一體式乒乓球發球機器人設計

馮中澳 趙利達

摘要：設計一款發射方式多樣、自動化程度高、便攜性高的智能式乒乓球發球機器人。對其進行機械結構設計，包括機構運動設計、零件結構設計，并使用inventor進行機械零件、部件設計及模擬裝配。圍繞預期目的對不同的機構進行組合創新，完成設計。該機器人可以很好地模擬專業乒乓球訓練人員，使用便攜高效。

關鍵詞：乒乓球?;發球機器人?;陪練機器人;?發球機構?;模塊化設計

中圖分類號：TB47

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）08-0014-04

引言

隨著人們生活水平的提高，人們對生活質量的要求越來越高，更加注重自身運動，通過運動來強身健體、陶冶情操、緩解壓力、鍛煉意志力。因此，運動消費作為一種綠色的消費，在人們日常消費中所占的比例越來越大。乒乓球作為一項全民共享的健身運動，有著廣泛的群眾基礎。學好乒乓球也許不是一朝一夕的事，對于初學者來說，撿球的時間要比練球的時間常，這樣往往會挫傷初學者的興趣，而對于專業人員來說，陪練者也不可能長時間地發球，專業人員進行大強度的專業訓練也是較為困難的，對于這一問題，我們可以引進乒乓球自動發球機，因此，面對乒乓球自動發球機的普及使用，要求乒乓球自動發球機既能滿足初學者的使用要求，又能為專業的乒乓球員提供更好的服務。雖然目前乒乓球發球機器人已經得到了一定的發展，能夠實現一定的變頻變速和旋轉等功能，但是隨著乒乓球這門運動的普及，人們對乒乓球發射機器人的要求越來越高，目前市面上的乒乓球發射機越來越難以滿足人們的需求。因此市場急需一種多樣化智能化的乒乓球訓練機器人。

一、項目意義

針對我國乒乓球市場的需求，我方設計的一種智能式乒乓球發球機器人具有發射多樣化、自動化程度高、便捷性高等特點。

該機器人是一種特殊的乒乓球發球機器人，其特殊性在于：

1.在現有乒乓球發射機上進行了改進，使裝置實現多級變頻變速發射和多種發射球性的功能。

2.多維度發射模式，使裝置能夠在任意發球口進行發射乒乓球，能夠更好地模擬專業乒乓球訓練人員。

3.便攜式腿部和自動撐傘設計使機器人靈活移動，快速方便地切換與任意乒乓球桌，具有較高的便捷性。

4.采用新型控制系統和深度學習算法，能夠有效準確而控制發球頻率、速度、球性、位置，幫助訓練員快速提高發球水平。

因此該乒乓球發球機器人具有廣泛的應用前景。

二、項目研究內容

經過調研后并綜合考慮應用場景和功能需求后，初步確定機器人試下功能有變頻變速發射、多維度發射、智能行走和收集等功能。

現有乒乓球發球機已具有變頻變速功能，基于此該機器人進行了改進，使乒乓球發射具有更好的發射性能;為了更好地模擬發球特性，該機器人在角度調節的基礎上增加了變位功能，使其發射口能夠高低左右變化，能實現專業訓練員任意發射位置進行發射;同時，不同于普通發球機，該機器人具有儲球和送球功能;為了使機器人能夠靈活切換乒乓球桌，該機器人具有行走功能以準確定位到乒乓球桌，自動開傘收傘功能能夠自動開傘和收傘去掉了人工開傘環節，增加了該裝置的便捷性。

三、原理及設計

（一）整體設計

該機器人整體結構如圖1所示：

為了實現多維度多方位發射和智能行走等功能，機器人整體從功能進行分類，可分為發射模塊、角度調節模塊、變位移動模塊、儲球模塊、收集模塊、行走模塊。

其中，發射模塊由多級摩擦輪機構組成，通過電機驅動及變位齒輪傳動實現發球的變速變位功能;變角度模塊是由俯仰機構和橫擺機構組成，兩個裝置分別實現發射口沿y軸和z軸旋轉的功能;變位移動模塊中橫移裝置和伸縮裝置能調節從z軸和y軸分別調節發射口;儲球模塊中通過自傳式儲球艙、抬升裝置和裝夾機械手配合使用實現裝置儲球和運球的功能;收集模塊由自動收集傘組成，該模塊能夠實現對乒乓球的攔阻，并通過高度差將攔阻后的乒乓球運送至收集艙中。行走模塊主要由行走裝置組成使裝置具有智能行走的功能，如圖3、4。

