羽毛球智能拾撿小車設(shè)計(jì)

李漫天，孫月巧

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

在全民健康運(yùn)動(dòng)的浪潮下，各種球類運(yùn)動(dòng)風(fēng)靡全國(guó)。其中羽毛球是重點(diǎn)推薦的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之一，深受大眾喜愛(ài)，老少皆宜。而大部分發(fā)球機(jī)使用的羽毛球都是堆疊好后放入球筒中，訓(xùn)練后對(duì)于羽毛球的收集和整理堆疊是一個(gè)難題。羽毛球是由半球狀的球托和16根羽毛制成，其中羽毛容易折斷，收集時(shí)需要十分小心。到目前為止，國(guó)內(nèi)外尚未有理想的收集此類設(shè)備，已經(jīng)研發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品存在著收集過(guò)程中損壞羽毛、收集但無(wú)法整理等一系列問(wèn)題，無(wú)法產(chǎn)品化[1]。

基于上述原因，本文針對(duì)羽毛球獨(dú)有的特點(diǎn)以及羽毛球收集整理過(guò)程中的特定需求，嘗試設(shè)計(jì)一種功能穩(wěn)定、機(jī)電一體的羽毛球智能拾撿小車，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，具有一定的推廣價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

1 羽毛球智能拾撿小車總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的羽毛球智能拾撿小車，包括回旋撥球機(jī)構(gòu)、皮帶提升機(jī)構(gòu)、收集整理機(jī)構(gòu)及自動(dòng)控制行走機(jī)構(gòu)，如圖1所示。回旋撥球機(jī)構(gòu)由滾軸鏈條傳動(dòng)動(dòng)力，撥球軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)撥球板360°旋轉(zhuǎn)將球撥進(jìn)。皮帶提升機(jī)構(gòu)將落球架中羽毛球提升，經(jīng)過(guò)最高點(diǎn)后由球自身重力落入收集整理機(jī)構(gòu)。收集整理機(jī)構(gòu)通過(guò)振動(dòng)板和擋板使羽毛球能球頭向下掉落從而一個(gè)個(gè)堆疊起來(lái)自動(dòng)整理，自動(dòng)控制行走機(jī)構(gòu)控制小車行走。

圖1 總設(shè)計(jì)圖

羽毛球智能拾撿小車操作過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)小車，控制小車移至羽毛球掉落處，撥球板旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)羽毛球，將羽毛球撥至落球架，皮帶提升機(jī)構(gòu)將羽毛球提升，在其最高點(diǎn)將羽毛球倒下[2]，重復(fù)以上動(dòng)作，將掉落在地的羽毛球整理到球筒中，人工將疊好后的羽毛球用于訓(xùn)練或儲(chǔ)存起來(lái)。

2 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 回旋撥球機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)以電機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)鏈條和齒輪將電機(jī)動(dòng)力傳遞至撥球軸。撥球軸通過(guò)定位軸座定位在機(jī)架上，鏈輪與轉(zhuǎn)軸配合傳遞動(dòng)力。撥回旋撥球機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 回旋撥球機(jī)構(gòu)

2.2 皮帶提升機(jī)構(gòu)

機(jī)構(gòu)以電機(jī)為動(dòng)力源，將動(dòng)力傳送至皮帶軸，皮帶軸與皮帶精密貼合通過(guò)摩擦傳力，固定在皮帶上的提升板進(jìn)行提升運(yùn)動(dòng)，使其上的羽毛球上升。皮帶提升機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 皮帶提升機(jī)構(gòu)

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)與力學(xué)模型

3.1 回旋撥球機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

針對(duì)回旋撥球機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[3]，當(dāng)撥球板接觸羽毛球后，由于羽毛球與撥球板的摩擦力較大，所以羽毛球與撥球板接觸后不會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可將運(yùn)動(dòng)看作平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示，將撥球板看成平面的AB桿，羽毛球看成以C為圓點(diǎn)，半徑為CD的圓，根據(jù)回旋撥球的矢量方程式，可以寫(xiě)出C點(diǎn)的位置方程如式（2）：

圖4 回旋撥球機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

式中AE=AD=100mm，CD=12.5mm，θ為AC運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律為：

對(duì)運(yùn)動(dòng)位置方程求導(dǎo)，得到速度方程：

式中Vc為C點(diǎn)速度（mm/s）；ω1撥球板角速度（rad/s）；t1為為驅(qū)動(dòng)時(shí)間（s）。

通過(guò)上述方程的求解表示出C點(diǎn)的位置、速度與時(shí)間的關(guān)系式，分別如式（2）和式（3）所示。

4 實(shí)物研制與試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，制作了物理樣機(jī)，如圖5所示，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖5 裝置實(shí)物圖

表1 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)

由實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，整理成功率穩(wěn)定在98%左右，實(shí)現(xiàn)羽毛球自動(dòng)撿球及整理的功能，對(duì)于大數(shù)量的訓(xùn)練后的撿球縮短人工收集整理所需要的時(shí)間45.6%以上，具有較高的工作效率，且羽毛球數(shù)量越多時(shí)機(jī)器的優(yōu)勢(shì)更明顯，機(jī)器撿球整理的效率高，整理成功率在96.3%以上，工作性能較為穩(wěn)定，機(jī)器連續(xù)工作的效率在96.8%以上，完成程度高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明本文設(shè)計(jì)的羽毛球智能拾撿小車滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際測(cè)試中具有較高的可靠性與一定的適應(yīng)性[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種羽毛球智能拾撿小車，整個(gè)小車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自動(dòng)程度高，易于制造和使用。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的羽毛球智能拾撿小車可以快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)撥球撿球、升降、整理功能，滿足訓(xùn)練后人工撿球的需求，機(jī)器有著較高的可靠性，相比較人工收集整理，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了訓(xùn)練效率。