智能乒乓球陪練機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李小康，趙險(xiǎn)峰，胡述祥，王宇杰

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

中國(guó)是一個(gè)乒乓球大國(guó)，有眾多乒乓球業(yè)余愛好者。乒乓球健體、健腦又健心，是一項(xiàng)非常普及的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)檫@項(xiàng)運(yùn)動(dòng)需要至少兩個(gè)人才能完成，所以在一些缺少對(duì)手的場(chǎng)合內(nèi)，要想進(jìn)行這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)非常困難。在提高技術(shù)水平方面，僅僅依靠人與人之間的訓(xùn)練不僅耗時(shí)耗力，而且也不能達(dá)到良好的重復(fù)性訓(xùn)練效果，使得技術(shù)水平的提升速度較為緩慢。費(fèi)時(shí)費(fèi)力的拾球以及陪練的發(fā)球力度、角度、旋向和遠(yuǎn)近距離的不確定性，極大地削弱了大家的訓(xùn)練興趣。而智能乒乓球陪練機(jī)器人的誕生可以有效地解決這些問(wèn)題，它集拾球、運(yùn)球、發(fā)球于一身，不同的撿球方式可以使它適應(yīng)不同的環(huán)境，任意方位、速度、旋向的發(fā)球方式使得訓(xùn)練更加靈活、多樣，從而能夠達(dá)到最好的訓(xùn)練效果[1-2]。

1 乒乓球機(jī)器人的市場(chǎng)調(diào)查研究

雖然目前國(guó)內(nèi)拾球、發(fā)球機(jī)構(gòu)正在普及，但是其整體效率不高。筆者對(duì)目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研和分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，現(xiàn)有拾發(fā)乒乓球機(jī)器主要存在以下問(wèn)題：

1)機(jī)器拾球效率不高，且難以收集墻邊、角落的乒乓球；

2)機(jī)器發(fā)球性能單一，不能實(shí)現(xiàn)多種球路變化，無(wú)法達(dá)到最佳的訓(xùn)練效果；

表1 市場(chǎng)上拾發(fā)乒乓球機(jī)器性能分析

3)拾發(fā)乒乓球機(jī)器一體化技術(shù)還不成熟。

2 智能乒乓球陪練機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

基于上述分析，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款既可以收集墻邊、角落乒乓球，又可以發(fā)不同旋球的乒乓球機(jī)器人。該裝置能供娛樂(lè)和體育場(chǎng)所使用，設(shè)計(jì)巧妙、功能多樣、效率高、使用方便。該機(jī)器人設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 拾發(fā)乒乓球機(jī)器人設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)乒乓球場(chǎng)地的情況，該機(jī)器采用麥克納姆輪作為行走機(jī)構(gòu)，麥克納姆輪因其靈敏的全方位移動(dòng)方式也被設(shè)計(jì)為發(fā)球裝置中的橫擺機(jī)構(gòu)。該機(jī)器人通過(guò)差速器與電磁制動(dòng)器形成的2自由度變胞機(jī)構(gòu)控制收球裝置，既能高效率收集空?qǐng)龅氐钠古仪颍帜芎侠硎占瘔?、角落的乒乓球?/p>

乒乓球臺(tái)長(zhǎng)2 740 mm，寬1 525 mm，高760 mm，網(wǎng)高152.5 mm，乒乓球的直徑為40 mm，質(zhì)量為27 g，本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)器人整體尺寸為745 mm×270 mm×425 mm，在乒乓球場(chǎng)地能夠全方位移動(dòng)而不會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞，機(jī)身采用半封閉式設(shè)計(jì)，在美化外觀的同時(shí)，還可以作為收集裝置的一部分[3-4]。機(jī)器人總體示意圖如圖2所示。

1—發(fā)球裝置；2—儲(chǔ)球裝置；3—傳送帶；4—收集裝置

3 具體功能設(shè)計(jì)

3.1 收集裝置

當(dāng)收集空?qǐng)龅氐钠古仪驎r(shí)，機(jī)器人以CMOS圖像傳感器來(lái)搜尋乒乓球，通過(guò)紅外線傳感器實(shí)現(xiàn)避障，用步進(jìn)電機(jī)控制麥克納姆輪帶動(dòng)機(jī)器人在場(chǎng)地內(nèi)自由移動(dòng)[5-6]。如圖3所示，機(jī)器人采用柔性三葉板1與弧形擋板7結(jié)合的滾輪式收集方法來(lái)收集乒乓球，直流電機(jī)控制柔性三葉板的轉(zhuǎn)動(dòng)，球體會(huì)沿設(shè)計(jì)好的曲面滾動(dòng)到曲面凹槽內(nèi)，根據(jù)乒乓球的尺寸，設(shè)計(jì)凹槽的曲面半徑為60 mm、寬度為100 mm、高度為40 mm。

