投球机器人结构设计

第３４卷㊀第４期２０１９年８月

北京信息科技大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｖｏｌ.３４㊀Ｎｏ.４Ａｕｇ.２０１９

文章编号:１６７４－６８６４(２０１９)０４－００９３－０４ＤＯＩ:１０ １６５０８/ｊ.ｃｎｋｉ.１１－５８６６/ｎ.２０１９ ０４ ０１８

投球机器人结构设计

钟建琳ꎬ张浩岳

(北京信息科技大学机电工程学院北京１００１９２)

摘㊀㊀㊀要:设计了一款集收发球功能于一体的机器人ꎮ由底盘机构㊁收供球机构㊁旋转机构与发球机构４部分构成ꎮ使用全向轮作为运动载体ꎬ通过带传动实现球的收集和运送ꎮ发射准备阶段利用一个可以全角度旋转的轮盘确定发射方向ꎬ然后通过单飞轮与挡板挤压将球发射ꎮ搭建过程中通过对齿轮㊁轴和关键连接片的校核ꎬ确定组装方案ꎻ利用三维建模观察结构是否合理ꎮ该方法制造的投球机器人发球频率高㊁精度大ꎬ符合机器人比赛赛事要求ꎬ同时可应用于网球训练ꎮ

关㊀键㊀词:投球ꎻ机器人ꎻ单飞轮

中图分类号:ＴＰ２４２ ６㊀㊀㊀文献标志码:Ａ

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｐｉｔｃｈｉｎｇｒｏｂｏｔ

ＺＨＯＮＧＪｉａｎｌｉｎꎬＺＨＡＮＧＨａｏｙｕｅ

(ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌꎬＢｅｉｊｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１９２ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｒｏｂｏｔｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｄｓｅｒｖｉｎｇｂａｌｌｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｉｔ

ｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｃｈａｓｓｉｓｍｅｃｈａｎｉｓｍꎬｒｅｃｅｉｖｉｎｇａｎｄｓｕｐｐｌｙｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍꎬｒｏｔａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｓｅｒｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ.Ｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｕｓｅｓｏｍｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｗｈｅｅｌｓａｓｍｏｖｉｎｇｃａｒｒｉｅｒｓꎬｃｏｌｌｅｃｔｓａｎｄｔｒａｎｓｐｏｒｔｓｂａｌｌｓｂｙｂｅｌｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ.Ｉｎｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｏｒｙｓｔａｇｅｏｆｓｅｒｖｉｎｇꎬａｗｈｅｅｌｄｉｓｃｗｈｉｃｈｃａｎｒｏｔａｔｅａｔａｌｌａｎｇｌｅｓｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｓｅｒｖｉｎｇ.Ａｎｄｔｈｅｂａｌｌｉｓｓｅｒｖｅｄｂｙａｓｉｎｇｌｅｆｌｙｗｈｅｅｌａｎｄｂａｆｆｌｅｅｘｔｒｕｓｉｏｎ.Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓꎬｔｈｅａｓｓｅｍｂｌｙｓｃｈｅｍｅｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｃｈｅｃｋｉｎｇｔｈｅｇｅａｒｓꎬ

ｓｈａｆｔｓａｎｄｋｅｙｃｏｎｎｅｃｔｏｒｓꎻｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｉｎｓｐｅｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅ￣ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ.Ｔｈｅｐｉｔｃｈｉｎｇｒｏｂｏｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｈｉｇｈｓｅｒｖｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙꎬｗｈｉｃｈｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｒｏｂｏｔｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎａｎｄｃａｎｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｅｎｎｉｓｔｒａｉｎｉｎｇ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｉｔｃｈｉｎｇꎻｒｏｂｏｔꎻｓｉｎｇｌｅｆｌｙｗｈｅｅｌ

收稿日期:２０１９￣０４￣２５

第一作者简介:钟建琳ꎬ女ꎬ博士ꎬ教授ꎮ

０㊀引言

智能化是机器人发展的主要方向ꎬ自动投球机器人则是智能化的具体表现形式之一[１]ꎮ该类机器人采用遥控装置ꎬ在不受外部环境以及人力资源限制的情况下完成收发球工作ꎬ可用于机器人赛事或网球训练ꎮ机器人本体分为多个子机构ꎬ在程序控制的基础上自主完成基本运动㊁方向调整和球的收发ꎮ

