分離式乒乓球輔助訓練機器人設計

張晨宇，杜振豪，劉 權，陳 凱，張鳳奎

（塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

隨著體育強國戰略不斷地深化，越來越多的普通人積極參與到體育活動中來。而乒乓球作為我國的國球，流行程度十分廣泛，在中國頗受歡迎，截至2017年，中國乒乓球人口就達到將近1 億[1-4]。在日常乒乓球訓練中打出出界、失誤和無效球時，還需要訓練結束后專門派人去撿，勞動強度大，易損傷腰椎[5-7]，也極大地降低了訓練效率。而隨著人工智能的迅速發展，智能乒乓球訓練機器人逐漸進入大眾的視野，為大眾在乒乓球訓練時帶來了一定的便利。但人工智能運用于體育領域的相關研究才剛剛起步，前人對于乒乓球訓練機器人的研究成果相對較少，主要是集中于機器人的機械結構設計和對乒乓球的識別等一些方面，并沒有完善的成果。盡管乒乓球受眾廣，市場前景大，出現了許多類型的乒乓球訓練機器人，但目前市面上常見的都是固定式發球機和單一的撿球機產品，反而缺少一款集撿發球功能于一體的乒乓球輔助訓練機器人。而且盡管目前國內的拾球、撿球機正在普及，但是普及的整體趨勢不高，而且市面上的乒乓球訓練機器人還存在以下的問題。

（1）機器人的拾球效率較低，且對墻邊及角落的乒乓球難以去收集。

（2）機器人對發球的力度、角度、旋向和遠近距離過于單一，不能實現多樣化，導致無法達到預期的訓練效果。

（3）該類機器人在機械結構的設計、機器視覺及路徑規劃等方面不夠成熟，還有很大的發展空間。

因此，設計一款分離式乒乓球輔助訓練機器人以滿足人們需求，不僅可以起到填補市場空白的目的，還可以為分離式乒乓球輔助訓練機器人的設計提供參考，再加上國內對于體育領域中的乒乓球訓練智能化的需求，乒乓球輔助訓練機器人將有很大的發展空間，具有一定的研究價值。

1 分離式乒乓球輔助訓練機器人的功能設計

分離式乒乓球輔助訓練機器人由撿球機構、儲存機構、傳輸機構和發球機構4 個部分組成。為滿足精準撿球、大容量儲球、高效傳送及多樣式發球的設計需求，在參考掃地機器人結構原理上，對將撿球機構和儲存機構進行設計。而為實現乒乓球機器人的識別檢測與運動，設計了撿球機構，該檢球機構通過CMOS（互補金屬氧化物半導體）圖像傳感器識別乒乓球位置并拾取，在移動過程中采用紅外傳感器的圖像識別功能進行障礙物躲避，最終將乒乓球收集到存儲裝置中，且拾取完畢后自動返回至初始點與傳輸機構對接。而傳輸機構是通過橡膠軟撥片的垂直傳輸皮帶輸送至發球平臺。發球機構通過脈寬調制型電機（PWM）2 個摩擦輪的轉速差來控制乒乓球射出方向，其中發球機構還可以自由旋轉并調整俯仰角度，實現多角度、多方式發射，從而達到輔助訓練的效果，提高訓練效率。分離式乒乓球輔助訓練機器人模型圖如圖1 所示。

圖1 分離式乒乓球輔助訓練機器人

2 整機結構和工作原理

2.1 整體設計

據調查，乒乓球臺的標準尺寸為長2.74 m，寬1.525 m，離地面高0.76 m，球網高0.152 5 m。因此對乒乓球機器人的設計尺寸為整體高度1.35 m，發射臺高度在1.2～1.25 m 區間可調節。撿球機構直徑0.4 m，高度為0.15 m，內置儲球盒為邊長0.3 m 的正方形，深度為0.1 m，容積為0.009 m3，可容納至多14 個乒乓球。傳輸履帶的長度為1 m，軟撥片為長0.06 m、寬0.03 m 的長方形，且每2 軟撥片的間距為0.05 m。因此該分離式乒乓球輔助訓練機器人主要由檢測裝置、發球機、撿球機、收集器及旋轉裝置等組成。其中整體結構示意圖如圖2 所示。

