乒乓球撿球機器人

張淼 滕睿 施應(yīng)偉

摘要：針對乒乓球館散落的乒乓球如何整理回收的問題，對乒乓球撿放機械臂及圖像識別模塊進行了系統(tǒng)上的設(shè)計和優(yōu)化，設(shè)計了完全自動的乒乓球撿球機器人。本機器人采用STM8系列單片機作為核心MCU，采用較輕的鋁合金作為機械部分材料，本機器人的設(shè)計廣泛應(yīng)用在乒乓球館、體育館等場合，該機器人的設(shè)計有著很高的實際使用價值以及市場研發(fā)價值。

關(guān)鍵詞：機器人；機械；乒乓球；MCU系統(tǒng)

乒乓球撿球機撲

張錦騰 如如

摘要：針對乒乓球館散亂的乒乓球如何擺放和回收的問題，本文設(shè)計并優(yōu)化了乒乓球拾放機器人手臂和圖像識別模塊，設(shè)計了一種全自動乒乓球撿放機器人。該機器人以STM8系列單片機為核心，采用輕質(zhì)鋁合金為機械部件。機器人的設(shè)計在乒乓球館得到了廣泛的應(yīng)用，健身房和其他場合。該機器人的設(shè)計具有很高的實用價值和市場研發(fā)價值。

關(guān)鍵詞：機器人；力學(xué)；乒乓球；單片機系統(tǒng)

引言

乒乓球作為一種國球運動，越來越受到人們的歡迎.但是在乒乓球訓(xùn)練過程中，地面會出現(xiàn)大量散落的乒乓球。目前通常采用的人工撿取方式，非常消耗時間和精力，因此設(shè)計一款智能乒乓球撿放機器人尤為必要。本文設(shè)計了一種全自動乒乓球撿球機器人，借助電動機驅(qū)動撿球機前進，并在前進過程中實現(xiàn)自動撿球，一定程度上提高了撿球的工作效率，同時降低了撿球人員的勞動強度和勞動量。實現(xiàn)以機代人的效果，大大降低撿球者的勞動程度。撿球機可以快速實現(xiàn)撿拾滿地的乒乓球，以此來滿足大型乒乓球球場或者運動員訓(xùn)練場的需求。本文自主研究和發(fā)明一種自動的乒乓球撿球機，能夠使機器人自主的完成撿球的動作，對乒乓球運動有著十分重要的社會意義和經(jīng)濟效益。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從機器人技術(shù)的剛剛起步到大概1980年，機器人技術(shù)發(fā)展的十分緩慢，十多年后，現(xiàn)在與機器人相關(guān)的這些技術(shù)，如電腦技術(shù)的發(fā)展，微電子技術(shù)的發(fā)展都有了較大的飛躍，從而帶動了機器人行業(yè)的崛起。近年來，國外機器人研究呈現(xiàn)出以下趨勢：

目前，國際機器人市場約90億左右，其中占比最大的還屬工業(yè)機器人。在過十年預(yù)計能突破500億大觀，機器人的使用量會呈現(xiàn)出由百到千甚至破萬的飛躍，機器人所服務(wù)的行業(yè)也越來越多，此外，IT行業(yè)、部分車企還有家具衛(wèi)浴企業(yè)都加入了機器人的研發(fā)陣營。

機器人在我國起步較晚，與發(fā)達(dá)國家相比仍有差距，但隨著國家的支持，機器人產(chǎn)業(yè)在我國快速發(fā)展，一些國產(chǎn)工業(yè)機器人和智能機器人產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于的中國各種行業(yè)，出現(xiàn)了大量的機器人研究人才。中國有200多家研發(fā)和應(yīng)用工程單位，其中有75家從事工業(yè)機器人的研究和應(yīng)用。公司生產(chǎn)各類工業(yè)機器人800余臺，年生產(chǎn)銷售近3億元，國家“863”計劃有沈陽西碩機器人公司、哈爾濱博自動化公司、一汽集團、涂料技術(shù)中心、北京機械工業(yè)自動化機器人中心、大連西安分公司等9家大型機器人研發(fā)機構(gòu)在9個產(chǎn)業(yè)化基地建立了智能機器人的主題。機器人的開發(fā)和生產(chǎn)，我國已經(jīng)初步規(guī)模，機器人關(guān)鍵部件的生產(chǎn)，開發(fā)了一種噴漆、焊接、組裝，如機器人包括超過130集噴涂機器人在20多個企業(yè)近30自動噴漆生產(chǎn)線規(guī)模、弧焊機器人在汽車焊接線與應(yīng)用程序。