當(dāng)收集墻邊角落的乒乓球時(shí)，該裝置主要利用差速器4、電磁制動(dòng)器3、錐齒輪機(jī)構(gòu)6、鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)2的組合傳遞動(dòng)力。紅外線傳感器感知到墻角后傳遞信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)5，電機(jī)輸出的動(dòng)力傳遞到差速器。差速器具有2個(gè)自由度，配合電磁制動(dòng)器失電鎖死的特性，分別鎖緊不同的輸出軸共同構(gòu)成變胞機(jī)構(gòu)，以此來(lái)完成動(dòng)力的分配。差速器未鎖的一端會(huì)輸出動(dòng)力，進(jìn)而分別控制柔性三葉板整體向上旋轉(zhuǎn)和弧形擋板的旋轉(zhuǎn)。收集墻邊、角落的乒乓球時(shí)，首先柔性三葉板繞A點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)81°，然后機(jī)器人繼續(xù)前行，即將碰到墻壁時(shí)，球會(huì)聚攏在一起，此時(shí)弧形擋板繞B點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，從而實(shí)現(xiàn)攏、收一體化，將散落在墻角的乒乓球全部回收，解決了墻角乒乓球無(wú)法用機(jī)器回收這一難題。該裝置各機(jī)構(gòu)的分布如圖3(a)所示。

1—柔性三葉板；2—鏈輪鏈條機(jī)構(gòu)；3—電磁制動(dòng)器；4—差速器；5—步進(jìn)電機(jī)；6—錐齒輪機(jī)構(gòu)；7—弧形擋板

收集裝置采用差速器和電磁制動(dòng)器形成的2自由度變胞機(jī)構(gòu)來(lái)傳遞動(dòng)力，其原理如圖3(b)所示。電機(jī)將動(dòng)力傳輸至H桿，當(dāng)輪3鎖緊時(shí)，動(dòng)力輸出至輪1，當(dāng)輪1鎖緊時(shí)，動(dòng)力輸出至輪3[7-8]。

3.2 儲(chǔ)存運(yùn)輸裝置

常見的運(yùn)輸裝置有皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)、滾筒輸送機(jī)等，根據(jù)乒乓球特殊的物理性質(zhì)，機(jī)器采用傳送帶與卡位板配合傳遞的方式，將乒乓球傳送到儲(chǔ)存裝置中。傳送帶盒的半圓形半徑為60 mm，與曲面凹槽的半徑大小一致，避免了球體運(yùn)輸過(guò)程中可能出現(xiàn)的傳遞不連續(xù)問(wèn)題。

傳送帶由直流電機(jī)控制，兩卡位板之間的距離為55 mm，當(dāng)乒乓球進(jìn)入到儲(chǔ)存盒里，收集過(guò)程完成。

如圖4所示，機(jī)器進(jìn)入到發(fā)球階段時(shí)，乒乓球會(huì)從儲(chǔ)存盒被運(yùn)輸?shù)桨l(fā)球機(jī)構(gòu)內(nèi)并被發(fā)出。儲(chǔ)存盒出口的攪拌機(jī)構(gòu)3由舵機(jī)4控制，其利用行星輪來(lái)對(duì)集球盒內(nèi)的球體進(jìn)行攪拌。攪拌器的攪拌端長(zhǎng)度為40 mm，3個(gè)行星輪圍繞中間部分的太陽(yáng)輪周轉(zhuǎn)，同時(shí)行星輪自轉(zhuǎn)帶動(dòng)攪拌葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，使得攪拌非常充分，盡可能地避免出現(xiàn)卡球現(xiàn)象。

1—橡膠圈；2,4—不完全齒輪；3—齒條；5—攪拌機(jī)構(gòu)；6—舵機(jī)；7—金屬?gòu)椈晒?/p>

球體推送裝置由3個(gè)完整齒輪、2個(gè)不完整齒輪、1個(gè)齒條構(gòu)成。球因自身重力單個(gè)落到通道后，2個(gè)不完全齒輪4轉(zhuǎn)動(dòng)控制齒條3的來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將乒乓球推入管道內(nèi)。橡膠圈1是為了防止乒乓球被推出后跟隨齒條返回。管道可以分成固定管道A和非固定管道B，管道A的直徑為42 mm，管道B的直徑為44 mm，管道B的尾端有可彎曲的金屬?gòu)椈晒?，彈簧管的另一端為發(fā)球機(jī)構(gòu)。

3.3 發(fā)球裝置

3.3.1升降機(jī)構(gòu)

考慮到乒乓球場(chǎng)地的特殊地形，本文在發(fā)球裝置中創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款升降機(jī)構(gòu)，使其能夠視情況發(fā)射不同高度的乒乓球。

