智能发球机器人研究与开发项目申报书精编

智能发球机器人研究与

开发项目申报书精编 Document number：WTT-LKK-GBB-08921-EIGG-22986

附件：

申报类型：创新团队项目

启明学院自主创新项目申报表

项目名称：智能发球机器人研究与开发

团队名称：华中科技大学电工电子科技创新中心

项目负责人1：何立伟

联系电话：

项目负责人2：

联系电话：

申请资助经费：18000元

项目执行期:2015年5月1日至2016年5月1日

申报日期：2015年6月4日

华中科技大学启明学院制

一、主要信息表

经费预算

我保证以上所填内容完全属实，若有虚假，本人将负全部责任。

申请人签字：何立伟 .

一、项目背景与意义

球类运动因为是体力和技术的结合，在全世界范围内广受欢迎，目前市场上存在的各种发球机有各自的优缺点。综合分析后发现：这些发球机由于自身结构的限制，都不能完全实行自动控制，某些功能的实现需要手动调节; 同时，发球模式单一，不能真正地模拟真人发球。而文中的创新点在于提出了形态完全不同，具有可以灵活移动，发球动作具有高自由度和高可控性的发球机器人。这种机器人可以完成的动作较之传统发球机器有非常大的提升，基本上可以实现任何位置和任何方向各种力度的发射，使用者甚至可以通过控制其运动而模拟一场真实的比赛。这种发球机构是不仅仅可以满足初学者的训练要求，对进阶练习也有很大帮助。节省了陪练的人力，提升了整个训练过程的智能化和趣味化。

二、国内外概况

自动发球机是很多球馆和球友家庭的必备娱乐和训练工具。自动发球机适用于社会、学校、家庭、专业训练场馆使用。发球机可发各种性质的球，既可用于娱乐健身，又适合于专业训练。

现在已存的发球机的问题主要表现在以下几个方面：

只能实现定点发球，无法很好的模拟实战；

操作上无法人为调整，套路固定死板；

较为复杂的发球机器人造价过高，灵活性机动性不够，原理复杂；

功能过于简单，趣味性不足。

目前市场上存在的发球机有以下几种：

A.标准型

图 1 标准型发球机

B.机器人型

图 2 仿人型发球机

三、研究内容

一个球的发射过程大概可以描述如下：一定数量的球放置在储球机构中，当需要发射时供弹机构开始运转，用一个物流机构将球一个一个有序的送至发射机构处，通过发射机构为球提供足够的初速度，将球发射出去。同时应该满足可以通过控制实现球的不同速度射出，球发射的俯仰角度和水平角度也需要有一定的调节范围。对于供弹装置的功能要实现可以一个一个地送弹或者连续的送弹，对于进弹的速度也要求在一定的范围内可以调节。

综合以上描述本课题研究的主要内容包括：底部运动部件的设计与制作；供弹机构的开发与制作；发射机构的研究与制作；整体硬件电路的制作和算法编程。

(1) 底部运动部件的设计与制作

底部运动部件需要实现可以适应各种场地灵活快速向各个方向移动，且保证振动不大。对于现存的移动方式做一定的选择排除使用仿人行走方式而使用类似车的运动方式。因为实际使用时不能为其提供转弯的空间，所以所设计的机构需要具备各种方向移动的功能，故排除类似于汽车所用的轮子转向带动整个机器人变向的方式。最终考虑采用万向轮或者买克拉姆轮来设计移动部件。考虑到整机的重量和连续地运动带来变速时的硬冲击对整个系统的稳定性构成威胁，必须在底部运动装置配套设计减震装置，以减小冲击，同时保证在各种地形下四个轮子均着地。

(2) 供弹机构的开发与制作

供弹装置是一种物流机构，包括储球机构和送弹机构，要实现在尽可能小的空间内完成球的运送和储存，并且可以人为地调控送球的速度。[1]综合以上特点，送弹机构决定设计成电机带动拨杆旋转类型的送弹方式。在方案验证过程中我们发现供弹机构运动到发球有一个比较长的延时时间，这实际使用时会带来比较大的影响。所以在考虑采用两层的设计结构，设计一个底层以缩短球的补给机构到发射机构的距离，同时保留上层以完成多个球的存储和有序进入。

(3) 发射机构的研究与制作

目前存在的发球机器的发射机构已经非常成熟，但针对我们更高的需求，我们决定从以下几点进行改进。首先选择更大的摩擦轮胶圈，这样可以使出球速度和力度达到更高的水平，可以满足高水平使用者的需求。也更好的模仿了真实比赛环境。为发射机构增加了俯仰轴和水平轴，这样可以在发射处发出不同角度的球，同样实现了增大训练过程的难度，提高实战仿真度的要求。

四、创新点

本课题的特色和创新之处有如下几个方面：

(1)在发射装置上添加了可以让它迅速移动的部件，使发射过程更贴近实战。

(2)发射过程可以由另外一个人操控，也可以有使用者自由编程，可以实现类似比赛的流程。

(3)实现了自由变换俯仰角多水平角的发射。

五、研究方案

研究方法

本课题的主要研究目标是针对目前发球机构存在的问题和我们实际需要，设计出一套在外形和原理上都革新的发球机构。设计过程中融入了原有的发射元素，并提出改进，在移动机构上和供弹机构上完全实现全新设计。在研究方法上采用理论研究与实验验证相结合、并且相互促进

的方法。通过研究提出新的设计方案，然后在计算机上建模序实现这些新的思想方法来验证它们的有效性；反过来，在实验验证的过程中，我们会发现这些新方法的缺陷和不足，这又将促使我们去思考和改进这些新的理论方法，从而完善或提出更加有效的思想方法。

