自动捡球机器人的机械结构设计

摘要

该机器人主要应用在乒乓球比赛场和训练场上，它有自动捡乒乓球和自动送乒乓球的功能。虽然，现在市面上有很多智能的机器人已经应用到我们的日常生活当中，但是并没有专门应用在乒乓球场上的机器人。在乒乓球场上，在比赛或者训练的时候，地面上肯定会有很多出界和无效的乒乓球。现在，我们一般主要还是通过人工的方法来捡球和送球，这明显降低了工作的效率和提高了工作人员的劳动强度。因此，如果我们将智能机器人应用在乒乓球场上，实现捡球和送球的自动化，这将会大大提高我们的工作效率和降低了工作人员的劳动强度。所以将自动捡球机器人应用在乒乓球场上，这将会有很大的市场发展潜力。

在本设计论文中，主要是自动捡球机器人机械结构部分的设计。用UG NX 6.0软件构建出自动捡球机器人的立体模型，并对各部分的运动机构进行分析说明。最后，用AutoCAD2008软件绘制出相应零部件的工程图和机器人的装配图。本文详细讨论了机器人机械结构的设计。首先，为了更好地理解机械结构的设计思路，在开始的时候，就引入了总体的设计方案。然后，对各个主要的机构进行详细的设计和分析。最后，介绍了设计的总体效果。

关键词：机器人，机械结构，UG NX 6.0

Abstract

This designed robot which can pick up table tennis and take back table tennis automatically is used in the completive and training field. Although it is a lot of intelligent robots on the market have been applied to our daily life, seldom of deliberate robots are used in the field of table tennis. In the table tennis field, when we are in the training or competition, there will be a lot of table tennis which are out of pool table and invalid table tennis in the ground certainly. Today, we often pick up and take back table tennis artificially, and it can reduces work efficiency and raise our labor intensity obviously. Therefore, if we can apply the intelligent robots to the table tennis field, which can pick up and take back table tennis automatically, that will greatly improve our work efficiency and reduce the work efficiency of the staff greatly. Therefore, in the table tennis field, the applications of robot which can pick up and take back table tennis automatically will have a great commercial potential.

In this dissertation about the design concerning the robot, it mainly relate to the design of mechanical structure. And also, I construct the stereoscopic model of the robot which can pick up and take back table tennis automatically with the help of the UG NX 6.0 software, and make an analysis show of the kinematical mechanism. Finally, I draw the engineering drawing of the appropriate parts and assembly drawing with the help of the AutoCAD2008 software. This paper discusses mechanical structure of the robot minutely. first of all，I introduce the overall design ideas in order to make a better comprehension.. Afterwards, I analyze the designed mechanism in detail. At last, I introduce the gross impressions of the design.

Key words：Robot, Mechanical structure, UG NX 6.0

目录

1 绪论 (1)

1.1 背景 (1)

1.2 本课题研究的内容 (1)

1.3 论文的构成 (2)

2 总体设计方案 (3)

2.1 行走方式 (3)

2.2 捡球方式 (3)

2.3 驱动和转向的方式 (4)

2.4 主体材料的选择 (6)

3 结构的设计 (7)

3.1 驱动机构 (7)

3.1.1 电源的选择 (7)

3.1.2 电机的选择 (8)

3.1.3 车轮的确定 (8)

3.1.4 驱动装置 (9)

3.2 捡球机构 (11)

3.2.1 捡球的总装置 (11)

3.2.2 微型真空泵的选择 (13)

3.2.3 堵气机构 (14)

3.2.4 存放腔的设计 (20)

4 机器人的传感器 (22)

4.1 机器人的视觉 (22)

4.2 机器人的触觉 (22)

4.3 机器人的计数功能 (23)

5 设计的总效果与工作过程 (24)

5.1 设计的总效果 (24)

5.2 工作过程 (25)

结论 (26)

致谢.............................................................................................. 错误！未定义书签。参考文献. (28)