升降裝置主要根據(jù)絲杠剪叉機(jī)構(gòu)的原理工作，絲杠剪叉機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行平穩(wěn)、安全高效等優(yōu)點(diǎn)[9-10]。步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)絲杠2轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母3上固定著剪叉機(jī)構(gòu)的機(jī)架，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)則螺母在絲杠上左右移動(dòng)，支撐桿4呈X型排列，其底層的支撐桿會(huì)隨著機(jī)架的左右移動(dòng)而繞著底層上的固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整體支架旋轉(zhuǎn)升高，從而使升降平臺(tái)5到達(dá)想要的高度。升降平臺(tái)與圖4中的套管B配合后，套管B就會(huì)跟隨平臺(tái)一起升降。該機(jī)構(gòu)采用的是右旋、長(zhǎng)200 mm、直徑10 mm的高精度滾珠絲杠。根據(jù)機(jī)構(gòu)的尺寸運(yùn)算可知，發(fā)球機(jī)最高能升至超出桌面100 mm處。圖5為升降機(jī)構(gòu)的示意圖。

3.3.2縱擺機(jī)構(gòu)

縱擺機(jī)構(gòu)的功能是通過(guò)調(diào)整機(jī)頭相對(duì)于水平方向的夾角來(lái)調(diào)整乒乓球發(fā)出距離的遠(yuǎn)近，縱擺行程為40°[11]。縱擺裝置由雙向絲杠組成，舵機(jī)控制雙向絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠上有兩段旋向不同的螺紋，旋在其上的分別是左、右旋螺母，螺母上連接著連桿。圖6為縱擺機(jī)構(gòu)示意圖。

1—步進(jìn)電機(jī)；2—絲杠螺母；3—絲杠；4—支撐桿；5—升降平臺(tái)

1—發(fā)球機(jī)支撐板；2—連桿；3—雙向絲杠；4—雙向螺母；5—舵機(jī)

3.3.3發(fā)球機(jī)構(gòu)

此機(jī)器采用的發(fā)球方法是膠輪摩擦發(fā)球，相對(duì)于氣壓式、錘擊式發(fā)球機(jī)來(lái)說(shuō)，膠輪摩擦發(fā)球最大的優(yōu)點(diǎn)是既能保證乒乓球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制乒乓球發(fā)射的角度和速度。摩擦輪由輪轂和橡膠層構(gòu)成，直流電機(jī)控制摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制兩個(gè)摩擦輪的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)球方式[12]。

兩輪角速度相同時(shí)，發(fā)出的是不旋轉(zhuǎn)的球，其中v球=v摩擦輪；兩輪的角速度不同時(shí)，發(fā)出的是旋轉(zhuǎn)的球，其中v球=(v摩擦輪1+v摩擦輪2)/2。

若摩擦輪1的角速度大，則乒乓球沿輪1方向旋轉(zhuǎn)，反之沿輪2方向旋轉(zhuǎn)。兩摩擦輪轉(zhuǎn)速的差值決定旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，兩摩擦輪轉(zhuǎn)速之和決定射程遠(yuǎn)近。摩擦輪半徑為26 mm，摩擦輪線速度v摩擦輪=ωR，其中ω為角速度，R為與之對(duì)應(yīng)的摩擦輪的半徑；乒乓球發(fā)球的速度為5～50 m/s，發(fā)球頻率大約為20～80個(gè)/min；輸球管內(nèi)徑為50 mm。發(fā)球機(jī)構(gòu)如圖7所示。

3.3.4旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

當(dāng)機(jī)器人采用摩擦輪發(fā)射乒乓球后，需要結(jié)合旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使得發(fā)球機(jī)能夠發(fā)射多樣化的旋球。托板上有一個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置，蝸桿由舵機(jī)帶動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪與發(fā)球機(jī)構(gòu)中的輸球管通過(guò)一個(gè)銷孔連接，使其能同步轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)具有減速作用，使得其旋轉(zhuǎn)過(guò)程能夠更加穩(wěn)定，蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比為28。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖8所示。

1—摩擦輪與電機(jī)；2—橡膠圈；3—輸球管

1—舵機(jī)；2—蝸輪；3—摩擦輪；4—蝸桿

4 結(jié)束語(yǔ)

與市場(chǎng)已有產(chǎn)品相比，該拾發(fā)乒乓球機(jī)器人具有如下特點(diǎn)：

1)機(jī)器人采用滾輪式收集方法，利用差速器和電磁制動(dòng)器形成的2自由度變胞機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)單電機(jī)雙動(dòng)力的輸出效果。

2)機(jī)器人利用升降、縱擺、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)球位置的可變性，利用膠輪摩擦來(lái)確定發(fā)球速度和角度，實(shí)現(xiàn)了發(fā)球方式的靈活多樣。

3)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了拾發(fā)球功能一體化，功能多樣，效率高，使用方便，具有一定的市場(chǎng)推廣和使用價(jià)值。