涵道撿乒乓球機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)探究

趙雪川　李衛(wèi)國　王利利

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)乒乓球撿球機(jī)器人，該機(jī)器人采用STM32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，利用涵道的高速旋轉(zhuǎn)，使殼體內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)差，將外界的乒乓球壓進(jìn)殼體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撿球的目的，在裝置的最底部安裝了可以旋轉(zhuǎn)的撥球裝置，盡量的做到整個(gè)殼體的密閉性。

關(guān)鍵詞：撿球機(jī)器人；乒乓球；涵道

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0083-02

Abstract： This paper designs an automatic table tennis ball picking robot， which uses STM32 single chip computer as control system， makes use of the high speed rotation of ducts， causes certain pressure difference inside and outside the shell， and compresses the outside table tennis into the shell， to achieve the purpose of automatically picking up the ball. At the bottom of the device， a rotatable ball device is installed， so as to achieve the sealing of the whole shell.

Keywords： ball picking robot； table tennis； culvert

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人工智能技術(shù)對(duì)人類的影響越來越大。機(jī)器人技術(shù)越發(fā)成熟，從事維護(hù)保養(yǎng)、機(jī)械修理、安保救援、生產(chǎn)運(yùn)輸?shù)裙ぷ鞯姆?wù)性機(jī)器人正逐步滲透到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，保證了作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，也可以逐步將人力從繁重的體力勞動(dòng)、簡(jiǎn)單的機(jī)械作業(yè)中解放出來。本文擬對(duì)新型乒乓球撿球機(jī)器人進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，利用涵道風(fēng)扇產(chǎn)生的壓差將乒乓球吸取回收，產(chǎn)品使用電路及遙控控制，可操作性強(qiáng)，作業(yè)效率高，對(duì)角落和障礙處的落球也能很好撿拾。

1 基本原理

機(jī)器人利用涵道的高速旋轉(zhuǎn)，使殼體內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)差，利用壓強(qiáng)將外界的乒乓球壓進(jìn)殼體（現(xiàn)在國際慣用的乒乓球的直徑為40mm，質(zhì)量為2.7g，體積小、質(zhì)量輕，適合吸取撿拾）。

涵道的工作原理：電機(jī)做高速的圓周運(yùn)動(dòng)，加快了殼體內(nèi)部的空氣流速，從而導(dǎo)致殼體內(nèi)部的壓強(qiáng)減少，進(jìn)而使殼體內(nèi)部與吸球口處產(chǎn)生壓強(qiáng)差，球被壓入殼體為了盡量的做到整個(gè)殼體的密閉性，裝置最底部安裝了可以旋轉(zhuǎn)的撥球裝置，當(dāng)處于吸球狀態(tài)時(shí)，撥球器的口與吸球口連同，而將出球口封閉，當(dāng)足夠數(shù)量的球通過涵道的作用被吸入上層的隔板后，撥球器再次旋轉(zhuǎn)，使它的口與出球口連同，而將進(jìn)球口封閉，由于隔板的傾斜設(shè)計(jì)，球在重力的作用下落入出球口。

2 總體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)完全是基于實(shí)踐考慮，設(shè)計(jì)之初進(jìn)行了詳細(xì)的前期考察和調(diào)研；根據(jù)考察的結(jié)果制定具體的設(shè)計(jì)方案和要求，初步設(shè)計(jì)出整體的布局和結(jié)構(gòu)外形；使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真模擬，并優(yōu)化；根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)制作物理樣機(jī)；進(jìn)行撿球?qū)嶒?yàn)，最終確定樣機(jī)形式。

（1）前期考察調(diào)研。各大體育場(chǎng)館的乒乓球訓(xùn)練、比賽場(chǎng)地進(jìn)行了實(shí)地考察，了解服務(wù)人員對(duì)撿球車有什么需求和建議，對(duì)比目前在用的撿球方法和撿球器械的撿球器械的優(yōu)缺點(diǎn)。

（2）撿球車定型。根據(jù)考察的結(jié)果，選定本設(shè)計(jì)的撿球車?yán)煤缐翰畛槿?，并使用撿球車的?nèi)部為儲(chǔ)球空間。

（3）乒乓球撿球車的三維機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。乒乓球撿球車機(jī)構(gòu)包括底盤的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、吸球機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)和撥球機(jī)構(gòu)，通過三維建模確定整車設(shè)計(jì)可行性，并對(duì)各零部件做出優(yōu)化，最終確定整車的數(shù)據(jù)。

（4）乒乓球撿球車運(yùn)動(dòng)仿真。利用Solidworks對(duì)所建立的三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過軟件分析查看整車效果并做優(yōu)化處理，生成最終的裝配圖和工程圖。