1 绪论

1.1 背景

机器人是一个自动执行某种动作的机械装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编制的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。现在，机器人在各行各业中，都有着广泛的应用，例如制造业、建筑业，或是其它危险性的工作[1]。

要想设计出一个机器人，就必须要具备以下这些方面的能力。第一，电子学基础。这部分内容包括模拟电路和数字电路理论，要学习电阻、电容器、晶体管以及其他普通电子元器件等基础知识。第二，编程基础。先进的机器人都使用计算机或微处理器（例如单片机）来控制自己运动的，这就需要靠编程来实现。第三，机械基础。机器人也是一台机器，要靠运动来完成任务。要想设计一个机器人这就需要设计一些相应运动的机械机构。

随着计算机技术和人工智能技术的高速发展，机器人在功能和技术上都取得了很大的提高。现在，即使在严峻的经济形势下，仍有很多面向各个新应用领域的机器人不断涌现出来。目前，机器人应用率的快速增长并非仅仅是一时的狂热，而是社会发展的必然趋势。许多枯燥、肮脏和危险的工作最终将由机器人代替人工来完成。随着机器人技术的高速发展，机器人竞技运动在世界各地蓬勃兴起。社会在不断地发展，对机器人的要求也越来越高[2]。

目前，我国也正掀起一股机器人的热潮。我国机器人的技术也取得了很大的进步。我国的机器人技术大致有如下发展趋势：（1）智能化。智能化不仅是对机器人系统的要求，也是对工作环境的要求。智能化的发展趋势，有效地提高机器人工作的效率和使用性能。（2）标准化和模块化。我国还没有统一的机器人标准。统一的标准和平台能够大大减少应用软件厂商的成本，并能优化服务机器人领域的体系结构，规范中间件，实现模块化[3]。

1.2 本课题研究的内容

该机器人的主要任务是自动捡乒乓球，主要应用在乒乓球比赛场或者练习场上。设计的自动捡球机器人大概的工作流程如下：当自动捡球机器人通过声控装

置自动识别并接收到运动员发出的捡乒乓球命令后，采用图像识别技术自动识别乒乓球落下的方位。然后，对乒乓球的位置分布作一个最优的行程判断，再走到每个球落下的地方。最后，将乒乓球捡起来，放进存放腔中。当机器人接收到由运动员发出送球指令后，再自动地把乒乓球送给运动员，完成自动捡乒乓球的一个工作流程。

本论文，主要涉及到的是机械结构部分的设计，采用UG NX6.0软件构建出机器人的模型，并且对各个设计出的运动机构进行分析说明。

1.3 论文的构成

本论文主要分为以下几部分。第一部分，总体方案的设计。主要介绍设计的自动捡球机器人的基本构造、捡球的方法、驱动方式和主体制造材料的选择。第二部分，各运动机构的详细设计和各部分机构的工作原理，并对各个设计的机构进行简单的分析。第三部分，主要简单地介绍安装在自动捡球机器人的传感器和导航系统。第四部分，主要是对这几个月以来，做毕业设计的一些总结和心得体会。

2 总体设计方案

2.1 行走方式

机器人行走机构的分类和各类的特点如表2.1所示[2]。

表2.1 机器人行走机构的分类特点

行走方式特点

轮式最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯。

履带式可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。

行走式机器人的重心落在脚掌上，它一方面要取得准静态平衡，另一方面要稳定步行。因此，它的控制比较复杂。

由于乒乓球赛场一般都比较宽敞，且地面比较平整，所以选择轮式行走方式会比较合理。并且，轮式的机器人设计和制作的过程相对其它类型的机器人较为简单，在控制系统的设计方面的处理也比较容易。

2.2 捡球方式

对于捡球方式有两种方案。第一种方法就是设计一个机械手，直接将乒乓球抓取，并且将乒乓球放到存放腔中。另一种方法就是用仿照吸尘器的原理，将乒乓球吸起来，再存放到存放腔中。如果设计一个机械手抓取乒乓球，则需要设计的活动关节较多，设计的机构较为复杂，而且在控制方面也比较难处理。由于自动捡球机器人作用的对象是乒乓球，并且乒乓球的体重较轻、体积较小，因此比较容易吸取。因此，捡球的方式采用第二种方法。这就需要安装一个可以吸气的微型真空泵。微型真空泵的结构如图2.1所示[4]。