１㊀基本结构

本文作者设计的这一款机器人ꎬ集收球和发球

功能于一体ꎬ既可用于对抗发射类机器人比赛ꎬ又可作为网球发球机使用ꎮ设备采取遥控智能方式ꎬ所发球满足各种需要ꎮ能源提供采用锂电池ꎬ为机器人提供稳定的动能ꎮ采用模块化设计理念ꎬ把投球机器人分为４个模块分别进行设计:底盘结构㊁收供球机构㊁旋转机构与发球机构ꎮ

２㊀功能模块结构

２ １㊀底盘结构

对于投球机器人ꎬ底部运动部件需要满足如下功能:适合于不同摩擦系数的环境及场地ꎻ能灵活快速向各个方向移动ꎻ振动幅度不大ꎮ其移动方式使

㊀北京信息科技大学学报第３４卷

用类似车的移动方式ꎮ因为其结构复杂㊁成本高昂ꎬ本文不采用仿人行走方式ꎮ投球机器人在实际使用时ꎬ缺少转弯空间ꎬ需具有全向移动的功能ꎬ故排除类似于汽车所用的轮子转向带动整个机体变向的方式ꎮ全向轮价格低廉ꎬ使用寿命长ꎬ并且每个轮子不需要单独驱动[２]ꎬ便于操作ꎮ因此本文采用全向轮作底盘移动部件ꎮ

４个全向轮采用Ｏ－长方形布局[３]ꎬ如图１所

示ꎮ这种排布方式可以产生ｙａｗ轴转动力矩ꎬ而且转动力矩的力臂也比较长ꎬ有利于灵活快速向各个方向移动

ꎮ

图１㊀Ｏ－长方形布局

按照目前投球机器人比赛规则对机体长宽高的要求ꎬ设计长宽高不超过５００ˑ５００ˑ５００ｍｍꎮ

最终底盘结构如图２所示ꎬ由４个２５光电编码电机(电机型号:９Ｖ/１８５ＲＰＭ)㊁４个全向轮㊁４个联轴器㊁４个连接盘以及底盘框架组成

ꎮ

图２㊀底盘结构

２ ２㊀收供球机构

收供球机构如图３所示ꎮ该机构可使球迅速被吸入车体ꎬ并平稳运送至发球机构ꎮ

收球部分采用滚轮式ꎬ使用同步带包裹同步轮组装成滚轮机构ꎬ通过一根光轴连接该滚轮机构ꎬ并且固定在车体前端ꎮ目前大多数比赛用投球机器人都采用滚筒式收球方式ꎬ如图４所示ꎮ虽然结构简单ꎬ但是受力不均匀ꎬ中间受力小于两端ꎬ极易发生卡球或皮筋缠绕现象ꎮ

而本文作者改用滚轮式收球

图３㊀收供球机构

方式ꎬ其受力均匀ꎬ吸球速度快ꎬ不易卡球ꎬ运球流畅ꎬ能达到比赛时快速㊁连续吸球的目的ꎮ收球部分和供球部分在车体前端依靠同步带进行连接ꎬ节约了材料

ꎮ

图４㊀滚筒式收球方式

供球部分传动方式采用带传动ꎮ带传动振动小ꎬ传动过程平稳ꎮ过载时ꎬ带能够防止薄弱零件损坏ꎬ起到安全保护作用ꎮ为改善带传动机构的传动比ꎬ本文在收球机构内端进行了简易的精确化设计ꎬ在收球部分内端放置一块弧形ＰＣ板作为路径引导ꎬ有效连接设备上㊁下两部分ꎬ规范球的运动轨迹ꎬ使球能够准确无误地进入发球机构ꎮ

整个收供球机构由一个２５光电编码电机(电机型号:９Ｖ/１８５ＲＰＭ)和一个３７直流电机(电机型号:１２Ｖ/２００ＲＰＭ)依靠同步带传动来驱动ꎮ３７直流电机控制整个收供球机构正常驱动ꎬ而２５光电编

码电机控制供球部分上球运动的驱动ꎮ这样设计可以在比赛中根据需要储存球ꎬ按需发射ꎬ达到储球目的ꎮ

２ ３㊀旋转机构

经前期调研ꎬ目前比赛用投球机器人及多数网球发球机的发球机构与供球机构固定在一起ꎬ无法实现在不改变机体的情况下ꎬ进行多方向发球ꎮ本设计创新使用齿轮传动带动转盘旋转ꎬ实现在不改变车体方向的情况下ꎬ让发球机构可进行多方位的旋转发球ꎮ图５为旋转机构ꎬ由垫片㊁底板㊁转盘㊁顶板㊁齿轮组和２５光电编码电机(电机型号:９Ｖ/

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