（5）乒乓球撿球車的制造。根據(jù)零件圖和裝配圖購買標(biāo)準(zhǔn)件，完成各零部件的制造加工和整機(jī)組裝，并為撿球車配置整套電控系統(tǒng)，對(duì)組裝好的撿球車進(jìn)行調(diào)試。

（6）乒乓球撿球車撿球?qū)嶒?yàn)。應(yīng)用撿球車進(jìn)行多次撿球?qū)嶒?yàn)，記錄和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過測(cè)試結(jié)果反饋進(jìn)行撿球車整體機(jī)構(gòu)改進(jìn)和電控部分的優(yōu)化處理。

3 具體設(shè)計(jì)思路

涵道乒乓球撿球機(jī)器人分為兩部分：主體撿球機(jī)構(gòu)及整車結(jié)構(gòu)和電路控制部分，整車采用半自動(dòng)的遙控器控制行進(jìn)及撿球作業(yè)。

4 整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）底盤設(shè)計(jì)。撿球車底盤主體使用矩形加厚亞克力

板，因整車的重量均由底盤承擔(dān)，必須要保證主體強(qiáng)度。

（2）驅(qū)動(dòng)裝置采用4個(gè)12V電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四個(gè)互成矩形

的麥克納姆輪，實(shí)現(xiàn)撿球車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及左右平移。因其工作的主體區(qū)為平整的乒乓球場(chǎng)地，四輪可不做減震裝置，降低制造成本。

（3）儲(chǔ)球裝置。儲(chǔ)球裝置采用透明亞克力板粘接，本撿球車采用壓強(qiáng)差撿球原理，其對(duì)儲(chǔ)球裝置的氣密性具有一定的要求，因此在制造過程中要保證粘接的質(zhì)量和強(qiáng)度。儲(chǔ)球裝置的大小可通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)計(jì)算具體得出。

（4）吸球機(jī)構(gòu)。撿球車?yán)弥睆綖?0mm涵道風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)改變內(nèi)外壓強(qiáng)，達(dá)到撿球的目的。具體設(shè)計(jì)為涵道風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)口通過儲(chǔ)球裝置與進(jìn)球口相連，通過涵道風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)改變儲(chǔ)球裝置中的空氣流速，從而使儲(chǔ)球裝置中的壓強(qiáng)減小，使得其與外界瞬間產(chǎn)生壓強(qiáng)差，球在外界壓強(qiáng)的作用下被壓入儲(chǔ)球裝置。吸球管主體使用直徑稍大于乒乓球直徑的PVC管材，方便組裝和更換，吸入口垂直地面并有防護(hù)罩，進(jìn)球口呈45℃斜口，方便乒乓球進(jìn)入儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)。

（5）撥球裝置。撥球裝置采用舵機(jī)帶動(dòng)撥片順逆時(shí)針交替旋轉(zhuǎn)的方式將儲(chǔ)球裝置中的球撥出。撥盤為一個(gè)安裝在儲(chǔ)球裝置內(nèi)部開有一個(gè)與進(jìn)球口直徑一樣的圓孔的裝置，撥盤的作用在于切換儲(chǔ)球裝置與進(jìn)出口的連通，當(dāng)撿球車開始吸球時(shí)撥盤口與吸球口連通，同時(shí)撥盤擋住出球口，當(dāng)撿球車向外倒球時(shí)舵機(jī)帶動(dòng)撥盤逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°，使得撥盤口與出球口連通，同時(shí)撥盤擋住進(jìn)口，防止球回落到進(jìn)球口。

5 電路控制部分設(shè)計(jì)

（1）底盤的運(yùn)動(dòng)控制。底盤的運(yùn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四個(gè)麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)，具體為通過調(diào)節(jié)四個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及四個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的差速實(shí)現(xiàn)底盤的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及左右平移，底盤的電控部分將用到電機(jī)的測(cè)速馬盤以及電機(jī)的換向電路。

（2）涵道風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)與控制。因涵道風(fēng)扇的電機(jī)較為特殊，所以涵道風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)必須通過電條來實(shí)現(xiàn)，涵道風(fēng)扇的開關(guān)及功率大小則通過遙控器來實(shí)現(xiàn)。

（3）撥盤與撥片的控制。撥盤通過舵盤與舵機(jī)連接，通過控制行程為90°舵機(jī)的角度實(shí)現(xiàn)撥盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，撥盤由遙控控制。撥片通過舵盤與舵機(jī)連接，通過控制舵機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)撥球，撥片由遙控控制。

（4）主控板。主控板是整機(jī)的核心原件，采用STM32單片機(jī)作為主控板， STM32單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信，控制芯片通過對(duì)上位機(jī)命令的解析來控制定時(shí)器PWM 的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)底盤的運(yùn)動(dòng)、涵道風(fēng)扇的開關(guān)、撥盤和撥片的轉(zhuǎn)動(dòng)等功能。