图2.1 真空泵

微型真空泵的工作原理是：电机作圆周运动，通过机械装置使真空泵内部的隔膜做往复式的运动，从而对固定容积的真空泵腔内的空气进行压缩、拉伸形成真空(负压)，从而使真空泵的抽气口处与外界大气压产生压力差。在压力差的作用下，将气体压(吸)入泵腔内，再从排气口排出来，完成一个吸气的过程[4]。

在真空泵吸气的过程中，为了防止空气从乒乓球的出口进入，从而减少从乒乓球入口进入的空气，达不到捡球的作用。因此，要另外设计一个堵气机构。在微型真空泵吸气的过程中，乒乓球的出口关闭。当微型真空泵吸气完成后，乒乓球的出口打开，让乒乓球走出来，进入存放腔中。在这个机器人中，采用了一个平面四连杆机构的堵气机构。

2.3 驱动和转向的方式

机器人采用12v的步进电机驱动，并且用前轮驱动、后轮导向方式。导向采用的是万向轮，万向轮的结构如图2.2所示。万向轮可以由厂家直接生产制造出来，不必另外设计，而且比较容易获得，使用起来也比较方便。导向轮安装在脚轮轮子的支架能在动载或者静载中水平360度旋转，起到导向的作用[5]。

图2.2 万向轮结构图

用以实现机器人转向的方法有很多。常用到的有以下几种：（1）差动型转向。对于轮式和履带式机器人的转向来说，差动法是最为常用的方法。当转向时，机器人一侧的轮子或履带停止前进或反向运动，另一侧的则继续向前运动，从而使机器人向轮子或履带停止或反向运动的一侧转向。（2）汽车型转向。汽车型转向虽然没有差动型转向的机动性好，但它适用于室外路况，特别是不平坦的路面。采用此种转向方式的机器人转向圆圆心是在轮子的外侧，而不是在两轮之间，因此可以获得更大一些的牵引力。（3）三轮车型转向。差动型转向的最大缺点就是

当驱动机器人两侧车轮的电机中一个速度略微慢一点，机器人所行进的路径就会变成曲线。使用三轮车型转向的机器人，必须合格证其用于转向的电机定位，否则无法保证机器人能进行直线运动。（4）全方位型转向。这种方式要求机器人具备三个具备转向功能的驱动轮，而这些车轮需要两个电机，一个用于转向，另一个用于驱动车轮运转。全方位机器人有很强的灵活性，并且转向准确，但技术实现比较困难[2]。

本设计主要采用差动方式进行转向。在机器人的两侧在相对应位置各安装一个相同的电机，分别驱动两个车轮，并且实现差动驱动。机器人的两个轮子以相等的速度和相同的方向转动时，可以实现机器人的向前和向后的运动；当左轮停转或者反转时，可以实现机器人的左转向；当右轮停转或者反转时，可实现机器人的右转向；当两轮以相同速率地正转或者反向转动时，机器人将会原地转向，从而实现机器人的原地左转或者原地右转。其工作原理如图2.3所示。

