智能一體化乒乓球陪練機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王輝 姬美玲 余見 宋嘉 林浩鵬

[摘 ? ?要]文章主要設(shè)計(jì)制造了一種多功能乒乓球發(fā)球機(jī)器人，創(chuàng)新性地采用變胞機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)常規(guī)乒乓球發(fā)球機(jī)難以達(dá)到的墻角、墻邊拾球功能。文中主要論述機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作方式及控制系統(tǒng)。機(jī)器人由四大系統(tǒng)即收球、運(yùn)輸、發(fā)球裝置組成，動(dòng)力系統(tǒng)以麥克納姆輪作為主要?jiǎng)恿υ?。收球方式上，利用三葉板與擋板相結(jié)合，在不同情況下采用不同方式進(jìn)行收球，可以做到特殊位置球的收集。發(fā)球方式的多樣化由摩擦輪轉(zhuǎn)速及升降平臺(tái)共同決定，實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度的訓(xùn)練。

[關(guān)鍵詞]變胞機(jī)構(gòu);拾發(fā)一體;升降剪叉

[中圖分類號(hào)]G846 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–00–04

Structural Design of Intelligent Lntegrated Table Tennis Sparring Robot

Wang Hui，Ji Mei-ling，Yu Jian，Song Jia，Lin Hao-peng

[Abstract]This paper mainly designs and manufactures a multifunctional table tennis service robot. We innovatively use the metamorphic mechanism to complete the function of picking up the ball at the corner and the edge of the wall， which is difficult to achieve by conventional table tennis server. This paper mainly discusses the mechanical structure， working mode and control system of the robot. It is composed of four major systems， namely ball collection， transportation and service devices. The power system is made of Mecanum wheel as the main power element. In the way of collecting the ball， the combination of the three-blade plate and the baffle plate is used to collect the ball in different ways under different circumstances， so that the collection of the ball in a special position can be achieved. The diversification of serving methods is jointly determined by the rotational speed of the friction wheel and the lifting platform to achieve different intensities of training.

[Keywords]metamorphic mechanism; hair-picking integration; lifting scissors

1 概述

隨著生活質(zhì)量的日益提高，人們更加注重身體健康，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的體驗(yàn)提出了越來越高的要求，希望通過運(yùn)動(dòng)提高身體素質(zhì)，放松心靈，同時(shí)也能緩解壓力。隨著乒乓球行業(yè)的發(fā)展，出現(xiàn)了不同類型的陪練機(jī)器人，一定程度上緩解了乒乓球訓(xùn)練面臨的問題，但仍不夠完善，因此我們希望能有1款智能一體化的機(jī)器人出現(xiàn)，可適應(yīng)不同環(huán)境、不同強(qiáng)度、不同方式的訓(xùn)練方法。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)撿乒乓球機(jī)器人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，方便使用，占地空間小，可以在機(jī)器人領(lǐng)域推廣使用。

2 乒乓球機(jī)器人的市場(chǎng)調(diào)查研究

2.1 乒乓球機(jī)器人的市場(chǎng)調(diào)查

雖然目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些拾球和發(fā)球機(jī)器人正在普及，有了一定的產(chǎn)品積累，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)一些發(fā)球和旋球及撿球功能，但是這些機(jī)器人的整體效率不高，而且一體化的程度不甚理想，很難將上述幾種功能很好地融合在一起，圖1所示的是常見的滾筒撿球機(jī)器人。

該產(chǎn)品為網(wǎng)上售賣的主流乒乓球撿球工具，利用滾筒縫隙彈性拾球，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕巧靈敏，但是需要人工識(shí)別球同時(shí)需要人工配合完成拾球操作，效率相對(duì)低下，儲(chǔ)存球量不多，而且只能拾球不能發(fā)球。

圖2所示的產(chǎn)品為佩克特專業(yè)乒乓球發(fā)球機(jī)器人，內(nèi)有球桌和智能發(fā)球機(jī)。其高效智能，但是制造成本較高，占地面積大，收放困難，占用資源較多。