根據現有的乒乓球桌的尺寸可以知道，其長度為2740mm，寬度為1525mm，高度為760mm。

所以根據乒乓球桌尺寸我們設計的乒乓球發射機器人的發球口距地面高度為1076mm，整體高度為1300mm，同時為了滿足機器人在橫向移動時能夠覆蓋整個乒乓球桌，其橫向展開尺寸為1830mm。為了保證機器人的收集模塊能夠覆蓋整個桌面且保證尺寸盡可能小，其前后尺寸為500mm。

（二）發射模塊：

發射模塊主要由電機驅動，兩級摩擦輪組加速機構，傳動變速機構，發射管x軸轉動機構組成。

1.多級摩擦輪組發射機構，如圖5所示：為了實現了球速及球性的控制，我方設計了二級摩擦輪加速調節機構。其中一級摩擦輪直徑d1為30mm，通過高速直流電機直接帶動，設計旋轉特性為高轉速，高平穩性。主要負責對球進行加速，增加其初速度，上下兩摩擦輪1-2保持相同轉速∞，其加速后初速度值為：

V1=wXd/2

第二級摩擦輪直徑d2為40mm，由第一級摩擦輪間接變速傳動而來。設計旋轉特性為高轉速，高變頻。第二級摩擦輪過控制上下摩擦輪的轉速不同，對由第一級過來的球添加球性，實現旋球。當第一二級摩擦輪上下輪3-4轉速w3=w4時，乒乓球不旋轉，最終發射速度為：

v=c1Xd2/2

當兩級摩擦輪轉速w3》∞4，球獲得向輪3的旋向，當w3《∞4，球獲得相反方向的旋向，以上兩種情況球的最終發射素的均為：

v=（w3+∞4）xd2/4

2.傳動變速機構，如圖6所示：傳動變速機構主要由錐齒輪、皮帶輪以及凸輪擺桿變速機構組成，共兩套分別對稱分布在發球管兩側，分別負責上下摩擦輪2-3、1-4之間的傳動。

以單側傳動機構為例，電機帶動輪1軸輸出動力，經過錐齒輪傳遞給皮帶輪，帶動凸輪擺桿變速機構。其中錐齒輪的傳動比為1：1，皮帶輪的傳動比為1：2。

凸輪擺桿變速機構主要由輸入輸出軸、行星齒輪傳動、三個凸輪、三個擺桿、三個弧形壓板槽以及超越離合器組成，組成相互獨立的三組凸輪擺桿機構。三個凸輪間隔的裝在凸輪軸上對應三個擺桿。

凸輪擺桿無極變速機構可通過調節擺桿的軸向相對位置實現無級變速，體積小、零件少、結構精巧，傳動較為精確，能較好實現兩級摩擦輪之間傳動的無級變速。

凸輪擺桿無級變速機構輸出動力后再經過皮帶輪錐齒輪傳動，將動力輸入輪4。通過兩側傳動裝置改變不同的傳動比，實現摩擦輪3、4的差速旋轉。

3.發射管x軸轉動機構，如圖7、8所示：通過電機齒輪帶動位于發射管根部的齒輪，實現整個發射管沿著x軸旋轉。通過發射管的x軸轉向，配合摩擦輪3、4的差速旋轉，可以發射任何旋向旋球，更好地控制球性。