（5）遙控裝置。遙控裝置是撿球車實(shí)現(xiàn)撿球、輸送等一系列功能的控制部件，本設(shè)計(jì)采用大疆公司小精靈的遙控器實(shí)現(xiàn)對(duì)所有可控部分的控制。

6 撿球效果驗(yàn)收

在本校的體育館實(shí)地進(jìn)行撿球效果驗(yàn)收，經(jīng)過試驗(yàn)該撿球機(jī)器人行走平穩(wěn)，撿球效果良好，運(yùn)行期間噪聲小，對(duì)于角落和障礙后的球能很好的撿拾，同時(shí)散落的球可以攢堆后統(tǒng)一回收，減少了能量的損耗。

7 涵道撿乒乓球機(jī)器人的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）高效、實(shí)用、簡(jiǎn)易的撿球裝置的設(shè)計(jì)，主要突破邊角球的撿拾和集中球的拾取這兩大關(guān)鍵問題。

利用涵道飛機(jī)的動(dòng)力源涵道風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)撿球，極大的提高了撿球的效率；動(dòng)力系統(tǒng)采用4個(gè)12V的直流電機(jī)供給，行走方式電機(jī)驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪，極大地提高了撿球車的靈活性和電能的供給；控制系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為主控板，使用遙控器作為控制手段，半自動(dòng)化控制可以進(jìn)行定向撿球，同時(shí)也減少了因程序問題引發(fā)的故障。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便易于制造，整車采用亞克力板粘接，很大程度上保證了撿球車的氣密性，使用透明的亞克力板，有利于觀察內(nèi)外部的情況；撿球車的各個(gè)部件采用可拆卸連接，方便更換和維修，同時(shí)也減輕了車體的重量。極大的降低了整車的造價(jià)，經(jīng)濟(jì)適用。

（2）達(dá)到節(jié)能減排的目的?，F(xiàn)階段國內(nèi)外撿乒乓球機(jī)器人的研究有兩個(gè)方向：一是夾持式，二是吸附式。第一類中機(jī)械手的設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，且機(jī)械手與球之間是硬接觸，容易對(duì)乒乓球造成機(jī)械式的損傷。第二類比第一類在技術(shù)上更成熟，但由于在拾取后真空泵要持續(xù)工作，耗能比大，不符合當(dāng)下節(jié)能減排的思想。本設(shè)計(jì)的機(jī)器人的設(shè)計(jì)核心是將拾取部分與容器部分設(shè)計(jì)成一體，此設(shè)計(jì)在靈活性與節(jié)能減排等方面都有很大的提升，經(jīng)濟(jì)與實(shí)用效益都非?？捎^。

（3）實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的配合。本設(shè)計(jì)涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、Solidworks、機(jī)械原理等其他學(xué)科知識(shí)以及自動(dòng)化、傳感器等先進(jìn)技術(shù)，在實(shí)際中應(yīng)用了CAD制圖，C語言編程、三維構(gòu)圖和計(jì)算機(jī)模擬及單片機(jī)的知識(shí)，是多學(xué)科綜合運(yùn)用的結(jié)果。

（4）體積適合的儲(chǔ)球裝置的設(shè)計(jì)，在能高效撿球的基礎(chǔ)上盡可能設(shè)計(jì)最大的儲(chǔ)球裝置，除了置于車底的簡(jiǎn)單的控制元件和車頂?shù)暮里L(fēng)扇，其余的整車均可使用為儲(chǔ)球空間，可以提高每次的撿球數(shù)。

（5）合理設(shè)計(jì)撥球裝置，突破撥球時(shí)卡球這一大難題。

（6）撿球車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，盡可能提高撿球車的靈活性。

（7）在實(shí)現(xiàn)高效撿球的同時(shí)，合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及電控，達(dá)到低能耗的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱建，安必勝，朱向楠.乒乓球撿球機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及感悟[J].揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論叢，2011，01.

[2]陳成會(huì)，朱向楠，冒瑞.遙控智能乒乓球撿球機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及感悟[J].揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論叢，2014，02：

[3]安丹陽.新型自主式乒乓球撿球機(jī)器人的構(gòu)形及關(guān)鍵技術(shù)研究

[D].東北大學(xué)，2008.

[4]許東偉，劉建群，林淦.乒乓球撿球機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)床與液壓，2014，03.

[5]呂騰飛，陸麗，何炳林，等.智能網(wǎng)球撿球機(jī)的研制[J].電子世界，2013，12.

[6]安丹陽.新型自主式乒乓球檢球機(jī)器人的構(gòu)形及關(guān)鍵技術(shù)研究

[D].東北大學(xué)，2008.

[7]郭海軍.乒乓球機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析與聯(lián)合仿真研究[D].燕山大學(xué)，2012.