2.2 乒乓球機(jī)器人的市場(chǎng)調(diào)查結(jié)果分析

由上圖可知，現(xiàn)有拾發(fā)乒乓球機(jī)器主要存在以下問題：

（1）機(jī)器人效率低，占有面積大，功能不齊全。

（2）機(jī)器智能化不足，不能自主完成所有動(dòng)作，需要人工的配合。

3 智能乒乓球陪練機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述描述，設(shè)計(jì)了一款既可以收集墻邊、角落等位置的乒乓球，又可以發(fā)不同旋球的高度自動(dòng)化的乒乓球機(jī)器人。該款機(jī)器人集拾球和發(fā)球功能于一體，其特點(diǎn)有：

（1）變胞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。巧妙的利用變胞機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同功能，能在最大程度上把特殊位置的乒乓球（如墻角）收集，確保每一個(gè)乒乓球都能被收集。

（2）膠輪摩擦方式可實(shí)現(xiàn)發(fā)球方式的靈活多樣，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的發(fā)射角度。

（3）實(shí)現(xiàn)智能化。本機(jī)器集收球、發(fā)球于一身，操作簡(jiǎn)單，占有面積小，具有強(qiáng)大的市場(chǎng)價(jià)值，值得推廣。

（4）設(shè)計(jì)巧妙，功能多樣，效率高，使用方便。

4 具體設(shè)計(jì)方案

4.1 動(dòng)力裝置

動(dòng)力裝置采用麥克納姆輪（麥輪），這是1種可全方位移動(dòng)的全向輪，由輪轂和輥?zhàn)勇?lián)合構(gòu)成，基于這些與輪轂成角度的輥和機(jī)輪方向，麥輪可實(shí)現(xiàn)在任意方向上的運(yùn)動(dòng)而不改變機(jī)輪自身的運(yùn)動(dòng)方向。每個(gè)麥克納姆輪單獨(dú)由1個(gè)12 V電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈敏，完美適應(yīng)球館內(nèi)復(fù)雜的地形環(huán)境。

4.2 收集裝置

此乒乓球機(jī)器人的收集裝置采用三葉板與弧形擋板相結(jié)合的方式進(jìn)行收球動(dòng)作。

（1）由于乒乓球隨意地散落在場(chǎng)館內(nèi)，故利用CMOS圖像傳感器搜集場(chǎng)中地面上的乒乓球，利用紅外進(jìn)行避障，配合麥克納姆輪以運(yùn)動(dòng)。然后直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)三葉板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，將乒乓球沿著預(yù)先設(shè)計(jì)好的弧形曲面撥進(jìn)凹槽中，完成收集。

（2）市面上常見的乒乓球直徑為40 mm，重2.7 g左右，根據(jù)均質(zhì)球體在曲面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其在圓槽上的運(yùn)動(dòng)分為3種情況：純滾動(dòng)、純滑動(dòng)，半滾動(dòng)半滑動(dòng)。綜合分析計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的弧形擋板設(shè)計(jì)弧度為半徑R=200 mm。乒乓球收集分為正常情況和非正常情況。正常情況對(duì)應(yīng)場(chǎng)地開闊，機(jī)器人正常進(jìn)行上述工作。

在非正常情況即收集墻角乒乓球時(shí)，通過紅外避障系統(tǒng)感知到墻體，將信號(hào)傳給電機(jī)，電機(jī)將動(dòng)力傳至差速器，進(jìn)而配合電磁制動(dòng)器鎖死的特性，將動(dòng)力不同的配置組成變胞機(jī)構(gòu)。差速器帶動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)使得三葉板支撐軸旋轉(zhuǎn)到上方合適位置，隨后停止運(yùn)動(dòng)，形成速度差，使得錐齒輪傳動(dòng)部分開始運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)所述弧形擋板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將乒乓球收集到弧形擋板后方的收集槽內(nèi)。實(shí)現(xiàn)了墻角等特殊位置乒乓球難以收集的問題。