技术路线

为了实现预定的机构目标，我们对各种可能运用到的机构进行分析筛选排除，并对需要自行设计机构进行合理的分析，论证设计，针对课题相关的设计内容，拟采用如下技术路线:

(1)摩擦轮发射机构和云台控制角度机构

利用两个或两个以上互相压紧的轮子间的力传递动力和运动的。摩擦轮传动可分为定传动和变传动比传动两类。传动比基本固定的定传动比摩擦轮传动

摩擦轮传动，又分为圆柱平摩擦轮传动、圆柱槽摩擦轮传动和圆锥摩擦轮传动 3种型式。前两种型式用于两平行轴之间的传动，后一种型式用于两交叉轴之间的传动。工作时，摩擦轮之间必须有足够的压紧力，以免产生打滑现象，损坏摩擦轮，影响正常传动。在相同径向压力的条件下，槽摩擦轮传动可以产生较大的摩擦力,比平摩擦轮具有较高的传动能力,但槽轮易于。变传动比摩擦轮传动易实

现，并具有较大的调速幅度。机械无级变速器多采用这种传动。在图2中,主动轮按箭头方向移动时，从动轮的转速便连续地变化，当主动轮移过从动轮轴线时从动轮就反向回转。摩擦轮传动结构简单、传动平稳、传动比调节方便、过载时能产生打滑而避免损坏装置，但传动比不准确、效率低、磨损大，而且通常轴上受力大，所以主要用于传递动力不大或需要无级调速的情况。

相比于其他发射机构摩擦轮发射机构有其不可替代的优势。摩擦轮发射机构的优点主要体现在一下几个方面：首先摩擦轮发射机构可以很方便地实现连续发射，而不必等待系统恢复发射状态；摩擦轮发射机构体积小，能很好的和供弹机构融合为一体；摩擦轮发射机构加速简单可以方便地将球的速度加到非常大的一个范围；摩擦轮电机发射对原有机构冲击较小，利用两个摩擦轮电机同时工作，平衡了转动惯量。

(2) 麦克拉姆轮和三角悬挂系统的底板运动机构

这种全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的

轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。在此基础上研制的全方位叉车及全方位运输平台非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的舰船环境,在提高舰船保障效率、增加舰船空间利用率以及降低人力成本方面具有明显的效果。

为了达到保护机器，同时使机器人的四个轮子同时着地，增加了一个悬挂系统。不同于垂直布置的悬挂系统，我们采用了三角形布置，这样不仅仅可以实现竖直方向的减震，也可以平衡水平向的震动，而且三角形的形式可以很好地提高稳定性。

(3)双层旋转拨盘的供弹机构

由于送料机构的特殊性，并没有可以参考借鉴的实际例子供我们选择，因此我们自己设计了一种新型的供弹机构。为了减小进球机构运行和球发射出来的时间差，我们在下层采用了圆盘拨动的形式，这样有效的减小了进球机

构出口和发射机构着力点的距离，减小了等待时间。为了实现球有序的进入，我们又设计了进球机构的上层设计。

[3]球在六根柱子中旋转，到下球口时落下。这两层功能相结合，可以完美地实现有序快速进球发球的功能。

六、现有工作基础和条件

项目负责人基本情况:

项目申请人所在的团队自成立以来一直从事各种电类机械类的新型设备的研究开发工作，积累了丰富的研究经验。近几年来，电子电工科技创新中心课题组在智能化机器人的研究进行了大量的探索，提出了一系列成熟的解决方案，取得了很大的进展。在很多比赛中取得了优异的成绩，同时也培养了一批精于智能机器人设计的成员。

机构的实现是本课题的关键，本课题组有大量的机械方面的导师和研究生，提供大量的技术支持。本团队和学校其他相关团队保持密切合作，如3d团队，robocon团队，可以为我们提供技术支持和相关信息。

项目组成员基本情况:

项目组成员来自学校的各个学院，有机械类的也有电子类的。在学科知识上形成互补合作。所有成员均参加过省级以上的比赛，拥有丰富的智能机器人制作的经验。项目组成员和众多的导师和各种实验室的学长保持了密切的联系，可以方便的得到相关的支持和引导。

现有软硬件环境，实验环境等:

电子电工科技创新中心在启明学院拥有非常大的课题研究用场地。同时为了这个项目又申请了更多的场地。电工基地同时也拥有足够的硬件实力，可以提供完备的硬件支持。电工基地和校外研究机构也保持着密切的联系，可以获得其资金和技术上的大力支持。课题组与校外优质加工厂保持着良好的关系，可以迅速加工出高质量产品。

七、预期成果

(1)研究制造出可以灵活快速移动的底板机构，多角度的发射机构，和有序流畅的进球机构；

(2)在相关比赛中获得国家级的成绩；

八、工作进度安排

九、参考文献

[1] 《上海交通大学学报》 2005年01期《基于DPAM-F 的机电一体化系统广义执行机构子系统智能设计》田永利邹慧君郭为忠李瑞琴张青

[2]《上海交通大学学报》 2002年08期《行为结构变型与创新》冯涛邹慧君梁庆华郭为忠

[3]机械工业出版社《机械设计手册》成大先

[4] 《哈尔滨科学技术大学科学报告会论文摘要汇编》1985年S1期《机械最优化设计》王永乐王宏起王晓铮周敏李宏伟

[5] 南京航空航天大学出版社《机械产品全生命周期设计》郭万林

[6] Materials selection in mechanical design Ashby MF

[7] 《中国机械工程》《复杂机电系统耦合与解耦设计》钟掘陈先霖