機器人機身材料選擇

對于現(xiàn)如今的機器人而言，主體材料無非如下幾種。

（1）木材。選擇木材最主要的原因是因為它經(jīng)濟性好，容易加工，而且可以手工鋸制。然而，用木材制造的機器人更容易因為關(guān)節(jié)的摩擦運動導(dǎo)致磨損。

（2）塑料。塑料種類繁多，可根據(jù)機器人的不同功能選擇不同的材料。塑料有三種主要類型可供選擇。首先，熱固性塑料。此種塑料硬度高。他只有通過切割才能成型。我們平時玩的硬質(zhì)塑料玩具還有一些電器產(chǎn)品中都有他的身影。第二，熱塑性塑料。他可作為多種用途、不同厚度的材料使用。第三，彈性塑料。如其名，它具有很高的彈性，就像熱固性塑料一樣，不能通過加熱來成形。

（3）金屬材料。這種材料的強度很大，來源廣泛，通常是碳鋼和鋁合金。但是，這種材料的選擇會稍微增加機器人的重量，增加電機的負(fù)載。

（4）有機玻璃。這種材料很難獲得，而且比其他材料貴。

由于制作的自動撿球機器人體積較小，而且考慮其結(jié)構(gòu)的硬度剛度要求，最終主體的研制材料選用鋁合金。儲球筐則選用普通塑料即可。

行走方式設(shè)計

機器人移動機構(gòu)的分類以及各類的特點如表1所示

表1 機器人行走機構(gòu)的分類特點

行走方式 特點

輪式 最適合平地行走，不能跨越高度，不能爬樓梯

履帶式 可在有些崎嶇的路面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階

行走式 機器人的重心露在腳掌上，它一方面要取得準(zhǔn)靜態(tài)平衡，另一方面要穩(wěn)定步行。因此，他的控制比較復(fù)雜。

由于乒乓球訓(xùn)練場一般都比較寬敞，地面也比較平整，所以選擇輪式移動方式會比較合理。并且，輪式的機器人設(shè)計和制造的過程相對其他類型的機器人較為簡單，在控制系統(tǒng)的設(shè)計上的處理也比較容易。

撿球的方式

對于撿球方式有三種方案。第一種方法呢就是設(shè)計一個抽吸裝置，類似于吸塵器的原理，靠風(fēng)力把乒乓球吸入儲球用的裝置內(nèi)，第二種方法就是設(shè)計一個機械手，直接抓起乒乓球，然后再把乒乓球放到儲存用的倉內(nèi)。第三種是設(shè)計一種自動扣緊并將球壓入框內(nèi)的撿球裝置。如果設(shè)計一個機械手抓取乒乓球，則需要設(shè)計的傳動機構(gòu)以及關(guān)節(jié)較多，較為復(fù)雜，并且也難以控制；雖說乒乓球的質(zhì)量小、體積小，用吸球的方式雖然可以把球吸入框內(nèi)但是難免將地上的一些其他東西一同吸入。因此，撿球的方式宜采用第三種，這就需要設(shè)計一些傳動機構(gòu)用以實現(xiàn)撿球目的。

MCU控制系統(tǒng)

自動清潔機器人采用了STM8單片機作為MCU，STM8系列是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位單片機。該型號單片機分為STM8A、STM8S、STM8L三個系列。該設(shè)計選用STM8S103F3為主控芯片，其采用了高級STM8內(nèi)核，具有5級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)，哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)。采用了具有8K字節(jié)Flash存儲器；在50°C環(huán)境下環(huán)境可保存30年；具有528字節(jié)的EEPROM；可達(dá)20余萬次的電擦除。工作電壓范圍廣3到6V，靈活的時鐘控制并且自帶4個主時鐘源：

（1）低功率晶體振蕩器；

（2）外部時鐘輸入；

（3）用戶可調(diào)整的內(nèi)部16MHzRC；

（4）內(nèi)部低功耗128kHzRC；

機械機構(gòu)設(shè)計

拾取機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，將拾取裝置置于機器人前部，將機器人中部設(shè)計為乒乓球和控制裝置存放地，將機器人后部設(shè)計為蓄電池、驅(qū)動電機放置的地方。這樣設(shè)計可以將機器人重量較大的部分放到驅(qū)動輪所在的機器人后部，可以使機器人運行更加穩(wěn)定，拾取效率也大大提高。

結(jié)語

本文研究的乒乓球撿球機器人設(shè)計是基于目前乒乓球設(shè)備中沒有智能化撿球設(shè)備，運動后仍需人為去撿球的現(xiàn)狀提出的。本機器人的設(shè)計，減輕了人們的負(fù)擔(dān)，促進了機器人向智能化發(fā)展的進程。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉仕文.自動拾取乒乓球機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（09）：1-8.

（作者單位：1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院；

2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料工程與科學(xué)學(xué)院）