4.3 運(yùn)輸裝置

運(yùn)輸裝置在整個(gè)機(jī)器中，起到承前啟后的作用，即將從收集裝置收集槽中收集到的乒乓球運(yùn)送到發(fā)球裝置。

因收集槽后含有驅(qū)動(dòng)裝置等部件，故傳輸機(jī)構(gòu)由傳送盒構(gòu)成，傳送盒又包括卡位板和傳送帶，將乒乓球傳送至后面的儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)內(nèi)，由輸球機(jī)構(gòu)將球推送到發(fā)射裝置。

4.3.1 傳輸機(jī)構(gòu)

傳輸機(jī)構(gòu)如圖3所示，傳送帶根據(jù)乒乓球直徑設(shè)計(jì)為半徑60 mm，有效避免了運(yùn)輸過程的卡頓現(xiàn)象。工作時(shí)由直流電機(jī)控制，乒乓球隨著卡位板的轉(zhuǎn)動(dòng)而隨之移動(dòng)，將其運(yùn)輸?shù)绞杖萸弧?/p>

4.3.2 儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)

儲(chǔ)球裝置主體為收容腔，收容腔內(nèi)部表面呈現(xiàn)向后下傾斜的形式，末端兩側(cè)為弧形曲面，同弧形擋板R=200 mm，后端中間連同收容腔出口，乒乓球可在重力作用下無論在任何方位都能沿著光滑銜接的曲面滾落集中至收容腔出口。

4.3.3 輸球機(jī)構(gòu)

發(fā)球機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由齒輪、齒條、金屬管組成。齒輪齒條構(gòu)成的往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，內(nèi)含2個(gè)完整不完整齒輪，3個(gè)完整齒輪，1個(gè)齒條，齒條上帶有推動(dòng)頭部，導(dǎo)向片等，此推送裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不斷地將從收容腔落下的乒乓球推入管道，同時(shí)管道內(nèi)設(shè)有橡膠圈，其目的是為防止乒乓球進(jìn)入管道后又隨重力返回收容腔出口。

考慮到機(jī)器人高度過高的情況，可能會(huì)出現(xiàn)乒乓球在桌下而機(jī)器人無法進(jìn)入的情況，將金屬管做成可伸縮式的管道，能沿著上下方向作伸縮運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)器人整體高度，滿足收集要求的同時(shí)，能夠調(diào)節(jié)乒乓球的發(fā)射高度。管道末端為一端彎管，出口連接發(fā)球裝置。

4.4 發(fā)球裝置

4.4.1 升降機(jī)構(gòu)

為完成不同的發(fā)球方式，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一款剪叉機(jī)構(gòu)，以便滿足不同情況下的發(fā)球需求，同時(shí)可以在關(guān)機(jī)狀態(tài)下盡可能降低其高度，減少空間占有。升降機(jī)構(gòu)的主要原理為絲杠剪叉機(jī)構(gòu)的工作原理，運(yùn)行穩(wěn)定而安全。

4.4.2 縱擺機(jī)構(gòu)

縱擺機(jī)構(gòu)，其主要作用是調(diào)節(jié)乒乓球發(fā)射時(shí)的上下角度，以此來控制乒乓球發(fā)射距離的遠(yuǎn)近。經(jīng)計(jì)算，俯仰角度最大為40°，可滿足絕大多數(shù)情況下的發(fā)球需要?？v擺機(jī)構(gòu)由升降平臺(tái)、支桿和雙向絲杠構(gòu)成，相比于常規(guī)絲杠，雙向絲杠具有更好的安全性和工作性能。其螺紋部分兩邊正好相反，分別套1支桿，由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)絲杠向1個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩支桿靠攏，反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，支桿分開。兩支桿上連接支撐板，支桿運(yùn)動(dòng)，支撐板也跟著上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了乒乓球發(fā)射角度的調(diào)節(jié)。

4.4.3 發(fā)射機(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)來說，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。

發(fā)球機(jī)構(gòu)包括與金屬管尾端彎管相連的鏤空管道、兩個(gè)摩擦膠輪以及用以驅(qū)動(dòng)的電機(jī)。膠輪嵌入管道約3 mm，使得乒乓球在管內(nèi)與膠輪摩擦，在摩擦力的作用下向外發(fā)射出去，同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)的發(fā)球，且球速能夠被調(diào)節(jié)，就要求兩摩擦輪的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，因此形成速度差，發(fā)出左旋、右旋等球。