图2.3 机器人的运动和转向

综上可知，设计的整个机器人总共需要三个轮子。装在前面的两个车轮是驱动轮，起到驱动的作用，并且两轮独立驱动。装在后面一个轮是万向轮，起到导向的作用。

2.4 主体材料的选择

制作机器人常用的材料主要有以下几种。（1）木材。选用木材的最大优点是它的价格低廉，加工方便，可直接用手工锯进行加工。但是，它在零件接头的地方比较容易损坏，而且比较容易磨损。（2）塑料。塑料的种类较多，可以根据机器人不同的功能，选择出不同的塑料。这主要有以下三种塑料可以选择。第一，热固性塑料。这种塑料较坚硬。它只能通过切削来定型，它一般用于硬塑料玩具、电器产品和其他对结构强度有一定要求的产品中。第二，弹性塑料。它具有很高的弹性，它和热固性塑料一样，不能通过加热的方法来定型。第三，热塑性塑料。它可以作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有ABS（丙烯腈-丁二烯）、丙烯酸塑料、纤维素塑料、环氧树脂、尼龙、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亚氨酯、PVC（聚氯乙烯）、硅树脂。（3）金属材料。这种材料的强度较大，而且来源广泛，通常选用碳钢和铝合金。但是选用这种材料会使机器人体重增加，会增大电机的负载。（4）有机玻璃。这种材料比较难获得，而且价格相对其它材料也比较昂贵[1]。

由于制作的自动捡球机器人体积较小，要求的重量也较轻。因此，主体的制造材料选为环氧树脂塑料。该材料是一种非常耐用而且干净的塑料，通常用作玻璃纤维的黏合剂。它在大多数情况下成液态，被用于灌注到别的零件或者玻璃纤维基体上。干燥后，环氧树脂可以切割、钻孔和抛光。因此，选该塑料作为机器人的主体材料比较合适。

3 结构的设计

3.1 驱动机构

3.1.1 电源的选择

机器人常用的电池有以下几种类型。（1）干电池。由于干电池属于一次性使用的，成本也相对较高，并且干电池的内阻一般都比较大。因此，当负载比较大的时候，电压会下降得很厉害，无法实现大电流的连续工作。因此，干电池并不是机器人系统的理想电源。（2）铅酸蓄电池。它的最大的特点是价格较低、过充电的承受能力受强，大电流放电能力和可靠性高。但是，它的质量比较大，维护起来相对比较困难。（3）镍镉/镍氢电池。它具有良好的大电流放电特性、耐过充和放电的能力强、维护简单等优势。但是，其最致命的缺点是：在充放电过程中，如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得电池容量和使用寿命大大地缩短。此外，镉是一种有毒金属，因而镍镉电池不利于环境的保护，废弃后必须严格地进行回收。由于众多的缺点，使得镍镉电池在机器人的应用中越来越少。（4）锂离子/锂聚合物动力电池。锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点。但是，锂离子电池的充电和放电必须严格小心，通常在使用锂离子电池组的时候必须配备专门的过充电、过放电保护电路。锂离子电池价格也相对比较高，并且需要另外配备保护电路。因此，相同能量的锂离子电池的价格是免维护铅酸蓄电池的十倍以上[5]。

综合实用性和经济性原则的考虑，在本机器人的设计中，选用了铅酸蓄电池。在本设计，可以采用山东金科力电源科技有限公司生产的铅酸蓄电池，各个性能的参数表3.1所示[5]。

表3.1 选用铅酸蓄电池的性能参数

电池型号额

定

额定容量(Ah) 外型尺寸(mm±1mm) 参考

DJW12-1.2

电

压

1.8

V

1.8

V

1.7V 1.7V 1.6V 长宽高总高

重量

(kg) 12V

20H

R

10H

R

5HR 3HR 1HR

97 43 52 58 0.57

1.2 1.12 1.03 0.94 0.74

3.1.2 电机的选择

微型机器人使用的电机一般有步进电机、直流电机和直流伺服电机这三种类型。这三种电机的控制都相对简单，性能也比较出众，而且直流电源也比较容易获得。（1）步进电机。它是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使在机器人控制变得简单。（2）直流电机。它有极宽的功率调节范围，调整特性平滑，适应性好，过载能力较强，而且具有很好的性价比，是一种通用的驱动电机。（3）伺服电机。它是自动装置中的执行元件，它的最大特点是可控。一般来讲，它主要同以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等[6]。

在本机器人设计中，采用了步进电机。

3.1.3 车轮的确定

设计的自动捡乒乓球机器人采用的是前轮驱动，后轮定位的方式。该机器人靠前轮与地面之间的摩擦力驱动前进。因此，前轮作为一个驱动轮，要设置一些花纹，以增大摩擦力。在该机器人的设计中，将前轮的直径设计为64mm。设计前轮的效果如图3.1所示。

