(jìn)行網(wǎng)球的傳送和收集。收集網(wǎng)球時(shí)，如圖5(a)所示，控制步進(jìn)電機(jī)1，通過(guò)齒輪2、齒條3將集球箱入口的門(mén)4打開(kāi)，集球箱內(nèi)置有激光傳感器。如圖5(b)所示，當(dāng)網(wǎng)球進(jìn)入集球箱時(shí)，激光被擋住，控制器控制鏈輪5和鏈條8旋轉(zhuǎn)，使擋板7轉(zhuǎn)動(dòng)一格，空出位置讓下一個(gè)網(wǎng)球進(jìn)入。當(dāng)收集到20個(gè)網(wǎng)球時(shí)，入口位置的門(mén)4關(guān)閉，收球機(jī)構(gòu)拉回至圖3(d)所示位置并停止運(yùn)動(dòng)，出口6(如圖5(c)所示)的門(mén)打開(kāi)，推出機(jī)構(gòu)將網(wǎng)球依次推出至發(fā)射管，每推出一個(gè)網(wǎng)球擋板7就旋轉(zhuǎn)一格，直至所有網(wǎng)球都被推出。

1—步進(jìn)電機(jī)；2—齒輪；3—齒條；4—門(mén)；5—鏈輪；6—出口；7—擋板；8—鏈條；9—入口

3.1.3推出網(wǎng)球的實(shí)現(xiàn)

如圖6所示，步進(jìn)電機(jī)3帶動(dòng)主動(dòng)桿2轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)套筒帶動(dòng)推板1在限位孔里左右運(yùn)動(dòng)，從而把球推出。該機(jī)構(gòu)如果安裝于收集裝置上，更加節(jié)省空間。主動(dòng)桿長(zhǎng)92 mm，d為115 mm，當(dāng)θ∈(30°,105°)時(shí)，桿1推程為0～100 mm，可以順利將網(wǎng)球推出。

1—步進(jìn)電機(jī)；2—主動(dòng)件；3—推板

3.1.4發(fā)射網(wǎng)球的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)球陪練機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)桿件，周期性壓縮彈簧進(jìn)行網(wǎng)球的發(fā)射；利用“Y” 形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)桿件長(zhǎng)度的改變，從而發(fā)射不同初速度的球。

發(fā)射網(wǎng)球的原理如圖7所示[7]，“Y”形架逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，i桿首先與彈簧接觸將彈簧壓縮，轉(zhuǎn)過(guò)120°后i桿與彈簧分離，彈簧釋放彈性勢(shì)能，將網(wǎng)球擊出。此時(shí)j桿與彈簧接觸。如此往復(fù)便可不斷發(fā)球。此種發(fā)球原理發(fā)出網(wǎng)球的速度與i,j,k桿的長(zhǎng)度有關(guān)。長(zhǎng)度越長(zhǎng)，壓縮產(chǎn)生的彈性勢(shì)能越大，發(fā)出的球速越高。因此可采用圖8所示的“Y”形機(jī)構(gòu)，當(dāng)原動(dòng)桿1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可使桿2在套筒3內(nèi)進(jìn)出，從而改變桿長(zhǎng)。其中桿1長(zhǎng)80 mm，桿4長(zhǎng)60 mm，桿2長(zhǎng)125 mm，套筒3長(zhǎng)150 mm，“Y”形架桿長(zhǎng)的變化范圍為150 ～265 mm。

圖7 網(wǎng)球發(fā)射原理

該機(jī)構(gòu)控制方式如圖9(a)所示，步進(jìn)電機(jī)1控制套筒2，步進(jìn)電機(jī)5控制原動(dòng)桿3。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)1和5同步(即同時(shí)、同方向、同速度)運(yùn)動(dòng)時(shí)，“Y” 形機(jī)構(gòu)便可如圖7所示將網(wǎng)球擊出。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)1不動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)5正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，便可使伸縮桿4伸出或縮進(jìn)，從而改變桿長(zhǎng)，控制網(wǎng)球發(fā)射的速度。

1—步進(jìn)電機(jī)；2—主動(dòng)件；3—推板；4—連桿

1,5—步進(jìn)電機(jī)；2—套筒；3—原動(dòng)桿；4—伸縮桿

3.1.5調(diào)節(jié)俯仰角度的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)球陪練機(jī)通過(guò)組合空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與叉架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)俯仰角的改變。網(wǎng)球發(fā)射時(shí)會(huì)有一定的后坐力，該組合結(jié)構(gòu)的使用可以使得整個(gè)裝置更加穩(wěn)定。

俯仰角的調(diào)節(jié)方式有帶傳動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)直接帶動(dòng)等，但網(wǎng)球發(fā)射反作用力較大，因此采用叉架結(jié)構(gòu)使其俯仰，兩個(gè)桿件支撐使其即使以較大速度發(fā)射網(wǎng)球機(jī)體也不會(huì)劇烈搖晃。叉架結(jié)構(gòu)將底部曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為俯仰角度的改變，底部直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖10所示。