若設(shè)一摩擦輪的角速度為ω1，二摩擦輪的角速度為ω2，則當(dāng)ω1=ω2=時(shí)，ν=d·ω1/2，發(fā)出的是不旋轉(zhuǎn)的球。當(dāng)ω1≠ω2時(shí)，ν=（ω1+ω2）·d/4，方向?yàn)檗D(zhuǎn)速高的輪的方向。

5 控制系統(tǒng)

乒乓球機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用STM32主板作為主控制器，輔助以CMOS傳感器尋找乒乓球，紅外避障，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行收集乒乓球。乒乓球機(jī)器人是1個(gè)典型的智能實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它涵蓋機(jī)器人研究領(lǐng)域智能控制、高速視覺伺服、人機(jī)交互以及機(jī)器學(xué)習(xí)等一系列核心技術(shù)，研究乒乓球機(jī)器人，可以有效地推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，具有較高的科研價(jià)值。

5.1 通過步進(jìn)電機(jī)控制麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

原理：通過PWM調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以間接調(diào)節(jié)小車的快慢。①搭建電機(jī)的硬件電路，STM32沒有單獨(dú)的PWM模塊，它是利用定時(shí)器來輸出PWM的，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)通道，需要找到定時(shí)器與這4個(gè)通道所接的引腳，再將這4個(gè)引腳接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入端上。②搭建電機(jī)的軟件電路，實(shí)現(xiàn)引腳與定時(shí)器的初始化，調(diào)用setcompare函數(shù)設(shè)置占空比，穩(wěn)定機(jī)器人的速度。調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、急停、直行等操作。

5.2 超聲波測(cè)距模塊控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)小車避障

測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2。測(cè)距直接用調(diào)用Senor_Using（）這個(gè)函數(shù)，函數(shù)的返回值即為距離。設(shè)計(jì)思路如下：

（1）舵機(jī)向前擺正，測(cè)量正前方的距離，如果距離小于30 cm就停下來。

（2）停下后，舵機(jī)檢測(cè)左邊45°和右邊45°的距離，比較這兩個(gè)距離。

（3）假如左邊的距離比右邊大，就用1個(gè)do-while循環(huán)，使舵機(jī)擺正不斷測(cè)量前方距離，同時(shí)小車緩慢左轉(zhuǎn)，一直轉(zhuǎn)到前方距離大于30 cm，小車?yán)^續(xù)向前，循環(huán)繼續(xù)。

4-3open-mv實(shí)現(xiàn)乒乓球的識(shí)別，從而調(diào)動(dòng)電機(jī)去驅(qū)動(dòng)三扇葉裝置收集目標(biāo)。

STM32單片機(jī)作為核心控制器，并協(xié)同機(jī)器視覺模塊OpenMV組成智能小車系統(tǒng)，針對(duì)攝像頭提取的道路圖像信息，采用閾值法和魯棒線形回歸算法提取道路引導(dǎo)線，采用多重模板匹配法提取障礙物信息，并結(jié)合傳統(tǒng)PID控制技術(shù)和模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能小車系統(tǒng)的引導(dǎo)線自動(dòng)循跡和避障功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了進(jìn)行更有效的訓(xùn)練并減少人工人力成本，提高教練的訓(xùn)練質(zhì)量，我們研發(fā)了此款機(jī)器人，對(duì)各種水平和各種類型的人群都具有很好的輔助性，市場(chǎng)前景廣闊。裝置一體化程度高，功能強(qiáng)大，效果較好，完全可以替代人工進(jìn)行一部分訓(xùn)練項(xiàng)目，在一定程度上減少了人力成本。同時(shí)采用STM32開發(fā)板作為控制器，具有較強(qiáng)擴(kuò)展性，方便后續(xù)優(yōu)化。裝置設(shè)計(jì)精巧，原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單且容易上手，經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可完成所有操作任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李小康，趙險(xiǎn)峰，胡述祥，等，智能乒乓球陪練機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2020（11）：71.