張淼 滕睿 施應(yīng)偉

摘要：針對(duì)乒乓球館散落的乒乓球如何整理回收的問(wèn)題，對(duì)乒乓球撿放機(jī)械臂及圖像識(shí)別模塊進(jìn)行了系統(tǒng)上的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了完全自動(dòng)的乒乓球撿球機(jī)器人。本機(jī)器人采用STM8系列單片機(jī)作為核心MCU，采用較輕的鋁合金作為機(jī)械部分材料，本機(jī)器人的設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用在乒乓球館、體育館等場(chǎng)合，該機(jī)器人的設(shè)計(jì)有著很高的實(shí)際使用價(jià)值以及市場(chǎng)研發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；機(jī)械；乒乓球；MCU系統(tǒng)

乒乓球撿球機(jī)撲

張錦騰 如如

摘要：針對(duì)乒乓球館散亂的乒乓球如何擺放和回收的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了乒乓球拾放機(jī)器人手臂和圖像識(shí)別模塊，設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)乒乓球撿放機(jī)器人。該機(jī)器人以STM8系列單片機(jī)為核心，采用輕質(zhì)鋁合金為機(jī)械部件。機(jī)器人的設(shè)計(jì)在乒乓球館得到了廣泛的應(yīng)用，健身房和其他場(chǎng)合。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)研發(fā)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；力學(xué)；乒乓球；單片機(jī)系統(tǒng)

引言

乒乓球作為一種國(guó)球運(yùn)動(dòng)，越來(lái)越受到人們的歡迎.但是在乒乓球訓(xùn)練過(guò)程中，地面會(huì)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(shí)間和精力，因此設(shè)計(jì)一款智能乒乓球撿放機(jī)器人尤為必要。本文設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)乒乓球撿球機(jī)器人，借助電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)撿球機(jī)前進(jìn)，并在前進(jìn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撿球，一定程度上提高了撿球的工作效率，同時(shí)降低了撿球人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)量。實(shí)現(xiàn)以機(jī)代人的效果，大大降低撿球者的勞動(dòng)程度。撿球機(jī)可以快速實(shí)現(xiàn)撿拾滿地的乒乓球，以此來(lái)滿足大型乒乓球球場(chǎng)或者運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練場(chǎng)的需求。本文自主研究和發(fā)明一種自動(dòng)的乒乓球撿球機(jī)，能夠使機(jī)器人自主的完成撿球的動(dòng)作，對(duì)乒乓球運(yùn)動(dòng)有著十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從機(jī)器人技術(shù)的剛剛起步到大概1980年，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的十分緩慢，十多年后，現(xiàn)在與機(jī)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(dòng)了機(jī)器人行業(yè)的崛起。近年來(lái)，國(guó)外機(jī)器人研究呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)：

目前，國(guó)際機(jī)器人市場(chǎng)約90億左右，其中占比最大的還屬工業(yè)機(jī)器人。在過(guò)十年預(yù)計(jì)能突破500億大觀，機(jī)器人的使用量會(huì)呈現(xiàn)出由百到千甚至破萬(wàn)的飛躍，機(jī)器人所服務(wù)的行業(yè)也越來(lái)越多，此外，IT行業(yè)、部分車(chē)企還有家具衛(wèi)浴企業(yè)都加入了機(jī)器人的研發(fā)陣營(yíng)。

機(jī)器人在我國(guó)起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有差距，但隨著國(guó)家的支持，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在我國(guó)快速發(fā)展，一些國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于的中國(guó)各種行業(yè)，出現(xiàn)了大量的機(jī)器人研究人才。中國(guó)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(jī)器人的研究和應(yīng)用。公司生產(chǎn)各類(lèi)工業(yè)機(jī)器人800余臺(tái)，年生產(chǎn)銷(xiāo)售近3億元，國(guó)家“863”計(jì)劃有沈陽(yáng)西碩機(jī)器人公司、哈爾濱博自動(dòng)化公司、一汽集團(tuán)、涂料技術(shù)中心、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人中心、大連西安分公司等9家大型機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)在9個(gè)產(chǎn)業(yè)化基地建立了智能機(jī)器人的主題。機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，我國(guó)已經(jīng)初步規(guī)模，機(jī)器人關(guān)鍵部件的生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)了一種噴漆、焊接、組裝，如機(jī)器人包括超過(guò)130集噴涂機(jī)器人在20多個(gè)企業(yè)近30自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線規(guī)模、弧焊機(jī)器人在汽車(chē)焊接線與應(yīng)用程序。