發射管截面直徑稍大于乒乓球，內設四條軸向的導軌，乒乓球不直接與管壁接觸，降低了乒乓球在管中運動過程中因摩擦帶來的能量損失，同時也減少了筒壁對旋球的不利影響。

（三）角度調節模塊

角度調節模塊由俯仰調節裝置和橫擺調節裝置組成。

1.俯仰調節裝置，如圖9所示：為了實現發射口的俯仰調節功能，該裝置運用導桿機構，以電機為輸出動力，通過齒輪組減速，帶動曲柄旋轉使固連于導桿末端的發射臺繞軸旋轉。

2.橫擺調節裝置，如圖10、11所示：橫擺裝置運用了空間曲柄滑塊機構，通過曲柄旋轉帶動滑塊沿滑槽運動，使滑槽沿軸旋轉，與滑槽固定連接的上層裝置在滑槽的帶動下沿軸擺動。同時安裝一對減速齒輪使該機構減速增矩以承接上層發射口的重量。

（四）變位模塊

變位模塊主要由伸縮裝置和橫移裝置組成，伸縮裝置運用曲柄滑塊機構實現發射口在不同高度發射的功能;橫移裝置可以實現發射口沿左右兩側運動，兩個裝置配合使用實現裝置不同發射口發射任意乒乓器的功能。

1.伸縮裝置，如圖12、13所示：伸縮裝置運用曲柄滑塊機構，在電機驅動下通過齒輪減速增矩后，曲柄帶動滑塊沿直線往復運動，實現裝置的伸縮功能。

當機器人處于初始狀態時，發射口距桌面的高度為360mm，當機器人頭部抬升到最大高度時，發射口距桌面高度為480mm，所以曲柄的長度為60mm。

2.橫移裝置，如圖14所示：橫移裝置主要由導軌部分、夾緊部分和移動部分組成;

導軌部分：橫移裝置中一共三段導軌，中間為固定端，兩側導軌與中間端成鉸鏈連接，各導軌均安裝齒條。兩側導軌末端與雙腿通過滑塊連接，滑塊上端與導軌末端鉸接。導軌中部通過氣彈簧與身體連接。

夾緊部分：夾緊部分采用雙滑塊機構，電機帶動絲杠旋轉，使滑塊沿直線運動，兩側滑塊沿中心運動，帶動機械爪向中間合攏固定導軌。

移動部分：移動部分通過電機驅動齒輪組傳動，滑臺兩側的滑動輪與中間導軌相接起到限位的作用，移動平臺上端與機器人發射頭相接，通過齒輪齒條機構實現裝置的快速移動。

橫移裝置工作時，機器人雙腿沿左右兩側行走，兩側導軌沿鉸鏈旋轉展開，與中間導軌拼接，夾緊部分夾緊導軌末端，固定導軌，氣彈簧伸縮從下側固定導軌，從移動部分中的齒輪與導軌中的齒條嚙合，通過點擊帶動齒輪旋轉，使移動部分沿導軌直線運動實現裝置橫向移動。

（五）儲球模塊

儲球模塊主要由旋轉式儲球筒、旋轉裝置、抬升裝置和夾緊裝置組成，如圖15所示;

儲球模塊一共三個儲球筒均位于定角度旋轉裝置之上，當機器人開始運動時，旋轉裝置將儲球模塊旋轉至抬升裝置之下，抬升裝置工作將儲球筒送至發射模塊下部，夾緊裝置將裝夾手裝夾于儲球筒兩側，使儲球筒固定，開始松送球，如圖16。

1.環形儲球筒，如圖17所示：儲球筒中乒乓球儲存于子儲球筒中，通過絲杠傳動使抬升座向上抬升是實現乒乓球的運輸，當子儲球口送球完畢后，電機帶動蝸輪蝸桿使槽輪機構工作，使固連在槽輪機構上的子儲球筒旋轉，進入下一儲球口。

2.旋轉輪換裝置：旋轉輪換裝置主要由槽輪機構和曲柄滑塊機構組成，環形儲球筒放置于輪換裝置之上。通過槽輪機構3個環形儲球筒以60度方位旋轉。為了使儲球筒穩定連接，通過電機帶動曲柄滑塊固定儲球筒。

三個收集桶等角度分布在同一圓周上，所以槽輪徑向槽之間的夾角為120°。結合整體尺寸，得到槽輪機構中心距為88mm，槽盤半徑為72.5mm，曲柄銷長度為90mm，徑向槽的長度為39mm，曲柄銷半徑為11.8mm，如圖18所示。