圖2 分離式乒乓球輔助訓練機器人結構示意圖

2.2 工作原理

為實現多角度發射和智能撿球等功能，分離式乒乓球輔助訓練機器人分別從檢測裝置、撿球機和發球機等的結構進行設計。檢測裝置先通過CMOS 圖像傳感器對乒乓球進行識別與定位，并通過SPI 芯片計算好運動路徑，通過紅外傳感器檢測路徑上的障礙物避障；撿球機移動至乒乓球附近點，利用快速旋轉的毛刷將乒乓球撿取入撿球機尾部的存儲盒中；發球機利用傳輸機構將乒乓球傳送至發球機構，發球機構采用摩擦輪摩擦式的發球原理進行乒乓球的發射。其中發射臺可直接使用2 個摩擦輪的轉速差來控制乒乓球出射方向，并且若想使乒乓球朝向不同的方向打出則只需對電機速度進行調整就可達到目標要求。若想使球朝向左側發射則需要使右側的摩擦輪速度大于左側的摩擦輪速度。發射臺也可以通過電機旋轉來調節出射角度，發球的高度則由連接發射平臺的轉軸來控制發球口的仰角。而發射球的速度可由以下公式表達出來。當乒乓球以V1速度恰好過網時，可得

當乒乓球以V2的速度恰好過臨界點時，可得

因此該發射球的最大速度需要控制在

上述公式中：L1為乒乓球桌長；L2為乒乓球桌寬；h為網高；g 為重力加速度；t 為時間。

以標準乒乓球桌為例，如圖3 所示，L1=1.5 m，L2=2.14 m，h=0.15 m，可得到該發射球的最大速度需要控制在0.03 m/s≤V≤2.27 m/s。而發球平臺和收集裝置間的輸送履帶底部擁有固定平移方向的滑軌，方便在發球俯仰角變化后，發球臺和傳送帶出現位移差后可進行微調保證精確度。

圖3 乒乓球桌

3 關鍵部件設計

3.1 撿球裝置

撿球裝置的結構如圖4 所示，撿球裝置由行走模塊、撿球模塊和儲存模塊組成，其中行走模塊為2 個伺服電機帶動的前驅麥克納姆輪和2 個后置的普通車輪，撿球機通過左右2 電機的轉速差進行轉向，也能在轉速相同時實現前進和后退。撿球模塊使用機器前方滾筒上刷子的圓周滾動進行撿球。在撿球機前方安裝有1 個可以收集乒乓球的旋轉圓柱刷，用以給乒乓球一推力使乒乓球能更加順利地進入下一環節的收集盒子內部。收集模塊是1個位于機身中后方的存儲盒，以實現儲存功能。根據資料查找了解到現在國際標準的乒乓球的直徑為40 mm，質量為2.7 g，由此可以看出乒乓球的體積小，質量輕，易于拾取。被筒刷施加初速度的乒乓球會通過一個約30°的坡道被掃入乒乓球撿球裝置后方的存儲盒。

圖4 撿球轉置結構示意圖

3.2 發球裝置

發球裝置的結構示意圖如圖5 所示，發球裝置是由傳輸機構和發球裝置組成。其中傳輸機構是由2 條豎直且對稱的傳送帶組成，傳送帶上每隔50 mm 就有1 個橡膠軟撥片。此外，2 條履帶2 側被亞克力板擋住，可防止乒乓球在上升時滾落。當撿球機將乒乓球收集完成后，則與固定至乒乓球桌旁的發球機對接，乒乓球被擁有橡膠軟撥片的垂直傳輸皮帶輸送至發球平臺。而發球機主要由2 個擁有相對耐磨且較軟的皮套的摩擦輪組成，通過脈寬調制型電機（該電機具有調速精度高、電機運轉噪聲小、效率高、調速范圍寬及電機運轉火花小的特點，能延長電機的使用壽命）2 個摩擦輪的轉速差來控制乒乓球射出方向。

圖5 發球裝置結構示意圖

3.3 檢測機構

檢測機構的結構示意圖如圖6 所示，檢測裝置的圖像處理模塊由CMOS 圖像傳感器、紅外傳感器和雙目相機等組成，其中CMOS 圖像傳感器和雙目相機實現對乒乓球的識別與定位，并計算出撿球機的運動路徑。圖像處理模塊上方有工作指示燈，顯示檢測機的工作狀態，并且圖像處理模塊可以360°旋轉掃描乒乓球場地，取樣范圍更廣，使撿球的精度和避障的速度得以提高。

圖6 檢測機構結構示意圖

4 結束語

通過對發球機和撿球機的創新改進，可以使乒乓球輔助訓練機器人能夠進行多種模式下的多角度發射訓練。不僅能夠更好地訓練運動員們的水平，而且可以根據訓練目的來適應各種水平的訓練人員。

該機器人操作簡便，并且機械結構層面簡潔，故障率低，其智能化的操作也極大地解放了人們的雙手，相較于其他種類的乒乓球輔助訓練機器人，該分離式輔助訓練機器人功能豐富、成本較低，適合廣泛推廣和使用。