1—叉架結(jié)構(gòu)；2—曲柄滑塊機(jī)構(gòu)

3.2 陪練機(jī)機(jī)身的尺寸設(shè)計(jì)

網(wǎng)球有效單打場(chǎng)地的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是23.77 m(長(zhǎng))×8.23 m(寬)。在球場(chǎng)安裝網(wǎng)柱，以兩柱中心為測(cè)量基準(zhǔn)，柱間距是12.80 m，網(wǎng)柱頂端距地面是1.07 m。網(wǎng)球直徑為6.541～6.858 cm，質(zhì)量為56.7～58.5 g。因此本文設(shè)計(jì)的陪練機(jī)的整體尺寸為1 500 mm×850 mm×1 050 mm，與網(wǎng)球場(chǎng)的大小相適應(yīng)[7-8]。發(fā)射管內(nèi)徑為80 mm,外徑為90 mm，使網(wǎng)球能夠順利通過(guò)而不至于卡住。機(jī)身采用半封閉式設(shè)計(jì)，在起到美觀作用的同時(shí)，還能協(xié)調(diào)各功能模塊間的空間位置關(guān)系[9]。

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真驗(yàn)證

本文主要對(duì)網(wǎng)球陪練機(jī)的關(guān)鍵部分——收集裝置和俯仰裝置中的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

4.1 收集裝置中擺桿機(jī)構(gòu)的仿真

本文利用ADAMS軟件對(duì)擺桿機(jī)構(gòu)(如圖3所示)進(jìn)行仿真，該機(jī)構(gòu)參數(shù)為：原動(dòng)桿4桿長(zhǎng)80 mm，機(jī)架2長(zhǎng)200 mm，擺桿1桿長(zhǎng)380 mm，擺桿限位槽長(zhǎng)165 mm，牽連桿5桿長(zhǎng)150 mm。由仿真結(jié)果可知,擺桿運(yùn)動(dòng)的角度范圍為-23.6°～+23.6°，行程為-150～+150 mm，行程系數(shù)比K為1.4。從后處理中可以得到收集裝置的位移、速度、加速度曲線，如圖11所示，由圖可知，機(jī)構(gòu)在急回行程的確擁有較大速度和加速度，可以較快拉回網(wǎng)球，順利收集；在非急回行程相對(duì)較慢，能給予網(wǎng)球充分的時(shí)間進(jìn)入收集裝置，以免阻塞入口。

圖11 擺桿機(jī)構(gòu)仿真

4.2 俯仰裝置的機(jī)構(gòu)仿真

本文利用ADAMS軟件對(duì)空間曲柄滑塊機(jī)構(gòu)(如圖10所示)進(jìn)行仿真，如圖12所示，該機(jī)構(gòu)各部分參數(shù)為：原動(dòng)桿2長(zhǎng)90 mm，連桿3長(zhǎng)190 mm，叉架5長(zhǎng)300 mm，桿6(發(fā)射臺(tái)叉架)中a的長(zhǎng)度為130 mm，桿2和桿6轉(zhuǎn)動(dòng)中心豎直方向高度差b為60 mm，水平方向距離c為155 mm。當(dāng)桿2與水平方向的夾角θ1在0°到180°之間變化時(shí)，桿6與水平方向夾角θ2在0°到90°之間變化。從后處理中可以得到其位移、速度、加速度曲線，如圖13所示。由圖可知，發(fā)射管高度的取值范圍很寬，可以從很低到很高，說(shuō)明俯仰角能夠滿足0°～90°的變化要求；機(jī)構(gòu)加速度在一定值附近微小變化，且變化非常平緩，說(shuō)明機(jī)構(gòu)整體的穩(wěn)定性較好。

1—步進(jìn)電機(jī)；2—叉架結(jié)構(gòu)(原動(dòng)桿)；3—連桿；4—滑塊；5—叉架；6—發(fā)射臺(tái)叉架

圖13 俯仰機(jī)構(gòu)仿真

5 結(jié)束語(yǔ)

該網(wǎng)球陪練機(jī)集收集網(wǎng)球、發(fā)射網(wǎng)球等功能于一體，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)提供了一款適合網(wǎng)球愛(ài)好者使用的網(wǎng)球收集、儲(chǔ)存、發(fā)射一體式陪練機(jī)。該陪練機(jī)操作方便、功能豐富、體積較小，且因結(jié)構(gòu)多為連桿機(jī)構(gòu)，成本較低、運(yùn)行穩(wěn)定、便于維護(hù)。

2)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可改變桿長(zhǎng)的“Y”形機(jī)構(gòu)，解決了摩擦輪發(fā)球不便改變方向、傳統(tǒng)彈簧式發(fā)球無(wú)法改變球速的問(wèn)題。

3)采用擺桿機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組合而成的收集機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似掃帚掃地的軌跡，提高了收集效率。