3.抬升裝置運用剪叉機構，剪叉機構由電機輸入動力，電機旋轉使絲桿帶動滑塊移動，與滑塊鉸接的連桿同時向上旋轉，使儲球筒向上抬升。

4.夾緊裝置安裝于機器人上端，使旋轉式儲球艙抬升后固定，該裝置采用雙滑塊機構，滑塊向內運動帶動夾手夾緊儲球艙，如圖19。

（六）收集模塊

收集模塊一共由三級展開裝置組成，展開傘展開后，對乒乓球臺收攏以阻攔回擊后的乒乓球，如圖20所示。

一級展開裝置，如圖21所示。一級展開裝置由兩節連桿組成，通過電動推桿推動，使連桿繞軸旋轉至于平臺平行的位置，一級展開裝置隨后展開，與裝置末端的阻攔網隨其繃直，一級展開裝置具有兩個自由度，能夠靈活控制連桿的旋向，使裝置準確展開。

二級展開裝置，如圖22所示。二級展開裝置功能由剪叉機構實現，通過電機帶動絲杠旋轉，使滑塊沿直線運動，剪叉機構隨及展開。

三級展開裝置。三級展開裝置由舵機控制，使連接桿繞軸旋轉至水平向下。三級展開裝置展開后，收集網最終打開。同時由于三級展開裝置的連接網傾斜放置，阻攔后的乒乓球，被收集網阻攔后沿傾斜軌道向下滾動至收集軌道中，并通過收集軌道進入儲球艙中，完成收集。

乒乓球桌的長度為2740mm，寬度為1525mm，所以當收集機構展開是其長度應至少等于1370mm，寬度為1525mm。同時為了保證當收集機構展開時乒乓球不會落入縫隙中，則收集機構與乒乓球桌在長度和寬度的縫隙應小于乒乓球直徑，同時為了保證乒乓球彈起時不會彈出界外，取收集模塊的高度z為500mm。則收集機構長度為1400mm，寬度為1550mm。

（七）行走模塊

為了使機器人能夠靈活移動，本裝置增加了行走模塊，該模塊主要分為直行裝置和轉向裝置和定位裝置，如圖23。

直行裝置，如圖24、25所示。該裝置通過二級傳動實現直行的功能，電機通過錐齒輪傳動，帶動同軸的直齒輪旋轉，與小齒輪嚙合的大齒輪帶動車路做旋轉運動。通過二級減速后，該裝置獲得較大扭矩。

轉向裝置，如圖26所示。轉向裝置通過齒輪組傳動，大齒輪與直行裝置固連，小齒輪帶動大齒輪旋轉，實現轉向。

四、整體創新點

（一）功能創新：采用無極變速器實現發球速度的連續變化，能夠分別應用于不同狀態的發球訓練。采用曲柄連桿機構實現發球機構的高度變化以適應不同狀態的發球訓練。采用齒輪齒條機構實現發射模塊的橫向移動已適應不同狀態的發球訓練。頂端作為搭載傳感器的平臺，通過主軸的旋轉運動，達到全方面檢測的目的。該機器人還搭載視頻采集系統，通過視頻的采集及傳輸，通過專業的軟件系統分析發球狀態實現多種狀態的發球。

（二）結構創新點：角度俯仰調節機構：導桿機構，通過導桿機構實現發球模塊的縱向角度調節使發球靈活多樣。發球模塊搖擺機構：通過空間曲柄滑塊機構帶動發球模塊實現橫向角度調節，實現了在橫向上的多角度發射。收集機構：通過電動推桿，剪叉機構和舵機反轉桿實現了對乒乓球的無縫收集。

結語

通過對機構的創新設計，該機器人擁有多種角度調節發射模式，功能多樣，能應用于各種不同的場景，能適用于不同年齡段和不同水平的人群訓練，具有廣闊的市場前景。裝置整體設計人性化：裝置功能完備，可有效減少人手操作步驟，降低工作強度;裝置適用性強：可適應不同的訓練環境，適應不同年齡段和不同訓練水平的人群;可推廣性強：裝置原理簡單，各構件成本較低，與現有的乒乓球機器人相比，功能更為齊全，便于推廣。

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