图3.1 前轮（驱动轮）

导向轮采用的是万向轮。万向轮一般可以由厂家直接生产提供，而且价格也比较便宜。因此，万向轮不需要再另外设计。在本设计中，采用了红旗山电子有

限公司生产的万向轮，该万向轮的产品编号为：JXGJWXL40，外形如图3.2所示[7]。

注：外径40mm、厚12mm、孔径2.3mm

图3.2 万向轮外形图

3.1.4 驱动装置

1、传动方式的决定

一般来讲，机器人的传动装置主要有齿轮传动、链传动、带传动和蜗杆传动。在本设计中，采用齿轮传动，这样不仅可以使设计变得更加简单，而且齿轮传动也较为平稳。主动齿轮和从动齿轮的模数m为0.8，齿数z为50，则齿轮的直径?

d=

mz

=。

=

(

8.0mm

40

)

50

2、齿轮与电机轴的连接

为了将齿轮安装到电机轴上，通常要使用紧定螺钉进行连接，如图3.3所示。大多数的齿轮都有自带的紧定螺钉或用以旋入螺钉的孔。如果没有，可以自己钻孔，并对其攻丝[8]。

图3.3 使用紧定螺钉将电机轴与齿轮连接起来

3、前轴的轴系结构

前轴安装驱动轮，它的主要功用是支承零件及传递动力。在前轴轴系的零件主要有：轴承、从动齿轮、定位套筒、轴承套、前轮和螺母等。各个零部件的大概安装位置大概如图3.4所示。

图3.4 前轴的轴系结构

4、驱动装置的总体结构

将驱动装置的各个零部件组装起来，组成一个完整的驱动系统，其效果如图3.5所示。

图3.5 传动装置系统

3.2 捡球机构

3.2.1 捡球的总装置

由于乒乓球重量较轻、体积较小，而且比较容易吸取。因此，捡球的机构采用微型真空泵吸取的装置。首先，机器人通过判别乒乓球的位置。然后，走到乒乓球的位置前。最后，由单片机控制启动微型真空泵，使乒乓球吸进塑料制成的软胶管道，使乒乓球从出口处走出来，并且进入乒乓球存放腔中。为了使机器人具有自动清洁机器人的作用，可以在乒乓球的入口处安放一些毛刷，当乒乓球刚进入管道时，除去灰尘。

粗的塑料软胶管的内径大概为60mm，细的塑料软胶管内径大概为10mm（与微型真空泵的进气口和吸气口连接）。粗的胶管和细的胶管有一个连接的地方，

可以使用黏合剂将它们连接起来。使用黏合剂连接时，要注意保持接触表面的清

洁，并用砂纸打磨连接相接触的表面。这些软胶管可以直接购买，并且按图3.6所示的位置布局进行安装。

图3.6 真空泵与胶管的布置

再将捡球装置的其它各个部件组装起来后，得到的捡球装置如图3.7和图3.8所示。

图3.7 吸气装置效果图一

图3.8 吸气装置效果图二

3.2.2 微型真空泵的选择

1、型号的确定

当完成吸球的工作后，为了使乒乓球能够顺利地送出去，可以选用抽气和打气两用的微型真空泵。吸球时，真空泵抽气，将乒乓球捡进来；吸球完成后，真空泵打气，将球吹到存放腔内。在自动捡球机器人的设计中，我们可以选用成都新为诚科技有限公司生产型号为FAA8006的微型真空泵，其功能参数如表3.2所示[9]。

表3.2 微型真空泵的参数

型号电

压

(V)

负载

电流

(mA)

功率

(W)

流量

(L/min)

真空

度

(KPa)

负压

(KPa)

最大输出

压力

(KPa)