機(jī)器人機(jī)身材料選擇

對(duì)于現(xiàn)如今的機(jī)器人而言，主體材料無(wú)非如下幾種。

（1）木材。選擇木材最主要的原因是因?yàn)樗?jīng)濟(jì)性好，容易加工，而且可以手工鋸制。然而，用木材制造的機(jī)器人更容易因?yàn)殛P(guān)節(jié)的摩擦運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致磨損。

（2）塑料。塑料種類(lèi)繁多，可根據(jù)機(jī)器人的不同功能選擇不同的材料。塑料有三種主要類(lèi)型可供選擇。首先，熱固性塑料。此種塑料硬度高。他只有通過(guò)切割才能成型。我們平時(shí)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(guò)加熱來(lái)成形。

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

（4）有機(jī)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(dòng)撿球機(jī)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(chǔ)球筐則選用普通塑料即可。

行走方式設(shè)計(jì)

機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分類(lèi)以及各類(lèi)的特點(diǎn)如表1所示

表1 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的分類(lèi)特點(diǎn)

行走方式 特點(diǎn)

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(tái)階

行走式 機(jī)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(chǎng)一般都比較寬敞，地面也比較平整，所以選擇輪式移動(dòng)方式會(huì)比較合理。并且，輪式的機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程相對(duì)其他類(lèi)型的機(jī)器人較為簡(jiǎn)單，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上的處理也比較容易。

撿球的方式

對(duì)于撿球方式有三種方案。第一種方法呢就是設(shè)計(jì)一個(gè)抽吸裝置，類(lèi)似于吸塵器的原理，靠風(fēng)力把乒乓球吸入儲(chǔ)球用的裝置內(nèi)，第二種方法就是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，直接抓起乒乓球，然后再把乒乓球放到儲(chǔ)存用的倉(cāng)內(nèi)。第三種是設(shè)計(jì)一種自動(dòng)扣緊并將球壓入框內(nèi)的撿球裝置。如果設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手抓取乒乓球，則需要設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及關(guān)節(jié)較多，較為復(fù)雜，并且也難以控制；雖說(shuō)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(jì)一些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)撿球目的。

MCU控制系統(tǒng)

自動(dòng)清潔機(jī)器人采用了STM8單片機(jī)作為MCU，STM8系列是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)。該型號(hào)單片機(jī)分為STM8A、STM8S、STM8L三個(gè)系列。該設(shè)計(jì)選用STM8S103F3為主控芯片，其采用了高級(jí)STM8內(nèi)核，具有5級(jí)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(chǔ)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(wàn)次的電擦除。工作電壓范圍廣3到6V，靈活的時(shí)鐘控制并且自帶4個(gè)主時(shí)鐘源：

（1）低功率晶體振蕩器；

（2）外部時(shí)鐘輸入；

（3）用戶可調(diào)整的內(nèi)部16MHzRC；

（4）內(nèi)部低功耗128kHzRC；

機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

結(jié)語(yǔ)

本文研究的乒乓球撿球機(jī)器人設(shè)計(jì)是基于目前乒乓球設(shè)備中沒(méi)有智能化撿球設(shè)備，運(yùn)動(dòng)后仍需人為去撿球的現(xiàn)狀提出的。本機(jī)器人的設(shè)計(jì)，減輕了人們的負(fù)擔(dān)，促進(jìn)了機(jī)器人向智能化發(fā)展的進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

[1]孟娜，胡俊.乒乓球撿放機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，31（05）：42-45+50.

[2]劉仕文.自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[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(jī)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）