最大体积

（mm3）

重

量

（g）

FAA800

6 12 <340 <4.08 6 50 -50 80

100×37×

59

350

注：标准大气压为101KPa，真空度的值为绝对压力，负压和最大输出压力的值为相对压力。

2、配件的选择

因为真空泵在抽气和打气的过程中，难免会产生震动的现象，影响机器人的工作性能和使用寿命。因此，必须要选择微型真空泵配套的减震胶垫一套。其安

装前后的效果如图3.9所示[9]。

图3.9 真空泵与减震胶垫的安装

当真空泵工作一段时间后，所抽气体中含有的粉尘会积累在泵腔内部，破坏泵的气密性，使流量和真空度下降。因此，为了过滤气体中的粉尘杂质，确保真空泵内部的精密气密性元件正常工作，有效延长泵的寿命，在进气管要装有过滤器。对于FAA系列的真空泵，要选择中号的过滤器（可以由厂家直接生厂和提供，不再需要另外设计）。

3.2.3 堵气机构

1、总体结构

真空泵在吸气的过程中，为了防止空气从乒乓球的出口进入，而无法使乒乓球从入口处吸起来并存放。因此，要设计一个堵气机构。当真空泵吸气的时候，乒乓球的出口关闭，将乒乓球从入口处吸进来；当真空泵吸气完成后，出球口打开，真空泵打气，将乒乓球吹到存放腔内，完成乒乓球捡起的过程。设计该机器人的堵气机构如图3.10所示。

图3.10 堵气机构

2、工作原理

当真空泵吸气的时候，电磁铁不工作，堵气盖由于弹簧拉力的作用，将乒乓球的出口塞住，防止空气进入。当过真空泵吸气完成，电磁铁通电并且开始工作，在电磁铁拉力的作用下，堵气盖打开。此时真空泵开始打气，将乒乓球吹出来。乒乓球出来后，电磁铁断电，由于安装在机器人上弹簧和电磁铁内部弹簧的作用，堵气机构复位，回复到初始状态，将乒乓球出口塞住，为去吸取下一个乒乓球做准备。

为了让堵气盖充分地塞住乒乓球出口，减少漏气，因此要将堵气盖设计成锥形状，如图3.11所示。但是，圆锥形的结构不能设计得太高，防止连杆在运动

的过程中，会出现卡死的现象。

图3.11 堵气盖的结构

3、电磁铁的选择

电磁铁又可以称为螺线管,主要分为以下的几种类型：框架式、圆柱式、直

立式、拉式、推式、推拉式、单向磁保持式、双向磁保式、吸盘式等类型[10]。

电磁铁一般都要有工作电压要求,一般采用的是直流12V和24V的电压。根据自

动捡机器人的工作需要和设计的要求，要选用直流12V电压的拉式电磁铁。

在这里，我们可以选择武进继电器厂生产的电磁铁，其型号为MQ26，它的

主要性能参数如表3.3所示，外形如图3.12所示[10]。

表3.3 选用电磁铁的性能参数

型号外形尺寸额定电压吸合行程初吸力终吸力MQ26 Φ26×5012V 15mm 1kg 2-3kg

图3.12 选用的电磁铁外形图

4、弹簧的选择

在该机器人中，弹簧的作用主要有两个。第一，当真空泵吸气时，堵气盖要

靠弹簧的拉力作用将乒乓球出口塞住，防止空气从乒乓球的出口进入，防止起不

到吸球的效果。第二，当真空泵吸气完成后，电磁铁断电而停止工作，要靠弹簧

的拉力来复位，使机器人可以为拾取下一个乒乓球做好准备。

由机械原理的知识，我们可以按照它所承受载荷的不同，将弹簧分为拉伸型

弹簧、压缩型弹簧、扭转型弹簧和弯曲型弹簧4种基本的类型；而按照弹簧的形

状结构的不同，又可将弹簧分为螺旋式弹簧、环形式弹簧、碟形式弹簧、板簧和

平面涡卷式弹簧等的类型[11]。在本机器人的设计中，选用了圆柱螺旋拉伸弹簧（小

号半圆勾环型）。其外形如图3.13所示。